厦门大学曹文志团队WR|污水处理厂尾水排放增加了亚热带城市化河流的全球升温潜势

政务   2024-09-16 09:02   中国  

文章信息

第一作者:陈侃

通讯作者:曹文志 教授
通讯单位:厦门大学

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122349

亮点

• 证实了污水处理厂尾水排放增加了城市化河流的全球升温潜势

• 从环境因子、微生物群落及功能基因三个视角阐明了尾水排放促进收纳水体N2OCO2CH4排放的内在机理

• 讨论了污水处理厂及其受纳水体应视为一个整体系统,以此为出发点制定“减污降碳”协调策略

研究进展

河流在全球碳、氮生物地球化学循环中发挥着举足轻重的作用,营养负荷高的城市化河流是温室气体排放的重要热点,城市化河流中的水体和沉积物受到经处理的或直接补给的尾水的显著影响,其温室气体排放模式也受到了极大影响。然而,接收尾水的城市化河流温室气体排放特征及受尾水影响的微生物群落和功能基因对河流中温室气体生成机制的影响仍然知之甚少。

1 图文摘要

本研究调查污水处理厂尾水对亚热带城市化河流温室气体排放的影响,确定了污水处理厂排污口上下游溶解温室气体浓度分布和排放模式。接收污水后,N2O和CO2的排放量明显增加;相反,排污口附近下游的CH4排放量低于上游,但远离排污口的下游CH4排放量却增加(图2)。相比排污口上游河段,排污口下游河段的20年尺度全球升温潜势在丰水期和枯水期分别增加了186%和84%;100年尺度全球升温潜势在丰水期和枯水期分别增加了91%和49%(图3)。 
2 N2OCO2CH4的溶解浓度(a-c)、饱和度(d-f)和估计通量(g-i)。 

3 丰水期(a)和枯水期(bEF5r估计值与推荐值对比;排污口上游和下游全球升温潜势对比(cd)。

本研究评估了污水收纳河流中与温室气体产生和消耗相关的微生物群落和功能基因对河流中温室气体排放的影响。在流量小且碳、氮负荷高的城市化河流中,其接收大量尾水后转变为污水处理厂的后续“反应器”。除污水中携带的溶解温室气体输入外,持续的碳、氮和氯输入维持了温室气体的高饱和度和生产潜力,并改变了微生物群落结构和功能基因的丰度,从而促进了温室气体的排放(图4和5)。 

4 线性判别分析显示各组评分大于4.0的微生物类群,每个颜色节点分别代表水体(ab)和沉积物(cd)中在该组中发挥重要作用的微生物类群。

本研究同时确定影响污水收纳河流中温室气体分布和排放特征的关键环境因素和过程。污水尾水抑制了排污口下游浮游植物生长,并改变了CO2固定功能基因组成,削弱了CO2固定能力。然而,较强的CH4氧化作用和受尾水抑制的产CH4作用共同抑制了下游近排污口河段的CH4排放。相反,高水力停留时间、低溶解氧和高有机碳条件促进了下游远处的CH4生成。尾水输入降低了C/N比,促进了不完全反硝化作用,从而刺激了排污口下游的N2O生成,IPCC推荐的EF5r值低估了具有高碳、氮负荷的城市化河流中N2O排放能力(图3和5)。

5 偏最小二乘法回归分析及每个潜变量对温室气体的总效应。红箭头表示正相关,蓝箭头表示负相关,虚线表示非显著相关。箭头旁边的值表示路径系数,线宽与路径系数成正比。*表示显著性水平,*p<0.05**p<0.01***p<0.001,百分比表示模型的R2

污水稳定输出的碳、氮和氯负荷也是影响温室气体排放的重要因素,应将污水处理厂及其受纳水体视为一个整体系统,以综合制定“减污降碳”协调策略。本研究结果有助于提升城市河流中温室气体通量估算的准确性和城市污水和流域的管理,为污水处理厂的升级和城市化河流的环境管理提供了宝贵信息,对当前减缓全球气候变化的努力具有重要意义。

作者介绍

曹文志,博士,厦门大学南强重点岗位教授,博士生导师,教育部新世纪优秀人才,福建省2021年第一批省级高层次A类人才。主持“十三五”国家重点研发计划项目1项、“十四五”国家重点研发计划课题1项,国家自然科学基金重点项目1项,福建自然科学基金重点项目1项等科研项目50余项,参加国家重点基础研究与发展(973)项目和环保部公益项目等多项,发表学术论文近200篇,其中英文SCI论文90余篇。编写专著5部。获得国家环保部环境保护科学技术三等奖2项,福建省政府社科优秀奖和福建省科学技术奖各1项。长期从事滨海湿地与陆地土壤生物地球化学循环及其生态环境效应、流域-河流-河口连续体环境与生态过程及城市群生态安全研究。

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