CN117540533A - 一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，包含以下步骤：S1，确定污水管道内有机物生化反应过程；S2，由化学反应方程计算水体碳排放强度；S3：实验确定计算所需的水质与关键参数；S4，由厌氧内源呼吸反应方程计算底泥碳排放强度；S5，实验室模拟实验确定底泥内源模型关键参数；S6，基于厌氧反应过程计算管网总体碳排放强度。本发明可用于不同边界条件下污水管网碳排放核算，与排放因子法和实测法相比，适用性更强，精确度更高。
Description
技术领域
本发明属于生态环境保护领域，具体涉及一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法。
技术背景
排水管网收集污水，并通过排水泵站与深埋于地下的排水管道将其输送至污水处理厂，以去除其中的污染物质，防止城市受到污水中病菌与污染物的危害。然而，随着城市化的发展，污水管网所造成的直接碳排放逐渐成为不可忽视的城市环境问题。随着国家大力推行“减污降碳，协同增效”的治污措施，污水收集处理系统也逐渐被纳入减碳计划的关键环节，其中污水管网产生的CO2和CH4为环保部门的减碳目标之一。然而，现有方法无法很好计算污水管网的直接碳排放强度。
现有碳排放强度计算方法概况：1.排放因子法：该方法主要基于人口数量来推测污染物总量，制定不同领域的碳排放因子，继而核算碳排放强度。例如，公告号为CN116628410A的发明专利公开了一种区域电力系统碳排放强度的核算方法，该方法可用碳排放因子计算出目标区域电力所产生的总碳排放量及碳排放强度。2.实测法：主要通过现场CO2和CH4的收集，并进行离线或在线浓度分析，继而核算碳排放强度。例如，公告号为CN116519876A的发明专利公开了一种火电机组的碳排放强度监测方法、装置、设备及存储介质，该方法可用基准氧气浓度数据、机组的历史运行数据以及机组的当前运行数据，计算出机组历史碳排放强度数据以及机组当前碳排放强度数据。
以上现有核算方法用于研究污水管网碳排放强度尚有不足：1、污水管网中水力和水质要素复杂多样，使用排放因子法进行污水管网碳排放强度核算，难以制定不同边界条件下排放因子。2、污水管网均深埋于地下，且遍布在城市的各个角落，若采用实测法对污水管网碳排放强度进行核算，需利用气体监测装置对管道内CO2和CH4浓度进行长期测量，消耗大量人力物力。除此之外，污水管网通过检查井存在与外界空气进行气体交换，采用常规气体监测装置难以精确测出碳排放强度。
发明内容
1.要解决的问题
针对排放因子法和实测法难以计算污水管网碳排放强度的问题，本发明采用物料平衡法，并基于厌氧反应理论，提出一种适用性强，可精确计算污水管网碳排放强度的方法。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
S1：确定污水管道内有机物生化反应过程；
S2：由化学反应方程计算水体碳排放强度；
S3：实验确定计算所需的水质与关键参数；
S4：由厌氧内源呼吸反应方程计算底泥碳排放强度；
S5：实验室模拟实验确定底泥内源模型关键参数；
S6：基于厌氧反应过程计算管网总体碳排放强度。
优选的，所述步骤S1具体为：确定污水管道中污染物组成成分，主要包括糖类、蛋白质类和油脂类污染物含量，以及其化学分子式。根据化学分子式确定该区域污水管道生化反应过程。
优选的，所述步骤S2具体为：污水厌氧反应是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(含兼氧微生物)的作用，将污水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程。污水中部分有机物参与厌氧反应生成甲烷，部分有机物用于微生物自身生长，有机物(CnHaObNc)厌氧反应过程的化学反应通式可表达为
上式中括号内的符号和数值为反应的平衡系数。
式中：d＝4n+a-2b-3c；
s—转化成微生物的部分有机物；
e—转化成甲烷的部分有机物。
理论上来说，s+e＝1。s值随有机物成分、微生物群落结构和代谢活性而变化，具体数值可根据实验室模拟实验确定，也可根据下式进行估算：
s＝0.2ae
式中：0.2—微生物不可降解的系数；
ae—转化成微生物微生物的有机物的最大系数值。
几种污染物厌氧反应的ae值(以COD计的比值)如表1所示。
表1几种污染物厌氧反应的ae值
污水管网进出水端总有机碳浓度分别为TOCin和TOCout，转化系数分别为Sin和Sout，有机物(CnHaObNc)削减量可用TOC削减量和转化系数进行折算，Δm＝Sin·TOCin-Sout·TOCout。由有机物(CnHaObNc)相对分子量，转化为物质的量N＝Δm/(12n+a+16b+14c)，由化学反应方程式平衡系数可计算得出，由水体中有机物厌氧反应产生的CO2排放强度为N·44·(n-c-sd/5-ed/8)，CH4排放强度为N·16·ed/8。
优选的，所述步骤S3具体为：若要计算污水管网有机物的水解过程中产生的碳排放强度，需明确总有机碳浓度和有机物(CnHaObNc)浓度与总有机碳浓度转化系数两个边界条件，本发明采用实验的方法，准确测量两个边界条件的数值大小。
总有机碳浓度(TOC)和有机物(CnHaObNc)转化系数(S)的实验方法：总有机碳浓度按《水与废水监测分析方法》(第四版)中的方法进行测量，有机物(CnHaObNc)转化系数(S)可先利用气相色谱质谱联用仪测出糖类、蛋白质类和脂肪酸类三大类物质的含量，再将三大类物质总含量除以总有机碳浓度得出转化系数(S)。
转化成微生物的部分有机物比例(s)的实验方法：在一个密闭的容器中放入来自污水管网的底泥和水样，每反应一段时间后，测量容器上方CH4和CO2含量，待CH4和CO2含量稳定，将排放气体中总碳含量与水样总有机碳含量相比，得转化成甲烷的部分有机物比例(e)，1减去e可得转化成微生物的部分有机物比例(s)。
优选的，所述步骤S4具体为：污水管网中厌氧反应会发生有机物的水解与微生物降解，产生二氧化碳和甲烷。上述化学反应通式一方面体现有机物水解，另一方面体现微生物(C5H7O2N)的生成。微生物会通过内源呼吸，最后生成CH4和CO2，微生物内源呼吸反应通式可表达为
M降解＝HRT×MLVSS×K0
式中：M降解—内源呼吸降解的微生物(C5H7O2N)质量，mg/L；
HRT—水力停留时间，d；
MLVSS—混合液挥发性悬浮固体浓度，mg/L；
K0—厌氧内源呼吸衰减系数，d-1。
内源呼吸降解的微生物(C5H7O2N)质量为M降解，由化学反应方程式平衡系数可得CO2排放强度为0.584M降解，CH4排放强度为0.354M降解。
优选的，所述步骤S5具体为：若要计算污水管网微生物内源呼吸降解有机物的过程中产生的碳排放强度，需明确混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS和厌氧内源呼吸衰减系数K0两个关键参数，本发明探索性利用实验室模拟实验的方法，准确测量不同条件下两个关键参数的数值。
混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)的实验方法：利用高温燃烧将沉积物样品中的有机物氧化成水和二氧化碳，然后称量残留物质的重量，根据燃烧前质量减去灰烬质量除以体积得到MLVSS。
厌氧内源呼吸衰减系数(K0)的实验方法：厌氧内源呼吸可遵循Fitzhugh动力学模型，即Bt＝B0·[1-exp(-K0·t)]。通过做出第t天累积比甲烷产量(mL/g·MLVSS)与时间(t)的图像，通过曲线拟合的方法，求厌氧内源呼吸衰减系数(K0)测量值。
优选的，所述步骤S6具体为：污水管网内水体和底泥中有机物厌氧反应均可产生CO2和CH4，因此CO2和CH4排放强度为水体排放强度与底泥排放强度之和，即CO2总排放强度为N·44·(n-c-sd/5-ed/8)+0.584M降解，CH4总排放强度为N·16·ed/8+0.354M降解。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：本发明提出一种将厌氧反应理论和物料平衡法相结合的污水管网碳排放强度计算方法，可用于不同边界条件下污水管网碳排放核算，与排放因子法和实测法相比，适用性更强，精确度更高。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为累积比甲烷产量与时间的图像，用于测量内源呼吸衰减系数(K0)；
图3为污水管网碳排放强度计算值与实测值对比图，其中左图为CO2计算值与实测值对比图，右图为CH4计算值与实测值对比图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例，对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法步骤具体如下：
第一步，利用气相色谱-质谱联用仪测量污水管网中糖类、蛋白质类和油脂类污染物含量，本实施例中糖类(C6H5O5)、蛋白质(C16H24O5N4)和油脂类(C16H32O2)污染物比例为1：1：1，通过测量可知，污水管网中有机物总分子式为C38H61O12N4。厌氧反应主要包含三阶段，第一阶段为水解酸化阶段，主要将大分子有机物在微生物胞外酶的作用下分解产生较高级脂肪酸，如糖类产生脂肪酸醇类、蛋白质产生脂肪酸胺、油脂类产生短链脂肪酸丙酮酸。第二阶段为产氢产乙酸阶段，在产氢产乙酸微生物的作用下，将第一阶段产生的各种有机酸分解转化成乙酸和H2。第三阶段为产甲烷阶段，产甲烷微生物将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。
第二步，根据厌氧反应每阶段的过程，得出有机物(C38H61O12N4)厌氧反应过程的化学反应通式如下：
第三步，本实施例中污水管网进出水总有机碳浓度分别为73.56mg/L和71.38mg/L，转化系数分别为0.65和0.62，由进出水总有机碳浓度和转化系数可计算有机物(C38H61O12N4)削减量为3.56mg/L，有机物(C38H61O12N4)相对分子量765，削减量转化为物质的量为4.65×10-6mol/L。实验测得转化成微生物的部分有机物比例(s)为0.12，转化成甲烷的部分有机物比例(e)为0.88。通过化学反应方程式平衡系数可计算得出，由水体中有机物厌氧反应产生的CO2排放强度为2.104mg/L，CH4排放强度为1.449mg/L。
第四步，实施例中，管网水力停留时间(HRT)为0.085d，由底泥内源呼吸模型可计算得出，底泥CO2排放强度为0.04964·MLVSS·K0，CH4排放强度为0.03009·MLVSS·K0。
第五步，①定量滤纸在103-105℃烘干，干燥期内冷却，称重，反复直至获得恒重，称得重量为m0。②将样品100ml用①中的滤纸过滤，放入103-105℃的烘箱中烘干取出在干燥器中冷却至平衡温度，称重，称得重量为m1。③将干净的坩埚放入烘箱中干燥一小时，取出在干燥器中冷却至平衡温度，称重，称得重量为m2。④将②中的滤纸和泥放在③中的坩埚，然后放入冷的马弗炉中，加热到600℃灼烧120分钟，在干燥器中冷却至平衡温度，称重，称得重量为m3。按计算公式MLVSS＝[(m1+m2-m0)-m3]/0.1，进行MLVSS计算。本实施例中m0为1.3552g，m1为153.6364g，m2为85.7924g，m3为237.9338g，计算得出MLVSS为1398mg/L。
厌氧内源呼吸衰减系数(K0)通过做出第t天累积比甲烷产量(mL/g·MLVSS)与时间(t)的图像，通过曲线拟合的方法，可计算得出厌氧内源呼吸衰减系数(K0)测量值为0.128d-1。由参数混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)和内源呼吸衰减系数(K0)测量值，可计算底泥CO2排放强度为8.883mg/L，CH4排放强度为5.384mg/L。
第六步，基于厌氧反应理论的污水管网CO2总排放强度为10.987mg/L，CH4总排放强度为6.833mg/L。
选取8处污水管网CO2和CH4排放通量实测值与使用本方法计算值进行比较，实测值与计算值对比图如下，误差分析表明使用本方法计算污水管网碳排放强度误差在25％以内，精确度较高。
Claims (7)
1.一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定污水管道内有机物生化反应过程；
S2：由化学反应方程计算水体碳排放强度；
S3：实验确定计算所需的水质与关键参数；
S4：由厌氧内源呼吸反应方程计算底泥碳排放强度；
S5：实验室模拟实验确定底泥内源模型关键参数；
S6：基于厌氧反应过程计算管网总体碳排放强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：确定污水管道中污染物组成成分，包括糖类、蛋白质类和油脂类污染物含量，以及其化学分子式；根据化学分子式确定该区域污水管道生化反应过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：污水中部分有机物参与厌氧反应生成甲烷，部分有机物用于微生物自身生长，有机物CnHaObNc厌氧反应过程的化学反应通式表达为：
上式中括号内的符号和数值为反应的平衡系数；式中：d＝4n+a-2b-3c；s为转化成微生物的部分有机物；e为转化成甲烷的部分有机物；s+e＝1，s的值随有机物成分、微生物群落结构和代谢活性而变化，具体数值根据实验室模拟实验确定，也能根据下式进行估算：
s＝0.2ae
式中：0.2为微生物不可降解的系数；ae为转化成微生物的有机物的最大系数值；
几种污染物厌氧反应的ae值，以COD计的比值，如表1所示；
表1几种污染物厌氧反应的ae值
污水管网进出水端总有机碳浓度分别为TOCin和TOCout，转化系数分别为Sin和Sout，有机物CnHaObNc削减量用TOC削减量和转化系数进行折算，Δm＝Sin·TOCin-Sout·TOCout；由有机物CnHaObNc相对分子量，转化为物质的量N＝Δm/(12n+a+16b+14c)，由化学反应方程式平衡系数计算得出，由水体中有机物厌氧反应产生的CO2排放强度为N·44·(n-c-sd/5-ed/8)，CH4排放强度为N·16·ed/8。
4.根据权利要求1所述的一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：若要计算污水管网有机物的水解过程中产生的碳排放强度，需明确总有机碳浓度和有机物CnHaObNc浓度与总有机碳浓度转化系数两个边界条件；采用实验的方法，准确测量两个边界条件的数值大小；
总有机碳浓度TOC和有机物CnHaObNc转化系数S的实验方法：有机物CnHaObNc转化系数S先利用气相色谱质谱联用仪测出糖类、蛋白质类和脂肪酸类三大类物质的含量，再将三大类物质总含量除以总有机碳浓度得出转化系数S；
转化成微生物的部分有机物比例s的实验方法：在一个密闭的容器中放入来自污水管网的底泥和水样，每反应一段时间后，测量容器上方CH4和CO2含量，待CH4和CO2含量稳定，将排放气体中总碳含量与水样总有机碳含量相比，得转化成甲烷的部分有机物比例e，1减去e得转化成微生物的部分有机物比例s。
5.根据权利要求1所述的一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：污水管网中厌氧反应会发生有机物的水解与微生物降解，产生二氧化碳和甲烷；一方面体现有机物水解，另一方面体现微生物C5H7O2N的生成；微生物会通过内源呼吸，最后生成CH4和CO2，微生物内源呼吸反应通式表达为：
M降解＝HRT×MLVSS×K0
式中：M降解为内源呼吸降解的微生物C5H7O2N质量，mg/L；HRT为水力停留时间，d；MLVSS为混合液挥发性悬浮固体浓度，mg/L；K0为厌氧内源呼吸衰减系数，d-1；
内源呼吸降解的微生物C5H7O2N质量为M降解，由化学反应方程式平衡系数得CO2排放强度为0.584M降解，CH4排放强度为0.354M降解。
6.根据权利要求1所述的一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：若要计算污水管网微生物内源呼吸降解有机物的过程中产生的碳排放强度，需明确混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS和厌氧内源呼吸衰减系数K0两个关键参数，利用实验室模拟实验的方法，准确测量不同条件下两个关键参数的数值；
混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS的实验方法：利用高温燃烧将沉积物样品中的有机物氧化成水和二氧化碳，然后称量残留物质的重量，根据燃烧前质量减去灰烬质量除以体积得到MLVSS；
厌氧内源呼吸衰减系数K0的实验方法：厌氧内源呼吸遵循Fitzhugh动力学模型，即Bt＝B0·[1-exp(-K0·t)]；通过做出第t天累积比甲烷产量mL/g·MLVSS与时间t的图像，通过曲线拟合的方法，求厌氧内源呼吸衰减系数K0测量值。
7.根据权利要求1所述的一种基于厌氧反应理论的污水管网碳排放强度计算方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：污水管网内水体和底泥中有机物厌氧反应均能产生CO2和CH4，因此CO2和CH4排放强度为水体排放强度与底泥排放强度之和，即CO2总排放强度为N·44·(n-c-sd/5-ed/8)+0.584M降解，CH4总排放强度为N·16·ed/8+0.354M降解。
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