氣體管道與雨汙水之間距離要求（城市排水管道CH4產生的影響）
2023-07-05 13:14:15
城市排水管道內存在複雜的微生物活動和物理、化學反應，產生了不容忽視的CH4無組織排放。綜述了城市排水管道系統不同部位的CH4排放研究現狀，估算了2016年我國城市排水管網CH4排放量為6.32 MteCO2，為城市「隱形」CH4排放的重要來源；總結了管道內CH4排放的主要驅動因素是汙水管道內的水力條件和汙水特性；比較了已有排水管道CH4排放計量模型；綜述了排水管網CH4排放控制策略，並對未來排水管道無組織CH4排放的研究和減排措施進行了展望。
01 研究背景
隨著我國城市化進程加快，汙水處理量不斷上升，城市排水系統規模不斷擴大。自2008年到2020年，我國城市排水管道長度增長200%，汙水處理量增長約100%。汙水及固廢處理過程會產生大量溫室氣體（Greenhouse gases, GHGs），此部分GHGs排放總量約佔社會經濟活動排放總量的2.0~3.0%。相比大量的汙水處理廠GHGs排放研究，鮮有報導排水管道GHGs排放水平。然而，排水管道中有機物豐富、系統封閉性強，汙水停留時間長，同樣產生了大量CO2、H2S、CH4、N2O等氣體，導致了惡臭、腐蝕等危害和爆炸風險，CH4還是常見的GHGs，對全球溫升貢獻約為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，形成無組織排放。由此，封閉的排水管道極有可能是CH4的重要來源，可能與汙水處理廠GHGs排放相當，可能佔管道全生命周期碳排放的60%以上。IPCC對於排水管道是否為GHGs排放源的描述經歷了「不是」到「極有可能」的變化（見表1）。然而，地下排水管道工況變化頻繁，氣體排放監測難度大。同時，管道建設年限長且缺乏維護管理，多數存在結構性、功能性缺陷，水、氣漏損嚴重。因此，目前缺乏可靠的監測手段、足夠數據和確定的排放因子定量計算排水管道GHGs排放水平，給排水系統內全面碳排放計量帶來了挑戰。
本文梳理了城市排水管道系統不同部位CH4排放的研究，對比計算了我國城市汙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碳排放核算不可忽視的部分；進一步綜述了排水管道CH4產生的影響因素、計量模型及控制手段，對管道GHGs排放研究提出展望，為我國城市排水系統低碳運行提供新思路和方向。
02 排水管道系統CH4排放研究現狀
2.1 CH4的生成及排放
排水管道汙水中存在大量有機物，大分子物質被發酵細菌（Fermentative bacteria, FB）水解為單糖等小分子物質，產氫產乙酸菌進一步將小分子物質轉化成乙酸、H2和CO2，普遍存在於排水管道系統各部位的產甲烷菌（Methanogenic archaea, MA）分別通過乙酸脫羧產CH4和H2還原CO2產CH4。CH4在水中的溶解度極小，產生的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，溶解於汙水中的CH4隨汙水進入汙水處理廠或直接排放進入受納水體而釋放，如圖1所示。
2.1.1 化糞池CH4排放
作為初級汙水處理設施，化糞池布置在排水管道系統始端，能沉降去除部分懸浮物，SS和BOD5去除率均達20%~70%。不同於發達國家，化糞池在發展中國家有著廣泛的應用，據統計，我國城市化糞池數量超過200萬個，在保持城市衛生方面發揮重要作用，但由於其基本處於厭氧條件，會產生大量溫室氣體CH4，在碳排放方面已經受到人們的關注。HUYNH等對越南河內10個化糞池進行調查，發現其CH4排放量達11.92 g/(人·d)，且糞便儲存期越長，單位時間排放量越大。黃建洪研究計算出昆明市、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。根據郝曉地等對我國化糞池CH4排放量的估算，其CH4排放與我國汙水處理廠直接碳排放相當，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，內部常存在沉積物和生物膜，兩者均含大量有機質、無機鹽和水，是管道內微生物生長賦存的主要部位，其中的微生物活動主導了管道內CH4的產生。受管道內氧氣分布的影響，沉積物和生物膜的深層部位是產CH4的關鍵位點，SUN等發現生物膜內部700 μm處，MA相對豐度達到75%。有研究顯示，沉積物與生物膜產甲烷速率相當，分別為2.68~15.01 gCOD/(m2·d)和(13.00±2.50) gCOD/(m2·d)。有研究針對80 km的重力排水管道CH4排放進行測算，夏季、冬季分別排放135、78 kgCH4/d，年平均排放量為38.8 tCH4/年。由於重力管道存在固、液、氣三相，管道內環境隨水流狀態時刻變化，微生物群落結構、豐度處於非穩態，為確定重力排水管道氣體產排的動力學參數帶來挑戰。
在排水管道系統中除重力管道外，還存在壓力管道，由於我國排水系統壓力管道佔比較小，且已有文獻綜述了此部分CH4排放，本文不再贅述。
2.1.3 檢查井CH4排放
排水管道產生的CH4隨汙水的流動進入排水檢查井並積聚於此。排水檢查井遍布城市，是城市排水系統CH4釋放到大氣的重要場所。大量研究出於安全考慮檢測了檢查井中CH4濃度，少有研究關注檢查井對城市大氣CH4含量上升的貢獻。FRIES等採用穩定同位素δ13C和δ2H追蹤發現，美國辛辛那提市中街道CH4濃度較高的監測點中有72%的位點的CH4的主要排放源為排水系統。現有研究對於城市的CH4排放僅關注了汙水處理廠、垃圾填埋場、發電廠、城市交通等「顯性」CH4排放，忽視了城市排水管道。因此對城市排水管道CH4排放情況進行排查，有助於補充城市溫室氣體排放清單。
2.2 我國排水管道CH4排放現狀
由於排水管道系統的複雜性，難以獲得可靠的CH4監測數據，現有文獻大多基於特定的計算模型或管道內有機物降解情況進行換算。本文根據IPCC指南及《2017年城鎮排水統計年鑑》計算我國2016年我國汙水處理廠直接CH4和N2O排放量，分別為2.61和19. 3 MteCO2（各GHGs以CO2當量計，CH4為25倍，N2O為298倍），CH4排放因子參考蔡博峰等研究結果；以JIN等對西安市排水管網CH4排放研究為基礎，以人口當量推算，2016年我國城市排水管網CH4排放量為6.32 MteCO2/年。可見，我國排水管網CH4排放已超過汙水處理廠排放量，約為後者的2.42倍，佔全國汙水處理廠直接GHGs排放總量的30%。但我國不同城市排水體制、排水管網密度、汙廢水性質、氣候條件等存在明顯差異，將顯著影響排水管道CH4核算的準確性和可靠性，我國及我國不同省市排水管網CH4排放總量與排放特徵仍不明確。
,
