Unisense微电极在线监测全尺寸污水处理系统的N2O排放量

背景介绍：氧化亚氮属于温室效应气体，氧化亚氮（N2O）是一种强力的温室气体，对环境有着多方面的影响，能够吸收中心波长为7.78、8.56、16.98um的长波红外辐射，从而产生温室效应。本论文研究人员使用一种克拉克型的氧化亚氮微电极实现对污水处理厂中气相状态下氧化亚氮的排放，用于对气相中的在线气体测试，并对其线性度、温度依赖性、信号饱和度进行评估。研究该氧化亚氮传感器用于国产全序批式反应器（SBR）中的N2O的在线检测，并与商业化的在线气体分析仪（气相色谱）的测试结果进行相关对比，这项研究也是首次基于溶解的氧化亚氮在线测试数据实现了在一个全面的污水处理设施体系中实现对氧化亚氮气体排放的浓度的可靠测试。

Unisense微电极系统的应用

首先进行电极的极化，提前个12小时，打开微电极主机，插上电极，将极化电压调到开始，过夜极化。将准备好的含有不同浓度（0ppmv、25.5ppmv、50.1ppmv）的氧化亚氮混合标准气体混合物放置于3L的标准密闭容器中，放入氧化亚氮电极，待信号稳定后测定，获取N2O的标准曲线（矫正曲线的测试温度在15-33摄氏度）。

实验结果

unisens开发的克拉克型N2O气体传感器被证明是可靠的，可用于替代污水处理厂所采用的在线检测N2O的气相排放标准方法。在N2O浓度的高低范围内，其传感器都是线性的，其中N2O的检测上限达到2750 ppmv。并充分预测到在进行常规校准时，考虑了温度对传感器信号的影响。氧化亚氮微电极气体传感器成功地描述了气体的排放，甚至比商业化的分析设备（分析的N2O浓度超过500 ppmv时）给出的测试值还要精确。在本研究中，商业化的气体分析设备测试给出的总一氧化二氮排放量低估了14.0%。两种估算N2O排放量的方法，其中使用溶解法的N2O测量由一个液体N2O传感器测试获得了98.7%的准确度，或采用的传感器测试氧化亚氮的气体排放量达到了87.0%准确度。

图1、图A表示的是完整的N2O气体传感器及控制器;图B表示的是完整的溶解态N2O传感器及控制器;图C放置在取样罩内的气体传感器的特写;图D表示的是和取样罩置于整体的活性污泥SBR中。

图2、3种不同浓度的N2O气体混合物(●0 ppmv；▲25.5 ppmv；■50.1 ppmv)下，在一定范围内传感器信号的指数变化作为温度15-35度的函数。图B表示的是实际测试的不同浓度的N2O气体混合物时（●○0ppmv;▲△25.5 ppmv;50.1 ppmv■□），传感器信号值（开口符号）与预测的传感器信号值（封闭的符号）。从图中可以看出，实测值与预测值基本一致。

图3、使用气体传感器(绿线)和商业红外气体分析仪(黑线)在一体化的SBR上进行4天的N2O排放监测。从图中可以看出，气体传感器比传统的商业化的红外气体分析仪，能够测试出混合气体中较高浓度的氧化亚氮。

图4、污水处理厂典型的SBR序批式反应器中N2O气体排放浓度(蓝色虚线)、液体中的N2O浓度(橙色实线)、溶解的氧化亚氮浓度的预测(灰色线)和N2O溶解排放预测浓度(黑色虚线)(采用文献5提出的方法)的典型SBR剖面图。图A是需氧阶段，图B缺氧阶段，图C沉降和沉淀阶段。

图5、克拉克型微电极气体传感器、商业化红外线型其他分析仪和气相色谱之间的比较。测试的一氧化二氮气体混合物的大约浓度为1000、2000和3000 ppmv。从表中可以看出，微电极气体传感器相比于另外两种测试方法，具有更高的准确度，尤其是当气体混合物中氧化亚氮的浓度越高，其差别越大。

结论与展望

研究人员应用了克拉克型一氧化二氮微电极(N2O)传感器（unisense丹麦）通常用于测量废水处理厂(WWTPs)中溶解态的N2O浓度，但以前从未应用于全面污水处理厂的气相N2O排放检测。在本论文研究中，研究人员对一台N2O气体传感器进行了测试和验证，用于在线气体测量，并对其线性度、温度依赖性、信号饱和度和漂移进行了评估。研究人员发现，N2O气体传感器是用于全序批式反应器(SBR)N2O在线监测并将废水与商业在线气体分析仪的结果进行了比较。该传感器成功地测试出氧化亚氮的排放，在N2O浓度超过500 ppmv时，克拉克型一氧化二氮(N2O)传感器甚至比商业化的在线分析传感器给出的数值更精确。这种克拉克型氧化亚氮微电极在基于污水中溶解的N2O在线数据的排放检测，首次实现了一个全面的污水处理设施中对气体的可靠估计的研究。该项研究也为研究人员在一个实验装置中对气相和液相状态下动态的氧化亚氮的浓度的同步检测提供了可能，这项研究也是首次基于溶解的氧化亚氮在线测试数据实现了在一个全面的污水处理设施体系中实现对氧化亚氮气体排放的浓度的可靠测试。这说明丹麦unisense开发的这套氧化亚氮微电极在污水处理厂N2O的排放机制研究领域存在很好的应用前景。

丹麦Unisense微电极可穿刺水体、动物组织、生物膜、颗粒污泥、植物根茎叶、液体-固体扩散边界层，研究微区、微生态的研究系统，微电极穿刺系统可穿刺检测动植物组织器官/沉积物/水/土壤/底泥/生物膜/颗粒污泥等不同深度的nM级O₂、NO、N₂O、H₂S、H₂、pH、氧化还原电位、温度等指标变化。unisense微电极尖端最细可达几微米，不破坏被测点微环境，无损伤。