《人工湿地水质净化技术指南》编制思路与体系

人工湿地是水生态修复、污染削减、增加生态空间、改善生物多样性的重要手段,对于恢复流域水生态系统、为水体提供生态流量、促进区域再生水循环利用和推进生态文明建设具有重要意义。2021年4月30日,生态环境部发布《人工湿地水质净化技术指南》(简称《指南》),旨在指导各地做好人工湿地水质净化相关工作。重点解读了《指南》制定的背景与意义、编制思路、主要内容和实施的建议,系统阐述了人工湿地净化工程的设计、施工与验收、运行维护的技术要点。《指南》针对当前人工湿地重建设、轻维护,设计、施工与验收和运行维护各环节不统一等问题,基于工程实践和科研成果,紧扣影响湿地功能、净化效率和长效运行的重要因素,开展全国气候分区,并分区提出设计参数、细化施工与验收及运行维护的技术要求,可为全国因地制宜开展人工湿地水质净化工作提供思路参考与技术支撑。

用于水处理填料的超轻污泥-粉煤灰陶粒的研制

以光大水务(济南)有限公司脱水污泥、粘土为原料,以粉煤灰为添加剂烧制超轻污泥陶粒。通过配比试验和单因素实验,确定了原料添加量和工艺流程;由L18(37)正交试验,得到应用于水处理填料的超轻污泥陶粒的最佳配料比例和最佳烧制流程;最后将所得超轻污泥陶粒进行ICP-AES分析并与商品陶粒进行SEM比较。结果表明,应用于污水处理填料的超轻陶粒吸水率49.46%,堆积密度365.50kg/m3,颗粒密度1047.78kg/m3。经有毒金属浸出测试证明,生产的超轻污泥陶粒有毒重金属浓度在国标要求范围内不会造成二次污染。

无机-有机复合混凝剂处理夏季引黄水库水的对比研究

合成了具有不同Fe（Al）/聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）质量比的无机-有机复合混凝剂PFC-PDMDAAC和PAC-PDMDAAC,并对夏季引黄水库水进行混凝处理.考察了复合比例、投药量、pH值和投加方式对浊度、有机物和叶绿素-a的去除效果;并通过混凝过程中形成絮体的Zeta电位的变化分析了2种混凝剂的混凝机理.结果表明,无机-有机复合混凝剂处理夏季引黄水库水的效果好于2种单独成分的复配使用;复合比例对PFC-PDMDAAC和PAC-PDMDAAC处理夏季引黄水库水的效果影响较大,Fe（Al）/PDMDAAC质量比为4：1,投药量为4mg/L时混凝效果最好;与无机混凝剂相比,复合混凝剂的最佳pH值范围较广,可在5.0~8.0的pH值范围内取得良好的混凝效果;2种混凝剂相比,PAC-PDMDAAC对浊度和叶绿素-a的去除效果较好,而PFC-PDMDAAC对有机物的去除效果更佳.

活性炭纤维对水中痕量六价铬的吸附性能研究

以聚丙烯腈基活性炭纤维(PAN-ACF)为吸附剂,分别进行空气热氧化、硝酸浸渍、过氧化氢浸渍改性处理,对改性处理的PAN-ACF样品进行表征,包括SEM表面形态、比表面积BET、傅里叶变换红外线光谱(FTIR)表面基团以及总表面酸性基团;研究对痕量六价铬的吸附效果,分析PAN-ACF改性对吸附容量的影响。经过过氧化氢浸渍改性处理的ACF3炭微晶尺度变小,导致结构无序化,较大地提升了比表面积,但表面含氧官能团增势不明显;其对微污染水中六价铬的吸附效果最佳,吸附等温线相对于Langmuir方程,更符合Freundlich方程。

复合混凝剂混凝-超滤-氯消毒处理模拟原水的研究

采用聚合氯化铝-聚二甲基二烯丙基氯化铵(PAC-PDMDAAC)复合混凝剂处理腐殖酸-高岭土模拟水样,对混凝出水进行超滤处理,研究了混凝剂投药量及进水pH值对处理效果的影响;出水用NaClO溶液进行了氯消毒实验,用一级模型进行了氯衰减数据拟合,计算得出了快速反应物与慢速反应物的初始浓度.结果表明,在要求出水中消毒副产物前驱物浓度最小的前提下,混凝与混凝-超滤所要求的投药量及进水pH值有所不同.混凝过程中残余絮体的粒径分布显示,残余絮体的粒径较小且分布集中时,混凝出水中消毒副产物前驱物浓度最低;残余絮体的粒径在粒径较小的区域有一定的分布,在粒径较大的区域有较高体积百分数时,混凝-超滤出水中消毒副产物前驱物浓度最低.

水和废水处理用复合高分子絮凝剂的研究进展

复合高分子絮凝剂是近年来人们关注的新型、高效水和废水处理用药剂.本文就近年来国内外无机-无机复合高分子絮凝剂、无机-有机复合高分子絮凝剂和微生物复合絮凝剂的研究进展进行了综述,分析了其存在的主要问题,提出了今后研究工作的建议.

天然水中腐殖酸的分离测定方法比较

比较研究了天然湖水中腐殖酸含量的3种分离/测定方法,即紫外-可见分光光度法、氧化法和XAD大孔树脂吸附-TOC联用法的优缺点和适用性,并对分离出的天然腐殖酸进行了紫外光谱等光学性能的表征。结果表明,3种方法的准确度和精密度都较好,紫外-可见分光光度法最为简便、快捷,氧化法适合对不同来源的水体腐殖酸进行定量分析,树脂吸附-TOC联用法提取的有机物更符合腐殖酸的化学特征,最为准确。天然腐殖酸的光学指标说明树脂吸附法可以分离得到大部分紫外吸收物质,其性质更接近于腐殖酸,并且较高的SUVA值和E4/E6值说明天然腐殖酸具有芳香度高、相对分子质量大的特点。

电化学还原氧化石墨烯用于四环素电催化检测（英文）

四环素(TTC)因其广泛的抗菌性和低生产成本等特点而成为应用最广泛的兽医药物.TTC的大量使用不可避免地导致其进入地表水、地下水和污水处理厂.迄今,已有许多方法用于TTC检测,包括免疫测定法、微生物检测法和化学-物理法等.然而,这些方法费用高,耗时长或需要复杂的样品预处理过程,不适合现场测量或常规分析.电化学分析法具有操作简单、成本低廉、选择性和灵敏度较高、易实现在线检测等特点,在检测领域具有重要优势.石墨烯在电化学传感器领域表现出优越的应用性能,但有关石墨烯材料应用于电分析和电催化方面的报道仍然有限.石墨烯的前驱体氧化石墨烯(GO)片层底面上具有各种类型的含氧官能团和层状边缘,导致其绝缘并具有很多缺陷,使GO包含了sp2和sp3杂化碳原子,为GO提供了独特的具有化学功能的异构电子结构.通过对GO进行还原,可以生成新的sp2域或者改变含氧官能团的数量和类型,从而为GO提供更多的特殊性质.研究表明,电化学还原是一种绿色快速的还原方法,可以控制GO的还原程度和还原过程.本文利用电化学还原法来调整GO表面的官能团和缺陷度,利用在–0.8 V还原电位下得到的电化学还原氧化石墨烯(ERGO-0.8V)修饰玻碳电极(GC)为工作电极(GC/ERGO-0.8V),采用循环伏安法对溶解在p H=3的缓冲溶液中的TTC进行电化学检测,发现ERGO-0.8V对TTC具有电催化性能.利用红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱对ERGO-0.8V,ERGO-1.2V,GO及化学还原得到的石墨烯(CRGO)表面官能团和缺陷程度进行了表征,考察了TTC在ERGO-0.8V/GC上的电化学行为,对其电催化还原机理进行了推测.结果表明,与GO,ERGO-1.2V及CRGO修饰电极相比,GC/ERGO-0.8V修饰电极的催化还原峰在0–0.5 V,对TTC表现出独特的电催化性能,GC/ERGO-0.8V电极对浓度为0.1–120 mg/L的TTC溶液具有良好的检测性能,在不同浓度范围内其氧化峰峰电流与峰电位的线性关系不同.FT-IR和XPS结果显示,在–0.8 V还原电位下得到的ERGO-0.8V,其官能团类型和数量发生变化,但仍存在大量官能团,主要是羧基、羟基和环氧基.同时,拉曼表征显示ERGO-0.8V的缺陷密度增大,同时新生成的sp2域减小而使得ERGO的sp2域减小.对比GO等其他材料的表征结果推测,官能团变化是影响ERGO独特电催化性质的主要因素,除此之外还有材料的缺陷度和sp2域.推测GC/ERGO-0.8V修饰电极对TTC可能的催化机理为:TTC在GC/ERGO电极上的还原与氢醌和醌之间的转换有关;而对于ERGO,则可能对应于羧基和羟基之间的转化.然而,同样具有羧基和羟基的ERGO-1.2V则对TTC没有产生电催化作用.其原因可能是在–0.8到–1.2 V还原电位下,形成的羧基位于石墨烯片层内部,而片层内的电子传递较慢.

耐冷氨氧化功能菌群强化人工湿地低温脱氮

针对冬季低温条件下人工湿地脱氮效率低的问题,将富集得到的耐冷氨氧化功能菌群固定化后投加到人工湿地中,探究生物强化对低温下人工湿地脱氮的强化效果及其微生物作用机制.结果表明,5℃条件下,梯度降温(R1)和梯度降温耦合选择性抑制(R2)条件下富集培养的耐冷氨氧化功能菌群强化处理的人工湿地的氨氮平均去除率分别为84%和88%,比对照组湿地分别提高24%和28%.高通量测序分析表明,富集得到的耐冷氨氧化功能菌群中优势菌种(相对丰度高达19.2%)为具有氨氧化功能的硝化螺旋菌(Nitrospira sp.),属于全程氨氧化菌,在氨氧化过程中起主要作用.微生物相对表达水平分析表明,两组生物强化人工湿地中氨氧化功能基因amoA的表达丰度分别为2.82×108,8.22×108拷贝数/克基质,显著高于对照组湿地的2.50×107拷贝数/克基质.投加耐冷氨氧化功能菌群可以有效提高人工湿地脱氮效率.

磺胺嘧啶对鱼菜共生系统氮元素转化的影响

本文研究了典型抗生素磺胺嘧啶对实验室规模鲤鱼-小白菜共生系统生产性能和氮元素转化的影响.结果表明,磺胺嘧啶使系统鲤鱼体重增量提高17%,但小白菜生产性能大幅下降,使得系统氮素利用率由43.66%降至21.20%,N2O转化率由1.02%上升至1.98%.磺胺嘧啶在投加初期对系统的硝化过程表现出短期抑制效应,经过32d的适应期后,实验组氨氮浓度下降至和对照组相近水平,系统运行后期实验组氨氧化细菌丰度相较对照组提高51.43%.鱼体内残余的磺胺嘧啶为35.23μg/kg,符合国家标准,但水体中磺胺类药物抗性基因sul1、sul2及intI1的拷贝数分别提升至7.23倍、2.74倍和4.12倍.从生产性能及环境友好性考虑,鱼菜共生系统在设计及运行中应减少或避免抗生素的使用,并采取合理的替代措施规避其风险.

乙酸型甲烷八叠球菌细胞工厂的设计与构建研究进展

在整个地球演化历史过程中,产甲烷古菌在生物地球碳循环中一直扮演着重要角色。据报道,约三分之二的地球生物甲烷通量来自乙酸型产甲烷途径,乙酸型甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)是目前发现为数不多的可以进行乙酸型产甲烷途径的模式产甲烷古菌,对M.acetivorans代谢途径的解析、改造和应用可为温室气体甲烷的减排与其作为能源的合理利用提供新思路。本文综述了M.acetivorans的产甲烷代谢途径、遗传改造策略、细胞工厂构建3个方面的研究进展,分析了M.acetivorans与其他进行乙酸型产甲烷代谢的产甲烷古菌在以上三方面的异同,并对进一步设计和构建其作为微生物细胞工厂所面临的问题与挑战进行了展望。

粘土中铁含量对烧制轻质/超轻污泥陶粒的影响

以济南粘土,淄博某砖厂粘土和光大水务(济南)有限公司脱水污泥为原料,不添加任何膨胀剂烧制污泥陶粒。首先对两种粘土进行化学成分分析(EDX),矿物成分分析(XRD)和热重量分析(TGA);之后将粘土和污泥分别进行配比烧制试验,得到不同原料和配比所生产污泥陶粒的物理性质;最后对两种污泥陶粒进行矿物成分分析(XRD)和微观结构分析(SEM)。实验结果表明,济南粘土适合于烧制轻质污泥陶粒;淄博粘土更适合于烧制超轻污泥陶粒。两种粘土化学成分除含铁量外其它成分基本相似但矿物组成有所不同,并且污泥陶粒物理性质的变化随着污泥添加量的增大表现出明显不同的趋势。由于两种粘土中所含铁量的不同,生产的两种陶粒在矿物组成和微观结构上也有所差异。

轻质/超轻粉煤灰陶粒的研制及陶粒膨胀机理的探讨和应用

以煤灰和粘土为原料制备轻质/超轻粉煤灰陶粒;从原料化学成分的角度推理膨胀过程并推导出可以用于指导实际生产的成分比例。首先对两种原料进行化学成分分析(EDX)和热分析(DSC/TGA);之后对原料进行配比烧制试验,得到不同原料和配比所生产粉煤灰陶粒的物理性质;最后对产品进行微观结构分析(SEM)和矿物组成分析(XRD)。实验结果表明,粉煤灰中含有的成气成分和粘土中含有的助熔成分是引起粉煤灰陶粒高温膨胀的主要原因。产生膨胀现象的骨架成分∶成气成分∶助熔成分≈78.5∶4.0∶16.5。

水中Cu^2＋、Ni^2＋与腐殖酸、膨润土的相互作用研究

研究了Cu2+、Ni2+与腐殖酸以及膨润土与腐殖酸的共存吸附剂的相互作用,考察了相互作用时间、初始pH、温度对相互作用的影响.结果表明,金属离子的去除率随时间增加而增大,吸附量随温度升高而增大.初始pH对Cu2+、Ni2+的去除率影响很大,pH在中性范围附近Cu2+、Ni2+的去除率可以达到最大.吸附动力学实验表明,Cu2+、Ni2+在腐殖酸及共存吸附剂上的吸附符合伪二级吸附速率模型,并得到Cu2+在腐殖酸及共存吸附剂上吸附的活化能Ea分别为17.01和38.49 kJ.mol-1,Ni2+在腐殖酸及共存吸附剂上吸附的活化能Ea分别为15.15和13.35 kJ.mol-1,表明吸附过程以物理吸附为主.Cu2+、Ni2+在腐殖酸及共存吸附剂上的吸附符合Langmuir等温线模型.得到的ΔH0、ΔS0和ΔG0表明金属离子在腐殖酸及共存吸附剂上的吸附是一个吸热、熵增、自发的过程.

纳米β-FeOOH对水中Cr(Ⅵ)吸附性能的研究

羟基氧化铁由于其较高的表面电荷和较大的比表面积,对重金属离子具有良好的吸附性能,本文采用三种不同的制备方法制得羟基氧化铁(FeOOH),对制得的样品进行了X-射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)表征,并分别用比表面积分析仪和电泳仪测得产品的比表面积和zeta电位。XRD图谱分析结果表明三种产品均为β-FeOOH,而TEM分析结果表明,三种方法得到的β-FeOOH均为纳米级,其形貌分别为长六方形、梭形和纺锤形。所得三种β-FeOOH分别用于吸附模拟水样中Cr(Ⅵ),研究结果表明,三种方法制得的β-FeOOH以加入有机大分子壳聚糖制得的产品(S3)的吸附效果最好。由S3吸附Cr(Ⅵ)的吸附等温实验得出,在293 K、303 K和313 K时,其对Cr(Ⅵ)的饱和吸附量分别为15.45 mg/g,16.87 mg/g和18.48 mg/g。KF值随温度升高而不断增大,表明S3对Cr(VI)的吸附过程为吸热反应。

二硫代氨基甲酸盐絮凝处理模拟油田聚合物驱采油废水的效果研究

在碱性条件下,端氨基聚醚Jeffamine-T403与二硫化碳反应合成了二硫代氨基甲酸盐型絮凝剂DTC(T403).考察了DTC(T403)对模拟聚合物驱采油废水的絮凝除油性能,研究了DTC(T403)、水解聚丙烯酰胺(HPAM)、Fe2+和Fe3+的投加量以及pH值对除油效果的影响.结果发现,DTC(T403)与Fe2+络合形成的网状螯合物通过网捕作用取得良好的絮凝除油效果;HPAM的存在影响絮凝除油效果;在同时投加Fe2+和DTC(T403)且二者的投加量分别为10mg/L和25mg/L的条件下,HPAM含量在0～900mg/L范围和含油量约300mg/L的模拟水样经絮凝处理后其含油量均可降到10mg/L以下.DTC(T403)的絮凝除油效果受pH値的影响,在pH<7.5条件下可取得良好的除油效果.DTC(T403)适用于含Fe2+的聚合物驱采油废水的处理.

不同阳离子聚丙烯酰胺有机脱水剂对污泥脱水性能的影响

为了研究不同阳离子聚丙烯酰胺有机脱水剂对污泥脱水性能的影响,选用市售同系列不同性质的8种阳离子聚丙烯酰胺,基于其阳离子度的不同,名称分别为9101、9102、910^(3)、9104、9106、9108、9110和9112,采用仪器和化学分析手段对其性质进行表征,并研究分析处理后污泥各项指标的变化情况.结果表明,8种有机脱水剂的性质各不相同,电荷密度、阳离子度、黏度和Zeta电位具有类似的变化趋势,均为从9101~9112,上述各项指标值逐渐增加,9112的上述4种指标分别高达2.98 meq·L^(-1)、17.42%、85.07 mPa·s和67.10 mV.在污泥脱水过程中,有机脱水剂可通过改变污泥比阻(SRF)、絮体特性、黏度、污泥颗粒表面Zeta电位、结合水含量和胞外聚合物(EPS)的分布来改善污泥脱水性能.有机脱水剂性质与污泥脱水性能的关系研究结果表明,有机脱水剂的黏度、电荷密度、阳离子度和Zeta电位对污泥的脱水性能有较大影响,其中污泥的SRF与有机脱水剂的黏度呈负相关,其相关系数高达0.92025,表明在污泥脱水处理中,有机脱水剂主要通过高的分子量发挥吸附架桥作用来改善污泥脱水性能.

产甲烷古菌与电子传递体相互作用机制研究进展

厌氧消化是实现有机废弃物资源化最有效的技术之一,实现形式是产生生物沼气.作为一种清洁能源,生物沼气可以有效减少化石燃料的使用,进而减少温室气体的排放.产甲烷古菌位于厌氧发酵链末端,是生物沼气主要成分甲烷的直接生产者.在厌氧消化系统中,产甲烷古菌与发酵链前端微生物以及各种天然和人工电子传递体存在着活跃的电子互营过程,对于维持厌氧消化系统的稳定性和改善生物沼气的生成效率具有重要作用.本文综述近年来报道的在强化厌氧消化过程中常用的铁基与碳基电子传递体与产甲烷古菌的相互作用机制,着重介绍两类电子传递体通过自身氧化还原反应或物理性质与产甲烷古菌细胞膜上的氢酶和细胞色素c进行电子互营的微观作用机理,分析两类电子传递体通过参与胞外电子传递过程与产甲烷古菌能量代谢可能存在的耦合机制,其中乙酸型产甲烷古菌基于电子歧化传递在进行胞外三价铁呼吸过程中存储能量,从而增强产甲烷代谢,改变了目前对甲烷生成的生化和生态学理解,极大推进了产甲烷古菌与胞外电子传递体相互作用的研究.产甲烷古菌胞外电子传递路径的不清晰和其细胞膜上蛋白功能的不确定是制约产甲烷古菌与电子传递体相互作用机制研究的重要因素.因此提出利用快速发展的分子生物学如基因敲除以及荧光标记等技术进一步深入研究产甲烷古菌与电子传递体相互作用机制的可能性和新思路.

生物质两性吸附剂的合成及其对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的去除

以麦草为原料、以三乙胺和氯乙酸分别为氨基和羧基官能团接枝反应剂,制备秸秆基两性吸附剂;以产品对Cu(II)和Cr(VI)的去除效果为指标,考察了合成过程中单一影响因素,并结合正交实验得出优化改性条件。结果表明,氯乙酸投加量是影响两性秸秆改性效果的主要因素,温度的影响最小;优化改性条件为:当固定阳离子型麦草秸秆投加量为6.69g时,氢氧化钠投加量、氯乙酸投加量、反应温度和反应时间分别为5mL、3.402g、60℃和2.5h。该吸附剂对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的最大吸附量可达到90.9和241.1mg/g。

石英砂负载β-FeOOH(ACS)吸附除Cr(Ⅵ)的机理分析

研究了吸附材料石英砂负载β-FeOOH(ACS)对Cr(Ⅵ)的吸附机理.结果表明,Cr(Ⅵ)在ACS表面的吸附率随ACS表面Zeta电位的降低而显著降低,说明Cr(Ⅵ)的吸附以静电作用为主.石英砂负载β-FeOOH后表面Zeta电位由负变正,说明β-FeOOH在石英砂表面的负载改变了石英砂表面的电荷性质,也表明ACS能对Cr(Ⅵ)产生静电吸附.ACS吸附除Cr(Ⅵ)的能量色散X射线光谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)测定结果表明,ACS吸附Cr(Ⅵ)的过程发生了一定的离子交换作用,且吸附反应伴随着部分氧化还原反应的进行,氧提供电子,铁、铬接受电子,氧、铁分别起Lewis碱和Lewis酸的作用.