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警惕隱形碳源:化糞池與下水道碳排放問題簡述
更新時間:2021-06-21 來源:水業碳中和資訊 作者:楊文宇 郝曉地等

  一般認為,二氧化碳(CO2)對溫室效應的貢獻率最高。但對污水處理廠來說,甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)這兩種高溫室效應(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現“能量中和”時并不能形成“碳中和”。此外,污水在向污水處理廠傳輸過程中還會在化糞池或管道中因厭氧而產生CH4,除了會逸散大氣成為隱形碳源,再就是CH4聚積后遇明火而頻頻發生爆炸事故。

  1 化糞池及其功能

  化糞池是在城市還沒有污水處理設施情況下所誕生的簡易污水處理設施,但一直被沿用至市政污水處理已經完全普及的今天。當然,作為農村簡易污水處理裝置,化糞池似乎還有它的存在必要,以至于到2020年,我國僅農村化糞池數量便多達2億個。通過簡易沉淀,化糞池可截留50~60 %污水中懸浮物(SS)及其所含有機物(COD)。結果,沉淀有機物清掏不及時而因厭氧發酵而最終導致CH4產生,形成隱形碳源或危險的定時炸彈。

  2 化糞池甲烷排放量測算

  根據測算,我國城市/城鎮化糞池CH4年排放總量高達126.126萬t/a,換算成CO2當量則為3153萬tECO2/a(范圍2000~4000萬t ECO2/a),已接近3985萬t ECO2/a(2015年數據)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,下水道空間相對封閉,空氣流通性差,易形成缺氧甚至厭氧環境,導致掛壁或沉積的有機物厭氧發酵而產生CH4。這就使得下水道成為繼化糞池后的又一大隱形碳源,通氣不暢時還會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在厭氧污泥層中產生劇毒氣體——硫化氫(H2S),往往成為下水道檢查井工人作業的一大殺手(工人因H2S窒息死亡事故屢見不鮮)。

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

  研究顯示,下水道甲烷排放系數模擬值為0.0532 g CH4/g COD(每g COD會產生0.0532g CH4)。理論上,1g COD最多可以產生0.25 gCH4,這意味著下水道中有機物(COD)厭氧轉化率>20%。

  對韓國大田廣域市(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3.51萬t ECO2/a,折算到人均年CH4貢獻為23.4 kgECO2/PE·a。

  國內人均COD產生量為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0.7,按照上述下水道的CH4排放系數(0.0532 g CH4/g COD)計算,國內人均CH4貢獻約為22.3 kgECO2/ PE·a,該值與上述韓國研究數據相當。據此,考慮國內城市/城鎮人口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,污水管道設置不可避免,需要尋求更合理的手段抑制CH4和H2S產生,如,通過降低水的紊流程度、改善通風環境、采用耐腐蝕或由內襯保護膜的管材等方式。但只要存在厭氧環境便勢必會產生CH4,因此,如何有效可持續地防止CH4和H2S產生成為近年國際研究熱點。

  4 總結

  化糞池與下水道產生CH4是不爭的事實,且各自排放量與全國污水處理碳排量同屬一個數量級。這種隱形溫室氣體排放數量巨大而往往又被忽視,即使意識到又難以消除、且難以記賬到哪個部門身上。這種“野排”溫室氣體排放量不可小覷,應該引起政府有關部門的高度關注。當然,也應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取消化糞池設置規定,不僅最大程度消除CH4產生,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:

  郝曉地, 楊文宇, 林甲. 不可小覷的化糞池甲烷碳排量.中國給水排水, 2017, 33(10): 28-33.郝曉地, 趙靖, 李俊奇. 集中式污水處理廠取代化糞池可行性分析. 水資源保護, 2006, 22(4), 85-87.Kyung D, Kim D, Yi S, et al. 2017. Estimationof greenhouse gas emissions from sewer pipeline system[J]. The InternationalJournal of Life Cycle Assessment, 2017, 22(12):1901-1911. 10.1007/s11367-017-1288-9.


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