隱形的地下碳源：城市排水管道CH4排放
城市排水管道內(nèi)存在復(fù)雜的微生物活動和物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了不容忽視的CH4無組織排放。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排放的重要來源；總結(jié)了管道內(nèi)CH4排放的主要驅(qū)動因素是污水管道內(nèi)的水力條件和污水特性；比較了已有排水管道CH4排放計量模型；綜述了排水管網(wǎng)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(jìn)行了展望。
01 研究背景
隨著我國城市化進(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(chǎn)生大量溫室氣體（Greenhouse gases, GHGs），此部分GHGs排放總量約占社會經(jīng)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(tǒng)封閉性強，污水停留時間長，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，CH4還是常見的GHGs，對全球溫升貢獻(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(dāng)，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(jīng)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(jiān)測難度大。同時，管道建設(shè)年限長且缺乏維護管理，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)測手段、足夠數(shù)據(jù)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(tǒng)內(nèi)全面碳排放計量帶來了挑戰(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(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(tǒng)低碳運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)國家，化糞池在發(fā)展中國家有著廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，我國城市化糞池數(shù)量超過200萬個，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等對越南河內(nèi)10個化糞池進(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(jù)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(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，兩者均含大量有機質(zhì)、無機鹽和水，是管道內(nèi)微生物生長賦存的主要部位，其中的微生物活動主導(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，SUN等發(fā)現(xiàn)生物膜內(nèi)部700 μm處，MA相對豐度達(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80 km的重力排水管道CH4排放進(jìn)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(nèi)環(huán)境隨水流狀態(tài)時刻變化，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)排的動力學(xué)參數(shù)帶來挑戰(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(guān)注檢查井對城市大氣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)，美國辛辛那提市中街道CH4濃度較高的監(jiān)測點中有72%的位點的CH4的主要排放源為排水系統(tǒng)。現(xiàn)有研究對于城市的CH4排放僅關(guān)注了污水處理廠、垃圾填埋場、發(fā)電廠、城市交通等“顯性”CH4排放，忽視了城市排水管道。因此對城市排水管道CH4排放情況進(jìn)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(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)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多基于特定的計算模型或管道內(nèi)有機物降解情況進(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(dāng)量計，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年我國城市排水管網(wǎng)CH4排放量為6.32 MteCO2/年?？梢?，我國排水管網(wǎng)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(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，我國及我國不同省市排水管網(wǎng)CH4排放總量與排放特征仍不明確。
與我國不同行業(yè)部門GHGs或CH4排放情況進(jìn)行對比可知（見圖2），城鎮(zhèn)排水管道系統(tǒng)產(chǎn)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(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)該成為未來城市水系統(tǒng)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(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，對于調(diào)控微生物的代謝活動有著重要作用，因而顯著影響CH4的產(chǎn)生。水力停留時間（Hydraulic retention time, HRT）越長，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，可見，排水系統(tǒng)規(guī)模越大、HRT越長時，CH4排放量越高。污水流速對管道內(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，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，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CH4的產(chǎn)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(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，污水有機物供應(yīng)充足，管道產(chǎn)CH4能力最強；斷流時，有機物供應(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（Sulfatereducing bacteria, SRB）等與MA發(fā)生競爭，進(jìn)一步抑制產(chǎn)CH4。當(dāng)管道內(nèi)處于湍流時，雖然溶解性CH4迅速釋放，但此時由于管道內(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，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
污水的有機物種類和含量會顯著影響管道內(nèi)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(chǎn)CH4的影響，由于二者均含大量可降解有機物，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(nèi)CH4的產(chǎn)生具有重要影響，實地監(jiān)測證實氣溫較高時，管道內(nèi)CH4濃度相應(yīng)較高。溫度的提高不僅有利于增強MA的活性，還促進(jìn)了CH4的氣液交換，促進(jìn)CH4的排出?？梢?，污水性質(zhì)與環(huán)境因素的綜合作用增加了管道內(nèi)微生物過程的復(fù)雜性。
04 排水管道CH4排放計量模型
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)過程建立動力學(xué)模型或經(jīng)驗公式，為計量排水管道CH4排放提供初步工具。
4.1 動力學(xué)模型
動力學(xué)模型能描述管道內(nèi)主要生化過程并通過實測動力學(xué)參數(shù)對管道水質(zhì)變化進(jìn)行預(yù)測。GUSISAOLA等建立管道污水水質(zhì)預(yù)測模型SeweX，涉及FB、SRB及MA三大類微生物活動，包括發(fā)酵產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸過程、乙酸型產(chǎn)甲烷過程、氫型產(chǎn)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(chǔ)上，增加了微生物的生長和衰減過程。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。
動力學(xué)模型描述了管道內(nèi)CH4產(chǎn)生過程，但多數(shù)模型未考慮CH4的氣液傳質(zhì)過程；同時已經(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程。
4.2 經(jīng)驗公式
管道水質(zhì)變化經(jīng)驗公式一般基于大量數(shù)據(jù)歸納而得，一般為動力學(xué)模型的簡易表達(dá)。FOLEY等、CHAOSAKUL等及WILLIS等分別根據(jù)SeweX模型，提出了簡易的經(jīng)驗公式。此外，XU等通過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(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(chǎn)率［kg/（km·d）］；N：管網(wǎng)提升泵運行次數(shù)，連續(xù)流系統(tǒng)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(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(qū)域的特異性。未來，應(yīng)嘗試擴大各經(jīng)驗公式應(yīng)用范圍，結(jié)合實時在線監(jiān)測技術(shù)，對公式進(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等通過投加高鐵酸鹽（Fe(Ⅵ)）對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+投加策略對管道CH4控制效果，高劑量、低頻的Fe3+投加實現(xiàn)21%CH4控制率并協(xié)同管道H2S控制；ZUO等開發(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等通過低剪切應(yīng)力（＜0.1 N/m2）的沖洗實現(xiàn)對表面沉積物的沖刷，減少了73%的CH4產(chǎn)生；GAO等開發(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題。同時，實施控制措施后，管道內(nèi)MA在一定時間內(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現(xiàn)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(fā)經(jīng)濟有效、環(huán)境友好、操作便捷的策略?；诩淄檠趸纳镅趸p排CH4已廣泛應(yīng)用于水稻田、煤礦場地、垃圾填埋場等場景，兼具經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢。隨著對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(nèi)生化反應(yīng)的主要產(chǎn)物。據(jù)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(nèi)生物反應(yīng)的條件和機理，填補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)動因素。
（3）開發(fā)經(jīng)濟、高效的管道GHGs的調(diào)控手段，提高城市排水管網(wǎng)運行和管理水平。
（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行潛力。