研究综述 | 人工湿地是碳汇还是碳源？
人工湿地因兼具水质净化和景观效果而成为分散式污水处理的典型代表工艺，尤其对于用地宽松且污水排放不够集中的地区，例如在农村污水处理领域已进行了推广应用；另外，人工湿地也常用于集中式污水厂尾水排放缓冲，起到深度净化的目的，总体成本低、维护管理轻松，在用地充足的情况下不失为一种更可持续的水质净化工艺技术。而且，自然湿地常常被称为“湿地碳汇”，通常人们认为它们对温室气体CO2可起到净吸收固定作用。然而，人工湿地作为一种强化的污水处理工艺，究竟是碳汇还是碳源呢？在2060年“碳中和”达标背景下，分析认识人工湿地主要温室气体（GHG）的产生机制、释放特征及影响因素，并就减轻GHG排放归纳技术路径就显得十分必要。希望籍此文为未来碳中和背景下的人工湿地建设和运营提供思路或参考。
人工湿地（Constructed wetlands，CWs）通过模拟自然湿地系统来实现污水的“自然”处理，主要包括表面流（FWS: free water surface）、水平潜流（HSSF: horizontal subsurface flow）和垂直潜流（VF: vertical subsurface flow）这3种类型。相对于传统污水处理工艺，人工湿地具有建设/运行费用低、维护管理简便、低能耗等优点，这已被广泛熟知。
在“碳中和”社会构建背景下，碳排还是碳汇必将成为技术的评价标准之一。人工湿地具有良好的生态效益，但作为污水处理工艺，必然涉及到碳氮的生物转化，将不可避免地释放二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4，温室效应为CO2的25倍）和一氧化二氮（N2O，温室效应为CO2的近300倍）等GHG。那人工湿地的碳排量到底有多大呢？在“碳达峰”、“碳中和”大背景下，人工湿地应如何更好地去控制GHG排放，避免将水污染转嫁给大气污染？本文将通过分析予以明晰！
1 人工湿地温室气体类型与释放机制
1.1 碳基GHG（CO2与CH4）形成途径从人工湿地释放的GHG主要是CO2、CH4和N2O，这三种GHG在人工湿地中来源与释放机制详述如下图1。
人工湿地中CO2和CH4均产生于湿地系统中有机物的代谢与转化。常规上，人工湿地中所释放的CO2都被认为是生源性（即，有机物的自然归宿）的，不计入GHG排放目录。因此，CH4的排放量决定了人工湿地中碳基GHG的最终排放效应，即，碳源还是碳汇。因此，人工湿地中控制有机物向CH4转化是实现其GHG减排的关键步骤。
实际上，污水中是存在化石碳的，所以包括人工湿地在内的污水处理工艺直接释放的二氧化碳并不都是生源性的。
然而，人工湿地作为一种被动传氧（扩散，根系泌氧等）系统，且因床体通常处于污水浸没状态，很容易形成适宜CH4生成的强还原环境。同时，湿地产生的CH4既可被好氧甲烷氧化细菌（MOB）氧化为CO2，也可在反硝化过程中被反硝化厌氧甲烷氧化古生菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌所氧化。因此，在人工湿地中创造适宜这些甲烷氧化细菌的生存环境，把形成的CH4最大限度转化为生源性CO2，将是大幅削减人工湿地GHG排放的有效途径。
1.2 N2O产生机制N2O一般被认为是不完全硝化或不完全反硝化的产物。其在人工湿地中的生成符合一般污水生物处理规律，既可能作为副产物产生于硝化过程，也可能作为中间产物产生于反硝化过程，中间产物NH2OH及NO2-的积累是硝化过程N2O产生的直接诱因。此外，特定条件下发生的硝酸盐氨化(DNRA) 反应也可能产生N2O。人工湿地特殊的结构使其内部广泛存在厌氧区域，为这一过程发生创造了有利条件。
2 不同类型人工湿地温室气体释放特征与比较
表1总结了不同人工湿地GHG排放量，对比可知，在CH4释放通量（单位面积释放量）上，水平潜流人工湿地（平均7.4 mg/㎡×h）稍大于表面流人工湿地（平均5.9 mg/㎡×h），而两者都明显大于垂直流人工湿地（平均2.9 mg/㎡×h）。CH4释放因子（单位进水TOC的释放量）却是表面流人工湿地为最大（平均16.9%），显著高水平潜流人工湿地（平均4.5%）及垂直潜流人工湿地（平均1.17%）。
表1显示，N2O释放通量排序依次为：水平潜流（平均0.24 mg/㎡×h）>垂直流（平均0.14 mg/㎡×h）>表面流（平均0.13 mg/㎡×h），但三者间无显著性差异。N2O释放因子（单位进水TN的释放量）依次为水平潜流（0.79%）>表面流（0.13%）>垂直流（0.023%）。
将CH4和N2O折算成CO2当量后得出的总释放通量为：水平潜流（358 mg CO2/㎡×h）>表面流（257mg CO2/㎡×h）>垂直流（162 mg CO2/㎡×h）。可见，垂直流人工湿地的GHG释放通量最小。其实，垂直流湿地占地面积也最小，这更加凸显了其GHG释放总量明显小于水平流和表面流湿地的特征。另外，表1还显示，不同人工湿地中CH4都是主要GHG类型，对总释放量贡献率均>60%。因此，控制CH4释放应成为人工湿地减少GHG排放的关键。
不同人工湿地类型GHG释放的差异是由各自结构特征和运行方式所决定的，如表2所示。表面流人工湿地复氧速率极低，中值仅为1.47 gO2/㎡×d, 尚不足以支持其正常设计负荷下（BOD5=4~7 g/㎡×d）的有机物完全氧化，很容易形成促进CH4释放的厌氧条件。况且，表面流人工湿地通常还采用富含有机质的土壤作为基质，这又为CH4产生提供了额外的底物。此外，表面流人工湿地的植物类型（浮水和沉水植物）也更有利于CH4产生，因其死亡后将直接累积在湿地基质中，可为CH4产生提供丰富的底物。这些因素都致使其具有最高的CH4释放因子。
对于水平潜流人工湿地，其较低的复氧速率（6.3 gO2/㎡×d）和较高的设计负荷使有机物氧化和硝化都处于最不利的状况，导致CH4和N2O释放都非常显著，为所有人工湿地GHG排放量之最高。
而垂直潜流人工湿地的复氧速率比前两者高一个数量级，床体基本处于好氧状态。因此，其CH4释放显著低于前两类湿地。垂直流人工湿地一般被认为是反硝化受限的系统，而水平流和表面流人工湿地一般被认为是硝化受限的系统。但是，垂直流人工湿地的N2O释放因子反而是所有人工湿地中最低的（表1）。这说明，人工湿地中N2O排放可能主要是因硝化过程受限导致。若这一观点得以证实，那所有人工湿地都可以采取强化氧传递方式来同时降低CH4和N2O的释放。
3 人工湿地与传统污水处理工艺GHG释放比较
另外，我们还横向对比了人工湿地与其他常规污水处理工艺GHG排放量的对比（表3），对比可知，人工湿地GHG排放以CH4为主，CH4排放显著高于活性污泥工艺；而活性污泥GHG排放以N2O为主，N2O排放显著高于人工湿地。表面流人工湿地和水平潜流人工湿地在直接释放上明显高于An/O和A2/O等典型活性污泥工艺。这主要是由于其CH4排放量高所致。
如表3所示，若以单位体积污水考量，表面流和水平潜流湿地的直接释放总量都显著高于大部分活性污泥工艺，只有垂直流人工湿地的GHG排放才低于大部分活性污泥工艺。
除直接释放外，污水处理过程中GHG释放还包括间接释放（能源/药耗等）。人工湿地运行能耗一般小于0.1 kWh/m³（取0.1），而An/O、A2/O、SBR、氧化沟、传统活性污泥法等活性污泥工艺平均能耗分别为0.283、0.267、0.336 、0.302和0.269 kWh/m3。可见，人工湿地间接释放量（99.7 gCO2/m³）远远小于传统工艺的最小间接释放量（An/O工艺：202.89 gCO2/m³）。即便如此，表面流和水平潜流人工湿地的GHG总释放量（直接+间接）仍与传统活性污泥法旗鼓相当，甚至更高。唯有垂直流人工湿地GHG总释放量远低于所有活性污泥工艺。因此，在建设成本及运行状况允许的情况下应尽可能选用垂直流人工湿地。
4 人工湿地温室气体释放影响因素
实际上，人工湿地GHG释放除了受湿地类型影响外，还受植物、基质、季节、进水水质及负荷以及水文条件的影响，因此，在实际人工湿地运维中，应尽可能的通过优化这些条件来减少GHG的排放量，具体可参考以下优化手段：
在建设成本及运行状况允许的情况下，尽可能选择GHG释放量最少的垂直潜流人工湿地。
选择合适的进水预处理设施，缓解人工湿地堵塞状况，以保持湿地复氧能力，从而减少CH4以及N2O产生。
合理选择基质类型：对以原土为主要基质的表面流湿地，可考虑加入部分赭石、石膏等抑制CH4产生的填料。对潜流湿地，可考虑不设覆土层。不建议向湿地中添加木屑、玉米棒、麦秆等有机废物，这种方式只适合于复氧能力较高的垂直流人工湿地。对水平流和表面流等本身硝化就已受限的系统，投加有机底物不仅起不到降低N2O排放的目的，反而将进一步显著增加CH4排放。
调整运行方式：在水平流和水平潜流人工湿地中可采用水位波动和间歇运行方式，虽然可能会提高N2O排放，但可有效控制CH4释放。尤其是在水平潜流湿地中，可以通过降低水位运行这一简单措施来显著降低CH4释放。此外，采用分步进水，调节进口处过高负荷及堵塞发生也是设计运行中可以考虑的措施。
优化植物物种并控制收割：不同植物对GHG释放及处理效果各不相同，合理搭配选取植物可实现人工湿地系统的最优化运行，同时应对散落于湿地系统内的植物落叶残枝等及时处理，以减少外加有机物造成的GHG释放量。
总结
由此可知，从碳排放的角度，人工湿地相对于传统活性污泥工艺并无优势可言，仍属于污水处理工艺中的“碳排”大户！实际上，随着气候变化、水质污染等环境问题的愈发显现，自然湿地的“碳汇”角色也早已改变，包括其在内的水生生态系统整体对全球温室气体的排放贡献量不容小觑。
最近的一篇研究文献显示，水生生态系统排放的甲烷量占到了地球甲烷排放总量的41%，近乎一半！而仅淡水湿地一项则占到整个水生生态系统贡献量的56%，每年释放量为148.6 Tg（百万吨）。其中，全球变暖导致的温度上升使得产甲烷菌的活性增强，进而增加了淡水湿地甲烷排放量，另外，氮磷含量的升高导致水体富营养化也会导致甲烷排放量的增加！
总之，人工湿地固然有它的应用优势，但其碳排量同样不容忽视，在“碳中和”构建背景下，如何发挥人工湿地作为污水处理技术的生态优势，同时避免产生“污染转嫁”也是我们值得思考的问题！
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