亚高山带人工湿地温室气体排放与脱氮效能研究：质量转移效应与间歇投配的调控机制

针对污水处理人工湿地(TWs)温室气体(GHGs)排放量化难题，美国蒙大拿州立大学团队通过高时空分辨率监测，揭示间歇投配模式下N2O、CH4和CO2的时空异质性排放特征，发现投配量通过碳限制影响反硝化效率，冰层形成导致气体优先流，为低碳优化运行提供新依据。

　　

随着全球污水处理需求激增，人工湿地(Treatment Wetlands, TWs)因其低成本、高效率成为传统污水处理厂(Wastewater Treatment Plants, WWTPs)的重要替代方案。然而，这些系统在净化水质的同时，会释放强效温室气体(Greenhouse Gases, GHGs)——甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)和二氧化碳(CO₂)，其中N₂O的全球增温潜势高达CO₂的298倍。更棘手的是，现有GHGs排放估算可能因物理传输效应（如间歇投配引发的质量转移、冰层形成导致的气体优先流）而被高估，而低温环境下碳氮代谢的耦合机制尚不明确。

针对这些挑战，美国蒙大拿州立大学(Montana State University)的研究团队以滑雪场亚高山带垂直流人工湿地(VFTW)为研究对象，创新性地采用16点位闭环采样系统，结合溶解气体分析，首次在低温(3°C)条件下解析了间歇投配对GHGs时空排放格局的影响机制。

关键技术方法包括：(1)双阶段VFTW系统（部分饱和一级+非饱和二级）的16点位高频GHGs采样；(2)间歇投配对比实验（大小剂量模式）；(3)碳氮质量平衡计算；(4)环境参数（雪盖、冰透镜体）与气体传输的关联分析。样本来自处理滑雪场废水的实际工程设施。

主要研究发现

1. 碳代谢路径重构
   碳质量平衡揭示有机碳在一级阶段矿化为溶解态无机碳，输送至二级阶段后以CO₂形式逸散，证实气体排放点与生成点的空间分离现象。二级阶段碳亏缺（-21.9%）暗示生物膜脱落等未测量途径的存在。

2. 剂量效应与氮转化
   小剂量投配导致反硝化不完全，溶解态N₂O占比升高至55.9%（大剂量为35.6%），证实碳限制会加剧N₂O中间产物积累。投配后CH₄排放量在前8小时骤降70%，主要源自初沉池的厌氧代谢。

3. 环境强制效应
   积雪和冰透镜体形成迫使一级阶段产生气体优先流通道，导致局部点位GHGs通量异常升高，说明传统均匀介质假设会高估实际排放量。

4. 脉冲排放机制
   大小剂量投配均引发CH₄和N₂O的瞬时峰値，证实液体渗透过程会通过气液界面质量转移暂时增强排放通量。

这项发表于《Ecological Engineering》的研究，首次系统量化了低温TW中物理传输与生物过程的交互效应。其核心价值在于：(1)提出"排放点≠生成点"的迁移转化框架，修正传统GHGs核算方法；(2)揭示小剂量投配虽提升脱氮效率但增加N₂O风险的双刃剑效应；(3)确立冰盖等环境因子对排放通量的调制作用。这些发现为《巴黎协定》框架下的污水处理碳足迹精准核算提供了关键技术支撑，尤其对高纬度地区TW设计具有直接指导意义。