区域生态系统适应性管理概念、理论框架及其应用研究

论述了生态系统适应性管理基本概念与生态系统适应循环,着重分析了生态系统恢复力范围、抗性、不稳定性与跨尺度影响。生态系统适应循环通常经历入侵、保持、破坏、调整四个阶段,前两个阶段的生态系统演替是可以预测的,而后两个阶段是复杂、难以预测的。文章提出了适应性区域生态系统管理的基本概念,并构建了其理论框架,并以三峡库区小江流域为例,对小江流域景观生态特征、区域生态胁迫进行了详细分析。在此基础上,提出要以水生生态安全为总目标,并围绕这一目标,进行流域各生态系统的恢复力辨识、生态系统适应性循环过程研究,从各系统恢复力属性特征出发,提出了具体的适应性管理方法与模式。     

A methodological framework for improving air quality monitoring network layout. Applications to environment management

This work aims to provide a methodology framework which allows to improve the performance and efficiency of an air quality monitoring network (AQMN). It requires to be constituted by a minimum and reliable number of measurement sites. Nevertheless, the AQMN efficiency should be assessed over time, as a consequence of the possible emergence of new emission sources of air pollutants, which could lead to variations on their spatial distribution within the target area. PM₁₀ particles data monitored by the Community of Madrid's (Spain) AQMN between 2008 and 2017 were used to develop a methodology to optimize the AQMN performance. The annual spatial distribution of average PM₁₀ levels over the studied period monitored by all current stations vs those more representative was provided by a geographic information system (GIS), and the percentage of similarity between both postulates was quantified using simple linear regression (> 95%). As one innovative tool of this study, the practical application of the proposed methodology was validated using PM₁₀ particles data measured by AQMN during 2007 and 2018, reaching a similitude degree higher than 95%. The influence of temporal variation on the proposed methodological framework was around 20%.The proposed methodology sets criteria for identifying non-redundant stations within AQMN, it is also able to appropriately assess the representativeness of fixed monitoring sites within an AQMN and it complements the guidelines set by European legislation on air pollutants monitoring at fixed stations, which could help to tackle efforts to improve the air quality management.     

青霉素废菌丝体制备石膏缓凝剂联产活性炭

青霉素废菌丝体是一种制药行业的危险固体废弃物。利用其富含蛋白质的特点,采用微波加热水解法制备一种新型建筑石膏缓凝剂（WPM缓凝剂）,同时将制备缓凝剂后的滤渣用于制备活性炭。经过实验研究,确定的缓凝剂制备适宜工艺条件为：温度80 ℃,pH值11,时间10 min。得到滤渣制备活性炭的最佳工艺条件为：炭化时间为1 h,炭化温度为300 ℃,活化剂ZnCl2浓度为20%,液固比为3.0。 本工艺较好地解决了焚烧处置、堆放填埋或直接生产活性炭等处理方法造成的环境二次污染问题以及用作动物饲料可能导致的抗生素滥用问题,实现了青霉素废菌丝体的安全、清洁利用。     

添加炭基材料对蔬菜废物好氧堆肥进程和腐熟度的影响

以蔬菜废弃物辣椒秸秆和树叶为堆肥原料(CK),采用密闭式好氧堆肥工艺,研究了添加5%木本泥炭(T1)、5%活性炭(T2)和10%木本泥炭(T3)等炭基材料对堆肥pH、EC、CO2累积量、物料损失率、T值、C/N和发芽率指数的影响。结果显示,T2处理的pH在60 d后维持在8~9之间;EC值随着堆肥进行呈现先下降后升高再下降的趋势,最终CK、T1、T2和T3处理的EC值(mS/cm)分别降低了1.02、0.76、0.33和0.48;T2和T3处理的CO2累积量一直高于其他处理;所有处理的物料损失率均在20%以上;4个处理堆肥产品的T值分别为0.56、0.65、0.68和0.69;堆肥产品的发芽率指数分别为63.2%、69.3%、93.5%和86.1%。T值和发芽率指数显示T2和T3处理达到了腐熟阶段。结果表明,在蔬菜堆肥处理中添加炭基材料可改善堆肥产品的理化性质,加速堆肥物料的分解,有效地缩短堆肥周期和提高堆肥产品的腐熟度。     

国产活性炭喷射去除大型城市生活垃圾焚烧发电厂烟气中的二恶英

本研究针对二恶英削减及降低成本选用优质国产活性炭,对一典型城市生活垃圾焚烧发电厂(MSWI)的"活性炭喷射+布袋除尘过滤"系统优化。在实际工况条件下,对3个活性炭投加速率(5、10和15 kg/h)下所获得的二恶英的排放浓度、去除效率及去除特征进行评价。结果发现,(1)选用的活性炭对二恶英具有优越的去除效果,5 kg/h投加速率即可使去除效率达到99.0%,排放浓度下降到低于改用前的1/10,远低于欧盟排放标准;(2)3个投加实验在二恶英的排放浓度、总去除效率、去除特征上并没有表现出显著差异,综合考虑认为,5 kg/h(150 mg/Nm3)是合理的工程应用依据;(3)本研究成功的实验结果说明,选用的活性炭品质能满足工程需求,其表征特点可作为未来活性炭选用的依据,即孔径分布主要集中在2~5 nm之间,属于中孔范围中靠近微孔区域,比表面积大于500 m2/g,比孔容积大于0.2 cm3/g。     

蔬菜类废弃物甲烷发酵的产气潜能及过程特征

蔬菜废弃物具有适合厌氧发酵的特性。采用Batch实验方法,对5种常见的蔬菜废弃物的产气潜能进行研究,并在此基础上进一步对厌氧发酵过程限制性步骤及物质转化特征进行分析。研究结果表明:5种蔬菜废弃物累积产甲烷量在发酵0～10 d内增加较快,土豆和白菜废弃物产甲烷潜能最大,分别达到102 mL·g-1(VS),和83 mL·g-1(VS),而黄瓜废弃物的甲烷化潜能较低,只有35 mL·g-1(VS)左右。动力学参数拟合表明:土豆和白菜废弃物厌氧发酵水解、酸化、乙酸化和甲烷化各过程转化速率都明显高于其他废弃物,并且各过程最大转化潜能也较其他类蔬菜高出2倍之多。厌氧发酵限制性步骤分析表明,快速水解生成的SCOD不能有效地转化为VFAs,限制了白菜废弃物厌氧消化的后续转化,而VFAs的累积则是胡萝卜、黄瓜和土豆废弃物厌氧发酵的限制性步骤, SCOD以及VFAs同时累积是茄子废弃物发酵过程的显著特征。对各物质发酵过程物质转化特征分析表明,各废弃物由于4 d以后甲烷菌对乙酸的利用减慢,导致丙酸向乙酸的转化减慢而发生累积现象,10 d以后由于产酸过程的减弱,累积的丙酸盐逐渐转化。     

餐厨垃圾湿式厌氧消化最优有机负荷及失稳指标

为探究餐厨垃圾湿式厌氧消化最佳有机负荷及失稳预警指标,在(36±1) ℃单相连续搅拌条件下进行有机负荷(OLR)梯度实验。通过理论及数学分析确定90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化的最佳OLR和失稳指标。当OLR（以VS计）为2.94 g?(L?d)-1时,挥发性固体去除率、甲烷产率、容积沼气产率分别为78%、0.58 L?g-1VS、2.99 L?(L?d)-1,此时厌氧反应器达到最佳运行状态。一定浓度的游离氨(FAN)会抑制微生物活性,触发挥发性脂肪酸(VFA)的积累,造成容积沼气产率降低,第36天,当OLR增至3.21 g?(L?d)-1时,FAN浓度升至区域峰值207 mg?L-1,但随后骤降35.9%（39 d）,分别造成VFA和挥发性脂肪酸浓度与碳酸氢盐碱度的比值(VFA/TA)从第37天的1 897 mg?L-1、0.22升高至第47天的4 755 mg?L-1、0.73,系统进入抑制稳定状态,最终导致容积沼气产率从第47天的2.66 L?(L?d)-1降至第48天的1.88 L?(L?d)-1,系统恶化。协同分析表明,当VFA和VFA/TA分别达到2 500 mg?L-1和0.35并出现持续上升的现象时,能提前7～8 d对90%含水率餐厨垃圾湿式厌氧消化系统的失稳提出预警。     

油脂含量和有机负荷对餐厨垃圾干式厌氧消化的影响

为了研究进料油脂含量(5%~25%)和有机负荷(40~60 kg VS/m3)对餐厨垃圾中温干式厌氧消化的共同影响,采用软件Design-Expert 8.0.6设计进料参数,以容积产甲烷率作为响应值,对14组序批式实验的结果进行回归分析,并建立容积产甲烷率与油脂含量和有机负荷间的回归方程。结果表明,当有机负荷为40 kg VS/m3时,甲烷产率随油脂含量的增加而增大;当有机负荷为50 kg VS/m3时,甲烷产率随油脂含量的增加先增大后减小;当有机负荷为60 kg VS/m3时甲烷产率随油脂含量的增加而减小。序批式实验中进料的最佳油脂含量和有机负荷分别为18.7%和42.9 kg VS/m3,对应响应面的理论容积产甲烷率最大值为32.74 L CH4/L。研究结论可以应用到实际工程中,为餐厨垃圾干式厌氧消化技术的推广提供一定的理论基础。     

城市污泥用作无土草坪基质

根据混料设计{3,2}单形格子理论设计,研究了蛭石、污泥堆肥与珍珠岩的不同配比混合基质对碱茅草生长的影响。分别从基质理化性状、碱茅草生长生理指标、草坪综合质量和草坪生产周期等方面分析了各基质的优劣。研究表明:蛭石与堆肥混合基质(T4),珍珠岩与堆肥混合基质(T6),蛭石、珍珠岩和堆肥混合基质(CK1)具有良好的理化性状,其养分充足,容重和pH值适宜,可促进株高增长,提高叶绿素含量。与大田(CK2)相比,T6、CK1游离脯氨酸含量明显较高(PP>0.05)。综合评价草坪草质量以CK1最高,T4次之。通过建立基质配比与碱茅草生产周期的关系模型模拟优化共得5 151套基质配比方案,其中生产周期最短为19 d,包含388套方案,体积分数范围分别为:49%≤x1(蛭石)≤87%,13%≤x2(污泥堆肥)≤31%,0≤x3(珍珠岩)≤29%;因此,将城市污泥堆肥用作无土草坪基质是一种非常经济有效的污泥资源化途径。     

沼气增温与控制系统的设计与仿真

冬季北方寒冷地区温度偏低,难以满足大中型沼气厌氧发酵系统对于温度的要求。为了解决该问题,针对天津地区某奶牛场沼气工程,设计了一套回收发电机余热并辅助电加热为发酵罐体供热的沼气增温控制系统,且实验确定最佳控制温度为35℃。在该系统中,罐体内部均匀布置竖直型循环加热管路,从而使料液温度分布更加均匀,热响应更加迅速,6 d左右即可将发酵罐内发酵料液提升到所需最佳温度;另外,采用罐内部温度及循环水流量的反馈调节,使料液的温度波动维持在±1℃范围内,解决了在冬季由于温度过低而导致沼气产气率偏低、甚至停滞的问题;同时,采用MATLAB软件对基于F-PID及传统PID的温度控制系统进行了仿真。对比结果表明,F-PID控制器较传统PID控制器超调量减小3℃,响应时间缩短60%,表明F-PID系统具有更高的效率、稳定性及实用价值。