废水处理过程中温室气体的产生及控制课件.ppt
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1、废水处理过程中温室气体废水处理过程中温室气体的产生及控制的产生及控制 主要内容主要内容温室气体对全球气候的影响温室气体对全球气候的影响废水处理与温室气体的产生废水处理与温室气体的产生废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 二氧化碳和甲烷的排放二氧化碳和甲烷的排放 氮氧化物的排放氮氧化物的排放 稳定塘温室气体的产生稳定塘温室气体的产生 人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生废水处理技术对温室气体减排的控制废水处理技术对温室气体减排的控制温室气体对全球气候的影响温室气体对全球气候的影响温室气体对可见光具有高度的透过性;温室气体对可见光具有高度的透过性;能强烈吸收地面
2、辐射中的红外线;能强烈吸收地面辐射中的红外线;“温室效应温室效应”致全球气候变暖;致全球气候变暖;温室气体对全球气候的影响温室气体对全球气候的影响全球变暖的后果,会使全球降雨量重新分配、全球变暖的后果,会使全球降雨量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等,既危害自然冰川和冻土消融、海平面上升等,既危害自然生态系统的平衡,更威胁人类的食物供应和居生态系统的平衡,更威胁人类的食物供应和居住环境。住环境。温室效应的影响温室效应的影响全球变暖的影响温室气体对全球气候的影响温室气体对全球气候的影响大气中的臭氧含量少,却极其重要;大气中的臭氧含量少,却极其重要;地球上臭氧层被破坏的程度远比一般人地球上臭氧
3、层被破坏的程度远比一般人想象的严重;想象的严重;温室气体对全球气候的影响温室气体对全球气候的影响温室气体使得臭氧层的恢复慢温室气体使得臭氧层的恢复慢 温室气体将热量留在地球表面的对流层,使其无法温室气体将热量留在地球表面的对流层,使其无法进入臭氧层所在的平流层,从而使平流层温度降低,进入臭氧层所在的平流层,从而使平流层温度降低,加快了臭氧层的破坏速度;加快了臭氧层的破坏速度;温室气体能够使地球表面温度增高,但对平流层却有着冷却温室气体能够使地球表面温度增高,但对平流层却有着冷却作用,这使得云层有了较多的存在时间。在这段时间里,进作用,这使得云层有了较多的存在时间。在这段时间里,进入平流层的氟里
4、昂在紫外线作用下,释放出氯原子,氯原子入平流层的氟里昂在紫外线作用下,释放出氯原子,氯原子马上和臭氧发生连锁反应,形成氧原子,一个氯原子可以破马上和臭氧发生连锁反应,形成氧原子,一个氯原子可以破坏坏1010万个臭氧分子,这对臭氧层破坏极大;万个臭氧分子,这对臭氧层破坏极大;废水处理与温室气体的产生废水处理与温室气体的产生废水过程中含碳有机物转化为废水过程中含碳有机物转化为COCO2 2和和CHCH4 4;微生物将废水中的有机质分解,其中一部分碳素物质转化为微生物将废水中的有机质分解,其中一部分碳素物质转化为CH4和和CO2;含氮物质转化为含氮物质转化为NHNH4,NONOX X,N,N2O O
5、;废水处理与温室气体的产生废水处理与温室气体的产生污泥的处理过程中同样产生温室气体;污泥的处理过程中同样产生温室气体;废水处理工程为持续的温室气体发生器;废水处理工程为持续的温室气体发生器;我国废水处理领域甲烷排放量居世界第一,占总排放我国废水处理领域甲烷排放量居世界第一,占总排放量的量的21%21%;废水处理与温室气体的产生废水处理与温室气体的产生废水处理的脱氮过程废水处理的脱氮过程氨化氨化废水中的含氮有机物,在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程;硝化硝化废水中的氨氮在好氧自氧型微生物(硝化细菌)的作用下转化为NO2-和NO3-的过程;反硝化反硝化废水中的NO2-和N
6、O3-在缺氧条件下在异氧型细菌(反硝化细菌)的作用下还原为N2的过程;N2O和NO作为脱氮过程的中间产物进入大气废水处理与温室气体的产生废水处理与温室气体的产生 二氧化碳和甲烷的排放二氧化碳和甲烷的排放 氮氧化物的排放氮氧化物的排放 稳定塘温室气体的产生稳定塘温室气体的产生 人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 废水处理过程的优化可以控制温室气体减排废水处理过程的优化可以控制温室气体减排这方面的研究主要还停留在实验室阶段这方面的研究主要还停留在实验室阶段之前的废水处
7、理工程的研究和设计很少考虑温室之前的废水处理工程的研究和设计很少考虑温室气体排放问题气体排放问题废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 废水处理过程中二氧化碳和甲烷的排放废水处理过程中二氧化碳和甲烷的排放好氧处理好氧处理过程可以避免或减少过程可以避免或减少CH4的排放,微生物的排放,微生物将废水中的有机物(碳水化合物、脂肪和蛋白质)将废水中的有机物(碳水化合物、脂肪和蛋白质)氧化为氧化为CO2;厌氧处理厌氧处理工艺将可生物降解的有机物质转化为工艺将可生物降解的有机物质转化为CH4和和CO2;废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 废水处理过程中二氧化碳和甲烷
8、的排放废水处理过程中二氧化碳和甲烷的排放厌氧处理工艺主要处理高浓度有机废水,其产生的厌氧处理工艺主要处理高浓度有机废水,其产生的CH4主要通主要通过回收利用而得到过回收利用而得到控制控制;工业废水产生的工业废水产生的CH4要比生活废水多;要比生活废水多;发达国家要比发展中国家低;发达国家要比发展中国家低;废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 典型废水处理系统的典型废水处理系统的碳平衡碳平衡:进入废水处理系统有机:进入废水处理系统有机碳的碳的60%转化为气体(转化为气体(36%CO2和和24%CH4),),6%进进入处理后的废水中,剩下入处理后的废水中,剩下1/3左右进入污泥
9、;左右进入污泥;废水处理过程中氧化亚氮的排放废水处理过程中氧化亚氮的排放 氧化亚氮(氧化亚氮(N2O)是大气中重要的温室气体之一;)是大气中重要的温室气体之一;废水生物脱氮过程中会产生废水生物脱氮过程中会产生N2O;一些发达国家(美国、德国等)对废水处理过程中一些发达国家(美国、德国等)对废水处理过程中N2O产生及其减量化进行研究;产生及其减量化进行研究;美国每年都会发布废水处理中美国每年都会发布废水处理中N2O排放量数据;排放量数据;废水处理过程中释放量占全球总释放量的废水处理过程中释放量占全球总释放量的2.5%-25%;废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 废水处理过程
10、中氧化亚氮的排放废水处理过程中氧化亚氮的排放 工业废水和城市废水处理过程中,工业废水和城市废水处理过程中,硝化硝化的好氧的好氧段和段和反硝化反硝化的缺氧段是的缺氧段是N2O产生的主要产生源;产生的主要产生源;污泥处理方法中,堆肥、焚烧和污泥好氧消化污泥处理方法中,堆肥、焚烧和污泥好氧消化等方法,等方法,N2O释放量较多;释放量较多;废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 废水处理过程中氧化亚氮的排放废水处理过程中氧化亚氮的排放 环境因素与工艺过程对环境因素与工艺过程对N2O产生和释放有较大影响产生和释放有较大影响附着生长系统的载体或填料固着对附着生长系统的载体或填料固着对N2
11、O的产生起控的产生起控制作用的菌种,相对于悬浮生长系统,附着生长系制作用的菌种,相对于悬浮生长系统,附着生长系统统N2O释放量更少;释放量更少;投加大肠杆菌的生物流化床工艺不仅有较好的脱氯投加大肠杆菌的生物流化床工艺不仅有较好的脱氯效果,且效果,且N2O释放量也较低,增加大肠杆菌可控制释放量也较低,增加大肠杆菌可控制N2O的产生(的产生(Kim,et al.,2000););废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 废水处理过程中氧化亚氮的排放废水处理过程中氧化亚氮的排放 英国某废水处理厂年处理废水英国某废水处理厂年处理废水1.111010t,N2O年释放量年释放量为为3.51
12、04g,估算,估算N2O年释放通量为年释放通量为4.710-6g/L,3.2g/人;人;废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 稳定塘温室气体的产生稳定塘温室气体的产生废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 碳的循环与转化碳的循环与转化稳定塘温室气体的产生稳定塘温室气体的产生废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 氮的循环与转化氮的循环与转化稳定塘温室气体的产生稳定塘温室气体的产生稳定塘包括了一般生物的好氧降解和厌氧降解过稳定塘包括了一般生物的好氧降解和厌氧降解过程,在生物降解过程中不可避免地存在温室气体程,在生物降解过程中不可避免地存在温
13、室气体的排放;的排放;废水处理过程温室气体排放情况废水处理过程温室气体排放情况 人工湿地人工湿地人工湿地系统温室气体的排放现状人工湿地系统温室气体的排放现状甲烷的排放现状甲烷的排放现状甲烷排放的控制性因子甲烷排放的控制性因子N2O的排放现状的排放现状N2O的产生机制的产生机制N2O排放的控制性因子排放的控制性因子人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地人工湿地人工湿地人工湿地是将废水投放到土壤经常处于水饱和状态且生是将废水投放到土壤经常处于水饱和状态且生长有芦苇、美人蕉、灯芯草等湿生植物的沼泽地上,废长有芦苇、美人蕉、灯芯草等湿生植物的沼泽地上,废水沿着一定方向流动,在废水
14、流动过程中,利用土壤、水沿着一定方向流动,在废水流动过程中,利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用,对废水进行处理的一种技术。作用,对废水进行处理的一种技术。人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生污泥干化湿地人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地净化水环境,是解决环境问题,还人工湿地净化水环境,是解决环境问题,还是用一种问题替代了另一种问题,即消减了是用一种问题替代了另一种问题,即消减了污染但增加了污染但增加了GHG排放(排放(Sovik et al.,2006)?人工湿地过程温室气体的
15、产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地系统温室气体的排放现状人工湿地系统温室气体的排放现状加拿大湿地加拿大湿地CO2排放排放人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地系统温室气体的排放现状人工湿地系统温室气体的排放现状人工湿地作为水处理系统存在一定量的甲烷、氧化人工湿地作为水处理系统存在一定量的甲烷、氧化亚氮、二氧化碳排放(亚氮、二氧化碳排放(Mander et al.,2008););该生态系统是甲烷和氧化亚氮的源,是二氧化碳的源与该生态系统是甲烷和氧化亚氮的源,是二氧化碳的源与汇汇。温室气体排放随着时间、空间存在较大差异
16、;温室气体排放随着时间、空间存在较大差异;温室气体排放受一些环境因子影响温室气体排放受一些环境因子影响;人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地系统甲烷的排放现状人工湿地系统甲烷的排放现状天然湿地甲烷排放占全球总量的天然湿地甲烷排放占全球总量的20-25%,每年达到,每年达到115-145Tg(Whalen,2005);单位面积人工湿地年排放单位面积人工湿地年排放200kgCH4/ha(Mitsch and Gosselink,2007);人工湿地水处理系统是天然湿地系统和生化污水处理人工湿地水处理系统是天然湿地系统和生化污水处理厂的复合体厂的复合体(Sovik et al
17、.,2006);人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地系统甲烷的排放现状人工湿地系统甲烷的排放现状 三江平原湿地甲烷排放范围为三江平原湿地甲烷排放范围为0.180.89mg/(m2h);美国泥炭沼泽地甲烷排放范围为美国泥炭沼泽地甲烷排放范围为0.190.83mg/(m2h)(Panikov and Dedysh,2000););西伯利亚沼泽地甲烷排放平均值为西伯利亚沼泽地甲烷排放平均值为0.21mg/(m2h);(Melloh and Crill,1996);人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地系统甲烷的排放现状人工湿地系统甲烷的排放现状某表面流人
18、工湿地污水处理工程,甲烷排放量达某表面流人工湿地污水处理工程,甲烷排放量达5.22 g/(m2d),是天然湿地的,是天然湿地的250倍(倍(Tai et al.,2002););表面流人工湿地深度处理污水时,甲烷排放随时空、表面流人工湿地深度处理污水时,甲烷排放随时空、季节变化而变化,波动范围为季节变化而变化,波动范围为3751739mg/(m2d),平均值为平均值为141mg/(m2d)(Johasson et al.,2004);人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地系统甲烷的排放现状人工湿地系统甲烷的排放现状表面流人工湿地处理牛奶场污水时甲烷排放平均值为表面流人工湿
19、地处理牛奶场污水时甲烷排放平均值为225mg/(md)(Tanner et al.,1997);城市污水处理系统的人工湿地系统中,城市污水处理系统的人工湿地系统中,CH4通量的范通量的范围为围为1.21900mg/(md),且主要受且主要受TOC影响;影响;人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子:温度温度水位深度水位深度基质底物浓度及供应程度基质底物浓度及供应程度湿地植物湿地植物氧化还原环境氧化还原环境人工湿地过程温室气体的产生人工湿地过程温室气体的产生温度温度人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子温度影响
20、湿地土壤的微生物活动和土壤中甲烷的输送温度影响湿地土壤的微生物活动和土壤中甲烷的输送(Schimel and Gulledge,1998);温度与甲烷通量的关系,只有在较湿的地方才有相关性,而温度与甲烷通量的关系,只有在较湿的地方才有相关性,而在较干的地点则没有相关性(在较干的地点则没有相关性(Sevensso et al.,1984);Bartlett等(等(1992)报道在较干和较湿的地方都有相关性。)报道在较干和较湿的地方都有相关性。温度温度人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子温度与甲烷通量的关系有些湿地呈对数关系,有的温度与甲烷通量的关系有些湿地呈对数关系,有的呈指
21、数关系,有的呈线性关系呈指数关系,有的呈线性关系(Holly et al.,2002)水位深度水位深度长期淹水甲烷排放高;长期淹水甲烷排放高;水深与水深与CH4排放通量呈线性正相关(排放通量呈线性正相关(Macdonald et al.,1998););人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子土壤湿度与甲烷排放的的关系(土壤湿度与甲烷排放的的关系(Yan et al.,2008)水位深度水位深度人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子当水深高于当水深高于21cm后,排放通量与水深之间的正相关关系后,排放通量与水深之间的正相关关系消失消失(王跃思等,(王跃思等,2
22、008)水位深度水位深度人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子在我国的三江平原湿地在我国的三江平原湿地的研究发现,随着水层的研究发现,随着水层厚度的增加,厚度的增加,CH4排放排放减少(减少(Song et al.,2008)水位深度水位深度人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子苏格兰湿地苏格兰湿地(Macdonald et al.,1998)基质底物浓度及供应程度基质底物浓度及供应程度如有效碳的影响;如有效碳的影响;湿地土壤湿地土壤CH4产生速率与易矿化碳或水溶性碳呈线产生速率与易矿化碳或水溶性碳呈线性正相关(性正相关(Macdonald et al.,1
23、998);人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子基质底物浓度及供应程度基质底物浓度及供应程度德国西南部的湿地研究表明,土壤中德国西南部的湿地研究表明,土壤中CH4产生速率产生速率主要取决于新鲜有机质含量(主要取决于新鲜有机质含量(Gisela et al.,2000););人工湿地甲烷排放的控制性因子人工湿地甲烷排放的控制性因子新鲜有机新鲜有机质含量高质含量高基质底物浓度及供应程度基质底物浓度及供应程度凋落物的输入量,为甲烷产生菌提供了更为丰富的凋落物的输入量,为甲烷产生菌提供了更为丰富的底物,有效地提高了甲烷产生率(底物,有效地提高了甲烷产生率(Sorrel et al.,
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