研究綜述 | 警惕隱形碳源——化糞池與下水道

一般認(rèn)為，二氧化碳（CO₂）對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最高。但對(duì)污水處理廠來說，甲烷（CH₄）和氧化亞氮（N₂O）這兩種高溫室效應(yīng)（分別為CO₂的25倍和近300倍）的氣體則不容忽視，它們的釋放往往使污水處理在實(shí)現(xiàn)“能量中和”時(shí)并不能形成“碳中和”。此外，污水在向污水處理廠傳輸過程中還會(huì)在化糞池或管道中因厭氧而產(chǎn)生CH₄，除了會(huì)逸散大氣成為隱形碳源，再就是CH₄聚積后遇明火而頻頻發(fā)生爆炸事故。

1 化糞池及其功能

化糞池是在城市還沒有污水處理設(shè)施情況下所誕生的簡(jiǎn)易污水處理設(shè)施，但一直被沿用至市政污水處理已經(jīng)完全普及的今天。當(dāng)然，作為農(nóng)村簡(jiǎn)易污水處理裝置，化糞池似乎還有它的存在必要，以至于到2020年，我國僅農(nóng)村化糞池?cái)?shù)量便多達(dá)2億個(gè)。通過簡(jiǎn)易沉淀，化糞池可截留50~60 %污水中懸浮物（SS）及其所含有機(jī)物（COD）。結(jié)果，沉淀有機(jī)物清掏不及時(shí)而因厭氧發(fā)酵而最終導(dǎo)致CH₄產(chǎn)生，形成隱形碳源或危險(xiǎn)的定時(shí)炸彈。

2 化糞池甲烷排放量測(cè)算

根據(jù)測(cè)算，我國城市/城鎮(zhèn)化糞池CH₄年排放總量高達(dá)126.126萬t/a，換算成CO2當(dāng)量則為3 153萬tECO₂/a（范圍2000~4000萬t ECO2/a），已接近3 985萬t ECO₂/a（2015年數(shù)據(jù)）的全國污水處理碳排總量。

3 下水道甲烷排放量估算

與化糞池類似，下水道空間相對(duì)封閉，空氣流通性差，易形成缺氧甚至厭氧環(huán)境，導(dǎo)致掛壁或沉積的有機(jī)物厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生CH₄。這就使得下水道成為繼化糞池后的又一大隱形碳源，通氣不暢時(shí)還會(huì)為公共安全帶來巨大威脅（遇明火爆炸！）。此外，大量硫酸鹽還原菌還會(huì)在厭氧污泥層中產(chǎn)生劇毒氣體——硫化氫（H2S），往往成為下水道檢查井工人作業(yè)的一大殺手（工人因H2S窒息死亡事故屢見不鮮）。

下水道CH4產(chǎn)生主要與COD厭氧降解有關(guān)。數(shù)據(jù)顯示，化糞池COD降解系數(shù)為0.2，而檢查井為其3倍之多，高達(dá)0.6。城市下水道CH4產(chǎn)生因子與諸多因素有關(guān)，包括管道中固體沉積物情況（與產(chǎn)甲烷菌生存空間有關(guān)）、有機(jī)物濃度（提供電子與有機(jī)物濃度）、碳硫比（決定硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌優(yōu)勢(shì)）、污水流速（影響沉積物聚集和輸送以及溶解氧濃度）、水力停留時(shí)間（HRT）和表面積與體積比（A/V）、溫度及pH（存在環(huán)境）、管道坡度與充滿度（水流流速與DO等有關(guān)）、亞硝酸鹽和金屬離子濃度（對(duì)甲烷菌產(chǎn)生影響）等等。

研究顯示，下水道甲烷排放系數(shù)模擬值為0.0532 g CH4/g COD（每g COD會(huì)產(chǎn)生0.0532 g CH4）。理論上，1g COD最多可以產(chǎn)生0.25 gCH4，這意味著下水道中有機(jī)物（COD）厭氧轉(zhuǎn)化率>20%。

對(duì)韓國大田廣域市（DaejeonMetropolitan City，約150 萬人）下水道溫室氣體（GHG）排放量研究顯示，該市下水道年均GHG釋放量為5.65萬t ECO2/a，其中，CH4貢獻(xiàn)3.51萬t ECO2/a，折算到人均年CH4貢獻(xiàn)為23.4 kgECO2/PE·a。

國內(nèi)人均COD產(chǎn)生量為24 kg/(PE·a)（范圍19.35~29.93 kg/PE·a）；考慮管道COD收集等綜合折減系數(shù)0.7，按照上述下水道的CH4排放系數(shù)（0.0532 g CH4/g COD）計(jì)算，國內(nèi)人均CH4貢獻(xiàn)約為22.3 kgECO2/ PE·a，該值與上述韓國研究數(shù)據(jù)相當(dāng)。據(jù)此，考慮國內(nèi)城市/城鎮(zhèn)人口8.5億，粗略估算中國下水道CH4排放量約1 900萬tECO₂/a，低于化糞池CH4排放量，約為全國污水處理總碳排放量的一半。

與化糞池不同，污水管道設(shè)置不可避免，需要尋求更合理的手段抑制CH4和H2S產(chǎn)生，如，通過降低水的紊流程度、改善通風(fēng)環(huán)境、采用耐腐蝕或由內(nèi)襯保護(hù)膜的管材等方式。但只要存在厭氧環(huán)境便勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生CH4，因此，如何有效可持續(xù)地防止CH4和H2S產(chǎn)生成為近年國際研究熱點(diǎn)。

4 總結(jié)

化糞池與下水道產(chǎn)生CH₄是不爭(zhēng)的事實(shí)，且各自排放量與全國污水處理碳排量同屬一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種隱形溫室氣體排放數(shù)量巨大而往往又被忽視，即使意識(shí)到又難以消除、且難以記賬到哪個(gè)部門身上。這種“野排”溫室氣體排放量不可小覷，應(yīng)該引起政府有關(guān)部門的高度關(guān)注。當(dāng)然，也應(yīng)從防患于未然角度考慮解決辦法，如，在目前城市已普及污水處理的情況下應(yīng)取消化糞池設(shè)置規(guī)定，不僅最大程度消除CH4產(chǎn)生，而且可為污水處理廠保留更多脫氮除磷可用碳源。

參考文獻(xiàn)：

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