生物膜法光发酵制氢的研究现状与展望

21世纪被誉为氢能世纪.光发酵制氢作为绿色可持续生物制氢方式的一种,可以利用独特的光合系统固定太阳能,并利用有机物产生清洁能源氢气,因而受到广泛关注.但光发酵细菌凝集力差、底物转化效率和光能利用率低导致产氢效能下降,从而阻碍了光发酵制氢的发展.光发酵细菌可以通过形成生物膜而被有效固定,进而增加反应器内光发酵细菌的生物持有量,提高光发酵细菌对不利环境的抵抗力;同时,光发酵细菌形成生物膜后可以调控产氢细菌新陈代谢和生理活性使其更利于产氢.其中,光发酵生物膜反应器的设计尤为重要,尤其是反应器内光源的均匀分配对于光发酵制氢是一项关键因素,需要对光源设计、空间摆放和遮光性进行综合分析和设计;其次,需要考虑载体性质和载体安装以充分吸附光发酵细菌并形成生物膜;同时,结合未来可持续绿色发展的需求,光发酵生物膜反应器设计需要逐步过渡到以室外环境作为常规环境和太阳作为光源.尽管光发酵生物膜制氢前景良好,但目前对于光发酵生物膜反应器和制氢机制的研究仍然不够充分,需要更加深入地探索和优化以突破光发酵制氢的瓶颈,推动氢能行业的发展.     

包埋活性污泥反硝化性能的快速提高及群落分析

为了快速提高以污水厂反硝化池污泥为菌源的反硝化包埋填料的活性,实现包埋固定化的工程化应用,探究包埋填料的微生物群落特性,采用批次实验研究不同碳氮比、温度、pH对包埋填料活性的影响,并采用高通量测序研究包埋填料的生物群落特性.结果表明,C/N为10、温度为30℃、pH为7.5±0.3时,经过7 d即可恢复5.37 mg·(g·h)~(-1)的初始活性.在C/N为10,温度为25℃,pH为8.0的最优培养条件下,15 d后比反硝化速率即增大15倍至80.17 mg·(g·h)~(-1)并实现稳定运行.SEM结果显示包埋填料内部存在大量利于传质的通道,内部的细菌呈团簇状生长良好.高通量测序表明,包埋填料中具有反硝化功能的Thauera和Thermomonas为优势菌属,所占比例分别为24.27%和8.23%,保证了反硝化填料脱氮的高效性.Thauera优势菌属和Thermomonas菌属在最优培养条件下快速增殖是填料活性快速提高的主要原因.     

上海典型燃烧源铅和汞大气排放趋势分析

上海百年来快速的城市化进程导致资源能源的大量消耗,并向城市环境中排放了大量有毒有害污染物.为探寻上海典型燃烧源重金属大气排放历史及趋势,基于上海化石燃料(煤炭和汽油)的历史消耗量及其大气铅(Pb)和汞(Hg)的排放因子,估算了上海主要燃煤部门(燃煤电厂、工业部门和居民生活)和机动车燃油大气Pb和Hg的历史排放量.结果表明,1949~2015年间大气Pb和Hg的燃煤排放量随时间推进均呈现先增长后下降趋势,即1949年解放后快速增长的煤炭消耗和较少的烟尘控制措施使其排放量出现急剧地波动式增长,至20世纪80~90年达到高峰,此后上海采取了各种减排和控制措施,使得目前三大燃煤源的大气Pb和Hg排放量出现大幅度下降.1980~2015年间上海大气Hg的燃煤排放比例一直占据主导地位(87.5%~99.7%).含铅汽油自1997年完全退出上海市场之后,燃煤排放替代其成为大气Pb的主要贡献源(78.2%~83.5%),然而自2005年起随着汽油消耗的急速增长,汽油燃烧排放又成为其主要贡献源(55.5%~79.1%).     

基于氮稳定同位素分馏原理的活性污泥脱氮性能评价

基于氮稳定同位素分馏原理,运用瑞利分馏方程,论文构建了活性污泥脱氮性能评价模型,以分析城市污水的微生物脱氮效率与活性.实验通过对城市污水处理厂的长期监测,确定了模型的主要参数.为验证模型在不同出水无机氮组成情况下的适用性,本研究监测了反硝化限制作用、硝化限制作用、氨化限制作用3种情况下的脱氮效能.结果表明,这3种情况下的脱氮效能均可以通过测定活性污泥的δ15N值,利用该评价模型预测.为验证该模型在不同脱氮能力下的适应性,本研究设置了3种典型工况,测得的3种工况下活性污泥的δ15N值分别为13.97‰、8.33‰和4.47‰,利用评价模型得出的脱氮效率分别为96%、71%和22%,与实际脱氮效率吻合度高,污泥脱氮活性也呈现递减趋势.说明该模型对于具有不同脱氮能力的水处理系统均适用.该模型可避免复杂的布点监测等过程,仅通过污泥的δ15N值即可了解整个系统的脱氮能力及污泥脱氮活性,对污水处理厂的强化脱氮具有指导意义;为评价污水处理过程中氮的去除效果提供了更为便捷、准确的途径.     

嘉陵江出口段水体碱性磷酸酶活性特征

于2011~2016年间,从嘉陵江重庆主城段水域的"磷营养状态-总碱性磷酸酶活性变化-藻华"之间的相关关系入手,通过原位实验总结TAPA与ALGAE及SRP变化规律,结合碱性磷酸酶反应动力学实验确定酶活参数,探讨酶活变化在"藻华"中的生态学意义.结果表明：消落期时,SRP为藻类生长活动主要的磷源."藻华"敏感期SRP含量全年最低,为0.012~0.021mg/L;TAPA全年最高,为10.503~11.587nmol/（L·min）.特征参数V_m和米氏常数K_m值的变化规律验证了"藻华"敏感期各样点碱性磷酸酶对底物的亲合力增高,酶的水解速率有了显著提升;碱性磷酸酶在其他形态的磷转化为SRP的过程中有很大的促进作用,为藻类等微生物生长提供充足的SRP,以利于其在适宜的生境中迅速增殖.     

荧光灯管芯柱玻璃中金属铅的机械化学硫化

以硫化钠为硫化剂,机械化学硫化荧光灯管芯柱玻璃中金属铅,实现金属铅向硫化铅快速转化.通过单因素实验,考察了不同机械化学硫化条件,即球磨时间、球磨转速和球料比对硫化率的影响,并通过XRD、SEM和粒度对硫化产物进行表征.结果表明,硫化率随球磨时间和球磨转速的增大而增大,随球料比的增大先增大后减小,当球磨转速为750r/min、球磨时间为120min、球料比为50：1g/g时,荧光灯管芯柱玻璃中金属铅的硫化率可达96.18%.XRD结果表明,荧光灯管芯柱玻璃中金属铅的机械化学硫化产物为PbS、SEM和粒度结果表明,荧光灯管芯柱玻璃的粒径随球磨转速和球磨时间的增加而减小.     

硅基多孔材料的表征及其对SO2的吸附性能

为增强火山灰反应的强度,提高对SO₂的脱除性能,以粉煤灰为原料采用两步水热合成法制备硅基多孔材料,并对制备的材料进行表征.结果表明:硅基多孔材料整体呈无序形态,主要成分为水化硅酸钙和CaCO₃,属于无定型的非晶相物质;由C、O、Si、Na、Ca等元素构成,主要以SiO₃2-、CO₃2-的形式存在;呈蜂窝和玻璃纤维的网状结构,内部空隙发达,比表面积较大,且存在有大量的吸附水和结合水.利用固定床反应器测定了硅基多孔材料对SO₂的吸附性能,在入口ρ（SO₂）为1 200 mg/m3、吸附温度为50℃、SO₂含氧量为9%、粒度为200目（0.075 mm）的条件下,SO₂的吸附量可达24.87 mg/g,脱硫率可达100%,与钙基吸附剂相比吸附量提高了74%;将吸附SO₂后的硅基多孔材料在700℃下焙烧3 h,可以继续吸附SO₂,重复使用率可达72.24%.由于SO₂在脱除过程中存在一定的化学反应,含氧量的增加能够提高其对SO₂的吸附量.研究显示,硅基多孔材料脱除SO₂的过程是由物理吸附和化学反应相结合的结果,其中由于制备的硅基多孔材料具有较大的比表面积和较为丰富的孔结构,有利于物理吸附;同时,在两步法制备硅基多孔材料的过程中使火山灰反应得到增强也同样提高了SO₂与硅基多孔材料的化学反应,进而增强了化学吸附的效果.      

大尺寸通风管网中障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播特性影响的数值模拟

为了研究大尺寸通风管网中的瓦斯爆炸传播规律,采用数值模拟方法,针对具有不同障碍物数量的大尺寸通风管网模型,利用Fluent分析管网中各个监测点的超压变化曲线以及障碍物附近的速度矢量图,分析爆炸冲击波传播规律。研究结果表明:初期瓦斯爆炸后,障碍物的存在改变了通风管网内未燃瓦斯的积聚区域;高温和高压发生耦合作用,在氧气相对充足的进气管道中形成二次爆炸;障碍物与火焰波以及管网自身结构变化等多种因素形成复合作用,改变了通风管网内瓦斯爆炸冲击波的传播路径和叠加区域的位置;无障碍物时高压区域出现在进气管道中,有障碍物时高压区域出现在中部直管与斜管的交汇处附近,且数值相对较大。     

火电行业清洁生产与末端治理技术对二氧化硫减排效果评估

为探明清洁生产技术在我国大气污染物削减中所起的作用,本文以火电行业为例,以SO_2作为特征污染物,对“清洁生产”和“末端治理”技术进行了筛选,建立了削污和减排效果分析模型,并收集火电行业的权威统计数据,计算了火电行业“清洁生产”技术削污量与“末端治理”技术减排量及两类技术各自削减量占比情况,研究了建国以来(1949—2013年)我国火电行业清洁生产技术削污效果和末端治理技术减排效果及其演变规律,并在此基础上提出政策建议.研究结果显示,以火电行业发电效率最低的低温低压发电技术为基准线,1949—2013年65年期间电力行业通过清洁生产技术累计实现SO_2削污量为4.94亿t,节约4940亿元的环保资金投入,削污率达到58.5%;2002—2013年12年期间电力行业末端治理技术累计实现SO_2减排量为1.10亿t,减排率为13.0%.     

施用生物质炭对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征影响

为研究玉米秸秆生物质炭施用后土壤腐殖质组成和土壤胡敏酸结构的变化,选择腐殖质组成修改法和国际腐殖质协会推荐的方法进行土壤腐殖质组分提取和HA样品纯化,采用重铬酸钾外加热法和TOC分析仪测定土壤、水溶性物质(WSS)、富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(Hu)有机碳含量,采用元素组成和红外光谱分析HA的结构变化.研究结果表明:施入玉米秸秆生物质炭后,表层和亚表层土壤及其腐殖质组分有机碳含量均有不同程度的提高,表层土壤、WSS、FA、HA和Hu有机碳含量增加幅度较大,分别增加了83.61%、112.50%、89.63%、91.78%和89.82%,说明玉米秸秆生物质炭的施用更有助于表层土壤有机碳的积累;PQ值(HA在腐殖酸中的比例)略有增加;土壤HA的缩合程度和芳香性增强,氧化度降低.此外,施用玉米秸秆生物质炭后,土壤及其腐殖质组分有机碳含量随土层深度的增加而降低,与表层相比,亚表层土壤、WSS、FA、HA和Hu有机碳含量分别下降了62.84%、52.94%、62.38%、66.62%和61.61%;土壤PQ值略有降低;土壤HA的缩合程度和芳香性降低,氧化度增加.