下水道甲烷释放模型评价与内控分析
编者按：城市下水道系统是现代化城市的重要基础设施。然而，其中潜在甲烷（CH4）释放问题不容小觑。通过对下水道甲烷产生与释放过程模型总结、归纳，厘清了下水道甲烷排放模型差异及其适用范围。采用正交试验法，对预测模型中主要控制因子影响甲烷生成量程度进行了分析。正交试验结果显示，温度对甲烷产生量影响程度最为显著；进行管道在线热量交换而降温技术上虽然可行但并不可取，因为这势必影响冬季污水生物处理效果。污水COD浓度与管道管径影响程度次之，但受客观条件制约也显得束手无策。归根结底，唯有减少污水管道中流动时间方有可能避免甲烷形成，对此可采用负压排水系统作为技术解决方案，但需核算能耗间接碳排放（CO2）与管道CH4直接排放间的差异。投加化学药剂等外源介入措施固然可一定程度抑制产甲烷细菌活性，但必须考虑维护费用与间接碳排放等问题。本文《中国给水排水》已网络首发，9月正式刊发。
整理 | 张益宁
责编 | 郝晓地
文章亮点
01分析了不同甲烷排放模型，总结了它们之间差异和适用范围，将其归类为应用于不同场景的过程模拟模型、释放速率模型及潜力预测模型。
02不同模型主要涉及4个影响CH4释放量的影响因子，其影响程度排序为：温度>COD浓度>管径>污水流动时间。
03温度对CH4产生量影响最为显著，虽在线热量交换（水源热泵）可降低温度，但会对冬季污水生物处理效果产生负面影响，并不可取。
04污水COD浓度和管道管径对CH4产生量影响次之，受限于客观条件，采取相应减排措施显得困难。
05为减少CH4形成，唯一可行的方法是减少污水在管道中的流动时间。负压排水系统似乎可以作为一种技术解决方案，但在实施时需要考虑能耗间接碳排放（CO2）与管道CH4排放之间的差异。
06使用化学药剂等外源介入措施可以部分抑制产甲烷细菌活性，但需要权衡维护成本和间接碳排放等问题。
城市污水管线是用于收集生活污水、工业废水和径流雨水的设施，但它也会带来甲烷释放等环境问题。根据估算，我国下水道甲烷排放量接近污水处理厂排放量的一半，达到20000万吨/年。国际研究也显示，市政下水道系统的甲烷排放量已与污水处理厂能耗产生的间接碳排量相当。因此，下水道甲烷排放问题不容小觑。
目前，国内外已有很多研究关于市政下水道甲烷排放量，各种估算和模型计算层出不穷。其中，以管道甲烷释放模型为主题的研究备受关注。这些模型各有优点，但多聚焦于单一环境，导致应用难度较大。
01下水道甲烷释放过程
下水道沉积物中有机物在厌氧条件下经微生物作用最终形成CH4、CO2、H2O、H2S等， 厌氧消化“三阶段”理论是目前普遍接受的厌氧消化机制，包括水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷等阶段。
从释放过程分析，一般认为，对CH4产生量与产生速率影响最大的因素是下水道内微生物活性。通常采用微生物对有机物的水解速率、微生物对环境适应时间等参数进行模拟。
从释放速率分析，对于下水道甲烷释放模型，一方面需要探究能够与CH4释放速率为强相关性的变量，另一方面还需要对实际管道环境进行长期观察与监测，探究其浮动范围或变化规律，从而对下水道CH4排放实现尽可能准确的拟合。
从释放潜力分析，在实际工程中，往往需要对计划建设的项目进行碳排放核算，而不是对既有区域进行校核。因此只需工程方面参数，目前研究认为，可从污水与微生物接触面积、接触时间和环境温度入手，实现对CH4释放量的估算。
02下水道甲烷排放模型与评价
2.1 模型分类
现有管道CH4释放模型分共为3类：
（1）过程模拟模型。关注管道CH4产生过程，通过不同数学模拟获得与实际过程拟合完美的公式表达，并对其中部分参数赋予实际含义，表达过程中动力学参数、微生物适应能力参数、反应潜力参数、排放峰值参数等信息。
（2）释放速率模型。根据管道水力学或水质参数，考察生物反应下对应的CH4产生速率，以直接“黑箱”形式评价管道对应的CH4产生快慢。通过各种机理与经验模型，考虑CH4排放过程中发生的有机物转化过程、生物膜内微生物反应、管道内壁污染物堆积与冲刷情况等，可对CH4排放规律进行预判。
（3）潜力预测模型。基于某些实际工程参数实现对管道系统CH4产量进行预测，如管道坡度、直径等水力条件参数，或基于始端COD浓度、温度等初步实际参数，以及管道湿周、水力停留时间等经验参数等。该类模型不需考虑反应过程，仅利用工程参数与大量实际数据进行拟合，经推导后获得相应数学关系，从而实现对实际场景的潜力预测。
2.2 过程模拟模型
2.2.1 一级动力学模拟
一级反应动力学模型可表征CH4累积产量随管道流动时间变化的关系。考虑到实际污水中存在溶解性惰性组分SI，引入参数c对该模型进行修正，修正后的模型见式（1）。
式中：V(t)为t时刻下水道累积CH4产生量，mL；Vm为最大CH4产生量，mL；Kh为水解速率常数，h-1；t为污水在下水道内流动时间，h；c为污水中难生物降解惰性组分UBCOD与总COD比值。
2.2.2 冈珀兹修正模拟
冈珀兹修正模型同样用于模拟复杂进水底物条件下CH4累积变化量，该模型函数图像为一种典型S型指数曲线方程。相对于一级动力学模型，它也同样存在Vm参数，但不同的是它可以反映最大产CH4速率Rm（mL/h），也新引入了更具实际意义的延滞期λ，其具体模型见式（2）。
式中：e约为2.718 3；λ为产CH4延滞期，即微生物对环境适应时间，h。
2.3 释放速率模型
2.3.1 基于管道参数
Willis等选取了下水道内CH4释放过程中的5种典型反应过程，建立了重力流下水道CH4释放速率模型。该模型以管道工程参数作为主要依据，CH4释放模型见式（3）。
式中：rCH4为CH4释放速率，kg/(km·d)；T为管道内温度，℃；Q为管道流量，m3/s；D为管道直径，m；S为管道坡度，m/m。
2.3.2 基于水质参数
Sun等通过探究下水道污水中SO42- 和SCOD浓度变化对产CH4菌活性的影响，建立了基于水质参数的经验模型，用于预测CH4最大产生速率（kCH4）。经过实际管道环境下的验证表明，该模型能够较好地预测水质波动条件下CH4最大产生速率。
2.4 潜力预测模型
2.4.1 实际工程模型
Zuo等根据城市下水道内流量、温度、水力坡度等工程参数信息，利用CAPS（Conveyance Asset Prediction System）系统对产CH4潜力进行预测，得到了潜力预测模型。该此模型主要适用于低有机物浓度环境，当能够获取各管段水力条件信息时，可采用此模型。
2.4.2 排放因子模型
排放因子模型采用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）推荐模型，它以20 ℃下有机物厌氧转化率作为基准值，并引入修正因子进行进一步修正，见式（4）、（5）。
式中：V(t)为下水道内t时刻累积CH4产生量，mg/L；EFCH4为下水道CH4排放因子，取值为0.25 kgCH4/kgCOD；为计算区域范围的初始COD值，以该地区进入市政污水管道有机物浓度平均值计，mg/L；ηT为有机物（COD）厌氧转化率；t为下水道内污水平均流动时间，d；η20为有机物（COD）在20 ℃下的厌氧转化率；T为当地下水道内污水温度，℃。
2.4.3 经验拟合模型
Yan等主要探究了压力流下水道CH4排放量拟合模型，该模型以市政污水管道几何参数、水力停留时间等作为初始条件，通过大量实测数据得到比CH4释放速率，用于模拟核算压力流管道产CH4潜力，拟合模型见公式（6）。
式中：CCH4为单位体积下水道CH4释放量，kg/m3；γ为比CH4释放速率，kg/（m2h），采用最小二乘和拟合算法推导求出，取5.24×10-5；A/V为管道内表面积与体积比，m-1；HRT为污水停留时间，h。
2.5 模型评价
表1 下水道甲烷释放模型比较
Tab. 1 Comparisons of methane emission models in sewers
03甲烷释放控制模型分析
3.1 模型测算
对不同下水道CH4释放模型评价后发现，各模型主要涉及4个影响因子，即污水温度、管道管径、管道长度和COD浓度。可以通过正交法将4个控制因子的影响程度进行排序。因释放速率模型并不包括对下水道CH4释放量的模拟，因此，选用过程模拟模型与潜力预测模型中的经验拟合模型和排放因子模型，对下水道CH4释放量控制因子进行影响程度分析。
3.1.1过程模拟模型模拟结果
由表2可知，只有Vm具有显著性。表明在过程模拟模型中，起主要影响作用的是底物浓度，即COD浓度。
表2 过程模拟模型主体间效应检验
Tab. 2 Inter-subject effects with the process simulation model
3.1.2经验拟合模型模拟结果
以下水道CH4排放量作为经验拟合模型因变量，进行主体间效应检验，结果如表3所示。进一步对比F值，得到影响程度显著性排序为：温度>A/V（管径）>流动时间。说明温度在设计阶段对CH4释放量的影响显著性最大。
表3 经验拟合模型主体间效应检验
Tab. 3 Inter-subject effects with the empirical fitting model
3.1.3排放因子模型模拟结果
以下水道CH4排放量作为排放因子模型因变量，进行主体间效应检验，结果见表4。对比F值得到各因子显著性排序：温度>COD浓度>污水流动时间。
表4 实际工程模型主体间效应检验
Tab. 4 Inter-subject effect with the actual engineering model
3.2 讨论
影响下水道CH4产生因子主要包括：温度、管径、管道长度、COD浓度。在设计阶段不能获取实际污水COD浓度信息时，得到影响因子显著性排序为：温度>A/V（管径）>流动时间；在下水道水质数据可获取的情况下，得到影响因子显著性排序为：温度>COD浓度>流动时间。可见，温度是影响CH4产生量最为突出的因子。低温显然有利于抑制CH4产生，即在自然条件下，冬季下水道的CH4产生量低于夏季。对下水道降温理论上可通过在线水源热泵热量交换实现。但是，这势必导致污水处理厂进水温度降低，对污水生物处理极其不利。因此，通过人为调节下水道温度抑制CH4产生量的作法不可取。
水道COD浓度取决于管网前端用户生活水平与习惯，似乎也无法实现人为干预。尽管化粪池可以截留部分COD，但是，被截留的COD在相对静止的厌氧环境下比下水道更容易产生CH4。所以，主张保留化粪池的观点也不可取。某种程度上说，化粪池对污水处理脱氮除磷来说实际上是在帮倒忙。
提高管道流速理论上可以减少不溶性COD管底沉积，可最大程度避免CH4产生。但是，排水规律与特点决定了下水道一般以重力流为主，不可能通过减少管径的方式单纯提高管道流速，以避免峰值排水潜在的排水不畅、甚至堵塞问题。
无论如何，减少污水在管道中的停留时间是抑制CH4产生唯一可能采取的技术措施。重力流管道缩径固然不可取，但是，负压排水系统似乎可以奏效。而负压排水需要能耗，要核算能耗产生的间接CO2碳排与管道CH4排放间的差异。
此外，从外源介入入手似乎可以抑制产甲烷细菌的活性，例如向下水道中注入氮氧化物（NO3-与NO2-）、O2、金属盐、碱性、游离亚硝酸（FNA）等药剂可直接或间接控制CH4与H2S排放，但是这些化学药剂的生产与运输亦会带来间接碳排放，需要进行全生命周期（LCA）核算。
04结论
市政下水道环境非常复杂，传输污水中有机物（COD）沉积导致的管壁厌氧微生物滋生必然会形成CH4而释放。若下水道检查井通气不畅，遇明火会发生爆炸，而通气太畅则会向大气中释放大量温室气体。因此，需要有合适的模型预测下水道CH4释放量。
总结已有下水道CH4释放量模型，可分为3类：过程模拟模型、释放速率模型与潜力预测模型。其中，过程模拟和释放速率模拟模型均可对下水道CH4释放规律进行分析和探究，但它们在参数获取上存在难度，且获取参数必须为实际测定值。因此，这2类模型只能对已有城镇下水道系统进行核算，并不能对未施工管道系统评估。相形之下，潜力预测模型可适用于工程应用场景，只需坡度、管径等工程设计参数便可进行快速简便计算，尽管计算结果准确性欠佳。
不同模型主要涉及4个影响CH4释放量的影响因子，其影响程度顺序为：温度>COD浓度>管径>污水流动时间。温度固然是影响CH4产生量最为显著的因子，但人工降温（热量交换）并不可取，这会在冬季影响污水处理厂生物处理效果。COD浓度决定于居民生活水平与习惯，且化粪池截留COD更易产生CH4，所以，面对COD似乎也束手无策。以提高管道内流速而对重力流缩径并不现实，但似乎可以通过负压排水系统来达到减少污水管道内流动时间的目的，而代价是能耗，需核算能耗间接碳排（CO2）与管道CH4排放间的差异。投加化学药剂等外源介入措施虽可抑制甲烷细菌活性，但因此而产生的间接碳排放不得不予考虑。
