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一氧化二氮原位測量儀（氧化亞氮污水監測系統）

氧化亞氮監測系統用于現場快速測量污水池或濕地中溶解的氧化亞氮的濃度。系統包含：氧化亞氮電極、水下原位放大器、信號接收器、軟件。需要接電腦進行校正和讀數。

N2O原位測量系統
——測量土壤孔隙水、污水生物處理工藝過程中產生的溶解性N2O ?

Unisense污水中N2O原位測量系統

????? ? 丹麥Unisense環境公司的污水中N2O原位測量系統是世界上唯一能測量水體中溶解態N2O的傳感系統，傳感器能夠連續運轉7天（24小時/天）地用于原位在線測量污水池中N2O的動力學，對污水池進行實時監測和排放控制。近年來主要通過測量廢氣來實現污染監測，但是這種方法成本高、復雜，使用具有很大的局限性。Unisense環境公司新型的污水N2O電極適用于污水處理領域。含有內置溫度傳感器的不銹鋼套管使其具備了良好的防水特性，能獲得更標準化的數據。

????? ? 污水廠的中央控制系統為電極供電并將電極信號傳輸至SCADA系統，這種實時的N2O輸出數據滿足了新的環境標準要求。其優點非常明顯：

成本低：與傳統的廢氣測量設備相比，能夠節約80%的成本
壽命長：在24小時/7天連續工作條件下，電極的使用壽命不低于4個月
響應快：響應時間小于1分鐘
整合性強：能夠集成到SCADA系統中進行連續測量
獨立性強：在脫氮過程中測量不需要氣流

測量污水池中的N2O，如大型污水處理廠和小型試驗廠
埋在土壤或濕地沉積物中測量
利用控制器盒驅動和極化電極
輸出信號4-20mA
軟件自動記錄輸出信號
標準電纜長5米，可定做長度

一、污水中N2O原位測量系統簡介

1、污水中溶解態N2O原位測量方法：與氣候變化做斗爭

????? ? 將目前的污水生物處理工藝與污水中N2O原位測量系統相結合，提供了一個從污水處理過程中減少溫室氣體（GHG）排放總量的機會和潛力。
在污水處理廠努力將總碳排放量最低化、與氣候變化做斗爭的過程中，污水中N2O原位測量系統是非常有價值的工具。

2、操作

????? ? 傳感器直接置于活性污泥中，測量硝化和反硝化過程中N2O的產生。傳感器的防水壓鑄鋁盒既能直接懸掛在水中，隨著水流而自由流動；又能固定在適當的位置。傳感器內置一個溫度電極用于數據的后校正。

傳感器的玻璃質頂端通過水流所產生的摩擦力來保持清潔。??? ?
傳感器的信號通過4-20 mA信號從控制箱傳輸到可編程序控制器。
裝上傳感器后，需要按照標準步驟、用N2O校正器進行2點校正。?

3、傳感器的更換

傳感器由兩個部分所組成：傳感器的頭部和傳感器的主體。?????????????????????????????? ?
更換傳感器時，只需要更換傳感器頭部中的微電極即可。更換和再校正的操作說明將會隨機附帶。

二、N2O科學技術

1、N2O科學

????? ? 一氧化二氮（N2O）是對污水進行生物處理的產物，污水處理廠（WWTP）每天都會產生。
N2O形成的程度是復雜的，取決于多重影響因子。總體來說，計算N2O的排放及其對氣候影響的最好方法就是測量N2O！
N2O是污水處理期間硝化和反硝化過程的產物。有氧和厭氧廢水反應器能夠產生N2O，但是正常情況下只有充氣的有氧反應器才釋放N2O，因為曝氣能夠把N2O從液體中帶走到空氣中。然而，在厭氧情況下形成的N2O能夠被水流帶到曝氣區域并被吹走，因此很多不同的設備組成能夠導致N2O的排放。

一氧化二氮形成的主要過程和影響因素如下：

概述圖來自于全球水研究聯盟的科學報告：N2O和CH4排放于污水收集和處理系統。

2、N2O技術：污水中N2O原位測量系統是全球唯一能測量溶解態N2O的傳感器

????? ? 近年來廢氣測量技術是唯一能測量N2O的技術，但是這種方法昂貴、高度復雜難懂、而且容易損壞，所以應用很有限。

N2O污水傳感器為電化學（clark型）傳感器，測量一氧化二氮還原所產生的電流。這種傳感器技術由丹麥Unisense公司研究開發，已經過長期的應用驗證。
牢固的N2O污水傳感器與溫度傳感器一起內置在40mm不銹鋼外殼內。
N2O傳感器的工作范圍為0～1.5 N-mg/L N2O（等于0～50 μM）。
檢測限低于0.1 μM。
傳感器的響應時間≤45秒，使得直接檢測和廢氣排放控制的獨特可能性得以實現。
N2O污水廠控制器設計成壓鑄鋁外殼。
多孔使得利用螺絲或U形支架安裝比較容易。
有N2O和溫度的輸出界面。

N2O污水廠控制器		N2O污水專用電極
控制器	TFT觸摸屏控制器，含USB數據記錄裝置	尺寸	堅穩設計，44 mm鋁合金外殼（6063-T6），和黑色的聚甲醛乙酰共聚物
盒子尺寸	301.5×283.2×120.5mm? ? 3.2kg	響應時間	<45s
外殼	表面貼裝塑料（ABC）IP67	內置溫度微電極	是，N2O信號溫度補償
固定方式	預留多孔用于表面安裝或管道安裝――固定板和遮篷可供	檢測限	0.005 N-mg/L N2O
電纜墊圈	氯丁橡膠圓形密封	工作范圍	0-1.5 N-mg/L N2O (0-50 mM和0-300 mM可選)
電極輸入	2根N2O污水專用電極和內置溫度電極	校正	兩點校正，1次/2月
其他輸入	1個模擬(0..20或4..20 mA)和3個二進制輸入	保證使用壽命	4個月
電極輸出	N-mg/L N2O，溫度和N2O排放速度	預期使用壽命	大于6個月
?其他輸出	7個模擬(0..20或4..20 mA)和3個二進制輸出 (2個NO繼電器、1個開關)、PROFIBUS-DP、(ModBus可選)、USB數據記錄可選	?N2O傳感器頭	可替換
用電安全	按照EN 61010，第一部分，過電壓分類III，凈化等級2	電纜長度	標配5米（長至100米可選）
?電源	交流電AC 110～240 V，+10 /-15 %；48～63 Hz	?已知相關干擾	無
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三、N2O對氣候的影響

????? ? N2O是一種被大大忽視的溫室效應氣體，其全球升溫潛能值為CO2的320倍，N2O與臭氧起反應而導致臭氧層空洞。
環球水源研究聯盟發布的近期研究聲明：污水處理廠（WWTP）在某些工藝參數和條件下排放出大量的N2O氣體。荷蘭、法國、美國和澳大利亞的研究已經表明：對于某些污水處理廠而言，N2O氣體排放占總碳排放量的90％。
傳統上，污水處理廠的N2O氣體排放量通過利用政府間氣候變化專門委員會（IPCC）排放系數3.2 g N2O/PE/年來進行估算，因為直接監測排放時過程復雜、費用高昂。

????? ? 研究建議：在普通項，這種排放系數很可能被低估10倍。主流科學家建議：考慮到排放的變化比較大，在不同的污水處理廠間使用這種排放系數是不恰當的。因此，推薦進行在線測量。

四、N2O排放的監測實例（丹麥腓特烈港市自來水公司）

????? ? 位于丹麥腓特烈港市的市政Forsyningen自來水公司一直專注于實施一種方法，能在城市污水處理廠眾多不同的污水處理過程中更好地估計和量化溫室氣體排放量。
該公司同時運行再循環和生物膜污水處理過程。由于排放關鍵數字不確定性的增加，該公司聯系Unisense環境公司，以幫助測定實際的N2O碳排放量。采取這項新舉措后，首次檢測了一個標準再循環過程的N2O排放量。

?腓特烈港市污水處理廠

?聚乙烯管

?130,000（分成兩股支流）

?流入量

?300 m3/h

?厭氧水槽的體積

?1195 m3

?曝氣水槽的體積

?2290 m3

?化學需氧量（COD）、總凱氏氮（TKN）、總蛋白（TP）

?2800噸/年、240噸/年、40噸/年

????? ? 為了節省能源和提高除氮能力，在好氧區域采用間歇曝氣操作，進行曝氣區域的反硝化作用，反硝化作用取決于池中的銨濃度。Unisense環境公司安裝了兩個污水中N2O原位測量系統：一個置于缺氧水槽中，另一個置于有氧水槽中。為了便于理解N2O的形成，N2O傳感器數據通過SCADA系統的標準集成來記錄所有其他工廠的數據。

????? ? 進行快速的兩點校正后，傳感器即可用于監測N2O濃度。14天的測量周期后，從SCADA系統中提取完整的數據系列，發送到Unisense環境公司用于數據分析。使用不同的數據管理工具來記錄數據的整體相關性，尤其是N2O的生成量。
從14天測量周期的數據可以很明顯地看出：該周期內N2O的排放量變化很大。在此期間的主要排放量與兩個高負荷事件相關：42小時間的N2O排放量占14天總量的53%。此外，測量開始時的低溶氧設定值導致N2O濃度顯著增加，明顯強化了低氧與N2O形成之間的關系。在測量期間，N2O在缺氧水槽中的生成量很低，N2O濃度僅在銨濃度較高的周期內增至0.3 N mg/L，并延續30小時。在曝氣部分，N2O主要產生于間歇曝氣的缺氧階段，隨后通過曝氣逃逸到大氣中。

????? ? 最后，用同行陪審和驗證模型進行排放量的計算來評估N2O排放量，并且推斷出其二氧化碳當量。將得到的結果與曝氣得到的二氧化碳當量進行比較，然后提交給自來水公司的管理部門，作為2天咨詢服務的一部分。測量周期中總碳排放量計算為10噸二氧化碳當量，其中N2O推算出的二氧化碳當量占總排放量的59％。

????? ? 從短期監測和數據分析得到一個簡短的列表，包括存在的問題和可能的解決方案：

N2O濃度和排放量變化很大。
溶解氧的控制對于避免N2O產生量和排放量的升高非常重要。
應通過調節進水量來避免短期的高銨鹽負荷。
提高化學需氧量（COD）的反硝化作用這一控制策略有可能減少N2O排放量。
使用間歇曝氣策略的能耗優化措施必須與N2O監測相結合，以避免產生過多的N2O排放。

????? ? 采用這種投資較小的Unisense污水中N2O原位測量系統后，自來水公司切實了解了其N2O排放的來源和原因，現在能夠采取相關行動以將N2O對氣候的影響降到最低。

腓特烈港市污水處理廠的標準再循環設置

NH4+、NO3- 、O2 和N2O數據系列圖（14天測量周期中的一個6天區段），包括低氧設定值和兩個高負荷期中的一個。

從算得的N2O排放量和用于曝氣的功率（kWh）推導出14天的累計二氧化碳排放量。所用的二氧化碳當量系數為：296kg CO2/kg N2O和0.418 kg CO2 / kWh。

丹麥Unisense微電極

測量參數：	尖端直徑：	測量方式：	優點：	推薦研究領域：
O2	5微米	●直接測液、氣體	★精度高(10-7-10-9mol/L)	A.水-沉積物界面生物地球化學過程
pH	10微米	●穿刺測量	★檢測下限低(標準0.3μmol/L	B.生物膜、污泥顆粒、包埋菌顆粒、
氧化還原電位	25微米	●靠近樣品測量	,NO可達4nmol/L)	固態發酵樣品微觀結構和傳質機理
N2O	50微米	擴散邊界層	★不破壞被測點微環境(反復	C.根際微環境
NO	100微米	●微電極尖端包不	穿刺樣品值基本不變)	D.動植物組織器官或食品內部性質
H2S	500微米等	銹鋼外殼監測土壤、	★響應快(90%響應時間1-3秒	E.材料腐蝕界面
H2		堆肥或固廢樣品	，最快50毫秒)	F.電池陰陽極界面
溫度	NO3-、NO2-、NH4+、H+、Ca2+、等		★不易受攪拌干擾(普通電極	G.微小液滴
微流速	等unisense公司提供合適尖端外徑（		攪拌停止時信號下降30-50%	H.溶液化學催化快速動力學
擴散率	如:生物膜10~15um；大腦皮層3um)		，微電極信號下降在1%以內)	I.微電極外包保護套監測反應器或
其他 --->	的微電極胚，測量前灌Lix和試劑。		★電極壽命1-2年以上	土壤及固廢樣品