隱形的地下碳源：城市排水管道CH4排放
來源：給水排水作者：苑心等
城市排水管道內存在復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污水管道內的水力條件和污水特性；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，并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，污水處理量不斷上升，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%，污水處理量增長約100%。污水及固廢處理過程會產生大量溫室氣體（Greenhouse gases, GHGs），此部分GHGs排放總量約占社會經濟活動排放總量的2.0~3.0%。相比大量的污水處理廠GHGs排放研究，鮮有報道排水管道GHGs排放水平。然而，排水管道中有機物豐富、系統封閉性強，污水停留時間長，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，可能與污水處理廠GHGs排放相當，可能占管道全生命周期碳排放的60%以上。IPCC對于排水管道是否為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
排水管道污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，普遍存在于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，溶解于污水中的CH4隨污水進入污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
作為初級污水處理設施，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%。不同于發達國家，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，但由于其基本處于厭氧條件，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排放與我國污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。由于重力管道存在固、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、豐度處于非穩態，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，由于我國排水系統壓力管道占比較小，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隨污水的流動進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CH4釋放到大氣的重要場所。大量研究出于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等采用穩定同位素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。現有研究對于城市的CH4排放僅關注了污水處理廠、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，有助于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
由于排水管道系統的復雜性，難以獲得可靠的CH4監測數據，現有文獻大多基于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年城鎮排水統計年鑒》計算我國2016年我國污水處理廠直接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排放已超過污水處理廠排放量，約為后者的2.42倍，占全國污水處理廠直接GHGs排放總量的30%。但我國不同城市排水體制、排水管網密度、污廢水性質、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排放總量與排放特征仍不明確。
與我國不同行業部門GHGs或CH4排放情況進行對比可知（見圖2），城鎮排水管道系統產生的GHGs與污水處理廠類似，排放量相對較小，但相比于污水處理過程，排水管網GHGs排放不容忽視。隨著城市化進程的加快，排水管道碳排放也將隨著排水管道的建設規模不斷增加，應該成為未來城市水系統排查碳排放、碳減排的重點。
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徑、管材、坡度、流速等綜合決定，水力條件是影響管道內生物膜和沉積物的生成和特性的關鍵因素，對于調控微生物的代謝活動有著重要作用，因而顯著影響CH4的產生。水力停留時間（Hydraulic retention time, HRT）越長，管道內的氧氣逐漸減少，MA的活性越高，管道產CH4能力越強，可見，排水系統規模越大、HRT越長時，CH4排放量越高。污水流速對管道內氣液交換、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，當流速小于0.6 m/s時，隨著流速的增加，CH4排放隨氣液交換的促進而增加，當流速大于0.6 m/s時，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的產生，但CH4的產排量仍大于0.2 m/s時CH4的產量，但總體來說，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，管道內生物膜可覆蓋的面積更多，提高了MA的生物量，促進管道內CH4的生成。
以上研究多以污水連續流為前提，但排水管道內存在污水的斷流或湍流等復雜多變的水文條件。因此，探究不同水文狀態下的管道CH4釋放情況有助于進一步了解管道真實的CH4的排放潛力。CHEN等分別探究了連續流、斷流、湍流下管道CH4的產排特征，連續流下，污水有機物供應充足，管道產CH4能力最強；斷流時，有機物供應不足，乙酸產CH4途徑被抑制。研究還發現，與硫和氮代謝相關酶和微生物的富集程度增加，相關的功能微生物如反硝化細菌、硫酸鹽還原菌（Sulfatereducing bacteria, SRB）等與MA發生競爭，進一步抑制產CH4。當管道內處于湍流時，雖然溶解性CH4迅速釋放，但此時由于管道內沉積物處于懸浮狀態，難以形成穩定的微生物膜層，使微生物活性大大降低，同時，湍流還導致了污水復氧，進一步抑制MA的活性。
3.2 污水特性
污水的有機物種類和含量會顯著影響管道內微生物過程。SUDARJANTO和ZAN分別研究了啤酒廢水和食品廢物排入管道后對其產CH4的影響，由于二者均含大量可降解有機物，CH4產量分別提升了30%和60%。CHEN等研究發現生活污水、雨水徑流、雨污混合廢水在管道中產的CH4能力依次降低，其中雨水徑流中含有石油類衍生物，其生物降解性較低，而雨污混合廢水的生物降解性居中。溫度對管道內CH4的產生具有重要影響，實地監測證實氣溫較高時，管道內CH4濃度相應較高。溫度的提高不僅有利于增強MA的活性，還促進了CH4的氣液交換，促進CH4的排出。可見，污水性質與環境因素的綜合作用增加了管道內微生物過程的復雜性。
04 排水管道CH4排放計量模型
目前，城市排水管道系統CH4排放尚未形成公認的排放計量模型，但已有部分研究結合影響管道CH4排放的主要因素和生物化學反應過程建立動力學模型或經驗公式，為計量排水管道CH4排放提供初步工具。
4.1 動力學模型
動力學模型能描述管道內主要生化過程并通過實測動力學參數對管道水質變化進行預測。GUSISAOLA等建立管道污水水質預測模型SeweX，涉及FB、SRB及MA三大類微生物活動，包括發酵產酸、產乙酸過程、乙酸型產甲烷過程、氫型產甲烷過程、氫型硫酸鹽還原過程、乙酸型硫酸鹽還原過程和丙酸型硫酸鹽還原過程7個過程。SUN等在SeweX基礎上，增加了微生物的生長和衰減過程。趙楠構建了排水管道匯流水質生物轉化模型，能分析CH4在管網中的分布規律。
動力學模型描述了管道內CH4產生過程，但多數模型未考慮CH4的氣液傳質過程；同時已經證明CH4的微生物氧化廣泛存在，但已有模型均未包括這一過程。
4.2 經驗公式
管道水質變化經驗公式一般基于大量數據歸納而得，一般為動力學模型的簡易表達。FOLEY等、CHAOSAKUL等及WILLIS等分別根據SeweX模型，提出了簡易的經驗公式。此外，XU等通過研究排水管道壁剪應力與微生物量之間的關系，構建了與剪應力相關的重力管道CH4排放經驗公式。有研究將污水碳硫比納入公式中，表示了SRB與MA碳源競爭對管道產CH4的影響。各公式表達式如表2所示，根據公式可知，CH4的產量與產甲烷菌的活性和數量密切相關，還與污水組成成分、溫度相關。
表2 排水管道CH4排放經驗公式
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：水力停留時間（h）；T：溫度（℃）；rCH4：CH4產率［kg/（km·d）］；N：管網提升泵運行次數，連續流系統中N=1；PT：泵送時間（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：甲烷產量［mg/（L·d）］；F：剪應力(Pa)；YCH4/X：甲烷產率系數，（mg/kgVSS）；C/S：碳硫比；COD：管道COD濃度（mg/L）；m：重力流管道充滿度；n：排水管道內徑；e：常數，2.718；a,b,c：待定系數。
經驗公式簡單易行，但各公式都缺乏廣泛的實地驗證，且受污水特性、氣候條件、管道運行模式等因素的影響，公式的適用性具有區域的特異性。未來，應嘗試擴大各經驗公式應用范圍，結合實時在線監測技術，對公式進行改進。
05 排水管道CH4排放控制策略
由于CH4的積存易引發爆炸等安全隱患，部分研究開展了排水管道CH4排放控制研究，主要分為化學法和物理法，化學法指投加化學藥劑抑制MA活性，如鐵鹽、游離氨、NaOH、NO2-/NO3-等；物理法主要指物理沖刷、注氧通風等。YAN等通過投加高鐵酸鹽（Fe(Ⅵ)）對MA進行滅活，管道內產CH4相關的功能基因mcrA表達下降86.6%；CAO等探究了不同Fe3+投加策略對管道CH4控制效果，高劑量、低頻的Fe3+投加實現21%CH4控制率并協同管道H2S控制；ZUO等開發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Methanomethylovorans的相對豐度，CH4產量下降了80%；ZHAO等利用NaOH和NO2-聯合投加法，CH4產量減少了91.5%。REN等通過低剪切應力（＜0.1 N/m2）的沖洗實現對表面沉積物的沖刷，減少了73%的CH4產生；GAO等開發上游自然通風法控制管道CH4產生，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產率下降了70%。
已有研究均能實現一定的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題。同時，實施控制措施后，管道內MA在一定時間內重新定殖或恢復活性，需要優化投藥或操作策略才能實現長期的CH4排放控制。目前，我國尚未實施排水管道CH4控制手段，亟需開發經濟有效、環境友好、操作便捷的策略。基于甲烷氧化菌的生物氧化法減排CH4已廣泛應用于水稻田、煤礦場地、垃圾填埋場等場景，兼具經濟和環境優勢。隨著對甲烷氧化菌研究的深入，CH4的生物氧化法有應用于排水管道的潛力。
06 總結與展望
城市排水管道作為污水收集者、運輸者，已作為城市的“血脈”滲入城市的各個角落，CH4是排水管道內生化反應的主要產物。據本文估算，全國排水管道CH4排放量已超過污水處理過程，成為城市碳排放的重要來源。
未來，仍需針對以下方面深入研究管道內生物反應的條件和機理，填補管道碳排放水平的數據空白，為城市水系統減排提效奠定良好的理論基礎：
（1）測算重力流管道內氣相與液相之間CH4傳質系數，并建立包含氣液傳遞的管道CH4計量模型以細致地量化管道CH4排放。
（2）建立不同排水體制、不同管道類型、不同省市的管道GHGs排放清單和排放因子，探究排放差異的關鍵驅動因素。
（3）開發經濟、高效的管道GHGs的調控手段，提高城市排水管網運行和管理水平。
（4）在“雙碳”背景下，關注化糞池的設置與管理，思考城市污水集中與分散收集處理的關系，挖掘分散式集成、高效污水處理工藝的低碳運行潛力。
