廢水處理廠監測溫室氣體排放

全球很少關注廢水處理過程中出現的氣體排放。這情況與法規監管背道而馳，因為從設備排放的水質有法規規範。不過，芬蘭赫爾辛基有個大型城市廢水處理設備，連續監測這些溫室氣體 (GHG) 排放，有助城市有決心打擊氣候變化，亦有助改善廢水處理過程。

所採用的多項氣體 FTIR (傅立葉轉換紅外) 分析儀是由 Gasmet 提供，Gasmet 以赫爾辛基為總部，生產分析儀器。工廠經理可以測量程序控制對溫室氣體排放之影響，溫室氣體包括二氧化碳、甲烷和一氧化二氮。亦可從廢水流中含氮化合物之命運得到啟示。

赫爾辛基的地下工廠

Viikinmäki 廢水處理廠在 1994年興建，處理從家用 (85%) 和工業 (15%) 來源的廢水。不過，赫爾辛基在 12 月至 1 月的平均溫度約攝氏零下4 度，極端情況可以低過攝氏零下 20 度，甚至 30 度。故此幾乎整間工廠建於地底下，避免結冰溫度。地底建築在北歐國家是普遍做法，亦帶來其他優點，例如可善用工廠以上的地方，而程序控制和氣味理處也能保持穩定狀態。

Viikinmäki 工廠是芬蘭最大型廢水處理設備，每日處理約 270,000 立方米廢水，每年大概 100 百萬立方米。廢水根據芬蘭廢水處理排放許可而處理，這法規比歐盟水務框架指令更嚴謹，指令對幾項參數作規範，例如氮清除、磷含量、生化需氧量、化學需氧量以及懸浮固體。處理後，淨化了/處理過的廢水運送到 8 千米以外、深度超過 20 米的海中心。這似乎不必要，但 16 千米長排放管道已在1980年代建成，設計用意是確保排放廢水不會累積在淺層和散落在海岸，為的是保護沿著赫爾辛基海岸線的自然生態。

三階段處理過程

處理過程基於活性污泥處理法，有三個階段：機械、生物和化學處理。生物過濾器利用脱氮细菌來提升傳統氮清除。

廢水處理過程會產生污泥，這污泥中含有的有機物質經消化污泥來開採，在消化過程所產生的生物氣體會收集作日後使用。多謝生物氣體所產生的能源，讓處理廠在發熱方面可自給自足，而電力方面有 70% 自給自足。不過，工廠在不久未來的目標是能源全面自給自足，與此同時每年出售 60,000 公噸乾廢泥作景觀美化。

連續排氣監測

由於工廠的規模 (污染物排放與轉移登記制度 (E-PRTR) 報告) ，還有赫爾辛基區域環保服務機關 (HSY) 承諾對環境保護，工廠必須監測或模擬氣態排放。在污染物排放與轉移登記制度報告需求的初期 (2007)，赫爾辛基區域環保服務機關基於所收集樣本來模擬年度氣態排放。不過，監測在執行上相對簡單，因為工廠是在地底，與外隔絕，已有排氣系統。

在初期，Gasmet 便攜式 FTIR 分析儀是短期租用來取得工廠排放並用作研究用途。不過，在 Viikinmäki 的進程經理 Mari Heinonen 報告：『氣體排放數據很有趣，但不代表每年排放，所引起的問題多過答案。

『我們因此從 Gasmet 購置連續排放監測系統 (CEMS)，2012年尾安裝，在2013年取得第一次全年數據。』

『廢水處理的溫室氣體排放到目前為止只有很少數據被發表，全球只有 Viikinmäki 這間工廠會進行這類監測，所以我們的數據是重要的。』

低保養兼多項氣體性能

Gasmet CEMS 採用 FTIR 光譜儀來取得紅外光譜，先從廢氣流取樣，干涉儀把樣本訊息的‘干涉圖’收集，干涉儀同時測量所有紅外頻率來產生光譜，從光譜取得定性和定量數據。例如，Viikinmäki 的連續排放監測系統連續顯示甲烷、一氧化二氮、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮和氨氣排放數據。

數年以後，Gasmet 建立了 FTIR 參考光譜庫，可延至到同時定量 50 種氣體，或從5000+氣體集中辨識未知。換句話說，利用安於電腦上的軟件 (Calcmet) 來重新分析光譜，從而辨識未知氣體，是 FTIR 的主要優點。

FTIR 可以分析龐大數量氣體，此技術不適用於貴族氣體、同核兩原子氣體 (例如氮氣、氯氣、氫氣、氟氣等等) 或硫化氫 (檢測限太高)。

Viikinmäki 選擇 Gasmet FTIR 技術是因為它能同時監測多項氣體。不過，Mari Heinonen 說：『系統效能出眾，全自動，只需少量保養。只需每日用幾分鐘以氮氣作零點標定 (背景) 。每年進行一次水標定，但在正常情況底下不用其他標定。』

氣體監測改善進程控制

Mari Heinonen 從監測數據獲得好處，他已計算出每年甲烷排放約 350 公噸，一氧化二氮 134 公噸。即是每立方米廢水排放相當於 3.5 克甲烷和 1.34 克一氧化二氮。

Mari 期望利用氣體監測數據來改善程序控制：『傳統監測/控制系統焦點放在水中氧氣、硝酸鹽和氨氣的濃度，但舉個例子來說，如果我們檢測到高水平一氧化二氮，即表示程序出現問題，我們可用這訊息作反饋控制。』

『氣相氮化合物 (一氧化二氮、氨、氮氧化物) 的監測數據作水分析補償，並在處理過程中提供氮循環更全面畫面。』

『進一步研究是明顯需要的，但這工作可顯示，除了那些在廢水出現的成份外，有需要考慮氮化合物的演化過程；從廢水中除去氮是主要目的，但如果這目的最終出現有高排放的一氧化二氮，程序可能需要用別的方法處理。』