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该研究的主要作者包括Yuqi Yang、Xin Yuan、Longfei Yu等，研究团队来自清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究所、清华大学环境学院以及澳大利亚新南威尔士大学土木与环境工程学院。该研究于2025年1月25日发表在《Water Research X》期刊上，文章标题为《Assessment of methane and nitrous oxide emissions from urban community sewer networks: field quantification and insights into environmental factors》。

学术背景

该研究聚焦于城市社区污水管网中的甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放问题。甲烷和氧化亚氮是仅次于二氧化碳的重要温室气体，对全球气候变化有显著影响。尽管污水处理厂被认为是城市污水系统中温室气体排放的主要来源，但污水管网的排放贡献尚未得到充分研究。以往的研究主要集中在集中式污水处理厂，而对污水管网的温室气体排放缺乏直接测量和系统性评估。因此，该研究旨在通过原位测量方法，量化城市社区污水管网中的CH₄和N₂O排放，并探讨其时空变化特征及环境驱动因素，为区域温室气体估算和减排管理提供科学依据。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. 研究区域与对象
   研究区域位于深圳市南山区某大学校园内，覆盖面积为17.33公顷，常住人口2046人。污水管网总长4769.43米，包括140条主干管道和247条分支管道，主要接收生活污水。研究选择了151个检查井（包括19个化粪池和132条污水管道）作为研究对象。

2. 气体浓度与通量测量
   研究团队在2024年1月至5月期间，分阶段进行了气体浓度调查、通量测量以及昼夜监测。

   • 浓度调查：在1月14日至17日期间，采集了248个气体样本，包括132个污水管道样本、97个雨水管道样本和19个化粪池样本。气体样本通过50厘米深的硅胶管从检查井中抽取，并注入铝箔气体袋中，随后使用气相色谱仪（Agilent 8890）分析CH₄和N₂O浓度。
     
   • 通量测量：在4月10日至18日期间，使用静态室法对151个检查井进行了原位通量测量。对于超过检测范围的气体样本，研究团队采用离线气相色谱法进行补充测量。
     
   • 昼夜监测：在4月3日至4日期间，选择了3个检查井进行24小时连续监测，每2小时采样一次，以评估CH₄和N₂O排放的昼夜变化特征。

3. 水质与微生物分析
   为了探讨环境因素对温室气体排放的影响，研究团队选择了12个检查井（包括3个化粪池）进行水质和微生物分析。水质参数包括温度、电导率、溶解氧（DO）、pH、氧化还原电位（ORP）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH₄⁺-N）、亚硝酸盐氮（NO₂⁻-N）、硝酸盐氮（NO₃⁻-N）和总磷（TP）。微生物分析通过DNA提取和高通量测序技术进行，重点分析了甲烷生成菌和反硝化菌的丰度与活性。

4. 数据分析
   研究团队使用土壤通量分析软件（SoilFluxPro）处理通量数据，并通过线性回归和Pearson相关性分析探讨了CH₄和N₂O排放与环境因素之间的关系。

主要结果

1. 温室气体浓度与通量

   • 研究区域污水管网的总温室气体排放量为763.3 g CO₂eq/h，其中CH₄占99.4%，N₂O占0.6%。
     
   • 化粪池是主要的排放源，贡献了92.5%的CH₄和4.4 mg/h的N₂O，而污水管道仅贡献了7.5%的CH₄和12.8 mg/h的N₂O。
     
   • CH₄浓度在化粪池中最高，达到77,000 ppm，远超爆炸下限（5%）。N₂O浓度在78%的检查井中为0.5-3 ppm，高于大气背景值。

2. 昼夜变化

   • CH₄排放呈现明显的昼夜变化，白天排放量占总排放量的67%，夜间占33%。
     
   • N₂O排放的昼夜变化不显著，但夜间排放量相对较高。

3. 环境驱动因素

   • CH₄排放与污水温度（r = 0.70, p = 0.017）和检查井深度（r = 0.67, p = 0.016）呈显著正相关。
     
   • N₂O排放主要与污水温度相关（r = 0.67, p = 0.024）。
     
   • 微生物分析表明，甲烷生成菌（如Methanobacterium beijingense）和反硝化菌（如Paracoccus aminovorans）的活性与温室气体排放密切相关。

结论

该研究首次通过原位测量方法量化了中国城市社区污水管网中的CH₄和N₂O排放，揭示了其时空变化特征及环境驱动因素。研究结果表明，污水管网是一个被忽视的重要温室气体排放源，尤其是化粪池的贡献尤为显著。污水温度和管网通风条件是影响非CO₂温室气体排放的关键因素。该研究为区域温室气体估算和减排管理提供了重要的科学依据，并建议在集中式污水处理能力充足的地区逐步淘汰化粪池，以减少温室气体排放。

研究亮点

1. 创新性方法：研究团队开发了适用于社区污水管网的温室气体通量测量方法，并结合原位监测与实验室分析，全面评估了CH₄和N₂O排放。
   
2. 重要发现：首次揭示了化粪池在城市污水管网温室气体排放中的主导作用，并量化了其贡献。
   
3. 应用价值：研究结果为城市污水管网的温室气体减排提供了具体的管理建议，具有重要的实际应用价值。

其他有价值的内容

研究还指出，季节性变化和降雨可能对温室气体排放有显著影响，未来研究应进一步探讨这些因素的作用。此外，研究团队建议将基于车辆的移动测量与化学投加相结合，作为减少污水管网温室气体排放的潜在策略。