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user: 2. 材料和方法 2.1. 研究地点 朱家桥污水处理厂的处理工艺流程如下(图1)：污水经粗格栅拦截较大悬浮物进入污水泵房；在污水泵房中利用潜水泵将污水提升至后续处理单元，污水经细格栅去除细小悬浮物进入旋转沉砂池；在旋转沉砂池中通过机械力控制水流流态与流速，促进有机物与沙粒分离，去除沙粒沉淀并使有机物随水旋流带出池外，污水进入初沉池；在初沉池污水中悬浮物质及部分悬浮性BOD被去除，污泥泵房将初沉池污泥抽升至贮泥池，污水通过配水井进入A 2 ΙO生化池；在A 2 ΙO生化池中利用厌氧、缺氧以及好氧池的不同功能进行生物脱碳除磷，同时去除BOD，污水进入二沉池；在二沉池中混合液进行固液分离，污泥大部分回流进入贮泥池，污水通过配水井进入紫外线消毒池；在紫外线消毒池中紫外光破坏水中细菌病毒内部的DNA结构，杀灭细菌病毒，污水得到消毒净化，通过排水泵房排出。 图1. 朱家桥污水处理厂污水处理工艺(★为采样点) 城南污水处理厂的处理工艺流程如下(图2)：污水在集水井中经格栅拦截悬浮物进入旋转沉砂池；在旋转沉砂池中通过机械力控制水流流态与流速，促进有机物与沙粒分离，去除沙粒沉淀并使有机物随水旋流带出池外，污水进入A 2 ΙO生化池；在A 2 ΙO生化池中利用厌氧、缺氧以及好氧池的不同功能进行生物脱碳除磷，同时去除BOD，污水进入二沉池；在二沉池中混合液进行固液分离，污泥大部分回流进入贮泥池，污水通过配水井进入紫外线消毒池；在紫外线消毒池中紫外光破坏水中细菌病毒内部的DNA结构，杀灭细菌病毒，污水得到消毒净化，通过排水泵房排出。 图2. 城南污水处理厂中的污水处理工艺(★为采样点) 芜湖市位于安徽省东南部(117˚40'E~118˚44'E， 30˚19'N~31˚34'N)，地处长江中下游平原，皖南山区以北，江淮平原以南。属亚热带湿润季风气候区，梅雨季节特点显著，夏季炎热多雨，年降水量约为1400 mm。总面积为6026平方公里，规划市区面积为1491 km 2 ，市辖镜湖区、鸠江区、弋江区、湾沚区和繁昌区，南陵县，代管县级市无为市。截至2019年，芜湖市常住人口为377.8万人，人均国内生产总值96，154元。芜湖市污水系统主要以长江、青弋江、漳河、裕溪河、扁担河、荆山河、横山河以及龙山、尖山、四褐山为界划分为10个片区。芜湖市于2013~2014年完成江南、江北各片区的污水专项计划，一共规划污水处理厂10座，预计总处理量221万吨/天。现已建成污水处理厂7座，日处理污水能力为53万吨/天 [ 26 ]。 本研究选取朱家桥污水处理厂和城南污水处理厂为研究案例地，其中朱家桥污水处理厂(118.362˚E， 31.395˚N)位于芜湖市鸠江区，服务区域主要为镜湖区和鸠江区。该处理厂于2006年完成1期建设，2010年完成2期建设。第三阶段正在进行建设，总日处理污水规模22万吨，服务面积99平方公里。城南污水处理厂(118.345˚E， 31.272˚N)位于芜湖市弋江区，服务范围主要为弋江区。一期工程已于2010年竣工，二期工程已建设完毕，尚未投入使用。日处理污水总规模10万吨，服务面积45平方公里。本研究利用朱家桥污水处理厂和城南污水处理厂的甲烷排放实测值估算芜湖市甲烷年排放量，并与IPCC估算的结果进行比较。两个污水处理厂中采集的污水样品分别来自污水泵房(集水井)、缺氧池和二沉池，分别代表进水口、缺氧池和出水口的水样(图1和图2)。 2.2. 采样方法 受新冠疫情的影响，原计划采样时间为2019年9月至2020年8月，实际采样时间为2019年9月至2020年1月每月上旬晴天的14:00至17:00进行。CH 4 排放通量测定采用顶空气相色谱法(HS-GC)，具体在步骤如下：使用透明取水器对每个污水处理厂的污水泵房(集水井)、缺氧池和二沉池中进行采样，每个采样点取3个平行样，用60 mL注射器取无气泡和多余杂质的水样40 mL，再抽取高纯氮气20 mL后，剧烈震荡1~3分钟使溶解在水样中的甲烷在针筒的气相和液相部分达到平衡 [ 27 ]，并将气体收集到50 ml铝箔气袋中，对甲烷浓度进行测定。同时，利用哈希便携式水质仪(HQ40d， Hach)测量水体温度、含氧量(DO)和pH值，利用便携式测温仪和风速仪测量实时气温和风速。同时采集水样带回实验室，分别采用钼锑抗分光光度法(GB11893-1989)和过硫酸钾氧化-紫外分光光度法(GB11894-1989)测定水体总磷和总氮含量 [ 28 ]。 2.3. CH 4 扩散通量计算方法 扩散排放通量采用任艺洁等 [ 29 ] 研究中介绍的计算方法。具体如下： C o b s = C 0 ⋅ V 0 / V 1 (1) 式中：C 0 为注射器顶空CH 4 浓度(mol/L)，V 0 为注射器顶空体积(0.02 L)，V 1 为采集水样体积(0.04 L)。 计算CH 4 扩散通量(F diff )的公式 [ 29 ] 如下： F d i f f = c ⋅ K w ( C o b s − C e q ) (2) 式中：c为单位换算系数，K w 为气体在水–气界面处相对于浓度梯度的扩散速度(cm/s)。 在0℃~30℃范围内CH 4 在水中的S c 与水温(T)的关系式 [ 29 ] 如下： S c ( CH 4 ) = 2309.2 − 120.31 T + 3.4209 T 2 − 0.040437 T 3 (3) 本文所用的S c 与K w 之间的模型为RC01 [ 30 ]，其计算公式如下： K w = 1.91 exp ( 0.35 U 10 ) ( S c / 600 ) − 1 / 2 (4) 式中：U 10 为水面以上风速，单位为m/s。 当水面与大气平衡时，式(2)中的C eq 代表水中气体的浓度(mol/L)，实际水温下CH 4 的C eq 值计算公式 [ 29 ] 如下： C e q = K H ⋅ P A (5) 式中：P A 为CH 4 的大气分压。K H 是采样时气体的Henry常数(μmol/(L∙atm))，根据采样时水温数据计算而确定 [ 29 ]。 K H = K H θ ⋅ e K T ( 1 T K − 1 T θ ) (6) 式中：T θ = 298 K，表示常温。 依据本方法计算的结果应与IPCC算法的结果单位相同才可进行数值比较，故需进行单位换算。单位换算方法如下： C H 4   E m i s s i o n s ( S a m p l i n g ) = 1 n ∑ 1 n     F d i f f ⋅ S w a t e r ⋅ c t (7) 式中：CH 4 排放量为清单年度的甲烷年释放量(kg CH 4 /年)。c t 是量纲换算系数(8760 (24 * 365))。 2.4. IPCC估算法 《IPCC指南》中推荐的甲烷年排放通量估算方法 [ 20 ] 如下： C H 4   E m i s s i o n s ( I P C C ) = EF ⋅ TOW − R (8) 式中：TOW为清单年度废水中有机物总量(kg BOD/年) [ 20 ]。 EF为甲烷排放因子(kg CH 4 /kg BOD)；R为清单年度CH 4 回收量(kg CH 4 /年)。 排放因子(EF)的估算公式为 [ 20 ]： EF = B 0 ⋅ MCF (9) 式中：B 0 为CH 4 最大生产能力(kg CH 4 /kg BOD)。 其中，库存年度废水有机物总量(TOW)的估算公式 [ 20 ] 如下： TOW = P ⋅ BOD ⋅ 0.001 ⋅ 365 (10) 式中：P (population)为清单年度芜湖市人口； BOD为清单年度国家人均BOD (g/人/天)； 0.001是从g BOD到kg BOD的量纲换算系数。