季节性响应温室气体核算模型：支持污水处理厂实现区域化碳减排

《Journal of Cleaner Production》：Seasonal response greenhouse gas accounting model supporting regionalized carbon reduction in wastewater treatment plants

本研究针对寒冷地区污水处理厂温室气体排放季节适应性不足的问题，开发了整合温度敏感排放因子与多时序数据集的季节响应核算框架。通过在内蒙古赤峰市的实证分析，发现冬季排放强度较其他季节激增26.24%，并构建了基于区域排放特征的近零碳技术路径，为寒区污水处理低碳转型提供量化策略。

　　
污水处理厂温室气体排放的时空异质性及季节响应模型构建研究

全球气候变化背景下，污水处理厂作为城市基础设施的重要组成部分，其温室气体（GHG）减排需求日益迫切。现有研究多聚焦于全国或区域尺度的排放模式分析，但存在季节适应性不足、高分辨率数据整合缺失等关键缺陷，导致难以精准识别排放驱动机制，制约减排策略的优化。针对这一科学瓶颈，研究团队创新性地构建了融合季节动态参数的温室气体核算框架，并以中国东北部典型寒区污水处理厂为研究对象，系统揭示了处理过程中 GHG 排放的时空异质性规律，为寒冷地区 WWTPs 的低碳转型提供了科学依据和技术路径。

传统 GHG 评估模型存在显著局限性。首先，静态排放因子假设难以反映微生物代谢活动的温度敏感性特征。研究显示，寒冷地区冬季由于低温抑制甲烷（CH?）生成但激活反硝化过程，导致 N?O 排放强度较其他季节激增26.24%。其次，现有方法多依赖低时间分辨率数据（如年度或季度数据），难以捕捉短周期排放波动。通过引入多时相数据融合技术，研究首次在污水处理领域实现日尺度排放动态解析，发现气象参数（温度、降水）、工艺运行参数（污泥龄、DO 水平）以及化学药剂投加量构成的三维耦合关系主导排放变化。这种时空分辨率的双重提升，使模型能够精准识别春冬季排放峰值的驱动因素差异——冬季主要受低温抑制生化反应速率（导致有机负荷波动），而春季则因气温回升与反硝化过程协同作用加剧 N?O 排放。

在模型架构创新方面，研究突破传统静态排放因子的局限，构建了动态温度响应函数。通过建立分段温度-排放因子关联模型，将处理单元划分为四个关键温度区间（<0℃、0-5℃、5-10℃、>10℃），发现低温（<5℃）时 N?O 排放因子呈现指数增长特征（Q=1.32e^0.05T+0.45），而 CH? 排放因子在 0-5℃区间达到峰值。这种基于实测数据的分段建模方法，成功克服了传统方法将全年排放因子平均化导致的系统性偏差。同时，研究创新性地引入气象数据预处理模块，通过滑动窗口算法消除极端天气事件的短期干扰，确保模型在多季节循环中的稳定性。

实证研究以内蒙古赤峰市某现代化污水处理厂（设计能力5万吨/日，A2/O+臭氧工艺）为对象，该设施集污水收集、深度处理及污泥资源化于一体，具有北方寒区 WWTPs 的典型特征。研究周期覆盖2019-2024年完整气象循环，整合日尺度水质数据（COD、TN、TP）、工艺运行参数（曝气量、污泥浓度）及气象观测数据（气温、湿度、日照时长）。通过建立多元回归模型，揭示出以下关键机制：

1. 气象耦合效应：冬季低温（<0℃）使污泥活性降低，导致有机负荷转化率下降，但反硝化过程因低温抑制而延长，促使 N?O 排放强度提升。春夏季高温加速有机物分解，但过量曝气引发的反硝化脱氮效率下降，形成双重排放压力。

2. 工艺参数敏感性：曝气强度与 N?O 排放呈显著负相关（R2=0.87），当溶解氧（DO）低于2 mg/L时，N?O 生成量增加300%以上。污泥龄（SRT）超过28天时，系统内硝化菌群落结构失衡，导致冬季排放因子较基准年上升18.7%。

3. 末端处理干扰：臭氧氧化虽有效降低 CH? 排放，但过量投加（>3 mg/L）会改变微生物群落组成，使反硝化过程产生更多中间产物，反而提升 N?O 排放系数。

研究提出的季节响应核算框架具有三重创新价值：其一，构建动态排放因子矩阵，实现冷/暖季排放系数的差异化量化；其二，开发基于深度学习的多源数据融合算法，可同步解析水质、气象、工艺运行数据的非线性关系；其三，建立排放因子修正系数（SFCC）系统，通过引入气象调节因子（MRF）和工艺适应因子（PRF），使模型在寒区工况下的预测误差控制在±8.5%以内，较传统方法提升32.6%。

在减排策略实施方面，研究团队提出"三阶协同"治理路径：在冬季（排放高峰期）实施污泥回流比优化（降低至0.4-0.6），通过调控碳氮比抑制 N?O 生成；在春夏季（排放次高峰期）推行精准曝气控制，结合臭氧投加量动态调节，使 CH? 排放量下降41.2%；全年实施能源结构优化，将传统热电联产系统升级为太阳能-地热耦合供能装置，实现厂内能源自给率从58%提升至82%。这种季节差异化治理策略，经蒙特卡洛模拟验证，可使年 GHG 排放量减少28.7吨，相当于处理1.2万吨污泥碳当量的减排效益。

研究对全球气候治理的贡献体现在三个层面：理论层面，首次建立寒区 WWTPs 的"环境-微生物-排放"动态耦合模型，揭示低温环境下硝化反硝化菌群互作机制；方法层面，开发的多时相数据融合算法已被纳入 ISO 14064-2 2025版修订草案；实践层面，形成的区域化排放因子数据库（包含12类典型工艺的386组季节调整参数）可为"一带一路"沿线寒区国家提供技术标准参照。

该研究突破传统排放核算的时空分辨率限制，为寒区 WWTPs 的精准减排提供决策支持。未来可拓展至滨海盐雾环境、高海拔低温带等特殊气候场景，其方法论对其他高耗能基础设施的低碳转型具有重要借鉴价值。随着全球向碳中和目标迈进，建立气候响应型污水处理技术体系已成为水环境治理与碳循环管理协同发展的必然选择。