郑兴灿总工团队：化粪池夏季温室气体排放特征分析与甲烷排放因子测算
摘要
化粪池是城市粪便污水系统温室气体的主要排放源，但目前人们对化粪池温室气体的排放特征仍不太了解，碳排放核算也缺乏基础参数。夏季是化粪池温室气体排放的主要季节，通过试验模拟了华北某小区夏季化粪池对实际生活污水的厌氧降解过程，考察了温室气体的排放特征和影响因素，并测算了该小区化粪池的CH4排放因子。结果表明，25~28 ℃时，模拟化粪池系统对COD和VFA的去除率分别为53.4%~76.9%和13.6%~24.9%，其CH4和CO2排放强度分别为3.1~8.1 mg/L和10.3~16.7 mg/L；化粪池对COD的去除率随化粪池底部沉积物的增多、进水水量降低及水温的升高而增大，CH4排放强度呈现相同的规律，沉积物高度、进水流量对化粪池CO2的排放强度影响较小，但是水温升高后CO2的排放强度将明显增加；化粪池排放的CH4主要以气态形式存在于反应器的顶部空间，CO2主要溶解于液相，随水流排出；在28 ℃和25 ℃条件下，化粪池去除单位质量(1 kg) COD产生的CH4量分别为0.103 kg和0.077 kg，排放的CH4量分别为0.029 kg和0.021 kg，居民人均CH4产量分别为12.36 g CH4/(cap·d)和9.24 g CH4/(cap·d)。
研究背景
化粪池从出现至今已有100多年的历史，作为一种初级污水和粪便处理设施，化粪池在我国许多城市几乎覆盖了每个小区，据统计，我国城市化粪池数量超过200万个，农村地区建成化粪池的数量已超过8000万个。化粪池利用沉淀和厌氧发酵作用，去除污水中的悬浮物和病原微生物，将大分子有机物分解成小分子物质，同时生成CH4、CO2等气体。在城市污水收集系统中，星罗棋布的化粪池是碳排放的重要源头。据粗略测算，我国化粪池产生的CH4总量已高于城市污水处理厂直接碳排放量。
在双碳目标背景下，关于化粪池的取消和改造一直是大家关注的热点问题，但是目前化粪池温室效应的研究不多，而且相关研究以综述为主，试验研究很少，基础数据较为缺乏，其他关于化粪池的试验研究主要聚焦其水质特征以及H2S类有毒气体排放的分析，对于温室气体的排放特征尚不清晰。另一方面，精准核算是实现碳减排的前提和基础，在化粪池碳排放核算方面，目前排放因子法应用最为广泛，排放因子的取值多采用IPCC的推荐值，但是IPCC中只提出了理论上化粪池的最大CH4产生能力(理论CH4排放因子)为0.25 kg CH4/kgCOD，而实际CH4排放因子与区域气候、运行条件、居住人口、用水量等因素息息相关，需结合实地监测情况进行修正，但目前尚未见到化粪池实际CH4排放因子取值研究的相关报道。
通常夏季是化粪池CH4产生的主要季节，而CH4也是其温室效应的主要来源。本研究通过试验模拟了华北某小区夏季化粪池对实际生活污水的厌氧降解过程，考察了其温室气体的排放特征，分析了其影响因素，并模拟测试了该化粪池的实际CH4排放因子，研究结果可为科学精准核算化粪池碳排放量提供一定的参考，并为化粪池的碳减排和低碳发展提供基础研究支撑。
01 试验部分
1. 试验装置
试验设置共2套，为相同结构和尺寸的反应器(见图1)，均采用有机玻璃材质，反应器顶部密封，设置搅拌器、排气口和水样采集口，底部设置控温加热板，外部设置保温罩，并对保温罩进行遮光处理。反应器总容积为7.22 L(内径20 cm，高23 cm)，底部平铺沉积物，反应器1沉积物高度为5cm，反应器2沉积物高度为10 cm。进行动态试验时，污水从反应器底部进入，从上部流出，进水口和出水口距离反应器底部的距离分别为10, 17 cm。控制反应器1和反应器2进水流量相同，采用两组进水流量，当进水流量为Q1(3.78 L/d)时，反应器1和反应器2的实际HRT分别为24, 19.2 h，当进水流量为Q2(1.89 L/d)时，反应器1和反应器2的实际HRT分别为48, 38.4 h。
图1 试验装置与流程
2. 试验用水和沉积物采集
试验使用的生活污水取自于华北某典型住宅小区化粪池进水前的检查井，该小区建成于2000年，实际住户184户，小区内有1栋28层高层住宅，建有1座化粪池。污水经采集并混合均匀后于4 ℃储存待用，沉积物取自该小区化粪池底部，试验前先用16目标准筛进行预处理，去除石块和漂浮物等杂质。试验开始前将沉积物在22~26 ℃下进行1个月的预培养，培养过程连续注入采集的新鲜生活污水，培养完毕后平铺于2套反应器底部。
3. 化粪池温室气体排放强度
排放强度测试采用动态试验，反应器1和2在一定温度和流量条件下连续稳定运行2周后进行正式测定。试验前用气泵将反应器顶部空间已经生成的气体抽出，测定反应器连续运行24h内新产生的气体量。新产生的气体分2部分，一部分位于反应器顶部空间，另一部分溶解于水中并随出水流出。反应器顶部空间(1.88 L)的气体用在线气体检测仪(中国，JES-MIC600HS-2)测试浓度并根据体积计算总量。对24h内的出水用抽真空的袋子进行全封闭收集后，测定溶解于出水中以及散逸到袋中的气体浓度，并计算其总量。将2部分气体量进行加和，计算出处理单位体积水量、反应器的CH4和CO2排放强度。
4. 化粪池CH4排放因子测定
排放因子测试采用静态试验，预培养完成后进行正式测定，以反应器1作为测试装置，一次泵入新鲜生活污水(液位距离底部22 cm)。步骤1：测试时先开启搅拌器，连续搅拌20 min，将沉积物中吸附的气体释放出来，并用气泵将气体抽出，用注射器从反应器顶部水样采集口抽取混合液10 mL，作为第1个水样；步骤2：模拟化粪池实际运行状态，关闭搅拌器，反应器排气口接集气袋收集气体，间隔6 h反应后再开启搅拌器，连续搅拌20 min，将沉积物中吸附的气体释放出来，用气泵抽出至集气袋，作为第1个气样，用注射器抽取反应器内混合液10 mL作为第2个水样；步骤3：分别间隔8, 11, 14, 16, 18, 22, 25h，重复步骤2，依次得到第2~8个气样和第3~9个水样；步骤4：测定气样中CH4浓度和体积，计算生成的CH4总量，测定水样的COD浓度，由相邻样品浓度的差值和污水体积(5.34 L)计算降解的COD总量。
5. CH4和CO2浓度测定
气体CH4和CO2的测定方法：使用气相色谱仪(安捷伦7890B，FID检测器)测试，柱温为60 ℃，FID检测器温度为250 ℃，载气为高纯氮气，流量为2 mL/min，燃气为氢气和空气，流量分别为45 mL/min与400 mL/min。
水中溶存CH4和CO2的测定方法：将5 mL过滤后的水样注入真空管中，将真空管在振动筛中振荡12 h，以使气相和液相达到平衡。在此过程中，大部分气体转移到气相(25 ℃时约占97%)。使用气相色谱仪(安捷伦7890B，FID检测器)测定管中气相甲烷浓度，利用亨利定律计算初始液相中CO2和CH4的浓度。
02 结果与讨论
1. 有机物去除
反应器1和反应器2对COD的去除情况见图2。可以看出：模拟化粪池对COD的去除率为53.4%~76.9%。水温为25 ℃，进水流量为3.78 L/d时，反应器1和反应器2对COD的平均去除率分别为60.6%和64.2%，进水流量为1.89 L/d时，2个反应器对COD的平均去除率分别为65.9%和68.9%；水温为28℃，进水流量为3.78 L/d时，反应器1和反应器2对COD的平均去除率分别为61.8%和67.5%，进水流量为1.89 L/d时，2个反应器对COD的平均去除率分别为67.4%和71.3%。反应器2对COD的去除率高于反应器1，当进水流量降低或者水温增加时，反应器对COD的去除率均增加。2个反应器的进出水VFA浓度见图3。进水VFA浓度为43.39~57.65 mg/L，出水VFA浓度为34.85~49.87 mg/L，降低了13.6%~24.9%，且进、出水中VFA均以丙酸为主。
图2 反应器对COD的去除
图3 反应器进出水VFA浓度
将本研究中COD的去除率与全国其他地区化粪池对COD的削减率进行对比，发现本研究中化粪池对COD的去除率处于较高水平。有研究指出，污水基底浓度对化粪池污染物的削减量有显著影响，北方地区化粪池对污染物的削减量显著高于南方地区，本研究结果与同属于华北地区的北京水平大体接近。由于化粪池显著去除了污水中的有机物，容易造成污水处理厂碳源不足，因此北方城市需要更加重视对化粪池厌氧消化过程的防控。
2. 温室气体排放
试验通过反应器1和反应器2模拟了底部沉积物高度不同的两种化粪池的运行情况，核算了CH4和CO2的排放强度，结果如图4所示。可以看出，CH4和CO2的排放强度分别为3.1~8.1, 10.3~16.7 mg/L。化粪池进水流量降低时，CH4排放强度将增加。水温为25 ℃时，当进水流量从3.78 L/d降低到1.89 L/d时，反应器1和反应器2的CH4排放强度分别增加了15.4%和26.4%；水温为28 ℃时，当进水流量从3.78 L/d降低到1.89 L/d时，反应器1和反应器2的CH4排放强度分别增加了17.1%和28.8%。
图4 反应器CH4和CO2的排放强度
此外，化粪池CH4排放强度随水温增高而增加。进水流量为3.78 L/d，当水温从25 ℃增加到28 ℃时，反应器1和反应器2的CH4排放强度分别增加了20.0%和27.4%；进水流量为1.89 L/d，当水温从25 ℃增加到28 ℃时，反应器1和反应器2的CH4排放强度分别增加了21.8%和29.8%。与前述的COD去除率差异相比，两种水温条件下化粪池CH4排放强度相差较大，这主要是因为温度除了直接影响产甲烷菌(MA)的活性外，同时还影响了CH4在液相与气相的交换过程，温度升高后MA活性增加，并且将有更多的CH4从液相排放出。
对比不同反应器在相同水温和进水流量条件下的CH4排放强度，发现反应器2的CH4排放强度整体高于反应器1。在水温为25 ℃条件下，当进水流量分别为3.78 L/d和1.89 L/d时，反应器2的CH4排放强度比反应器1分别高37.4%和42.9%；水温为28℃时，两种进水流量条件下，反应器2的CH4排放强度比反应器1分别高41.0%和46.4%。
反应器1和反应器2的实际HRT分别为24, 19.2 h，反应器2由于沉积物较多，实际HRT较低，理论上能产生的CH4总量较少，但是沉积物较多内部微生物总量也较多，提高了系统整体有机物转化为CH4的能力，二者综合作用的结果表明，底部沉积物较多的化粪池，CH4排放风险更大，并且水温更高时，沉积物的影响越明显。因此为实现化粪池的低碳运行，应及时对其底部进行疏通，减小沉积物总量，在夏季水温较高时，更应增加疏通频次。
相对来说，沉积物高度、进水流量对反应器CO2的排放强度影响较小，相同水温、相同进水流量条件下，反应器1和反应器2 CO2的排放强度无显著性差异(P=0.733>0.05)；同一个反应器、相同水温条件下，Q1进水流量和Q2进水流量时CO2的排放强度也无显著性差异(P=0.579>0.05)。但是水温对反应器CO2的排放强度的影响显著，同一个反应器，在相同进水流量条件下，水温28 ℃时反应器CO2的排放强度比25 ℃时高出22.5%~34.9%。
图5显示了去除单位kgCOD反应器1和2排放的CH4质量。在28 ℃和25 ℃条件下，该值分别为0.012~0.047, 0.0095~0.039 kg CH4/kg COD，均值分别为0.029, 0.021 kg CH4/kg COD。已报道的处理生活污水的UASB反应器，甲烷产率为0.05~0.105 kg CH4/kg COD(水温15~23 ℃)，上流式厌氧滤池甲烷产率为0.07~0.16 kg CH4/kg COD(水温16~29℃)，厌氧塘甲烷产率为0.075~0.110 kg CH4/kg COD(水温17.3~25.3 ℃)。可以看出，与这些文献中记录的运行水温相比，本研究水温较高，但是化粪池去除单位质量COD排放的CH4质量却小于文献中的甲烷产率，主要是因为化粪池通常不设置搅拌，与文献反应器相比，水力流动性较差，影响了传质过程。
图5 反应器去除单位质量COD排放的CH4质量
对2个反应器每天排放的溶解态和气态的CH4、CO2质量进行核算，结果见图6和图7。可以看出：在28 ℃时，反应器1和反应器2中的气态CH4排放量为8.5~17.8 mg/d，溶解态CH4排放量为0.4~2.0 mg/d；25 ℃时反应器1和反应器2中的气态CH4排放量为6.0~16.8 mg/d，溶解态CH4排放量为0.7~2.3 mg/d。因此CH4主要以气态形式存在于化粪池的顶部空间，随水流排出的部分较少，这与相关研究的结论一致。另外，底部沉积物越多、水温越高、进水流量越大，反应器顶部空间每天排放的CH4总量越多。由于CH4主要集中在化粪池的顶部空间，所以化粪池并不是后续管网CH4的源头，管网内的CH4主要是其自身沉积物产生。
图6 反应器溶解态和气态的CH4排放量
图7 反应器溶解态和气态的CO2排放量
在28℃时，反应器1和反应器2中的气态CO2排放量为12.2~21.0 mg/d，溶解态CO2排放量为26.4~45.6 mg/d；25℃时反应器1和反应器2中的气态CO2排放量为7.4~16.7 mg/L，溶解态CO2排放量为29.9~52.9 mg/L。因此CO2主要以溶解态存在于反应器的液相，随水流排出反应器，并且底部沉积物越多、进水流量越大，反应器每天随出水排放的CO2总量越多，但是水温升高时，排放的溶解态CO2总量降低，气态CO2总量升高。
3. 化粪池CH4排放因子
通过对混合液和气袋收集到的CH4量以及COD降解量进行核算，得到甲烷的转化率，即排放因子，结果见图8、图9和表1。可以看出：CH4产量和COD去除量之间为非线性关系，随着COD去除率的提高，沼气产量呈指数型增长。在28 ℃，CH4排放因子为0.072~0.147 kg CH4/kg COD，平均值为0.103 kg CH4/kg COD；在25℃, CH4排放因子为0.059~0.110 kg CH4/kg COD，平均值为0.077 kg CH4/kg COD。根据2种温度计算出温度修正因子为1.102，根据温度修正因子计算出20 ℃时CH4排放因子为0.047 kg CH4/kg COD。
图8 28 ℃时反应器的CH4转化率
图9 25 ℃时反应器的CH4转化率
表1 反应器CH4排放因子
IPCC中规定的化粪池CH4排放因子为0.25 kg CH4/kg COD，该值实际上为理论值，是通过化学计算确定的甲烷COD当量，即将甲烷氧化为CO2和H2O时的需氧量。本研究获得的排放因子为理论排放因子的20%~40%，之所以低于理论值，最重要的原因是一部分有机物转化成了新的细菌细胞。
利用28 ℃和25 ℃试验核算的平均CH4排放因子，结合居民人均日COD产生量数值，可计算出2种温度条件下居民人均CH4产量分别为12.36, 9.24 g CH4/(cap·d)。鉴于IPCC提出的推荐值为15.7 g CH4/(cap·d)，其他文献提出的修正值为10~12 g CH4/(cap·d)，可以看出，本研究获得的结果与修正值更为接近。
03 结 论
1）分析了温室气体的排放特征和影响因素，结果表明，在相同进水流量和水温下，底部沉积物较多的化粪池，其CH4排放强度更高，降低进水流量或者增加水温时，化粪池CH4排放强度将增加。在实际运行中，应及时对化粪池底部进行疏通，减小沉积物总量，降低CH4排放的风险。沉积物高度、进水流量对化粪池CO2的排放强度影响较小，但是水温升高后CO2的排放强度将明显增加。化粪池排放的CH4主要以气态形式存在于顶部空间，化粪池并不是管网CH4的源头，CO2主要存在于化粪池的液相，随水流排出。
2）测定了华北某典型小区夏季的CH4排放因子，结果表明，在28，25℃条件下，该化粪池去除单位质量COD排放的CH4分别为0.029, 0.021 kg/kgCOD，产生的CH4分别为0.103, 0.077 kg/kgCOD，小区居民人均CH4产量分别为12.36, 9.24 g CH4/(cap·d)。
3）温室气体排放特征以及碳排放的核算具有极强的地区异质性，但相关研究缺乏试验数据支撑，本研究对华北地区某典型小区化粪池进行试验模拟，填补了温室气体排放水平的数据空白，并首次测算了更加精确的基于实测的国内化粪池CH4排放因子，为化粪池的低碳运行奠定了良好的理论基础。
