清华大学水质与水生态研究中心兰华春团队在新型电控吸附膜研制及其净水机制方向取得系列进展

第三代超滤为核心的饮用水净水工艺,由于超滤膜孔径较大,且不具备道南效应,无法有效去除空间尺寸较小的弱极性有毒有机微污染物和重金属离子。因此,如何构建具有与目标污染物强作用力(如静电、疏水和π-π相互作用)的超滤膜表面,是强化超滤去除弱极性有毒有机微污染物和重金属离子的科学挑战。

废膜炭吸附去除废水中典型污染物的性能研究

在膜法处理污水过程中,广泛使用有机聚合物分离膜。但是,由于不可逆膜污染的发生,需要更换性能衰减后膜,导致大量废膜的生成,因此实现废聚合物膜的再利用具有重要的经济和环境价值。以污水处理厂的废旧中空纤维膜为模板,通过简单的热解重塑反应制备了一种具有超微孔-介孔-大孔结构的炭材料;结合炭材料的结构表征,对活性炭的吸附性能进行了分析,研究了其吸附水中典型芳香烃类和抗生素类污染物的动力学和热力学过程。结果表明,具有分级孔结构的废膜炭对芳香烃类有机污染物的去除能力高于商业炭,而对环丙沙星、卡马西平、磺胺嘧啶等抗生素的吸附性能低于商业炭。

我国城镇污水处理厂紫外消毒工艺运行情况调研及优化建议

城市污水处理是环境保护工程的重要组成部分,其中紫外消毒工艺因高效、环保等优点被广泛应用于污水处理厂。然而,紫外消毒工艺在实际运行中仍面临诸多挑战,如消毒剂量的合理性、设备选型与维护保养等,这些问题的存在不仅影响了污水处理厂的运行效率,也制约了紫外消毒技术的进一步推广。因此,对污水厂紫外消毒工艺进行系统调研,对于提升污水处理厂的运行管理水平和优化紫外消毒工艺设计具有重要意义。为充分了解污水处理厂实际运行中紫外消毒工艺存在的问题及影响因素,研究选取了全国范围内79座采用紫外消毒工艺的污水处理厂作为调研对象。这些污水处理厂分布广泛,涵盖了不同的地理环境和处理规模,范围覆盖西南、华中、华东、华南4大区域,包括四川、重庆、贵州、湖北、湖南、河南、山东、广东8个省市,处理规模由几百立方米每天到20万m^(3)/d,确保了研究的代表性和广泛性。调研内容包括紫外消毒工艺的运行参数、设备配置、维护保养情况以及出水水质等,旨在全面了解紫外消毒工艺的实际运行状况和存在的问题。调研结果显示,紫外消毒工艺基本能够满足城镇污水处理厂出水中粪大肠菌群数量控制要求,但仍存在紫外消毒剂量不合理、设备选型不合适、维护保养不到位等情况。此外,水量波动、出水悬浮固体(SS)和色度等水质因素也被证实对紫外消毒效果有显著影响。基于调研结果,研究提出了一系列针对性的建议:污水处理厂应根据实际水质和水量波动情况,合理调整紫外消毒剂量,以确保消毒效果;定期维护保养以延长设备使用寿命并保持消毒效果。这些建议不仅有助于提高现有污水处理厂的运行效率,也为新建污水处理厂的紫外消毒工艺设计提供了参考。

我国水生态环境安全保障对策研究

良好的水生态环境是实现中华民族永续发展的内在要求,是生态文明和“美丽中国”建设的重要基础。当前,我国水生态环境形势依然严峻,富营养化、饮用水源地污染、地下水与近海海域污染、新污染物、生态用水短缺等水生态环境问题未得到根本解决。本文系统解析了我国水生态环境总体形势和面临的主要问题,提出了以流域水生态环境质量改善为核心,综合考虑水质改善、水生态保护和水环境风险防控的战略思路、基本原则和战略目标,提出了包括开展重点流域“山水林田湖草沙”协同治理和整体修复科技攻关与示范、开展京津冀协同发展区水环境水生态质量整体提升科技攻关与示范、开展新时期饮用水安全保障科技攻关与示范在内的3项重大科技工程建议。为推动我国水生态环境安全保障的顺利实施,研究建议:全面系统修订《地表水环境质量标准》,强化其在水生态文明建设中的引领作用;科学评估我国湖泊氮磷营养物的时空差异,实施差异化营养物标准;科学评估我国水生态现状,深化推进水生态监测和评估;构建基于大数据融合的饮用水安全保障智慧化监管平台,保障饮用水安全。

黄河下游典型水体中医药类新污染物分布特征及生态风险评价

为探究黄河下游水体中医药类新污染物(PPCPs)的分布特征和评估PPCPs的生态风险水平,本研究采用超高效液相色谱-串联质谱法分析了黄河滨州段与滨州典型水库中173种PPCPs的污染特征,并通过风险熵值法评价了PPCPs的生态风险.研究在黄河和水库中检测到21种PPCPs,其中镇静药地西泮的浓度最高,为277.7 ng·L^(-1).黄河和水库中检测到的PPCPs总浓度的范围分别为120.1~137.6 ng·L^(-1)与55.3~436.1 ng·L^(-1).抗生素、心血管药物、精神药物和兴奋剂是最常检测到的药物.黄河滨州段下游水体中脱氢硝苯地平、厄贝沙坦、灭多威、可替宁的浓度显著高于上游.水库DWS1中PPCPs的总浓度为436.1 ng·L^(-1)明显高于水库DWS2(62.4 ng·L^(-1))和水库DWS3(141.2 ng·L^(-1)).风险熵评估结果表明,黄河和水库中PPCPs的个体风险熵均处于低风险水平.但水库中PPCPs的联合风险熵接近中风险水平,需要引起注意.本研究为治理黄河下游地区的PPCPs以及预防和控制饮用水中的PPCPs提供了科学数据.

脱贫地区农村饮用水安全保障战略研究

保障农村饮用水安全是落实脱贫地区“两不愁、三保障”的基本内容,开展脱贫地区农村饮用水安全保障战略研究对于巩固脱贫攻坚成果、有效衔接乡村振兴战略具有重要意义。本文研究了脱贫地区农村饮用水安全现状与存在的问题,分析了脱贫地区农村饮用水安全保障的风险成因,提出了保障脱贫地区农村饮用水安全的战略目标以及包括工程技术保障、政策保障、机制保障3个方面的战略路径,并针对性地提出了对策建议。为进一步巩固脱贫地区农村饮用水安全保障成果,研究建议,要保持脱贫地区农村饮用水安全保障政策的稳定性和连续性;优化农村饮用水卫生标准,推进城乡饮水“同网、同质、同价”;建立以水价为重点的农村供水工程的长效运维管理机制。

气候变化背景下我国湖库型水源富营养化控制与饮用水安全保障策略

全球气候变化背景下湖库型水源面临不同程度的富营养化与蓝藻水华问题,对饮用水安全供给产生重要影响。本文通过分析我国现阶段湖库富营养化与湖库型水源地水质现状,从水源保护、净化工艺、管网配送与保障机制等方面,研判了全球气候变化背景下我国湖库型饮用水水源富营养化应对与饮用水安全保障面临的问题与挑战,提出四条针对性的饮用水安全保障策略建议:加强湖库型饮用水水源地环境保护与生态修复力度、推动全过程饮用水安全保障的科技支撑体系建设、构建基于大数据融合的饮用水安全保障智慧化监管平台、加快推动湖库型饮用水源水质安全保障体制机制创新,以期为气候变化影响下我国未来饮用水安全保障提供借鉴。

超薄二维多孔纳米片在水处理中的研究进展

二维(2D)纳米片是一类非常具有前瞻性的多孔材料。作为新型的高性能吸附剂,与传统吸附材料相比,超薄2D多孔纳米片具有高比表面积、原子级厚度和几乎完全裸露的活性位点等优点,可快速有效地捕获水体中的(有机或无机)污染物质。本综述总结了两类代表性的超薄2D多孔纳米片[金属有机骨架材料(MOFs)和共价有机骨架材料(COFs)]作为优良吸附剂去除水环境中有机染料、有毒重金属和放射性元素的最新进展。介绍了该类化合物的结构特性和物理化学性质,总结了四种常用合成方法,重点分析了四种方法的优缺点以及面临的挑战,并对不同的合成方法进行了特点比较。阐述了超薄2D多孔纳米片在水中对各种污染物的吸附条件和吸附性能,对相关吸附机理做了系统总结和对比。论述了材料的再生性能,总结分析了再生过程中可能遇到的问题。最后对当前超薄2D多孔纳米片存在的不足、合成条件复杂等问题,提出了材料的合成优化、绿色无毒或低毒新技术的开发、重复使用效率的提高将会是未来的发展方向。

离子膜氯碱工业中废盐资源化的应用与挑战

在我国生态文明建设方针指导下,工业用水效率和重复利用率显著提升,但目前的废水排放总量仍不容忽视。工业废水零排放是实现污水资源化利用的重要途径,但处理过程中会形成废盐和高浓度废盐水。现阶段我国对于废盐的处置率低,并且几乎未进行资源化利用,已成为了制约工业废水零排放的重要瓶颈之一。以工业废盐作为原料回用于氯碱工业提供了一种新的废盐消纳渠道,但进料中含有的杂质组分多,利用废盐的离子膜氯碱工业将面临以膜污染为代表的新挑战。系统性介绍了离子膜氯碱工业中废盐资源化原理与工艺流程,讨论了阴阳离子与溶解性有机质致离子膜污染的过程机制与表征手段,并从进料控制、膜清洗、运行工况优化等方面提出了合理的应对策略,最终对未来关于进料水质参数优选与高性能阳离子交换膜研发提出展望,以期促进工业废水零排放过程中废盐资源化技术研发与应用。

污水厂尾水对受纳水体中消毒副产物(DBPs)时空分布特征的影响

以保障污水厂尾水补水安全为目的,通过分析长江中下游城镇污水厂尾水及受纳水体的水质、溶解性有机质与消毒副产物(DBPs)的时空分布特征,评估污水厂尾水DBPs对受纳水体的生态风险.结果表明,污水厂尾水中溶解性有机碳(DOC)含量低,排入受纳水体后下游较上游断面DOC含量有所下降;空间上总氮(TN)浓度沿程呈先上升后下降趋势,季节上冬季>夏季>春季.4种三卤甲烷(THM)与4种卤乙腈(HANs)的浓度范围分别为0.16~26.46μg·L^(-1)与0.007~14.08μg·L^(-1),随着受纳水体的输移呈先升高后降低的趋势;冬季THMs浓度高于夏季与春季,春季HANs浓度高于冬季与夏季.夏季的C/N-DBPs对受纳水体基本无生态风险,冬季与春季时三氯甲烷(TCM)与二氯乙腈(DCAN)为高风险物质,需重点关注.本文对长江中下游典型污水厂尾水排入受纳水体的迁移过程进行系统研究,为该地区污水中DBPs的风险控制提供了重要科学依据.

蒙脱石黏土矿物环境材料构建的研究进展

蒙脱石是一种黏土矿物,具有纳微米级粒径、大比表面积、特殊的纳米层间域、层间离子可交换性等物化性质,且分布广泛、储量丰富、价格低廉,可作为一种良好的环境材料用于对污水中各类污染物的吸附去除。蒙脱石对重金属、放射性核素,以及磷酸根等离子有较好的吸附能力。由于其表面极强的亲水性,蒙脱石矿物对弱极性和非极性有机污染物的吸附性能较差,限制了其应用范围。大量研究者选取适当的表面活性剂、硅烷偶联剂,通过插层、嫁接及柱撑等表面改性和结构改型处理,不仅大大提高其对无机离子的吸附能力,还可将蒙脱石亲水性表面变为疏水亲油表面,改变其表面张力与接触角,极大提升其对有机污染物的吸附性能。目前,对蒙脱石黏土矿物表面反应性的研究(包括黏土矿物的表面改性、层间域改造)已引起广泛关注,研究者通过不断寻求新技术、新方法,以扩展蒙脱石环境材料应用的广度和深度。利用离子交换、插层、柱撑、层间聚合等各种处理方法,把其他离子或化合物引入蒙脱石层间域,对其进行结构与表面性质的调控,使其表-界面物理化学性质发生相应的变化,制得具有不同功能性质的新型材料,可作为污染物的吸附剂、催化剂、混凝剂等广泛应用于环境污染修复领域。本文综述了近年来一些主要的蒙脱石矿物环境材料的构建方法及进展,探讨其微观结构对吸附性能的影响,阐述黏土矿物结构与吸附性能之间的构效关系,为开发新型高效环保的黏土矿物环境材料提供借鉴。

基于硝酸盐缓释-功能微生物协同的污染底泥原位修复技术研究

重污染底泥原位修复常需外加大量电子受体,但大量实践表明电子受体直接投加存在作用时效短、微生物利用效率低等问题.针对该问题,开发了电子受体缓释-功能微生物协同的复合环境功能材料,并探讨了功能材料对底泥原位修复效果.结果表明:①复合功能材料〔以Ca(NO 3)2计,下同〕仅投加5.7 g/kg时,底泥中ORP(氧化还原电位)提升了60.17%~73.96%,AVS(酸可挥发性硫化物)去除率高达90%,是其他传统原位修复材料的1倍.②相较于单独投加Ca(NO 3)2的修复方式,复合功能材料最大可去除上覆水中33.78%的ρ(TN),而且ρ(NH4^+-N)也降低了27.90%.③复合功能材料同时促进上覆水中TP和COD Cr的去除,其去除率分别在78%和30%以上.④从经济成本和对环境影响的角度出发,在工程应用上宜用电子受体∶固定剂∶促凝剂∶发泡剂∶塑形剂∶复合微生物菌剂∶水的质量比为1∶5∶0.5∶0.5∶0.1∶1∶1的复合功能材料.研究显示,硝酸盐缓释-功能微生物复合材料是一种高效的重污染底泥原位修复材料,能显著提升底泥和上覆水中污染物去除效率,降低ρ(NH4^+-N)、ρ(COD Cr),避免上覆水体受到二次污染.

平原河网沉积物细菌与重金属生态风险的定量响应关系研究

河道沉积物重金属对河底生态环境质量有着深远的影响.太湖流域河网纵横,人水关系密切,河网环境质量受到人类活动的影响.为掌握河网表层沉积物重金属空间分布特征与强度,本研究以太湖流域嘉善县纵横交错的河网为研究对象,使用潜在生态风险指数评价法(the Potential Ecological Risk Index,PERI)对51个点位的Hg、Cd、Cu等9种重金属的单因子及综合生态风险水平进行评估.通过相关性分析和方差分解表征沉积物重金属对于细菌群落整体的影响.为研究沉积物细菌群落对重金属生态风险指数的响应特征,基于16S rDNA扩增子高通量测序获得的群落信息,使用临界指示物种分析法(Threshold Indicator Taxa Analysis,TITAN)建立群落与风险指数的定量响应关系.研究发现,此区域15.69%点位的沉积物存在重金属“中等”及以上生态风险;Cd、Ni、Pb显著影响细菌群落的α-多样性.定量分析表明,群落中共441个生物序列可操作分类单元(Operational taxonomic units,OTUs)对综合生态风险指数存在有效响应,234个OTUs对一种或一种以上单因子风险指数存在有效响应.当综合风险指数分别为80.78与106.26,群落中正、负响应物种类群丰度发生最大幅度的变化.沉积物重金属生态风险主要来自于Hg和Cd.有97个OTUs分别对Hg或Cd的生态风险有预警及指示意义,其中,属于Anaerolineales或Burkholderiales菌目的较多.本研究创新性地将PERI法和高通量测序技术结合到TITAN法中,研究了细菌群落与重金属生态风险指数的定量响应关系,为重金属污染生态风险监测、评估提供了新的思路.

城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势

城市污水处理行业作为耗能大户,总碳排放量约占全社会碳排放量的2%。高能耗、高碳排放的传统城市生活污水处理过程与低碳、可持续发展理念背道而驰。总结了城市污水处理厂的碳排放现状,介绍了符合时代发展的城市污水处理新理念,讨论了相关新技术在我国探索性应用的初步成效。重点关注用于城市污水厂减排和资源回收的前沿技术、创新范式和发展趋势,结合实际应用案例阐明城市污水低碳处理和资源回收的可行性与前景。提出了我国城市污水厂在达成减污降碳目标下所需面临的两方面关键挑战,并为污水处理厂的绿色低碳转型提出解决思路。

类芬顿反应的催化剂、原理与机制研究进展

芬顿氧化法是高级氧化技术的一种,通过产生高活性的自由基降解水中有机污染物,在水处理领域受到广泛关注.近年来,针对芬顿反应的研究主要集中在开发高活性、高稳定性的非均相类芬顿催化剂.本文综述了近年来非均相芬顿催化领域的研究进展,分析了铁基、锰基、铜基、钴基等过渡金属及其氧化物,以及负载型催化剂的构造特点、催化机理和作用机制,探讨了过氧化氢和过硫酸盐的催化活化路径与方式,总结了非均相类芬顿催化体系实现高效降解有机污染物的机理与途径,以期为高效类芬顿催化剂的设计和应用提供科学依据.

长江沉积物中多环芳烃的污染特征、来源解析及生态风险评价

多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)具有“三致”效应,其在环境中的污染特征及行为倍受关注.长江作为我国经济发展的重要纽带,其PAHs污染特征及来源亟需明晰.本研究以长江干流(攀枝花至南京)及主要支流为研究区域,分析了表层沉积物中19种PAHs的污染特征和来源,评估了PAHs类污染物的生态风险.结果表明,长江上游、中下游及主要支流江段沉积物中Σ_(19)PAHs浓度分别为55.2~406.4 ng·g^(-1)(均值(216.3±139.2)ng·g^(-1))、48.0~500.4 ng·g^(-1)(均值(337.1±197.0)ng·g^(-1))、90.1~429.8 ng·g^(-1)(均值(268.0±129.0)ng·g^(-1)).其中4环、5~6环类PAHs浓度范围分别占38.9%和39.9%.以三峡大坝为界,上游越靠近大坝沉积物中PAHs浓度越高,中下游越靠近长江口沉积物中PAHs浓度越高;近20年来长江干流沉积物中PAHs浓度整体上呈降低趋势.特征比值法和主成分分析结果表明长江流域沉积物PAHs主要来源于生物质和煤燃烧、石油类物质燃烧以及石油泄漏.此外,基于沉积物质量基准法(SQCs)和沉积物质量标准法(SQGs)的生态风险评价结果表明,长江流域沉积物中PAHs的生态风险发生几率较小,但BaP、DBA以及未规定安全值的BbF、BkF、IcdP和BghiP等高环PAHs的生态风险仍需关注.

面向城市水环境治理的智慧水管家模式

近年来我国城市水环境治理取得了显著成效,已迈入水资源、水环境、水生态统筹治理的新阶段。传统水环境治理模式难以适应新阶段的问题和挑战,亟需探索一条可持续、系统性、高质量的水环境治理模式。智慧水管家模式是三峡集团在推进长江大保护过程中,系统构建形成的一套可复制推广的机制、理念、方法与技术支撑体系。从治理机制和理念、核心业务着力点以及科技支撑三个层面系统阐述了智慧水管家模式的核心内容,以期为我国城市水环境治理提供新思路。

集蓄坝与岸滤组合取水设施对村镇山区水源的适用性

山区溪流作为水厂水源之一,其水量、水质的常年波动严重增加了水厂的运行负荷,而集蓄坝与岸滤组合取水技术作为一种经济的水处理工艺,通过河岸过滤截留浊质和去除污染物、通过集蓄坝截留和汇集溪流入渗水,可满足水厂对进水水量和水质的要求。探究了3种岸滤系统对不同水质原水的处理效果,结果表明,它们对有机物均有较高的去除率,且相较于砾石层、砂层来说,土石混合层的抗冲击负荷能力更好,并且对抗生素、农药等污染物具有更好的吸附性。Hydrus 2D/3D模拟结果证明,集蓄坝的设置能有效汇集地下水,保证渗井产水量满足水厂要求。可见,在一定条件下集蓄坝与岸滤组合取水技术普遍适用于山区溪流等水源的预处理。

孟加拉国饮用水砷污染控制策略与方向

孟加拉国是"一带一路"重要节点国家,经济社会快速发展,正从"最不发达国家"进入到"发展中国家"行列。同时,孟加拉国是全世界砷污染最严重的国家之一,其地下水砷污染形成过程与环境地球化学机制、人群砷暴露途径与风险水平、砷中毒机制与控制原理等在全球范围内具有重要研究价值。此外,孟加拉国政府和国际社会为控制饮用水砷污染开展了大量工作,已取得很好的成效。以饮用水砷污染及其健康风险控制为目标,制定科学、合理、有效的砷污染控制策略,对于孟加拉国在全国范围内从根本解决饮用水安全问题具有重要意义。

长江重点江段水体中多环芳烃及其衍生物的分布及健康风险

研究了长江攀枝花、宜宾、泸州、重庆、涪陵、三峡、岳阳、武汉、九江和南京共计10个重点江段枯水期和丰水期表层水中19种多环芳烃(PAHs)及其15种衍生物(SPAHs)的分布和来源,评估了长江PAHs类污染的健康风险及时空差异.结果表明,长江表层水中ΣPAHs、ΣSPAHs平均浓度分别为(147.3±59.8)、(73.2±29.7)ng·L^(-1),检出率分别为82.9%、69.5%,其中2~3环(S)PAHs所占比例为79%.在SPAHs中,ΣNPAHs(硝基取代PAHs)、ΣMPAHs(甲基取代PAHs)、ΣOPAHs(氧化PAHs)的平均浓度分别为(27.0±4.5)、(24.7±15.5)、(17.1±11.9)ng·L^(-1).根据分子比值法及主成分分析可知,长江重点江段PAHs主要来源于生物质、化石及液体燃料燃烧,SPAHs主要来源于燃烧源和光化学转化,SPAHs及PAHs通过大气沉降汇入水体.采用毒性当量因子浓度计算对长江重点江段PAHs进行健康风险评估,结果表明在枯水期具有致癌性PAHs的ΣTEQ_(BaP)值(苯并芘毒性当量)较高,其中岳阳、武汉江段的BaP毒性当量浓度高于我国地表水规定阈值,应当高度重视长江流域PAHs在枯水期引起的健康风险.