日本城市有机废弃物甲烷发酵资源化系统案例分析及最新研究进展

为建设可持续发展社会,日本近年来大力推动甲烷发酵以实现城市有机废弃物的减量化和资源化。首先介绍了日本城市有机废弃物资源化的2个实用案例,长冈市厨余垃圾沼气发电中心和丰桥市生物质资源利用中心的设计和运营状况。两者的长期稳定运行及产能效果验证了甲烷发酵技术在城市有机废弃物减量化和资源化上的可行性。其次,为了应对社会发展趋势和城市有机废弃物处理的技术需求,介绍了日本有关厨余垃圾、污泥以及废纸（城市有机废弃物的3大组分）的单独发酵及共发酵的部分研究成果。此外,简要介绍了应用厌氧膜生物反应器（AnMBR）进行相关高效甲烷发酵的最新研究成果。并根据实用案例调查和实验研究结果,以100万人口城市为例,对城市有机废弃物的各种甲烷发酵系统的产能效果进行了模拟概算。     

不同预处理方法对污泥厌氧发酵产酸效果的影响

预处理污泥厌氧发酵不仅可有效处理污泥,而且可产生挥发性脂肪酸（VFAs）,实现污泥资源化利用。通过批式试验,探究酸（pH为3、4）、碱（pH为10、11）和低温（70,90 ℃）预处理条件下污泥厌氧发酵产酸效能。研究发现,在不同预处理污泥厌氧发酵过程中,VFAs的积累主要发生在发酵前24h,产酸效果表现为pH=11 > 90 ℃ > pH=10 > 70 ℃ > pH=3 > pH=4 > 控制组,碱处理产酸有较明显优势,酸处理效果最差。乙酸为VFAs的主要成分,pH=11组的乙酸浓度最高达到1232.31 mg/L,为控制组的5.2倍。甲烷产量在厌氧发酵后期逐步上升。考虑到嗜酸产甲烷菌对VFAs的消耗以及经济性,选取24 h为最佳发酵时间。     

污泥与不同pH值渗滤液联合厌氧发酵产氢分析

以污泥与垃圾焚烧厂渗滤液为原料,通过小瓶批式试验,考察了垃圾渗滤液的添加量以及渗滤液初始pH对联合厌氧消化产氢的影响。结果表明:未添加污泥的渗滤液本身也可以在厌氧发酵过程中产氢。而污泥与垃圾渗滤液联合厌氧发酵,当渗滤液初始pH为5.20时,添加90%的渗滤液体系产氢量最大,为201.58 mL,最大产氢速率也最高,为9.56 mL/h;当初始渗滤液pH为4.47时,最大产氢量出现在渗滤液添加剂量为60%的样品,为57.73 mL,随后减小,但最大产氢速率在添加40%的渗滤液达到峰值,为5.11 mL/h。     

洞庭湖近30年水环境演变态势及影响因素研究

水量、泥沙和污染物交换作为河流与湖泊之间的关键过程,对湖泊生态环境演变具有复杂而深远的影响.以长江中游典型通江湖泊洞庭湖为研究对象,着眼于“江湖”“河湖”“人湖”三重作用关系变化,从水文情势、水质、富营养化3个层面剖析了近30年洞庭湖水环境演变态势及主控因素.结果表明:①“江湖”关系变化影响了洞庭湖水沙交换及其年内分配,是湖泊枯水期提前和延长、水沙关系突变等现象的主控因素;“河湖”“人湖”关系变化协同加剧了该现象.②“河湖”关系的失衡和“河湖”统筹管理措施缺位,造成入湖河流长期输送大量营养物质,是湖体氮磷污染较重的根源;“江湖”“人湖”关系变化协同影响着营养盐分布格局,但影响范围及程度有限.③在“江湖”“河湖”作用关系复合影响下,藻类生长条件更为有利,增加了洞庭湖富营养化及水华风险.为保障洞庭湖水环境安全,建议:针对“江湖”作用主导的低枯水位问题,以水资源调控为核心,推进长江与流域上游水库联合生态调度,保障湖泊生态流量;针对“河湖”作用主导的水质恶化问题,以水污染防治为核心,强化流域污染控制,统筹“河湖”一体化监测管理模式,保障湖泊水环境质量;对于“人湖”作用主导的生态破坏问题,以生态空间管控为核心,划定并坚守生态红线,保障生态空间.      

关于在长江经济带布局以水质改善为目标的流域生态缓冲体系的思考

生态缓冲带能够有效减缓流域内的人类活动或自然过程对水环境和水生态系统的影响.在长江经济带构建流域生态缓冲体系,对长江生态保护修复具有十分重要的意义.讨论了构建流域生态缓冲体系涉及的生态缓冲带位置选择、缓冲体系所占最低面积比率、宽度划定等一些基本的原则要求;利用卫星遥感影像数据,提取各汇水单元的地形特征、土地利用类型特征、土壤类型、土壤侵蚀强度、水文水系等数据,对长江经济带流域生态缓冲体系进行布局.结果表明:①长江经济带内林草地是主要土地利用类型,占区域总面积的62.46%,但是分布很不均匀,主要集中在西部高地和中下游的丘陵地带,在人口密集、农田密集的区域分布偏少;城镇用地主要集中在长江中下游地区.②土壤类型空间差异显著,浙江省、江苏省、湖南省、江西省及安徽省大部分区域的土壤多是黏性比较大,污染物迁移能力较低;而污染物迁移能力较强的砂质土或者土层较薄的山地草甸土主要分布在四川省北部、西北部.水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀均有分布,且以水力侵蚀为主,建议在中度及以上侵蚀强度区域尽量减少污染源,重点布置缓冲带,增加该区域的缓冲力度.③长江经济带范围内可以利用的中小型湿地、小型河流支浜的面积至少有1.4×104 km2,再结合林草缓冲带,就可以形成一个生态缓冲体系.④在土地利用类型分布结果基础上,叠加土壤侵蚀强度和水系分布,将污染源区、中度及以上侵蚀强度区、水体区作为缓冲对象,建立缓冲体系的重点区域,总面积约14.26×104 km2,占长江经济带总面积的6.95%.对照欧美地区的研究,6.95%的缓冲体系面积占比是偏低的,需要在长江经济带开展深入研究来确定适宜的缓冲体系面积比,推进长江经济带流域生态缓冲体系的构建.      

长江流域2000—2015年生态系统质量及服务变化特征

分析生态系统质量与服务现状及变化特征,有助于准确了解流域生态系统状况与趋势,为流域生态保护与修复的高效管理提供参考依据.采用相对生物量密度与相对植被覆盖度指数以及生态系统服务（土壤保持、防风固沙、洪水调蓄、粮食生产）评估模型,评估2000—2015年长江流域生态系统质量及服务变化特征.结果表明:①2000—2015年,长江流域森林、灌丛以及草地生态系统质量提升显著,56.56%的森林、45.65%的灌丛以及19.26%的草地生态系统质量得到不同程度的提高.②研究期间,长江流域粮食生产、洪水调蓄、土壤保持、防风固沙均呈显著上升趋势,其中粮食生产能力增加13.7%,洪水调蓄功能提升10.1%,土壤保持服务提高19.5%,防风固沙总量增加30.0%.③长江流域生态系统质量不高,处于低与差质量等级的生态系统面积比例在25%~35%之间;受不同类型的自然和人类活动影响,长江流域生态系统质量与服务均存在局部退化现象.研究显示,在生态质量与服务评估的基础上,分区域、分类型实施不同的生态系统保护与恢复途径,是今后长江流域加强生态系统管理的重要途径.      

弹射起飞和拦阻着陆冲击试验方法探讨

目的研究舰载机机载装备弹射起飞和拦阻着陆冲击试验的工程实现方法。方法从GJB 150.18A—2009、MIL-STD-810F/G及其提供的实测数据出发,分析弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷特征,对几种常用试验方法的工程实现进行探讨和比较。结果弹射起飞和拦阻着陆冲击具有瞬态、交变、低频、大位移、高速度等特征。阻尼正弦波方法的实施路径比较明确,复杂波形再现方法实施路径比较模糊且复杂,超长脉冲半正弦波方法具有多种局限性,前两种方法的速度、位移都较大。结论阻尼正弦波方法较复杂波形再现方法更容易实现,但两者都需要大位移、高速度的专用冲击试验设备和适当的波形处理技术,超长脉冲半正弦波方法在前面两种标准推荐方法能够实现时,不建议使用。     

三亚河红树林表层沉积物中好氧氨氧化微生物的分布特征及潜在硝化速率

氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)是氨氧化作用的主要驱动者,其分布特征及其对硝化作用的相对贡献是氮素循环的研究热点.采用实时荧光定量PCR技术研究了三亚河红树林表层沉积物中好氧氨氧化微生物的分布特征,并通过测定潜在硝化速率分析了AOB和AOA对硝化作用的相对贡献率.结果表明,多数采样点中,AOA amoA基因丰度高于AOB amoA基因丰度; AOB丰度冬季较高,AOA丰度夏季较高,且冬季AOA和AOB丰度的比值较低;溶解氧、pH、总有机碳和硝态氮对AOB和AOA丰度影响较大; AOB和AOA在夏季的潜在硝化速率均高于冬季,冬季AOA对硝化作用的相对贡献率较高而夏季则是AOB在硝化作用中占主导地位,AOB和AOA的潜在硝化速率与amoA基因丰度均不存在显著相关性.     

黄土塬面保护区潜在蒸发量时空变化及其与气象、环流因子关系分析

黄土塬面是黄土高原地区主要的农业分布区和人口聚居地,地位十分重要。黄土塬面潜在蒸发量（ET₀）的研究对于区域水循环研究、水土流失防治及农业的可持续发展具有重要意义。基于黄土塬面保护区1960—2017年的气象数据,利用Penman-Monteith模型、小波分析、Mann-Kendall非参数检验等方法研究了黄土塬面保护区ET₀的变化规律及其与气象、环流因子间的关系。结果表明：（1）黄土塬面保护区多年平均ET₀为1173.4 mm,总体呈现增长趋势,增长率为21.1 mm/10 a;其生长季平均ET₀值及增长率均高于非生长季平均ET₀。（2）该区多年平均ET₀空间分布特征表现为东部高西部低,西部甘肃塬区多年平均ET₀远低于东部山西塬区。（3）过去58年来,区域年均、生长季、非生长季ET₀均呈现出增长趋势,但空间差异明显;研究区年均ET₀存在着10年、30年和50年的震荡周期,其中以30年周期为主周期。（4）气温是控制区域ET₀变化的最重要的气象因子,但气温对ET₀的影响具有明显的空间差异,在整个研究区内最低气温影响最显著;而甘肃塬区和陕西塬区的ET₀变化主要受平均气温变化的控制,在山西塬区最高气温的变化是区域ET₀变化的主要控制因子。（5）遥相关分析结果显示太平洋/北美指数（PNA）与北大西洋年代尺度振荡（AMO）对该区域ET₀变化有一定影响,西太平洋海温指数（WPI）的变化影响区域非生长季ET₀变化。     

基于能值理论的农田—畜禽生产系统可持续动态

为了解我国东南丘陵山区农业生产动态及其可持续性,以福建典型山区德化县为例,构建废弃物能值比例、环境污染能值负产出等指标,运用能值理论定量分析德化县2007—2016年农田—畜禽生产系统投入产出、环境负荷及可持续性的变化。结果表明：德化县农田—畜禽生产系统能值投入以购买能值为主,占能值总投入的68%~79%,水资源能值约占21%~31%;畜禽子系统能值产出占72%以上;能值密度在2.68×10¹²~3.33×10¹² sej·m^-2之间波动上升,净能值产出率下降40%,环境负荷明显加重,2015年以来有所减轻;可持续发展指数在2007—2010年短暂上升后快速下降,由1.14降至0.42。从构建的指标来看,系统废弃物能值比例有所下降,环境污染能值产出减少约22%,综合经济效益和废弃物利用情况,近年来可持续发展状况逐渐好转。德化县目前正处于农田—畜禽系统产出结构调整期,应增加系统内部反馈能值用量,控制化肥、饲料投入,提高废弃物利用率,以实现可持续发展。