甲烷減排在全球氣候變化應(yīng)對(duì)中的重要性不可忽視。繼美國(guó)和歐盟在2021年發(fā)起“全球甲烷承諾”后，我國(guó)也在2023年發(fā)布了《甲烷排放控制行動(dòng)方案》，提出加強(qiáng)甲烷排放監(jiān)測(cè)、核算、報(bào)告和核查等措施。污水管網(wǎng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，通常處于厭氧環(huán)境，容易生成甲烷，然而，現(xiàn)有研究多集中在污水處理廠的甲烷排放，而對(duì)污水管網(wǎng)中甲烷的產(chǎn)生機(jī)制和排放量的研究仍較為薄弱。鑒于我國(guó)污水管網(wǎng)存在雨污錯(cuò)接、河水倒灌等復(fù)雜情況，研究我國(guó)典型城市污水管網(wǎng)中的甲烷排放，識(shí)別影響因素并估算排放量，對(duì)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)甲烷排放控制政策的落實(shí)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

本研究選取了我國(guó)典型的南方城市K市ZP段和北方城市B市LD段的分流制污水管網(wǎng)作為研究對(duì)象（圖1）。K市和B市的污水管網(wǎng)具有明顯的地域差異，K市的污水管網(wǎng)外來(lái)水較多，COD濃度較低，而B(niǎo)市則較少外來(lái)水，COD濃度較高，水流狀態(tài)也存在差異。采樣工作遵循《城鎮(zhèn)排水設(shè)施氣體的檢測(cè)方法》（CJ/T 307-2009），并結(jié)合國(guó)外研究方法，對(duì)污水管網(wǎng)中的氣態(tài)甲烷和溶解態(tài)甲烷進(jìn)行了采樣。

在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，本研究通過(guò)質(zhì)量平衡方法來(lái)計(jì)算研究管段內(nèi)的產(chǎn)甲烷量（圖2）。其中溶解態(tài)甲烷流入和流出研究管段的量來(lái)自實(shí)際取樣檢測(cè)，使用每小時(shí)的溶解態(tài)甲烷濃度和流量的乘積計(jì)算得到。此外，使用每小時(shí)的氣態(tài)甲烷濃度與管道內(nèi)空氣流速以及頂空面積的乘積作為流入或流出研究管段的氣態(tài)甲烷量，空氣流速使用EPA開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式得到。氣態(tài)甲烷流出到環(huán)境中的量則根據(jù)研究管段內(nèi)的液位變化來(lái)計(jì)算，當(dāng)污水液位升高時(shí)，則認(rèn)為研究管段內(nèi)空氣向環(huán)境大氣中排放。

圖1 監(jiān)測(cè)管段的衛(wèi)星圖

圖2 質(zhì)量平衡研究方法

K市ZP管段的沿程溶解態(tài)甲烷和氣態(tài)甲烷濃度在工作日和周末的24小時(shí)變化如圖3所示。該管段的溶解態(tài)甲烷濃度平均為9.54 mg/L，氣態(tài)甲烷濃度平均為1077 ppm。圖3顯示，工作日的溶解態(tài)甲烷和氣態(tài)甲烷濃度均顯著高于周末。通過(guò)t檢驗(yàn)和Mann-Whitney檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ZP管段中的溶解態(tài)甲烷濃度呈現(xiàn)出沿程上升的趨勢(shì)，在統(tǒng)計(jì)意義上顯著（p值小于0.01），從起點(diǎn)到終點(diǎn)，溶解態(tài)甲烷濃度平均上升了19%。

本研究探討了影響污水管道中甲烷生成的主要因素，包括水溫、pH值、DO、有機(jī)物（COD、sCOD和C/S）、水力條件（A/V和HRT）以及流速等。使用斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)分析了各因素與溶解態(tài)甲烷濃度的相關(guān)性，結(jié)果表明DO、COD和C/S與溶解態(tài)甲烷濃度呈現(xiàn)出最強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，且統(tǒng)計(jì)顯著（p < 0.05）。相對(duì)而言，sCOD、流速及A/V × HRT和pH值的相關(guān)性較弱，但同樣具有統(tǒng)計(jì)顯著性（p < 0.05）。

圖3 ZP污水管段沿程溶解態(tài)甲烷和氣態(tài)甲烷濃度24 h分布

在B市LD管段的溶解態(tài)甲烷濃度監(jiān)測(cè)中（圖4），平均值為0.86 mg/L，這一數(shù)值顯著低于K市的9.54 mg/L。溶解態(tài)甲烷的濃度呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的趨勢(shì)，工作日和周末的濃度波動(dòng)較小。具體來(lái)說(shuō)，工作日的濃度范圍為0.70-1.10 mg/L，周末的濃度則稍微減少，范圍為0.65-1.00 mg/L。與K市相比，B市的管道中溶解態(tài)甲烷的濃度變化幅度較小，這可能與B市污水管道的管理模式、污水處理水平以及地理位置等因素相關(guān)。

與K市相比，B市的氣態(tài)甲烷濃度變化反映了一個(gè)不同的生成和傳輸機(jī)制。B市污水管道中的氣態(tài)甲烷濃度更受氣液傳質(zhì)過(guò)程的影響，而不僅僅是甲烷的生成。由于B市可能存在較大的氣液界面，氣態(tài)甲烷的濃度在監(jiān)測(cè)期間波動(dòng)較為劇烈，特別是在氣溫和水流條件變化較大的時(shí)段。B市LD管段的甲烷濃度沿程變化與K市有所不同。溶解態(tài)甲烷的沿程變化趨勢(shì)不明顯，濃度在管道的不同位置變化不大。本研究對(duì)B市甲烷濃度的影響因素進(jìn)行了斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)分析。DO、COD和C/S與溶解態(tài)甲烷濃度均呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（p < 0.05）。

圖4 LD沿程溶解態(tài)甲烷和氣態(tài)甲烷濃度24 h分布

如圖5所示，K市和B市的污水管甲烷濃度在全球范圍的研究中表現(xiàn)出一定的差異。K市的平均溶解態(tài)甲烷濃度為9.54 mg/L，明顯高于B市的0.86 mg/L。這一差異主要源于兩地污水管道的運(yùn)行條件，尤其是水位和流速的差異。K市的高水位厭氧環(huán)境提供了更適宜甲烷生成的條件，因此甲烷生成量更高。此外，K市的溶解態(tài)甲烷濃度與泰國(guó)的研究結(jié)果接近，可能是因?yàn)樘﹪?guó)的氣溫普遍較高（約30°C），促進(jìn)了甲烷生成微生物的活動(dòng)和甲烷的產(chǎn)生。而B(niǎo)市的甲烷濃度則接近澳大利亞在重力流污水管中的研究結(jié)果，這可能與B市管道的類型和污水流量特點(diǎn)相似有關(guān)。

K市的氣態(tài)甲烷濃度（1077 ppm）略低于B市（2076 ppm）。這一差異可能與兩地的水流速度和氣液傳質(zhì)過(guò)程密切相關(guān)。B市的污水管道流速更快，水力擾動(dòng)效應(yīng)更強(qiáng)，導(dǎo)致甲烷更容易轉(zhuǎn)化為氣態(tài)并逸散到空氣中。而K市的氣態(tài)甲烷濃度較低，可能與其水位較高、氣液傳質(zhì)較差有關(guān)，水流速度較慢，導(dǎo)致甲烷積聚在管道中，難以逸散到空氣中。此外，K市和B市的氣態(tài)甲烷濃度均低于國(guó)外大多數(shù)國(guó)家的監(jiān)測(cè)水平。這表明，中國(guó)的重力流污水管道系統(tǒng)普遍存在較差的密封性，導(dǎo)致甲烷容易逸散到空氣中，降低了氣態(tài)甲烷的濃度。

圖9 各國(guó)污水管道甲烷濃度對(duì)比

通過(guò)結(jié)合研究管段的流量數(shù)據(jù)和甲烷濃度數(shù)據(jù)，可以估算出K市ZP污水管和B市LD污水管的甲烷排放因子。K市污水管工作日的甲烷產(chǎn)量為3.09 kg/d，B市污水管工作日的甲烷產(chǎn)量為2.16 kg/d。通過(guò)每米管道的甲烷產(chǎn)量除以該管道的長(zhǎng)度，可以得到每米污水管的甲烷排放因子，其中K市的甲烷排放因子為5.19 g/（m·d），B市的甲烷排放因子為4.08 g/（m·d）。

本研究得到的排放因子與國(guó)外已有研究進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。美國(guó)和澳大利亞的研究主要基于有壓流污水管道，顯示的甲烷排放因子較高。而國(guó)內(nèi)和韓國(guó)的研究結(jié)果則較低。本研究中，K市和B市的排放因子相較于國(guó)內(nèi)其他研究和韓國(guó)的研究較高，接近澳大利亞的結(jié)果。這表明，污水管道的運(yùn)行條件對(duì)甲烷排放因子的影響至關(guān)重要，特別是管道的水流類型、密封性等因素。

根據(jù)2020年中國(guó)城市污水年排放量數(shù)據(jù)（約5.71×1010 m³），結(jié)合污水管的總長(zhǎng)度（80.30萬(wàn)km），可以估算出2020年全國(guó)污水管網(wǎng)的甲烷排放量。根據(jù)本研究的甲烷排放因子，計(jì)算得到全國(guó)污水管網(wǎng)甲烷產(chǎn)量為（19.51 ~ 24.80）× 106 t CO2當(dāng)量。

圖10 各國(guó)污水管甲烷排放因子對(duì)比

本研究對(duì)我國(guó)南北方兩城市的重力流污水管道甲烷排放過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了甲烷濃度與各水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系，比較了我國(guó)與其他國(guó)家的甲烷濃度和排放因子，估算了我國(guó)污水管道產(chǎn)甲烷量。未來(lái)仍需針對(duì)以下方面對(duì)污水管產(chǎn)甲烷能力進(jìn)行深入研究：

（1）對(duì)不同城市，不同管道類型，不同水力模式（如工作日和周末）以及不同季節(jié)的污水管進(jìn)行更多的監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步探究排放差異的關(guān)鍵影響因素。

（3）探究氣液傳質(zhì)以及污水管內(nèi)通風(fēng)、跌水等對(duì)甲烷產(chǎn)排的影響，并區(qū)分沉積物和生物膜對(duì)污水管產(chǎn)甲烷能力的貢獻(xiàn)。

（4）開(kāi)發(fā)構(gòu)建污水管綜合模型，精細(xì)量化污水管甲烷產(chǎn)量，并實(shí)現(xiàn)對(duì)污水管產(chǎn)甲烷的調(diào)控。

微信對(duì)原文有修改。原文標(biāo)題：我國(guó)南北兩城市重力流污水管道甲烷排放過(guò)程研究；作者：劉武雙、高菁陽(yáng)、朱春偉、鐘麗錦、周莉芬、董欣；作者單位：清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院、北京環(huán)丁環(huán)保大數(shù)據(jù)研究院、北京大學(xué)工學(xué)院、清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院、昆山市水務(wù)局、環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室�？�登在《給水排水》2024年第10期。