低碳水处理与资源化技术:厌氧膜生物反应器(AnMBR)的特性、应用与新技术简介

厌氧膜生物反应器(AnMBR)集成了厌氧生物处理的高效率和膜技术的精准选择性,开创了污水处理技术的新篇章。在当前全球环境保护意识和资源循环利用需求日益加强的背景下,AnMBR技术不仅响应了追求低碳水处理的趋势,还在资源回收利用方面展示了广阔的发展前景。本文详细探讨了AnMBR的原理、操作优势以及其在当下的应用实践,并阐述了AnMBR技术在推广过程中面临的技术挑战和最新的科研进展。即便AnMBR在商业化应用中仍存有挑战,但得益于科学研究的不断深入和技术创新的推动,这些挑战正被一一克服。基于AnMBR的新技术开发与应用为实现废水资源化利用与推动循环经济方面提供了有力支持。AnMBR技术在提高污水处理效率、减少碳排放,以及促进能源和资源的可持续利用方面取得了突破性进展,预示着水处理技术正在向更加绿色、高效的方向发展,对未来水资源管理与环境保护具有深远意义。

电容去离子技术在选择性分离中的应用和挑战

水溶液中离子的选择性分离对于水质净化和资源回收具有重要的意义。电容去离子(Capacitive Deionization, CDI)是一种新型的电驱动脱盐技术,在近年来逐渐应用于多组分溶液中目标离子的选择性分离。由于CDI具有可定制的电极材料和界面,以及灵活的操作条件,在调节离子电吸附过程中具有较大优势,从而可实现目标物质的选择性分离。本综述回顾了CDI的发展历程,重点介绍了利用新型电极和膜材料从水中选择性去除离子的机制,并探讨了材料化学修饰方法和不同操作因素对CDI选择性的影响。最后,本文强调了CDI在选择性分离实际应用中仍面临着一些挑战,包括传统碳基电极选择性潜力不足、新型膜材料有待开发、选择分离性能评价体系不全面以及系统设计研究不足等,同时展望了其在电子、稀土、食品等相关行业的发展方向,将为研究人员开发低碳高效的CDI选择性分离技术提供参考。

有机废弃物厌氧消化生产生物天然气技术的现状和展望

自沼气发现以来,有机物厌氧消化生产生物天然气由于其污染治理和能源回收的功能开拓了一个经久不衰的领域。有机废弃物厌氧消化过程的实现和发展依赖于工艺技术和基础理论的进步。本文从技术形式和理论出发,介绍有机废弃物厌氧消化生产生物天然气技术的现状并进行展望。首先介绍了当前主流厌氧消化技术,总结其设计和构型,阐述内在改进和变革思维:泥水分离的实现区分了第一代和第二代厌氧消化技术,而颗粒污泥的出现则发展了第三代厌氧消化技术。其次总结了现代厌氧消化技术理论和其对厌氧消化技术的推动作用,介绍一些加强厌氧消化策略:厌氧消化理论细化和种间电子传递的发现直接改变厌氧消化设计理念和运行形式。随后描述一些对厌氧消化具有强烈推动作用的新技术和新理念:机器学习有助于了解厌氧消化这一复杂黑箱,而合成生物学更将从概念上重新定义厌氧消化。最后对未来厌氧消化技术进行了展望:厌氧消化的发展将趋向于高效化、智能化、定制化,未来更将成为一个绿色平台,实现能源和物质的社会循环。

水体中微塑料对重金属汞的吸附行为及其对涡虫的毒性效应

环境中的微塑料(MPs)污染日益增加,已经成为备受关注的全球环境问题。已有研究表明,微塑料通过自身的物理效应和吸附作用,能够吸附重金属等污染物,产生“特洛伊木马效应”。因此,微塑料与重金属之间的相互作用在风险评估中具有特殊且重要的意义。以聚苯乙烯(PS)为例,选用东亚三角涡虫作为实验动物,探究微塑料吸附重金属汞(Hg)后的生物效应和毒性机制。采用红外光谱、扫描电子显微镜、动态光散射分析对PS-MPs及PS-Hg^(2+)进行详细表征。急性毒性实验表明,Hg^(2+)对整体涡虫的半数致死浓度(LC_(50))值为0.13 mg/L,对再生涡虫的LC_(50)值为0.12 mg/L。Hg^(2+)能够在涡虫体内富集,并产生毒性效应,导致涡虫死亡和胚基生长的抑制。此外,结合同步辐射X射线荧光光谱成像(XRF)和原子荧光光谱仪(AFS)分析技术,发现PS-MPs会增强Hg^(2+)在涡虫体内的富集和毒性。通过组织学分析、原位杂交、免疫荧光及测定SOD、MDA、ATP含量、ATP合酶和GPX4活性、线粒体膜电位及线粒体中Fe^(2+)的相对水平和总Fe含量,发现Hg^(2+)会引起涡虫组织学损伤,影响涡虫体内Neoblasts的维持与增殖,引起涡虫抗氧化防御系统的紊乱、细胞损伤和线粒体功能的破坏,而PS-MPs的引入会加剧这些现象。综上所述,PS-MPs与Hg^(2+)具有联合作用,PS-MPs的加入能够增强Hg^(2+)的毒性,扰乱涡虫的稳态。因此,应重视微塑料与重金属的联合作用,并从多方面进行污染物的风险评估。

含油污泥热解资源化及过程污染控制研究进展及发展趋势

如何实现含油污泥的无害化处理和资源化回收,是目前石油生产领域面临的一个重大挑战。热解,作为一种在缺氧环境下热化学分解有机物的方法,在无害化处置和资源化利用含油污泥方面具有重大的应用潜力。含油污泥的热解资源化已经成为当前石油开采、提炼及环境保护领域的一个重要关注点,近年来相关研究十分广泛。本文综述了当前国内外学者对含油污泥热解资源化及过程污染控制技术的最新研究成果,以无害化处置和资源化转化含油污泥的热化学新技术为导向,对含油污泥热解资源化及过程污染控制进行全面深入的总结和分析,旨在揭示热解过程中含油污泥组分的增值转化过程及其机制、含氮含硫污染物的产生/转化和迁移途径及其相应机制,重点考察催化热解及共热解过程中的催化剂设计原则及反应工艺优化、含硫含氮小分子有机化合物的生成过程及其影响因素以及重金属元素的迁移转化等,并对其未来工业化规模应用前景和发展趋势进行了展望,以期为未来含油污泥无害化处置和资源化回收工作提供理论和技术参考。

铝形态对铝系混凝剂去除抗性基因的影响

抗生素抗性基因(ARGs)会对自然环境和人体健康造成潜在的巨大威胁,而污水处理厂的出水是环境ARGs主要来源之一.铝基混凝工艺可以有效削减出水中氮、磷等指标,然而对于ARGs的去除以及其中起主要作用的铝形态仍然不清楚.因此,本文首先对污水厂现有工艺段出水中的ARGs进行了调研,结果发现,在经过活性污泥工艺处理后ARGs的丰度出现明显提高,并且在最终的出水中sulⅠ和sulⅡ基因有较高残留.接着以sulⅠ和sulⅡ为模型物,研究了氯化铝(AlCl_(3))和聚合氯化铝(PAC)混凝剂对污水处理厂出水中ARGs和int I1基因的去除效果,探讨了不同的Al形态对ARGs去除效果的影响.结果发现,AlCl_(3)和PAC的混凝过程均能够有效去除ARGs,去除率为0.1~2.26-log.统计学相关分析发现,ARGs的去除主要是通过去除抗性细菌来实现,并且碱性条件下(pH为8或10)混凝过程对ARGs去除率较高,这表明ARGs的有效去除是通过铝水解产物尤其是无定形Al(OH)_(3)沉淀的吸附和网捕来实现,其中,AlCl_(3)中起主要作用的是单体铝和低聚态铝(Al_(5))物种,而PAC中则是单体铝和高聚合态Al_(13)发挥主要作用.

对太阳能热发电走向成功之路的思考

从理论方面对降低太阳能热发电投资成本的方式进行了分析,认为可通过扩大规模来降低投资成本,依靠扩大发电系统的规模和优化镜场设计来提高太阳能热发电系统的光电转换效率;碟式和点聚焦菲涅耳聚光系统的光热转换效率高,竞争力较强。当采用超大功率蒸汽轮机时,可使发电系统的规模扩大10倍、热电转换效率提高25%;按照光学效率和接收器热效率均达到92%计算,碟式聚光系统的光热转换效率可达到84.64%,而塔式聚光系统的光热转换效率为57.73%,前者比后者提高了46.62%,使碟式太阳能热发电系统的光电转换效率比塔式太阳能热发电系统的提高了83.3%,从而使碟式太阳能热发电系统的总投资成本比塔式太阳能热发电系统的下降了45.4%,共用跟踪系统使其总投资成本又下降了4.8%,再加上碟式太阳能热发电系统的中发电系统规模扩大10倍,最终,碟式太阳能热发电系统的总投资成本可比塔式太阳能热发电系统的降低75.2%。在不考虑材料和制造技术方面进步的情况下,太阳能热发电的上网电价可从目前的1元/kWh降至约0.25元/kWh,使太阳能热发电成为未来有竞争力的主要能源技术。

南海古海啸重建与海啸沉积研究进展

中国东海、南海等近海临近琉球海沟、马尼拉海沟等俯冲带,地震频发。过去的海啸研究主要关注历史文献分析、海啸数值模拟等,据此评估中国近岸海啸灾害的历史和风险。历史时期是否引发了海啸,特别是具有特大致灾风险的大海啸记录,目前还不明确。近年来,本课题组通过对海岛、海洋沉积和海岸带及其岛屿的沉积过程、海啸遗迹和历史记录研究,阐述了确定古海啸的系列研究方法。首先通过对南海西沙群岛东岛湖泊沉积序列、大量砗磲和珊瑚块在海岛分布的特征分析,识别出距今千年的一次海啸事件。以此为标志,根据湖泊沉积结构作为识别海岛海啸沉积的特征。同时提出了确定海岛海啸发生时代的样品采集和定年方法,其中包括根据事件沉积层顶部和底部植物残体14 C年龄定年和历史文献记录的印证。首次确定在过去1300年中,南海发生过一次海啸,其发生时间为公元1076年。为了寻找更古老的海啸记录,结合对东海闽浙沿岸过去两千年海洋泥质沉积的分析,发现南海海啸在沉积序列中留下记录,但除此之外沉积记录中并无更强的扰动,因此东海在过去两千年中受到海啸的影响较小。1076年的海啸同时冲击了南海沿岸,通过对广东南澳岛考察发现,岛屿东南海岸保存着距今约1000年的海啸沉积层,其中夹杂着宋代陶器瓷器残片。对遗迹数量变化的分析显示,岛上的文化受海啸破坏出现了长达500年的文化中断,直至明代中后期设镇之后才逐渐恢复。根据海啸层植物残体、贝壳14 C测年、覆盖海啸层的海砂光释光定年以及瓷器碎片的年代鉴定了海啸的发生时代,并据此提出了海岸带古海啸沉积的定年方法。此外,不同环境下海啸沉积的特征也存在较大区别,需要结合地形、沉积物来源以及地球化学特征等多种指标进行识别。有迹象表明海南岛东侧海岸带有海啸破坏的明显证据,需要进行深入的研究。

天体轨道长期数值积分的误差估计方法

数值积分方法是进行天体力学研究的重要工具,尤其对于行星历表的研究工作而言.由于在使用数值方法计算天体轨道时,最终误差通常是难以预知的,所以在面对精度要求较高或者积分时间较长的工作时具体积分方案的设计---尤其是当使用定步长方法时的步长选择---需要十分谨慎,因为这将意味着是否能在时间成本可以被接受的范围内使解的精度达到要求.因此,在使用数值方法解决实际问题时如何快速寻找效率与精度之间的最佳平衡点是每一个数值积分方法的设计者与使用者都会面临的难题.为解决这一问题,在定步长条件下对数值积分方法的舍入误差概率分布函数以及截断误差积累量对步长的依赖关系和随时间的增长关系进行了深入研究.基于所得结论,提出了一种仅需较少的数值实验资料即可对选择任意时间步长积分至任意积分时刻时的舍入误差概率分布函数与截断误差积累量进行准确估计的方法,并使用Adams-Cowell方法对该误差估计方法在圆周期轨道条件下进行了验证.该误差估计方法在未来有望用于不同数值算法的性能对比研究,同时也可以对数值积分方法求解实际轨道问题时的决策工作带来重要帮助.

离子热碳化制备Fe/N共掺杂生物炭及其催化性能研究

以铁基离子液体[BMIm]FeCl_(4)和木质纤维类生物质废弃物为前驱体,采用离子热碳化方法制得铁/氮共掺杂生物炭(Fe-N/BC)催化剂,并对其性质进行了表征。研究了Fe-N/BC催化剂活化过一硫酸盐(PMS)处理有机污染物罗丹明B和双酚A的性能,并对Fe-N/BC催化剂进行了吸附实验、催化动力学实验和自由基淬灭实验。结果表明,Fe-N/BC为包覆有铁金属纳米颗粒的氮掺杂石墨化碳材料,空泡结构和发达的孔隙结构使其具有很强的吸附性能,60 min后才达到吸附平衡,吸附50%的双酚A;加入氧化剂过一硫酸盐后,30 min后对双酚A的降解率达到95.5%,远远快于氮掺杂生物炭(N/BC)材料和生物炭(BC)。Fe-N/BC活化PMS降解双酚A过程中对pH不敏感,反应方式主要通过非自由基路径实现。

基于国产卫星遥感的北京冬奥会空气质量监测和追因

2021年9月,高光谱观测卫星高分五号02星成功发射,有效提升了我国大气环境遥感监测的综合应用水平,为空气质量保障提供了自主可控的遥感数据支撑.在2022年1~3月北京-张家口冬奥会期间,我们近实时反演获取了高分五号02星污染气体监测产品,并通过生态环境部卫星环境应用中心为冬奥会提供监测分析日报.本文分析了冬奥会期间北京及周边重点城市的对流层二氧化氮(NO_(2))时空分布特征,探讨了气象条件和人为排放控制措施对冬奥会期间NO_(2)浓度的影响.国产卫星反演结果表明,冬奥会期间华北地区平均对流层NO_(2)柱浓度稳定在3.75×10^(15)molecules/cm^(2)以下,低于会前和会后.不同城市在冬奥会期间NO_(2)柱浓度下降幅度在53.1%~70.1%之间,说明临时管控政策对空气质量改善效果显著,但不同城市的减排实施有差异.这与国控站点近地面NO_(2)监测结果具有较好的一致性.冬奥会期间出现两天NO_(2)浓度高值,主要受不利风场条件影响.本文还通过建立广义相加模型来区分和量化人为减排等非气象因素与气象因素对于对流层NO_(2)浓度变化的贡献,保定、北京、天津和太原在冬奥会期间的NO_(2)浓度分别下降了48.2%、67.5%、48.8%和72.8%,其中人为排放和气象因素分别贡献了41.8%、32.0%、30.0%、42.8%和6.4%、35.6%、18.8%、30.1%.总体上,气象因素影响要弱于排放临时管控措施.该研究首次利用国产卫星为冬奥会提供污染气体监测和溯源分析,有力支撑了我国大气环境遥感监测的应用.

北极大气中典型持久性有机污染物对海冰变化的响应

近年来,北极变暖速度几乎是全球平均速度的两倍,海冰加速消融被认为会使沉积的持久性有机污染物(POPs)重新释放进入大气。本文利用近30年的大气POPs浓度数据和北极海冰数据,比较了有机氯农药(OCPs)和多氯联苯(PCBs)在北极Alert、Zeppelin、Storh?fei和Pallas这4个站点的变率,结合互相关分析,探讨POPs对海冰变化的响应。结果发现,在周围多为浮冰区的Zeppelin站点,OCPs(特别是HCB和α-HCH)在2009年后与海冰变化显著负相关,而在其他站点显著性较低或无显著相关性。PCBs在Storh?fei和Pallas站点,超前海冰变化可能与长距离输送和土壤的二次释放有关,而在Zeppelin站点出现了和DDTs类似的滞后海冰变化的现象。本研究表明,不同类型的POPs对海冰变化的时空响应不同,海冰消融不一定导致大气POPs浓度增大。

铁自养反硝化污泥富集培养过程中化学与生物作用的变化规律

铁自养反硝化技术在低碳氮比废水处理中具有安全性高、成本低廉等优势,但目前对其反硝化过程机理,特别是其中生物与化学作用的关系仍缺乏清晰认识。为此,以铁自养反硝化系统为研究对象,结合反应动力学,分析不同阶段活性污泥自养反硝化过程中生物和化学作用变化规律,以期探究该过程的脱氮机制。结果表明,铁自养反硝化过程脱氮效率和速率分别可达(87.0±1.8)%和0.12 kg·(m^(3)·d)^(-1)。铁自养条件下,未经驯化的活性污泥在反硝化过程中,Fe(Ⅱ)氧化由化学作用主导,NO_(2)^(+)-N还原由生物作用主导,且生物过程由自养反硝化和以胞外聚合物为底物的异养反硝化共同作用;经驯化培养,Fe(Ⅱ)氧化的生物作用增强,与NO_(2)^(+)-N还原均由生物作用主导。以上研究结果可为铁自养反硝化脱氮技术的发展提供参考。