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2024年 第42卷 第12期
2024,
42(12):
1-7. doi: 10.13205/j.hjgc.202412001
摘要:
水质预测是水污染防治的重要组成部分,为了提高黄河干流三门峡水库的水质预测精度、完善预警机制,选取pH、DO、NH3-N、TP以及CODMn 5项水库水质监测指标进行水质的精确预测。构建VMD-SSA-LSTM模型和VMD-SSA-SVR模型,采用变分模态分解(VMD)对河流水质数据进行去噪处理,选择麻雀搜索算法(SSA)分别对长短期记忆人工神经网络(LSTM)和支持向量回归机(SVR)的模型参数进行优化,并通过平均绝对值误差(MAE)、平均偏差误差(MBE)、均方误差(MSE)、均方根误差(RMSE)指标对2个模型的预测效果进行对比。结果表明:VMD-SSA-SVR模型的预测结果4项误差指标值均小于VMD-SSA-LSTM模型的预测结果,说明VMD-SSA-SVR模型对研究河流水质变化情况具有更加准确的预测效果。该研究丰富了黄河流域三门峡段河流水质预测模型方面的研究,为黄河流域生态保护和高质量发展提供了技术参考。
水质预测是水污染防治的重要组成部分,为了提高黄河干流三门峡水库的水质预测精度、完善预警机制,选取pH、DO、NH3-N、TP以及CODMn 5项水库水质监测指标进行水质的精确预测。构建VMD-SSA-LSTM模型和VMD-SSA-SVR模型,采用变分模态分解(VMD)对河流水质数据进行去噪处理,选择麻雀搜索算法(SSA)分别对长短期记忆人工神经网络(LSTM)和支持向量回归机(SVR)的模型参数进行优化,并通过平均绝对值误差(MAE)、平均偏差误差(MBE)、均方误差(MSE)、均方根误差(RMSE)指标对2个模型的预测效果进行对比。结果表明:VMD-SSA-SVR模型的预测结果4项误差指标值均小于VMD-SSA-LSTM模型的预测结果,说明VMD-SSA-SVR模型对研究河流水质变化情况具有更加准确的预测效果。该研究丰富了黄河流域三门峡段河流水质预测模型方面的研究,为黄河流域生态保护和高质量发展提供了技术参考。
2024,
42(12):
8-17. doi: 10.13205/j.hjgc.202412002
摘要:
水库是甲烷(CH4)的重要来源,了解水库沉积物中产甲烷菌群落特征及其影响因素对于理解水库CH4排放机制具有重要意义。分别于2023年5月(枯水期)和8月(丰水期)对黄河上游10座梯级水库表层沉积物样品进行采集,采用16S rRNA高通量测序技术、统计分析和零模型探究了不同季节黄河上游梯级水库沉积物中产甲烷菌群落特征、多样性及其群落构建过程。结果表明:1)黄河上游梯级水库沉积物枯水期以甲烷杆菌属(Methanobacterium)为优势种,丰水期以甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)为优势种;2)库龄对黄河上游梯级水库产甲烷菌群落α多样性产生了显著影响(P<0.05),季节对产甲烷菌群落β多样性产生了显著影响(P<0.05);3)影响沉积物产甲烷菌群落组成的环境因素主要为pH、TN和温度,产甲烷菌群落构建以随机性过程为主导,其中漂移作用最强(54.25%)。研究结果可为深入理解水库CH4排放机制及其调控提供科学依据。
水库是甲烷(CH4)的重要来源,了解水库沉积物中产甲烷菌群落特征及其影响因素对于理解水库CH4排放机制具有重要意义。分别于2023年5月(枯水期)和8月(丰水期)对黄河上游10座梯级水库表层沉积物样品进行采集,采用16S rRNA高通量测序技术、统计分析和零模型探究了不同季节黄河上游梯级水库沉积物中产甲烷菌群落特征、多样性及其群落构建过程。结果表明:1)黄河上游梯级水库沉积物枯水期以甲烷杆菌属(Methanobacterium)为优势种,丰水期以甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)为优势种;2)库龄对黄河上游梯级水库产甲烷菌群落α多样性产生了显著影响(P<0.05),季节对产甲烷菌群落β多样性产生了显著影响(P<0.05);3)影响沉积物产甲烷菌群落组成的环境因素主要为pH、TN和温度,产甲烷菌群落构建以随机性过程为主导,其中漂移作用最强(54.25%)。研究结果可为深入理解水库CH4排放机制及其调控提供科学依据。
2024,
42(12):
18-26. doi: 10.13205/j.hjgc.202412003
摘要:
连续暴雨事件会导致河流水生态环境风险等级增加,对河流生态环境安全造成冲击。为探究连续暴雨对河流水质分异特征的影响,于2021年秋汛期(9—10月)开展了黄河小浪底-高村段干支流水环境连续监测,通过对秋汛期80个样本的常规水质指标及抗生素分析,研究了黄河河南段干支流污染物时空变化特征,并对污染物来源进行了解析。结果表明:随着洪水演进,研究河段常规水质指标浓度均发生了显著变化,其中NH3-N和DO变化较为剧烈,变化幅度分别为176.1%和37.5%;抗生素浓度随暴雨减弱呈降低趋势,总浓度从8.32~41.30 ng/L减少到1.50~10.70 ng/L,平均变化幅度为77.7%。抗生素生态风险评价结果表明:暴雨期间其生态风险范围为0.07~7.80,相较于其他河流属于中低风险水平。常规水质指标中,农业面源污染对TP的绝对贡献率最大,为61.81%;气象因素对NH3-N绝对贡献率最高,为62.13%;其余指标主要受农业面源污染和河流内源污染等的综合影响。抗生素主要来源于黄河滩区农业面源污染和上游城市污水排放,其平均贡献率分别为50.40%和28.07%。建议在人类活动强烈区域建立源头-过程-末端治理体系,以削弱暴雨径流期对水生态环境的不良影响。
连续暴雨事件会导致河流水生态环境风险等级增加,对河流生态环境安全造成冲击。为探究连续暴雨对河流水质分异特征的影响,于2021年秋汛期(9—10月)开展了黄河小浪底-高村段干支流水环境连续监测,通过对秋汛期80个样本的常规水质指标及抗生素分析,研究了黄河河南段干支流污染物时空变化特征,并对污染物来源进行了解析。结果表明:随着洪水演进,研究河段常规水质指标浓度均发生了显著变化,其中NH3-N和DO变化较为剧烈,变化幅度分别为176.1%和37.5%;抗生素浓度随暴雨减弱呈降低趋势,总浓度从8.32~41.30 ng/L减少到1.50~10.70 ng/L,平均变化幅度为77.7%。抗生素生态风险评价结果表明:暴雨期间其生态风险范围为0.07~7.80,相较于其他河流属于中低风险水平。常规水质指标中,农业面源污染对TP的绝对贡献率最大,为61.81%;气象因素对NH3-N绝对贡献率最高,为62.13%;其余指标主要受农业面源污染和河流内源污染等的综合影响。抗生素主要来源于黄河滩区农业面源污染和上游城市污水排放,其平均贡献率分别为50.40%和28.07%。建议在人类活动强烈区域建立源头-过程-末端治理体系,以削弱暴雨径流期对水生态环境的不良影响。
2024,
42(12):
27-33. doi: 10.13205/j.hjgc.202412004
摘要:
保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计。黄河流域发展中的1个关键性问题就是"水"的问题。当前,黄土高原地区水土流失较为严重,威胁着黄河流域的生态安全,也制约了当地经济社会的可持续发展。"十四五"时期,我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。通过文献查阅等方法,从数字化、智慧化和绿色低碳的维度探讨了黄河流域城镇水污染绿色低碳治理路径及主要技术方法,提出了数字化赋能黄河流域生态文明建设、构建黄河流域水-能-碳-生态系统协同增效战略体系,创新黄河流域减污降碳协同政策体系等对策建议。
保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计。黄河流域发展中的1个关键性问题就是"水"的问题。当前,黄土高原地区水土流失较为严重,威胁着黄河流域的生态安全,也制约了当地经济社会的可持续发展。"十四五"时期,我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。通过文献查阅等方法,从数字化、智慧化和绿色低碳的维度探讨了黄河流域城镇水污染绿色低碳治理路径及主要技术方法,提出了数字化赋能黄河流域生态文明建设、构建黄河流域水-能-碳-生态系统协同增效战略体系,创新黄河流域减污降碳协同政策体系等对策建议。
2024,
42(12):
34-42. doi: 10.13205/j.hjgc.202412005
摘要:
采用SBM模型对2022年黄河流域上中游城市72座污水处理厂运行进行减污降碳协同增效综合绩效评估,减污降碳增效指标体系主要包括污染物去除类指标、经济投入指标和碳排放相关指标。采用Kruskal-Wallis方法对可能影响污水处理厂运行综合绩效的因素进行检验。结果表明:有18座污水处理厂运行综合绩效较好,其余54座污水处理厂运行综合绩效相对较低,其中纯技术效率值低是造成污水处理厂运行综合绩效值偏低的主要原因。综合绩效值为1的污水处理厂在降碳方面还有提升空间,综合绩效值<1的污水厂在投入产出指标中还存在不同程度的冗余;污染物运行负荷、排水标准、污水处理工艺、污泥处理处置方式是影响污水处理厂运行综合绩效的主要原因。
采用SBM模型对2022年黄河流域上中游城市72座污水处理厂运行进行减污降碳协同增效综合绩效评估,减污降碳增效指标体系主要包括污染物去除类指标、经济投入指标和碳排放相关指标。采用Kruskal-Wallis方法对可能影响污水处理厂运行综合绩效的因素进行检验。结果表明:有18座污水处理厂运行综合绩效较好,其余54座污水处理厂运行综合绩效相对较低,其中纯技术效率值低是造成污水处理厂运行综合绩效值偏低的主要原因。综合绩效值为1的污水处理厂在降碳方面还有提升空间,综合绩效值<1的污水厂在投入产出指标中还存在不同程度的冗余;污染物运行负荷、排水标准、污水处理工艺、污泥处理处置方式是影响污水处理厂运行综合绩效的主要原因。
2024,
42(12):
43-51. doi: 10.13205/j.hjgc.202412006
摘要:
明晰草原沙化面积变化特征趋势及各影响因素的驱动作用对于巩固和推进若尔盖县沙化治理成效具有重要意义。通过线性拟合分析沙化面积变化与驱动因素的相关性,识别出了关键驱动因素,建立了沙化面积变化与关键驱动因素的定量模型。结果表明:人均超载率和沙化治理面积是草原沙化的关键驱动因素,沙化面积变化量与关键驱动因素呈显著二元线性相关,平均超载率每升高1%,沙化面积增加0.2283万亩;沙化治理面积每增加1万亩,沙化面积减少0.4562万亩。在5年的沙化监测周期内,45.62%的治理沙化地转变为未沙化地,进一步证实草原沙化生态修复是一个长期缓慢的过程,沙化治理成效体现具有滞后性。在沙化治理项目的驱动作用下,沙化地的转变去向次序为流动沙地、人工半固定沙地、人工固定沙地、未沙化地。在超载放牧驱动作用下,露沙地和未沙化地的转变去向分别为天然固定沙地和露沙地。协同实施草原超载管控和沙化治理政策,能持续降低草原沙化面积和沙化程度,是巩固和推进沙化治理成效的关键。研究揭示了草原沙化面积变化与人类活动和政策因素之间的定量关系,为草地沙化变化趋势定量评估预测和精准防治提供了重要参考。
明晰草原沙化面积变化特征趋势及各影响因素的驱动作用对于巩固和推进若尔盖县沙化治理成效具有重要意义。通过线性拟合分析沙化面积变化与驱动因素的相关性,识别出了关键驱动因素,建立了沙化面积变化与关键驱动因素的定量模型。结果表明:人均超载率和沙化治理面积是草原沙化的关键驱动因素,沙化面积变化量与关键驱动因素呈显著二元线性相关,平均超载率每升高1%,沙化面积增加0.2283万亩;沙化治理面积每增加1万亩,沙化面积减少0.4562万亩。在5年的沙化监测周期内,45.62%的治理沙化地转变为未沙化地,进一步证实草原沙化生态修复是一个长期缓慢的过程,沙化治理成效体现具有滞后性。在沙化治理项目的驱动作用下,沙化地的转变去向次序为流动沙地、人工半固定沙地、人工固定沙地、未沙化地。在超载放牧驱动作用下,露沙地和未沙化地的转变去向分别为天然固定沙地和露沙地。协同实施草原超载管控和沙化治理政策,能持续降低草原沙化面积和沙化程度,是巩固和推进沙化治理成效的关键。研究揭示了草原沙化面积变化与人类活动和政策因素之间的定量关系,为草地沙化变化趋势定量评估预测和精准防治提供了重要参考。
2024,
42(12):
52-59. doi: 10.13205/j.hjgc.202412007
摘要:
针对甘肃省某市污水处理的实际需求,结合生命周期评价(LCA)与层次分析法(AHP),构建了1个污水处理综合技术评估模型。首先,利用LCA方法系统量化评估了6种实际应用的污水处理工艺(AAO、AAO+MBR、AAO+SBR、MSBR、CAST+BAF及SBR)在运行周期内的环境足迹,重点关注其对全球变暖潜力、淡水及海洋生态系统富营养化风险、化石资源消耗等关键环境维度的影响。随后,基于LCA的显著环境影响评估结果,结合经济效益及技术性能两大维度,通过AHP框架进行权重分配与综合排序。LCA特征化分析显示,MSBR与AAO+MBR工艺在减少环境影响指标方面表现优异。标准化结果进一步指出,所有评估工艺均对全球气候变暖有显著贡献,并伴随生态富营养化及潜在人体健康风险。AHP综合评估模型则明确揭示了AAO+MBR与MSBR工艺在综合考量下(包括环境影响、经济效益及技术性能)具有最高权重值,分别为0.2255和0.2229,表明其具有更高的低碳效益与技术效率。此外,AHP指标层分析强调了在技术选择时应优先关注性能指标(如EQI、COD去除率)及对人体健康和水体富营养化的潜在影响控制。该研究为甘肃省某市提供了针对性的污水处理技术选择方案,还为黄河流域上游及其他类似水环境区域的污水处理技术优化升级提供了科学的决策依据。通过综合评估框架的应用,有助于推动污水处理行业向更加环保、高效的方向发展,实现经济与环境效益的双赢。
针对甘肃省某市污水处理的实际需求,结合生命周期评价(LCA)与层次分析法(AHP),构建了1个污水处理综合技术评估模型。首先,利用LCA方法系统量化评估了6种实际应用的污水处理工艺(AAO、AAO+MBR、AAO+SBR、MSBR、CAST+BAF及SBR)在运行周期内的环境足迹,重点关注其对全球变暖潜力、淡水及海洋生态系统富营养化风险、化石资源消耗等关键环境维度的影响。随后,基于LCA的显著环境影响评估结果,结合经济效益及技术性能两大维度,通过AHP框架进行权重分配与综合排序。LCA特征化分析显示,MSBR与AAO+MBR工艺在减少环境影响指标方面表现优异。标准化结果进一步指出,所有评估工艺均对全球气候变暖有显著贡献,并伴随生态富营养化及潜在人体健康风险。AHP综合评估模型则明确揭示了AAO+MBR与MSBR工艺在综合考量下(包括环境影响、经济效益及技术性能)具有最高权重值,分别为0.2255和0.2229,表明其具有更高的低碳效益与技术效率。此外,AHP指标层分析强调了在技术选择时应优先关注性能指标(如EQI、COD去除率)及对人体健康和水体富营养化的潜在影响控制。该研究为甘肃省某市提供了针对性的污水处理技术选择方案,还为黄河流域上游及其他类似水环境区域的污水处理技术优化升级提供了科学的决策依据。通过综合评估框架的应用,有助于推动污水处理行业向更加环保、高效的方向发展,实现经济与环境效益的双赢。
2024,
42(12):
60-65. doi: 10.13205/j.hjgc.202412008
摘要:
为探究多倍体剑叶芦竹在豫西丘陵区的生态治理效果,在三门峡义马市苗元村布设了多倍体剑叶芦竹、天然草本植物和乔木-草本植物的径流小区进行试验,通过3次降雨,对比分析多倍体剑叶芦竹对地表径流、泥沙、氮磷的拦截阻控效果。结果表明:1)多倍体剑叶芦竹对地表径流和泥沙的拦截效果优于天然草本植物,拦截效率分别高出4.24％~27.80％和93.77％~94.82％;相较于乔木-草本植物,剑叶芦竹对地表径流的拦截效率高出3.95％~29.27％,对泥沙的拦截效率与多年生高覆盖度草本基本持平。2)多倍体剑叶芦竹对TN、TP和NH3-N的拦截效率比天然草本植物分别高出4.19％~29.70％、64.56％~95.00％和59.22％~76.52％,与乔木-草本植物的拦截效率相比分别高出89.41％~98.09％、85.03％~95.00％、89.41％~99.07％。研究证明,多倍体剑叶芦竹可以有效拦截径流、泥沙以及氮磷,在豫西丘陵区具有较高的水土保持、面源污染拦截能力。
为探究多倍体剑叶芦竹在豫西丘陵区的生态治理效果,在三门峡义马市苗元村布设了多倍体剑叶芦竹、天然草本植物和乔木-草本植物的径流小区进行试验,通过3次降雨,对比分析多倍体剑叶芦竹对地表径流、泥沙、氮磷的拦截阻控效果。结果表明:1)多倍体剑叶芦竹对地表径流和泥沙的拦截效果优于天然草本植物,拦截效率分别高出4.24％~27.80％和93.77％~94.82％;相较于乔木-草本植物,剑叶芦竹对地表径流的拦截效率高出3.95％~29.27％,对泥沙的拦截效率与多年生高覆盖度草本基本持平。2)多倍体剑叶芦竹对TN、TP和NH3-N的拦截效率比天然草本植物分别高出4.19％~29.70％、64.56％~95.00％和59.22％~76.52％,与乔木-草本植物的拦截效率相比分别高出89.41％~98.09％、85.03％~95.00％、89.41％~99.07％。研究证明,多倍体剑叶芦竹可以有效拦截径流、泥沙以及氮磷,在豫西丘陵区具有较高的水土保持、面源污染拦截能力。
2024,
42(12):
66-72. doi: 10.13205/j.hjgc.202412009
摘要:
采用三维荧光分光光度法和紫外分光光度法测定城市污水处理厂二级出水DOM,利用平行因子法和相关性分析,揭示城市污水处理厂二级出水DOM的荧光组分、分子特性和来源,为水环境中DOM分子和来源特性研究提供数据基础。结果表明:城市污水处理厂二级出水DOM中主要含有1种类蛋白(类色氨酸)和2种以上的类腐殖质,DOM所含荧光组分类蛋白质(对应峰T1、T2)和类腐殖质(对应峰A、C)呈显著负相关(P＜0.01或P＜0.05),TCOD、SCOD和DOC分别与SUVA254和SUVA260呈负相关(r=-0.65~-0.96,P＜0.01或P＜0.05)。二级出水DOM的荧光指数、自生源指数、腐殖化指数和r(T/C)值分别为1.96~2.19、1.02~1.18、1.82~3.27和2.25~2.95,荧光指数和自生源指数值相对变化较小,而腐殖化指数值相对变化较大。不同城市污水处理厂二级出水DOM组成和分子性质存在差异,但DOM都属于自生生物来源且有机质为新近产生、腐殖化程度较弱,为类腐殖质主导型,主要来源于粪便、生物降解产物等。
采用三维荧光分光光度法和紫外分光光度法测定城市污水处理厂二级出水DOM,利用平行因子法和相关性分析,揭示城市污水处理厂二级出水DOM的荧光组分、分子特性和来源,为水环境中DOM分子和来源特性研究提供数据基础。结果表明:城市污水处理厂二级出水DOM中主要含有1种类蛋白(类色氨酸)和2种以上的类腐殖质,DOM所含荧光组分类蛋白质(对应峰T1、T2)和类腐殖质(对应峰A、C)呈显著负相关(P＜0.01或P＜0.05),TCOD、SCOD和DOC分别与SUVA254和SUVA260呈负相关(r=-0.65~-0.96,P＜0.01或P＜0.05)。二级出水DOM的荧光指数、自生源指数、腐殖化指数和r(T/C)值分别为1.96~2.19、1.02~1.18、1.82~3.27和2.25~2.95,荧光指数和自生源指数值相对变化较小,而腐殖化指数值相对变化较大。不同城市污水处理厂二级出水DOM组成和分子性质存在差异,但DOM都属于自生生物来源且有机质为新近产生、腐殖化程度较弱,为类腐殖质主导型,主要来源于粪便、生物降解产物等。
2024,
42(12):
73-78. doi: 10.13205/j.hjgc.202412010
摘要:
底泥是水体生态系统的重要组成部分,污染物在底泥与上覆水体之间反复迁移使其成为水环境治理的症结所在,实现底泥污染物高效去除是保证水体功能的重要手段。文章构建了沉水植物耦合底栖动物系统以净化底泥污染物,试验结果表明:投加50%底泥覆盖率的苦草耦合2 kg/m2的河蚌对污染底泥中的污染物去除效果最好,对底泥中有机质、NO-2-N、NO-3-N、NH+4-N和TP去除率分别达到12.2%、25.3%、29.1%、54.4%和16.20%。20 ℃条件下,5%底泥干重的生物炭使苦草河蚌组合对底泥有机质、TN、NO-2-N、NO-3-N、NH+4-N和TP去除率分别达到29.4%、29.8%、86.5%、67.1%、70.2%和28.2%;当水体增设曝气,且曝气量为6 L/min时,苦草河蚌组合对底泥有机质、TN、NO-2-N、NO-3-N、NH+4-N和TP去除率分别达到 23.5%、39.1%、92.1%、77.7%、71.8%和17.3%。研究结果将为沉水植物耦合底栖动物高效削减底泥污染物提供一定的理论依据和数据支撑。
底泥是水体生态系统的重要组成部分,污染物在底泥与上覆水体之间反复迁移使其成为水环境治理的症结所在,实现底泥污染物高效去除是保证水体功能的重要手段。文章构建了沉水植物耦合底栖动物系统以净化底泥污染物,试验结果表明:投加50%底泥覆盖率的苦草耦合2 kg/m2的河蚌对污染底泥中的污染物去除效果最好,对底泥中有机质、NO-2-N、NO-3-N、NH+4-N和TP去除率分别达到12.2%、25.3%、29.1%、54.4%和16.20%。20 ℃条件下,5%底泥干重的生物炭使苦草河蚌组合对底泥有机质、TN、NO-2-N、NO-3-N、NH+4-N和TP去除率分别达到29.4%、29.8%、86.5%、67.1%、70.2%和28.2%;当水体增设曝气,且曝气量为6 L/min时,苦草河蚌组合对底泥有机质、TN、NO-2-N、NO-3-N、NH+4-N和TP去除率分别达到 23.5%、39.1%、92.1%、77.7%、71.8%和17.3%。研究结果将为沉水植物耦合底栖动物高效削减底泥污染物提供一定的理论依据和数据支撑。
2024,
42(12):
79-88. doi: 10.13205/j.hjgc.202412011
摘要:
日益增加的含盐废水排放给异养耦合硫自养(HSAD)工艺带来了挑战。混养反硝化微生物对高盐胁迫的响应机制和可行的缓解策略需要进一步探索。研究发现,2%盐度下反硝化脱氮效率可提高到99.42%,当盐度升高到6%时,HSAD的反硝化性能显著下降,NO-3-N去除率从95.77%下降到38.01%,硫自养反硝化工艺(SAD)的贡献率继续高于异养反硝化(HD)。高盐度导致还原性辅酶Ⅰ含量和三磷酸腺苷水平在6%盐度时分别下降了10.74%、46.6%和56.28%。此外,反硝化酶(硝酸还原酶和亚硝酸还原酶)活性的降低以及反硝化功能菌数量的减少也是导致高盐胁迫下HSAD反硝化受到抑制的重要因素。值得注意的是,在盐度为6%的条件下添加250 mg/L的四氢甲基嘧啶羧酸可缓解盐度胁迫,并通过促进胞外聚合物物质的分泌和提高HSAD微生物的代谢活性来提高HSAD的反硝化效率。微生物群落分析表明,与不添加四氢甲基嘧啶羧酸的情况相比,HD 功能菌的丰度增加了3.99%,凸显了四氢甲基嘧啶羧酸对群落演替和稳定性的关键调节作用。该研究结果加深了对高盐废水对HSAD的抑制机制的认识,为硫基混养反硝化技术缓解盐胁迫提供了可行的技术方案。
日益增加的含盐废水排放给异养耦合硫自养(HSAD)工艺带来了挑战。混养反硝化微生物对高盐胁迫的响应机制和可行的缓解策略需要进一步探索。研究发现,2%盐度下反硝化脱氮效率可提高到99.42%,当盐度升高到6%时,HSAD的反硝化性能显著下降,NO-3-N去除率从95.77%下降到38.01%,硫自养反硝化工艺(SAD)的贡献率继续高于异养反硝化(HD)。高盐度导致还原性辅酶Ⅰ含量和三磷酸腺苷水平在6%盐度时分别下降了10.74%、46.6%和56.28%。此外,反硝化酶(硝酸还原酶和亚硝酸还原酶)活性的降低以及反硝化功能菌数量的减少也是导致高盐胁迫下HSAD反硝化受到抑制的重要因素。值得注意的是,在盐度为6%的条件下添加250 mg/L的四氢甲基嘧啶羧酸可缓解盐度胁迫,并通过促进胞外聚合物物质的分泌和提高HSAD微生物的代谢活性来提高HSAD的反硝化效率。微生物群落分析表明,与不添加四氢甲基嘧啶羧酸的情况相比,HD 功能菌的丰度增加了3.99%,凸显了四氢甲基嘧啶羧酸对群落演替和稳定性的关键调节作用。该研究结果加深了对高盐废水对HSAD的抑制机制的认识,为硫基混养反硝化技术缓解盐胁迫提供了可行的技术方案。
2024,
42(12):
89-96. doi: 10.13205/j.hjgc.202412012
摘要:
研究重点考察了低氧条件下(0.5 mg/L),A2/O处理不同C/N污水(2.5~7.0)的短程硝化反硝化除磷脱氮性能。实验结果表明,进水中80%的COD在厌氧区被去除,主要用于合成PHA。当进水C/N<4.5,出水COD会随进水出现较大波动。水体中TN去除主要通过短程硝化、内源反硝化、反硝化除磷等过程来实现。当进水C/N为2.5、3.5,TN去除率均维持在80%左右;当进水C/N为4.5、5.0时,亚硝酸盐有明显积累,平均积累率分别为24.4%、31.9%,出水TN可以稳定达到10 mg/L以下,去除率最高可达到85.3%。因此,适当提高进水C/N能有效提高TN去除效果。水体中磷主要通过反硝化除磷过程被去除。当进水C/N为2.5时,系统磷平均去除率为65%左右,除磷效果较差。当C/N提高至3.5,系统除磷效果达到最佳,出水PO3-4-P平均浓度为0.3 mg/L,去除率达到92.1%,缺氧吸磷占比为74.6%。另外,当进水C/N为5.0~7.0时,系统内反硝化除磷、内源反硝化、短程硝化、好氧吸磷过程能够有效耦合运行,实现有机物、磷、氮的同步高效去除,COD、TN、PO3-4-P 去除率可分别最高达84%、85%和85%以上。经16S rDNA高通量测序分析,系统中起脱氮除磷作用的微生物主要为聚糖菌——Candidatus Competibacter,反硝化细菌——Azospira,硝化细菌——Nitrospira、Nitrosomonas及反硝化聚磷菌——Hyphomicrobium、Candidatus Accumulibacter等。
研究重点考察了低氧条件下(0.5 mg/L),A2/O处理不同C/N污水(2.5~7.0)的短程硝化反硝化除磷脱氮性能。实验结果表明,进水中80%的COD在厌氧区被去除,主要用于合成PHA。当进水C/N<4.5,出水COD会随进水出现较大波动。水体中TN去除主要通过短程硝化、内源反硝化、反硝化除磷等过程来实现。当进水C/N为2.5、3.5,TN去除率均维持在80%左右;当进水C/N为4.5、5.0时,亚硝酸盐有明显积累,平均积累率分别为24.4%、31.9%,出水TN可以稳定达到10 mg/L以下,去除率最高可达到85.3%。因此,适当提高进水C/N能有效提高TN去除效果。水体中磷主要通过反硝化除磷过程被去除。当进水C/N为2.5时,系统磷平均去除率为65%左右,除磷效果较差。当C/N提高至3.5,系统除磷效果达到最佳,出水PO3-4-P平均浓度为0.3 mg/L,去除率达到92.1%,缺氧吸磷占比为74.6%。另外,当进水C/N为5.0~7.0时,系统内反硝化除磷、内源反硝化、短程硝化、好氧吸磷过程能够有效耦合运行,实现有机物、磷、氮的同步高效去除,COD、TN、PO3-4-P 去除率可分别最高达84%、85%和85%以上。经16S rDNA高通量测序分析,系统中起脱氮除磷作用的微生物主要为聚糖菌——Candidatus Competibacter,反硝化细菌——Azospira,硝化细菌——Nitrospira、Nitrosomonas及反硝化聚磷菌——Hyphomicrobium、Candidatus Accumulibacter等。
2024,
42(12):
97-107. doi: 10.13205/j.hjgc.202412013
摘要:
黄铁矿(FeS2)是地球表面最丰富的矿物,是提取硫和制造硫酸的主要矿物原料,也是一种天然的废水处理矿物材料。以其作为电子供体的自养反硝化是一种处理低C/N水的潜力巨大的生物处理技术,具有低成本、无需外加碳源、产泥少、副产物产出少、可与多种反硝化技术耦合等优点。提供了以黄铁矿为电子供体的自养反硝化原理的概述以及包括比表面积、pH、温度、溶解氧、水力停留时间以及有毒物质等因素对黄铁矿自养反硝化效率的影响。并对以黄铁矿自养反硝化为核心的处理工艺及应用现状进行了概述,包括基于黄铁矿自养反硝化的填充床、流化床、人工湿地和生物滤池等处理工艺,黄铁矿自养反硝化与厌氧氨氧化、异养反硝化的耦合技术,以及其在地下水修复与污水深度处理方面的应用。在此基础上,从多个角度讨论了当前应用的局限性,展望该技术的未来发展方向及研究重点。
黄铁矿(FeS2)是地球表面最丰富的矿物,是提取硫和制造硫酸的主要矿物原料,也是一种天然的废水处理矿物材料。以其作为电子供体的自养反硝化是一种处理低C/N水的潜力巨大的生物处理技术,具有低成本、无需外加碳源、产泥少、副产物产出少、可与多种反硝化技术耦合等优点。提供了以黄铁矿为电子供体的自养反硝化原理的概述以及包括比表面积、pH、温度、溶解氧、水力停留时间以及有毒物质等因素对黄铁矿自养反硝化效率的影响。并对以黄铁矿自养反硝化为核心的处理工艺及应用现状进行了概述,包括基于黄铁矿自养反硝化的填充床、流化床、人工湿地和生物滤池等处理工艺,黄铁矿自养反硝化与厌氧氨氧化、异养反硝化的耦合技术,以及其在地下水修复与污水深度处理方面的应用。在此基础上,从多个角度讨论了当前应用的局限性,展望该技术的未来发展方向及研究重点。
2024,
42(12):
108-115. doi: 10.13205/j.hjgc.202412014
摘要:
针对受污染雨水直排水体造成水环境污染,构建了可无人值守的以物化处理为主的一体化雨水集蓄净化装置。通过雨水集蓄、混凝剂投加、曝气搅拌和静置沉淀等操作,装置对受污雨水进行了强化混凝沉淀处理。结果表明:3种不同浓度受污雨水,分别投加聚合氯化铝150,200,250 mg/L,水力停留时间4.5 h时,SS、COD和TP去除率均分别高于95%、75%和72%,出水SS、COD和TP达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。同时,对总锌和总铅去除率均在82%以上,对总铝去除率在73%以上,且出水总锌和总铅远低于GB 18918—2002最高允许排放浓度。此外,曝气搅拌时雨水ρ(DO)峰值为9.04 mg/L,处理后出水ρ(DO)为3.75 mg/L。装置处理成本为0.08~0.11 元/m3,实现了混合、反应和分离一体化过程协同,达到了技术上可行和经济上合理的要求。
针对受污染雨水直排水体造成水环境污染,构建了可无人值守的以物化处理为主的一体化雨水集蓄净化装置。通过雨水集蓄、混凝剂投加、曝气搅拌和静置沉淀等操作,装置对受污雨水进行了强化混凝沉淀处理。结果表明:3种不同浓度受污雨水,分别投加聚合氯化铝150,200,250 mg/L,水力停留时间4.5 h时,SS、COD和TP去除率均分别高于95%、75%和72%,出水SS、COD和TP达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。同时,对总锌和总铅去除率均在82%以上,对总铝去除率在73%以上,且出水总锌和总铅远低于GB 18918—2002最高允许排放浓度。此外,曝气搅拌时雨水ρ(DO)峰值为9.04 mg/L,处理后出水ρ(DO)为3.75 mg/L。装置处理成本为0.08~0.11 元/m3,实现了混合、反应和分离一体化过程协同,达到了技术上可行和经济上合理的要求。
2024,
42(12):
116-125. doi: 10.13205/j.hjgc.202412015
摘要:
垃圾填埋处理的过程会产生恶臭气体,特点是产生量大、持续时间长、影响范围广等,其中硫化氢(H2S)和氨气(NH3)是生活垃圾填埋场散发的典型恶臭气体。为了处理恶臭气体,使用以聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone, PVP)、羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methylcellulose, HPMC)、纤维素纳米纤维(cellulose nanofiber, CNF)、纤维素纳米晶(cellulose nanocrystal, CNC)为膜基材的聚合物共混物(polymer blend)制备除臭复合膜,PVP的羰基与HPMC的游离羟基之间存有较强分子间氢键,在整个组成范围内形成可混溶的共混物,相容性良好。该高分子混合溶液喷洒后成膜,利用模拟升流式反应器隔绝H2S和NH3,单因素实验及响应面分析得到最佳复合膜液配比为4.20% PVP、1.20% HPMC、0.40% CNF、0.06% CNC;并添加增塑剂1.5％丙三醇、表面活性剂1.0% 吐温80、防蝇除臭剂3.0% 柠檬烯、香料0.5%茶树精油优化复合膜性能,该复合膜对H2S和NH3的截留率在30 min时均可保证在95%以上。
垃圾填埋处理的过程会产生恶臭气体,特点是产生量大、持续时间长、影响范围广等,其中硫化氢(H2S)和氨气(NH3)是生活垃圾填埋场散发的典型恶臭气体。为了处理恶臭气体,使用以聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone, PVP)、羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methylcellulose, HPMC)、纤维素纳米纤维(cellulose nanofiber, CNF)、纤维素纳米晶(cellulose nanocrystal, CNC)为膜基材的聚合物共混物(polymer blend)制备除臭复合膜,PVP的羰基与HPMC的游离羟基之间存有较强分子间氢键,在整个组成范围内形成可混溶的共混物,相容性良好。该高分子混合溶液喷洒后成膜,利用模拟升流式反应器隔绝H2S和NH3,单因素实验及响应面分析得到最佳复合膜液配比为4.20% PVP、1.20% HPMC、0.40% CNF、0.06% CNC;并添加增塑剂1.5％丙三醇、表面活性剂1.0% 吐温80、防蝇除臭剂3.0% 柠檬烯、香料0.5%茶树精油优化复合膜性能,该复合膜对H2S和NH3的截留率在30 min时均可保证在95%以上。
2024,
42(12):
126-135. doi: 10.13205/j.hjgc.202412016
摘要:
燃料油燃烧释放出的含硫化合物造成了严重的环境污染和生态恶化。以过渡金属TM (Ni、Ag和Cu)和稀土金属钇(Y)为改性交换离子,制备了TM-Y/MIL-101吸附剂,并对吸附剂的结构、形貌和金属价态进行了表征。以噻吩为模型硫化物,比较了不同过渡金属对TM-Y/MIL-101吸附剂吸附性能的影响,并分析了不同吸附剂对噻吩的吸附平衡性质、吸附速率控制步骤和吸附机理。结果表明:不同金属改性得到的TM-Y/MIL-101均保持了MIL-101的晶格结构,且过渡金属Cu和Ag以+1价态存在,Ni以+2价态存在;而稀土金属Y以+3价态存在于TM-Y/MIL-101吸附剂中,Cu-Y/MIL-101吸附剂具有最高的吸附容量(28.2 mg/g)和抗芳烃吸附脱硫选择性,不同吸附剂吸附性能顺序为Cu-Y/MIL-101> Ag-Y/MIL-101> Ni-Y/MIL-101。Langmuir模型准一级和准二级速率模型均可用来描述TM-Y/MIL-101对噻吩的吸附过程。吸附控制步骤为传质过程,吸附速率受薄膜扩散和吸附质内扩散控制。噻吩在TM-Y/MIL-101上的吸附主要是Y3+与噻吩S之间的S-M吸附,过渡金属离子(Ni2+、Ag+和Cu+)与噻吩环之间π络合吸附,以及MIL-101上芳环结构与噻吩之间的π-π相互作用3种机制协同作用的结果。
燃料油燃烧释放出的含硫化合物造成了严重的环境污染和生态恶化。以过渡金属TM (Ni、Ag和Cu)和稀土金属钇(Y)为改性交换离子,制备了TM-Y/MIL-101吸附剂,并对吸附剂的结构、形貌和金属价态进行了表征。以噻吩为模型硫化物,比较了不同过渡金属对TM-Y/MIL-101吸附剂吸附性能的影响,并分析了不同吸附剂对噻吩的吸附平衡性质、吸附速率控制步骤和吸附机理。结果表明:不同金属改性得到的TM-Y/MIL-101均保持了MIL-101的晶格结构,且过渡金属Cu和Ag以+1价态存在,Ni以+2价态存在;而稀土金属Y以+3价态存在于TM-Y/MIL-101吸附剂中,Cu-Y/MIL-101吸附剂具有最高的吸附容量(28.2 mg/g)和抗芳烃吸附脱硫选择性,不同吸附剂吸附性能顺序为Cu-Y/MIL-101> Ag-Y/MIL-101> Ni-Y/MIL-101。Langmuir模型准一级和准二级速率模型均可用来描述TM-Y/MIL-101对噻吩的吸附过程。吸附控制步骤为传质过程,吸附速率受薄膜扩散和吸附质内扩散控制。噻吩在TM-Y/MIL-101上的吸附主要是Y3+与噻吩S之间的S-M吸附,过渡金属离子(Ni2+、Ag+和Cu+)与噻吩环之间π络合吸附,以及MIL-101上芳环结构与噻吩之间的π-π相互作用3种机制协同作用的结果。
2024,
42(12):
136-144. doi: 10.13205/j.hjgc.202412017
摘要:
为解析河南省典型工业城市秋冬季大气细颗粒物(PM2.5)的污染特征及主要来源,提高大气污染防治的针对性,以许昌市为例,于2019年10月—2020年1月采集4个点位PM2.5样品,对其碳质组分、无机元素和水溶性离子进行分析。结果表明:许昌市PM2.5日均浓度值为16.2~222.1 μg/m3,均值为86.0 μg/m3,是GB 3095—2012《环境空气质量标准》中二级浓度限值(75 μg/m3)的1.1倍;有机碳/元素碳(OC/EC)的平均值为9.0,硫氧化速率(SOR)和氮氧化速率(NOR)均>0.1,说明PM2.5受二次转化影响较大;SO2-4、NO-3和NH+4等水溶性离子占PM2.5质量浓度的41.3%;富集因子(enrichment factor,EF)法分析显示,Sb、Sn、Bi、Br、Zn、Pb、Cs和Cu的EF值>100,说明许昌市PM2.5可能受到了燃煤和机动车怠速排放影响;正交矩阵因子分析(PMF模型)结果表明,许昌市在秋冬季PM2.5来源主要为二次无机源、燃烧源和机动车排放源,其贡献率分别为38.6%、19.9%和14.1%。除本地污染物积累转化外,经过漯河市、开封市、平顶山市以及河南省周边城市的区域性贡献也是导致许昌市PM2.5污染的原因。
为解析河南省典型工业城市秋冬季大气细颗粒物(PM2.5)的污染特征及主要来源,提高大气污染防治的针对性,以许昌市为例,于2019年10月—2020年1月采集4个点位PM2.5样品,对其碳质组分、无机元素和水溶性离子进行分析。结果表明:许昌市PM2.5日均浓度值为16.2~222.1 μg/m3,均值为86.0 μg/m3,是GB 3095—2012《环境空气质量标准》中二级浓度限值(75 μg/m3)的1.1倍;有机碳/元素碳(OC/EC)的平均值为9.0,硫氧化速率(SOR)和氮氧化速率(NOR)均>0.1,说明PM2.5受二次转化影响较大;SO2-4、NO-3和NH+4等水溶性离子占PM2.5质量浓度的41.3%;富集因子(enrichment factor,EF)法分析显示,Sb、Sn、Bi、Br、Zn、Pb、Cs和Cu的EF值>100,说明许昌市PM2.5可能受到了燃煤和机动车怠速排放影响;正交矩阵因子分析(PMF模型)结果表明,许昌市在秋冬季PM2.5来源主要为二次无机源、燃烧源和机动车排放源,其贡献率分别为38.6%、19.9%和14.1%。除本地污染物积累转化外,经过漯河市、开封市、平顶山市以及河南省周边城市的区域性贡献也是导致许昌市PM2.5污染的原因。
2024,
42(12):
145-154. doi: 10.13205/j.hjgc.202412018
摘要:
DGEN380发动机作为专为喷气式公务机设计的小型涡扇发动机,其气态污染物和颗粒物的排放特性值得探究。于2023年12月23日测试了该发动机在多种工况条件(包括10%、30%和45%推力)下的运行情况。结果显示:1)随着推力的增加,NO和NOx的排放因子显著增加,而NO2和CO的排放因子则呈降低趋势。10%推力下颗粒物的粒径整体呈双峰分布,在20,100 nm处达到峰值,且其总数量浓度为30%和45%推力下的3.4~3.9倍。不同粒径段颗粒物组分中,Na、Mg、Fe、S和Cu元素的排放因子较高,其总和在不同推力下占比均超过80%。碳质组分中有机碳3(OC3)占比最高(25.67%~56.56%),其含量随发动机推力变化而变化;而元素碳(EC)含量在各推力下均较为稳定。3)离子组分以SO2-4、NO-3和Cl-为主,在各推力下的平均排放因子为0.24~1.60 mg/kg。4)通过对污染物排放浓度与发动机参数进行逐步回归分析发现,CO排放的主要影响因素是燃烧室进口平均温度,NO和NOx排放浓度与滑油流量呈正相关,而颗粒物排放与燃烧室进口平均温度及进口压强均呈负相关。研究结果为喷气式公务机污染物排放特征评估提供数据基础,为通航机场大气污染防治提供参考。
DGEN380发动机作为专为喷气式公务机设计的小型涡扇发动机,其气态污染物和颗粒物的排放特性值得探究。于2023年12月23日测试了该发动机在多种工况条件(包括10%、30%和45%推力)下的运行情况。结果显示:1)随着推力的增加,NO和NOx的排放因子显著增加,而NO2和CO的排放因子则呈降低趋势。10%推力下颗粒物的粒径整体呈双峰分布,在20,100 nm处达到峰值,且其总数量浓度为30%和45%推力下的3.4~3.9倍。不同粒径段颗粒物组分中,Na、Mg、Fe、S和Cu元素的排放因子较高,其总和在不同推力下占比均超过80%。碳质组分中有机碳3(OC3)占比最高(25.67%~56.56%),其含量随发动机推力变化而变化;而元素碳(EC)含量在各推力下均较为稳定。3)离子组分以SO2-4、NO-3和Cl-为主,在各推力下的平均排放因子为0.24~1.60 mg/kg。4)通过对污染物排放浓度与发动机参数进行逐步回归分析发现,CO排放的主要影响因素是燃烧室进口平均温度,NO和NOx排放浓度与滑油流量呈正相关,而颗粒物排放与燃烧室进口平均温度及进口压强均呈负相关。研究结果为喷气式公务机污染物排放特征评估提供数据基础,为通航机场大气污染防治提供参考。
2024,
42(12):
155-165. doi: 10.13205/j.hjgc.202412019
摘要:
溶液吸收法是解决污水处理厂、垃圾填埋场等场所中颗粒物和H2S臭气污染的一种有效措施,但吸收剂无法再生循环利用阻碍了吸收法的推广使用。设计了溶液吸收-电芬顿工艺,通过聚吡咯薄膜产生微小气泡的方式吸收污染物,考察了气体流速、功能溶液种类对H2S和颗粒物的吸收效率并进行了反应动力学分析,研究了电芬顿对硫化物的氧化效果,探究了溶液吸收-电芬顿工艺去除H2S的重复使用性与吸收氧化机理。结果表明:在空气流速为85 mL/min,功能溶液为Na2SO4+FeSO4的条件下,7 h时H2S和颗粒物的吸收率分别达到89.5%与92.7%,吸收过程均符合一级动力学模型;电芬顿对S2-的去除率在60 min内达到96.7%;溶液吸收-电芬顿工艺吸收氧化H2S气体的最终氧化产物为SO2-4,具有良好的自清洁和长期循环稳定性。
溶液吸收法是解决污水处理厂、垃圾填埋场等场所中颗粒物和H2S臭气污染的一种有效措施,但吸收剂无法再生循环利用阻碍了吸收法的推广使用。设计了溶液吸收-电芬顿工艺,通过聚吡咯薄膜产生微小气泡的方式吸收污染物,考察了气体流速、功能溶液种类对H2S和颗粒物的吸收效率并进行了反应动力学分析,研究了电芬顿对硫化物的氧化效果,探究了溶液吸收-电芬顿工艺去除H2S的重复使用性与吸收氧化机理。结果表明:在空气流速为85 mL/min,功能溶液为Na2SO4+FeSO4的条件下,7 h时H2S和颗粒物的吸收率分别达到89.5%与92.7%,吸收过程均符合一级动力学模型;电芬顿对S2-的去除率在60 min内达到96.7%;溶液吸收-电芬顿工艺吸收氧化H2S气体的最终氧化产物为SO2-4,具有良好的自清洁和长期循环稳定性。
2024,
42(12):
166-173. doi: 10.13205/j.hjgc.202412020
摘要:
水热碳化技术(hydrothermal carbonization, HTC)是市政污泥资源化利用的潜力技术,主要产品水热炭可作为水处理吸附剂进行使用,但污泥脱水中添加的絮凝剂对后续水热炭生成及吸附特性的影响尚不清楚。实验以市政污泥为原料,分别添加了3种典型絮凝剂[聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)及聚丙烯酰胺(PAM)],在180 ℃、4 h条件下制备获得污泥基水热炭。随后以亚甲基蓝(methylene blue, MB)、四环素(tetracycline, TC)作为模拟污染物,分析了絮凝剂加入对污泥水热炭产率及吸附特性的影响。结果表明:絮凝剂的加入不仅影响了污泥水热炭的产率和吸附特性,且不同絮凝剂造成的影响并不相同。其中聚合氯化铝加入后,水热炭的产率最高可达70.14%,相比未添加絮凝剂的空白组产率(65.35%)得到了明显提升。在吸附方面,目标污染物为TC时,PFS对污泥基水热炭的吸附行为影响较大,吸附量最高达到47.89 mg/g。目标污染物为MB时,DAM对污泥基水热炭的吸附行为影响较大,吸附量最高达到23.39 mg/g。该研究成果可为污泥水热炭的后续利用提供相应支撑。
水热碳化技术(hydrothermal carbonization, HTC)是市政污泥资源化利用的潜力技术,主要产品水热炭可作为水处理吸附剂进行使用,但污泥脱水中添加的絮凝剂对后续水热炭生成及吸附特性的影响尚不清楚。实验以市政污泥为原料,分别添加了3种典型絮凝剂[聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)及聚丙烯酰胺(PAM)],在180 ℃、4 h条件下制备获得污泥基水热炭。随后以亚甲基蓝(methylene blue, MB)、四环素(tetracycline, TC)作为模拟污染物,分析了絮凝剂加入对污泥水热炭产率及吸附特性的影响。结果表明:絮凝剂的加入不仅影响了污泥水热炭的产率和吸附特性,且不同絮凝剂造成的影响并不相同。其中聚合氯化铝加入后,水热炭的产率最高可达70.14%,相比未添加絮凝剂的空白组产率(65.35%)得到了明显提升。在吸附方面,目标污染物为TC时,PFS对污泥基水热炭的吸附行为影响较大,吸附量最高达到47.89 mg/g。目标污染物为MB时,DAM对污泥基水热炭的吸附行为影响较大,吸附量最高达到23.39 mg/g。该研究成果可为污泥水热炭的后续利用提供相应支撑。
2024,
42(12):
174-183. doi: 10.13205/j.hjgc.202412021
摘要:
污泥经过缓慢冻结后再解冻,通常会大大改善自身的脱水性能。基于冻融循环法对城市污泥脱水效果进行了考察,采用响应曲面法,以污泥冻融温度(℃)、冻融时长(h)及冻融次数(次)为因变量,污泥含水率(%)为响应值,通过Box-Behnken中心组合设计法建立数学模型。结果显示:当冻融温度为-16.30 ℃,冻融时长为19.70 h和冻融次数为19次时,模型预测的最小污泥含水率为33.93%,模型R2>0.99,模型吻合度较好,说明响应曲面法用于优化冻融循环过程中调理污泥理化性质,改善脱水性能是可行的。污泥内部的水热过程是影响污泥资源化利用以及水资源利用的重要因素,传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和介质中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。通过有限元模拟软件建立污泥冻融循环模型,以实验数据为基础,通过COMSOL Multiphysics的数学模块,实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了污泥水分对流与温度变化的关系。并通过场发射扫描电镜分析冻融前后污泥絮体微观结构和孔隙变化,为污泥冻融处理在优化污泥脱水性能方面的应用提供依据。COMSOL Multiphysics的PDE模块可以较好地模拟冻融循环条件下污泥水-热耦合过程,考虑冰水相变以及水分对流迁移影响,为污泥资源化利用以及水资源利用相关数值模拟研究提供参考。
污泥经过缓慢冻结后再解冻,通常会大大改善自身的脱水性能。基于冻融循环法对城市污泥脱水效果进行了考察,采用响应曲面法,以污泥冻融温度(℃)、冻融时长(h)及冻融次数(次)为因变量,污泥含水率(%)为响应值,通过Box-Behnken中心组合设计法建立数学模型。结果显示:当冻融温度为-16.30 ℃,冻融时长为19.70 h和冻融次数为19次时,模型预测的最小污泥含水率为33.93%,模型R2>0.99,模型吻合度较好,说明响应曲面法用于优化冻融循环过程中调理污泥理化性质,改善脱水性能是可行的。污泥内部的水热过程是影响污泥资源化利用以及水资源利用的重要因素,传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和介质中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。通过有限元模拟软件建立污泥冻融循环模型,以实验数据为基础,通过COMSOL Multiphysics的数学模块,实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了污泥水分对流与温度变化的关系。并通过场发射扫描电镜分析冻融前后污泥絮体微观结构和孔隙变化,为污泥冻融处理在优化污泥脱水性能方面的应用提供依据。COMSOL Multiphysics的PDE模块可以较好地模拟冻融循环条件下污泥水-热耦合过程,考虑冰水相变以及水分对流迁移影响,为污泥资源化利用以及水资源利用相关数值模拟研究提供参考。
2024,
42(12):
184-192. doi: 10.13205/j.hjgc.202412022
摘要:
餐厨垃圾是城市主要的有机固体废弃物。厌氧消化能够在实现餐厨垃圾减量化的同时回收能源,已成为主流处理技术之一。阐述了餐厨垃圾厌氧消化过程中间代谢产物累积所带来的技术风险,重点从微生物角度分析抑制失稳的机理,并进一步介绍了生态优化、生物促进剂添加和微生物驯化等生物强化策略的具体作用,以保证系统高效产气和稳定运行,为餐厨垃圾规模化处理提供参考。
餐厨垃圾是城市主要的有机固体废弃物。厌氧消化能够在实现餐厨垃圾减量化的同时回收能源,已成为主流处理技术之一。阐述了餐厨垃圾厌氧消化过程中间代谢产物累积所带来的技术风险,重点从微生物角度分析抑制失稳的机理,并进一步介绍了生态优化、生物促进剂添加和微生物驯化等生物强化策略的具体作用,以保证系统高效产气和稳定运行,为餐厨垃圾规模化处理提供参考。
2024,
42(12):
193-200. doi: 10.13205/j.hjgc.202412023
摘要:
目前物理吸附法是治理海洋石油污染的重要技术手段。作为研究热点的生物质吸附材料中的生物质泡沫因具有高孔隙率和丰富三维结构,有着广阔应用前景。但一些生物质泡沫的制备方法复杂,制备过程需要使用有毒有机溶剂。故采用简单、绿色的牺牲模板法,使用真空干燥箱在180 ℃下使得PVDF粉末熔化将NaCl颗粒和树叶粉包裹,再水洗去除NaCl模板,形成多孔结构,成功制备了树叶-PVDF多孔海绵材料。该材料在空气中的水接触角为121°,对各种密度<0.9 g/cm3的油或有机溶剂的饱和吸收容量在350%~540%。该材料还具有良好的机械性能,在15次压缩后仍能保持88%的原始高度。在室温下通过挤压回收水面浮油时,0.35 g材料可以在10 min内回收4.28 g油,回收后水面变澄清,没有明显的泵油残留。
目前物理吸附法是治理海洋石油污染的重要技术手段。作为研究热点的生物质吸附材料中的生物质泡沫因具有高孔隙率和丰富三维结构,有着广阔应用前景。但一些生物质泡沫的制备方法复杂,制备过程需要使用有毒有机溶剂。故采用简单、绿色的牺牲模板法,使用真空干燥箱在180 ℃下使得PVDF粉末熔化将NaCl颗粒和树叶粉包裹,再水洗去除NaCl模板,形成多孔结构,成功制备了树叶-PVDF多孔海绵材料。该材料在空气中的水接触角为121°,对各种密度<0.9 g/cm3的油或有机溶剂的饱和吸收容量在350%~540%。该材料还具有良好的机械性能,在15次压缩后仍能保持88%的原始高度。在室温下通过挤压回收水面浮油时,0.35 g材料可以在10 min内回收4.28 g油,回收后水面变澄清,没有明显的泵油残留。
2024,
42(12):
201-209. doi: 10.13205/j.hjgc.202412024
摘要:
以美人蕉为原料通过热解制备生物炭,并通过HNO3和KOH对其浸渍改性制备了酸、碱改性生物炭,采用扫描电镜、比表面积及孔径分析仪和傅里叶红外光谱对制备的生物炭进行表征,研究了生物炭对磺胺甲噁唑(SMX)的吸附性能和机理,同时考察了pH值和生物炭投加量对SMX吸附效果的影响。结果表明:相较于未改性生物炭,酸碱改性后生物炭比表面积大幅提高,孔道结构更加发达,吸附性能显著提升。3种生物炭对SMX的吸附过程均符合准二级动力学模型;未改性和碱改性生物炭的等温吸附符合Freundlich模型,酸改性生物炭吸附等温线更符合Langmuir模型。吸附热力学表明,3种生物炭对SMX的吸附均为自发的吸热过程。pH值和生物炭投加量对3种生物炭吸附SMX的效果影响显著。吸附过程受到孔隙填充、氢键、π-π EDA以及静电相互作用的共同影响。
以美人蕉为原料通过热解制备生物炭,并通过HNO3和KOH对其浸渍改性制备了酸、碱改性生物炭,采用扫描电镜、比表面积及孔径分析仪和傅里叶红外光谱对制备的生物炭进行表征,研究了生物炭对磺胺甲噁唑(SMX)的吸附性能和机理,同时考察了pH值和生物炭投加量对SMX吸附效果的影响。结果表明:相较于未改性生物炭,酸碱改性后生物炭比表面积大幅提高,孔道结构更加发达,吸附性能显著提升。3种生物炭对SMX的吸附过程均符合准二级动力学模型;未改性和碱改性生物炭的等温吸附符合Freundlich模型,酸改性生物炭吸附等温线更符合Langmuir模型。吸附热力学表明,3种生物炭对SMX的吸附均为自发的吸热过程。pH值和生物炭投加量对3种生物炭吸附SMX的效果影响显著。吸附过程受到孔隙填充、氢键、π-π EDA以及静电相互作用的共同影响。
2024,
42(12):
210-217. doi: 10.13205/j.hjgc.202412025
摘要:
以废瓦楞纸为原料,通过简便的"破碎-FeCl3/无水乙醇浸渍-常压干燥-炭化"工艺制备了一种新颖的磁性生物炭气凝胶(BCAFe-600);对材料的微观形貌、表面元素组成、晶相结构、比表面积、表面官能团、机械强度、磁性、亲水性、Zeta电位进行了分析和比较;研究了BCAFe-600对水中亚甲基蓝(MB)的吸附等温线,并将其用作一种可磁回收的漂浮型吸附材料,模拟了其对MB污染水体的净化过程,明确了吸附动力学特征。结果表明:BCAFe-600由无序交错的条带状炭纤维构成,具有良好的亲水性,其主要晶相组成为无定形碳、磁赤铁矿(γ-Fe2O3)和方解石(CaCO3);FeCl3可以促进废瓦楞纸在热解炭化过程中的孔隙发育以及最终材料的机械强度,其最终分解产物γ-Fe2O3赋予材料良好的磁性,因此,BCAFe-600的比表面积和饱和磁化量达到205 m2/g和7.62 emu/g,且可耐受自重450倍的压力。BCAFe-600对水中MB的吸附过程可用 Langmuir 模型描述,其最大单分子层吸附量为 35.6 mg/g;BCAFe-600可漂浮于MB溶液中,在静置条件下对MB也具有显著的吸附去除作用,其吸附动力学符合拟二级动力学模型。
以废瓦楞纸为原料,通过简便的"破碎-FeCl3/无水乙醇浸渍-常压干燥-炭化"工艺制备了一种新颖的磁性生物炭气凝胶(BCAFe-600);对材料的微观形貌、表面元素组成、晶相结构、比表面积、表面官能团、机械强度、磁性、亲水性、Zeta电位进行了分析和比较;研究了BCAFe-600对水中亚甲基蓝(MB)的吸附等温线,并将其用作一种可磁回收的漂浮型吸附材料,模拟了其对MB污染水体的净化过程,明确了吸附动力学特征。结果表明:BCAFe-600由无序交错的条带状炭纤维构成,具有良好的亲水性,其主要晶相组成为无定形碳、磁赤铁矿(γ-Fe2O3)和方解石(CaCO3);FeCl3可以促进废瓦楞纸在热解炭化过程中的孔隙发育以及最终材料的机械强度,其最终分解产物γ-Fe2O3赋予材料良好的磁性,因此,BCAFe-600的比表面积和饱和磁化量达到205 m2/g和7.62 emu/g,且可耐受自重450倍的压力。BCAFe-600对水中MB的吸附过程可用 Langmuir 模型描述,其最大单分子层吸附量为 35.6 mg/g;BCAFe-600可漂浮于MB溶液中,在静置条件下对MB也具有显著的吸附去除作用,其吸附动力学符合拟二级动力学模型。
2024,
42(12):
218-228. doi: 10.13205/j.hjgc.202412026
摘要:
钢铁流程赋存有丰富的余存有价组元,其来源广泛,成分和组成均十分复杂,必须对其高效资源化利用。基于冶金流程学理论,分析了钢铁流程余存组元的来源、转化及迁移规律,揭示了余存组元无序化与钢铁流程碳污排放的逻辑关系,提出了钢铁流程余存有价组元自洽循环利用的理论观点,即输入一定的治理物质流和能量流(负熵流),促使无序化的余存组元及其携带的余能自洽地回到钢铁主工艺流程,或成为其他工业流程原料进行资源化循环利用。同时,基于钢铁流程物能自洽资源化利用的理论观点,介绍了非金属有机组元、非金属无机组元以及重(碱)金属组元等有价组元自洽循环利用的典型工艺方法和应用案例。
钢铁流程赋存有丰富的余存有价组元,其来源广泛,成分和组成均十分复杂,必须对其高效资源化利用。基于冶金流程学理论,分析了钢铁流程余存组元的来源、转化及迁移规律,揭示了余存组元无序化与钢铁流程碳污排放的逻辑关系,提出了钢铁流程余存有价组元自洽循环利用的理论观点,即输入一定的治理物质流和能量流(负熵流),促使无序化的余存组元及其携带的余能自洽地回到钢铁主工艺流程,或成为其他工业流程原料进行资源化循环利用。同时,基于钢铁流程物能自洽资源化利用的理论观点,介绍了非金属有机组元、非金属无机组元以及重(碱)金属组元等有价组元自洽循环利用的典型工艺方法和应用案例。
2024,
42(12):
229-236. doi: 10.13205/j.hjgc.202412027
摘要:
钝化修复是土壤镉(Cd)污染常用的修复方式。选取KNO3(K1)和KH2PO4(K2)2种钾肥,通过盆栽试验,研究施加不同含量的2种钾肥对海泡石(S)钝化土壤Cd效应的影响。结果表明:与S处理相比,S+K1处理下,土壤有效态Cd含量增加22.58%~29.03%,但KNO3不同添加量间并无显著差异;S+K2L和S+K2M处理时土壤有效态Cd含量增幅达到6.45%~32.26%,其增幅随着KH2PO4施加量的增加而降低。与S处理相比,在海泡石钝化处理中施加不同含量KNO3,土壤有效态Cu、Zn和Mn含量分别增加7.83%~11.98%、0.54%~6.17%和49.13%~63.83%;施加不同含量KH2PO4可使土壤中有效态Cu、Zn和Mn含量分别增加8.99%~12.44%、25.20%~31.37%和86.65%~94.58%。与S处理相比,S+K1处理显著增加模式植物油菜地上部中Cd含量,增加率为31.79%~43.16%(P<0.05),但S+K2与S处理间无明显差异;此外,在海泡石钝化修复下,添加2种钾肥对油菜地上部Cu、Zn含量同样存在不同程度的影响。该研究结果对Cd污染耕地安全利用中科学施用钾肥提供了参考。
钝化修复是土壤镉(Cd)污染常用的修复方式。选取KNO3(K1)和KH2PO4(K2)2种钾肥,通过盆栽试验,研究施加不同含量的2种钾肥对海泡石(S)钝化土壤Cd效应的影响。结果表明:与S处理相比,S+K1处理下,土壤有效态Cd含量增加22.58%~29.03%,但KNO3不同添加量间并无显著差异;S+K2L和S+K2M处理时土壤有效态Cd含量增幅达到6.45%~32.26%,其增幅随着KH2PO4施加量的增加而降低。与S处理相比,在海泡石钝化处理中施加不同含量KNO3,土壤有效态Cu、Zn和Mn含量分别增加7.83%~11.98%、0.54%~6.17%和49.13%~63.83%;施加不同含量KH2PO4可使土壤中有效态Cu、Zn和Mn含量分别增加8.99%~12.44%、25.20%~31.37%和86.65%~94.58%。与S处理相比,S+K1处理显著增加模式植物油菜地上部中Cd含量,增加率为31.79%~43.16%(P<0.05),但S+K2与S处理间无明显差异;此外,在海泡石钝化修复下,添加2种钾肥对油菜地上部Cu、Zn含量同样存在不同程度的影响。该研究结果对Cd污染耕地安全利用中科学施用钾肥提供了参考。
2024,
42(12):
237-244. doi: 10.13205/j.hjgc.202412028
摘要:
为了探究高锰酸钾(KMnO4)对焦化场地多环芳烃(PAHs)污染土壤的修复效果,以安徽合肥某PAHs污染土壤为实验对象,研究了KMnO4投加浓度、反应时间和液固比等因素影响下KMnO4对土壤高环PAHs的修复效果。结果表明:1)随着KMnO4浓度的增加,PAHs去除率随之增加,当KMnO4浓度为0.13 mmol/g时,ΣPAHs含量由污染原土的300.15 mg/kg下降至55.80 mg/kg,ΣPAHs去除率为81.41%,其中苯并[a]芘去除率高达97.06%;2)ΣPAHs去除率随着反应时间的延长而显著增加,反应2 h时ΣPAHs含量为64.33 mg/kg,去除率为78.57%,当反应时间延伸至48 h时,去除率增加至85.65%;3)不同液固比时 KMnO4对PAHs的去除率影响不大;4)由响应面分析可知,KMnO4浓度为0.21 mmol/g、反应时间32.50 h、液固比1∶1时,ΣPAHs去除率最高,为87.62%;5)KMnO4能够直接参与氧化PAHs或者通过副产物MnO2间接参与氧化PAHs,将高环PAHs转化为低环PAHs或多种中间体,并进一步分解为CO2和H2O。
为了探究高锰酸钾(KMnO4)对焦化场地多环芳烃(PAHs)污染土壤的修复效果,以安徽合肥某PAHs污染土壤为实验对象,研究了KMnO4投加浓度、反应时间和液固比等因素影响下KMnO4对土壤高环PAHs的修复效果。结果表明:1)随着KMnO4浓度的增加,PAHs去除率随之增加,当KMnO4浓度为0.13 mmol/g时,ΣPAHs含量由污染原土的300.15 mg/kg下降至55.80 mg/kg,ΣPAHs去除率为81.41%,其中苯并[a]芘去除率高达97.06%;2)ΣPAHs去除率随着反应时间的延长而显著增加,反应2 h时ΣPAHs含量为64.33 mg/kg,去除率为78.57%,当反应时间延伸至48 h时,去除率增加至85.65%;3)不同液固比时 KMnO4对PAHs的去除率影响不大;4)由响应面分析可知,KMnO4浓度为0.21 mmol/g、反应时间32.50 h、液固比1∶1时,ΣPAHs去除率最高,为87.62%;5)KMnO4能够直接参与氧化PAHs或者通过副产物MnO2间接参与氧化PAHs,将高环PAHs转化为低环PAHs或多种中间体,并进一步分解为CO2和H2O。
