机器学习在碳基环境功能材料领域的应用研究进展

随着环境功能材料领域产生的数据量及其数据复杂性急剧增加,高成本、长周期的传统实验手段已无法迎合目前功能材料的发展趋势。近年来迅速发展的机器学习能对数据进行深入挖掘和解析,有望为此类问题提供有效的解决方案。机器学习具备效率高、精度高等优势,有效弥补了传统"试错"方式的不足。介绍了机器学习的基本工作原理和算法,从预测理化性质、辅助微观表征和指导新型材料合成3个方面简述了机器学习在环境碳基功能材料领域中的应用研究进展,分析了机器学习在该领域的问题与挑战,展望了机器学习方法在环境碳基功能材料领域的前景与发展趋势。     

碳中和趋势下数学模拟在污水处理系统中的发展与综合应用

数学模拟技术在污水处理方面被广泛应用,为了系统总结相关技术,本文回顾了污水处理系统中数学模拟技术的发展历程;综述了活性污泥模型(ASM)与机器学习(ML)在水质预测及参数工况优化领域中的应用;重点探究了污水处理系统中温室气体排放模型,以及多目标优化模型在污水处理系统中温室气体排放(GHG)、出水质量(EQI)和运行成本(OCI)的权衡问题;归纳了数学模拟技术在实现污水厂能量自给与资源回收的应用发展.研究结果表明数学模拟技术能准确预测出水水质、快速优化工艺参数、权衡温室气体排放、出水水质与运行成本之间的关系、以及提高资源回收效率等.因此,数值模拟技术可有效指导污水处理工艺的运行优化以及管理,为污水处理行业减污降碳协同增效提供技术支撑.     

污水处理中人工神经网络应用研究的探讨

针对污水处理系统的时变性、非线性、复杂性和不确定性的特点,提出应用人工神经网络技术对其控制,实现污水处理系统自动控制。简述了目前广泛应用于废水处理的神经网络以及建模原理。结合国内外研究动态,分析了人工神经网络在污水处理领域取得的成果,结果表明:在污水处理中引入神经网络智能控制是一种提高处理效率、降低运行成本的有效方法,国内在污水处理的神经网络智能控制的研究与国外有较大的差距,国内的研究及应用还处在发展阶段,应当加强。并对神经网络待解决的问题和发展趋势作了讨论。     

基于机理模型与数据模型融合的污水处理智能控制系统构建思路

污水处理智能控制是水污染控制领域的前沿方向。人工智能技术的快速发展,为污水处理智能化控制系统研发注入了新的活力。当前亟须探索污水处理机理模型与数据驱动方法交叉融通的科学路径,重构污水处理智能控制系统的逻辑模式,以提升污水处理智能控制技术研发水平。为此,从污水处理过程的确定性-随机性特征出发,提出了融合机理模型与数据模型的双回路控制系统设想,未来通过充分的实践探索,有望为污水处理智能控制提供新的技术路线。首先,分析了污水处理智能控制系统的基本要素,分别探讨了基于确定性的机理模型及基于随机性的数据驱动模型对污水处理系统的控制作用,进而提出了机理模型与数据模型融合驱动的双回路控制系统基本逻辑架构及控制原理,并分析了该系统在污水处理复杂过程中应用的拓扑结构。最后,围绕未来污水处理智能控制技术发展作了展望。     

机器学习在微塑料识别与环境风险评估中的应用研究进展

微塑料是一种新型污染物,可以在环境中长期存在并造成生态风险.目前,微塑料污染已成为全球性的重大环境问题.借助新的技术途径,提高微塑料识别的简便性和可靠性,并系统分析各类环境介质中微塑料的污染特征,明确微塑料的环境效应,对科学准确评价微塑料污染的环境风险具有重要意义.机器学习技术通过学习和解析大量数据建立结果评估或预测模型,目前已广泛应用于微塑料领域的相关研究.机器学习的应用可以提高视觉和光谱识别微塑料的自动化程度和识别效率,为微塑料污染溯源提供方法支撑并有助于揭示微塑料的复杂环境效应机制.通过综述机器学习技术在微塑料识别与环境风险评估中的应用研究进展,概括了机器学习在上述方向的应用特点和局限性,为机器学习在相关方向的发展和应用提出建议与展望.     

机器学习加速能源环境催化材料的创新研究

“双碳”背景下，加快研发高效的能源与环境催化材料有助于推进能源清洁利用和环境污染治理。传统催化材料研发模式主要依赖实验试错方法，难以满足能源与环境领域对高效催化材料的研发需求。快速发展的机器学习等数据科学技术为催化材料研发带来范式变革的契机。基于机器学习、实验数据和计算数据的有机结合，可对催化材料进行快速筛选，突破传统试错法的局限性，有利于解决催化剂研发效率低、成本高等难题。本文从催化材料的位点预测、配方筛选、构型设计以及反应路径优化等角度讨论了机器学习方法加快能源与环境催化材料创新的研究进展，分析了不同训练数据获取途径对应的机器学习方法构建及其在催化材料开发中的应用，展望了机器学习加快催化材料研究方法创新的发展趋势，以期为促进其在能源与环境领域的应用提供启示。     

机器学习在材料服役性能预测中的应用

针对材料服役性能预测存在误差大、计算复杂、适用性差等问题,提出了基于数据挖掘的机器学习预测方法。首先阐述了机器学习的应用流程,并总结了常用模型原理及其在材料性能预测中的应用。然后采用多种机器学习模型对RPV钢的辐照性能进行预测,并通过Stacking集成方法提高了模型的预测精度。结果表明,机器学习可用于材料服役性能预测,具有较高的预测精度和可靠性。根据材料服役数据的不同特征选择合适的学习模型,同时进行模型融合和参数优化,可有效提高模型的预测精度及运算速度。     

超临界水氧化技术在污水处理中的应用

介绍了超临界水氧化的反应机理、工艺流程及其在污水处理领域的应用现状、突出优点,同时指出了这种新型污水处理技术存在的问题和发展方向。     

中国市政污泥末端处置技术的发展及存在问题

随着中国污水处理行业的高速发展,城市污水处理量显著提高,污水处理的二次产物污泥的产量亦随之剧增.市政污泥是市政废水处理的剩余固态物质,性质复杂,处理难度较大,是当今需要解决的重要问题之一.文章围绕当前主流的市政污泥的产生工艺、末端处置技术加以探讨,介绍了活性污泥法的产生和发展、剩余污泥的危害和主要的末端处置技术,分析了市政污泥处置领域中研究和应用的关键问题,对进一步了解中国当前市政污泥处置领域的发展具有一定借鉴意义.     

不同污水处理工艺N_2O减排方法研究进展

污水处理过程中产生强温室气体N_2O的问题已经受到广泛关注,如何在保证处理效率的同时实现N_2O有效减排成为水处理领域面临的重要问题。综述了传统生物脱氮除磷工艺和同步硝化反硝化、反硝化除磷、厌氧氨氧化等新型污水处理工艺运行过程中N_2O的产生机理、减排方法和减排量,为相关领域的研究人员提供参考。     

工业废水污染治理途径与技术研究发展需求

根据工业废水的特点,构建科学合理的废水处理模式,不断完善和发展废水处理技术及水质安全评价与管理技术是水环境污染防治领域的重要课题. 在分析工业废水特点和阐述废水污染治理基本策略与途径的基础上,重点介绍了工业废水处理特性评价、工艺优选方法、水质安全管理等方面的研究进展,并探讨了废水污染治理思路和技术的发展方向. 指出工业废水污染治理应实现以下5个方面的转变和发展,即处理模式从不同种类废水混合收集集中处理向分类收集分别处理优先转变;研究开发从重视废水处理单一技术研发向同时重视废水处理技术集成与处理工艺优化方法研究转变;水质有机污染评价从重视综合浓度指标向同时关注和重视“有机物特征指标”转变;废水排放控制指标从重视常规指标向同时关注和重视水质安全和综合生物毒性指标转变;工艺设计理念从“处理工艺”向“生产工艺”转变.      

Recent improvements in oily wastewater treatment: Progress, challenges, and future opportunities

Oily wastewater poses significant threats to the soil, water, air and human beings because of the hazardous nature of its oil contents. The objective of this review paper is to highlight the current and recently developed methods for oily wastewater treatment through which contaminants such as oil, fats, grease, and inorganics can be removed for safe applications. These include electrochemical treatment, membrane filtration, biological treatment, hybrid technologies, use of biosurfactants, treatment via vacuum ultraviolet radiation, and destabilization of emulsions through the use of zeolites and other natural minerals. This review encompasses innovative and novel approaches to oily wastewater treatment and provides scientific background for future work that will be aimed at reducing the adverse impact of the discharge of oily wastewater into the environment. The current challenges affecting the optimal performance of oily wastewater treatment methods and opportunities for future research development in this field are also discussed.     

城市污水收集与处理系统碳排放监测评估技术研究进展

城市污水收集处理在保障公共卫生与健康等方面发挥着重要作用。近期有研究指出,城市排水系统和污水处理厂在运行过程中会直接或间接地产生温室气体排放。如何精准地监测评估城市排水系统与污水处理厂的碳排放水平,从而科学地提出污水治理碳减排路径与碳中和模式,是城市水污染控制协同实现"碳达峰、碳中和"目标的关键突破口,也是当前环境领域的科技前沿和重点。结合文献调研和前期研究基础,以城市排水系统和污水处理厂为主要对象,总结当前温室气体排放监测与量化评估的研究现状,并探讨影响碳排放监测评估技术发展的关键瓶颈问题,提出碳减排路径构建的科学思路,为研发新一代城市污水收集与处理系统碳排放监测评估技术提供建议路线。     

Influence of impact assessment methods in wastewater treatment LCA

Facing the increase of environmental concern in the water treatment field, stakeholders need reliable decision support tools to assess environmental performances of urban and industrial wastewater systems. To discuss how life cycle assessment (LCA) can be applied to wastewater treatment projects, such an assessment has been performed through a case study on a full-scale plant. Methodological issues that had to be dealt with are briefly exposed. Five life cycle impact assessment (LCIA) methods have been used: CML 2000, Eco Indicator 99, EDIP 96, EPS and Ecopoints 97. Consistent assessment between these methods has been obtained for greenhouse effect, resources depletion and acidification. Eutrophication is correctly estimated if one looks at the potential impact of a treatment scenario but not at the characterization of the eutrophication state of a specific receiving stream. Work is needed concerning human toxicity as large discrepancies are noticed between the impact assessment methods.     

数值模拟在污水生物处理领域应用进展

随着计算机技术的发展,数值模拟在污水生物处理工艺设计、水处理设备结构优化等领域中已得到广泛应用。介绍了数值模拟技术常用的计算方法,对活性污泥法、MBR、厌氧消化等污水生物处理领域中的数值模拟研究进展进行了总结评述,讨论了模拟仿真过程中模型选择、简化假设、预测控制等关键问题。目前数值模拟在污水生物处理领域得出的多是导向性结论,将模拟与实验结合可以提升研究效率,更好地解决工程问题。     

污水处理中菌藻共生系统去除污染物机理及其应用进展

菌藻共生系统不仅能够吸收空气中的CO_2,高效去除污水中的氮磷营养物质,而且能够有效去除重金属、抗生素等,因而在污水处理领域日益受到广泛的关注.本文从菌藻之间相互作用关系出发,介绍了用于污水处理时藻类选择的依据,及在污水处理中对N、P营养物质、抗生素、重金属等污染物的去除机理,综述了菌藻系统在污水处理中的应用进展,以期为菌藻共生系统在污水处理中的推广应用提供参考.     

膜-生物反应器在我国的研究与应用新进展

膜-生物反应器(MBR)作为一种污水处理新技术,其研究和应用在我国受到了广泛关注.主要以1995-2006年发表在国内中文期刊上的关于MBR研究与应用的700多篇文献为基础,分析了与MBR构型、应用领域和研究机构等相关的文献数量分布,综述了在MBR新工艺、膜污染及其控制技术和污水处理类别等方面的研究进展,总结了MBR在污水再生利用中的应用概况,指出了未来MBR技术研究的挑战和工业应用的发展方向.     

The effect of coupling coagulation and flocculation with membrane filtration in water treatment： A review

Water supply and sanitation demands are foreseen to face enormous challenges over the coming decades to meet the fast growing needs in a global perspective. Significant growth in the industry is predicted and membrane separation technologies have been identified as one of the possible solutions to meet future demands. Application and implementation of membrane technology is expected both in production of potable water as well as in treatment of wastewater. In potable water production membranes are substituting conventional separation technologies due the superior performance, potential for less chemical use and sludge production, as well as the potential to fulfill hygienic barrier requirements. Membrane Bio-Reactor (MBR) technology is probably the membrane process which has had most success and has the best prospects for the future in wastewater treatment. Trends and developments indicate that this technology is becoming accepted and is rapidly becoming the best available technology (BAT) for many wastewater treatment applications. A major drawback of MBR systems is membrane fouling. Studies have shown that fouling mitigation in MBR systems can potentially be done by coupling coagulation and flocculation to the process.     

Constructed wetlands for wastewater treatment in cold climate — A review

Constructed wetlands (CWs) have been successfully used for treating various wastewaters for decades and have been identified as a sustainable wastewater management option worldwide. However, the application of CW for wastewater treatment in frigid climate presents special challenges. Wetland treatment of wastewater relies largely on biological processes, and reliable treatment is often a function of climate conditions. To date, the rate of adoption of wetland technology for wastewater treatment in cold regions has been slow and there are relatively few published reports on CW applications in cold climate. This paper therefore highlights the practice and applications of treatment wetlands in cold climate. A comprehensive review of the effectiveness of contaminant removal in different wetland systems including: (1) free water surface (FWS) CWs; (2) subsurface flow (SSF) CWs;and (3) hybrid wetland systems, is presented. The emphasis of this review is also placed on the influence of cold weather conditions on the removal efficacies of different contami-nants. The strategies of wetland design and operation for performance intensification, such as the presence of plant, operational mode, effluent recirculation, artificial aeration and in-series design, which are crucial to achieve the sustainable treatment performance in cold climate, are also discussed. This study is conducive to further research for the understanding of CW design and treatment performance in cold climate.