美国污水处理厂温室气体排放被严重低估：首次大规模监测揭示N2O和CH4实际排放量为当前清单的1.9-2.4倍

《Nature Water》：Comprehensive assessment of the contribution of wastewater treatment to urban greenhouse gas and ammonia emissions

本刊推荐：为厘清污水处理厂对城市温室气体和氨排放的实际贡献，研究人员开展了美国96座水资源回收设施（WRRFs）的多尺度排放监测。结果表明，N2O和CH4排放量分别达当前美国清单的1.9倍和2.4倍，而NH3排放量（86 kt yr-1）表明WRRFs是重要城市氨源。该研究为全球废水处理碳排放的精准核算提供了关键数据支撑。

　　

随着全球人口增长和城市化进程加速，集中式污水处理需求持续攀升。这些设施在净化水质的同时，也成为温室气体排放的重要源头。然而，当前对污水处理过程中产生的甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）和氨（NH₃）的排放量估算存在显著不确定性。政府间气候变化专门委员会（IPCC）推荐的排放因子基于有限设施数据，其代表性受到质疑。特别是N₂O作为长效温室气体（全球增温潜势GWP₁₀₀=265），在大气中可存留116年，对气候和臭氧层产生持久影响。而NH₃作为大气中主要碱性物质，与酸性化合物反应生成细颗粒物，加剧空气污染。因此，准确量化污水处理部门的排放贡献，对制定有效的减排策略至关重要。

为解决这一科学问题，研究团队开发了移动监测平台，结合逆高斯烟羽扩散模型和贝叶斯推断方法，系统评估了美国8个州109座污水处理设施的排放特征。这些设施总处理量占美国集中式污水处理量的9%，监测时间覆盖昼夜、日际和季节尺度，最终成功量化了96座设施的排放数据。

关键技术方法包括：1）搭载高灵敏度传感器的移动实验室（LI-COR LI7700测CH₄、量子级联激光传感器测N₂O/NH₃），沿下风向进行烟羽横断面监测；2）基于高斯烟羽模型的贝叶斯源强推断算法，整合大气稳定性参数不确定性；3）分层数据采集策略，通过排放监测报告、公开记录请求等多渠道获取进水负荷数据；4）概率升尺度方法，按设施规模分级加权估算全国排放量。

设施排放特征

测量显示各设施排放速率（ER）存在数量级差异：CH₄为0.02-224 g s^-1，N₂O为0.002-28 g s^-1，NH₃为0.002-33 g s^-1。排放因子（EF）均值分别为IPCC默认值的3.7倍（CH₄）和2.1倍（N₂O），且分布高度偏斜。通过分析37座传统活性污泥（CAS）设施发现，配备厌氧消化（AD）的设施CH₄-EF（0.071 g gBOD₅^-1）是无AD设施（0.028 g gBOD₅^-1）的2.5倍（曼-惠特尼U检验p=0.03）。

更新美国排放清单

概率升尺度计算表明：美国污水处理部门CH₄排放达17.9 MtCO₂e yr^-1（95%CI:14.2-21.9），是EPA清单的2.4倍；N₂O排放为31.5 MtCO₂e yr^-1（95%CI:20.3-41.7），为EPA值的1.9倍；NH₃排放量86 kt yr^-1（95%CI:28-143）较当前估算（<1 kt yr^-1）高出两个数量级，相当于轻型汽油车排放水平。

超级排放源贡献

分析84座设施的碳足迹（GWP加权总和）发现，CH₄与N₂O排放因子呈正相关，表明设施低效运行具有全局性。前11%的排放源（均含AD处理）贡献了74%的碳足迹，而前50%的设施贡献超过98%。若将前9大排放源的EF降至中位数水平，每年可减排23.8 kt CH₄和9 kt N₂O（合计3.1 MtCO₂e）。

全球排放趋势预测

基于共享社会经济路径（SSP）情景分析表明，至2100年污水处理对全球温室气体排放的贡献将增加2-17倍。以纽约市为例，其污水处理排放占比将从当前1.3%升至2050年的7%，凸显其在城市碳中和计划中的重要性。

研究结论强调，当前基于IPCC方法的排放清单严重低估实际排放，而设施级监测揭示的超级排放源为精准减排提供靶点。随着全球污水处理率提升（目前仅48%废水被处理），需建立更精细的排放监测体系，协调水质净化与气候变化应对目标。该成果为修订国家排放清单、优化污水处理工艺提供了科学依据，对实现循环水经济具有里程碑意义。