生活污水处理厂甲烷的释放通量及其影响因素

张 星，陈敏东,2*，高庆先，马占云

(1.南京信息工程大学 环境科学与工程学院，江苏 南京 210044；2.江苏省大气环境监测与污染控制高技术重点实验室/江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044；3.中国环境科学研究院，北京 100012)

甲烷进入到大气中，会进一步导致温室气体含量的升高，加剧全球气候变暖，最终导致农业环境恶化，病虫害、农业旱涝频发，显著影响农业的稳定生产[1-2]。据估计，甲烷的人为释放量约占全球释放总量的70%，人为释放源主要有湿地、畜牧业、农田、垃圾填埋场、生活污水和工业废水等，其中生活污水处理过程是甲烷产生一个重要的释放源[3]。中国人口众多，生活污水排放量巨大，污水处理过程中会产生大量的甲烷气体。Czepiel等[4]对采用好氧活性污泥法工艺的生活污水处理厂的CH4释放进行了研究，计算出CH4排放因子为1.36 kg/kg(CH4/BOD)。Foley等[5]对采用Carrousel氧化沟工艺的两个生活污水厂的CH4释放进行了研究，分别计算出CH4排放因子为8.7 kg/kg(CH4/COD)、5.3 kg/kg(CH4/COD)。Daelmand等[6]对采用氧化沟工艺的生活污水处理厂的CH4释放进行了研究，计算出CH4的排放因子为0.015 kg/kg(CH4/COD)。国外生活污水处理厂的规模、进水水质、工艺流程、工作效率和服务人口等，与我国生活污水处理厂都有较大差异。而具体针对江苏省生活污水处理过程中的甲烷排放因子未见报道。因此，本文以南京某生活污水处理厂(下文简称该污水处理厂)为研究对象，监测各个构筑物的甲烷释放通量，结合其影响因素，分析该污水处理厂的甲烷释放规律及其与影响因素的相关性，以期准确获取当地生活污水处理过程中甲烷的排放因子，对掌握我国温室气体中甲烷的产生现状和进一步评估温室气体中甲烷的减排具有借鉴作用。

1 材料和方法

1.1 实验地点简介和实验布置

该污水处理厂位于南京市东南部，服务面积约为25.13 km2，日处理污水为8万m3，进水主要是生活污水。该污水处理厂的污水处理采用改良氧化沟工艺，经旋转沉砂池对污水进行预处理后，采用氧化沟活性污泥生物脱氮除磷工艺，对污水进行二级处理，工艺流程如图1，污水处理厂的进、出水主要水质指标如表1。

图1 该污水处理厂污水处理工艺流程Fig.1 Schematic diagram of wastewater treatment process for the Nanjing WWTP

表1 污水处理厂进出水水质Tab.1 Water quality parameters of the influent and effluent measured from Nanjing WWTP mg/L

1.2 样品采集

2016年12月4日到2017年6月27日，每次10:00对该污水处理厂的格栅、旋转沉砂池、厌氧区、缺氧区、氧化沟、二沉池、高效沉淀池、贮泥池进行甲烷气体的采集，每月采集7次，构筑物的布点见表2。

用漂浮箱采集气体样品，采样装置由漂浮底座和有机玻璃圆柱箱体组成，采样器的直径0.3 m，采样时与污水/污泥接触面积为0.07 m2。非曝气面的构筑物每次间隔3 min用泵从采样器中采集气体样品，并保存在铝箔气体采样袋中，每个采样点连续采集6个样品；曝气面的构筑物直接把采样器固定在污水表面进行采集，然后所有样品在48 h内用实验仪器分析。

表2 污水处理厂采样构筑物及布点Tab.2 The number of sampling points of each wastewater treatment process

1.3 气体样品分析

CH4气样浓度由气相色谱仪测定，气相色谱(安捷伦6890)配有FID检测器，SS-2 m×2 mm×13XMS (60×80目)填充柱，检测器温度250 ℃；配有ECD检测器，SS-3 m×2 mm×Porapak Q(80/100目)填充柱,检测器温度350℃。柱箱温度55 ℃，载气、空气和氢气流量分别为30,400,30 cm3/min。

1.4 释放通量的计算

根据污水/污泥表面气体释放量的大小，将污水处理厂构筑物划分为两种类型：曝气构筑物和非曝气构筑物。两种类型的构筑物分别采用不同的气体计算方式。

(1)非曝气面:气体的释放通量计算公式：CH4释放通量=(V/A)ρ(dc/dt)

①

式①中，V：采样器中密闭气体的体积；A：采样器密闭的水面面积或污泥表面面积；ρ：气体在所测温度下的气体密度；dc/dt：浓度的增加速率。

(2)曝气面：气体的释放通量计算公式：CH4释放通量=ρcQ/A

②

式②中，ρ：气体在所测温度下的气体密度；c：样品气体浓度；Q：气体流量；A：采样器密闭的水面面积或污泥表面面积。

2 结果和讨论

2.1 各构筑物甲烷的释放通量

监测结果分析发现该污水处理厂各个构筑物甲烷释放通量的变化趋势为旋转沉砂池28.95 g/(m2·d)、格栅18.65 g/(m2·d)、厌氧区5.56 g/(m2·d)、氧化沟3.16 g/(m2·d)、高效沉淀池1.77 g/(m2·d)、缺氧区0.55 g/(m2·d)、二沉池0.29 g/(m2·d)、贮泥池0.15 g/(m2·d)。

图2 构筑物甲烷释放通量Fig.2 CH4 fluxes from structure

旋转沉砂池和格栅的甲烷释放通量较高是因为污水在流入污水处理厂的过程中，经过长时间的密闭的管道，产生了大量的甲烷气体，溶解在污水的甲烷在旋转沉砂池水流的搅动下产生了释放。厌氧区的厌氧环境，有利于甲烷细菌分解污水中的有机物，产生甲烷气体，一部分以溶解态的形式存在，另外一部分逸散到大气中。氧化沟的甲烷主要来源于厌氧区和缺氧区的溶解态甲烷，通过氧化沟的底部曝气作用释放出来。高效沉淀池、缺氧区、二沉池、贮泥池的甲烷释放通量都较低(图2)。

2.2 甲烷年释放总量及排放因子

为计算该污水处理厂的甲烷排放因子，先得出各构筑物的甲烷年释放总量，计算公式：

CH4释放总量=A×CH4释放通量×365

③

式③中，CH4释放总量：各构筑物甲烷年释放总量，单位kg/yr；A：各构筑物的污水的面积，单位m2；CH4释放通量：各构筑物甲烷气体的释放通量，单位g/(m2·d)。

从表3可以看出，该污水处理厂的甲烷主要释放构筑物为：氧化沟43.66%、厌氧区38.41%、旋转沉砂池5.02%、二沉池3.80%、缺氧区3.80%。这5个构筑物的甲烷释放量贡献整体释放量的94.69%。

因为该污水处理厂不同构筑物的污水/污泥面积差异很大，所以不同构筑物甲烷的释放通量排序和甲烷的年释放总量排序是不同的。氧化沟和厌氧区的面积较大，并且甲烷的释放通量较高，导致这两个构筑物甲烷贡献整体释放量的82.07%。

根据该污水处理厂每个构筑物甲烷年释放总量，测算出全年的甲烷整体释放总量为12 625.61 kg(表3)，根据污水处理厂的进出水化学需氧量(chemical oxygen demand)，测算出采样期间污水的COD去除量为276 044.01 kg，最终计算出甲烷的排放因子为0.045 7 kg/kg(CH4/COD)。

表3 甲烷年释放总量Tab.3 Total annual methane flux

2.3 生活污水厂甲烷释放的影响因素

众多实验研究发现，影响甲烷释放量的因素有pH、水温、化学需氧量浓度、溶解氧等[4,7-13]，本文以该生活污水处理厂为例，对甲烷的释放通量与化学需氧量、水温和溶解氧进行相关性分析。

2.3.1 化学需氧量 El-Fadel[14]研究发现，COD是影响甲烷释放的重要因素。亓鹏玉等[15]对中国济南生活污水处理厂进行采样分析，甲烷的释放通量和COD的比较显著相关(R2=0.69)。本实验污水处理厂的进水COD在60～470 mg/L，具有较大的波动范围，因此对厌氧区的甲烷释放通量和COD相关性分析，发现厌氧区的甲烷释放通量与COD相关性比较显著(R2=0.63)(图3)。

Bryant[16]提出厌氧消化过程的三阶段理论，甲烷是由污水中的有机物厌氧消化产生的，第一阶段：将复杂有机物经微生物作用水解成简单有机物，如纤维素水解为单糖后，再分解为丙酮酸。第二阶段：产氢产乙酸细菌和同型产乙酸细菌等两种细菌把第一阶段的主要产物脂肪酸和醇类进一步分解为乙酸和氢气。产氢产乙酸细菌将第一阶段产物分解成氢及乙酸，同型产乙酸菌将二氧化碳和氢合成乙酸。第三阶段：此阶段由两组不同的严格厌氧的产甲烷菌群产生甲烷。一种微生物是将乙酸生成甲烷和二氧化碳；另一种微生物将氢气和二氧化碳合成甲烷。所以，甲烷的产生需要严格的厌氧环境,厌氧区的COD在100～400 mg/L的范围内，COD越高越有利于释放出大量的甲烷。

图3 厌氧区甲烷释放通量与COD的关系Fig.3 Relationship between CH4 flux and COD in anaerobic zone

图4 厌氧区甲烷释放通量与水温的关系Fig.4 Relationship between CH4 flux and water temperaturein anaerobic zone

图5 氧化沟甲烷释放通量与溶解氧的关系Fig.5 Relationship between CH4 flux and water temperature in oxidation ditch

2.3.2 污水温度 Czepiel等[4]研究发现，曝气沉砂池的CH4释放通量与水温具有显著相关性。Wang等[17]研究发现，中国济南一座采用厌氧/缺氧/好氧工艺生活污水处理厂，CH4释放通量与污泥浓缩池的水温成正相关。李慧娟等[18]研究发现，在西安的两座生活污水处理厂的生物处理部分的构筑物中，CH4释放通量与水温具有显著相关性。

采样期间的水温变化较大，厌氧区的甲烷释放通量与水温的相关性比较显著(R2=0.66)(图4)。结果说明，10～20 ℃，水温越高，越有利于甲烷气体的释放。

2.3.3 溶解氧 王金鹤[19]研究发现，CH4释放通量与好氧池具有显著相关性。李慧娟等[18]研究发现，在西安的两座生活污水处理厂的生物处理部分的构筑物中，CH4释放通量与好氧池具有显著相关性。试验结果表明，该污水处理厂的氧化沟的CH4释放通量与溶解氧相关性比较显著(R2=0.62)(图5)，主要原因是氧化沟的越剧烈曝气，越会促使溶解态的甲烷较快的从污水中逸散出来。

3 结 论

本文研究发现，该生活污水处理厂甲烷的主要释放构筑物为氧化沟和厌氧区，贡献整体释放量的82.07%，格栅、旋转沉砂池、缺氧区、二沉池、高效沉淀池和贮泥池，贡献整体释放量的17.93%。该污水处理厂每年排放12 625.61 kg甲烷，排放因子为0.045 7 kg/kg(CH4/COD)。另外，COD、水温和溶解氧是甲烷释放的重要影响因素。

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