污废水中污染物去除的功能材料研究进展:元素物质-合成改性-工艺工程的尺度效应

污废水中的有机污染物、重金属离子和病毒性微生物等造成了严重的水环境污染,对人体健康和生态系统也造成严重威胁,有效控制污废水的风险成为保护环境和可持续发展的重要研究方向。环境功能材料作为一类具有污染物净化效果的辅助性手段,在降低水污染风险中展现出巨大的科技潜力。本研究探讨元素物质的选择、合成改性策略和工艺工程的优化3个尺度层面的现状与发展;以碳元素、硅元素和金属元素为例,介绍新型功能材料的特征;从溶剂热法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、化学气相沉积法、绿色合成法以及表面功能化改性讨论了合成技术策略;关于工艺工程应用方面,固定床-吸附床-流化床、电场-光场-磁场、物理-化学-生物、循环-再生-处置和协同放大效应等的产业生产/连续运行方面值得关注;在性能、经济性、环境影响和可持续性方面进行评价,强调了安全-稳定-长效-满负荷-优化的工艺工程技术应用目标。未来的环境功能材料发展应聚焦3D打印材料在污废水处理中的应用、智能工艺和智慧管理、群体感知和信息诊断以及场域效应和量子探针等技术方向的结合,在水质改善-材料功能挖掘-可持续循环发展方面提供新的技术领域。

石油类物质的湿沉降及其对区域水环境的影响：以正构烷烃为指示物

为评估含有机污染物的湿沉降对区域水环境污染的贡献,在广州市3个采样点(海珠区、天河区和萝岗区)采集了2010年湿沉降样品(157个),并在天河点采集了12个干沉降、11个地表径流及10个气溶胶样品,并对其中指示化合物正构烷烃的浓度、来源和通量进行分析.正构烷烃(包括从C20—C34的15种同系物)总浓度范围为0.6—292μg·L-1;从季节上看,其在雨季(4—9月)的浓度低于旱季(1—3月和10—12月).碳优势指数和主成分分析结果表明,广州市的正构烷烃主要来源于石油产品的消费(50%),暗示石油产品消耗是主要污染源;其次来自植物排放(38%).此外,广州市在2010年有55±80 t(平均值±标准偏差)正构烷烃经干沉降和湿沉降至地表,其中湿沉降的贡献为39±80 t.同时,大约有224±296 t正构烷烃通过地表径流进入到珠江,反映了面源污染对区域水环境影响很大.因此,控制石油产品的消费和治理地表径流,是抑制面源污染、改善区域水环境的两个途径.

水污染达峰后元素比例失衡引发的新环境风险:以广东沿海为例

针对人类活动和环境变化对水质可能带来的影响,本研究收集了广东省沿海城市群入海口水质监测数据,分析了近岸环境的营养元素化学计量及微量元素浓度时空变化的趋势;通过综合污染指数法,评估了2015—2022年间的生态风险演变,利用相关性分析与相关网络分析解析了近岸水环境演变过程中水溶液性质群集间的关联及聚集,最后通过主成分分析揭示了驱动水溶液性质相互作用的关键影响因素.结果表明:广东省河口水体的主要污染物指标在浓度上受到了控制,但B/C、C/N和C/P比值等逐步偏离其自然本底比值,导致水体的微生物能量利用、营养物质固定和元素矿化效率受阻,水质特征不利于进一步的自然利用,干预了水生态的自净化机制与能力;在气候变化影响下的元素比例失衡、限制性元素匮乏等因素将会限制水体的功能发挥,从而引发新的环境风险.由相关性分析和主成分分析可知,亲和组分浓度受多种效应相近的物理化学作用而产生群集效应,由此构建了复杂的元素耦合体系.生态条件和水文环境的快速变化动摇了元素间的比例链条,因此,需建立排放尾水-河流-入海口-海洋联通的水溶液性质的信息反馈,未来的水环境管理应综合考虑水文特征、污染物总量和元素比例阈值.

水体溶解性有机物的性质特征、分析手段与环境效应

溶解性有机物(DOM)在自然界的水环境中广泛存在,是水相有机物的主要组成部分。DOM表现出复杂的环境与生态反馈功能,与微生物的生长代谢有着紧密关系。在循环的自然生态过程中,河流是各种源汇的输送体,海洋成为最终的受纳体,统计分析了水体DOM在废水-污水-河流/湖泊-海洋环境中的性质和分布,指出DOM发挥着生物初级生产力、能量提供、光合效应、化学调控、微量金属传输、碳汇等方面的功能,并最终影响人类健康的观点。DOM的组成复杂,包括多糖、蛋白质、腐殖质、脂质和小分子有机酸等。自然途径通过大分子有机物的腐烂降解、动物及微生物的新陈代谢、植物根系的分泌物和植物生长衰亡过程,这些途径受地理-环境-气候等因素的影响;人为途径向水源中引入DOM不可忽视,其中,大部分来自污废水处理排放尾水中的残余有机污染物。DOM的转化与归趋影响着自来水厂的出水水质和天然水体中的微生物群落结构,因此,对DOM的定性定量分析十分重要。对此,系统介绍了DOM的分析原理、应用对象与技术特征,并提出发展测量技术、识别表征、生成机制、多相化学以及生态健康等方面的联用与瞬态技术的社会需求。最后,通过自然水体、城市污水、工业废水、厌氧发酵与渗滤液等来源,分析讨论了DOM浓度梯度的环境影响,强调元素水平的生态可持续发展与平衡机制的学术意义,认为DOM的元素驱动机制、生态调控机制以及信息通量分析成为未来该领域研究的重要方向。

铜价态/形态对水中微生物活性及生态系统健康的探针机制

铜在自然-社会水循环中充当着多元性的角色.一方面,铜拥有多种价态,参与各种氧化还原反应,涵盖成岩成矿、催化氧化、细胞呼吸等关键功能,尤其对生物新陈代谢的能量摄取、营养转化和有机合成发挥着至关重要的调控作用;另一方面,它作为副族元素,能充当良好的配体,与生物元素螯合,成为生命不可或缺的营养元素.与此同时,它还充当抑制生物活动的重金属因子.铜功能的转化取决于丰度、价态和形态,影响着生态系统的能量流、营养流、物质流和经济流.因此,未来的研究应当注重其赋存形态和人类世的背景变化,提高多种形态铜元素的利用水平,释放铜元素的经济和生态潜力,消弭其对生态系统正常活动的干扰.通过对铜元素的环境影响研究与分析,人类要认识到,元素循环的行为有助于揭示水体生态系统的脆弱性和可持续性,对环境管理和水生态保护发挥重要探针作用.

水溶液性质与水污染控制工艺相互作用的重要性

从自然演化、人类活动、科学发展角度分析污废水的产生机制及其对天然水体溶液性质的影响,发现人类迁徙的城镇化以及工农业生产的效率约束导致污废水与天然径流之间的矛盾,使生态水体呈现出由地表纯净水向水质污染方向的功能转化,扰动了元素/化合物在地球表面或水体界面的离心与向心迁移的平衡,明确了水体界面或水圈作为物质地球循环中转站/转运站的原理机制。隐藏在各种水处理工艺原理中的物理、化学、物化、生化等丰富功能能够解决中转站中所积累的矛盾,所以,集合溶液性质与污废水处理工艺原理之间的对应关系及其技术应用将构成更加完备和潜在的水工业,所提出的水溶液性质概念同样适用于给水与纯净水的生产与管理。针对有毒/难降解的工业有机废水,如煤化工行业焦化废水,在前端工艺清洁生产的基础上,需要把产品资源回收、性质互补利用、水量循环机制作为共性目标,把低能耗与物耗、关键污染物去除以及明确环境风险归趋作为污染控制工艺选择的依据,同时要求全过程产生低的二次污染如碳排放等。基于水溶液性质的改变及其过程演变的探究将拓宽水污染控制的工艺理论与技术边界。水污染控制与水环境保护相结合的水工业全过程追求技术、经济与社会目标的一致,争取得到绿色、低碳、循环等生态目标的响应,即生活、生产、生态"三位一体"的协调发展。