为什么水务公司需要重点减少一氧化二氮排放

一氧化二氮(N₂O)是污水处理过程中温室气体排放的主要来源，但水务行业在采用有效的解决方案来监测、控制和报告这些排放方面仍有很长的路要走。水务公司现在可以开始采取哪些措施来管理N2O的排放？赛莱默专家Oliver Puckering博士对此进行了解答。

2023年，赛莱默对100家水务公司展开调查，结果显示，有75%的公司计划在2040年之前减少温室气体排放，其中许多公司已经通过安装更节能的技术和使用数字解决方案来优化运营，从而达到减排目的。尽管甲烷和N₂O等处理工艺产生的排放物影响很大，但水务公司仍将其排在行动重点的最后一位。

为了解水务公司应该重点减少N₂O排放的原因以及如何行动，Making Waves采访了Xylem Innovation Labs“合作伙伴加速器”(Partnership Accelerator)项目负责人Oliver Puckering博士。

问：为什么污水处理厂必须采取措施减少N₂O排放？

N2O的增温潜势比二氧化碳高300倍。由于许多水务公司已经制定了达到净零排放目标的计划，因此减少N₂O的排放对于这些目标的实现起到了关键作用。

污水处理厂在硝化和反硝化过程中会产生N₂O，这两个工艺用于去除氨，保护受纳水体免受有害氮负荷的影响。不理想的工艺操作会产生更多的N₂O，在通过鼓风机加入额外的空气后，N₂O会从液体中分离并释放到大气中。

赛莱默的研究表明，根据工艺和电力组合的不同，N₂O排放量可占污水处理厂总排放量的25%至75%，而其他N₂O排放量研究表明，N₂O排放量占总排放量的60%至80%。N₂O的排放量会持续波动，因为它们受到季节性模式和温度、氮负荷以及处理厂曝气需求模式等因素的影响。

加强对污水处理厂N2O排放量的了解对于水务公司实现其温室气体排放目标以及为整个水务部门的总排放量建立一个坚实的基线是至关重要的。

问：目前有哪些技术可用于测量N₂O排放量？

与测量氨、溶解氧和悬浮固体等标准工艺变量的技术相比，用于测量N₂O的可靠解决方案尚处于起步阶段。然而，随着法规的日益严格，我们预计这项技术会有长足的进步。目前已经出现了一系列监测N₂O排放的技术，其中一些采用直接测量法，另一些则依靠建模来估算N₂O的产生和释放量。

目前已有能够直接测量液态、气态或两种状态下的N₂O的传感器。虽然这些传感器能在指定范围内提供可靠的测量结果，但在多个污水处理厂大规模部署这些传感器仍是一项挑战。不过，这项技术可用于在污水处理厂内的特定位置（如活性污泥池）进行一年一次的N₂O测量。

问：估算N₂O排放量的建模法与直接测量法有何不同？

基于经验和风险的模型采用了溶解氧、亚硝酸盐、硝酸盐和计算流体动力学等参数。这些模型可以全面展示N₂O的排放情况，同时因为易于实施且可扩展而颇受欢迎。尽管这些模型在验证和核实方面还有难题未解决，但世界各地的水务公司正越来越多地在示范项目中采用这些模型，从而加快验证过程。

无论是通过直接测量还是建模，实时监测N₂O排放对于制定有效的减排策略都至关重要。

例如，具有机器学习功能的决策支持系统可利用N₂O监测数据来优化操作条件，包括氧气控制和活性污泥回流。这样就能在满足处理要求的同时，最大限度地减少N₂O的产生，从而降低硝化和反硝化过程中通过气体分离产生排放的风险。

问：可以采用哪些新方法来防止N₂O的产生？

有一点需要明白，虽然减排方案可以减少N₂O的排放，但可能无法完全消除N₂O的形成，因为生物处理工艺必然会产生N₂O。对于水务公司来说，找到替代处理技术和方法是关键，这样可以逐步从活性污泥工艺转向资源回收。

一些水务公司已经采用了这些替代回收工艺，无论是物理的、化学的还是增强的自然工艺（如藻类处理），以消除产生N₂O的途径。为了搭建出最高效的处理工艺链，水务公司应根据具体地点的需求来评估不同的方案，而不是采用“一刀切”的方法。

问：有哪些指南可帮助水务公司估算其N₂O排放量？

2019 年，政府间气候变化专门委员会(IPCC)推出了采用分层方法估算N₂O排放量的指南。这些指南可以作为提高对N₂O排放量认识的良好起点，但它们往往低估了实际排放量，因此难以精确规划减排工作。

如今，水务公司可以采用一些方法来评估和减少实际的N₂O排放量。

水务公司应采取战略性方法，重点关注曝气模式最复杂的大型污水处理厂，同时进行能源和排放的综合审核。如此一来，水务公司就可以开始实施有针对性的举措，为在各个处理厂中实施更广泛的改进计划做好准备。

问：Xylem Innovation Labs是如何致力于开发N₂O监测和控制解决方案的？

Xylem Innovation Labs通过赛莱默的“合作伙伴加速器”项目与初创企业合作，以便更快地将创新水解决方案推向市场。这项年度计划帮助我们识别、参与和评估客户及全球水挑战相关的各种技术，其中净零排放和可持续性是重点。

解决N₂O排放问题是这项工作的主要支柱，包括对前驱物和直接排放的N₂O进行监测、建模和数字孪生系统，以及营养物质回收的新型处理方案。  

自2022年“合作伙伴加速器”项目启动以来，已经有35家公司参与了该项目。以下三家参与该项目的公司从不同方面促进减排：

Gross Wen Technologies：开发了一种藻类处理工艺，用于捕捉和回收营养物质。

Aquamonitrix：提供一种亚硝酸盐和硝酸盐传感器，用于检测前驱物的累积情况。

Cobalt Water Global：提供评估N₂O产生和排放过程风险的软件。

详细了解赛莱默如何帮助水务公司实现净零排放目标。