CN116990453A - 一种污水处理系统温室气体释放监测方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污水处理系统温室气体释放监测方法及其系统，本发明通过明确目标污水处理系统的臭气收集处理系统基本情况和实际运行工况，并根据监测目的和要求，确定温室气体监测方案。进而实施污水处理系统各构筑物的温室气体监测，进而开展温室气体监测数据处理和计算。本发明通过设有的前端监测模块、通信模块、数据接收模块和数据处理模块、数据存储模块以及数据报表模块等构成监测系统，从而实现针对有臭气收集处理系统的污水处理系统的温室气体直接排放释放的高效、定量监测，所涉及的监测环节可涵盖具有臭气收集处理系统的所有污水处理工艺环节和污泥处理处置工艺环节，监测指标少，监测结果准确度高，并可实现少人化、无人化长期监测。
Description
技术领域
本发明涉及市政环保技术领域，尤其涉及一种污水处理系统温室气体释放监测方法及其系统。
背景技术
随着中国城镇污水处理行业的迅速发展，行业的温室气体排放在近年来经历了快速的增长。根据估算，我国城镇污水处理行业温室气体排放总量从2007年的8.4Mt CO2-eq增长至2016年的31.4Mt CO2-eq，增长了2.7倍。污水处理行业碳排放量占全社会碳排放总量的1％～2％。
污水处理系统的温室气体排放主要分为直接排放与间接排放两类。其中，直接排放主要是指污水处理处置过程中产生的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)及氧化亚氮(N2O)排放；间接排放则主要可分为电耗以及药耗两类，分别表征能源以及物质投入带来的温室气体排放。在污水处理系统温室气体排放核算中，间接排放一般可以通过生产过程中的电耗和药耗数据进行较为精确的估算；但是，污水处理过程的直接排放估计还处于初期研究阶段，监测方法还不成熟，实测数据十分缺乏，主要以经验因子为基础进行估算，误差较大。
已有文献报道采用通量箱监测污水处理厂工艺单元的温室气体排放通量。然而，上述方法仅能用于监测部分工艺单元的气—液界面的温室气体释放通量。然而，在污水处理系统的进水、粗格栅、提升泵、细格栅和深沙池等工段，水流扰动剧烈，会有大量温室气体释放；污泥浓缩、脱水处理、储存等污泥处理处置工段亦有大量温室气体释放，传统通量箱法无法对此类环节进行有效监测，易低估温室气体释放通量。此外，传统监测方法需要人工操作，监测过程复杂，通常无法进行长期连续监测。
近年来，随着环境监管日益严格，新建污水厂均建设有臭气收集处理系统，大多数现有污水厂也通过后期改造加盖臭气收集处理系统。臭气收集处理系统通过在污水处理厂站构筑物上加盖密封，配套有大功率抽气泵，通过吸气形成负压，收集污水处理过程中的产生臭气，并通过管道传输至臭气处理装置进行除臭后再排放到大气。臭气收集处理系统对污水处理系统中的臭气进行回收处理过程中可能对二氧化碳、甲烷及氧化亚氮也具有一定协同处理功能，在污水处理系统的温室气体直接排放释放监测过程中需要考虑以上问题。
发明内容
本发明的目的是针对有臭气收集处理系统的污水处理系统的温室气体直接排放释放监测问题，解决现有污水处理系统温室气体释放监测方法缺陷，从而使得监测结果能够反映真实污水处理过程的温室气体释放的一种污水处理系统温室气体释放监测方法及其系统，从而解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
一种污水处理系统温室气体释放监测方法，具体方法步骤为：
S1：明确目标污水处理系统的臭气收集处理系统基本情况和实际运行工况；
S2：根据监测目的和要求，确定温室气体监测方案，包括监测点位布置、监测指标、分析频率和监测周期；
S3：实施污水处理系统各构筑物的温室气体监测；
S4：开展温室气体监测数据处理和计算。
优选的，所述步骤S1为获取目标污水处理厂污水处理系统工艺资料和臭气收集处理系统资料，明确污水处理系统工艺，明确臭气收集处理系统布局，明确臭气收集处理系统运行工况，以及臭气收集处理系统运行效能；通过现场调研，目标污水处理系统每套臭气处理收集系统所服务的构筑物；第一套臭气处理收集系统的尾气排放口位置，以及，每一个构筑物单体的臭气收集系统布局情况，包括进气通道、臭气收集通道的位置等。
优选的，所述步骤S2中监测点位布置具体为若构筑物单体仅有一个臭气收集口和一条臭气传输管连接，应在该臭气传输管上设置监测点位；若构筑物单体末端有多个臭气收集口和一条臭气传输管连接，应在该臭气传输管上设置监测点位；若构筑物单体末端有多个臭气收集口和多条独立臭气传输管连接，应在每一条臭气传输管上设置监测点位；
其中每套臭气处理装置的尾气排放管道应设置一个监测点，管道上设置的监测点位选择在远离进气口、排气口，且管道无弯曲、管径无变化的地方，防止管道内气体压力和流速突变的影响，目标污水处理厂室外空间应设置有至少两个大气监测点位，监测点位应远离臭气处理装置尾气排口，防止尾气影响监测数据。
优选的，所述步骤S2中监测指标具体为选择合适的监测指标。
其中臭气传输管道和尾气排放管道监测点的监测指标应包括：管道二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度、管道气体压力和气体流速；大气监测点位的监测指标就包括：二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度和大气压力。
优选的，所述步骤S2中分析频率为选择合适的检测频率，即气体压力和气体流速监测频率不少于1次/分钟；二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度监测频率不少于1次/5分钟。
优选的，所述步骤S2中监测周期为选择合适的监测周期，根据需求选择短期检测或长期检测。
优选的，所述步骤S3为根据监测方案所确定的温室气体监测方案，在各监测点位分别布置监测传感器，结合臭气收集处理系统实际运行工况，执行温室气体监测任务。
具体内容为：根据温室气体监测执行情况，获取管道二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度、管道气体压力和管道气体流速以及大气二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度和大气压力等数据。
优选的，所述步骤S4为计算各构筑物的温室气体排放强度和累计排放量，根据污水处理工艺处理单元实际情况，分别计算各工艺处理单元的温室气体排放强度，计算臭气处理装置尾气排放的温室气体排放强度，结合臭气收集和处理系统布局情况和臭气收集处理系统运行效能，计算目标污水处理系统温室气体总体排放强度。
一种污水处理系统温室气体释放监测系统，所述系统用于布置实现上述一种污水处理系统温室气体释放监测方法，具体系统包括：
前端监测模块，包括气体流速传感器、气体压力传感器和温室气体浓度传感器，所述气体流速传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的气体流速，用于计算气体流量；所述气体压力传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的气体压力；所述温室气体浓度传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的温室气体浓度。
通信模块，连接所述前端监测模块及数据接收模块，用于将所述气体流量监测模块、温室气体浓度监测模块所采集的数据实时传输到数据接收模块，
数据接收模块，用于接收所述前端监测模块所采集的实时数据，
数据存储模块，用于将数据接收模块、数据处理模型的数据进行存储，并为数据展示模块提供数据接口，
数据处理模块，用于对获取的气体流量、温室气体浓度等数据进行数据预处理，数据统计计算，
数据报表模块，用于根据实际需求，采用图表的形式展示结果数据，例如，实时监测成果显示，估算结果比对，日、月、年统计分析等。
本发明的优点：
(1)本发明的针对有臭气收集处理系统的污水处理系统的温室气体直接排放释放监测方法，监测环节涵盖所有污水处理工艺环节和污泥处理处置工艺环节，监测结果准确度高。
(2)本发明的监测方法结合现有的臭气收集处理系统进行监测，监测指标少；且臭气收集处理系统能够几乎收集构筑物所释放的所有温室气体，臭气传输管道中的温室气体远远高于传统通量箱法的温室气体浓度，因此本发明提供的方法中对温室气体的监测设备检出限要求远低于传统方法，设备成本低。
(3)本发明提出一种有臭气收集处理系统的污水处理系统温室气体释放监测系统能够实现无人化、自动化运行，相比于传统方法，人工参与度小，受污水处理系统生产影响小，可长期进行连续监测，且能够实时反映当前温室气体释放的真实情况。
附图说明
图1为本发明的污水处理系统温室气体释放监测方法流程示意图；
图2为本发明的污水处理系统拓扑关系示意图；
图3为本发明在单一臭气收集口和单一臭气传输管的构筑物的监测点布置示意图；
图4为本发明在多个臭气收集口和单一臭气传输管的构筑物的监测点布置示意图；
图5为本发明在有多臭气收集口和多个臭气传输管的构筑物的监测点布置示意图；
图6为本发明的臭气处理装置尾气排放管道的监测点布置示意图；
图7为本发明的污水处理系统温室气体释放监测系统结构示意图。
图8为本发明的实施例二氧化碳浓度时间序列图。
图9为本发明的实施例臭气系统气体流速时间序列图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种污水处理系统温室气体释放监测方法，具体方法步骤为：
S1：明确目标污水处理系统的臭气收集处理系统基本情况和实际运行工况；
S2：根据监测目的和要求，确定温室气体监测方案，包括监测点位布置、监测指标、分析频率和监测周期；
S3：实施污水处理系统各构筑物的温室气体监测；
S4：开展温室气体监测数据处理和计算。
优选的，所述步骤S1为获取目标污水处理厂污水处理系统工艺资料和臭气收集处理系统资料，明确污水处理系统工艺，明确臭气收集处理系统布局，明确臭气收集处理系统运行工况，以及臭气收集处理系统运行效能；通过现场调研，目标污水处理系统每套臭气处理收集系统所服务的构筑物；每套臭气处理收集系统的尾气排放口位置，以及，每一个构筑物单体的臭气收集系统布局情况，包括进气通道、臭气收集通道的位置等。
优选的，所述步骤S2中监测点位布置具体为若构筑物单体仅有一个臭气收集口和一条臭气传输管连接，应在该臭气传输管上设置监测点位，具体参照图2，图2为若构筑物单体仅有一个臭气收集口和一条臭气传输管连接，在该臭气传输管上设置监测点位的实施例示意。
若构筑物单体末端有多个臭气收集口和一条臭气传输管连接，应在该臭气传输管上设置监测点位，具体参照图3，图3为若构筑物单体末端有多个臭气收集口和一条臭气传输管连接，在该臭气传输管上设置监测点位的实施例示意。
若构筑物单体末端有多个臭气收集口和多条独立臭气传输管连接，应在每一条臭气传输管上设置监测点位，具体参照图4，图4为若构筑物单体末端有多个臭气收集口和多条独立臭气传输管连接，在每一条臭气传输管上设置监测点位的实施例示意。
其中每套臭气处理装置的尾气排放管道应设置一个监测点，参照图5，图5为臭气处理装置的尾气排放管道设置一个监测点示意图。
且管道上设置的监测点位选择在远离进气口、排气口，且管道无弯曲、管径无变化的地方，防止管道内气体压力和流速突变的影响，目标污水处理厂室外空间应设置有至少两个大气监测点位，监测点位应远离臭气处理装置尾气排口，防止尾气影响监测数据。
优选的，所述步骤S2中监测指标具体为选择合适的监测指标。
其中臭气传输管道和尾气排放管道监测点的监测指标应包括：管道二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度、管道气体压力和气体流速；大气监测点位的监测指标就包括：二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度和大气压力。
优选的，所述步骤S2中分析频率为选择合适的检测频率，在本实施例中气体压力和气体流速监测频率不少于1次/分钟；二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度监测频率不少于1次/5分钟。
优选的，所述步骤S2中监测周期为选择合适的监测周期，根据需求选择短期检测或长期检测。
优选的，所述步骤S3为根据监测方案所确定的温室气体监测方案，在各监测点位分别布置监测传感器，结合臭气收集处理系统实际运行工况，执行温室气体监测任务。
具体内容为：根据温室气体监测执行情况，获取管道二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度、管道气体压力和管道气体流速以及大气二氧化碳、甲烷及氧化亚氮浓度和大气压力等数据。
优选的，所述步骤S4为计算各构筑物的温室气体排放强度和累计排放量，根据污水处理工艺处理单元实际情况，分别计算各工艺处理单元的温室气体排放强度，即计算臭气处理装置尾气排放的温室气体排放强度，结合臭气收集和处理系统布局情况和臭气收集处理系统运行效能，计算目标污水处理系统温室气体总体排放强度。
具体地，采用以下公式计算单个臭气传输管道的温室气体排放强度：
其中，为标准大气压下构筑物的单个臭气传输管道的目标温室气体t时刻的释放通量(mg/min)，其中下标w表示构筑物，下标x表示目标温室气体，为二氧化碳、甲烷或氧化亚氮，上标t代表监测时间；η为单位转换系数；/>为t时刻的臭气收集管道的气体流速(m/s)；Mx为目标温室气体的摩尔质量数(g/mol)；VM为标准摩尔体积，为22.4L/mol；/>为目标温室气体在t时刻的浓度(ppmv)；/>为污水处理厂开放空间大气在t时刻的温室气体浓度；A为臭气传输管监测断面面积(m2)；/>为臭气传输管内t时刻的气压(Pa)；P0为标准状态下的大气压，为1.013×105Pa。
单个构筑物的温室气体排放强度通过以下公式进行计算：
其中，为单个构筑物的温室气体排放强度(mg/min)，n为单个构筑物的所有独立臭气收集管道总数量；i为单个构筑物的独立臭气收集管道编号。
工艺单元的温室气体排放强度通过以下公式进行计算：
其中，为工艺单元g的温室气体排放强度(mg/min)，m为工艺单元的所有独立构筑物数量；w为构筑物编号。
进而计算臭气处理装置尾气排放的温室气体排放强度；
具体地，臭气处理装置尾气排口排放的温室气体排放强度计算公式如下：
其中，为标准大气压下臭气处理装置尾气排口目标温室气体t时刻的释放通量(mg/min)，其中下标d表示臭气处理装置尾气排口编号；γ为单位转换系数；/>为t时刻的尾气排口的气体流速(m/s)；/>为尾气排口目标温室气体在t时刻的浓度(ppmv)；A为臭气传输管监测断面面积(m2)；/>为尾气排口t时刻的气压(Pa)。
进而结合臭气收集和处理系统布局情况和臭气收集处理系统运行效能，计算目标污水处理系统温室气体总体排放强度、累计排放量。
具体地，目标污水处理系统温室气体总体排放强度通过以下公式进行计算：
其中，为目标污水处理系统目标温室气体t时刻的总体排放强度(mg/min)；Z为目标污水处理系统的臭气处理装置数量；T为有臭气收集处理系统的工艺单元数量；Pg为工艺单元的臭气收集处理系统运行效能(臭气回收率)，本发明实施例中，优选的，为0.97。
具体地，目标污水处理系统温室气体累计排放量通过以下公式进行计算：
其中，MMx为目标污水处理系统目标温室气体t1至t2时间段内的累计排放量(mg)。
在本实施例中为了实现上述方法，本实施例提出一种污水处理系统温室气体释放监测系统，所述系统用于布置实现上述一种污水处理系统温室气体释放监测方法，具体系统包括：
前端监测模块，包括气体流速传感器、气体压力传感器和温室气体浓度传感器，所述气体流速传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的气体流速，用于计算气体流量；所述气体压力传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的气体压力；所述温室气体浓度传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的温室气体浓度。
通信模块，连接所述前端监测模块及数据接收模块，用于将所述气体流量监测模块、温室气体浓度监测模块所采集的数据实时传输到数据接收模块。
数据接收模块，用于接收所述前端监测模块所采集的实时数据。
数据存储模块，用于将数据接收模块、数据处理模型的数据进行存储，并为数据展示模块提供数据接口。
数据处理模块，用于对获取的气体流量、温室气体浓度等数据进行数据预处理，数据统计计算。
数据报表模块，用于根据实际需求，采用图表的形式展示结果数据，例如，实时监测成果显示，估算结果比对，日、月、年统计分析等。
以上是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (9)
1.一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述方法步骤为：
S1：明确目标污水处理系统的臭气收集处理系统基本情况和实际运行工况；
S2：根据监测目的和要求，确定温室气体监测方案，包括监测点位布置、监测指标、分析频率和监测周期；
S3：实施污水处理系统各构筑物的温室气体监测；
S4：开展温室气体监测数据处理和计算。
2.根据权利要求1所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述步骤S1为获取目标污水处理厂污水处理系统工艺资料和臭气收集处理系统资料，明确污水处理系统工艺，明确臭气收集处理系统布局，明确臭气收集处理系统运行工况，以及臭气收集处理系统运行效能；通过现场调研，目标污水处理系统每套臭气处理收集系统所服务的构筑物；每套臭气处理收集系统的尾气排放口位置，以及，每一个构筑物单体的臭气收集系统布局情况，包括进气通道、臭气收集通道的位置等。
3.根据权利要求2所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述步骤S2中监测点位布置具体为若构筑物单体仅有一个臭气收集口和一条臭气传输管连接，应在该臭气传输管上设置监测点位；若构筑物单体末端有多个臭气收集口和一条臭气传输管连接，应在该臭气传输管上设置监测点位；若构筑物单体末端有多个臭气收集口和多条独立臭气传输管连接，应在每一条臭气传输管上设置监测点位；
每套臭气处理装置的尾气排放管道应设置一个监测点；
管道上设置的监测点位选择在远离进气口、排气口，且管道无弯曲、管径无变化的地方，防止管道内气体压力和流速突变的影响；
目标污水处理厂室外空间应设置有至少两个大气监测点位，监测点位应远离臭气处理装置尾气排口，防止尾气影响监测数据。
4.根据权利要求3所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述步骤S2中监测指标具体为选择合适的监测指标；
其中臭气传输管道和尾气排放管道监测点的监测指标应包括：管道温室气体浓度、管道气体压力和气体流速；
大气监测点位的监测指标包括：温室气体浓度和大气压力。
5.根据权利要求4所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述步骤S2中分析频率为选择合适的检测频率；
合适的检测频率为气体压力和气体流速监测频率不少于1次/分钟；温室气体浓度监测频率不少于1次/5分钟。
6.根据权利要求5所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述步骤S2中监测周期为选择合适的监测周期，根据需求选择短期检测或长期检测。
7.根据权利要求6所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述步骤S3为根据监测方案所确定的温室气体监测方案，在各监测点位分别布置监测传感器，结合臭气收集处理系统实际运行工况，执行温室气体监测任务；
具体内容为：根据温室气体监测执行情况，获取管道温室气体浓度、管道气体压力和管道气体流速以及大气温室气体浓度和大气压力等数据。
8.根据权利要求7所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述步骤S4为计算各构筑物的温室气体排放强度和累计排放量，根据污水处理工艺处理单元实际情况，分别计算各工艺处理单元的温室气体排放强度；
计算臭气处理装置尾气排放的温室气体排放强度；
结合臭气收集和处理系统布局情况和臭气收集处理系统运行效能，计算目标污水处理系统温室气体总体排放强度。
9.一种污水处理系统温室气体释放监测系统，所述系统用于处理权利要求1～8任一项所述的一种污水处理系统温室气体释放监测方法，其特征在于：所述系统包括：
前端监测模块，包括气体流速传感器、气体压力传感器和温室气体浓度传感器，所述气体流速传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的气体流速，用于计算气体流量；所述气体压力传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的气体压力；所述温室气体浓度传感器用于连续获取臭气收集处理系统的各进气口、管道、以及排气口的温室气体浓度。
通信模块，连接所述前端监测模块及数据接收模块，用于将所述气体流量监测模块、温室气体浓度监测模块所采集的数据实时传输到数据接收模块；
数据接收模块，用于接收所述前端监测模块所采集的实时数据；
数据存储模块，用于将数据接收模块、数据处理模型的数据进行存储，并为数据展示模块提供数据接口；
数据处理模块，用于对获取的气体流量、温室气体浓度等数据进行数据预处理，数据统计计算；
数据报表模块，用于根据实际需求，采用图表的形式展示结果数据，包括实时监测成果显示，估算结果比对，日、月、年统计分析。
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