污水处理厂氧化亚氮排放量化方法的系统决策框架构建与应用

针对污水处理厂N2 O排放量化方法选择缺乏科学依据的难题，本研究开发了一套基于多准则评价的系统决策框架，通过权衡设备成本、运维难度等5项关键指标，明确了液体传感器法与气体通量罩法的适用场景。该研究为水务公司优化N2 O监测策略提供了量化工具，助力实现"双碳"目标下的减排需求。

　　

随着全球对温室气体减排的重视，污水处理过程中产生的强效温室气体氧化亚氮(N₂
O)日益受到关注。N₂
O的全球增温潜势是CO₂
的265倍，而污水处理厂贡献了全球人为N₂
O排放的3.2%。然而当前水务公司面临一个现实困境：虽然液体传感器法和气体通量罩法都能实时监测N₂
O排放，但两种方法各有利弊，缺乏科学的选择依据。这种选择困难导致监测数据可比性差，直接影响减排策略的制定效果。

针对这一技术空白，中国的研究团队创新性地构建了全球首个N₂
O量化方法决策框架。研究团队首先系统梳理了两种主流方法的优缺点：液体法通过浸入式传感器测量溶解态N₂
O，需计算表观体积传质系数(k_L
a_N2
O
)进行气液转换；气体法则直接测量覆盖区域的废气浓度和流量。研究创新性地引入TOPSIS多准则评价模型，综合考虑设备成本、耗材费用、调试难度、维护需求和数据分析复杂度五大指标，建立了覆盖12种监测场景的决策树。

关键技术方法包括：1) 基于污水处理厂覆盖状态和曝气类型的初步筛选；2) 设计包含4种时长（短期<6月到超长期>2年）和3种监测点密度（1-2个到5个以上）的12种场景；3) 采用最大归一化法将5项准则评分标准化为1-5分；4) 通过全局敏感性分析验证权重分配对结果的影响。

研究结果部分显示：

1. 决策流程框架
   对于全封闭或地下式污水处理厂，可直接选用气体法；表面曝气池则必须采用液体法结合k_L
   a估算。对于最常见的扩散曝气开放池，决策需通过多准则评价。

2. 多准则评价结果
   液体法在设备成本（降低50%）和调试难度方面优势明显，但在耗材成本（校准套件）、维护需求（每两月校准）和数据分析复杂度（需k_L
   a校正）上劣于气体法。短期（<6月）少量监测点（1-2个）场景下液体法占优，而长期（>2年）多监测点（≥5个）时气体法更佳。

3. 敏感性分析
   权重分配显著影响中间场景的选择：当统计权重（含数据分析复杂度）>70%时优先选择气体法；而资本权重（含设备成本）>45%时倾向液体法。值得注意的是，若气体法设备价格降低30%，其适用场景将扩大至中等监测强度场景。

结论与讨论指出，该框架首次为N₂
O监测提供了科学决策工具，其创新性体现在三方面：首先，将模糊的工程经验转化为量化评分体系，如液体法的维护评分随监测时长呈线性增长（每延长6个月评分+1）；其次，揭示了k_L
a计算复杂度是制约液体法应用的关键瓶颈；最后，开发的交互式决策工具（见附件）允许用户自定义权重，适应不同预算和技术能力。研究建议超长期监测优先采用气体法，但需注意其对缺氧区监测的局限性。

这项发表在《Water Research X》的成果不仅解决了行业方法选择困境，其构建的"场景-准则-权重"三维决策模型还可拓展应用于其他温室气体监测领域。随着全球污水处理厂加速向"碳中和"目标迈进，该框架将为优化减排投资效益提供关键技术支撑。