РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ N2O В ПРОЦЕССЕ SBR НА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ СТОЧНЫХ ВОД

АННОТАЦИЯ

В данной статье были рассчитаны выбросы N₂O от процесса работы последовательного реактора периодического действия (ПРПД) на очистных сооружениях сточных вод (ОССВ) на бумажной фабрике, а также подробно проанализированы факторы, влияющие на производство N₂O. В первую очередь, TN сточных вод косвенно измеряли с помощью УФ-спектрофотометрии. Впоследствии, в сочетании с TN (входящего и выходящего) и расходом сточных вод, определенная скорость выбросов N₂O была применена для оценки выбросов N₂O. Результаты показали, что выбросы N₂O от процесса ПРПД на очистных сооружениях сточных вод на бумажной фабрике составили в среднем 15,234 мг/м³. Несколько ключевых эксплуатационных параметров оказали влияние на выбросы N₂O. РК и pH сточных вод оказали синергетическое воздействие на накопление N₂O; pH сточных вод, изменяющийся в узком диапазоне (7-8), оказал небольшое воздействие на выбросы N₂O; концентрация нитрита в сточных водах напрямую увеличила образование N₂O в процессах биологического удаления азота; Соотношение ХПК/N было фактором, косвенно влияющим на выбросы N₂O.

ABSTRACT

In this paper, N₂O emissions from the Sequencing Batch Reactor (SBR) process at a paper mill wastewater treatment plant (WWTP) are estimated and factors affecting N₂O production are analyzed in detail. First, wastewater TN was measured using indirect UV spectrophotometry. Then, the fixed N₂O emission rate was used to estimate the N₂O emission in combination with TN (influent and effluent) and effluent flow rate. The results showed that the average N₂O emission from the SBR process in the paper mill wastewater treatment plant was 15,234 mg/m³. Several key operating parameters affected N₂O emissions. Effluent DO and pH had a synergistic effect on N₂O accumulation; Variation of pH of wastewater within a narrow range (7-8) had little effect on N₂O emissions; Nitrite concentrations in wastewater directly increased N₂O production from biological nitrogen removal processes; The COD/N ratio was an indirect influencing factor on N₂O emissions.

Ключевые слова: выбросы парниковых газов; очистка сточных вод; закись азота; общий азот.

Keywords: GHG emissions; wastewater treatment; nitrous oxide; total nitrogen.

Парниковые газы (ПГ) – это газы в атмосфере, которые поглощают и отражают излучение в определенном диапазоне длин волн, например, водяной пар (H₂O), углекислый газ (CO₂), метан (CH₄), закись азота (N₂O) и озон (O₃). Они были идентифицированы как триггер «парникового эффекта», который напоминает, что газы задерживают солнечное излучение, что приводит к потеплению климата на Земле. Поскольку промышленная деятельность увеличилась, антропогенные выбросы ПГ увеличились с ростом промышленного развития. Существует предположение, что выбросы ПГ, следующие нынешним темпам, могут привести к тому, что температура поверхности Земли в 2047 году выйдет за пределы исторического предела [8]. В последние годы ученые также предсказали, что при сохранении нынешних темпов производства ПГ к 2036 году она может превзойти предписываемый порог глобального потепления в 2°C, который Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) считает верхним пределом глобального потепления [7].

В частности, по данным МГЭИК, наиболее опасный газ с гораздо более высоким потенциалом глобального потепления (ПГП) за 100-летний период, чем CO₂, N₂O может существовать в неподвижной атмосфере в течение почти столетия и наносить устойчивый ущерб озоновому слою Земли из-за реакции с O₃ [4; 9; 10]. Происхождение рассматриваемого вещества как от естественной, так и от человеческой деятельности, производство N₂O становится одной из проблемных тем в науке. По оценкам, N₂O из антропогенных источников составило 38 % от общего объема выбросов N₂O [3]. Очистные сооружения сточных вод (ОССВ) были зарегистрированы как один из основных промышленных источников выбросов ПГ, которые происходят из двух различных источников: выбросы на месте и за пределами места. Выбросы ПГ на месте, происходящие внутри определенных секций, используемых для биологических процессов, в которых загрязняющие вещества удаляются для производства CO₂, CH₄ и N₂O. Помимо определенных секций, косвенное образование ПГ от производства энергии, потребления материалов, а также транспортировки топлива определяется как выбросы за пределами места [2].

Целлюлозно-бумажная промышленность является третьим по величине производителем сточных вод в промышленном цикле. Изучаются различные подходы к очистке сточных вод на бумажных фабриках, которые включают технологии биологии и физиохимии, способствующие образованию парниковых газов. Выбросы N₂O от целлюлозно-бумажной промышленности при очистке сточных вод на очистных сооружениях в основном происходят из локальной системы. При биологической очистке сточных вод N₂O выбрасывается вместе с несколькими ПГ. Хотя по сравнению с другими ПГ, N₂O относительно меньше в количественном отношении, он более опасен для окружающей среды из-за своего высокого ПГП. Существуют различные процессы для производства N₂O на очистных сооружениях: денитрификация, нитрификация и химические реакции [5]. Соответственно, в этом исследовании была реализована количественная оценка выбросов N₂O при очистке сточных вод на бумажной фабрике.

Общепризнано, что N₂O является обязательным промежуточным продуктом в гетеротрофном пути, а также побочным продуктом во время автотрофной нитрификации. Между тем, N₂O идентифицируется как тип вредного газа с его высоким потенциалом глобального потепления (ПГП=298). В этом исследовании установлено, что 0,5 % общего азота восстанавливается до N₂O [5] во время денитрификации и выбрасывается в атмосферу, скорость выброса N₂O была подтверждена следующим образом:

R_{N2O, генерация} =0.005

Таким образом, в процессе денитрификации фиксируется выделение N₂O [13]. Оно рассчитывается по следующей формуле:

N₂O_{эмиссия}= Q_приток × (TN_вх ˗ TN _вых) × R_N2O, _{генерация}

где, N₂O_{эмиссия} ˗ N₂O_{эмиссия} [кг N₂O/день]; Q_приток – средняя скорость потока притока в день [м³/день]; TN_вх – общий азот из притока [кг/м³]; TN_вых – общий азот из сточных вод [кг/м³]; R _{N2O, генерация} – скорость выброса N₂O в кг N₂O/кг N.

Пробы сточных вод были взяты из системы ПРПД очистных сооружений бумажной фабрики. TN сточных вод в каждом образце измеряли оффлайн. При 120–124 °С в определенных условиях щелочного персульфата калия (NaOH-K₂S₂O₈) азотистые соединения могут полностью перейти в нитраты [11]. Таким образом, путем измерения нитратов определение TN достигалось косвенным путем. Благодаря характерному пику поглощения нитрата на длинах волн 220 и 275 нм концентрацию TN в сточных водах измеряли методом ультрафиолетовой спектрофотометрии на длинах волн 220 и 275 нм.

В первую очередь, как показано на рисунке 1, расход сточных вод в процессе ПРПД на бумажной фабрике представлял собой полевые данные онлайн-мониторинга. Тем временем пробы сточных вод были собраны и косвенно измерены вышеуказанным методом, включая необходимый общий азот приходящих (TN_вх) и общий азот сточных вод (TN_вых) (рис. 2).

Тем временем пробы сточных вод были собраны и косвенно измерены вышеуказанным методом, включая необходимый общий азот входящего TN_вх и общий азот сточных вод TN_вых на выходе (рис. 2).

Рисунок 1. Расход влияющих на процесс ПРПД очистных сооружений сточных вод бумажной фабрики

Как показано на рисунке 3, показатели выбросов оксида азота (N₂O) на очистных сооружениях сточных вод сильно колеблется. Результаты показали, что выбросы N₂O от процесса ПРПД на очистных сооружениях сточных вод на бумажной фабрике составили в среднем 15,234 мг/м³. Хотя они были относительно небольшими по сравнению с выбросами CO₂ на очистных сооружениях, N₂O имеет потенциал глобального потепления, который в 298 раз выше, чем у CO₂ за 100-летний период.

Рисунок 2. Общее содержание азота в приточных и вытяжных водах процесса ПРПД на очистных сооружениях бумажной фабрики

Рисунок 3. Расчетные выбросы N₂O в процессе ПРПД на очистных сооружениях бумажной фабрики

При очистке сточных вод некоторые доминирующие параметры в ходе процесса рассматриваются как факторы образования N₂O, такие как растворенный кислород (РК), нитриты, химическое потребление кислорода для азота (ХПК/N) и парциальный pH.

Концентрация РК, как правило, признается критическим фактором для контроля сокращения выбросов N₂O во время биологического удаления азота. Общепризнано, что, пока концентрация РК в биореакторе ниже 0,5 мг/л, накопление N₂O увеличивается. Как ингибитор, растущая концентрация РК будет снижать активность ферментов денитрификации. В результате N₂O не будет восстанавливаться и выбрасываться в атмосферу. Более того, в процессах полной нитрификации существовали некоторые синергические эффекты РК и pH на накопление N₂O.

Общепризнанно, что концентрация нитрита имеет решающее влияние на выбросы N₂O при биологической очистке сточных вод. Были проведены эксперименты с партиями для изучения влияния нитрита на образование и выбросы N₂O во время удаления денитрифицирующего фосфора. По сравнению с NO₃-N, выбросы N₂O были намного выше, когда NO₂-N использовался в качестве акцептора электронов [11]. Многочисленные исследования показали, что накопление нитрита (10-50 мг/л) подавляло рост денитрифицирующих бактерий. Наблюдалось ингибирование редуктаз N₂O токсичностью NO₂-N [13].

 Отмечено, что соотношение ХПК/N может влиять на инволюцию биологического удаления азота. Классические градиенты соотношения ХПК/N (1,5, 2,5, 3,5 и 4,5) были исследованы [14], и результат показал, что во время обработки соотношения 1,5 до 10 % азота было преобразовано в газообразный N₂O и выброшено. На рисунке 4 показано ХПК в сточных водах, взятых с очистных сооружений на бумажной фабрике. Однако точная теория механизма не была раскрыта, и контроль ХПК/N предполагался ограниченным, что могло не быть прямым фактором для выбросов N₂O.

Рисунок 4. Изменение ХПК в процессе ПРПД на очистных сооружениях бумажной фабрики

Настоящие работы по соотношению ХПК/N для снижения N₂O заключались в том, что при отношении ХПК/N выше 10 денитрифицирующие микроорганизмы будут обогащаться, что приведет к резкому увеличению выбросов N₂O.

Обычно сообщается, что в полностью аэрированной культуре производство N₂O нитрозомонадами зависит от pH сточных вод. В настоящее время при pH от 6 до 8,5 выбросы N₂O линейно растут с увеличением pH.

Список литературы:

1. Alinsafi A.,  Adouani N.,  Bйline F.,  Lendormi T.,  Limousy L.,  Sire O.  Nitrite effect on nitrous oxide emission from denitrifying activated sludge // Process Biochemistry. – 2008. – №  43 (6). – Рp. 683-689.
2. Bani  Shahabadi  M.,  Yerushalmi  L.,  Haghighat  F. Impact  of  process  design  on greenhouse  gas  (GHG)  generation  by  wastewater  treatment  plants // Water  Research. – 2009. – № 43. – Рр. 2679–2687.
3. Denman K.L., Brasseur G., Chidthaisong A., Ciais P., Cox P.M., Dickinson R.E. Couplings Between Changes in the Climate System and Biogeochemistry // Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. – Cambridge, United Kingdom, and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2007.
4. IPCC, 2007.  Climate Change 2007:  The physical science basis. Contribution of Working Group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. – Cambridge, New York: Cambridge University Press, 2007.
5. Kampschreur M. J., Temmink H., Kleerebezem R., Jetten M. S., van Loosdrecht M.C.  Nitrous  oxide  emissions  during  wastewater  treatment // Water  Research. – 2009. – №  43. – Рр. 4093–4103.
6. Lin Ziyu, Dang Yan, Liu Zhao. Effects of carbon source and COD/N on nitrous oxide production during treatment of leachate from MSW incineration plant by short cut denitrification and its regulation // Chinese Journal of Environmental Engineering. – 2018. – № 12 (8). – Рp. 2178–2184.
7. Mann Michael E.  Earth Will Cross the Climate Danger Threshold by 2036 // Scientific American. Retrieved 30 August 2016. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  https://organicconsumers.org/article_29556/(дата обращения: 12.12.2024).
8. Mora, C., Frazier, A. G., Longman, R. J., Dacks, R. S., Walton, M. M., Tong, E. J. The projected timing of climate departure from recent variability // Nature. – 2013. – № 502 (7470). – Рp. 183–187.
9. Portmann R.W., Daniel J.S., Ravishankara А.R. Stratospheric ozone depletion due to nitrous oxide: influences of other gases // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. – № 367. – 2012. – Рp. 1256–1264.
10. Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A.Nauels, Y.  Xia, V.  Bex and P.M.  Midgley (eds.). IPCC, 2013:  Climate Change 2013:  The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. – Cambridge, United Kingdom, and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2013.
11. Sun Y., Yin Q., Li B., Wu G.  Effect of nitrite on nitrous oxide generation and emission during denitrifying phosphorus removal. – Guangdong, China, 2017.
12. Water Quality-Determination of Total Nitrogen-Alkaline Potassium persulfate Digestion UV Spectrophotometric Method. – China. HJ 636-2012.
13. Xuewen  Zhang,  Wenhao  Shen,  Calculation  model  of  greenhouse  gas  emission  in papermaking  wastewater  treatment  process  based  on  BSM. –Guangzhou: South  China  University  of Technology, 2018.