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研究综述 | 警惕隐形碳源——化粪池与下水道

北极星水处理网  来源:水业碳中和资讯  作者:杨文宇 郝晓地等  2021/6/18 8:49:45  我要投稿  

北极星水处理网讯:一般认为,二氧化碳(CO2)对温室效应的贡献率最高。但对污水处理厂来说,甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)这两种高温室效应(分别为CO2的25倍和近300倍)的气体则不容忽视,它们的释放往往使污水处理在实现“能量中和”时并不能形成“碳中和”。此外,污水在向污水处理厂传输过程中还会在化粪池或管道中因厌氧而产生CH4,除了会逸散大气成为隐形碳源,再就是CH4聚积后遇明火而频频发生爆炸事故。

1 化粪池及其功能

化粪池是在城市还没有污水处理设施情况下所诞生的简易污水处理设施,但一直被沿用至市政污水处理已经完全普及的今天。当然,作为农村简易污水处理装置,化粪池似乎还有它的存在必要,以至于到2020年,我国仅农村化粪池数量便多达2亿个。通过简易沉淀,化粪池可截留50~60 %污水中悬浮物(SS)及其所含有机物(COD)。结果,沉淀有机物清掏不及时而因厌氧发酵而最终导致CH4产生,形成隐形碳源或危险的定时炸弹。

2 化粪池甲烷排放量测算

根据测算,我国城市/城镇化粪池CH4年排放总量高达126.126万t/a,换算成CO2当量则为3 153万tECO2/a(范围2000~4000万t ECO2/a),已接近3 985万t ECO2/a(2015年数据)的全国污水处理碳排总量。

3 下水道甲烷排放量估算

与化粪池类似,下水道空间相对封闭,空气流通性差,易形成缺氧甚至厌氧环境,导致挂壁或沉积的有机物厌氧发酵而产生CH4。这就使得下水道成为继化粪池后的又一大隐形碳源,通气不畅时还会为公共安全带来巨大威胁(遇明火爆炸!)。此外,大量硫酸盐还原菌还会在厌氧污泥层中产生剧毒气体——硫化氢(H2S),往往成为下水道检查井工人作业的一大杀手(工人因H2S窒息死亡事故屡见不鲜)。

下水道CH4产生主要与COD厌氧降解有关。数据显示,化粪池COD降解系数为0.2,而检查井为其3倍之多,高达0.6。城市下水道CH4产生因子与诸多因素有关,包括管道中固体沉积物情况(与产甲烷菌生存空间有关)、有机物浓度(提供电子与有机物浓度)、碳硫比(决定硫酸盐还原菌与产甲烷菌优势)、污水流速(影响沉积物聚集和输送以及溶解氧浓度)、水力停留时间(HRT)和表面积与体积比(A/V)、温度及pH(存在环境)、管道坡度与充满度(水流流速与DO等有关)、亚硝酸盐和金属离子浓度(对甲烷菌产生影响)等等。

研究显示,下水道甲烷排放系数模拟值为0.0532 g CH4/g COD(每g COD会产生0.0532 g CH4)。理论上,1g COD最多可以产生0.25 gCH4,这意味着下水道中有机物(COD)厌氧转化率>20%。

对韩国大田广域市(DaejeonMetropolitan City,约150 万人)下水道温室气体(GHG)排放量研究显示,该市下水道年均GHG释放量为5.65万t ECO2/a,其中,CH4贡献3.51万t ECO2/a,折算到人均年CH4贡献为23.4 kgECO2/PE·a。

国内人均COD产生量为24 kg/(PE·a)(范围19.35~29.93 kg/PE·a);考虑管道COD收集等综合折减系数0.7,按照上述下水道的CH4排放系数(0.0532 g CH4/g COD)计算,国内人均CH4贡献约为22.3 kgECO2/ PE·a,该值与上述韩国研究数据相当。据此,考虑国内城市/城镇人口8.5亿,粗略估算中国下水道CH4排放量约1 900万tECO2/a,低于化粪池CH4排放量,约为全国污水处理总碳排放量的一半。

与化粪池不同,污水管道设置不可避免,需要寻求更合理的手段抑制CH4和H2S产生,如,通过降低水的紊流程度、改善通风环境、采用耐腐蚀或由内衬保护膜的管材等方式。但只要存在厌氧环境便势必会产生CH4,因此,如何有效可持续地防止CH4和H2S产生成为近年国际研究热点。

4 总结

化粪池与下水道产生CH4是不争的事实,且各自排放量与全国污水处理碳排量同属一个数量级。这种隐形温室气体排放数量巨大而往往又被忽视,即使意识到又难以消除、且难以记账到哪个部门身上。这种“野排”温室气体排放量不可小觑,应该引起政府有关部门的高度关注。当然,也应从防患于未然角度考虑解决办法,如,在目前城市已普及污水处理的情况下应取消化粪池设置规定,不仅最大程度消除CH4产生,而且可为污水处理厂保留更多脱氮除磷可用碳源。

参考文献:

  • 郝晓地, 杨文宇, 林甲. 不可小觑的化粪池甲烷碳排量.中国给水排水, 2017, 33(10): 28-33.
  • 郝晓地, 赵靖, 李俊奇. 集中式污水处理厂取代化粪池可行性分析. 水资源保护, 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.


原标题:研究综述 | 警惕隐形碳源——化粪池与下水道

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