一氧化二氮电极，氧化亚氮污水监测系统，一氧化二氮污水监测系统

一氧化二氮污水监测系统（氧化亚氮污水监测系统）

氧化亚氮监测系统用于现场快速测量污水池或湿地中溶解的氧化亚氮的浓度。系统包含：氧化亚氮电极、水下原位放大器、信号接收器、软件。需要接电脑进行校正和读数。

N2O原位测量系统
——测量土壤孔隙水、污水生物处理工艺过程中产生的溶解性N2O

Unisense污水中N2O原位测量系统

丹麦Unisense环境公司的污水中N2O原位测量系统是世界上唯一能测量水体中溶解态N2O的传感系统，传感器能够连续运转7天（24小时/天）地用于原位在线测量污水池中N2O的动力学，对污水池进行实时监测和排放控制。近年来主要通过测量废气来实现污染监测，但是这种方法成本高、复杂，使用具有很大的局限性。Unisense环境公司新型的污水N2O电极适用于污水处理领域。含有内置温度传感器的不锈钢套管使其具备了良好的防水特性，能获得更标准化的数据。

污水厂的中央控制系统为电极供电并将电极信号传输至SCADA系统，这种实时的N2O输出数据满足了新的环境标准要求。其优点非常明显：

成本低：与传统的废气测量设备相比，能够节约80%的成本
寿命长：在24小时/7天连续工作条件下，电极的使用寿命不低于4个月
响应快：响应时间小于1分钟
整合性强：能够集成到SCADA系统中进行连续测量
独立性强：在脱氮过程中测量不需要气流

测量污水池中的N2O，如大型污水处理厂和小型试验厂
埋在土壤或湿地沉积物中测量
利用控制器盒驱动和极化电极
输出信号4-20mA
软件自动记录输出信号
标准电缆长5米，可定做长度

一、污水中N2O原位测量系统简介

1、污水中溶解态N2O原位测量方法：与气候变化做斗争

将目前的污水生物处理工艺与污水中N2O原位测量系统相结合，提供了一个从污水处理过程中减少温室气体（GHG）排放总量的机会和潜力。
在污水处理厂努力将总碳排放量最低化、与气候变化做斗争的过程中，污水中N2O原位测量系统是非常有价值的工具。

2、操作

传感器直接置于活性污泥中，测量硝化和反硝化过程中N2O的产生。传感器的防水压铸铝盒既能直接悬挂在水中，随着水流而自由流动；又能固定在适当的位置。传感器内置一个温度电极用于数据的后校正。

传感器的玻璃质顶端通过水流所产生的摩擦力来保持清洁。
传感器的信号通过4-20 mA信号从控制箱传输到可编程序控制器。
装上传感器后，需要按照标准步骤、用N2O校正器进行2点校正。

3、传感器的更换

传感器由两个部分所组成：传感器的头部和传感器的主体。
更换传感器时，只需要更换传感器头部中的微电极即可。更换和再校正的操作说明将会随机附带。

二、N2O科学技术

1、N2O科学

一氧化二氮（N2O）是对污水进行生物处理的产物，污水处理厂（WWTP）每天都会产生。
N2O形成的程度是复杂的，取决于多重影响因子。总体来说，计算N2O的排放及其对气候影响的最好方法就是测量N2O！
N2O是污水处理期间硝化和反硝化过程的产物。有氧和厌氧废水反应器能够产生N2O，但是正常情况下只有充气的有氧反应器才释放N2O，因为曝气能够把N2O从液体中带走到空气中。然而，在厌氧情况下形成的N2O能够被水流带到曝气区域并被吹走，因此很多不同的设备组成能够导致N2O的排放。

一氧化二氮形成的主要过程和影响因素如下：

概述图来自于全球水研究联盟的科学报告：N2O和CH4排放于污水收集和处理系统。

2、N2O技术：污水中N2O原位测量系统是全球唯一能测量溶解态N2O的传感器

近年来废气测量技术是唯一能测量N2O的技术，但是这种方法昂贵、高度复杂难懂、而且容易损坏，所以应用很有限。

N2O污水传感器为电化学（clark型）传感器，测量一氧化二氮还原所产生的电流。这种传感器技术由丹麦Unisense公司研究开发，已经过长期的应用验证。
牢固的N2O污水传感器与温度传感器一起内置在40mm不锈钢外壳内。
N2O传感器的工作范围为0～1.5 N-mg/L N2O（等于0～50 µM）。
检测限低于0.1 µM。
传感器的响应时间≤45秒，使得直接检测和废气排放控制的独特可能性得以实现。
N2O污水厂控制器设计成压铸铝外壳。
多孔使得利用螺丝或U形支架安装比较容易。
有N2O和温度的输出界面。

N2O污水厂控制器		N2O污水专用电极
控制器	TFT触摸屏控制器，含USB数据记录装置	尺寸	坚稳设计，44 mm铝合金外壳（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	响应时间	<45s
外壳	表面贴装塑料（ABC）IP67	内置温度微电极	是，N2O信号温度补偿
固定方式	预留多孔用于表面安装或管道安装――固定板和遮篷可供	检测限	0.005 N-mg/L N2O
电缆垫圈	氯丁橡胶圆形密封	工作范围	0-1.5 N-mg/L N2O (0-50 mM和0-300 mM可选)
电极输入	2根N2O污水专用电极和内置温度电极	校正	两点校正，1次/2月
其他输入	1个模拟(0..20或4..20 mA)和3个二进制输入	保证使用寿命	4个月
电极输出	N-mg/L N2O，温度和N2O排放速度	预期使用寿命	大于6个月
其他输出	7个模拟(0..20或4..20 mA)和3个二进制输出 (2个NO继电器、1个开关)、PROFIBUS-DP、(ModBus可选)、USB数据记录可选	N2O传感器头	可替换
用电安全	按照EN 61010，第一部分，过电压分类III，净化等级2	电缆长度	标配5米（长至100米可选）
电源	交流电AC 110～240 V，+10 /-15 %；48～63 Hz	已知相关干扰	无

三、N2O对气候的影响

N2O是一种被大大忽视的温室效应气体，其全球升温潜能值为CO2的320倍，N2O与臭氧起反应而导致臭氧层空洞。
环球水源研究联盟发布的近期研究声明：污水处理厂（WWTP）在某些工艺参数和条件下排放出大量的N2O气体。荷兰、法国、美国和澳大利亚的研究已经表明：对于某些污水处理厂而言，N2O气体排放占总碳排放量的90％。
传统上，污水处理厂的N2O气体排放量通过利用政府间气候变化专门委员会（IPCC）排放系数3.2 g N2O/PE/年来进行估算，因为直接监测排放时过程复杂、费用高昂。

研究建议：在普通项，这种排放系数很可能被低估10倍。主流科学家建议：考虑到排放的变化比较大，在不同的污水处理厂间使用这种排放系数是不恰当的。因此，推荐进行在线测量。

四、N2O排放的监测实例（丹麦腓特烈港市自来水公司）

位于丹麦腓特烈港市的市政Forsyningen自来水公司一直专注于实施一种方法，能在城市污水处理厂众多不同的污水处理过程中更好地估计和量化温室气体排放量。
该公司同时运行再循环和生物膜污水处理过程。由于排放关键数字不确定性的增加，该公司联系Unisense环境公司，以帮助测定实际的N2O碳排放量。采取这项新举措后，首次检测了一个标准再循环过程的N2O排放量。

腓特烈港市污水处理厂

聚乙烯管	130,000（分成两股支流）

流入量

300 m3/h

厌氧水槽的体积

1195 m3

曝气水槽的体积

2290 m3

化学需氧量（COD）、总凯氏氮（TKN）、总蛋白（TP）

2800吨/年、240吨/年、40吨/年

为了节省能源和提高除氮能力，在好氧区域采用间歇曝气操作，进行曝气区域的反硝化作用，反硝化作用取决于池中的铵浓度。Unisense环境公司安装了两个污水中N2O原位测量系统：一个置于缺氧水槽中，另一个置于有氧水槽中。为了便于理解N2O的形成，N2O传感器数据通过SCADA系统的标准集成来记录所有其他工厂的数据。

进行快速的两点校正后，传感器即可用于监测N2O浓度。14天的测量周期后，从SCADA系统中提取完整的数据系列，发送到Unisense环境公司用于数据分析。使用不同的数据管理工具来记录数据的整体相关性，尤其是N2O的生成量。
从14天测量周期的数据可以很明显地看出：该周期内N2O的排放量变化很大。在此期间的主要排放量与两个高负荷事件相关：42小时间的N2O排放量占14天总量的53%。此外，测量开始时的低溶氧设定值导致N2O浓度显著增加，明显强化了低氧与N2O形成之间的关系。在测量期间，N2O在缺氧水槽中的生成量很低，N2O浓度仅在铵浓度较高的周期内增至0.3 N mg/L，并延续30小时。在曝气部分，N2O主要产生于间歇曝气的缺氧阶段，随后通过曝气逃逸到大气中。

最后，用同行陪审和验证模型进行排放量的计算来评估N2O排放量，并且推断出其二氧化碳当量。将得到的结果与曝气得到的二氧化碳当量进行比较，然后提交给自来水公司的管理部门，作为2天咨询服务的一部分。测量周期中总碳排放量计算为10吨二氧化碳当量，其中N2O推算出的二氧化碳当量占总排放量的59％。

从短期监测和数据分析得到一个简短的列表，包括存在的问题和可能的解决方案：

N2O浓度和排放量变化很大。
溶解氧的控制对于避免N2O产生量和排放量的升高非常重要。
应通过调节进水量来避免短期的高铵盐负荷。
提高化学需氧量（COD）的反硝化作用这一控制策略有可能减少N2O排放量。
使用间歇曝气策略的能耗优化措施必须与N2O监测相结合，以避免产生过多的N2O排放。

采用这种投资较小的Unisense污水中N2O原位测量系统后，自来水公司切实了解了其N2O排放的来源和原因，现在能够采取相关行动以将N2O对气候的影响降到最低。

腓特烈港市污水处理厂的标准再循环设置

NH4+、NO3- 、O2 和N2O数据系列图（14天测量周期中的一个6天区段），包括低氧设定值和两个高负荷期中的一个。

从算得的N2O排放量和用于曝气的功率（kWh）推导出14天的累计二氧化碳排放量。所用的二氧化碳当量系数为：296kg CO2/kg N2O和0.418 kg CO2 / kWh。

丹麦Unisense微电极

测量参数：	尖端直径：	测量方式：	优点：	推荐研究领域：
O2	5微米	●直接测液、气体	★精度高(10-7-10-9mol/L)	A.水-沉积物界面生物地球化学过程
pH	10微米	●穿刺测量	★检测下限低(标准0.3μmol/L	B.生物膜、污泥颗粒、包埋菌颗粒、
氧化还原电位	25微米	●靠近样品测量	,NO可达4nmol/L)	固态发酵样品微观结构和传质机理
N2O	50微米	扩散边界层	★不破坏被测点微环境(反复	C.根际微环境
NO	100微米	●微电极尖端包不	穿刺样品值基本不变)	D.动植物组织器官或食品内部性质
H2S	500微米等	锈钢外壳监测土壤、	★响应快(90%响应时间1-3秒	E.材料腐蚀界面
H2		堆肥或固废样品	，最快50毫秒)	F.电池阴阳极界面
温度	NO3-、NO2-、NH4+、H+、Ca2+、等		★不易受搅拌干扰(普通电极	G.微小液滴
微流速	等unisense公司提供合适尖端外径（		搅拌停止时信号下降30-50%	H.溶液化学催化快速动力学
扩散率	如:生物膜10~15um；大脑皮层3um)		，微电极信号下降在1%以内)	I.微电极外包保护套监测反应器或
其他 --->	的微电极胚，测量前灌Lix和试剂。		★电极寿命1-2年以上	土壤及固废样品