气体管道与雨污水之间距离要求（城市排水管道CH4产生的影响）

城市排水管道内存在复杂的微生物活动和物理、化学反应，产生了不容忽视的CH4无组织排放。综述了城市排水管道系统不同部位的CH4排放研究现状，估算了2016年我国城市排水管网CH4排放量为6.32 MteCO2，为城市“隐形”CH4排放的重要来源；总结了管道内CH4排放的主要驱动因素是污水管道内的水力条件和污水特性；比较了已有排水管道CH4排放计量模型；综述了排水管网CH4排放控制策略，并对未来排水管道无组织CH4排放的研究和减排措施进行了展望。

01 研究背景

随着我国城市化进程加快，污水处理量不断上升，城市排水系统规模不断扩大。自2008年到2020年，我国城市排水管道长度增长200%，污水处理量增长约100%。污水及固废处理过程会产生大量温室气体（Greenhouse gases, GHGs），此部分GHGs排放总量约占社会经济活动排放总量的2.0~3.0%。相比大量的污水处理厂GHGs排放研究，鲜有报道排水管道GHGs排放水平。然而，排水管道中有机物丰富、系统封闭性强，污水停留时间长，同样产生了大量CO2、H2S、CH4、N2O等气体，导致了恶臭、腐蚀等危害和爆炸风险，CH4还是常见的GHGs，对全球温升贡献约为0.5℃，约为全球平均温升（1.1℃）的一半。

这些气体积聚在检查井、人孔、管道顶空等处，在一定条件下逸散到大气中，形成无组织排放。由此，封闭的排水管道极有可能是CH4的重要来源，可能与污水处理厂GHGs排放相当，可能占管道全生命周期碳排放的60%以上。IPCC对于排水管道是否为GHGs排放源的描述经历了“不是”到“极有可能”的变化（见表1）。然而，地下排水管道工况变化频繁，气体排放监测难度大。同时，管道建设年限长且缺乏维护管理，多数存在结构性、功能性缺陷，水、气漏损严重。因此，目前缺乏可靠的监测手段、足够数据和确定的排放因子定量计算排水管道GHGs排放水平，给排水系统内全面碳排放计量带来了挑战。

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与排水管道碳排放的大小，明确排水管道的CH4排放是城市水处理系统碳排放核算不可忽视的部分；进一步综述了排水管道CH4产生的影响因素、计量模型及控制手段，对管道GHGs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的生成及排放

排水管道污水中存在大量有机物，大分子物质被发酵细菌（Fermentative bacteria, FB）水解为单糖等小分子物质，产氢产乙酸菌进一步将小分子物质转化成乙酸、H2和CO2，普遍存在于排水管道系统各部位的产甲烷菌（Methanogenic archaea, MA）分别通过乙酸脱羧产CH4和H2还原CO2产CH4。CH4在水中的溶解度极小，产生的CH4主要积聚在管道顶空中，在检查井、排气口等处排放到大气，溶解于污水中的CH4随污水进入污水处理厂或直接排放进入受纳水体而释放，如图1所示。

2.1.1 化粪池CH4排放

作为初级污水处理设施，化粪池布置在排水管道系统始端，能沉降去除部分悬浮物，SS和BOD5去除率均达20%~70%。不同于发达国家，化粪池在发展中国家有着广泛的应用，据统计，我国城市化粪池数量超过200万个，在保持城市卫生方面发挥重要作用，但由于其基本处于厌氧条件，会产生大量温室气体CH4，在碳排放方面已经受到人们的关注。HUYNH等对越南河内10个化粪池进行调查，发现其CH4排放量达11.92 g/(人·d)，且粪便储存期越长，单位时间排放量越大。黄建洪研究计算出昆明市、广州市及兰州市化粪池CH4排放总量分别为109.52、669.51、1145.71 tCH4/年。根据郝晓地等对我国化粪池CH4排放量的估算，其CH4排放与我国污水处理厂直接碳排放相当，约为30 MteCO2。城市化粪池CH4排放往往难以回收利用，不仅是一种安全隐患，还加剧了温室气体的无组织的直接排放。

2.1.2 重力排水管道CH4排放

城市排水管道大部分为重力管道，内部常存在沉积物和生物膜，两者均含大量有机质、无机盐和水，是管道内微生物生长赋存的主要部位，其中的微生物活动主导了管道内CH4的产生。受管道内氧气分布的影响，沉积物和生物膜的深层部位是产CH4的关键位点，SUN等发现生物膜内部700 μm处，MA相对丰度达到75%。有研究显示，沉积物与生物膜产甲烷速率相当，分别为2.68~15.01 gCOD/(m2·d)和(13.00±2.50) gCOD/(m2·d)。有研究针对80 km的重力排水管道CH4排放进行测算，夏季、冬季分别排放135、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，管道内环境随水流状态时刻变化，微生物群落结构、丰度处于非稳态，为确定重力排水管道气体产排的动力学参数带来挑战。

在排水管道系统中除重力管道外，还存在压力管道，由于我国排水系统压力管道占比较小，且已有文献综述了此部分CH4排放，本文不再赘述。

2.1.3 检查井CH4排放

排水管道产生的CH4随污水的流动进入排水检查井并积聚于此。排水检查井遍布城市，是城市排水系统CH4释放到大气的重要场所。大量研究出于安全考虑检测了检查井中CH4浓度，少有研究关注检查井对城市大气CH4含量上升的贡献。FRIES等采用稳定同位素δ13C和δ2H追踪发现，美国辛辛那提市中街道CH4浓度较高的监测点中有72%的位点的CH4的主要排放源为排水系统。现有研究对于城市的CH4排放仅关注了污水处理厂、垃圾填埋场、发电厂、城市交通等“显性”CH4排放，忽视了城市排水管道。因此对城市排水管道CH4排放情况进行排查，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，难以获得可靠的CH4监测数据，现有文献大多基于特定的计算模型或管道内有机物降解情况进行换算。本文根据IPCC指南及《2017年城镇排水统计年鉴》计算我国2016年我国污水处理厂直接CH4和N2O排放量，分别为2.61和19. 3 MteCO2（各GHGs以CO2当量计，CH4为25倍，N2O为298倍），CH4排放因子参考蔡博峰等研究结果；以JIN等对西安市排水管网CH4排放研究为基础，以人口当量推算，2016年我国城市排水管网CH4排放量为6.32 MteCO2/年。可见，我国排水管网CH4排放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GHGs排放总量的30%。但我国不同城市排水体制、排水管网密度、污废水性质、气候条件等存在明显差异，将显著影响排水管道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排放总量与排放特征仍不明确。