对我国南北方两城市的重力流污水管道甲烷排放过程进行了研究，得到南方城市污水管道平均溶解态和气态甲烷浓度以及甲烷排放因子分别为9.52 mg/L、1 076 ppm和5.19 g/（m·d），北方城市污水管平均溶解态和气态甲烷浓度以及排放因子分别为0.84 mg/L、2 075 ppm和4.08 g/（m·d）。同时分析了甲烷浓度与各水质指标之间的关系，比较了我国与其他国家的甲烷浓度和排放因子，估算了我国污水管道产甲烷量，并对未来的研究方向提出了建议。
引用本文：刘武双,高菁阳,朱春伟，等. 我国南北两城市重力流污水管道甲烷排放过程研究［J］. 给水排水，2024，50（10）：127-137，145.
通信作者
董 欣
清华大学环境学院副教授，《给水排水》青年编委。主要研究方向为城市水系统集成模拟与实时控制。
甲烷减排在全球气候变化应对中的重要性不可忽视。继美国和欧盟在2021年发起“全球甲烷承诺”后，我国也在2023年发布了《甲烷排放控制行动方案》，提出加强甲烷排放监测、核算、报告和核查等措施。污水管网作为城市基础设施的重要组成部分，通常处于厌氧环境，容易生成甲烷，然而，现有研究多集中在污水处理厂的甲烷排放，而对污水管网中甲烷的产生机制和排放量的研究仍较为薄弱。鉴于我国污水管网存在雨污错接、河水倒灌等复杂情况，研究我国典型城市污水管网中的甲烷排放，识别影响因素并估算排放量，对于推动国内甲烷排放控制政策的落实具有重要的理论和实践意义。
污水管道中甲烷的监测方法
本研究选取了我国典型的南方城市K市ZP段和北方城市B市LD段的分流制污水管网作为研究对象（图1）。K市和B市的污水管网具有明显的地域差异，K市的污水管网外来水较多，COD浓度较低，而B市则较少外来水，COD浓度较高，水流状态也存在差异。采样工作遵循《城镇排水设施气体的检测方法》（CJ/T 307-2009），并结合国外研究方法，对污水管网中的气态甲烷和溶解态甲烷进行了采样。
在数据采集的基础上，本研究通过质量平衡方法来计算研究管段内的产甲烷量（图2）。其中溶解态甲烷流入和流出研究管段的量来自实际取样检测，使用每小时的溶解态甲烷浓度和流量的乘积计算得到。此外，使用每小时的气态甲烷浓度与管道内空气流速以及顶空面积的乘积作为流入或流出研究管段的气态甲烷量，空气流速使用EPA开发的经验公式得到。气态甲烷流出到环境中的量则根据研究管段内的液位变化来计算，当污水液位升高时，则认为研究管段内空气向环境大气中排放。
图1 监测管段的卫星图
图2 质量平衡研究方法
结果与讨论
K市ZP管段的沿程溶解态甲烷和气态甲烷浓度在工作日和周末的24小时变化如图3所示。该管段的溶解态甲烷浓度平均为9.54 mg/L，气态甲烷浓度平均为1077 ppm。图3显示，工作日的溶解态甲烷和气态甲烷浓度均显著高于周末。通过t检验和Mann-Whitney检验发现，ZP管段中的溶解态甲烷浓度呈现出沿程上升的趋势，在统计意义上显著（p值小于0.01），从起点到终点，溶解态甲烷浓度平均上升了19%。
本研究探讨了影响污水管道中甲烷生成的主要因素，包括水温、pH值、DO、有机物（COD、sCOD和C/S）、水力条件（A/V和HRT）以及流速等。使用斯皮尔曼秩相关系数分析了各因素与溶解态甲烷浓度的相关性，结果表明DO、COD和C/S与溶解态甲烷浓度呈现出最强的正相关关系，且统计显著（p < 0.05）。相对而言，sCOD、流速及A/V × HRT和pH值的相关性较弱，但同样具有统计显著性（p < 0.05）。
图3 ZP污水管段沿程溶解态甲烷和气态甲烷浓度24 h分布
在B市LD管段的溶解态甲烷浓度监测中（图4），平均值为0.86 mg/L，这一数值显著低于K市的9.54 mg/L。溶解态甲烷的浓度呈现出较为平稳的趋势，工作日和周末的浓度波动较小。具体来说，工作日的浓度范围为0.70-1.10 mg/L，周末的浓度则稍微减少，范围为0.65-1.00 mg/L。与K市相比，B市的管道中溶解态甲烷的浓度变化幅度较小，这可能与B市污水管道的管理模式、污水处理水平以及地理位置等因素相关。
与K市相比，B市的气态甲烷浓度变化反映了一个不同的生成和传输机制。B市污水管道中的气态甲烷浓度更受气液传质过程的影响，而不仅仅是甲烷的生成。由于B市可能存在较大的气液界面，气态甲烷的浓度在监测期间波动较为剧烈，特别是在气温和水流条件变化较大的时段。B市LD管段的甲烷浓度沿程变化与K市有所不同。溶解态甲烷的沿程变化趋势不明显，浓度在管道的不同位置变化不大。本研究对B市甲烷浓度的影响因素进行了斯皮尔曼秩相关系数分析。DO、COD和C/S与溶解态甲烷浓度均呈现出显著的正相关关系（p < 0.05）。
图4 LD沿程溶解态甲烷和气态甲烷浓度24 h分布
如图5所示，K市和B市的污水管甲烷浓度在全球范围的研究中表现出一定的差异。K市的平均溶解态甲烷浓度为9.54 mg/L，明显高于B市的0.86 mg/L。这一差异主要源于两地污水管道的运行条件，尤其是水位和流速的差异。K市的高水位厌氧环境提供了更适宜甲烷生成的条件，因此甲烷生成量更高。此外，K市的溶解态甲烷浓度与泰国的研究结果接近，可能是因为泰国的气温普遍较高（约30°C），促进了甲烷生成微生物的活动和甲烷的产生。而B市的甲烷浓度则接近澳大利亚在重力流污水管中的研究结果，这可能与B市管道的类型和污水流量特点相似有关。
K市的气态甲烷浓度（1077 ppm）略低于B市（2076 ppm）。这一差异可能与两地的水流速度和气液传质过程密切相关。B市的污水管道流速更快，水力扰动效应更强，导致甲烷更容易转化为气态并逸散到空气中。而K市的气态甲烷浓度较低，可能与其水位较高、气液传质较差有关，水流速度较慢，导致甲烷积聚在管道中，难以逸散到空气中。此外，K市和B市的气态甲烷浓度均低于国外大多数国家的监测水平。这表明，中国的重力流污水管道系统普遍存在较差的密封性，导致甲烷容易逸散到空气中，降低了气态甲烷的浓度。
图9 各国污水管道甲烷浓度对比
通过结合研究管段的流量数据和甲烷浓度数据，可以估算出K市ZP污水管和B市LD污水管的甲烷排放因子。K市污水管工作日的甲烷产量为3.09 kg/d，B市污水管工作日的甲烷产量为2.16 kg/d。通过每米管道的甲烷产量除以该管道的长度，可以得到每米污水管的甲烷排放因子，其中K市的甲烷排放因子为5.19 g/（m·d），B市的甲烷排放因子为4.08 g/（m·d）。
本研究得到的排放因子与国外已有研究进行对比，结果如图6所示。美国和澳大利亚的研究主要基于有压流污水管道，显示的甲烷排放因子较高。而国内和韩国的研究结果则较低。本研究中，K市和B市的排放因子相较于国内其他研究和韩国的研究较高，接近澳大利亚的结果。这表明，污水管道的运行条件对甲烷排放因子的影响至关重要，特别是管道的水流类型、密封性等因素。
根据2020年中国城市污水年排放量数据（约5.71×1010 m³），结合污水管的总长度（80.30万km），可以估算出2020年全国污水管网的甲烷排放量。根据本研究的甲烷排放因子，计算得到全国污水管网甲烷产量为（19.51 ~ 24.80）× 106 t CO2当量。
图10 各国污水管甲烷排放因子对比
总结与展望
本研究对我国南北方两城市的重力流污水管道甲烷排放过程进行了研究，分析了甲烷浓度与各水质指标之间的关系，比较了我国与其他国家的甲烷浓度和排放因子，估算了我国污水管道产甲烷量。未来仍需针对以下方面对污水管产甲烷能力进行深入研究：
（1）对不同城市，不同管道类型，不同水力模式（如工作日和周末）以及不同季节的污水管进行更多的监测，进一步探究排放差异的关键影响因素。
（3）探究气液传质以及污水管内通风、跌水等对甲烷产排的影响，并区分沉积物和生物膜对污水管产甲烷能力的贡献。
（4）开发构建污水管综合模型，精细量化污水管甲烷产量，并实现对污水管产甲烷的调控。
微信对原文有修改。原文标题：我国南北两城市重力流污水管道甲烷排放过程研究；作者：刘武双、高菁阳、朱春伟、钟丽锦、周莉芬、董欣；作者单位：清华大学环境学院、北京环丁环保大数据研究院、北京大学工学院、清华苏州环境创新研究院、昆山市水务局、环境模拟与污染控制国家重点实验室。刊登在《给水排水》2024年第10期。
