研究綜述 | 人工濕地是碳匯還是碳源？
人工濕地因兼具水質凈化和景觀效果而成為分散式污水處理的典型代表工藝，尤其對于用地寬松且污水排放不夠集中的地區，例如在農村污水處理領域已進行了推廣應用；另外，人工濕地也常用于集中式污水廠尾水排放緩沖，起到深度凈化的目的，總體成本低、維護管理輕松，在用地充足的情況下不失為一種更可持續的水質凈化工藝技術。而且，自然濕地常常被稱為“濕地碳匯”，通常人們認為它們對溫室氣體CO2可起到凈吸收固定作用。然而，人工濕地作為一種強化的污水處理工藝，究竟是碳匯還是碳源呢？在2060年“碳中和”達標背景下，分析認識人工濕地主要溫室氣體（GHG）的產生機制、釋放特征及影響因素，并就減輕GHG排放歸納技術路徑就顯得十分必要。希望籍此文為未來碳中和背景下的人工濕地建設和運營提供思路或參考。
人工濕地（Constructed wetlands，CWs）通過模擬自然濕地系統來實現污水的“自然”處理，主要包括表面流（FWS: free water surface）、水平潛流（HSSF: horizontal subsurface flow）和垂直潛流（VF: vertical subsurface flow）這3種類型。相對于傳統污水處理工藝，人工濕地具有建設/運行費用低、維護管理簡便、低能耗等優點，這已被廣泛熟知。
在“碳中和”社會構建背景下，碳排還是碳匯必將成為技術的評價標準之一。人工濕地具有良好的生態效益，但作為污水處理工藝，必然涉及到碳氮的生物轉化，將不可避免地釋放二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4，溫室效應為CO2的25倍）和一氧化二氮（N2O，溫室效應為CO2的近300倍）等GHG。那人工濕地的碳排量到底有多大呢？在“碳達峰”、“碳中和”大背景下，人工濕地應如何更好地去控制GHG排放，避免將水污染轉嫁給大氣污染？本文將通過分析予以明晰！
1 人工濕地溫室氣體類型與釋放機制
1.1 碳基GHG（CO2與CH4）形成途徑從人工濕地釋放的GHG主要是CO2、CH4和N2O，這三種GHG在人工濕地中來源與釋放機制詳述如下圖1。
人工濕地中CO2和CH4均產生于濕地系統中有機物的代謝與轉化。常規上，人工濕地中所釋放的CO2都被認為是生源性（即，有機物的自然歸宿）的，不計入GHG排放目錄。因此，CH4的排放量決定了人工濕地中碳基GHG的最終排放效應，即，碳源還是碳匯。因此，人工濕地中控制有機物向CH4轉化是實現其GHG減排的關鍵步驟。
實際上，污水中是存在化石碳的，所以包括人工濕地在內的污水處理工藝直接釋放的二氧化碳并不都是生源性的。
然而，人工濕地作為一種被動傳氧（擴散，根系泌氧等）系統，且因床體通常處于污水浸沒狀態，很容易形成適宜CH4生成的強還原環境。同時，濕地產生的CH4既可被好氧甲烷氧化細菌（MOB）氧化為CO2，也可在反硝化過程中被反硝化厭氧甲烷氧化古生菌和反硝化厭氧甲烷氧化細菌所氧化。因此，在人工濕地中創造適宜這些甲烷氧化細菌的生存環境，把形成的CH4最大限度轉化為生源性CO2，將是大幅削減人工濕地GHG排放的有效途徑。
1.2 N2O產生機制N2O一般被認為是不完全硝化或不完全反硝化的產物。其在人工濕地中的生成符合一般污水生物處理規律，既可能作為副產物產生于硝化過程，也可能作為中間產物產生于反硝化過程，中間產物NH2OH及NO2-的積累是硝化過程N2O產生的直接誘因。此外，特定條件下發生的硝酸鹽氨化(DNRA) 反應也可能產生N2O。人工濕地特殊的結構使其內部廣泛存在厭氧區域，為這一過程發生創造了有利條件。
2 不同類型人工濕地溫室氣體釋放特征與比較
表1總結了不同人工濕地GHG排放量，對比可知，在CH4釋放通量（單位面積釋放量）上，水平潛流人工濕地（平均7.4 mg/㎡×h）稍大于表面流人工濕地（平均5.9 mg/㎡×h），而兩者都明顯大于垂直流人工濕地（平均2.9 mg/㎡×h）。CH4釋放因子（單位進水TOC的釋放量）卻是表面流人工濕地為最大（平均16.9%），顯著高水平潛流人工濕地（平均4.5%）及垂直潛流人工濕地（平均1.17%）。
表1顯示，N2O釋放通量排序依次為：水平潛流（平均0.24 mg/㎡×h）>垂直流（平均0.14 mg/㎡×h）>表面流（平均0.13 mg/㎡×h），但三者間無顯著性差異。N2O釋放因子（單位進水TN的釋放量）依次為水平潛流（0.79%）>表面流（0.13%）>垂直流（0.023%）。
將CH4和N2O折算成CO2當量后得出的總釋放通量為：水平潛流（358 mg CO2/㎡×h）>表面流（257mg CO2/㎡×h）>垂直流（162 mg CO2/㎡×h）。可見，垂直流人工濕地的GHG釋放通量最小。其實，垂直流濕地占地面積也最小，這更加凸顯了其GHG釋放總量明顯小于水平流和表面流濕地的特征。另外，表1還顯示，不同人工濕地中CH4都是主要GHG類型，對總釋放量貢獻率均>60%。因此，控制CH4釋放應成為人工濕地減少GHG排放的關鍵。
不同人工濕地類型GHG釋放的差異是由各自結構特征和運行方式所決定的，如表2所示。表面流人工濕地復氧速率極低，中值僅為1.47 gO2/㎡×d, 尚不足以支持其正常設計負荷下（BOD5=4~7 g/㎡×d）的有機物完全氧化，很容易形成促進CH4釋放的厭氧條件。況且，表面流人工濕地通常還采用富含有機質的土壤作為基質，這又為CH4產生提供了額外的底物。此外，表面流人工濕地的植物類型（浮水和沉水植物）也更有利于CH4產生，因其死亡后將直接累積在濕地基質中，可為CH4產生提供豐富的底物。這些因素都致使其具有最高的CH4釋放因子。
對于水平潛流人工濕地，其較低的復氧速率（6.3 gO2/㎡×d）和較高的設計負荷使有機物氧化和硝化都處于最不利的狀況，導致CH4和N2O釋放都非常顯著，為所有人工濕地GHG排放量之最高。
而垂直潛流人工濕地的復氧速率比前兩者高一個數量級，床體基本處于好氧狀態。因此，其CH4釋放顯著低于前兩類濕地。垂直流人工濕地一般被認為是反硝化受限的系統，而水平流和表面流人工濕地一般被認為是硝化受限的系統。但是，垂直流人工濕地的N2O釋放因子反而是所有人工濕地中最低的（表1）。這說明，人工濕地中N2O排放可能主要是因硝化過程受限導致。若這一觀點得以證實，那所有人工濕地都可以采取強化氧傳遞方式來同時降低CH4和N2O的釋放。
3 人工濕地與傳統污水處理工藝GHG釋放比較
另外，我們還橫向對比了人工濕地與其他常規污水處理工藝GHG排放量的對比（表3），對比可知，人工濕地GHG排放以CH4為主，CH4排放顯著高于活性污泥工藝；而活性污泥GHG排放以N2O為主，N2O排放顯著高于人工濕地。表面流人工濕地和水平潛流人工濕地在直接釋放上明顯高于An/O和A2/O等典型活性污泥工藝。這主要是由于其CH4排放量高所致。
如表3所示，若以單位體積污水考量，表面流和水平潛流濕地的直接釋放總量都顯著高于大部分活性污泥工藝，只有垂直流人工濕地的GHG排放才低于大部分活性污泥工藝。
除直接釋放外，污水處理過程中GHG釋放還包括間接釋放（能源/藥耗等）。人工濕地運行能耗一般小于0.1 kWh/m3（取0.1），而An/O、A2/O、SBR、氧化溝、傳統活性污泥法等活性污泥工藝平均能耗分別為0.283、0.267、0.336 、0.302和0.269 kWh/m3。可見，人工濕地間接釋放量（99.7 gCO2/m3）遠遠小于傳統工藝的最小間接釋放量（An/O工藝：202.89 gCO2/m3）。即便如此，表面流和水平潛流人工濕地的GHG總釋放量（直接+間接）仍與傳統活性污泥法旗鼓相當，甚至更高。唯有垂直流人工濕地GHG總釋放量遠低于所有活性污泥工藝。因此，在建設成本及運行狀況允許的情況下應盡可能選用垂直流人工濕地。
4 人工濕地溫室氣體釋放影響因素
實際上，人工濕地GHG釋放除了受濕地類型影響外，還受植物、基質、季節、進水水質及負荷以及水文條件的影響，因此，在實際人工濕地運維中，應盡可能的通過優化這些條件來減少GHG的排放量，具體可參考以下優化手段：
在建設成本及運行狀況允許的情況下，盡可能選擇GHG釋放量最少的垂直潛流人工濕地。
選擇合適的進水預處理設施，緩解人工濕地堵塞狀況，以保持濕地復氧能力，從而減少CH4以及N2O產生。
合理選擇基質類型：對以原土為主要基質的表面流濕地，可考慮加入部分赭石、石膏等抑制CH4產生的填料。對潛流濕地，可考慮不設覆土層。不建議向濕地中添加木屑、玉米棒、麥稈等有機廢物，這種方式只適合于復氧能力較高的垂直流人工濕地。對水平流和表面流等本身硝化就已受限的系統，投加有機底物不僅起不到降低N2O排放的目的，反而將進一步顯著增加CH4排放。
調整運行方式：在水平流和水平潛流人工濕地中可采用水位波動和間歇運行方式，雖然可能會提高N2O排放，但可有效控制CH4釋放。尤其是在水平潛流濕地中，可以通過降低水位運行這一簡單措施來顯著降低CH4釋放。此外，采用分步進水，調節進口處過高負荷及堵塞發生也是設計運行中可以考慮的措施。
優化植物物種并控制收割：不同植物對GHG釋放及處理效果各不相同，合理搭配選取植物可實現人工濕地系統的最優化運行，同時應對散落于濕地系統內的植物落葉殘枝等及時處理，以減少外加有機物造成的GHG釋放量。
總結
由此可知，從碳排放的角度，人工濕地相對于傳統活性污泥工藝并無優勢可言，仍屬于污水處理工藝中的“碳排”大戶！實際上，隨著氣候變化、水質污染等環境問題的愈發顯現，自然濕地的“碳匯”角色也早已改變，包括其在內的水生生態系統整體對全球溫室氣體的排放貢獻量不容小覷。
最近的一篇研究文獻顯示，水生生態系統排放的甲烷量占到了地球甲烷排放總量的41%，近乎一半！而僅淡水濕地一項則占到整個水生生態系統貢獻量的56%，每年釋放量為148.6 Tg（百萬噸）。其中，全球變暖導致的溫度上升使得產甲烷菌的活性增強，進而增加了淡水濕地甲烷排放量，另外，氮磷含量的升高導致水體富營養化也會導致甲烷排放量的增加！
總之，人工濕地固然有它的應用優勢，但其碳排量同樣不容忽視，在“碳中和”構建背景下，如何發揮人工濕地作為污水處理技術的生態優勢，同時避免產生“污染轉嫁”也是我們值得思考的問題！
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