Exploring data quality and seasonal variations of N2O in wastewater treatment: a modeling perspective

探索廢水處理中 N2O 的數(shù)據(jù)質(zhì)量和季節(jié)變化：建模視角

Water Practice & Technology Vol 19 No 3, 1016 doi: 10.2166/wpt.2024.045

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文評估了丹麥4座污水處理廠（WWTP）的N2O（氧化亞氮）操作數(shù)據(jù)質(zhì)量，探討了數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的可行性。研究發(fā)現(xiàn)：

 

不同廠區(qū)數(shù)據(jù)質(zhì)量差異顯著（準確性、完整性等）；

N2O濃度存在季節(jié)性波動和異方差性（波動幅度隨時間變化）；

N2O與氮相關(guān)變量（如NH?、NO?）的關(guān)系隨時間動態(tài)變化，無固定模式；

建議未來建模需結(jié)合數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，賦予可靠數(shù)據(jù)更高權(quán)重。

 

2. 研究目的

 

評估操作數(shù)據(jù)質(zhì)量：量化WWTP長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性（如傳感器漂移、缺失值）；

分析N2O動態(tài)特征：探究季節(jié)變化、與氮/氧變量的時變關(guān)系；

支撐數(shù)據(jù)驅(qū)動建模：為N?O排放預測與控制策略提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

 

3. 研究思路與方法

數(shù)據(jù)來源

 

4座丹麥WWTP（Avedore、Fredericia、Koge、Skanderborg），覆蓋不同工藝（Biodenitro/單池交替活性污泥法）和規(guī)模（4.15萬~42萬人口當量）。

數(shù)據(jù)周期：2018–2023年，分辨率2–5分鐘（詳見表1）。

核心變量：

N?O（溶解態(tài)）、NH?、NO?、DO（溶解氧）、溫度、進水流量、曝氣量。

N?O傳感器：丹麥Unisense電化學傳感器（關(guān)鍵設(shè)備，下文詳述）。

 

 

分析方法

 

數(shù)據(jù)質(zhì)量評估（六維度）：

準確性：檢測傳感器漂移/偏差（如負值異常）；

完整性：統(tǒng)計缺失數(shù)據(jù)占比（圖3）；

 

一致性：檢查傳感器量程變更（表2）；

 

其他維度：相關(guān)性、可比性、可訪問性。

季節(jié)性分析：

30天滑動窗口計算N?O均值（μ_w）與標準差（σ_w）（圖4）。

 

動態(tài)相關(guān)性：

滑動窗口秩相關(guān)（窗口=30天），分析N?O與NH?/NO?/DO的時變關(guān)系（圖5–8）。

 

 

 

 

 

 

 

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)與意義

（1）數(shù)據(jù)質(zhì)量（表2, 圖3）

問題類型 發(fā)現(xiàn) 研究意義

缺失數(shù)據(jù) 各廠缺失率1.9%~15.2%，N?O/NH?缺失最嚴重（圖3） 揭示SCADA系統(tǒng)維護漏洞，需優(yōu)化元數(shù)據(jù)記錄（如校準時間）以提升建?？煽啃?。

負值/漂移 22%變量存在負值；15/18個DO/N?O傳感器存在漂移（表2, 表3） 傳感器校準不足（如Skanderborg廠N?O漂移達-0.333 mg/L），影響長期監(jiān)測準確性。

量程不一致 NO?/N?O傳感器量程頻繁調(diào)整（圖S5） 操作人員未預見高濃度氮污染物，需動態(tài)調(diào)整傳感器配置。

（2）N?O季節(jié)動態(tài)（圖4）

 

異方差性：所有廠N?O波動幅度隨時間變化（如Fredericia廠冬春峰值>0.06 mg/L）。

季節(jié)模式差異：

Avedore：春夏季峰值（4–6月）；

Fredericia：冬春季峰值（1–4月）；

Skanderborg：冬季峰值（11–12月）。

意義：證實<1年的數(shù)據(jù)無法捕捉完整動態(tài)，需長期監(jiān)測支持模型泛化。

 

（3）時變相關(guān)性（圖5–8）

 

無穩(wěn)定關(guān)系：N?O與NH?/NO?的秩相關(guān)系數(shù)（ρ_w）在[-0.5, 0.8]波動，且無季節(jié)規(guī)律。

例：Fredericia廠在低N?O期（<0.06 mg/L）相關(guān)性趨近0（圖5）。

跨工藝差異：

Avedore（Biodenitro工藝）：N?O與相鄰池NH?相關(guān)性較高（圖7）；

Koge廠：N?O與NH?/NO?相關(guān)性弱（圖8），因傳感器布局不同。

意義：傳統(tǒng)靜態(tài)模型（如基于固定相關(guān)系數(shù)）不適用，需動態(tài)建模。

 

5. 核心結(jié)論

 

數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊：各廠傳感器維護水平差異大，缺失/漂移問題突出，需加強元數(shù)據(jù)管理。

N?O動態(tài)復雜：

存在季節(jié)性但模式因廠而異（圖4）；

與氮變量的關(guān)系隨時間變化，無普適規(guī)律（圖5–8）。

建模建議：

數(shù)據(jù)驅(qū)動模型需適配具體廠區(qū)數(shù)據(jù)特征；

建模時應加權(quán)高可靠性數(shù)據(jù)（如校正后N?O），而非均等處理所有變量。

 

6. Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

技術(shù)細節(jié)（2.1.1節(jié)）

 

傳感器類型：Unisense液態(tài)電化學Clark型傳感器。

關(guān)鍵參數(shù)：

量程：0–1.5 mg N?O-N/L（可定制，犧牲分辨率）；

精度：±5%（校準溫度±3℃內(nèi)）；

響應時間：65秒（10–30℃）；

校準要求：每2個月兩點校準，傳感器頭壽命約6個月。

 

研究價值

 

揭示真實廠區(qū)N?O動態(tài)：

捕捉短周期波動（圖1：分鐘級變化）及長期趨勢（圖4：年際變化），彌補短期監(jiān)測的不足。

暴露傳感器運維挑戰(zhàn)：

校準缺失導致漂移（表3），膜破裂/電路故障致數(shù)據(jù)缺失（表2），推動優(yōu)化監(jiān)測協(xié)議。

支撐減排策略：

高分辨率數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)工藝參數(shù)（如DO設(shè)定值），為實時控制N?O生成提供依據(jù)。

驗證模型適用性：

長期數(shù)據(jù)證明：單一模型難以泛化至不同工藝廠區(qū)，需廠級定制化建模。

 

局限與建議

 

局限：溫度低于10℃時響應延遲，高定制量程降低分辨率。

建議：結(jié)合冗余校準（如實驗室驗證），記錄元數(shù)據(jù)（校準時間/溫度）。

 

圖表索引

內(nèi)容 圖表位置

數(shù)據(jù)質(zhì)量缺失率 圖3

傳感器問題統(tǒng)計 表2

N?O漂移量化 表3

季節(jié)性變化 圖4(a)-(e)

時變相關(guān)性分析 圖5（Fredericia）

圖6（Skanderborg）

圖7（Avedore）

圖8（Koge）

N?O短周期波動 圖1

 

 

 

 

此研究為WWTP的N?O精準監(jiān)測與減排提供了數(shù)據(jù)質(zhì)量標準和動態(tài)建?；A(chǔ)，強調(diào)高分辨率長期數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)管理的核心價值。