城市污水输送过程中管网内温室气体的产生机制

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近年来,由于经济和科技的高速发展,大量的温室气体由于人类活动的增加排入大气,产生“温室效应”,引起了世界各国的广泛关注。其中,污水污泥处理系统是温室气体排放的主要源头之一。污水领域已有比较权威的全球框架性标准和相关的数学模型。在污水输送过程中的污水管网生物膜内,丰富的微生物活动既改变了水质,又产生大量的温室气体。但是,目前的研究很少对污水输送过程中产生的温室气体进行定量分析。基于此,本研究以西安市城市污水管网为研究对象,选择典型管段,经过3年的长期监测,结合碳足迹分析法,对全市范围内839 km污水管道温室气体进行了计算和评估。对监测结果统计分析可知,支管、干管和主干管中CO2的平均浓度分别为5916mg/L、2871 mg/L和1830 mg/L,CH4平均浓度分别为2937 mg/L、1445 mg/L和914 mg/L。西安市城市污水管网的支管、干管和主干管长度分别为247521 m、219506 m、371873 m,直径分别为1000-2000 mm,400-800 mm和250-500 mm,平均流速分别为0.0027 m3/s、0.027 m3/s、0.045 m3/s。所以,计算得到西安市城市污水管网总CO2排放量为15.07 t/d,总CH4排放量为7.50 t/d。结合CO2和CH4对温室效应的影响因子(1:23),可得到西安市污水输送过程中产生的温室气体总量为187.59 t/d。为了进一步探究管网中温室气体产生的具体途径,本文将监测到的各类污染物在管道沿程的变化与相应管段中的微生物相结合。结果表明,污水输送过程中产生CO2的有机物主要有葡萄糖、蛋白质、油脂类物质等。葡萄糖产CO2主要有四种途径:1)葡萄糖降解生成乙醇和CO2;2)葡萄糖降解为乳酸,接着乳酸降解产生乙酸和CO2;3)葡萄糖降解生成乙酸、丙酸和CO2,丙酸进一步降解为乙酸和CO2;4)葡萄糖降解生成丁酸和CO2。优势作用菌有甲苯单胞菌属、黄杆菌属、明串珠菌属、乳酸菌、韦荣球菌属、脱氮嗜脂环物菌、厌氧绳菌属、嗜水气单胞菌属及肠杆菌属。蛋白类降解产CO2主要有三种途径:1)尿素降解生成NH3和CO2;2)蛋白质降解为氨基酸,同时伴随着CO2的生成;3)氨基酸降解生成乙酸、丙酸、丁酸和CO2,丙酸和丁酸进一步转换为乙酸和CO2。优势作用菌有大肠杆菌、葡萄球菌、霉菌、毛菌、克雷伯菌、大肠杆菌、链球菌、脱氮嗜脂环物菌及厌氧绳菌属。油脂类降解产生CO2主要有三种途径:1)甘油降解生成乙酸和CO2;2)油脂类水解生成的甘油可降解为乙醇和CO2;3)脂肪酸降解生成甲醇,甲醇可进一步被分解产生CO2。优势作用菌有费氏丙酸杆菌、脱氮嗜脂环物菌、厌氧绳菌属、大肠杆菌、克吕沃尔氏菌、克雷伯菌、芽孢杆菌、产甲烷杆菌。产生CH4主要有四种途径:乙酸转化产生甲烷;甲酸转化产生甲烷;甲醇转化产生甲烷;甲胺转化产生甲烷。优势菌属为各类产甲烷菌。将各途径在管网中产生的温室气体量进行计算,进一步计算及分析发现,总温室气体的计算值与监测值近似(监测值:187.59 t/d;计算值:199.25 t/d),由此可以证明城市污水管网直接排放的温室气体是管网中各污染物经过一系列生化反应所产生的。依据人均碳排放量对其他地区城市污水管网的温室气体量进行推算,我国东部及中部四川盆地排放量较高,而西部地区排放量较低。与不同行业的温室气体排放量进行对比,结果显示城市污水管网温室气体的排放量较大,需要引起关注。
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