[发明专利]探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法

权利要求书

1.一种探究造纸污水处理曝气量对各GHG排放源影响的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1、在ASM1模型的基础上，建立造纸污水处理过程的温室气体排放机理模型，该温室气体排放机理模型包括温室气体直接排放模型和温室气体间接排放模型，过程如下：

S11、采用ASM1模型仿真模拟造纸污水A/O处理工艺过程，将ASM1模型的反应器1、2、3、4设定为厌氧反应器，反应器5设定为好氧反应器，各个反应器均包含13种反应组分：快速可生物降解基质S_S、溶解性不可降解有机物S_I、慢速可生物降解基质X_S、颗粒性不可生物降解有机物X_I、活性异养微生物X_BH、活性自养微生物X_BA、颗粒性可生物降解有机氮X_ND、微生物衰减产生的惰性颗粒物质X_P、和NH₃的总和S_NH、溶解氧S_O、硝态氮或亚硝态氮S_NO、溶解性可生物降解有机氮S_ND、碱度S_ALK和8个反应过程：异养菌好氧生长、异养菌缺氧生长、自养菌好氧生长、异养菌衰减、自养菌衰减、溶解性可降解有机氮的氨化、慢速可降解有机物水解、慢速可降解有机氮水解；

其中，所述的ASM1模型的输入变量为：进水流量Q、总悬浮固体TSS、快速可生物降解基质S_S、溶解性不可降解有机物S_I、慢速可生物降解基质X_S、颗粒性不可生物降解有机物X_I、活性异养微生物X_BH、活性自养微生物X_BA、颗粒性可生物降解有机氮X_ND、微生物衰减产生的惰性颗粒物质X_P、和NH₃的总和S_NH、溶解氧S_O、硝态氮或亚硝态氮S_NO、溶解性可生物降解有机氮S_ND和碱度S_ALK，输出变量为：出水化学需氧量COD、生化需氧量BOD、氨氮、总氮TN和总悬浮固体TSS；

S12、在ASM1模型的基础上，建立温室气体直接排放模型，其中，温室气体直接排放模型的污水生化处理通过4个过程进行，分别是：内源性衰变、BOD去除、硝化过程和反硝化过程，过程中污染物的降解伴随产生温室气体，直接排放至大气；

其中，所述的步骤S12中温室气体直接排放的4个来源分别为：内源性衰变、BOD去除、硝化过程和反硝化过程，温室气体直接排放的计算方法如下：

S121、内源性衰变：

微生物细胞内参加内源性衰变的有机碳可写为C₅H₇O₂N的形式，这个过程的化学反应式为：

C₅H₇O₂N+5O₂→5CO₂+2H₂O+NH₃ (3)

根据式(3)的物质守恒关系，可得微生物细胞内参加内源性衰变的有机碳与产生的CO₂质量关系为1.947，可得内源性衰变过程的CO₂排放量为式(4)：

其中，X_VSS,decay为微生物细胞内的参加内源性衰变的有机碳，单位：kg/h；

S122、BOD去除：

污水中有机污染物BOD被微生物降解分为两个部分：一部分是被微生物菌群吸收，参与合成微生物细胞；另一部分是在氧气充足的情况下，彻底氧化为CO₂和H₂O，这部分被消耗的BOD化学简式为C₁₀H₁₉NO₃，完全氧化反应化学方程如式(5)：

2C₁₀H₁₉NO₃+25O₂→20CO₂+16H₂O+2NH₃ (5)

根据式(5)的物质守恒关系，可得CO₂产生量与O₂消耗量的比是1.1，在整个BOD去除过程中，产生的CO₂量为式(6)：

CO_2BODremoval＝1.100·BOD_oxidated (6)

其中，BOD_oxidated表示有机污染物被微生物氧化所消耗的氧气的量，单位：g/m³；

S123、硝化过程：

造纸污水的硝化反应过程吸收消耗CO₂，硝化反应总反应过程为式(7)：

根据物质守恒定律，硝化过程消耗CO₂量与消耗氨氮量的关系为4.490，过程中消耗的CO₂量计算如式(8)：

CO_{2,nitrification}＝4.490·NH_{nitrification} (8)

其中，NH_{nitrification}为用于硝化过程的氨氮，单位：g/m³；

S124、反硝化过程：

在污水脱氮过程中有0.5％去除的含氮物质被还原成N₂O，则反硝化过程中N₂O的产生量为：

N₂O_emission＝0.5％·Q·(TN_in-TN_out) (9)

其中，TN_in为进水总氮浓度，单位：g/m³，TN_out为出水总氮浓度，单位：g/m³；

S13、在ASM1模型的基础上，建立温室气体间接排放模型，其中，温室气体间接排放模型的工艺过程通过3个过程进行，分别是：污泥处理、电力消耗和化学品添加，在这些过程中间接产生的温室气体排放至大气；

其中，所述的步骤S13中温室气体间接排放的3个来源是：污泥处理、电力消耗和化学品添加，温室气体间接排放的计算方法如下：

S131、污泥处理：

微生物细胞的衰变量可写为C₅H₇O₂N的形式，污泥处理的化学反应如式(10)：

根据物质守恒定律，CO₂和CH₄与C₅H₇O₂N的化学计量关系分别为0.584和0.354，在污泥处理过程中产生的温室气体量计算如式(11)所示：

其中，X_sludge为微生物衰变量，单位：g/m³，为CH₄的全球增温潜势；

S132、电力消耗：

造纸污水生化处理过程中，电能消耗主要来自曝气机和水泵运转所消耗的电能，进而间接导致大量CO₂排放，曝气机和水泵电力消耗间接产生的CO₂排放量分别为：

CO_2,aeration＝EF_e×AE (12)

CO_2,pumping＝EF_e×PE (13)

其中，AE为曝气机消耗电能，单位：kwh，PE为水泵消耗电能，单位：kwh，EF_e为消耗电能的温室气体排放因子，取值0.8959kg/kwh；

S133、化学品添加：

外部碳源的生产制造同样伴随温室气体的排放，因添加化学品所间接排放的温室气体量为：

CO_2,chemicals＝EF_c×EC (14)

其中，EF_c为外部碳源的温室气体排放因子，取值1.54g CO₂/g碳源，EC为碳源添加量，单位：kg/h；

S2、采集现场污水数据，对进水COD和TN进行组分划分，获得ASM1模型中的变量；

S3、建立温室气体排放实验模型，验证温室气体排放机理模型的准确性，过程如下：

S31、收集现场水样并进行预处理：

污水水样经离心分离后，静置沉淀20小时，取上层清液；加入0.15mL 1000mg/L的HgCl₂溶液，目的是除去污水中的NH₃，立刻密封反应瓶；振荡数次，使瓶内上清液与HgCl₂溶液充分混合；在恒温15℃条件下，静置24h后，测定反应瓶中气态CO₂和N₂O含量；

S32、利用气相色谱仪检测反应瓶中的气态CO₂和N₂O，从而得到气态CO₂和N₂O含量：

用分别为5ppm CH₄+505ppm CO₂+0.49ppm N₂O的标准气体绘制标准曲线，用于检测反应瓶中水样的气态CO₂和N₂O含量；使用30mL注射器抽取样品瓶中气相的气体，打入气相色谱仪进样口进行测定，得到反应瓶中水样的气态CO₂和N₂O含量，气态CO₂和N₂O含量的单位：ppm；

S33、根据道尔顿分压定律和亨利定律计算得到溶解态CO₂和N₂O浓度：

根据道尔顿分压定律，计算气态CO₂和N₂O的分压：

P_i＝y_i·P^θ (1)

其中，y_i为i组分气体百分数，P^θ为当时大气压，取值102200Pa；

利用亨利定律，计算液相中溶解态CO₂和N₂O的浓度：

其中，P_i为i组分气体分压，单位：Pa，H_i为15℃时i组分的亨利定律常数，单位：hPa；

S34、建立温室气体排放实验模型，将计算得到的CO₂和N₂O排放量作为真实值，与通过温室气体直接排放模型计算得到的CO₂和N₂O排放量进行对比，验证造纸污水处理过程温室气体排放机理模型的准确性；

其中，所述的步骤S34中温室气体排放实验模型的建立方法如下：

对于反硝化过程排放的N₂O，建立N₂O排放实验模型，N₂O排放量计算公式如下：

其中，V_R为好氧反应器体积，取值10066.88m³，为N₂O的排放率；

N₂O排放率的计算为：

其中，为N₂O亨利系数，为溶解态N₂O浓度，单位：mg N₂O-N/m³，为N₂O物质传递系数，单位：h^-1，Q_A为气体流量，单位：m³/h；

CO₂排放实验模型的建立方法与N₂O的大致相同，基于溶解态CO₂浓度建立实验模型；在CO₂排放实验模型的建立过程中，相应使用CO₂的亨利系数和溶解态的CO₂浓度；

S4、设置不同的曝气量作为温室气体排放机理模型的输入，对造纸污水处理过程进行仿真实验，获得各排放源的温室气体排放量；

S5、采用Pearson相关系数法，计算曝气量与各排放源温室气体排放量之间的相关系数，找出对温室气体影响最大的排放源；

其中，Pearson相关系数的计算公式如下：

其中，x,y是变量的向量，i是采样点的个数，分别为x和y的均值。