污泥生物炭去除水中重金属的研究进展

重金属带来的环境风险日益严峻,利用污泥生物炭去除水中重金属污染方面的研究得到了广泛关注。结合当前国内外研究现状,归纳了不同条件下制备的污泥生物炭对水中重金属,如Cd、Pb、Cr、As等的吸附机理,污泥生物炭对大多数重金属的吸附满足物理吸附和化学吸附的多重作用,可通过增加生物炭表面有效基团及有效吸附位点提升吸附性能。同时,总结了影响吸附效率的各种因素,探究了污泥生物炭的再生问题,并对今后污泥生物炭去除水中重金属的研究方向做出了展望。     

石墨烯/聚苯胺修饰阴极对反硝化MFC性能影响

反硝化生物阴极微生物燃料电池（MFC）以电极为电子供体,在自养条件下完成硝酸盐去除过程.本研究以碳布（CC）为基底材料,分别制备获得还原氧化石墨烯修饰（rGO-CC）,聚苯胺修饰（PANI-CC）及二者复合修饰的CC电极（rGO/PANI-CC）,并考察其作为阴极材料对反硝化生物阴极MFC产电脱氮性能的影响.扫描电镜结果显示,rGO-CC和PANI-CC的碳纤维分别被片层状rGO和网状PANI覆盖,而rGO/PANI-CC表面呈现PANI在附着rGO的碳纤维上团聚的形貌,均增大了碳布的比表面积.循环伏安测试显示,rGO/PANI-CC具有最高的电化学活性.以rGO-CC,PANI-CC和rGO/PANI-CC为阴极构建MFC的产电能力分别提高了82%,24%和41%,其阴极对NO₃^--N的去除能力增强了23%,9%和13%.16S rDNA测序结果揭示修饰后电极表面微生物的多样性下降,Stappia和Pacacoccus属微生物的丰度增加.     

核桃壳生物炭对土壤中镉的钝化修复

通过室内模拟试验,研究了核桃壳生物炭（BC400、BC500、BC600）对人工Cd污染土壤（20 mg/kg）pH、Cd赋存形态分布的影响,并探究可能的修复机理。结果显示:经56 d修复后,与空白对照组相比,10%添加量的核桃壳生物炭BC400、BC500、BC600分别使土壤pH升高了1.07、1.31、1.38,弱酸可提取态Cd含量减少了17.02%、20.20%、24.53%,可还原态Cd含量减少了8.9%、19.1%、38.2%,可氧化态Cd含量增加了44.83%、78.45%、100%,残渣态Cd含量增加了66.03%、71.43%、89.21%。同时,土壤pH与土壤中弱酸可提取态Cd含量呈显著负相关（P<0.01）。综上,核桃壳生物炭能够对Cd污染土壤起到钝化修复作用。     

杭州湾北岸36种挥发性有机物污染特征及来源解析

为研究杭州湾北岸VOCs（挥发性有机物）的浓度水平、组成特征、反应活性和潜在来源,采用GC-FID在线监测系统对杭州湾北岸环境大气中的36种VOCs开展了为期1 a（2017年12月-2018年11月）的连续观测,采用LOH（VOCs的·OH消耗速率）和OFP（O₃生成潜势）2种方法估算了大气VOCs的反应活性,并利用PMF（正定矩阵因子分解）和CPF（条件概率函数）模型分析其来源.结果表明:①φ（VOCs）小时平均值在冬季（26.47×10-9）最高,夏季（9.76×10-9）最低;全年φ（VOCs）小时平均值为21.24×10-9,其中烷烃、烯烃+炔烃、芳香烃、卤代烃的贡献率分别为33.24%、34.13%、15.63%、17.00%;φ（烷烃）、φ（芳香烃）和φ（卤代烃）呈较明显的昼夜变化特征,φ（烯烃）和φ（炔烃）无明显昼夜变化趋势.②大气VOCs的总LOH和OFP分别为9.39 s-1和220.57 μg/m3,KOH（·OH反应速率常数）和MIR（最大增量反应活性）系数的平均值分别为17.34×10-12 cm3/（molecule·s）和3.31;KOH和MIR系数的平均值分别与间/对-二甲苯的KOH和乙苯的MIR系数接近,表明大气VOCs的化学反应活性较强;VOCs关键活性物种为异戊二烯、乙烯、丙烯、甲苯、二甲苯和顺-2-丁烯.③特征物种相关性分析表明,杭州湾北岸大气存在老化现象,异戊烷和正戊烷受煤燃烧源影响较大,二甲苯和乙苯受溶剂排放源影响较大,甲苯和苯除受机动车尾气影响外,还受其他排放源影响.④PMF和CPF模型来源分析表明,大气VOCs主要来自石化工业源、燃料挥发源、生物质燃烧和煤燃烧源、机动车排放源和溶剂使用源,其中,机动车排放源主要来自西北方向,其他源主要来自西北、西和西南方向.研究显示,杭州湾北岸大气VOCs来源复杂,受周边工业区的影响较大.      

基于边介数的省域生态廊道构建方法优化

我国城市建设和生态保护工作均对土地资源有大量需求,二者之间的矛盾在经济优先发展区表现尤为明显.为了有效地改善生态环境,管控土地利用并引导其变化发展,需要建设具备不可替代特征的省域生态廊道.最小累积阻力模型（minimum cumulative resistance,MCR）是识别生态廊道最常用、有效的模型,但在应用于省域尺度时,MCR模型识别的潜在廊道路由存在冗余的问题.因此,通过引入网络科学中的边介数指数（edge-betweenness）对MCR模型进行优化,计算潜在廊道路由的边介数指数值,选取出其中最为重要和简明的结构来连通生态源地,即提取潜在路由中的骨干路由（backbone route）和关键战略点（key strategic point）作为不可替代的结构来指导省域生态廊道建设.将优化后的MCR模型应用于广东省,构建了全长5 493 km的省域生态廊道,其中包含生态源地20处,关键战略点11个,骨干生态廊道29条.骨干路由与关键战略点构成的不可替代省域生态廊道（irreplaceable provincial corridor）能够实现"廊道数量和占地面积最少、连通性基本不变"的目标.研究显示,边介数能够对潜在路由进行优化筛选,识别出维护省域生态安全的关键结构;不可替代生态廊道能够指导省域生态规划和土地空间的发展利用,并为更高水平的生态安全环境提供了演进的基础;同时也为土地资源紧张的地区提供了建设生态廊道的参考与依据.      

基于TMVOC的地下水位波动带苯系物迁移转化模拟

为探究水位波动情况下苯系物的迁移转化规律,提高石油污染场地地下水污染治理精度,以西北某傍河石化场地为研究对象,基于TMVOC模型对特征污染物苯系物开展泄漏模拟,通过情景模拟比较水位波动对苯系物迁移转化的影响,并从污染分布、相间转化等方面,解析地下水位稳定和波动状态下苯系物迁移转化过程差异.结果表明:①TMVOC模型较好地模拟了水位波动状态下苯系物迁移转化过程.②相较于水位稳定状态下,水位波动作用下苯系物污染深度增加0.5 m,污染面积增加25%,总质量增加12 kg.③水位稳定和波动状态下苯系物"气-液-NAPL（Non-Aqueous Phase Liquids）相"占比分别为0.17%、2.03%、97.8%和0.04%、3.69%、96.27%.④NAPL相苯系物饱和度分布与苯系物质量分布呈正相关,水位波动造成NAPL相初始饱和度降低,且初始水位面以下NAPL相饱和度升高.⑤对于苯而言,水位波动状态下非饱和带中苯在液相中的质量是水位稳定状态下的1.11倍,饱和带为10.15倍.研究显示,水位波动显著地影响了苯系物的迁移转化过程,促进了苯系物的溶解,并使更多的苯系物残留在地下介质中.      

餐厨垃圾生物有机肥对贫瘠黄褐土改良的研究

为了阐明餐厨垃圾生物有机肥改良贫瘠土壤的作用机制,以贫瘠黄褐土为研究对象,通过不施肥、长期（>5 a）施用化肥、中长期（5 a）施用少量餐厨垃圾生物有机肥和短期（1 a）施用大量餐厨垃圾生物有机肥4种施肥方式,分别记为CK组、CF组、LOF-5组和MOF-1组,对比分析不同施肥方式对土壤OM（有机质）、活性有机碳、营养元素和团聚体等的影响.结果表明:①施用餐厨垃圾生物有机肥可显著提高土壤OM、活性有机碳含量,其中,MOF-1组提高效果最显著,与CK组相比,w（OM）可提高173.29%,w（ROC）（ROC为易氧化有机碳）增加了39.17%,w（POC）（POC为颗粒有机碳）和w（DOC）（DOC为可溶性有机碳）分别是CK组的13.85和10.32倍.②中长期（5 a）施用少量餐厨垃圾生物有机肥可增加土壤中较大粒径团聚体的占比,且更有利于提高土壤团粒结构的稳定性,LOF-5组>2 mm粒级的团聚体占比是CK组的4.68倍;与CK组相比,LOF-5组MWD（平均重量直径）增加了100.00%,GMD（几何平均直径）增加了82.98%,>0.25 mm水稳定性团聚体质量占比（DR_0.25）增加了27.20%.③中长期（5 a）施用少量餐厨垃圾生物有机肥可增加土壤中w（TN）（TN为全氮）和w（AN）（AN为速效氮）,与CK组相比,LOF-5组w（TN）和w（AN）分别增加了77.42%和20.82%.施用餐厨垃圾有机肥也可同时增加土壤中w（AP）（AP为速效磷）和w（AK）（AK为速效钾）,MOF-1组增加效果较佳,w（AP）和w（AK）分别是CK组的9.43和3.39倍.研究显示,中长期（5 a）施用少量餐厨垃圾生物有机肥可提升土壤固碳能力,提高土壤养分利用的有效性,从而提升耕地土壤质量,减少化肥施用量,是我国贫瘠黄褐土改良的有效施肥模式.      

水稻秸秆生物炭中铜和镉的形态分布及释放特性

由于目前缺乏对生物质原料来源的管控办法,极有可能用产自受污染农田土壤的秸秆制备出具有高重金属含量的生物炭,因此,研究生物炭中重金属的形态分布及其释放特性对于防控生物炭应用产生的环境风险具有重要意义.基于此,分别采集江西省贵溪铜冶炼厂周边九牛岗污染区和中国科学院鹰潭红壤生态实验站清洁区种植的水稻秸秆制备生物炭（分别记为“九牛岗生物炭”和“红壤站生物炭”）,分析两种生物炭中Cu、Cd的含量及其化学形态分布,考察不同固液比及pH对生物炭中Cu、Cd浸出的影响.结果表明:九牛岗生物炭中Cu、Cd的总量（以w计）分别为119.99、3.83 mg/kg,显著高于红壤站生物炭（19.50、0.96 mg/kg）.尽管九牛岗生物炭中w（酸溶态Cu）、w（酸溶态Cd）显著高于红壤站生物炭,但在形态分布上,九牛岗生物炭中Cu、Cd主要为相对稳定态（可氧化态和残渣态）,二者占比分别为80.3%、76.7%,高于红壤站生物炭（二者占比分别为53.2%、48.0%）.高固液比和低pH可有效增加两种生物炭中Cu、Cd的浸出毒性,其中,九牛岗生物炭在固液比为1:20和1:60时,浸出液中ρ（Cu）、ρ（Cd）均超过GB/T 14848—2017《地下水质量标准》中Ⅱ类标准限值.动力学及累积释放试验表明,两种生物炭中的部分Cu、Cd可在短时间内迅速释放而后逐渐平稳并有上升趋势,且九牛岗生物炭中Cu、Cd释放量显著高于红壤站生物炭.研究显示,来自污染区水稻秸秆生物炭中的Cu、Cd活性显著高于清洁区生物炭,具有更高的环境风险.      

不同制备温度下污泥生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附特性

以城市剩余污泥为原料,于300,400,500,600 ℃温度条件下制备生物炭,通过单因素静态吸附实验探讨制备温度对生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影响。结果表明:在500 ℃以内随着温度上升制备的生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附量增加,制备温度高于500 ℃后变化不明显;扫描电镜（SEM）、比表面积（BET）、傅里叶红外光谱（FTIR）表征结果显示,热解温度对生物炭表面形貌和官能团组成有显著影响;等温模型及动力学拟合结果表明,生物炭吸附Cr（Ⅵ）为单分子层吸附、物理-化学复合吸附。热解温度对污泥制备生物炭吸附Cr（Ⅵ）的性能有显著影响,最佳制备温度为500 ℃,在此条件制备的生物炭对Cr（Ⅵ）的理论吸附量可达7.93 mg/g。     

基于SWMM模型的上海市松江国际生态商务区海绵城市建设效果评价

海绵城市建设旨在恢复城市自然调蓄能力,提升生态环境和城市韧性。以上海市松江国际生态商务区为研究区域建立SWMM模型,评估海绵城市建设对区域降雨径流控制和污染负荷控制效果,结果表明:较之传统开发模式,海绵城市建设能够显著滞蓄雨水、降低区域径流总量、削减入河污染负荷,有效减轻区域排涝压力和水环境压力。对于3,5,20,50 a重现期的2 h降雨,海绵城市径流总量分别削减40.8%、39.5%、37.0%、35.8%;对于5 a重现期的2 h降雨,TSS、COD、TN、TP的削减率分别为36.3%、39.4%、32.9%、47.6%。