陳 浩

(上海環(huán)境保護(hù)有限公司，上海 200233)

0 引言

溫室氣體排放(Greenhouse gas,GHG)是導(dǎo)致全球變暖的關(guān)鍵因素，也是當(dāng)前全球政府及學(xué)界普遍關(guān)注的熱點問題之一。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會于2006年發(fā)布了《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，旨在幫助各國對其GHG的排放源、排放量及削減措施做出可靠的評估。在指南中，城市污水的甲烷(CH4)排放被作為GHG的重要來源之一。在近年來我國廢水排放總量逐年遞增的背景下(根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計年報，2000年的415.2億噸上升至2014年的716.2億噸)，相應(yīng)急劇增加的城市污水碳排放量成為亟待解決的問題。值得注意的是，根據(jù)該指南及2013年跟進(jìn)評估報告的描述，城市污水屬于廢棄物部門，包含了廢棄物處理、廢水處理及廢棄物焚燒中的CH4排放。然而，市政排水系統(tǒng)的CH4排放并未被納入其中。

CH4是市政排水系統(tǒng)中主要的溫室氣體，其全球變暖潛力在100年內(nèi)是CO2的34倍，在20年內(nèi)則是后者的86倍[1]。盡管在理解上仍然存在相當(dāng)大的不確定性和差距，隨著大量實地調(diào)查數(shù)據(jù)的報道，近年來關(guān)于市政排水管網(wǎng)的CH4排放問題得到了大量的關(guān)注，其普遍的排放區(qū)域與可觀的負(fù)荷尺度被更多地證實與認(rèn)知。全球水研究聯(lián)盟的報告記錄了重力排水管道中高達(dá)50 000 ppm的氣相CH4濃度，達(dá)到了約5%體積的爆炸下限[2]。這些CH4與受限下水道中的空氣接觸時可能會引起爆炸，構(gòu)成嚴(yán)重的安全風(fēng)險[3]。涉及CH4負(fù)荷核算的調(diào)查進(jìn)一步表明，部分地區(qū)排水管道排放的CH4可能比污水處理廠(WWTP)排放的CH4多貢獻(xiàn)約48%～60%的溫室氣體[4]。此外，除了對GHG的巨大貢獻(xiàn)外，市政排水管道中的甲烷化反應(yīng)還能夠消耗相當(dāng)數(shù)量的有機底物，對下游污水處理廠的生化工藝過程造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[5]。因此，應(yīng)對或削減管道甲烷化反應(yīng)也是我國近年來推動提質(zhì)增效工作的研究重點之一。

本文綜述了當(dāng)前全球范圍的市政排水管道CH4排放實地監(jiān)測研究，以及排水管道CH4的產(chǎn)排機制與產(chǎn)排源，并進(jìn)一步探討了管道CH4產(chǎn)排機制中需要明確的幾個重要問題。

1 全球范圍的市政排水管道CH4排放調(diào)查

目前從整體上看，關(guān)于市政排水管道CH4排放的研究仍然非常有限。在全球城市化不斷擴大和發(fā)展的背景下，氣候變化和密集建設(shè)的人工下水道網(wǎng)絡(luò)造成的城市水文不確定性增加，衛(wèi)生條件改善帶來的人口排污和污水收集量急速攀升，進(jìn)一步拓展市政排水管道CH4排放研究的范圍尺度并獲得更多的實地數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，這有助于彌合知識鴻溝，以促進(jìn)構(gòu)建“自下而上”的排水系統(tǒng)規(guī)模的碳預(yù)算和GHG溯源的方法學(xué)體系，并改進(jìn)CH4目標(biāo)源的減排干預(yù)措施。

管道CH4的調(diào)查至目前為止已在全球多地展開。Phillips等人[6]對波士頓某重力流排水管道進(jìn)行的實地監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，多數(shù)管段的CH4濃度都超過了爆炸下限。Shah等人[7]則在美國某城市的一條長5.3 km，日污水流量為1 855 m3/d的壓力管道的排口位置監(jiān)測到了達(dá)500 900 ppm的氣態(tài)CH4濃度，并計算出CH4的日排放量為7.44 kg/d。Chaosaku與Liu等人[8-9]分別在泰國曼谷與澳大利亞黃金海岸的重力管道中檢測了13 500～23 000 ppm 與7 000～12 000 ppm的氣態(tài)CH4濃度，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于Shah等人[7]在美國德克薩斯州污水泵站前池上部空間檢測到的CH4濃度(65～275 ppm)。與此一致的是，F(xiàn)oley與Liu等人[10]分別于2009年與2015年在澳大利亞黃金海岸對同一條提升管道展開的監(jiān)測調(diào)查表明，污水內(nèi)溶解態(tài)CH4濃度分別為3.4～6.6 mg/L和5.0～15.0 mg/L，而當(dāng)?shù)乇谜厩俺貦z測到的溶解性態(tài)CH4濃度僅為1.0～1.9 mg/L與0.51 mg/L。但需要指出的是，泵站作為排水管網(wǎng)污水傳輸?shù)募泄?jié)點，在CH4釋放總量上仍然是極為可觀的。Shah等人[7]進(jìn)一步對65個泵站的CH4負(fù)荷調(diào)查，顯示污水CH4排放速率約為1.13～11.68 kg/d[2]，計算得到每年該城市運輸1 000 mg/d生活污水時，約有1 000 Mt CO2-e的CH4產(chǎn)生并從泵站逸散出來。因此，這些數(shù)據(jù)充分證明排水管網(wǎng)是CH4排放的重要來源。Guisasola等人[4]的實地監(jiān)測研究顯示壓力管道釋放CH4總量將在大約40～250 t/y的范圍內(nèi)；CH4全球變暖潛力約為21倍(相對于CO2)，則釋放的CH4將貢獻(xiàn)約每年900～5 300 t CO2-e，相比于De Haas等人[11]對污水處理廠GHG排放量的估計，管道中的額外GHG貢獻(xiàn)已超過了污水處理廠。

基于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，Ma等人[12]對我國污水處理系統(tǒng)的GHG進(jìn)行了分析計算，結(jié)果表明從2005年開始CH4排放量逐年增加，截止至2007年，城市生活污水處理廠的CH4年排放量為0.49 Mt。配合Zhang等人[13-14]的估算，2007年全國CH4總排放量為36.6 Mt，其中污水系統(tǒng)的CH4排放貢獻(xiàn)占比達(dá)到了12.96%。受到近年來城市化發(fā)展、節(jié)能減排等形勢和政策的影響，我國污水處理系統(tǒng)的GHG排放還將進(jìn)一步的增大。相對而言，我國市政排水系統(tǒng)的CH4調(diào)查仍然十分欠缺。隨著人口增加和污水納管率的提高，管網(wǎng)CH4負(fù)荷可能存在全面升高的趨勢，這凸顯了進(jìn)一步展開相關(guān)研究的重要性與緊迫性。金等人[15]對西安13 km2內(nèi)的37 km 市政下水道系統(tǒng)進(jìn)行了3年的GHG排放監(jiān)測，結(jié)果表明污水排放CH4普遍存在。西安排水管道的總GHG排放量為199 t/d，如果按人口比例放大，我國下水道系統(tǒng)的GHG排放量可達(dá)30 685 t/d。與紐約、倫敦、東京等大都市和行業(yè)(奶牛場、汽車生產(chǎn)、鋼鐵企業(yè))的GHG排放量相比，我國市政排水系統(tǒng)產(chǎn)生的GHG要高得多。但是，我國各城市或地區(qū)排水系統(tǒng)的CH4排放負(fù)荷存在較大的區(qū)域差異。陳等人[16]對上海市中心城區(qū)4條排水管道的調(diào)查顯示，居民匯水區(qū)污水管中CH4氣體的平均濃度達(dá)到了10.52±9.39 mg/L，雨水管為7.96±3.72 mg/L，工業(yè)匯水區(qū)污水管中CH4氣體平均濃度則為6.77±4.64 mg/L，相應(yīng)雨水管僅有0.13±0.12 mg/L。此外，張等人[17]的調(diào)查顯示北京某高校食堂污水管道CH4平均濃度為17.05 mg/L，教學(xué)樓污水管道為15.71 mg/L，而宿舍區(qū)污水管為10.98 mg/L。重慶、蘭州、西安及昆明等部分城市排水管道的調(diào)查反而顯示了較低的CH4濃度，僅有0.10～5.00 mg/L[18-22]。

2 排水管道CH4的產(chǎn)排機制與產(chǎn)排源

市政排水系統(tǒng)CH4排放的差異性與管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，由此導(dǎo)致的產(chǎn)排源與機制也截然不同。排水管道本身的黑暗封閉環(huán)境，加之進(jìn)水碳氮源，促使管道內(nèi)形成了巨大的厭氧反應(yīng)空間[23]。基于Bryant產(chǎn)甲烷三段論厭氧發(fā)酵三階段理論，即有機物在厭氧條件下通過水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷三個階段完成降解并在過程中產(chǎn)生CO2和CH4，管道輸送污水蛋白質(zhì)、糖類、脂類等有機成分，經(jīng)過水解過程將有機物降解為可發(fā)酵底物，并在發(fā)酵產(chǎn)酸過程中轉(zhuǎn)化為H2、CO2、乙酸和揮發(fā)性脂肪酸。其中，乙酸、甲酸、甲醇和H2等可進(jìn)一步由產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為CH4。

就這些發(fā)生機制而言，管道CH4的產(chǎn)排源主要在于管壁生物膜和沉積物。在壓力管道中，有機物發(fā)酵及產(chǎn)CH4的重要場所是數(shù)百微米厚的管壁生物膜。長期以來，這些管壁生物膜一直是關(guān)于管道CH4產(chǎn)排研究的重點[24-25]。這些研究表明，壓力管道壁膜存在大量產(chǎn)甲烷菌，其CH4產(chǎn)排潛力隨管道構(gòu)造及進(jìn)水水位、水質(zhì)而呈現(xiàn)較大的差異，通常每噸污水的產(chǎn)率約在0.18～0.52 kg CO2-e/m3[2]。然而，鑒于產(chǎn)甲烷是一個表面積相關(guān)的生化過程[26]，管道沉積物日均30～500克/米的累積沉降速度[27]，遠(yuǎn)高于管壁生物膜的結(jié)合表面積，以及相當(dāng)大規(guī)模的CH4產(chǎn)量[28]和產(chǎn)率[29]，其CH4產(chǎn)排行為代表了一個更加值得關(guān)注的問題。同時，沉積物富含生物可利用性底物及活性微生物，比如，其對暴雨溢流的貢獻(xiàn)率超過50%～60% COD和>80% SS及BOD5[30-31]，這構(gòu)成了其產(chǎn)甲烷的強大內(nèi)生潛力。沉積物通常是重力管道最主要的CH4產(chǎn)排源。Schmitt等人[32]的研究證實，重力管道沉積物硫酸鹽還原代謝等的反應(yīng)速率比生物膜的高80%左右，并且隨著可生物降解有機碳的大量輸入，沉積物將形成巨大的產(chǎn)CH4潛力。陳等人[16]展開的模擬實驗則進(jìn)一步揭示了沉積物在管道碳排放行為中的核心作用。Liu等人[28]對重力管道沉積物的產(chǎn)CH4過程的模擬研究表明，20 ℃時重力管道沉積物的產(chǎn)CH4速率為1.56±0.14 g/(m2·d)，這與壓力管道生物膜的產(chǎn)CH4通量相當(dāng)，甚至更高，但產(chǎn)CH4主要發(fā)生在沉積物表面以下更深的區(qū)域。迄今為止，關(guān)于沉積物產(chǎn)CH4行為的研究或?qū)嵉卣{(diào)查仍然較少，其可能涉及的獨特生化代謝機制尚不清晰，如此的知識空白進(jìn)一步限制了對重力管道GHG排放的核算與預(yù)測。

3 管道CH4產(chǎn)排機制中需要明確的幾個問題

市政排水管道CH4產(chǎn)排來自于有機污染物的降解，厭氧生化代謝作用則是黑暗管道內(nèi)有機物降解轉(zhuǎn)化為CH4的最主要途徑。當(dāng)前的研究致力于提高對受進(jìn)水水質(zhì)(如COD、硫酸鹽或硝酸鹽等)、流體動力學(xué)(如水力剪切力或水力停留時間HRT等)、溫度、管道屬性(如管道長度或橫截面積等)和人工投藥(如三價鐵離子或硝酸鹽等)影響下的排水管道CH4排放監(jiān)測、建模和估算的認(rèn)知[33-35]。

自2007年以來，全球各國水務(wù)部門一直在密切監(jiān)測著各類人為GHG排放源的發(fā)展動態(tài)[36]，并以GHG溫室氣體的最終管治和削減為目標(biāo)。在此背景下，掌握市政排水管道CH4的真實排放負(fù)荷和排放成因，是形成對該問題準(zhǔn)確認(rèn)知并實現(xiàn)有效減排的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)產(chǎn)排機制開發(fā)準(zhǔn)確高效的管道CH4排放核算方法是當(dāng)務(wù)之急。但是，當(dāng)視角放大至全系統(tǒng)的現(xiàn)場宏觀尺度，現(xiàn)有研究的單因素變量兩兩因果關(guān)系已無法完整闡釋市政排水管道實際發(fā)生的CH4產(chǎn)排過程。從工程實踐角度來說，管道體制及內(nèi)部運維狀況造成水文模式、進(jìn)水污染源和有機碳分配的差異，是觸發(fā)實際CH4排量或動態(tài)根本性變化及區(qū)域不確定性的重要因素，也是當(dāng)前管道CH4產(chǎn)排模擬預(yù)測及全系統(tǒng)負(fù)荷衡算中面臨的需要明確的幾個重要問題，迄今為止尚為空白。

3.1 水文模式

在整個排水系統(tǒng)尺度上發(fā)生的水文模式，例如普遍發(fā)生的水文連接(連續(xù)進(jìn)水)、水文中斷(由于坡度不足、小流量或間歇進(jìn)水造成的進(jìn)水截流)和水力湍流(導(dǎo)致沉積物懸浮)，將促進(jìn)外源基質(zhì)輸入模式和有機質(zhì)降解模式的轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致管道產(chǎn)甲烷效率的變化。特別是，水文中斷會放大DOM成分及其化動力學(xué)的異質(zhì)性，并導(dǎo)致管內(nèi)形成有氧狀態(tài)從而直接抑制產(chǎn)甲烷作用。陳等人[16]開展的模擬研究和現(xiàn)場調(diào)查表明，管道沉積物的干旱歷史可能導(dǎo)致甲烷化的完全停滯，同時增加CO2的產(chǎn)生，由此推斷干燥和正常污水流條件下的碳排放有兩種不同的模式。管道水力湍流則將導(dǎo)致沉積物的懸浮并誘導(dǎo)CH4氣體的“初期沖刷”高峰[34]，如在強降雨條件下的管道沖刷和泵站放江期間。然而，目前的相關(guān)研究僅評估了水力參數(shù)梯度變化的影響，包括污水穩(wěn)定流動中的水力剪切力和HRT，而關(guān)于這些水文模式的問題則被忽視?？紤]到污水管和雨水管之間的顯著差異，以及各自不同的水文模式，進(jìn)一步關(guān)注本地區(qū)干旱或潮濕天氣或氣候下管道CH4產(chǎn)生或排放模式的變化，對于建立準(zhǔn)確可行的管道CH4估算體系及相應(yīng)緩解策略而言具有重要意義。

3.2 污染源

市政排水管道按污水輸送動力分類的普遍觀點，即壓力下水道(泵動力)和重力下水道(重力)，奠定了迄今為止對管道CH4的研究。然而，考慮到管道沉積物內(nèi)源底物及微生物群落(包括沉積物和管壁膜)的形成，以及沉積物在沉降累積過程中受到不同進(jìn)水污染源的影響，基于污染源分離的管道分類角度闡釋CH4產(chǎn)排機制是至關(guān)重要的，這也是管道CH4的實際產(chǎn)排機制與污水廠相應(yīng)問題呈現(xiàn)根本性區(qū)別的關(guān)鍵點之一。

除了已經(jīng)得到較多研究的合流制管道，分流制系統(tǒng)中的污水管、雨水管及潛在的混接雨水管通常收納了來自不同污染源的異質(zhì)進(jìn)水底物。污水管接收富含高度可生物利用性有機物的生活污水，這些有機物可以優(yōu)先被微生物利用。周等人[37]通過模擬實驗核算不同類型生活污水的產(chǎn)甲烷系數(shù)分別為：居民區(qū)污水0.254 4 gCH4/gCOD，餐飲區(qū)污水0.014 7 gCH4/gCOD，文教區(qū)0.007 8 gCH4/gCOD。雨水管中占主導(dǎo)地位的進(jìn)水基質(zhì)通常是城市下墊面沖刷的難降解腐殖質(zhì)、石油衍生物和固體顆粒[38-39]。部分研究表明，污水管中VS/TS比例在5.2%～19.0%，而雨水管中有機物含量較污水管低，VS/TS比例在2.9%～13.0%[40]?；旖佑晁芷毡榇嬖谟诜至髦葡到y(tǒng)中[41]。多項調(diào)查表明，我國的雨水管道中存在嚴(yán)重的污水管道混接現(xiàn)象[42-43]，僅上海中心城區(qū)的80余座雨水泵站中存在旱流放江的超過了30座[44]。生活污水和雨天徑流污染物的輸送和沉降塑造了混接雨水管的內(nèi)部微環(huán)境。鑒于其進(jìn)水水力水質(zhì)特征類似于合流管道，混接雨水管的內(nèi)源有機質(zhì)和微生物分布可能具有污水管和雨水管的共同特征。

3.3 有機碳分配

由有機物基質(zhì)及微生物組所共同驅(qū)動的碳分配差異，包括有機碳在CH4及CO2排放與生物合成(Biomass production)流向分配上的碳流動速率與累計量等特征，決定了CH4排放行為的動力學(xué)特征與排放負(fù)荷，BP方向的碳流動也將反作用于微生物組。立足于排水管道有機碳分配的機制過程，將促成對CH4排放行為過程的清晰解釋和可能預(yù)測，但當(dāng)前的研究仍未觸及這一本質(zhì)的機制過程。Mateles與Sundh等人[48-49]的研究指出微生物能夠在簡單的混合物中選擇性地消耗特定底物。依據(jù)消耗底物的化學(xué)性質(zhì)，生物可利用性及細(xì)胞的能量需求，不同微生物會將特定底物用于不同的生長或呼吸代謝分配。Guillemette等人[47]通過研究湖泊中陸源與藻類有機碳的分配差異，闡釋了細(xì)菌對兩種碳源的利用和分配策略，明確了細(xì)菌在自身生長和呼吸過程中對溶解性有機碳的分配比例，充分證明了該角度研究的科學(xué)重要性。

溶解性有機物(Dissolved Organic Matter,DOM)是自然或人為環(huán)境中有機物的主要成分，可作為底物參與生物體能量代謝及碳氮硫磷元素的生物地理化學(xué)過程。DOM也是市政排水管道中有機碳基質(zhì)的主存形式，其成分濃度與其輸入污染源有著顯著特征性的聯(lián)系。在近年來的多項研究中，通過三維熒光平行因子法或高分辨率質(zhì)譜等手段，DOM成分也被作為定性指標(biāo)用于高效區(qū)分污染來源[39,50]。不同污染源輸出高度異質(zhì)的DOM成分因各自特異化的生化反應(yīng)動力學(xué)特性，將定向引發(fā)差異化的微生物代謝分配策略，從而主導(dǎo)降解轉(zhuǎn)化模式與CH4、CO2及BP流向上的碳流異化。在管道CH4排放過程中DOM的表征問題上，當(dāng)前有限的研究主要以BOD5與COD表征CH4排放過程中沉積物與污水內(nèi)有機物的整體性質(zhì)與含量[51]，僅有少數(shù)研究通過氣相色譜儀測定了污水中乙醇、乙酸、丙酸和丁酸等小分子有機物[52]。這些研究缺乏對DOM成分在時間維度上的動態(tài)分析，且并未實現(xiàn)將污染源DOM與CH4、CO2及BP流向上的碳流量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致DOM成分的異質(zhì)性如何導(dǎo)控代謝分配并驅(qū)動各流向上碳流動的速率與累計量異化尚不清晰。此外，明確管道微生物組結(jié)構(gòu)變化，包括在沉積物與管壁膜中，并從微生物組的功能表達(dá)力角度對有機碳分配機制進(jìn)行解析是十分必要的。

4 結(jié)語

近年來關(guān)于市政排水管網(wǎng)的CH4排放問題得到了大量的關(guān)注，其普遍的排放區(qū)域與可觀的負(fù)荷尺度隨著大量實地調(diào)查數(shù)據(jù)的報道而被更多地證實與認(rèn)知。但是，目前關(guān)于市政排水管道CH4排放的研究仍然非常有限。在全球城市化不斷擴大和發(fā)展的背景下，進(jìn)一步拓展市政排水管道CH4排放研究的范圍尺度并獲得更多的實地數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，將助于促進(jìn)構(gòu)建“自下而上”的排水系統(tǒng)規(guī)模的碳預(yù)算和GHG溯源的方法學(xué)體系，并改進(jìn)CH4目標(biāo)源的減排干預(yù)措施。本文進(jìn)一步探討了管道體制及內(nèi)部運維狀況造成水文模式、進(jìn)水污染源和有機碳分配的差異，是觸發(fā)實際CH4排量或動態(tài)根本性變化及區(qū)域不確定性的重要因素，也是當(dāng)前管道CH4產(chǎn)排模擬預(yù)測及全系統(tǒng)負(fù)荷衡算中面臨的需要明確的幾個重要問題。