构造浮岛湿地削减废水塘的温室气体排放

《Journal of Environmental Management》：Constructed floating wetlands cut greenhouse gas emissions from wastewater lagoons

　　

废水处理是全球温室气体排放的一个重要但常被忽视的贡献源，约占人为排放的~1.6%（每年约0.77 Gt二氧化碳[CO₂]当量），包括7-10%的甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放。然而，可扩展的减缓方案仍然稀缺。构造浮岛湿地（CFWs）被广泛用于减少废水系统中的营养物负荷，但其在全运行规模下减少温室气体排放的潜力尚不明确。研究人员在澳大利亚东南部的一个废水存留塘进行了为期两年的全规模试验。该塘使用挡板帷幕分为配对的处理（含CFW）和对照通道。在每个通道的起点和终点，研究人员使用每小时腔室浓度测量连续监测温室气体通量，并每月收集水样以评估水质。平均而言，处理通道中的CO₂当量排放比对照低22-31%，主要受CH₄排放减少（32-66%）驱动，同时CO₂（24-36%）和N₂O排放（18%）也有额外减少。总凯氏氮（主要为有机氮）水平下降了12%，而硝酸盐和磷未受影响。值得注意的是，排放减少在CFW安装后的4-7个月内出现，早于可检测到的营养物减少（后者仅在12个月后才变得明显）。总之，研究人员的发现提供了首批全规模示范之一，证明CFWs可以大幅减少废水塘的温室气体排放，并支持其作为水行业脱碳的基于自然的途径的潜力。

**研究背景与问题**
废水处理厂是全球温室气体排放的重要来源，每年贡献约1.6%的人为排放（约0.77 Gt CO₂当量），其中甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）分别占全球人为排放的7-10%。这些非CO₂温室气体的全球增温潜势（GWP）在100年时间尺度上分别是CO₂的27倍和273倍，因此废水处理厂被视为高影响排放热点。然而，水行业排放随城市化快速增加，尽管多国承诺到2050-2060年实现净零目标，但可扩展的减排方案仍然缺乏。废水存留塘因富含营养物、长水力停留时间和厌氧条件，成为重要但常被低估的排放热点。构造浮岛湿地（CFWs）作为一种基于自然的解决方案，已广泛用于减少开放水体中的营养物负荷，但其在全运行规模下减少温室气体排放的潜力尚未被研究。因此，研究人员在澳大利亚东南部的一个废水存留塘开展了为期两年的全规模试验，以评估CFW在营养物和温室气体排放减缓方面的性能。论文发表在《Journal of Environmental Management》。

**主要关键技术方法**
研究采用配对通道设计，在废水存留塘内使用三块40米长的乙烯基挡板帷幕，将塘分为一个处理通道（含CFW）和一个对照通道（无CFW），入口处安装分流箱确保两通道水量均匀。CFW由60个模块组成（331 m2），覆盖约7.4%的水面面积，初始种植两种本地湿地植物（*Baumea articulata* 和 *Phragmites australis*），后因部分植物死亡，次年用*Bolboschoenus caldwellii*替换。温室气体通量使用Pondi浮标监测器连续测量，每小时测量CO₂、CH₄和N₂O浓度，并计算通量。水样每月采集，分析总凯氏氮（TKN）、硝酸盐（NO₃^?）、铵（NH₄⁺）和总磷（TP），同时测量溶解氧（DO）、pH和温度。统计采用线性混合效应模型，考虑时间点作为随机效应。样本队列来源为澳大利亚维多利亚州菲利普岛的Westernport Water废水处理厂存留塘。

**研究结果**
**3.1. 基线水质与温室气体通量**
CFW安装前，两通道间所有水质参数（TKN、硝酸盐、磷、水温、DO、pH）和温室气体通量（CO₂、CH₄、N₂O、CO₂当量）无显著差异（p>0.05），确保后续变化可归因于CFW。

**3.2. CFW对溶解营养物水平及其他水质参数的影响**
CFW安装后，TKN水平在处理通道末端在12个月后开始降低，整个监测期间平均降低12%（通道×采样位置：p=0.04）。CFW对硝酸盐或磷水平无显著影响。溶解氧在处理通道末端平均比对照高9%（79.3% vs 72.9%；p=0.02），而水温和pH无显著差异。

**3.3. CFW对温室气体排放的影响**
CH₄通量在CFW部署后4个月（T4）开始降低，CO₂和N₂O通量在7个月后（T7）降低。植物收获后CH₄出现短暂尖峰（3.3-12.5倍），但一个月内恢复。整个监测期间，处理通道CO₂通量在第一年降低24%，第二年降低36%；CH₄通量在通道起点降低66%，终点降低32%（排除收获尖峰后均为60%）；N₂O通量降低18%（p=0.07）。CO₂当量排放平均降低22%（含收获尖峰）至31%（排除收获尖峰）。

**3.4. 废水温室气体排放的驱动因素**
CO₂通量受总氮（TKN+硝酸盐）和DO显著影响：在对照通道中，CO₂通量随总氮增加而增加（p=0.01），随DO升高而降低趋势（p=0.09）；而在处理通道中无显著关系。CH₄、N₂O和CO₂当量通量与总氮或DO无显著关系。

**3.5. CFW安装、监测和维护成本**
两年总项目成本为AU$360,016（US$234,010），其中资本支出（CAPEX）约75%（AU$873 m^?2），运营支出（OPEX）约25%（AU$107 m^?2 year^?1）。

**讨论与结论**
研究发现，CFW在废水存留塘中显著降低了CO₂、CH₄和N₂O排放，排放减少在安装后4-7个月内出现，早于可检测的营养物减少。尽管营养物去除有限（仅有机氮降低12%），但排放减少主要归因于根相关生物膜中的微生物消耗增强、部分水面覆盖导致的物理气体传输减少，以及长期有机氮减少抑制CO₂产生。植物收获引起的短暂CH₄尖峰可能抵消部分长期效益，优化收获频率可最大化气候效益。经济分析显示，CFW成本与文献报道范围相当，但需全塘尺度研究以评估成本效益。研究结论翻译如下：研究人员的发现表明，CFWs可以快速且大幅减少开放废水存留塘的温室气体排放。在两年的监测期间，CFW的安装使处理通道的CO₂当量排放平均降低22-31%，主要受CH₄排放减少（32-66%）驱动，同时CO₂（24-36%）和N₂O（18%）排放也有额外减少。研究人员进一步发现溶解有机氮平均降低12%，而硝酸盐和磷水平未受影响。值得注意的是，排放减少甚至在缺乏显著营养物效应的情况下出现，表明增强的微生物和藻类温室气体消耗，以及CFW部分水面覆盖导致的表面气体传输减少，是关键驱动因素。要充分实现CFW的减缓潜力，未来研究应聚焦于全塘尺度的运行应用，并解析CFW相关温室气体减少的微生物和物理机制。重要的是，CFW的安装可带来减排之外的潜在效益，包括减轻污染物浓度（如全氟和多氟烷基物质（PFAS）、有毒金属、药物等）以及为本地物种提供栖息地，使其成为水行业内多功能、综合性的基于自然的解决方案。