隱形的地下碳源：城市排水管道CH4排放

 來(lái)源：給水排水作者：苑心等

城市排水管道內(nèi)存在復(fù)雜的微生物活動(dòng)和物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了不容忽視的CH4無(wú)組織排放。綜述了城市排水管道系統(tǒng)不同部位的CH4排放研究現(xiàn)狀，估算了2016年我國(guó)城市排水管網(wǎng)CH4排放量為6.32 MteCO2，為城市“隱形”CH4排放的重要來(lái)源；總結(jié)了管道內(nèi)CH4排放的主要驅(qū)動(dòng)因素是污水管道內(nèi)的水力條件和污水特性；比較了已有排水管道CH4排放計(jì)量模型；綜述了排水管網(wǎng)CH4排放控制策略，并對(duì)未來(lái)排水管道無(wú)組織CH4排放的研究和減排措施進(jìn)行了展望。

01 研究背景

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，污水處理量不斷上升，城市排水系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。自2008年到2020年，我國(guó)城市排水管道長(zhǎng)度增長(zhǎng)200%，污水處理量增長(zhǎng)約100%。污水及固廢處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體（Greenhouse gases, GHGs），此部分GHGs排放總量約占社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)排放總量的2.0~3.0%。相比大量的污水處理廠GHGs排放研究，鮮有報(bào)道排水管道GHGs排放水平。然而，排水管道中有機(jī)物豐富、系統(tǒng)封閉性強(qiáng)，污水停留時(shí)間長(zhǎng)，同樣產(chǎn)生了大量CO2、H2S、CH4、N2O等氣體，導(dǎo)致了惡臭、腐蝕等危害和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，CH4還是常見(jiàn)的GHGs，對(duì)全球溫升貢獻(xiàn)約為0.5℃，約為全球平均溫升（1.1℃）的一半。這些氣體積聚在檢查井、人孔、管道頂空等處，在一定條件下逸散到大氣中，形成無(wú)組織排放。由此，封閉的排水管道極有可能是CH4的重要來(lái)源，可能與污水處理廠GHGs排放相當(dāng)，可能占管道全生命周期碳排放的60%以上。IPCC對(duì)于排水管道是否為GHGs排放源的描述經(jīng)歷了“不是”到“極有可能”的變化（見(jiàn)表1）。然而，地下排水管道工況變化頻繁，氣體排放監(jiān)測(cè)難度大。同時(shí)，管道建設(shè)年限長(zhǎng)且缺乏維護(hù)管理，多數(shù)存在結(jié)構(gòu)性、功能性缺陷，水、氣漏損嚴(yán)重。因此，目前缺乏可靠的監(jiān)測(cè)手段、足夠數(shù)據(jù)和確定的排放因子定量計(jì)算排水管道GHGs排放水平，給排水系統(tǒng)內(nèi)全面碳排放計(jì)量帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

本文梳理了城市排水管道系統(tǒng)不同部位CH4排放的研究，對(duì)比計(jì)算了我國(guó)城市污水處理廠直接碳排放與排水管道碳排放的大小，明確排水管道的CH4排放是城市水處理系統(tǒng)碳排放核算不可忽視的部分；進(jìn)一步綜述了排水管道CH4產(chǎn)生的影響因素、計(jì)量模型及控制手段，對(duì)管道GHGs排放研究提出展望，為我國(guó)城市排水系統(tǒng)低碳運(yùn)行提供新思路和方向。

02 排水管道系統(tǒng)CH4排放研究現(xiàn)狀

2.1 CH4的生成及排放

排水管道污水中存在大量有機(jī)物，大分子物質(zhì)被發(fā)酵細(xì)菌（Fermentative bacteria, FB）水解為單糖等小分子物質(zhì)，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌進(jìn)一步將小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙酸、H2和CO2，普遍存在于排水管道系統(tǒng)各部位的產(chǎn)甲烷菌（Methanogenic archaea, MA）分別通過(guò)乙酸脫羧產(chǎn)CH4和H2還原CO2產(chǎn)CH4。CH4在水中的溶解度極小，產(chǎn)生的CH4主要積聚在管道頂空中，在檢查井、排氣口等處排放到大氣，溶解于污水中的CH4隨污水進(jìn)入污水處理廠或直接排放進(jìn)入受納水體而釋放，如圖1所示。

2.1.1 化糞池CH4排放

作為初級(jí)污水處理設(shè)施，化糞池布置在排水管道系統(tǒng)始端，能沉降去除部分懸浮物，SS和BOD5去除率均達(dá)20%~70%。不同于發(fā)達(dá)國(guó)家，化糞池在發(fā)展中國(guó)家有著廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市化糞池?cái)?shù)量超過(guò)200萬(wàn)個(gè)，在保持城市衛(wèi)生方面發(fā)揮重要作用，但由于其基本處于厭氧條件，會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體CH4，在碳排放方面已經(jīng)受到人們的關(guān)注。HUYNH等對(duì)越南河內(nèi)10個(gè)化糞池進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其CH4排放量達(dá)11.92 g/(人·d)，且糞便儲(chǔ)存期越長(zhǎng)，單位時(shí)間排放量越大。黃建洪研究計(jì)算出昆明市、廣州市及蘭州市化糞池CH4排放總量分別為109.52、669.51、1145.71 tCH4/年。根據(jù)郝曉地等對(duì)我國(guó)化糞池CH4排放量的估算，其CH4排放與我國(guó)污水處理廠直接碳排放相當(dāng)，約為30 MteCO2。城市化糞池CH4排放往往難以回收利用，不僅是一種安全隱患，還加劇了溫室氣體的無(wú)組織的直接排放。

2.1.2 重力排水管道CH4排放

城市排水管道大部分為重力管道，內(nèi)部常存在沉積物和生物膜，兩者均含大量有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽和水，是管道內(nèi)微生物生長(zhǎng)賦存的主要部位，其中的微生物活動(dòng)主導(dǎo)了管道內(nèi)CH4的產(chǎn)生。受管道內(nèi)氧氣分布的影響，沉積物和生物膜的深層部位是產(chǎn)CH4的關(guān)鍵位點(diǎn)，SUN等發(fā)現(xiàn)生物膜內(nèi)部700 μm處，MA相對(duì)豐度達(dá)到75%。有研究顯示，沉積物與生物膜產(chǎn)甲烷速率相當(dāng)，分別為2.68~15.01 gCOD/(m2·d)和(13.00±2.50) gCOD/(m2·d)。有研究針對(duì)80 km的重力排水管道CH4排放進(jìn)行測(cè)算，夏季、冬季分別排放135、78 kgCH4/d，年平均排放量為38.8 tCH4/年。由于重力管道存在固、液、氣三相，管道內(nèi)環(huán)境隨水流狀態(tài)時(shí)刻變化，微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度處于非穩(wěn)態(tài)，為確定重力排水管道氣體產(chǎn)排的動(dòng)力學(xué)參數(shù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

在排水管道系統(tǒng)中除重力管道外，還存在壓力管道，由于我國(guó)排水系統(tǒng)壓力管道占比較小，且已有文獻(xiàn)綜述了此部分CH4排放，本文不再贅述。

2.1.3 檢查井CH4排放

排水管道產(chǎn)生的CH4隨污水的流動(dòng)進(jìn)入排水檢查井并積聚于此。排水檢查井遍布城市，是城市排水系統(tǒng)CH4釋放到大氣的重要場(chǎng)所。大量研究出于安全考慮檢測(cè)了檢查井中CH4濃度，少有研究關(guān)注檢查井對(duì)城市大氣CH4含量上升的貢獻(xiàn)。FRIES等采用穩(wěn)定同位素δ13C和δ2H追蹤發(fā)現(xiàn)，美國(guó)辛辛那提市中街道CH4濃度較高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中有72%的位點(diǎn)的CH4的主要排放源為排水系統(tǒng)�，F(xiàn)有研究對(duì)于城市的CH4排放僅關(guān)注了污水處理廠、垃圾填埋場(chǎng)、發(fā)電廠、城市交通等“顯性”CH4排放，忽視了城市排水管道。因此對(duì)城市排水管道CH4排放情況進(jìn)行排查，有助于補(bǔ)充城市溫室氣體排放清單。

2.2 我國(guó)排水管道CH4排放現(xiàn)狀

由于排水管道系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以獲得可靠的CH4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多基于特定的計(jì)算模型或管道內(nèi)有機(jī)物降解情況進(jìn)行換算。本文根據(jù)IPCC指南及《2017年城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》計(jì)算我國(guó)2016年我國(guó)污水處理廠直接CH4和N2O排放量，分別為2.61和19. 3 MteCO2（各GHGs以CO2當(dāng)量計(jì)，CH4為25倍，N2O為298倍），CH4排放因子參考蔡博峰等研究結(jié)果；以JIN等對(duì)西安市排水管網(wǎng)CH4排放研究為基礎(chǔ)，以人口當(dāng)量推算，2016年我國(guó)城市排水管網(wǎng)CH4排放量為6.32 MteCO2/年�？梢�(jiàn)，我國(guó)排水管網(wǎng)CH4排放已超過(guò)污水處理廠排放量，約為后者的2.42倍，占全國(guó)污水處理廠直接GHGs排放總量的30%。但我國(guó)不同城市排水體制、排水管網(wǎng)密度、污廢水性質(zhì)、氣候條件等存在明顯差異，將顯著影響排水管道CH4核算的準(zhǔn)確性和可靠性，我國(guó)及我國(guó)不同省市排水管網(wǎng)CH4排放總量與排放特征仍不明確。

與我國(guó)不同行業(yè)部門(mén)GHGs或CH4排放情況進(jìn)行對(duì)比可知（見(jiàn)圖2），城鎮(zhèn)排水管道系統(tǒng)產(chǎn)生的GHGs與污水處理廠類(lèi)似，排放量相對(duì)較小，但相比于污水處理過(guò)程，排水管網(wǎng)GHGs排放不容忽視。隨著城市化進(jìn)程的加快，排水管道碳排放也將隨著排水管道的建設(shè)規(guī)模不斷增加，應(yīng)該成為未來(lái)城市水系統(tǒng)排查碳排放、碳減排的重點(diǎn)。

03 排水管道CH4生成的影響因素

3.1 管道水力條件

管道水力條件由管道內(nèi)徑、管材、坡度、流速等綜合決定，水力條件是影響管道內(nèi)生物膜和沉積物的生成和特性的關(guān)鍵因素，對(duì)于調(diào)控微生物的代謝活動(dòng)有著重要作用，因而顯著影響CH4的產(chǎn)生。水力停留時(shí)間（Hydraulic retention time, HRT）越長(zhǎng)，管道內(nèi)的氧氣逐漸減少，MA的活性越高，管道產(chǎn)CH4能力越強(qiáng)，可見(jiàn)，排水系統(tǒng)規(guī)模越大、HRT越長(zhǎng)時(shí)，CH4排放量越高。污水流速對(duì)管道內(nèi)氣液交換、水力沖作用有顯著影響，于璽等研究了0.2、0.6、1.0 m/s流速下管道CH4的排放情況，當(dāng)流速小于0.6 m/s時(shí)，隨著流速的增加，CH4排放隨氣液交換的促進(jìn)而增加，當(dāng)流速大于0.6 m/s時(shí)，水力沖刷作用顯著，影響了管道中MA的活性，一定程度上抑制CH4的產(chǎn)生，但CH4的產(chǎn)排量仍大于0.2 m/s時(shí)CH4的產(chǎn)量，但總體來(lái)說(shuō)，隨著流速的增大，CH4排放量增大。除此之外，管道表面積與體積的比值（A/V）越大時(shí)，管道內(nèi)生物膜可覆蓋的面積更多，提高了MA的生物量，促進(jìn)管道內(nèi)CH4的生成。

以上研究多以污水連續(xù)流為前提，但排水管道內(nèi)存在污水的斷流或湍流等復(fù)雜多變的水文條件。因此，探究不同水文狀態(tài)下的管道CH4釋放情況有助于進(jìn)一步了解管道真實(shí)的CH4的排放潛力。CHEN等分別探究了連續(xù)流、斷流、湍流下管道CH4的產(chǎn)排特征，連續(xù)流下，污水有機(jī)物供應(yīng)充足，管道產(chǎn)CH4能力最強(qiáng)；斷流時(shí)，有機(jī)物供應(yīng)不足，乙酸產(chǎn)CH4途徑被抑制。研究還發(fā)現(xiàn)，與硫和氮代謝相關(guān)酶和微生物的富集程度增加，相關(guān)的功能微生物如反硝化細(xì)菌、硫酸鹽還原菌（Sulfate�瞨educing bacteria, SRB）等與MA發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步抑制產(chǎn)CH4。當(dāng)管道內(nèi)處于湍流時(shí)，雖然溶解性CH4迅速釋放，但此時(shí)由于管道內(nèi)沉積物處于懸浮狀態(tài)，難以形成穩(wěn)定的微生物膜層，使微生物活性大大降低，同時(shí)，湍流還導(dǎo)致了污水復(fù)氧，進(jìn)一步抑制MA的活性。

3.2 污水特性

污水的有機(jī)物種類(lèi)和含量會(huì)顯著影響管道內(nèi)微生物過(guò)程。SUDARJANTO和ZAN分別研究了啤酒廢水和食品廢物排入管道后對(duì)其產(chǎn)CH4的影響，由于二者均含大量可降解有機(jī)物，CH4產(chǎn)量分別提升了30%和60%。CHEN等研究發(fā)現(xiàn)生活污水、雨水徑流、雨污混合廢水在管道中產(chǎn)的CH4能力依次降低，其中雨水徑流中含有石油類(lèi)衍生物，其生物降解性較低，而雨污混合廢水的生物降解性居中。溫度對(duì)管道內(nèi)CH4的產(chǎn)生具有重要影響，實(shí)地監(jiān)測(cè)證實(shí)氣溫較高時(shí)，管道內(nèi)CH4濃度相應(yīng)較高。溫度的提高不僅有利于增強(qiáng)MA的活性，還促進(jìn)了CH4的氣液交換，促進(jìn)CH4的排出�？梢�(jiàn)，污水性質(zhì)與環(huán)境因素的綜合作用增加了管道內(nèi)微生物過(guò)程的復(fù)雜性。

04 排水管道CH4排放計(jì)量模型

目前，城市排水管道系統(tǒng)CH4排放尚未形成公認(rèn)的排放計(jì)量模型，但已有部分研究結(jié)合影響管道CH4排放的主要因素和生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程建立動(dòng)力學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)公式，為計(jì)量排水管道CH4排放提供初步工具。

4.1 動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)力學(xué)模型能描述管道內(nèi)主要生化過(guò)程并通過(guò)實(shí)測(cè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)管道水質(zhì)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。GUSISAOLA等建立管道污水水質(zhì)預(yù)測(cè)模型SeweX，涉及FB、SRB及MA三大類(lèi)微生物活動(dòng)，包括發(fā)酵產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸過(guò)程、乙酸型產(chǎn)甲烷過(guò)程、氫型產(chǎn)甲烷過(guò)程、氫型硫酸鹽還原過(guò)程、乙酸型硫酸鹽還原過(guò)程和丙酸型硫酸鹽還原過(guò)程7個(gè)過(guò)程。SUN等在SeweX基礎(chǔ)上，增加了微生物的生長(zhǎng)和衰減過(guò)程。趙楠構(gòu)建了排水管道匯流水質(zhì)生物轉(zhuǎn)化模型，能分析CH4在管網(wǎng)中的分布規(guī)律。

動(dòng)力學(xué)模型描述了管道內(nèi)CH4產(chǎn)生過(guò)程，但多數(shù)模型未考慮CH4的氣液傳質(zhì)過(guò)程；同時(shí)已經(jīng)證明CH4的微生物氧化廣泛存在，但已有模型均未包括這一過(guò)程。

4.2 經(jīng)驗(yàn)公式

管道水質(zhì)變化經(jīng)驗(yàn)公式一般基于大量數(shù)據(jù)歸納而得，一般為動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)易表達(dá)。FOLEY等、CHAOSAKUL等及WILLIS等分別根據(jù)SeweX模型，提出了簡(jiǎn)易的經(jīng)驗(yàn)公式。此外，XU等通過(guò)研究排水管道壁剪應(yīng)力與微生物量之間的關(guān)系，構(gòu)建了與剪應(yīng)力相關(guān)的重力管道CH4排放經(jīng)驗(yàn)公式。有研究將污水碳硫比納入公式中，表示了SRB與MA碳源競(jìng)爭(zhēng)對(duì)管道產(chǎn)CH4的影響。各公式表達(dá)式如表2所示，根據(jù)公式可知，CH4的產(chǎn)量與產(chǎn)甲烷菌的活性和數(shù)量密切相關(guān)，還與污水組成成分、溫度相關(guān)。

表2 排水管道CH4排放經(jīng)驗(yàn)公式

注：CCH4：溶解性CH4濃度（kg/m3）；V：管道體積（m3）；A：管道生物膜表面積（m2）；HRT：水力停留時(shí)間（h）；T：溫度（℃）；rCH4：CH4產(chǎn)率［kg/（km·d）］；N：管網(wǎng)提升泵運(yùn)行次數(shù)，連續(xù)流系統(tǒng)中N=1；PT：泵送時(shí)間（min）；D：管段直徑（m）;Q：管段流量（m3/s）；S：管段坡度，（m/m）; X：微生物總量（kgVSS）；QCH4：甲烷產(chǎn)量［mg/（L·d）］；F：剪應(yīng)力(Pa)；YCH4/X：甲烷產(chǎn)率系數(shù)，（mg/kgVSS）；C/S：碳硫比；COD：管道COD濃度（mg/L）；m：重力流管道充滿(mǎn)度；n：排水管道內(nèi)徑；e：常數(shù)，2.718；a,b,c：待定系數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)單易行，但各公式都缺乏廣泛的實(shí)地驗(yàn)證，且受污水特性、氣候條件、管道運(yùn)行模式等因素的影響，公式的適用性具有區(qū)域的特異性。未來(lái)，應(yīng)嘗試擴(kuò)大各經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用范圍，結(jié)合實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)公式進(jìn)行改進(jìn)。

05 排水管道CH4排放控制策略

由于CH4的積存易引發(fā)爆炸等安全隱患，部分研究開(kāi)展了排水管道CH4排放控制研究，主要分為化學(xué)法和物理法，化學(xué)法指投加化學(xué)藥劑抑制MA活性，如鐵鹽、游離氨、NaOH、NO2-/NO3-等；物理法主要指物理沖刷、注氧通風(fēng)等。YAN等通過(guò)投加高鐵酸鹽（Fe(Ⅵ)）對(duì)MA進(jìn)行滅活，管道內(nèi)產(chǎn)CH4相關(guān)的功能基因mcrA表達(dá)下降86.6%；CAO等探究了不同F(xiàn)e3+投加策略對(duì)管道CH4控制效果，高劑量、低頻的Fe3+投加實(shí)現(xiàn)21%CH4控制率并協(xié)同管道H2S控制；ZUO等開(kāi)發(fā)了基于尿液游離氨管道CH4控制方法，顯著減少了管道生物膜內(nèi)Methanomethylovorans的相對(duì)豐度，CH4產(chǎn)量下降了80%；ZHAO等利用NaOH和NO2-聯(lián)合投加法，CH4產(chǎn)量減少了91.5%。REN等通過(guò)低剪切應(yīng)力（＜0.1 N/m2）的沖洗實(shí)現(xiàn)對(duì)表面沉積物的沖刷，減少了73%的CH4產(chǎn)生；GAO等開(kāi)發(fā)上游自然通風(fēng)法控制管道CH4產(chǎn)生，上游和下游管道CH4分別減少了42.3%和35.7%；GANIGU等直接注入O2抑制CH4的生成，CH4產(chǎn)率下降了70%。

已有研究均能實(shí)現(xiàn)一定的CH4控制，但可能存在成本高、不便于操作、影響排水管道工況和下游污水處理等問(wèn)題。同時(shí)，實(shí)施控制措施后，管道內(nèi)MA在一定時(shí)間內(nèi)重新定殖或恢復(fù)活性，需要優(yōu)化投藥或操作策略才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的CH4排放控制。目前，我國(guó)尚未實(shí)施排水管道CH4控制手段，亟需開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好、操作便捷的策略�；�于甲烷氧化菌的生物氧化法減排CH4已廣泛應(yīng)用于水稻田、煤礦場(chǎng)地、垃圾填埋場(chǎng)等場(chǎng)景，兼具經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。隨著對(duì)甲烷氧化菌研究的深入，CH4的生物氧化法有應(yīng)用于排水管道的潛力。

06 總結(jié)與展望

城市排水管道作為污水收集者、運(yùn)輸者，已作為城市的“血脈”滲入城市的各個(gè)角落，CH4是排水管道內(nèi)生化反應(yīng)的主要產(chǎn)物。據(jù)本文估算，全國(guó)排水管道CH4排放量已超過(guò)污水處理過(guò)程，成為城市碳排放的重要來(lái)源。

未來(lái)，仍需針對(duì)以下方面深入研究管道內(nèi)生物反應(yīng)的條件和機(jī)理，填補(bǔ)管道碳排放水平的數(shù)據(jù)空白，為城市水系統(tǒng)減排提效奠定良好的理論基礎(chǔ)：

（1）測(cè)算重力流管道內(nèi)氣相與液相之間CH4傳質(zhì)系數(shù)，并建立包含氣液傳遞的管道CH4計(jì)量模型以細(xì)致地量化管道CH4排放。

（2）建立不同排水體制、不同管道類(lèi)型、不同省市的管道GHGs排放清單和排放因子，探究排放差異的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

（3）開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的管道GHGs的調(diào)控手段，提高城市排水管網(wǎng)運(yùn)行和管理水平。

（4）在“雙碳”背景下，關(guān)注化糞池的設(shè)置與管理，思考城市污水集中與分散收集處理的關(guān)系，挖掘分散式集成、高效污水處理工藝的低碳運(yùn)行潛力。