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　　https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-022-1537-4

　　文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 54

原文信息

　　题目：

　　Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or Recovery?

　　作者：

　　Xiaoyuan zhang¹, Jun Gu², Shujuan Meng³, Yu Liu (✉)¹

　　作者单位：

　　1 Nanyang Technological University,  Singapore

　　2 Southeast University, China

　　3 Beihang University, China

　　通讯作者邮箱：

　　cyliu@ntu.edu.sg

　　关键词：

　　Anaerobic treatment (厌氧处理), 

　　Municipal wastewater (城市污水), 

　　Dissolved methane (溶解性甲烷), 

　　Methane recovery (甲烷回收), 

　　Carbon emission (碳排放)

文章简介

　　随着全球气候的快速演变，城市污水的“碳中和”处理已成为人们关注的焦点。与基于传统活性污泥工艺的生物好氧氧化不同，厌氧生物发酵被认为是从污水中直接捕获COD，最大限度实现能源回收的可持续处理工艺。然而，应该指出的是，厌氧处理出水中含有相当数量的溶解性甲烷，这些溶解性甲烷排放到环境中将大大降低能源回收的潜力，并导致温室效应的增加。目前的研究报道中虽然开发了几种溶解性甲烷的回收方法（例如机械性气体脱除与膜接触气体控排器等），但尚未对其工程应用的可行性和经济性进行全面的评估。在这篇观点文章中，作者基于溶解性甲烷回收相对于其排放的成本效益提供了更多的见解。

　　给定厌氧处理出水中溶解性甲烷的浓度为21 g/m³ （25℃下的溶解度），如果不进行适当的回收，溶解性甲烷将不可避免地释放到环境中。根据IPCC建议，甲烷在20年内的全球变暖潜力是二氧化碳的84~87倍。因此，这些溶解性甲烷的释放将导致废水处理的碳排放增加1.76 kg CO2e/m³，同时影响整体的能源回收效率。很明显，如果没有适当的回收措施，厌氧处理出水中的溶解性甲烷释放将成为城市污水“碳中和”处理的障碍。

　　到目前为止，已经开发了几种溶解甲烷回收方法。例如，在30℃的厌氧处理出水中观察到平均溶解性甲烷浓度为17.1 g/m³，其中近90%可以通过机械脱气器回收，能源成本为0.12 kWh/m³。由此可以计算出处理后的废水可回收能量为(15.4 g/m³)/(16 g/mol)*22.4 L/mol*37.8 MJ/m³(甲烷能的含量)*35%(电能转换效率)/(3.6 MJ/kWh) = 0.079 kWh/m³。因此，以煤为燃料生产电能时，废水处理后的净脱气能量为0.041 kWh/ m3，碳排放量为(0.041 kWh/ m³)*(0.99 kg CO2 e/kWh) = 40.6 g CO2/m³。另一方面，回收后剩余溶解性甲烷的直接碳排放量为(1.71 g/m3)*84 =144 g CO2 e/m³。因此，回收后与剩余溶解性甲烷释放的总体碳排放可确定为185 g CO2 e/m³，仅为正常情况下的13% (即不回收溶解甲烷:17.1 g/m³*84 =1436 g CO2 e/m³)。

　　在另一项研究中，提出了一种通过膜工艺回收溶解性甲烷的方法，用于从35℃的（饱和溶解性甲烷浓度为16.4 g/m³）的厌氧处理出水中收集溶解性甲烷，要实现超过90%的回收效率，大约需要0.04 MJ/m3的能量，相当于0.01 kWh/m³，接近基于膜回收甲烷的理论值。在这种情况下，溶解性甲烷回收的能量可以很容易地抵消加工能量，净能量增加(16.4 g/m³)*90%/ (16 g/mol)*22.4 L/mol*37.8 MJ/m³*35%/(3.6 MJ/kWh)*0.01 kWh/m³ = 0.066 kWh/m³，相当于碳排放抵消(0.066 kWh/m³)*(0.99 kg CO2 e/kWh) = 65.3 g CO2e/m³。然而，90%溶解性甲烷回收后的剩余甲烷贡献为(1.64 g/m³)*84 = 138 g CO2 e/m³，表明甲烷相关的净碳排放量为72.7 CO2 e/m³，仅为未进行溶解性甲烷回收时(16.4 g/m³*84 = 1378 g CO2 e/m³)的5.3%。此外，甲烷溶解度与出水温度呈负相关，表明在较低温度下更需要进行溶解性甲烷的回收。

　　应该认识到，在膜脱气过程中通常需要化学药品，例如全疏水性膜工艺中的碱性物质，在评估环境可持续性和经济可行性时，也应该认真考虑膜脱气可能带来的资本和运营成本的增加。事实上，据报道，膜脱气的溶解性甲烷回收率为0.05 mol甲烷/(m²·h)(即0.8 g甲烷/(m²·h))，回收率为96%。对于一个中等规模的厌氧工艺，在25℃下处理20万m³ /d的城市污水，溶解性甲烷为21 g/m³，溶解性甲烷回收所需的膜量为(20万m³ /d)*(21 g/m³)/(0.8 g/(m²·h))= 218,750 m²，这表明资本投资和维护成本显著增加。此外，膜润湿、污染和浓度极化将使膜脱气的操作更具挑战性。此外，还应考虑回收溶解性甲烷的升级和压缩所需的能量，据报道约为0.011 kWh/m³。显然，如果不考虑这些因素，目前文献报道的以能源为基础的评估在很大程度上是不完整的。

文章摘要图

编委点评

　　厌氧处理出水中的溶解性甲烷控排具有重要意义，应采用溶解甲烷回收技术的多维评估框架。例如，与膜接触器相比，机械脱气虽然不能达到溶解甲烷的能量中性回收，但具有无化学试剂、结构简单、资本投资低、运行成本低、占地面积小等优点。最后，应当指出，溶解甲烷回收技术仍处于初级阶段，需要进一步研究使其在技术上、经济上更可行，并且在环境上更可持续。除此之外，也应考虑溶解性甲烷作为一种潜在的内碳源进行污水脱氮资源化利用的途径。

　　编者|聂文博

　　点评|陈一

致  谢

　　陈一，重庆大学教授，FESE青年编委，国家级青年人才。研究方向为污水生物/生态处理与再生回用。在ES&T、Water Res.等期刊发表学术论文70余篇，获重庆市科技进步一等奖。个人主页：http://huanjing.cqu.edu.cn/info/1144/2012.htm

　　聂文博，重庆大学环境与生态学院助理研究员、博士后，合作导师为陈一教授，主要从事水环境甲烷厌氧汇的研究。

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