基于無人機的污水處理廠溫室氣體排放原位觀測：Aeris Strato中紅外激光氣體分析儀在多氣體測量中的應(yīng)用

摘要

研究團隊在瑞典多座采用厭氧消化（anaerobic digestion, AD）的污水處理廠（WWTP）開展了基于無人機的原位（in situ）多氣體觀測，用“質(zhì)量守恒/質(zhì)量平衡（mass balance）”方法在空中構(gòu)建虛擬垂直“墻（flight wall）”，在同一時空下同步獲取溫室氣體濃度與風(fēng)場信息，進而反演污水處理廠的凈排放通量。該研究的關(guān)鍵方法學(xué)亮點，是將 Aeris 的輕量級高頻氣體分析儀（Aeris Strato CH?/C?H?、Aeris Strato N?O/CO?、Aeris Mira Pico CH? 等）與機載風(fēng)速儀及氣象/定位傳感器集成到 iUAS（independent uncrewed aerial system）平臺，實現(xiàn)對污泥堆場、氮處理構(gòu)筑物等高排放源的快速分區(qū)定量。結(jié)果顯示：污泥貯存不僅是 CH? 的主要來源，也可能是此前被低估的 N?O 重要來源，導(dǎo)致基于排放因子（IPCC Tier 1、瑞典 Tier 2）的清單估算在多數(shù)廠站顯著偏低。

1 引言：為何需要“多氣體 + 場尺度”的原位觀測

污水處理廠承載著社會中最大規(guī)模之一的含氮有機物通量，但其溫室氣體（GHG）排放高度不確定。現(xiàn)行國家清單多依賴 IPCC 指南的排放因子（EF）方法，在缺乏足夠現(xiàn)場觀測約束時，既可能遺漏關(guān)鍵源項，也可能產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。研究團隊指出，既往對全廠尺度（full-WWTP）CH? 排放的少數(shù)綜合觀測已提示 EF 可能低估；而對 N?O 的關(guān)注主要集中在硝化/反硝化等氮去除單元，厭氧消化污泥（AD sludge）露天堆放被 EF 框架普遍假設(shè)為 N?O 可忽略。該研究提出并驗證了相反假設(shè)：AD 污泥在出罐后暴露于空氣，表層會形成氧梯度與類堆肥（compost-like）的微環(huán)境，具備產(chǎn)生并釋放 N?O 的機理基礎(chǔ)。

2 材料與方法：iUAS 平臺與 Aeris 傳感器的系統(tǒng)集成

2.1 iUAS 的核心思想：同位測量濃度與風(fēng)場，構(gòu)建“虛擬通量墻”
研究使用 iUAS（機載集成系統(tǒng)）在飛行軌跡上以高頻率同步記錄 CH?、N?O（以及部分配置下的 C?H?、CO?）濃度、風(fēng)速風(fēng)向、溫度/濕度/氣壓與三維定位。通過在目標區(qū)域上風(fēng)與下風(fēng)飛行多條垂直墻面（wall flights），將墻面上的“氣體濃度 × 垂直于墻面的風(fēng)速分量”積分得到穿墻質(zhì)量通量，再對比上風(fēng)輸入與下風(fēng)輸出，獲得目標區(qū)域的凈排放（export ? import）。該方法可適配從單個污泥堆到公頃尺度構(gòu)筑物群的不同面積，并能在復(fù)雜廠區(qū)中進行源區(qū)分離。

2.2 Aeris 機載氣體分析儀配置：從單氣體到多氣體同步
研究共使用兩套無人機系統(tǒng)。iUAS-1 以 DJI Matrice 300 為平臺，按任務(wù)選擇搭載 Aeris Mira Pico CH? 或 Aeris Strato N?O（單次飛行一臺氣體分析儀）。每臺分析儀質(zhì)量約 1.9 kg，適配 2.3 kg 的最大載荷；系統(tǒng)配備 Trisonica 風(fēng)速儀（安裝于螺旋槳上方的碳纖維桿上），并輔以氣壓、氣溫、相對濕度等傳感器與數(shù)據(jù)記錄器。iUAS-2 采用更大載荷的 Airolit Explorian XLT（最大載荷 5 kg），可同時掛載 Aeris Strato CH?/C?H? 與 Aeris Strato N?O/CO?，實現(xiàn) CH? 與 N?O 的同步觀測，并繼續(xù)搭載 Trisonica 風(fēng)速儀與同類輔助傳感器。研究還通過“呼氣測試”標定進氣管路延遲（iUAS-1 約 8 s；iUAS-2 約 5.5 s），并采用外接電池在起飛前持續(xù)供電以縮短傳感器穩(wěn)定時間。

2.3 Aeris 傳感器在本研究中的“應(yīng)用優(yōu)勢”歸納

3 結(jié)果：污泥貯存是 CH? 與 N?O 的關(guān)鍵源項，清單估算在多數(shù)廠站偏低

 3.1 全廠尺度排放量級與源區(qū)貢獻
在 12 座完整污水廠與 1 座集中污泥貯存設(shè)施的觀測中，總 CH? 年排放量范圍為 3.7–471 t CH?·yr?1，平均 78% 來自污泥貯存；總 N?O 年排放量范圍為 1.9–68.3 t N?O·yr?1，平均 47% 來自污泥貯存。更重要的是，研究在 5 座廠的 AD 污泥堆場發(fā)現(xiàn)“持續(xù)且普遍”的 N?O 排放，其強度約為污泥 CH? 排放的 8.6 ± 2.5%（按質(zhì)量比），并在 100 年尺度 CO? 當量中貢獻了污泥貯存排放的 46 ± 7%。

3.2 與 IPCC/國家 Tier 方法的對比：觀測值普遍更高
將基于 iUAS 的觀測年排放與 IPCC Tier 1 及瑞典 Tier 2 的 EF 估算比較，CH? 在除一座廠外均高于 Tier 1，且多數(shù)廠也高于 Tier 2；N?O 在多數(shù)廠同樣高于 EF 估算。按平均倍數(shù)計，觀測推算相對 EF 的差異達到 CH? 約 4.4–6.3 倍、N?O 約 2.9–3.0 倍，折算為 CO? 當量后仍有約 3.1–3.4 倍的差距。總體上，N?O 的質(zhì)量排放相當于 CH? 的 8–160%（中位數(shù) 14%），并主導(dǎo)總 CO? 當量（45–95%；平均 65 ± 18%）。

3.3 影響排放的關(guān)鍵控制因子：污泥“年齡”比氣溫更關(guān)鍵（在 >5 ℃ 時）
結(jié)合本研究與前期數(shù)據(jù)，作者指出：在氣溫高于 5 ℃ 的條件下，污泥堆 CH? 排放更受“污泥堆放時間/污泥年齡”影響，而非外界溫度本身；這也解釋了不同廠因污泥堆管理方式（從僅短暫堆放數(shù)周到按月堆放并可持續(xù)一年）而出現(xiàn)的排放跨度。基于此，作者在年尺度估算中采用了保守假設(shè)：5–30 ℃ 使用平均通量、低于 5 ℃ 視為無通量，并指出未來變暖會增加 >5 ℃ 天數(shù)從而提高排放風(fēng)險。

4 討論：Aeris 機載多氣體測量如何改變 WWTP 排放認知與減排優(yōu)先級

 4.1 “同位多氣體”揭示被忽略的 N?O 源項
研究第一階段（iUAS-1）因假設(shè)污泥 N?O 可忽略而優(yōu)先進行 CH? 飛行；第二階段（iUAS-2）憑借更大載荷實現(xiàn) CH? 與 N?O 同步測量后，才發(fā)現(xiàn)污泥堆 N?O 排放在各廠普遍存在且不容忽視，并據(jù)同步測得的 N?O/CH? 比值回算了第一階段未測得的污泥 N?O。這一過程凸顯了 Aeris Strato CH?/C?H? 與 Aeris Strato N?O/CO? “同機同飛”的價值：在同一風(fēng)場與同一時間窗口內(nèi)獲得兩種關(guān)鍵溫室氣體的協(xié)同證據(jù)，顯著降低分時測量帶來的系統(tǒng)性誤差，也更容易識別以往 EF 框架中被設(shè)為零的源項。

4.2 “獨立 iUAS 數(shù)據(jù)鏈”提升了場尺度通量反演的可追溯性
作者強調(diào) iUAS 的關(guān)鍵在于“所有傳感器在機”，從而避免依賴外部風(fēng)廓線、單點氣象站或其他假設(shè)。在通量墻算法中，氣體分析儀輸出的體積分數(shù)（ppm/ppb）與機載氣壓/溫度共同進入理想氣體方程，再與墻面法向風(fēng)速分量相乘得到瞬時通量密度并積分。風(fēng)速隨高度變化顯著，若缺少同位風(fēng)測量將直接影響通量估算。因此，Aeris 傳感器的高頻濃度數(shù)據(jù)與 Trisonica 風(fēng)速儀的同位風(fēng)場數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了“第一性原理”式的通量鏈條。

4.3 對減排策略的啟示：污泥堆與氮處理單元都需納入優(yōu)先清單
該研究表明，在采用厭氧消化的 WWTP 中，污泥露天堆放可能同時驅(qū)動 CH? 與 N?O 的顯著排放，且 N?O 在 CO? 當量中可占主導(dǎo)。這意味著僅聚焦氮處理單元的 N?O 控制或僅聚焦沼氣系統(tǒng)的 CH? 泄漏控制都可能不夠；而要制定“投資回報更高”的減排組合，需要首先用可分區(qū)、可定量的方法識別各廠的主導(dǎo)源項。作者指出，多數(shù)廠對 CH? 有常規(guī)監(jiān)測但缺少對全尺度污泥堆的代表性測量，對 N?O 更幾乎不做常規(guī)監(jiān)測；iUAS（及類似方法）可用于發(fā)現(xiàn)源區(qū)、論證投資、并在實施后評估減排效果。

5 結(jié)論：從“被低估”到“可治理”的關(guān)鍵，在于可部署的多氣體原位觀測能力

總體而言，該研究以多廠站、場尺度的 iUAS 觀測證明：采用厭氧消化的污水處理體系中，實際溫室氣體排放可能顯著高于 EF 清單估算，并首次在多座廠的全尺度污泥堆場下證實了大且一致的 N?O 排放。方法層面，Aeris Strato CH?/C?H? 與 Aeris Strato N?O/CO? 的同步機載測量、以及 Aeris Miro Pico CH? 在小載荷平臺上的部署，為 WWTP 復(fù)雜源區(qū)的“多氣體、同位、可分區(qū)”定量提供了硬件基礎(chǔ)，使得識別新源項、校正排放因子與優(yōu)化減排優(yōu)先級成為可能。

參考文獻
G?lfalk, M.; Bastviken, D. In situ observations reveal underestimated greenhouse gas emissions from wastewater treatment with anaerobic digestion – sludge was a major source for both CH? and N?O. Environmental Science & Technology https://doi.org/10.1021/acs.est.5c04780