基于“人工智能”驱动的农村生活污水系统治理专栏序言

伴随流域水污染控制与治理工作的深入,农村分散生活污水治理逐渐成为制约流域水环境改善的关键.同时,农村生活污水治理是人居环境提升、美丽乡村建设以及乡村振兴战略实施的集中体现,事关广大农村居民的切身利益.本专栏是国家水专项“分散污水治理课题”团队近年来科研成果的总结,从污水治理的全生命周期角度出发,尝试通过人工智能赋能治理模式决策、“菜单式”工艺组合、设施运维与监管、长效管理等4个方面对研究和实践进行了梳理总结,构建基于人工智能驱动的农村生活污水治理决策支持系统,以期为北运河流域以及其他区域农村生活污水治理提供科技支撑.     

乡镇街道尺度国土“三生”空间功能评价及协调关系

乡镇街道尺度国土“三生”空间功能评价及协调关系研究更面向国土空间优化过程中的人本需求导向和基层精细化治理。研究提出“分维功能评价—协调水平测算—作用方向判别”的整套思路框架。其中,兼顾空间隶属和空间质量双重属性构建“三生”空间功能综合评价指标体系,运用耦合协调模型和双变量空间自相关模型探究功能间协调水平及各自对整体协调的作用方向,并以苏州市为例进行实证分析。结果表明：（1）所构建分析框架、指标体系及技术方法路径具有科学性和普适性特点,能够在乡镇街道尺度有效识别“三生”空间功能分布格局和空间协调关系。（2）在乡镇街道尺度的较高标准约束下,苏州市“三生”空间功能具有较显著城乡差异和区域差异,且“三生”空间功能协调整体水平呈现“大分散、小集聚”的分布特征,协调水平主要受生产、生活空间功能同向作用,生态空间功能的协同作用不足、多呈现反向关系。（3）从城区、乡镇、生态单元等不同空间类型提升“三生”空间综合功能,完善基层国土空间治理的精细化,在更大尺度上实现“三生”空间的整体协调,构建功能复合、风貌相宜、协调共进的国土空间格局。     

可燃物化学性质对燃烧释放PM2.5元素成分的影响

通过自主设计的燃烧装置,对云南省6种典型乔木树种的不同器官(枝、叶、皮)室内模拟阴、明燃两种燃烧过程,收集燃烧排放颗粒物(PM_2.5)并测定K、Mg等8种元素排放因子,比较不同燃烧状态释放PM_2.5中元素含量的差异,同时分析各元素排放因子与可燃物自身元素含量之间的相关性.结果表明:可燃物中K、Mg和Ca元素含量较高,范围为(137.74~4670.70) mg/kg,微量元素Mn含量突出;阔叶可燃物元素含量普遍高于针叶,器官间元素含量差异显著;燃烧释放PM_2.5中K、Na元素排放因子较高,范围为(0.4269~4.9321)~(0.6311~3.0856) mg/kg,微量元素Zn较高、Cu最少,范围为(0.0409~0.3670)~(0.0029~0.0458) mg/kg,常量元素高于微量;树种间元素排放因子表现针叶高于阔叶,器官间较可燃物自身差异增大;燃烧状态对排放因子存在影响,常量元素普遍表现为明燃>阴燃,微量元素无明显规律;PM_2.5与可燃物各元素含量比值中,Na元素最高,其余元素占比普遍0~1%范围,微量元素含量比高于常量,针叶高于阔叶;可燃物的化学性质对其排放特性影响显著,可燃物与PM_2.5的元素间相关性较高,相关水平普遍达0.600以上,器官间不同元素相关水平表现为:常量元素普遍高于微量元素,针叶略高于阔叶,叶>皮>枝,明燃高于阴燃.     

焊接工艺多源散发的高温颗粒污染物扩散特性数值模拟

为探究热工艺过程产生的热气流作用下颗粒的迁移规律,基于气固两相离散粒子模型(DPM)对多源浮射流伴生的高温颗粒的扩散特性进行了数值研究,讨论了两相流运动过程中热气流与颗粒群的温度和速度的瞬时变化情况.结果表明,对于473K£T₀£673K的高温颗粒群,温度衰减趋势类似,颗粒群温度分布呈中心对称;当5μm£d_p£20μm时,颗粒与气流之间的跟随性随着粒径的增大而降低;热羽流随时间经历了独立发展和相互合并的过程,羽流之间涡旋结构的消失导致中心位污染源散发的d_p=10μm的颗粒更容易发生沉降.     

基于光纤分布式测温的污水管道入流识别方法研究

针对排水管网物探检测需断水操作和无法对管道内部实时探查的问题,建立了一种基于光纤分布式测温的污水管道入流诊断方法,实现了无干扰条件下污水管道污水和雨水入流实时监控.采用感温光缆对选择的试验管段开展了时空高精度观测(空间精度1m、时间精度1min),获得了超过118万个管道水温数据.基于解析出的管道水温时空图像,提出了基于水温温差背景噪声值的入流定位方法;确定出无外部入流影响时管道水温空间和时间温差的背景噪声值分别约为±0.2℃和±0.5℃.采用水温图像降噪处理方法,自动识别出污水管道的旱天污水接入和雨天雨水接入事件,与现场调查结果一致.因此,该方法对污水管道入流的动态识别定位具有可靠性.     

温压条件下不同含水高岭石对NH4+吸附的分子模拟

为研究高岭石对NH₄⁺吸附的微观情况,通过Material Studio软件对高岭石单胞进行收敛性测试后构建了4×2×1不同水化程度高岭石模型,采用量子力学和经典力学方法对模型晶胞进行了理论计算和吸附实验研究.结果显示,在交换关联泛函GGA-PW91,K点4×3×2,截断能600eV条件下,得到了高岭石稳定结构模型（误差<2%）;高岭石对NH₄⁺的吸附受温度影响明显,随温度升高,吸附量逐渐减少,与吸附实验结果一致;动力学结果显示吸附类型主要为物理吸附,吸附作用力为范德华力和库仑力.     

低NOx环境异戊二烯促进甲苯生成甲基丁烯二醛的模拟实验

在低NO_x浓度条件下开展甲苯和异戊二烯复合体系的烟雾箱模拟实验,使用高时间分辨率的在线质子转移反应飞行时间质谱(PTR-TOF-MS)实时监测混合体系中反应物与产物的浓度变化情况,探究人为源与天然源交汇过程中, 自然源挥发性有机物 (BVOCs)对人为挥发性有机物(AVOCs)化学降解的影响.结果表明,异戊二烯与甲苯竞争OH自由基,从而抑制了甲苯的化学降解,该竞争反应开始得越早,抑制效果越显著.研究还发现异戊二烯会增强甲苯RO₂降解途径产物的产量,生成更多1,4不饱和-二羰基化合物(如丁烯二醛和甲基丁烯二醛)与二羰基化合物(如乙二醛和甲基乙二醛),其中甲基丁烯二醛增量最高可达38.6%.此外,异戊二烯快速氧化生成的RO₂自由基碳数更少,可能与甲苯氧化生成的RO₂自由基发生了快速的交叉反应,有利于甲苯RO自由基的生成及裂解,最终导致甲苯RO₂途径裂解产物的增加.     

铁盐浸渍强化污泥活性炭-甲醇热质传递特性

针对以市政污泥为核心的炭素前驱体开展原位铁盐浸渍磁修饰,通过响应曲面试验设计优化并制备了新型原位浸渍炭IM-WNC;以成品炭的后浸渍磁修饰炭PM-WNC为参比,考察了原位浸渍与后浸渍磁修饰过程对污泥活性炭-甲醇工质对的吸附/解吸速率、吸附等温线、吸附床传热性能、制冷量及制冷功率等方面的影响。结果表明:与后浸渍过程相比,原位铁盐浸渍有利于保持污泥炭总孔容积(0.6608cm³/g)及比表面积(1122m²/g)水平,能显著提升致密化污泥炭IM-WNC的导热系数(600kg/m³,4.586W/(m·K))、甲醇Sokoda&Suzuki平衡吸附量((528.74±15.86)mg/g)和Langmuir最大吸附量((673.99±13.52)mg/g)。升温脱附与冷却吸附循环体系内,IM-WNC致密化吸附床中心温度峰谷差值可达到69.07℃。当循环时间为76min,解吸温度为100℃时,IM-WNC吸附制冷床的制冷量和制冷功率分别达到501.43kJ/kg和799.06kJ/(kg·h),较PM-WNC分别提升了15.61%和18.69%。     

富春江库区高温热浪变化特征及对藻类水华潜在影响研究

随着全球气候变暖,夏季高温热浪出现频次、强度和持续时间明显增加. 为探明气候变暖引起的夏季高温热浪对藻类水华及淡水生态系统的影响, 基于长期气象观测、高频浮标水温监测、藻华过程浮游植物生物量连续监测以及卫星遥感反演,分析了富春江库区夏季高温热浪长期变化特征以及2016年高温热浪对富春江水库藻类水华的影响过程. 结果表明:①1972—2020年近50年富春江水库呈现明显的区域增温,平均气温增速为0.35 ℃/(10 a),2016年达最高值(18.13 ℃);与此同时,高温热浪频次和天数也显著增加,且起始时间显著提前,结束时间显著推迟,2016年经历了近50年来较严重的高温热浪事件. ②野外实测和卫星遥感反演表明,2016年7—8月富春江水库暴发严重的藻类水华,库区叶绿素a浓度在8月19日达最高值〔(65.3±21.3) μg/L〕. ③因果分析显示,高温热浪引起的气温和水温增加、降水和风速减少以及热力分层强化等直接或者间接诱发和促进了浮游植物生物量累积及蓝藻水华形成. 研究显示,夏季高温热浪加剧了富春江水库藻类水华暴发,未来全球变暖背景下高温热浪频次和强度将继续增加,需开展高频同步监测和受控试验,深入揭示高温热浪对藻类水华形成的驱动机制.      

Extracellular polymeric substance induces biogenesis of vivianite under inorganic phosphate-free conditions

Vivianite is often found in reducing environments rich in iron and phosphorus from organic debris degradation or phosphorus mineral dissolution. The formation of vivianite is essential to the geochemical cycling of phosphorus and iron elements in natural environments. In this study, extracellular polymeric substances (EPS) were selected as the source of phosphorus. Microcosm experiments were conducted to test the evolution of mineralogy during the reduction of polyferric sulfate flocs (PFS) by Shewanella oneidensis MR-1 (S. oneidensis MR-1) at EPS concentrations of 0, 0.03, and 0.3 g/L. Vivianite was found to be the secondary mineral in EPS treatment when there was no phosphate in the media. The EPS DNA served as the phosphorus source and DNA-supplied phosphate could induce the formation of vivianite. EPS impedes PFS aggregation, contains redox proteins and stores electron shuttle, and thus greatly promotes the formation of minerals and enhances the reduction of Fe(III). At EPS concentration of 0, 0.03, and 0.3 g/L, the produced HCl-extractable Fe(II) was 107.9, 111.0, and 115.2 mg/L, respectively. However, when the microcosms remained unstirred, vivianite can be formed without the addition of EPS. In unstirred systems, the EPS secreted by S. oneidensis MR-1 could agglomerate at some areas, resulting in the formation of vivianite in the proximity of microbial cells. It was found that vivianite can be generated biogenetically by S. oneidensis MR-1 strain and EPS may play a key role in iron reduction and concentrating phosphorus in the oligotrophic ecosystems where quiescent conditions prevail.