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2022年 第40卷  第9期

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科学研究
CO2催化合成衍生柴油的基础研究
李函霏, 吴畏, 白露露
2022, 40(9): 1-8. doi: 10.13205/j.hjgc.202209001
摘要:
为促进我国“双碳”政策的推行,拓展CO2的循环利用技术,开展了CO2合成柴油的实验探索,利用铁基催化剂,以CO2作为原料,探讨了CO2加氢合成衍生柴油的可行性研究。在科学验证CO2合成衍生柴油可行性的基础上,进一步考察了催化剂载体的酸碱性、催化剂组元Fe含量以及助剂添加对催化活性的影响。研究表明:CO2加氢的合成产物的主要组分及组分分布特点与商用柴油高度一致。以γ-Al2O3为载体负载铁基催化剂可有效促进CO2的逆水煤气反应和芬顿反应;作为催化剂助剂,金属元素K的添加对提高催化活性有较好的辅助作用。反应温度和压力是该反应的可控因子,其中,压力为决定因素,当压力>1.6 MPa时,反应才可以在250℃以上的温度域顺利发生。此外,载体的酸碱性、催化组元Fe及助剂K含量对合成产物的组分分布情况及与柴油的相似度也具有重要影响。
基于CEEMD-BiGRU模型的徐州市大气污染物浓度预测
吴子伯, 崔云霞, 曹炜琦, 彭欣, 赵修齐治蓁
2022, 40(9): 9-18. doi: 10.13205/j.hjgc.202209002
摘要:
目前大气污染物对于地区经济以及人体健康的影响不容忽视。选取徐州市2016-01-01—2021-01-24大气污染物和气象要素数据,针对大气污染物浓度波动性强等特点,运用互补集成经验模态分解(CEEMD)将污染物数据分解为本征模态分量,提取出原始数据的各项特征,再对分解出的各本征模态分量构建双向门控循环单元模型(BiGRU),通过双向循环训练,学习各分量的特征趋势并获得最优训练参数,将输出结果重构,得到最终的预测值。结果表明:与BiGRU、BP模型相比,CEEMD-BiGRU模型预测各项大气污染物的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)分别下降15%、20%和2百分点以上,预测精度有较大提升。在此基础上,利用CEEMD-BiGRU模型预测后一时间段残差,以修正原预测值,得到大气污染物预测区间上界,进一步扩展模型的适用性。
焦化厂VOCs的臭氧生成潜势及二次有机气溶胶生成潜势分析
肖凯, 张晓伟, 郝志飞, 张永锋, 孙俊民
2022, 40(9): 19-25,43. doi: 10.13205/j.hjgc.202209003
摘要:
焦化厂因其工艺特殊,SO2、NOx、颗粒物及VOCs的排放问题较为突出。故对焦化厂厂界环境空气VOCs排放特征进行分析,并依据最大增量反应活性(MIR)法和等效丙烯浓度(PEC)法对VOCs的臭氧生成潜势(OFP)进行评估,依据气溶胶生成系数(FAC)法对VOCs二次有机气溶胶生成潜势(SOAFP)进行评估。结果表明:1)厂界上、下风向5个点位共分析出包括芳香烃、卤代烃、烯烃、硫化物、酮类在内的17种VOCs; 2)不同区域厂界检出的VOCs差异显著,总质量浓度为28.2~167.9μg/m3,其中芳香烃在各点位TVOCs中占比最大,达到51.01%~84.63%;3)脱硫提盐冷鼓区域边界OFP最大,理论值为335.51μg/m3,办公生活区边界OFP最小,理论值为47.06μg/m3,芳香烃对OFP贡献率为27.21%~62.37%,烯烃为39.17%~61.84%,卤代烃为2.08%~14.56%;通过PEC法估算OFP,结果变化趋势与MIR法结果相一致,等效丙烯浓度为3.11~31.89μg/m3;且1—5点位芳香烃的等效丙烯浓度贡献率分别为37.10%、51.46%、66.79%、58.80%和22.74%;4)1—5点位SOAFP分别为0.452,0.938,2.517,4.055,0.495μg/m3;芳香烃对SOAFP贡献最大。丙烯、甲苯、二甲苯、氯乙烯等质量浓度和反应活性均较大的物质,是需要优先控制的VOCs组分,可作为焦化厂环境空气VOCs的标志物。
成都西南郊区大气PM1中水溶性离子季节变化特征
王碧菡, 廖婷婷, 车红蕾, 王雨婷, 姜东东
2022, 40(9): 26-32. doi: 10.13205/j.hjgc.202209004
摘要:
为研究成都市西南郊区PM1中水溶性离子的季节特征及其来源,于2019年1,4,7,10月采集PM1样品并对其中的8种水溶性离子(NO3-、SO42-、NH4+、Ca2+、Cl-、K+、Na+和Mg2+)进行分析,开展PM1和水溶性离子质量浓度及其相关关系的对比分析。结果表明:2019年,成都市西南郊区PM1和水溶性离子年均总浓度分别为(30.1±12.5),(8.5±6.2)μg/m3,各离子浓度高低顺序为NO3->SO42->NH4+>K+>Ca2+>Cl->Na+>Mg2+;二次离子SNA(SO42-、NO3-、NH4+)占总水溶性离子比例达到90.0%以上,其在PM1中占比的季节差异明显,冬季(35.0%)>春季(23.6%)>秋季(22.0%)>夏季(17.5%)。春、夏季NO3-/SO42-分别为0.9和0.6,而秋、冬季NO3-/SO42-分别为1.2和2.1,说明春夏季固定源对PM1贡献更大,秋冬季移动源对PM1的贡献更加显著。受来源和气象条件影响,SOR和NOR年均值分别为0.37和0.04,表明观测期间SO2的二次生成率更为突出。主成分分析结果显示,成都市西南郊区PM1中水溶性离子的主要来源有二次无机源、燃煤、生物质燃烧和扬尘。
沈阳市一次PM2.5污染天气过程成因分析
赵慧洁, 马云峰, 王帅, 刘淇尧, 魏相男
2022, 40(9): 33-43. doi: 10.13205/j.hjgc.202209005
摘要:
利用气象与环境监测数据,对沈阳市2015—2018年PM2.5的污染事件、浓度变化特征和污染物相关性进行分析;并利用WRF-Chem模式、HYSPLIT模型,从气象要素、高空环流形势和污染传输特征等方面对沈阳市2018年一次污染天气过程进行分析。结果表明:PM2.5月浓度变化呈冬季>春季>秋季>夏季的“V”形特征,日浓度变化呈“双峰”特征。相关性分析显示,气温(-0.3666)和相对湿度(-0.1158)是影响PM2.5浓度主要的气象因子,PM10(0.9964)和NO2(0.7242)是影响PM2.5浓度的主要污染物。2018年1月26—28日沈阳地区出现了一次持续重污染过程,在重污染开始过程中,高空环流平直,浅槽前暖平流占主导地位,地面为弱高压均压场控制,地面风速以静小风为主,风场辐合,气象条件有利于污染物积聚。在重污染发展的过程中,地面相对湿度增大有利于颗粒物吸湿增长,贴地和高空逆温层厚度较大,污染加剧。在重污染减弱的过程中,逆温层消失,大气层结稳定,垂直扩散条件变好。“静稳”气象条件下本地污染物以及外部传输的积累是导致沈阳市此次重污染过程的主要原因。
焦作市PM2.5和PM10时空变化特征及其与气象因子的关系
李杨, 刘永和, 王西岳, 王海邻
2022, 40(9): 44-53. doi: 10.13205/j.hjgc.202209006
摘要:
为了研究焦作市大气中PM2.5和PM10污染状况,基于2018—2020年焦作市50个环境空气质量监测站点的PM2.5和PM10浓度逐时观测资料,结合气象资料,分析了焦作市PM2.5和PM10浓度的时空分布特征及气象因素影响。结果表明:1)焦作市PM2.5和PM10呈双峰型日变化,且具有显著的U形逐月变化规律及冬高夏低、春秋居中的季节性特征。2)2018—2020年PM2.5和PM10浓度年均值呈西南高东北低的空间差异性特征。与2018年相比,2020年修武县PM2.5和PM10浓度的下降幅度最大,分别为30.25%、22.72%。3) Spearman相关性分析表明,PM2.5和PM10浓度与气温、风速呈显著负相关;与气压呈显著正相关;相对湿度与PM2.5浓度呈显著正相关,与PM10浓度呈显著负相关。焦作市环保局监测站在东北风、西南风风向PM2.5和PM10浓度污染较重,博爱县清化镇、沁阳市西万镇和武陟县乔庙乡监测站在西南风风向易出现高浓度颗粒物。该研究结果可为日后工业地区大气污染防治,生产生活的合理规划与布局提供重要参考。
典型生物质燃烧排放酚类有机物的大气液相氧化动力学
雷若媛, 刘雨, 虞婉宁, 缪静秋, 盖鑫磊
2022, 40(9): 54-62,172. doi: 10.13205/j.hjgc.202209007
摘要:
生物质燃烧排放有机物是大气二次有机气溶胶(SOA)的重要前体物,但相关反应参数仍较为匮乏。选择其中4种代表性物质,间苯二酚(RES)、4-乙基苯酚(4-EP)、丁香酚(Eug)和2,4,6-三甲基苯酚(Trmp),利用相对速率法测定了其与·OH在液相(云雾条件)中的二级反应动力学参数,并估算了其在实际大气条件下的液相反应寿命。在pH=5.4,T=298 K条件下,测定以上4种前体物液相氧化的二级动力学常数(K)分别为(7.68±0.04)×109,(18.12±0.56)×109,(23.11±0.60)×109,(16.90±0.58)×109 L/(mol·s),所得到的K值不确定性为3.5%~12%。此外,还测定了体系在T=293,288 K时的K值,发现288 K时的K值比298 K时的低了22%~38%,说明温度对于酚类液相反应的双分子速率常数有一定影响。研究还发现,反应过程中前体物浓度为初始值1/2时,pH降低,说明反应过程中可能生成一定量的有机酸;这些化合物在不同情境下使用CAPRAM 3.0多相机制计算得到的大气寿命在数十秒到数十小时之间,进一步说明生物质燃烧排放酚类化合物对SOA的生成贡献值得重视。
新型生物质碳源强化脱氮效果及微生物菌群分析
王燕, 李激, 支尧, 周瑜, 郑凯凯, 王小飞
2022, 40(9): 63-68,117. doi: 10.13205/j.hjgc.202209008
摘要:
为了实现城镇污水处理厂深度脱氮效果,以太湖流域某污水处理厂为对象,以生物质废弃物再利用过程中产生的衍生物甘油为主要原料的生物质碳源作为反硝化电子供体,分别研究了缺氧池、深床滤池的反硝化脱氮效果,同时解析了外加生物质碳源前后的微生物群落结构变化特征。结果表明:在缺氧池投加2.5~3.0 t/d生物质碳源时,可使缺氧池硝态氮浓度下降1.67~1.73 mg/L,去除率为52%~68%;在深床滤池投加生物质碳源后,反硝化脱氮过程中约消耗5.27 mg COD可去除1 mg NO3--N,进而使出水TN能够达到5 mg/L以下,实现了出水TN稳定达到DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》一、二级保护区的排放限值要求。通过16S rRNA基因序列分析发现,缺氧池和深床滤池微生物优势菌门主要为ProteobacteriaActinobacteriotaChloroflexi和Bacteroidota。深床滤池由于工艺条件和生长环境不同,在投加生物质碳源后,ThiothrixBacillusPropionicicellanorank_f_RhodocyclaceaeTerrimonas等具有反硝化脱氮功能的优势菌群较为突出,有效保证了系统稳定的深度脱氮效果,同时间接降低CO2排放,对城镇污水厂的碳减排及“碳中和”提供了积极参考。
低碳源条件下BSBR工艺磷酸盐强化吸收影响因素分析
陈越, 潘杨, 倪敏, 黄勇, 李大鹏, 毕贞, 张星宇, 温林霄
2022, 40(9): 69-73,191. doi: 10.13205/j.hjgc.202209009
摘要:
相较于传统强化生物除磷工艺通过测流实现污泥磷酸盐的富集和回收,生物膜法可对废水中的磷酸盐进行高效同步去除和富集,具有应用潜力。针对生物膜法厌氧释磷需要高碳源刺激的问题,通过优化工艺条件强化生物膜好氧吸磷能力提高生物膜蓄磷量,进而减少厌氧释磷时的碳源消耗。采用生物膜法序批式反应器(BSBR),考察了在低碳源投加下,蓄磷量与磷富集罐磷浓度的响应关系,采用正交试验探究溶解氧、搅拌速度以及好氧时间对磷酸盐强化吸收的影响。结果表明:当温度为(25±2)℃、厌氧外加碳源为(180±20) mg/L时,富集罐磷浓度随着生物膜蓄磷量的增加而增加,最高可达到90.62 mg/L。相同蓄磷量下,溶解氧浓度从2 mg/L增加至8 mg/L,磷酸盐最大吸收速率可从2.60 mg/(L·h)上升到8.70 mg/(L·h)。正交实验结果表明:各因素对磷酸盐强化吸收的影响顺序为溶解氧>好氧时间>搅拌速度。当溶解氧浓度为6 mg/L,搅拌速度为200 r/min,好氧时间为5 h时,除磷效率最高可达99.98%。
过硫酸盐活化方式对水厂二级出水中有机物和抗生素抗性基因的去除效能与机制
孙丽华, 梅筱禹, 高呈, 冯萃敏
2022, 40(9): 74-80,134. doi: 10.13205/j.hjgc.202209010
摘要:
分别采用纳米零价铁(nZVI)和超声(US)技术对过硫酸盐(PS)进行活化,探究PS、nZVI/PS和US/PS 3种预氧化工艺对城市污水厂二级出水中不同类型抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)和溶解性有机物(dissolved organic matter, DOC)的去除效能与机制。结果表明:最佳PS和nZVI投加量为4,2 mmol/L,US最佳功率为40 kHz,经过PS、nZVI/PS和US/PS预氧化反应后,二级出水中ARGs(tetA、tetC、sulⅠ、sulⅡ),intⅠ1及16S rRNA的浓度分别为104.38~106.82,104.02~105.97,104.02~106.98 copies/mL;在最佳反应条件下DOC去除率分别为11.2%、17.2%和15.3%;其中,nZVI/PS对ARGs和DOC的去除效果最好。3种预氧化过程中均有OH·和SO4-·参与反应,相较于PS和US/PS,nZVI/PS预氧化过程中产生的SO4-·和OH·含量最多,且SO4-·在反应体系中的浓度最高。因此,nZVI/PS预氧化方式可作为后续处理二级出水中ARGs和DOC的有效去除方法。
区域尺度黄河流域面源污染负荷特征与来源解析
张志杰, 温飞, 张亚群, 周静, 冯爱萍
2022, 40(9): 81-88,142. doi: 10.13205/j.hjgc.202209011
摘要:
掌握黄河流域甘肃段面源污染负荷特征及其来源,是在区域尺度上提升水环境污染治理水平的重要基础。基于DPeRS面源模型,从农田径流、城镇径流、畜禽养殖、农村生活、水土流失5大污染类型,选取TN、TP、NH3-N和COD 4个污染指标,对甘肃黄河流域9个市(州)58个县(区)面源污染进行污染负荷估算、污染来源解析及空间分布分析。结果表明:从模型估算结果看,2018年整个流域TN、TP、NH3-N和COD面源污染排放负荷均值分别为65.6,11.8,19.1,77.2 kg/km2。从区域尺度分析,甘肃黄河流域TN、TP面源污染负荷最高的区域均是兰州市安宁区,分别占整个流域总负荷的10.83%和5.16%;NH3-N和COD面源污染负荷最高的区域均是临夏回族自治州临夏市,分别占整个流域总负荷的26.23%和56.56%。从污染产生来源分析,TN、TP、NH3-N和COD的首要污染来源分别为农田径流、水土流失、农田径流和畜禽养殖。从空间分布分析,黄河流域各县(区)面源污染总负荷呈中间高两边低的分布特征,污染负荷较重的区域主要集中在黄河兰州段、大夏河临夏段、渭河天水段等局部区域。
非均相Fenton处理有机磷农药污染场地抽出地下水效能及影响因素
孙磊, 陈大扬, 张鹤清, 于金旗, 吴振军
2022, 40(9): 89-95. doi: 10.13205/j.hjgc.202209012
摘要:
比较了不同非均相Fenton催化剂处理高浓度有机磷农药污染场地抽出地下水的COD、TP去除率以及污泥产率的差异,探究了H2O2投加量、非均相催化剂装填量、pH对反应效能的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM),X射线能谱(EDS)等技术,分析了反应前后非均相催化剂表面结构特征与成分组成。结果表明:Fe2O3/Al2O3非均相催化剂具有较高的比表面积与负载Fe含量,反应后材料表面有Fe元素沉积。以Fe2O3/Al2O3、Al2O3、Fe2O3/SiO2-Al2O3作为催化剂的非均相Fenton反应,其COD、TP去除率分别可达到84.72%、74.10%、75.98%与88.48%、82.80%、85.83%,均高于无固体催化剂的均相Fenton反应。ρ(H2O2)/ρ(COD)=0.5~2.0时,COD与TP去除率随H2O2投加量的增加而提升,并与非均相催化剂装填量呈正相关。同时,非均相催化剂的投加可显著降低污泥产率,扩大反应体系有效pH范围。
松花江哈尔滨段某傍河水源地地表水补给比例研究
杨光, 滕彦国, 刘洋, 于昆, 柴文旭
2022, 40(9): 96-100. doi: 10.13205/j.hjgc.202209013
摘要:
在松花江哈尔滨段某傍河水源地开展抽水试验,采用水动力学解析法和以保守组分为示踪剂的环境示踪法,估算该傍河水源地地表水的补给比例,分析其在开采过程中的变化。结果表明:傍河水源地在开采过程中,地表水补给比例随着地下水位下降而增加,在流场稳定后,比例趋近稳定。当研究区开采水位稳定时,采用2种方法估算傍河开采水中地表水的占比均约为60%,2种方法相互佐证。傍河水源地的调蓄作用明显,地表水对其补给量对江河的影响很小,不会威胁地表水的安全与稳定。该研究成果可为松花江沿岸条件类似地区建设傍河水源地提供决策支持和实践参考。
长江流域雨季特征时空变化规律及遥相关分析
曹青, 张汉辰, 陈玺, 张越关
2022, 40(9): 101-107. doi: 10.13205/j.hjgc.202209014
摘要:
利用1960—2020年长江流域126个气象站点的降雨数据,采用滑动t检验法确定长江流域各站点的雨季起讫时间和雨季降雨量的时空分布规律,揭示了长江流域雨季特征变化与海表温度及大气环流的相关性。结果表明:长江流域的雨季开始时间、结束时间以及雨季降雨量具有明显的年代际和空间变化特征。从空间分布上看,雨季特征具有从东南向西北递减的带状分布规律;从时间变化规律上看,雨季特征具有明显的波动性。雨季特征的变化规律与海表温度及太平洋北部的反气旋密切相关,升高的海表温度会导致长江流域雨季开始时间延迟、结束时间提前以及降雨量减小,研究结果对掌握长江流域雨季特征与海表温度的遥相关性具有重要意义。
碱熔联合水热改性生物质电厂灰高效吸附多种重金属离子
万敬敏, 张发旺, 韩占涛, 宋佩佩, 白云
2022, 40(9): 108-117. doi: 10.13205/j.hjgc.202209015
摘要:
以生物质电厂灰(biofuel ash, BFA)为原料,采用碱熔联合水热技术对BFA进行改性,制备地质聚合物-沸石复合材料,利用SEM、XRD、FTIR等技术对改性前后的BFA进行表征,并研究了改性BFA(MBFA)对Cd2+、Zn2+、Cu2+和Pb2+离子的吸附性能。结果表明:MBFA的比表面积、孔体积显著提高;拟一级和拟二级动力学模型均能较好地描述MBFA对Cd2+、Zn2+、Cu2+和Pb2+的吸附过程(R2>0.9375),说明同时存在物理、化学吸附;温度为298 K时,Langmuir方程和Freundlich方程对Cd2+、Zn2+、Cu2+吸附等温线均达到较好的拟合度(0.9223<R2<0.9982),而MBFA对Pb2+的吸附过程更符合Langmuir方程,根据Langmuir模型的拟合结果,MBFA对单一溶液中Cd2+、Zn2+、Cu2+和Pb2+的吸附量分别为71.26,53.52,54.05,279.48 mg/g,高于大多数硅铝酸盐吸附剂;MBFA对重金属离子的吸附受到共存金属离子的干扰,竞争吸附的顺序为Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+
基于LCA的北京市透水水泥混凝土路面的环境影响分析
解超, 王思思, 吕彬
2022, 40(9): 118-125. doi: 10.13205/j.hjgc.202209016
摘要:
透水铺装因其雨水入渗和净化等功能成为未来城市道路铺装的重点发展方向,其生命周期资源环境影响的影响机制与因素需开展系统全面分析。基于北京市的降雨特征和路面工程实际,采用生命周期评价(life cycle assessment, LCA)方法,综合分析透水水泥混凝土路面全生命周期产生的环境影响,并结合雨水管理模型(storm water management model, SWMM)模拟透水铺装在使用阶段的环境效益,对比了不同维护方式给透水水泥混凝土路面环境影响带来的变化。结果表明:透水水泥混凝土路面在生产阶段的水泥投入,是造成其生命周期环境影响的主要因素,但其在使用阶段因透水和净水作用产生的环境效益可以抵消部分其他阶段产生的环境影响。从环境角度而言,日常清扫+高压冲洗是透水水泥混凝土路面最佳的维护方式。但是由于使用年限可影响不同维护方式的环境表现,建议综合考虑使用年限选择适合的维护方式,以降低透水水泥混凝土路面的资源环境影响。因此,LCA与SWMM的耦合应用可以更准确地量化透水铺装全生命周期环境效益及其关键影响因素。该方法有望应用于其他低影响开发(low impact development, LID)设施甚至整个海绵城市资源环境影响的系统评价。
我国生活垃圾组分的时空分布特征回顾
李海丹, 郑丽萍, 周涵, 孙煜璨, 张涛, 陈坦, 杨婷, 张冰
2022, 40(9): 126-134. doi: 10.13205/j.hjgc.202209017
摘要:
生活垃圾组分是选择处理方式的基础,与地域、季节、居民生活习惯等密切相关。系统回顾了近年来我国生活垃圾组分时空分布特征。近20年来,我国城市生活垃圾中厨余垃圾占比最高(接近或超过50%),可回收物占比呈升高趋势(由22%左右升高至约30%),垃圾低位热值呈上升趋势(已超过6000 kJ/kg)。第1季度生活垃圾中厨余垃圾占比高(城市地区约为61%),第3、4季度灰土占比升高(农村地区可达到29%)、含水率低、热值高(城市地区可达到6600 kJ/kg)。全国范围内,各地生活垃圾组分占比差异显著,厨余垃圾占比由东(65%)向西(50%)递减,可回收物占比由南(25%)向北(17%)递减,灰土占比由北(27%)向南(11%)递减。生活垃圾热值与经济发展水平呈正相关。该结论可为生活垃圾因地制宜处理选择提供数据支持。
餐饮源挥发性有机物的排放特征及影响因素
何万清, 于志强, 刘怡, 王天意, 杨涛
2022, 40(9): 135-142. doi: 10.13205/j.hjgc.202209018
摘要:
影响餐饮业挥发性有机物排放浓度和组分构成的因素繁多。在餐饮实验平台上利用控制单一变量的方法,研究了食用油种类、烹饪方式和食材种类等因素对餐饮烹饪过程中非甲烷总烃(NMHC)、非甲烷的挥发性有机物(NMVOCs)和醛酮类化合物的排放特征的影响。结果表明:玉米油烹饪产生的NMVOCs浓度低为434μg/m3,仅为调和油的1/10,其产生的NMVOCs组分种类最少,致癌风险较调和油和起酥油更低;油炸的烹饪方式相比炒生成更多的NMVOCs和醛酮类化合物,相同方式下烹饪肉类食材产生的NMVOCs组分种类数量比蔬菜类食材更多。
巯基改性生物炭对镉污染土壤的稳定化效果
李正龙, 周咏春, 李海波, 郭思伯, 李丹阳, 许云竹
2022, 40(9): 143-149,157. doi: 10.13205/j.hjgc.202209019
摘要:
为寻求针对东北地区镉(Cd)污染土壤的高效稳定化材料,以玉米秸秆生物炭为原始材料,以三巯丙基三甲氧基硅烷(MPS)作为改性剂制备稳定化材料巯基生物炭,分析施加不同用量(1%、3%和5%)的巯基生物炭、生物炭、石灰对土壤理化性质(pH值、CEC值、SOC值)、Cd浸出含量及Cd化学形态的影响。结果表明:各用量巯基生物炭均可使土壤pH值下降、CEC值上升、SOC值上升,TCLP法Cd浸出含量分别为76.99,72.52,67.53 mg/kg,相同用量条件下效果均优于石灰。其中,本实验最大添加量5%巯基生物炭Cd稳定化效果最为显著,较施加5%石灰的处理Cd浸出含量低11.1%。BCR连续提取法分析结果表明,5%巯基生物炭施加量使弱酸可溶态Cd、可还原态Cd分别降低了35.8%、17.63%,较5%石灰处理分别高8.18%和5.7%,效果显著。研究表明巯基生物炭较石灰针对东北地区Cd污染土壤具有更好的稳定化效果。
高温条件下初始pH值对污泥-餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响
曹麒, 何雨恒, 卓桂华, 刘常青, 陈建勇, 郑育毅
2022, 40(9): 150-157. doi: 10.13205/j.hjgc.202209020
摘要:
污泥-餐厨垃圾厌氧消化产氢产CH4可将城市有机废弃物转化为可再生能源H2、CH4,对实现碳减排发挥着重要作用。通过批式试验探究高温条件下(55±1℃),不同初始pH值对污泥和餐厨垃圾联合厌氧发酵产氢余物产CH4的影响。研究结果表明:适度地增加产氢余物的碱度会提高产CH4效能,而过低的初始pH则抑制了产氢余物产CH4效能。初始pH=8时,CH4最高浓度(79.08%)、累积产甲烷量(101 mL/g DS)和最大CH4生产速率(12.21 mL/d)均达到最大。不同初始pH下,总糖和总蛋白质的降解量跟累积产甲烷量呈正相关,其中总蛋白的降解量及降解率均高于总糖。初始pH=8时,总糖和总蛋白质的降解量及降解率最高,分别为6078 mg/L、55.70%和4710 mg/L、69.67%。不同初始pH值下,产氢余物厌氧消化后的pH都趋于7.5左右。
煤矸石山覆土体系重金属污染特征及生态风险评价
康得军, 吕茳芏, 脱向银, 蔡金水, 龚亚萍, 赵颖
2022, 40(9): 158-166. doi: 10.13205/j.hjgc.202209021
摘要:
长期堆积的煤矸石会在雨水淋滤、地下水浸泡下释放重金属元素,随着水流向周边土壤扩散的同时,也会在土壤毛细作用及植物根系活动作用下向上层覆土迁移,对土壤质量产生影响。以宁夏宁东某矿矸石山为研究对象,分析矸石山不同深度覆土及周边0~200 m土壤环境中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Mn、Ni元素的空间分布特征,探究土壤环境质量现状,并综合评估土壤生态风险。研究表明:Cr是研究区的主要污染因子,矸石山覆土有86.36%的采样点位Cr含量超过原土,矸石山周边表层、深层土壤分别有100%、50%的采样点位Cr含量超过对照点土壤背景值;煤矸石中有毒重金属元素向覆土有一定的迁移性,且与煤矸石层接触的土壤中重金属元素富集明显;煤矸石粉尘扩散是周边土壤中重金属元素富集的主要途径,其显著影响范围在矸石山10 m内;矸石山周边土壤潜在生态危害指数(RI)为40.80~63.31,污染程度均为轻微,矸石山覆土潜在生态危害指数(RI)为44.83~70.54,仅有1个点位污染程度达到中等。
采用清洗-热脱附工艺修复石蜡基与环烷基原油污染土壤
牛明芬, 刘馨芷, 郭英达, 李刚, 李柏林, 郭书海
2022, 40(9): 167-172. doi: 10.13205/j.hjgc.202209022
摘要:
石油污染土壤修复工艺的选择及其应用效果受原油属性影响明显。选取石蜡基和环烷基2类原油污染土壤,采用清洗预处理-热脱附方法,研究耦合工艺的修复效能,重点比较清洗对土壤粒级的分离效果,表面活性剂对石油污染物的脱附效率,药剂清洗前后的土壤热脱附修复效果等。结果表明:清洗后2种土壤的砂质组分吸附的石油类脱附率约为59.83%和36.42%,远高于黏质组分。阴离子型α-十六烯基磺酸钠脱附能力更强,石蜡基和环烷基2类油源污染土壤的石油类脱附率为46.5%和39.8%。以环烷基土壤为例,将药剂清洗后分离出的黏粒土进行热脱附,与未清洗的原污染土壤相比,前者脱附所用时间更短。400℃下热脱附3 h,石油类含量降至0.26%。采取清洗-热脱附工艺开展现场试验,清洗后粗粒级砂质土壤的石油类含量为1.56%,黏粒土脱水后热脱附,石油类含量可达到0.57%,清洗-热脱附修复污染土壤能耗低于单纯热脱附工艺。
基于富集因子法与MLR-APCS模型应用的农田土壤重金属人为来源定量识别
李延雪, 张梦竹, 舒莎莎, 邹君晗, 焦伟, 周峻宇
2022, 40(9): 173-177,232. doi: 10.13205/j.hjgc.202209023
摘要:
准确定量识别农田土壤重金属的人为污染来源对于后续实施精准防控具有重要意义。采集典型农业区土壤样品,基于富集因子法和多元线性回归-绝对主成分得分(MLR-APCS)模型对农田表层土壤重金属的人为来源进行定量识别研究。结果表明:研究区农田表层土壤中Pb、Cu、Zn、Cr、Ni均受到不同程度的人为污染影响,其平均含量相比当地背景土壤分别提高了112.37%、71.21%、59.38%、69.67%和64.54%。5种重金属富集因子顺序为Pb>Cu>Cr>Ni>Zn。其中,Pb总体已达到中等富集水平,来自人为污染源含量占比超过50%。基于人为源重金属含量,大气沉降和有机肥施用被识别为该研究区2种主要人为重金属污染来源。MLR-APCS模拟进一步表明:大气沉降对Pb、Cr、Ni的污染贡献率分别为42.41%、37.58%和37.26%,而有机肥施用对Cu、Zn的污染贡献率分别为41.67%和39.39%。综上,提出了一种可靠的农田土壤重金属人为来源定量识别方法,可推广应用于其他相似区域。
贵州石漠化土壤中菲和芘解吸行为的研究
李维, 安显金
2022, 40(9): 178-185,214. doi: 10.13205/j.hjgc.202209024
摘要:
为了探明典型多环芳烃(PAHs)在石漠化土壤中的迁移行为,揭示石漠化土壤理化性质对PAHs迁移的影响机制,选取贵州省不同石漠化等级区域的石灰土,采用批解吸法结合Pearson相关系数分析,研究菲和芘在不同溶液中的解吸行为。结果表明:石漠化等级越高,菲和芘的解吸越容易,菲和芘的解吸滞后系数(HI值)分别从无石漠化土壤的0.73和0.46降至重度石漠化土壤的0.54和0.28,菲和芘的非线性指数(N值)分别从无石漠化土壤的0.514和0.557增至重度石漠化土壤的0.606和0.637。解吸动力学研究表明:随着石漠化等级升高,菲和芘的快解吸组分(Frap)含量增加,增幅分别为24.14%和18.14%,快解吸速率(Krap)分别从6.56,1.26 h-1增至8.16,7.98 h-1。土壤有机质含量、孔隙度、比表面积和阳离子交换量是影响贵州石漠化土壤解吸菲和芘的4个主要因子,均与菲和芘的解吸能力呈负相关。不同解吸环境对比实验表明:石漠化土壤的富钙特性是影响菲和芘解吸的重要因素,电解质溶液中Ca2+会促进菲和芘的解吸。在石漠化等级越高的土壤中菲和芘解吸越容易,这与土壤的富钙特性紧密相关。
技术与应用
气相臭氧深度氧化协同湿法吸收脱硝工艺的氮平衡研究:以某钢铁公司300 m2烧结烟气脱硫脱硝系统为例
孙也, 庞琳琳, 李杰, 刘勇, 胡小吐, 李晓彬, 朱天乐
2022, 40(9): 186-191. doi: 10.13205/j.hjgc.202209025
摘要:
目前,气相臭氧深度氧化协同湿法吸收脱硝技术已成功应用于多套大型烧结烟气超低排放治理工程。然而,有关氧化产物通过吸收系统时能否从气相高效传递至液相,能否实现氮平衡等问题尚未形成共识。为此,针对某钢铁公司300 m2烧结烟气气相臭氧深度氧化协同湿法吸收脱硫脱硝系统,建立了具有清晰的氮平衡边界和明确的氮输入、输出和累积项,并且尽可能减少动态变化参数的氮平衡研究方法。在此基础上开展了氮平衡研究,结果表明:脱硫脱硝系统的氮转化率为96.4%,表明烟气中的NOx经臭氧深度氧化后可高效吸收。随着烟气进入和排出脱硫脱硝系统的气态NOx,随着冲洗水进入和随着石膏排出脱硫脱硝系统的NO3-,以及吸收塔、缓冲池中累积的NO3-是最主要的氮输入、输出和累积项,也是针对实际工程开展氮平衡研究应重点考虑的氮组分项。
齿筒式齿侧剪切空化器空化性能数值模拟
袁惠新, 陆健, 周发戚, 付双成
2022, 40(9): 192-198,207. doi: 10.13205/j.hjgc.202209026
摘要:
通过CFD Fluent对齿筒式齿侧剪切空化器进行数值模拟,分析了空化器的齿间涡、空化泡体积分数、湍动能的变化,获得转速、处理量等操作参数对空化器空化性能的影响。结果表明:空化器内的涡是生成空化泡的主要方式。定齿间和动齿间的涡是由于流体冲击壁面,与注入的流体发生回旋而产生的。而齿侧间的涡则是由于双齿侧的机械剪切形成的。充分的机械剪切和剪切面积使得齿侧间的涡分布最广,这表明增加机械剪切可有效诱导空化泡的形成。空化泡溃灭导致齿顶前缘面锐缘处的湍动能增加,并且湍动能随着转速的增加而增加,意味着该空化器既可提高空化泡含量,也可提高空化泡的溃灭率,有效提高了空化性能。但空化泡体积分数随着处理量的增加而减少,空化性能也随之降低。
基于SWMM模型的城市已建区排水防涝提标改造途径探讨
孙铮, 王建龙, 张长鹤, 王雪婷, 邱荣庭
2022, 40(9): 199-207. doi: 10.13205/j.hjgc.202209027
摘要:
随着城镇化建设高质量发展,城市排水防涝标准也在逐渐提高,因此,如何实施已建区排水系统的提标改造,是城市有机更新重要建设内容之一。以北京某已建区域为研究对象,提出了针对排水系统的排水能力和内涝防治标准GB 50014—2021《室外排水设计标准》统筹提标改造的方案,并借助于SWMM模型进行了方案优化评估。结果表明:通过海绵城市建设,在80%年径流总量控制率条件下,现状管网的排水能力可由1年一遇提标至2年一遇。在上述方案基础上,通过模拟评估内涝防治重现期(P=20 a)条件下雨水管网的过载情况,进一步提出并比较了调蓄池集中布置和分散布置2种方案,模拟结果表明:调蓄池末端集中布置无法解决上游区域管网的冒溢问题,而调蓄池分散式布置,可有效消除现状冒溢点,实现现状区域的内涝防治标准提高至20年一遇目标。因此,在已建区排水防涝提标改造过程中,根据场地空间条件,可优先考虑采用海绵城市建设与调蓄池分散式布置相结合的方式实现排水防涝提标改造目标。
球形高速混床螺旋导流布水装置研究
张文学, 常黎, 田芳, 成乃慧, 田芬, 彭帅, 曹侃
2022, 40(9): 208-214. doi: 10.13205/j.hjgc.202209028
摘要:
基于电厂球形高速混床周期制水量下降的问题,建立典型球形高速混床布水装置的三维模型,采用计算流体动力学(简称CFD)和流固耦合方法研究了穹形、波形挡板以及自研的螺旋导流布水装置在凝结水分布、流动特性以及流动载荷作用下产生的结构力学性能变化等。以速度标准偏差作为流体流动均匀性指标,以多孔板最大形变量作为抗变形指标。计算结果表明:在流量为200~700 t/h时,与穹形挡板和波形板结构相比,自研螺旋导流器布水装置布水均匀性提高了47.3%~59.3%,最大形变量下降了12.2%~27.2%,布水效果改善明显。
环境管理
天津生态城水系统构建与海绵建设技术研究及实践
王金丽, 郑兴灿, 张秀华, 葛铜岗, 李檬, 郑华清, 刘嘉恒
2022, 40(9): 215-223,53. doi: 10.13205/j.hjgc.202209029
摘要:
围绕天津生态城高标准水系统建设目标,分析不同发展阶段的水环境问题与技术需求,全方位开展水系统及海绵城市规划、建设与管理技术研究,创新形成了统筹所有涉水设施的生态城市新型水系统规划模式、耦合大水系构建与全过程灰绿蓝结合的海绵城市规划策略,研发了非常规水多源多功能净化处理技术、景观水体水质保持与生态修复技术、盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术、盐碱影响下的雨水调蓄与利用技术、基于盐渍土改良和耐盐植物群落构建的景观生态改善技术,建立了融合水动力-水质耦合模型、多水源补水优化调度模型和内涝模型的天津生态城水系统智能化管理平台。该技术成果在天津生态城水系统和海绵城市规划、建设与管理中得到应用,实现非常规水利用率超50%、水体水质达GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类,年径流总量控制率>80%,径流污染削减率>65%(以SS计),年雨水资源化利用总量达30余万m3,优化了水资源结构并提高了水资源利用效率,全面改善了天津生态城水环境质量,提升了涉水设施动态联动联控的协同管理水平,为同类型地区水系统和海绵城市高标准建设提供了参考和借鉴。
“无废城市”驱动下的城市代谢系统优化潜力评估:以盘锦市为例
许崇萍, 岳强, 张钰洁, 王环宇
2022, 40(9): 224-232. doi: 10.13205/j.hjgc.202209030
摘要:
“无废城市”建设试点的提出标志着中国“无废社会”战略的实施和落实。采用物质流分析法量化了盘锦市2005—2018年的城市物质代谢;采用层次分析法和熵权法综合评价城市经济、资源、环境子系统的发展水平;借助系统动力学探究“无废城市”综合管理相较于其他发展模式对城市代谢系统优化的多方面潜力。结果表明:盘锦市物质投入产出具有“高投入、高排放、高隐藏流”特点;资源效益发展受限影响着整体城市代谢水平;在“无废城市”综合管理模式下,预计2025年资源产出率将在2018年基础上提高20.29%,环境效率提升4倍,极大地促进城市代谢系统资源、环境、经济层面的优化。
垃圾及其衍生燃料水运现状、存在问题及优化建议
马杰, 董鑫磊, 郭刚, 陈海滨, 王宗平
2022, 40(9): 233-237. doi: 10.13205/j.hjgc.202209031
摘要:
集约式综合固废处置产业园是我国垃圾处置的发展趋势。为了实现这一目标,垃圾跨区域协同转运是亟待突破的技术难题。相比传统垃圾陆运模式,水路运输在长距离运输方面优势明显,但当前相关研究却较为缺乏。在分析当前垃圾及其衍生燃料水运发展历程的基础上,详细对比垃圾散装转运、箱车一体式转运、集装箱转运和垃圾衍生燃料打包转运技术的优缺点,针对性地从法规政策完善、作业方式标准化、环保和应急装备配套升级3个方面提出优化建议。研究结果可以为实现垃圾及衍生燃料跨区域水上转运提供技术支持。
综述
胞外聚合物调控污水微生物聚集体结构功能及表面特性的研究进展
许伊, 杨士红, 尤国祥, 侯俊
2022, 40(9): 238-245,269. doi: 10.13205/j.hjgc.202209032
摘要:
胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)是污水处理系统内微生物聚集体的重要组成部分,其组分及含量与微生物聚集体的结构、功能和表面特性息息相关。基于已有研究成果,系统综述了EPS在维持微生物聚集体结构组成、强化其功能活性中发挥的作用,进一步从EPS对微生物聚集体的传质性能、亲/疏水性、物化稳定性、流变性能和脱水性能的调控作用,探究了EPS影响微生物聚集体功能活性的行为机理,旨在为改善污水生物聚集体的聚集性能、提高泥水分离效率、强化水处理能力提供理论基础和科学依据。
环糊精介导强化氧化去除水中有机污染物综述
银岚平, 何玲, 李敏, 王涛
2022, 40(9): 246-252. doi: 10.13205/j.hjgc.202209033
摘要:
水体中顽固有机污染物会威胁水环境安全,可利用氧化方法对其进行去除。环糊精作为环境友好型材料,其介导强化氧化可延长氧化剂在水中半衰期,形成氧化“微环境”,能提高有机污染物的去除率,扩展化学原位修复的应用范围,受到环境领域研究者的重视。通过全面分析相关文献,归纳了环糊精与氧化剂及污染物形成二重及三重包络物的机制,阐述了包络在保护氧化剂、拉近氧化剂与污染物距离、增加氧化效率、控制氧化产物等方面的作用,分析了影响氧化效率的因素。结合实际应用效果,讨论了环糊精介导强化氧化对顽固有机污染物去除的有效性,并对未来的研究方向及应用前景进行了展望。
钢铁行业烧结烟气脱硫脱硝技术研究进展
王雅新, 刘俊, 易红宏, 唐晓龙, 王思
2022, 40(9): 253-261. doi: 10.13205/j.hjgc.202209034
摘要:
钢铁行业是我国重要的基础行业,也是典型的高污染行业,每年排放大量的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等大气污染物。随着钢铁行业超低排放标准的实施,对大气污染有主要贡献的烧结工序亟须改造现有的或新建先进的脱硫脱硝设施。在介绍烧结烟气特点和排放标准变化的基础上,综述了目前主流应用的单独脱硫技术、单独脱硝技术和同时脱硫脱硝技术的应用现状,以及实验研发阶段的同时脱硫脱硝技术的研发进展,并系统展望了各类技术的未来发展前景。指出在单独脱硫和脱硝技术中,半干法和低温选择性催化还原法(SCR)更具应用潜力,且半干法脱硫+袋式除尘+SCR的工艺组合环境效益最高;同时脱硫脱硝技术中,氧化法和活性焦法尚需进一步提高效率和降低成本,同时脱硫脱硝技术具有潜在发展前景。
污染场地水平修复井技术的研究进展及应用实践
黄旋, 郭宝蔓, 顾爱良, 张云, 田恬, 曾跃春
2022, 40(9): 262-269. doi: 10.13205/j.hjgc.202209035
摘要:
常用的污染场地原位修复技术主要通过竖直井实现,但竖直井修复技术存在单井接触范围小、精准度低、难以在地表设施较多的场地实施等问题。污染场地水平修复井技术通过水平定向钻进手段协同化学氧化/还原、气相抽提、地下水抽出处理等修复方式靶向去除场地土壤/地下水污染区域的污染物,克服了竖直井修复技术的不足,适用于在产设施和构筑物下方的土壤/地下水修复。针对该技术的应用原理、技术优势及局限性、国内外研究进展等方面进行探讨。该技术在J省N市某石油烃污染场地进行了工程示范,并结合软件模拟论证,采用水平修复井技术协同碱活化的过硫酸钠药剂注入。结果表明:该技术的实施不受修复区域地表市政设施的限制,对场地及周边环境扰动小,单井接触范围大,修复精度更高,工期100 d内石油烃浓度降低了96.47%,达到修复目标值。该技术的成功示范可为我国原位修复技术的发展提供切实可行参考,其推广和使用前景广阔。