污水处理厂出水对受纳河流CO2排放的影响：空间与昼夜动态的实证研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Impact of wastewater treatment plant effluents on CO 2 emission of a receiving river

本文探讨了污水处理厂（WWTP）出水对亚热带城市河流溶解二氧化碳（CO2）排放的影响。研究发现，排污口附近河流的CO2浓度（cCO2）和通量（FCO2）显著高于下游13公里处，且营养盐输入打破了光合-呼吸平衡，削弱了昼夜波动。研究为量化城市河流碳收支提供了关键数据。

　　

Highlight

研究区域

本研究在亚热带城市河流——寻思河进行，该河位于特大城市武汉南部地区（29°58′?31°22′N, 113°41′?115°05′E）。该地区属季风影响的亚热带气候，年平均气温16.3°C，年降水量在900至1450毫米之间。该河流域面积为460平方公里，平均水深2米，总长度16公里。沿河的居民社区通过市政管网与一个主要的污水处理厂相连，该污水处理厂每天排放约30,000吨处理后的出水。我们在两个地点进行了采样：Site 1位于污水处理厂排污口下游约100米处，代表受污水排放直接影响的高度城市化河段；Site 2位于下游13公里处，受城市影响较小，作为参考点。

环境变量特征

环境物理化学条件存在显著的空间差异（见表1和S2）。Site 1观测到的电导率（EC）、化学需氧量（COD）、溶解性总氮（DTN）、硝酸盐氮（NO₃^?-N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、溶解性总磷（DTP）和磷酸盐磷（PO₄^3?-P）均远高于Site 2（P < 0.05，表1和S2）。另一方面，气温（T_a）、水温（T_w）、pH、溶解氧饱和度（DO%）和叶绿素a（Chl-a）在Site 2显著更高（P < 0.05，表1和S2）。在暖湿季节，大多数物理化学参数存在昼夜波动，但在冷干季节则未发现。气温、水温、电导率、溶解氧饱和度、pH、叶绿素a和营养盐水平在暖湿季节普遍高于冷干季节。

营养盐输入改变了CO₂动态的空间和昼夜模式

我们的研究表明，在两个具有不同环境物理化学条件的河流位置，cCO₂和FCO₂存在显著差异（图2，S2和3）。Site 1显著更高的cCO₂和FCO₂反映了河水中更高的营养盐水平（表1和S2）。如图1和S4所示，Site 1位于高度城市化的河段，靠近城市居民区（城市用地超过90%），接收来自各种来源的大量营养盐输入，特别是污水处理厂出水。这些输入导致了高浓度的营养盐和有机物，促进了微生物呼吸和有机物的分解，从而产生了大量的CO₂。此外，污水处理厂出水带来了高浓度的溶解无机碳（DIC），这直接贡献了水中的CO₂分压。Site 2较低的cCO₂和FCO₂表明，从污水处理厂排放的大量溶解碳可能在相对较短的距离内（13公里）通过CO₂排放到大气中。这得到了以下事实的支持：Site 2的cCO₂和FCO₂平均值分别比Site 1低8.50倍和11.88倍。此外，在Site 2观察到了FCO₂的明显昼夜变化（夜间：132.69 ± 93.87 mmol m^?2 d^?1 对比 白天：104.53 ± 125.41 mmol m^?2 d^?1），这与光合作用（白天消耗CO₂）和呼吸作用（夜间产生CO₂）的平衡有关。然而，在靠近污水处理厂的Site 1并未发现这种昼夜变化（白天：1328.88 ± 85.11 mmol m^?2 d^?1 对比 夜间：1378.22 ± 111.75 mmol m^?2 d^?1）。Site 1缺乏昼夜波动可能是由于来自污水处理厂出水持续且强大的碳和营养盐输入，掩盖了光合作用对CO₂消耗的昼夜影响。

结论

本研究评估了污水处理厂（WWTP）出水对城市河流溶解CO₂和CO₂排放的影响。该研究验证了最初的假设，即污水处理厂出水可以提高受纳水体的CO₂排放，并且大部分来自出水的溶解碳在相对较短的距离内转移。靠近污水处理厂的河段其CO₂排放速率是下游13公里处参考点的11.88倍。