第38卷第20期 中国给水排水 2022年10月 Vol.38No.20 CHINAWATER&WASTEWATER 0ct.2022 D01: 10.19853/j. zgjsps. 1000-4602. 2022.20. 001 述评与讨论 排水管道甲烷产生影响因素及其估算方法 郝晓地，孙群，李季，袁土贵 （北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室，中-荷未来污水处 理技术研发中心，北京100044) 摘要：排水管道甲烷（CH）释放属于“自然"现象，是一种容易被忽视的隐形碳排源。污水 中的有机物（COD）、排水管道的厌氧环境为产甲烷细菌（MA）的滋生创造了必要条件，导致非控条 件下排水管道中会不可避免地产生CH4。定量估算排水管道CH生成量既有简单系数估算法，也有 模型预测方式，无论哪种估算方法，我国排水管道CH,年排放量都在2000×104tCO,-eq/a左右，其值 已经接近我国污水处理厂碳排总量（3985×104tCO,-eq/a)的1/2。因此，排水管道CH排放量不可小 靓。从技术角度，可通过人工干预方式对CH的生成与释放进行控制，如源头抑制（投加高铁酸盐、 游离氨、亚硝酸，调节pH）、过程控制（管道设计和运营管理）末端处理（尾气处理）等方式。 关键词：排水管道； 甲烷；有机物；厌氧环境；模型预测；源头控制 中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1000-4602(2022)20-0001-07 AffectingFactors and Estimating Methods of MethaneProduced in Sewers HAO Xiao-di,SUN Qun,LI Ji， YUANTu-gui (Sino-Dutch R & D Centre for Future Wastewater Treatment Technologies, Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment<Ministry of Education>, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China) Abstract:Methane (CH.) released from sewers is a natural phenomenon, which is an invisible carbon emission source that is easily neglected. Chemical oxygen demand (COD) in wastewater and the anaerobic environment in sewers favor the growth of methanogenic archaea (MA) , and will lead to the inevitable CH4 production.Simple coefficient estimation and model prediction are methods for quantitative estimation of CH4 production in sewers. The CH, emission from sewers in China is around 20 million tCO,-eq/a taking these estimation methods, which is nearly half of the total carbon emissions from wastewater treatment plants (39.85 million tCO,-eq/a) in China. Under the circumstance, CH4 released from sewers should not be underestimated and neglected.The technical measures for controlling CH4 generation and release in sewers include source control (adding ferrate, free ammonia and nitrous as well as controlling pH), process management (pipeline design and operation), end-of-pipe treatment (off-gas treatment),etc. Keywords: sewers; methane (CH4); organics; anaerobic environment;; model prediction; source control 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51878022）；北京“未来城市设计高精尖中心"项目（2021） 第38卷第20期 中国给水排水 www.cnww1985.com 随着社会进步和经济发展，城市化进程不断加 转输初期溶解氧（DO）迅速被好氧微生物大量消耗， 快，城市排水系统规模也迅速扩大。根据《2019年 以至于形成后期较为严格的厌氧环境，这便造就了 较佳的CH生成“温床”。污/废水持续向排水管道 城市建设统计年鉴》统计，2019年我国污水排放与 转输量高达554.6x10°m/a。城市排水系统作为生 活污水和工业废水的转输系统，在厌氧环境下会导 致甲烷（CH）产生。这是因为污水中存在大量有机 物（COD），一旦在转输过程中长时间遭遇厌氧环境， 极易发生有机物厌氧转化，其最终产物就是CH4。 众所周知，CH.是一种强温室气体，其全球变暖潜能 值（GWP）是二氧化碳（CO,）的25倍，它的气候变化 增温潜势不可小靓。 污水管网系统产CH现象一方面会导致温室气 体增加，另一方面CH产生势必导致原污水中碳源 （尤其是易生物降解挥发性碳源）减少，让本就缺乏 碳源的污水进污水处理厂后难以完成生物脱氮 除磷目的。极端情况下，排水管道CH浓度达到5% 时遇明火会发生爆炸，具有极大的安全隐患。 为此，应对排水管道产CH问题给予足够的重 视。基于此，首先总结了国内外有关排水管道CH4 生成的环境因素。其次，对CH生成量估算方法分 别进行了介绍。最后，归纳了排水管道控制CH释 放的手段与方法。 1甲烷生成及影响因素 1.1温度和H 温度是排水管道CH.生成的决定性因素，不同 温度环境下产甲烷菌（MA）的种类与丰度不同。MA 输送足够的可生物降解的有机基质，使之在后期厌 氧运输过程中发生厌氧发酵，从而增强了管道内 MA活性。当然，排水管道中还存在其他厌氧微生 物与MA竞争COD的情况。例如，硫酸盐还原菌 (SRB）等对有机碳源的消耗会抑制CH,生成，其结 果还会产生剧毒物质硫化氢（H,S)及其他物质[4) 但亦有研究表明，一旦有机物浓度超过一定限值(C/S> 6.7），SRB对碳源的竞争则显得微不足道，MA就会 占据优势地位[5]。 1.3有机质 污水中的大量易生物降解COD是MA等微生物 生长的良好基质。研究发现，排水管道CH产量与 可溶性有机碳（STOC）或溶解性有机物（DOM）的含 量有关[6]。高浓度有机质工业废水会显著增加排水 管道CH的生成量。生活污水中若含有极易被微 生物吸收利用的大量溶解性可生物降解有机物以 及亲水挥发性小分子脂肪酸类（VFAs）物质，也会在 厌氧环境下产生CH,[7]。此外，污/废水中的有机物 浓度较高时，也会促进排水管道厌氧环境的形成。 1.4水力条件 排水管道绝大部分都是重力流管道，受管道设 计坡度、水力停留时间、充满度以及管道内表面积 与体积比（A/V）、管道材料等影响，污水在管道内的 流速一般较为缓慢，导致管道内壁（特别是管底）形 分为嗜冷菌（<25℃）、嗜温菌（35℃左右）、嗜热菌 （55℃左右）和极端嗜热菌（>80℃），排水管道内污 水温度为20~30℃，所以嗜冷菌与嗜温菌是其主要 的MA。进言之，夏季CH4生成量比冬季大门，夏季 （大气平均温度为24.6℃）气相中CH浓度为5~15 mg/L，平均浓度为9.1mg/L；而初冬（大气平均温度 在排水管道沉积物中普遍存在，是污水管网中CH4 生成的主要贡献者，数量占总MA的90%以上[8] 为20.3℃)气相中CH,浓度为3.5~12mg/L,平均浓 系统[。 度为7.1 mg/L[2] 。 另外，pH也是影响MA生长的重要因素。一般 而言，MA适宜繁殖的pH为7.0~7.5,pH太高或太 低都会抑制MA活性，在酸性环境下MA甚至会完全 失活[3]。来自住户的生活污水pH稳定维持在7.0~ 成大量沉积物，这就为世代时间较长的MA提供了 良好的生长环境。研究发现，专性分解乙酰的MA 雨水管道中违规排放沉积物（IDA）也会为MA提供 着床条件，其CH4产量甚至大于生活污水管网 有人发现，在水流剪切应力作用下，DO浓度沿 管壁生物膜深度方向迅速降低，且DO浓度降低速 率与生物膜表面水流剪切力强度呈正相关[10]。MA 螺旋菌（Methanospirillum）在排水管道生物膜中的占 比随着水流速度的加快而增大，但种群数量并不会 8.0,这就为MA创造了繁殖条件。 因此增加，因为流速过快会导致微生物难以附着而 1.2溶解氧 被冲刷[10。当流速适当、生物膜表面承受的剪切应 在污水含有大量易降解有机物的条件下，管道 力保持在1.45Pa时，CH.产率可达最大值。在此条 www.cnww1985.com 郝晓地，等：排水管道甲烷产生影响因素及其估算方法 第38卷第20期 件下，生物膜中MA螺旋菌的种群数量最多，表明 MA螺旋菌在重力流排水管道产甲烷过程中起着至 2.2.1水力模型 关重要的作用[10]。 (Conveyance Asset Prediction System)开发了一种用 美国水研究基金会（WRF）CAPS模型系统 也有人观察到，CH浓度随排水管沿程逐渐递 于估算整个排水系统CH.生成量的方法。该方法根 增，在低流量期（旱季），CH4日均产量比洪峰流量期 据污水流量、温度和管道坡度等水力模型参数，利 间增加约2倍[2]，推测出污水在管道中的停留时间 延长会导致CH,产量增加。也有研究观测到，管 用模型进行衡算并输出结果[15]。CAPS方法以污水 道充满度变大将加快污水中的DO消耗，并迅速形 和管道