甲烷減排在全球氣候變化應對中的重要性不可忽視。繼美國和歐盟在2021年發起“全球甲烷承諾”后，我國也在2023年發布了《甲烷排放控制行動方案》，提出加強甲烷排放監測、核算、報告和核查等措施。污水管網作為城市基礎設施的重要組成部分，通常處于厭氧環境，容易生成甲烷，然而，現有研究多集中在污水處理廠的甲烷排放，而對污水管網中甲烷的產生機制和排放量的研究仍較為薄弱。鑒于我國污水管網存在雨污錯接、河水倒灌等復雜情況，研究我國典型城市污水管網中的甲烷排放，識別影響因素并估算排放量，對于推動國內甲烷排放控制政策的落實具有重要的理論和實踐意義。

本研究選取了我國典型的南方城市K市ZP段和北方城市B市LD段的分流制污水管網作為研究對象（圖1）。K市和B市的污水管網具有明顯的地域差異，K市的污水管網外來水較多，COD濃度較低，而B市則較少外來水，COD濃度較高，水流狀態也存在差異。采樣工作遵循《城鎮排水設施氣體的檢測方法》（CJ/T 307-2009），并結合國外研究方法，對污水管網中的氣態甲烷和溶解態甲烷進行了采樣。

在數據采集的基礎上，本研究通過質量平衡方法來計算研究管段內的產甲烷量（圖2）。其中溶解態甲烷流入和流出研究管段的量來自實際取樣檢測，使用每小時的溶解態甲烷濃度和流量的乘積計算得到。此外，使用每小時的氣態甲烷濃度與管道內空氣流速以及頂空面積的乘積作為流入或流出研究管段的氣態甲烷量，空氣流速使用EPA開發的經驗公式得到。氣態甲烷流出到環境中的量則根據研究管段內的液位變化來計算，當污水液位升高時，則認為研究管段內空氣向環境大氣中排放。

圖1 監測管段的衛星圖

圖2 質量平衡研究方法

K市ZP管段的沿程溶解態甲烷和氣態甲烷濃度在工作日和周末的24小時變化如圖3所示。該管段的溶解態甲烷濃度平均為9.54 mg/L，氣態甲烷濃度平均為1077 ppm。圖3顯示，工作日的溶解態甲烷和氣態甲烷濃度均顯著高于周末。通過t檢驗和Mann-Whitney檢驗發現，ZP管段中的溶解態甲烷濃度呈現出沿程上升的趨勢，在統計意義上顯著（p值小于0.01），從起點到終點，溶解態甲烷濃度平均上升了19%。

本研究探討了影響污水管道中甲烷生成的主要因素，包括水溫、pH值、DO、有機物（COD、sCOD和C/S）、水力條件（A/V和HRT）以及流速等。使用斯皮爾曼秩相關系數分析了各因素與溶解態甲烷濃度的相關性，結果表明DO、COD和C/S與溶解態甲烷濃度呈現出最強的正相關關系，且統計顯著（p < 0.05）。相對而言，sCOD、流速及A/V × HRT和pH值的相關性較弱，但同樣具有統計顯著性（p < 0.05）。

圖3 ZP污水管段沿程溶解態甲烷和氣態甲烷濃度24 h分布

在B市LD管段的溶解態甲烷濃度監測中（圖4），平均值為0.86 mg/L，這一數值顯著低于K市的9.54 mg/L。溶解態甲烷的濃度呈現出較為平穩的趨勢，工作日和周末的濃度波動較小。具體來說，工作日的濃度范圍為0.70-1.10 mg/L，周末的濃度則稍微減少，范圍為0.65-1.00 mg/L。與K市相比，B市的管道中溶解態甲烷的濃度變化幅度較小，這可能與B市污水管道的管理模式、污水處理水平以及地理位置等因素相關。

與K市相比，B市的氣態甲烷濃度變化反映了一個不同的生成和傳輸機制。B市污水管道中的氣態甲烷濃度更受氣液傳質過程的影響，而不僅僅是甲烷的生成。由于B市可能存在較大的氣液界面，氣態甲烷的濃度在監測期間波動較為劇烈，特別是在氣溫和水流條件變化較大的時段。B市LD管段的甲烷濃度沿程變化與K市有所不同。溶解態甲烷的沿程變化趨勢不明顯，濃度在管道的不同位置變化不大。本研究對B市甲烷濃度的影響因素進行了斯皮爾曼秩相關系數分析。DO、COD和C/S與溶解態甲烷濃度均呈現出顯著的正相關關系（p < 0.05）。

圖4 LD沿程溶解態甲烷和氣態甲烷濃度24 h分布

如圖5所示，K市和B市的污水管甲烷濃度在全球范圍的研究中表現出一定的差異。K市的平均溶解態甲烷濃度為9.54 mg/L，明顯高于B市的0.86 mg/L。這一差異主要源于兩地污水管道的運行條件，尤其是水位和流速的差異。K市的高水位厭氧環境提供了更適宜甲烷生成的條件，因此甲烷生成量更高。此外，K市的溶解態甲烷濃度與泰國的研究結果接近，可能是因為泰國的氣溫普遍較高（約30°C），促進了甲烷生成微生物的活動和甲烷的產生。而B市的甲烷濃度則接近澳大利亞在重力流污水管中的研究結果，這可能與B市管道的類型和污水流量特點相似有關。

K市的氣態甲烷濃度（1077 ppm）略低于B市（2076 ppm）。這一差異可能與兩地的水流速度和氣液傳質過程密切相關。B市的污水管道流速更快，水力擾動效應更強，導致甲烷更容易轉化為氣態并逸散到空氣中。而K市的氣態甲烷濃度較低，可能與其水位較高、氣液傳質較差有關，水流速度較慢，導致甲烷積聚在管道中，難以逸散到空氣中。此外，K市和B市的氣態甲烷濃度均低于國外大多數國家的監測水平。這表明，中國的重力流污水管道系統普遍存在較差的密封性，導致甲烷容易逸散到空氣中，降低了氣態甲烷的濃度。

圖9 各國污水管道甲烷濃度對比

通過結合研究管段的流量數據和甲烷濃度數據，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產量為3.09 kg/d，B市污水管工作日的甲烷產量為2.16 kg/d。通過每米管道的甲烷產量除以該管道的長度，可以得到每米污水管的甲烷排放因子，其中K市的甲烷排放因子為5.19 g/（m·d），B市的甲烷排放因子為4.08 g/（m·d）。

本研究得到的排放因子與國外已有研究進行對比，結果如圖6所示。美國和澳大利亞的研究主要基于有壓流污水管道，顯示的甲烷排放因子較高。而國內和韓國的研究結果則較低。本研究中，K市和B市的排放因子相較于國內其他研究和韓國的研究較高，接近澳大利亞的結果。這表明，污水管道的運行條件對甲烷排放因子的影響至關重要，特別是管道的水流類型、密封性等因素。

根據2020年中國城市污水年排放量數據（約5.71×1010 m³），結合污水管的總長度（80.30萬km），可以估算出2020年全國污水管網的甲烷排放量。根據本研究的甲烷排放因子，計算得到全國污水管網甲烷產量為（19.51 ~ 24.80）× 106 t CO2當量。

圖10 各國污水管甲烷排放因子對比

本研究對我國南北方兩城市的重力流污水管道甲烷排放過程進行了研究，分析了甲烷濃度與各水質指標之間的關系，比較了我國與其他國家的甲烷濃度和排放因子，估算了我國污水管道產甲烷量。未來仍需針對以下方面對污水管產甲烷能力進行深入研究：

（1）對不同城市，不同管道類型，不同水力模式（如工作日和周末）以及不同季節的污水管進行更多的監測，進一步探究排放差異的關鍵影響因素。

（3）探究氣液傳質以及污水管內通風、跌水等對甲烷產排的影響，并區分沉積物和生物膜對污水管產甲烷能力的貢獻。

（4）開發構建污水管綜合模型，精細量化污水管甲烷產量，并實現對污水管產甲烷的調控。

微信對原文有修改。原文標題：我國南北兩城市重力流污水管道甲烷排放過程研究；作者：劉武雙、高菁陽、朱春偉、鐘麗錦、周莉芬、董欣；作者單位：清華大學環境學院、北京環丁環保大數據研究院、北京大學工學院、清華蘇州環境創新研究院、昆山市水務局、環境模擬與污染控制國家重點實驗室。刊登在《給水排水》2024年第10期。