01 研究背景

随着我国城市化进程加快，污水处理量不断增加，城市排水系统规模不断扩大。 2008年至2020年，我国城市排水管道长度增加了200%，污水处理量增加了约100%。污水和固废处理过程会产生大量的温室气体（GHGs），这部分温室气体的排放总量约占社会经济活动排放总量的2.0~3.0%。与污水处理厂温室气体排放的大量研究相比，排水管道温室气体排放水平的报道较少。但排水管道有机物丰富，系统封闭性高，污水滞留时间长。它还产生大量的CO2、H2S、CH4、N2O等气体，产生异味、腐蚀、爆炸风险等危害。 CH4也是一种常见的温室气体，它对全球气温上升的贡献约为0.5℃，约为全球平均气温上升（1.1℃）的一半。这些气体积聚在检查井、沙井、管道顶部空间等处，在一定条件下逸散到大气中，形成无组织排放。因此，封闭式排水管道极有可能是CH4的重要来源，CH4可能相当于污水处理厂的温室气体排放量，并可能占管道整个生命周期碳排放的60%以上。 IPCC对排水管道是否是温室气体排放源的描述已从“不是”变为“极有可能”（见表1）。但地下排水管道工况变化频繁，瓦斯排放监测困难。同时，管道建设时间较长，缺乏维护和管理。大多存在结构和功能缺陷，水、气泄漏损失严重。因此，目前缺乏可靠的监测方法、充足的数据和确定的排放因子来定量计算排水管道中的温室气体排放水平，这给给排水系统内碳排放的综合测量带来了挑战。

本文梳理了城市排水管道系统不同部位CH4排放的研究，对比计算了我国城市污水处理厂直接碳排放量和排水管道碳排放量，明确了排水管道CH4排放量城市水处理系统碳排放核算中不能忽视管道。部分;进一步总结了排水管道CH4生成的影响因素、测量模型和控制方法，对管道温室气体排放研究提出展望，为我国城市排水系统低碳运行提供新思路和方向。

02 排水管道系统CH4排放研究现状

2.1 CH4 的产生和排放

排水管道污水中含有大量有机物。大分子物质被发酵菌（FB）水解成单糖等小分子物质。产氢乙酸菌进一步将小分子物质转化为乙酸、H2和CO2，这些物质常见于排水管道系统各部分的产甲烷古菌（MA）中，通过乙酸脱羧和H2还原CO2产生CH4 。 CH4在水中的溶解度极小。产生的CH4主要积聚在管道顶部空间，并在检查井、排气口等处排入大气。溶解在污水中的CH4随污水进入污水处理厂或直接排入受纳水体。并释放，如图1所示。

2.1.1化粪池CH4排放

化粪池作为初级污水处理设施，放置在排水管道系统的起始端，可以沉淀和去除部分悬浮物。 SS和BOD5的去除率均为20%～70%。与发达国家不同，化粪池在发展中国家被广泛使用。据统计，我国城市化粪池数量超过200万个。它们在维护城市环境卫生方面发挥着重要作用。但由于它们基本处于厌氧状态，因此会产生大量的温室气体CH4，在碳排放方面引起了人们的关注。 HUYNH 等人。对越南河内的10个化粪池进行调查，发现其CH4排放量达到11.92 g/(人·d)，且粪便存放时间越长，单位时间排放量越大。黄建红研究计算得出，昆明、广州、兰州化粪池CH4排放总量分别为109.52、669.51、1145.71吨CH4/年。根据郝晓迪等人对我国化粪池CH4排放量的估算，其CH4排放量相当于我国污水处理厂的直接碳排放量，约为30 MteCO2。城市化粪池排放的CH4往往难以回收利用，不仅存在安全隐患，而且加剧了温室气体的无组织直接排放。

2.1.2 重力排水管CH4排放

城市排水管道大多为重力管道，内部常存在沉积物和生物膜。两者都含有大量的有机物、无机盐和水。它们是管道中微生物生长的主要场所。微生物活动在管道中的 CH4 中占主导地位。的生产。受管道内氧气分布影响，沉积物深部和生物膜是CH4产生的关键场所。孙等人。发现生物膜内 700 μm 处 MA 的相对丰度达到 75%。研究表明，沉积物和生物膜的甲烷产生速率相当，分别为2.68~15.01 gCOD/(m2·d)和(13.00±2.50) gCOD/(m2·d)。一些研究测量了 80 公里重力排水管的 CH4 排放量。夏季和冬季排放量分别为135 kgCH4/d和78 kgCH4/d，年平均排放量为38.8 tCH4/年。由于重力管道存在固、液、气三相，管道内环境随着水流状态时刻变化，微生物群落结构和丰度处于不稳定状态，这给动态确定带来了挑战。重力排水管道产气和排放参数。

排水管道系统中除重力管外，还有压力管。由于压力管道在我国排水系统中所占比例较小，且文献对这部分CH4排放量进行了综述，因此本文不再赘述。

2.1.3 检查井CH4排放

排水管道产生的CH4随污水流进入排水检查井并在那里积聚。排水检查井遍布全市各处，是城市排水系统CH4排放到大气中的重要场所。出于安全考虑，大量研究对沙井中的 CH4 浓度进行了检测，但很少有研究关注沙井对城市大气中 CH4 含量增加的贡献。薯条等。利用稳定同位素δ13C和δ2H追踪发现，美国辛辛那提街道CH4浓度高的监测点中72%的CH4主要排放源是排水系统。现有的城市CH4排放研究仅关注污水处理厂、垃圾填埋场、发电厂和城市交通等“显性”CH4排放，而忽略了城市排水管道。因此，调查城市排水管道CH4排放量将有助于补充城市温室气体排放清单。

2.2 我国排水管道CH4排放现状

由于排水管道系统的复杂性，很难获得可靠的CH4监测数据。现有文献大多是基于管道内有机物降解的具体计算模型或换算。本文根据IPCC指南和《2017城市排水统计年鉴》计算出2016年我国污水处理厂的直接CH4和N2O排放量，分别为2.61和19.3。 MteCO2（各温室气体以CO2当量计算，CH4为25倍，N2O为298倍），CH4排放因子参考蔡伯峰等人的研究结果；根据JIN等对西安市排水管网CH4排放量的研究，根据人口当量计算，2016年我国城市排水管网CH4排放量为6.32MteCO2/年。可见，我国排水管网CH4排放量已超过污水处理厂排放量，约为后者的2.42倍，占全国污水处理厂直接温室气体排放总量的30%。但我国不同城市的排水系统、排水管网密度、污水废水性质、气候条件等存在明显差异，这将显着影响排水管道CH4核算的准确性和可靠性。我国及我国不同省市排水管网CH4排放总量及排放特征尚不清楚。

对比我国不同行业部门的温室气体或甲烷排放量（见图2），城市排水管网系统产生的温室气体与污水处理厂产生的温室气体类似，排放量相对较小。但与污水处理过程相比，排水管网的温室气体排放却不容忽视。随着城市化进程的加快，排水管道的碳排放将随着排水管道的建设规模不断增加，应成为未来城市水系统碳排放调查和碳减排的重点。

03 影响排水管道CH4生成的因素

3.1 管道水力条件

管道的水力条件是由管道内径、管道材质、坡度、流量等综合决定的。水力条件是影响管道内生物膜和沉积物产生及特性的关键因素。它们在调节微生物的代谢活动中发挥着重要作用，从而显着影响CH4的产生。生产。水力停留时间（HRT）越长，管道内的氧气逐渐减少，MA的活性越高，管道产生CH4的能力越强。可见，排水系统规模越大、HRT越长，CH4排放量越大。高的。污水的流速对管道内的气液交换和水力冲洗有显着影响。于熙等.研究了流速为 0.2、0.6 和 1.0 m/s 时管道中 CH4 的排放。当流量小于0.6 m/s时，随着流量增大，CH4排放量随着气液交换的促进而增加，当流量大于0.6 m/s时，水力冲刷作用显着，影响管道中MA的活性，一定程度上抑制CH4的产生。然而，CH4 的产生量和排放量仍大于0.2 m/s 时的流量，但总体而言，随着流量的增加，CH4 排放量增加。另外，当管道表面积与体积之比（A/V）较大时，管道内生物膜可以覆盖更多面积，从而增加MA的生物量，促进管道内CH4的生成。

上述研究大多以污水连续流动为前提，但排水管道中存在污水中断或湍流等复杂多变的水文条件。因此，探究不同水文条件下管道CH4释放情况，有助于进一步了解管道真实CH4排放潜力。陈等人。分别探讨了连续流、断续流和紊流下管道CH4的产生和排放特性。连续流动下，污水有机物供应充足，管道CH4生产能力最强；当流动中断时，有机物供应不足，乙酸生产CH4途径受到抑制。研究还发现，与硫氮代谢相关的酶和微生物富集增加，相关功能微生物如反硝化菌、硫酸盐还原菌（SRB）与MA竞争，进一步抑制CH4的产生。当管道处于湍流时，虽然可溶性CH4迅速释放，但由于管道内有悬浮泥沙，难以形成稳定的微生物膜层，大大降低了微生物的活性。同时，湍流也导致污水的再氧化。进一步抑制MA活性。

3.2 污水特征

污水中有机物的类型和含量可以显着影响管道中的微生物过程。 SUDARJANTO 和 ZAN 分别研究了排入管道的啤酒废水和食物垃圾对其 CH4 生产的影响。由于两者均含有大量可降解有机物，CH4产量分别增加30%和60%。陈等人的研究。发现管道内生活污水、雨水径流、雨污混合废水的CH4产生量依次减少。雨水径流中含有石油衍生物，可生化性较低，而雨污混合废水的可生化性为中等。 。温度对管道中CH4的生成有重要影响。现场监测证实，当温度较高时，管道内CH4浓度相应较高。温度的升高不仅有利于增强MA的活性，而且可以促进CH4的气液交换，促进CH4的排放。可见，污水性质和环境因素的共同作用增加了管道内微生物过程的复杂性。

04 排水管CH4排放测量模型

目前，城市排水管道系统CH4排放尚无公认的排放测量模型。但也有研究结合影响管道CH4排放的主要因素和生化反应过程，建立动力学模型或经验公式，为排水管道CH4排放测量提供初步依据。工具。

4.1 动态模型

动力学模型可以描述管道内的主要生化过程，并通过测量的动力学参数来预测管道水质的变化。古西索拉等人。建立了管道污水水质预测模型SeweX，涉及FB、SRB和MA三大类微生物活动，包括发酵产酸、醋酸生产过程、醋酸型产甲烷过程、氢型产甲烷过程、氢型产甲烷过程、氢型产甲烷过程、氢型产甲烷过程、氢型产甲烷过程等。型硫酸盐还原工艺，共有7种工艺：醋酸型硫酸盐还原工艺和丙酸型硫酸盐还原工艺。 SUN等在SeweX的基础上增加了微生物的生长和衰减过程。赵楠构建了排水管汇流水质生物转化模型，可以分析管网中CH4的分布规律。

动力学模型描述了管道中CH4的生产过程，但大多数模型没有考虑CH4的气液传质过程。同时，已经证明CH4的微生物氧化是普遍存在的，但现有的模型都没有包括这个过程。

4.2 经验公式

管道水质变化的经验公式一般是根据大量数据推导出来的，一般是动态模型的简单表达。 FOLEY 等人、CHAOSAKUL 等人。和威利斯等人。分别提出了基于SeweX模型的简单经验公式。此外，XU等通过研究排水管壁剪应力与微生物生物量的关系，构建了重力管道CH4排放与剪应力相关的经验公式。一些研究将污水碳硫比纳入公式中，以显示SRB和MA碳源竞争对管道CH4生产的影响。各公式表达式如表2所示。根据公式可以看出，CH4的产生与产甲烷菌的活性和数量密切相关，也与污水的成分和温度有关。

表2 排水管道CH4排放经验公式

注：CCH4：可溶性CH4浓度（kg/m3）； V：管道容积（m3）； A：管道生物膜表面积（m2）； HRT：水力停留时间（h）； T：温度（℃）； rCH4：CH4产量［kg/(km·d)]； N：管网提升泵的运行次数，连续流系统中N=1； PT：泵送时间（分钟）； D：管道断面直径（m）； Q：管道断面流量（m3/s）； S：管段坡度，(m/m)； X：微生物总量（kgVSS）； QCH4：甲烷产量[mg/(L·d)]； F：剪应力（Pa）； YCH4/X：甲烷产率系数，(mg/kgVSS)； C/S：碳硫比； COD：管道COD浓度（mg/L）； m：重力流管道充满度； n：排水管内径； e：常数，2.718； a、b、c：未确定的系数。

经验公式简单易行，但各公式缺乏广泛的现场验证，且受污水特性、气候条件、管道运行方式等因素影响。公式的适用性因地区而异。未来应尝试扩大各经验公式的应用范围，并结合实时在线监测技术完善公式。

05 排水管道CH4排放控制策略

由于CH4的积累容易引起爆炸等安全隐患，一些研究开展了排水管道CH4排放控制的研究，主要分为化学方法和物理方法。化学法是指添加化学物质抑制MA活性，如铁盐、游离氨、NaOH等。 、NO2-/NO3-等；物理方法主要指物理冲洗、注氧、通气等。添加高铁酸盐（Fe(VI)）灭活MA，管道中与CH4生产相关的功能基因mcrA表达量下降86.6%；曹等人。探究了不同Fe3+添加策略对管道CH4控制的影响，发现加药量和低频Fe3+投加可实现21%的CH4控制率，并配合管道H 2S控制；左等人。开发了基于尿游离氨管道的CH4控制方法，显着降低了管道生物膜中Methanomethylovorans的相对丰度，CH4产量减少80%；赵等人。联合添加 NaOH 和 NO2- 来增加 CH4 产量。减少91.5%。任等人。通过低剪切应力（<0.1 N/m2）冲刷实现表层沉积物的冲刷，CH4 产量减少 73%；高等人。开发上游自然通风方法控制管道CH4产生，上下游管道CH4分别减少42.3%和35.7%；加尼古等人。直接注入O2抑制CH4的生成，CH4产率下降70%。

现有研究可以实现一定程度的CH4控制，但可能存在成本高、操作不便、影响排水管道和下游污水处理工作条件等问题。同时，控制措施实施后，管道内MA会在一定时间内重新定殖或恢复活性，需要优化投加量或运行策略，实现CH4排放的长期控制。目前，我国尚未实施排水管道CH4控制方法，迫切需要制定成本效益高、环境友好、易于操作的策略。基于甲烷氧化菌的生物氧化法减少CH4排放已广泛应用于稻田、煤矿场地、垃圾填埋场等场景，具有经济和环境优势。随着甲烷氧化菌研究的深入，CH4生物氧化法在排水管道中具有应用潜力。

06 总结与展望

城市排水管道作为污水的收集者和运输者，已经渗透到城市的每一个角落，成为城市的“血液”。 CH4是排水管道内生化反应的主要产物。据本文测算，全国排水管道CH4排放量已超过污水处理过程，成为城市碳排放的重要来源。

未来仍需从以下方面深入研究管道内生物反应的条件和机制，填补管道碳排放水平的数据空白，为减排增效打下良好的理论基础改善城市供水系统：

(1)计算重力流管道内气相与液相之间CH4传质系数，建立包含气液传递的管道CH4测量模型，详细量化管道CH4排放。

（2）建立不同排水系统、不同管道类型、不同省市的管​​道温室气体排放清单和排放因子，探索排放差异的关键驱动因素。

（三）发展经济高效的管网温室气体调控手段，提高城市排水管网运行管理水平。

（四）在“双碳”背景下，关注化粪池的安装和管理，思考城市污水集中与分散收集处理的关系，挖掘分散一体化、分散化的低碳运营潜力。高效的污水处理工艺。