河道藻源胞内有机质光化学-生物降解机制

藻细胞破裂后会向水体释放大量的胞内有机质 (intracellular dissolved organic matter, I-DOM) 。I-DOM在河道中将经历复杂的光降解和生物降解过程,影响其在河道中的迁移转化和环境效应。为了探明光照和微生物对I-DOM的降解机制,开展了光降解、生物降解和光-生物降解实验。结果表明,I-DOM经7 d光降解和生物降解后,溶解性有机碳 (dissolved organic carbon, DOC) 的去除率分别为70%和81%;虽然光照1 d能去除38%的DOC,但后续生物降解 (光-生物降解) 与无光照生物降解对DOC的去除效率一致。进一步的研究表明,生物降解过程中的呼吸商 (respiratory quotient, RQ) 低于光-生物降解过程,说明相比于生物降解过程,光-生物降解过程中经光照后生物呼吸时所利用I-DOM的性质发生了改变,进而影响了生物呼吸时O₂的消耗和CO₂的产生。生物降解过程中微生物主要利用原始的I-DOM分子;而在光-生物降解过程中,生物降解过程的微生物主要利用经光降解转化后的I-DOM分子。光-生物降解过程中,光照消耗了I-DOM中可生物降解的脂质、蛋白质和木质素类组分,导致I-DOM的生物降解效率降低;同时,光照将I-DOM中的大分子物质分解成高O/C的小分子物质,使微生物代谢需要的O₂减少,小分子物质则更易被生物降解矿化生成CO₂,导致RQ升高。本研究结果可为河道水质调控提供参考。     

氨基改性MCM-41对水中1,2-二氯乙烷的吸附

为治理地下水中氯代烃污染,以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为改性试剂,采用共聚法制备NH₂-MCM-41。利用XRD、SEM、TEM、BET和FT-IR对材料结构进行表征,并研究材料对水中1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)的吸附行为。结果表明：氨基取代部分硅羟基,造成孔道毛糙,未改变材料的六方堆积结构;改性后材料比表面积、孔容、孔径分别减小了约10%、25%和26%。氨基的引入增强了材料对1,2-DCA的亲和力和吸附能力,吸附容量由11.75 mg·g⁻¹增加到15.59 mg·g⁻¹,提升32.68%;NH₂-MCM-41对1,2-DCA吸附初始阶段受物理吸附控制,后续过程主要受化学吸附控制;颗粒内扩散拟合表明颗粒内扩散过程是主要控速步骤;等温吸附拟合说明材料吸附位点分布均匀,吸附过程中单层与多层吸附共存;在温度为20 ℃,pH为7时NH₂-MCM-41对1,2-DCA的吸附效果最佳;腐殖酸(HA)和共存阴离子对 NH₂-MCM-41吸附1,2-DCA起抑制作用。由此可知,NH₂-MCM-41能够有效地吸附水中1,2-DCA。该研究成果可为地下水氯代烃污染治理提供相关参考。     

南水北调中线清河溶解性有机物的光降解行为

溶解性有机物(dissolved organic matter, DOM)在水环境中普遍存在,其光降解行为与种类和来源密切相关。近年来,南水北调中线工程沿线中DOM含量过高问题逐渐引起了人们对饮用水水源水质的关注。利用三维荧光光谱与紫外可见吸收光谱表征了清河段DOM在水(Water DOM, W-DOM)、底泥(sediment-derived DOM, S-DOM)、藻胞内(intracellular DOM, I-DOM)和胞外(extracellular DOM, E-DOM)这4种典型来源中的光学性质和光降解行为。结果表明,W-DOM的主要来源是藻类代谢产生的E-DOM;S-DOM的主要形成原因是藻细胞破裂释放I-DOM。DOM的光漂白主要发生在紫外区,且UV-B波段的光漂白效率大于UV-A波段。W-DOM、S-DOM和E-DOM中有色DOM(chromophoric DOM, CDOM)的降解率基本相同,为40%~50%;I-DOM中CDOM降解率相对较低,约为25%。光照可以将W-DOM、S-DOM和E-DOM中复杂的大分子物质分解成结构简单的小分子物质。CDOM中类腐殖质的光降解率比类蛋白质更高,W-DOM、S-DOM和E-DOM中CDOM与类腐殖质的光降解速率在相同时间下基本保持一致;S-DOM和E-DOM中CDOM与类蛋白质的光降解速率在相同时间下基本保持一致。以上结果反映了太阳辐射对水环境中DOM的转化和去除机理,为河流水质保护提供了理论依据。     

FeOOH改性玄武岩纤维整体式材料对磷的去除性能及机理

尽管微纳米材料具有优异的环境净化功能,但直接应用微纳米材料具有潜在的生态环境威胁。本研究以惰性玄武岩纤维为基底材料,通过表面活化-Fe³⁺原位水解方法制备功能性整体式材料(FeOOH@BF)并研究其对水中磷的去除性能。X-射线衍射(X-ray diffraction, XRD)测试显示,在玄武岩纤维表面原位生长的羟基氧化铁(FeOOH)具有α、β两种晶体相结构。FeOOH的附着导致惰性玄武岩纤维表面具有丰富的活性铁羟基吸附位点。吸附结果表明,FeOOH改性的玄武岩纤维整体式材料可有效去除水中的磷酸根。当水中磷含量超过V类地表水质量标准10倍时,5 g∙L⁻¹的FeOOH@BF对水中磷的去除率高于80%。FeOOH@BF对水中磷的去除率随着磷初始质量浓度和pH的增大而降低。动力学吸附结果表明,FeOOH@BF对水中磷的吸附过程在达到饱和吸附以前适合用准一级动力学吸附方程描述。吸附饱和后的FeOOH@BF在0.05 mol∙L⁻¹的HNO₃溶液中经过浸泡12 h再生后,其对磷的吸附容量出现明显的降低,但仍能有效去除水中的磷酸根;当饱和吸附后的FeOOH@BF在HNO₃溶液中浸泡24 h再生后,FeOOH@BF仍可有效去除水中的磷且吸附性能趋于稳定。FeOOH@BF材料表面的铁羟基发生去质子化释放H⁺离子,导致磷酸根质子化形成HPO₄²⁻,并进一步与材料表面的铁羟基发生配体交换、离子交换和氢键等作用,进而被玄武岩纤维表面包覆的FeOOH所吸附。     

长荡湖围堰干法环保清淤工程实施效果评价

内源污染是造成湖泊富营养化和水体重金属风险的重要来源。以长荡湖围堰干法清淤工程为例,探讨了清淤工程实施前后的底泥营养盐和重金属质量分数及上覆水体水质变化,开展了清淤工程实施效果评价,提出了围堰干法清淤工艺适用性思考。结果表明,围堰干法清淤工程对底泥的部分营养盐去除效果良好,底泥中有机质含量的平均降低幅度为27.09%,14个采样点位中,有11个点位清淤后底泥有机质平均含量低于清淤前;清淤后的底泥TN质量分数比清淤前平均降低76.95%,底泥TN质量分数得到有效削减;清淤后底泥TP质量分数比清淤前提高了35.16%,原因可能与采样季节、采样方法、磷素沉积及清淤过程中的机械干扰有关。清淤工程有效降低了底泥重金属风险,对底泥镉的平均去除率为76.00%,清淤后没有点位底泥生态风险等级超过“中风险”,底泥生态风险显著降低。清淤工程实施前后上覆水体水质无明显变化,清淤后水质仍处于Ⅳ类―V类水,超标因子为TN和TP。围堰干法施工有效降低了长荡湖底泥中部分营养盐和重金属赋存量,但是软弱地基区域施工机械难以实施,机械操作可能造成下层底泥的翻动,部分区域难以完全实现预期清淤目标。该研究结果表明,应综合考虑清淤目标和施工机械、场地条件等影响因素合理选择清淤工艺和确定清淤深度。     

油气处理场站温室气体甲烷排放特征与量化

油气生产过程是甲烷重点排放源,对气候变化产生显著影响。采用便携式火焰离子检测器 (FID) 和Hi-Flow大流量仪等设备,对我国某油田3座油气处理场站甲烷泄漏排放特征进行了研究,明确了组件泄漏率,量化了重点源项甲烷排放速率,构建了设备设施甲烷排放因子,开展了甲烷排放量核算并提出了管控建议。结果表明,该油田油气处理场站设备组件与管线的甲烷泄漏率为0.7%~1.2%,压力表、阀门和储罐等在泄漏源项中占比较高。不同类型泄漏组件甲烷排放速率具有显著差异,处理场站的甲烷排放速率为111.66~274.63 L·min⁻¹。单个储罐和场站的甲烷排放因子分别为989.9 L·h⁻¹和0.19 L·m⁻³。3座场站年度甲烷排放量为303 783.40 m³,储罐是首要排放源,对总排放量贡献占比为94.1%。组件泄漏导致的甲烷排放主要源于高强度排放源,15%的泄漏点贡献了排放量的88.4%。该研究结果可为油田油气处理场站泄漏防控和温室气体排放控制提供参考。     

贵金属催化剂活性组分分布对催化湿式氧化处理非达霉素提炼废水的影响

采用均匀型和蛋白型Ru/TiO₂催化剂为湿式氧化催化剂,应用于催化湿式氧化非达霉素提炼废水,以出水COD和TOC去除率作为指标来评价2种催化剂的催化活性差异;采用实验室连续评价装置对柱状颗粒催化剂在不同pH、不同废水流量和不同温度下处理非达霉素提炼废水进行了优化评价。结果表明：在265 ℃、pH=4.1、废水流量为10 mL·h⁻¹时,催化剂的催化活性最高,故确定此条件为该废水处理的最优条件;同时对比均匀型和蛋白型2种催化剂,蛋白型催化剂具有更高的催化效率;结合SEM及N₂-物理吸附结果,推断蛋白型催化剂活性组分集中分布在催化剂颗粒的较浅层,有利于降低反应过程中的扩散阻力,提高贵金属活性组分的利用率,进而提高催化剂的催化活性。以上结果对开发高效湿式氧化催化剂,充分利用贵金属活性组分降低催化剂成本具有十分重要的意义。     

中试规模动力波吹脱技术分离老龄化垃圾渗滤液中的高浓度氨氮

为解决老龄化垃圾渗滤液的脱氨难题,采用动力波吹脱技术对老龄化垃圾渗滤液进行氨氮吹脱分离,探究了吹脱时间、pH、气液比、温度和进水氨氮浓度对吹脱效能的影响。单因素实验结果表明：前3 h吹脱去除率增长最快,5 h后吹脱去除率变化较小;高pH下游离氨占比增大,对吹脱更为有利,pH为10.5左右时的工艺最为经济;动力波吹脱适用温度范围广,在10 ℃和25 ℃时,去除率可达72.62%和90.68%;增加气液比可提高吹脱效率,但当气液比超过129后,吹脱效果增幅不明显;氨氮浓度对吹脱去除率的影响较小。正交实验结果显示：温度方差最大,pH、气液比方差次之,进水氨氮浓度方差最小,即表明温度对动力波吹脱脱氨影响最为显著;pH、气液比也是重要影响因素;初始氨氮浓度对吹脱效率影响不显著。在25 ℃、pH=10.5、气液比为129时,吹脱5 h的最优条件下,氨氮去除率约91.25%~94.15%。相比传统吹脱工艺,动力波吹脱技术能大幅提高氨氮分离效率。     

高分散纳米钙锆复合材料催化臭氧氧化降解间甲酚废水

采用共沉淀法制备了一系列Ca-Zr复合材料,探究了不同的焙烧温度对材料结构和化学性质的影响。使用X射线衍射、扫描电子显微镜及高分辨透射电镜等分析手段表征了所制备样品的物相变化和颗粒形貌特征,以间甲酚为底物,采用臭氧催化氧化方法对所得催化剂的催化性能进行了分析。结果表明：当焙烧温度升高到1 000 ℃以上时,样品晶型以斜方晶系CaZrO₃为主,随着焙烧温度的升高,颗粒更加均匀分散。在催化臭氧氧化降解间甲酚实验中,当焙烧温度为800 ℃时, TOC去除率最高可达到79%。800 ℃焙烧所得的样品由纳米颗粒组成,晶格间距为0.29 nm,说明样品的高暴露晶面为CaZrO₃的(121)晶面;XPS结果证实了样品的高活性可能是由晶格氧和表面羟基基团起重要作用而导致的。这种高效的纳米钙锆复合材料为催化臭氧氧化处理废水奠定了良好的基础。     

氨氮浓度对马铃薯加工废水厌氧消化的影响

为考察氨氮浓度对中温厌氧消化处理马铃薯加工废水的影响,通过批式实验,探究该类废水厌氧消化处理的氨氮抑制阈值。结果表明：氨氮浓度为3 000 mg·L⁻¹ (TAN≈3 659 mg·L⁻¹)时,累积产甲烷量降低至276.1 mL·g⁻¹且出现产甲烷迟滞期;氨氮浓度为4 000 mg·L⁻¹ (TAN≈4 468 mg·L⁻¹)时,累积产甲烷量仅为对照组的39.2%,迟滞期明显延长了7.2 d;高浓度氨氮抑制造成了以丙酸为主的VFAs积累和有机物(蛋白质等)降解不完全,这是COD去除率下降的主要原因;VFAs作为氨氮抑制发生时COD的主要组分,其积累可作为马铃薯加工废水厌氧消化过程发生氨氮抑制的指示因子;马铃薯加工废水中温厌氧消化的氨氮阈值约为3 000 mg·L⁻¹。该结果可为马铃薯加工废水的高效处理与资源化利用提供参考。