限域结构纳米复合材料及其吸附性能研究进展

纳米材料因其比表面积大和表面活性高，在水处理领域表现出了极具潜力的发展前景。利用空间限域结构来固定和分散纳米材料可有效解决纳米材料易团聚失活、操作分离困难和潜在环境风险等问题。文章综述了具有限域结构的纳米复合材料制备方法及其对水中污染物吸附性能的研究进展，从限域空间内纳米颗粒的尺寸调控与污染物的富集、限域空间中特异性的污染物分子结构和纳米材料晶体结构等多方面详细分析了纳米限域效应的环境行为及其对水环境中污染物去除的重要意义。根据分析可知，限域结构中的吸附机理、纳米复合材料在真实环境体系下的应用、材料的环境与健康风险等是未来该领域研究的重要方向和热点内容。     

长期施肥下浙江稻田不同颗粒组分有机碳的稳定特征

依托浙江水网地区稻田长期定位施肥试验(1996~2013年),利用固态13C核磁共振波谱技术,研究长期不同施肥措施下土壤各颗粒组分有机碳含量及其化学结构特征.结果表明,与不施肥对照(CK)相比,秸秆与化肥配施(NPKRS)、栏肥与化肥配施(NPKOM)、单施化肥(NPK)和单施栏肥(OM)处理均显著(P0.05)增加了砂粒(2~0.02 mm)、粉粒(0.02~0.002mm)和黏粒(0.002 mm)组分中有机碳含量;而单施秸秆(RS)处理仅显著增加砂粒组分有机碳含量.此外,与单施化肥处理相比,有机肥和化肥配施促进了新增有机碳在粉粒和黏粒组分的分配,更有利于新增有机碳的稳定.应用13C-NMR波谱技术进行结构表征,结果表明粉粒和黏粒组分有机碳的化学结构存在明显差异,粉粒组分烷氧碳、芳香碳的相对含量高于黏粒,而烷基碳、羰基碳的相对含量低于黏粒.长期有机肥与化肥配施下粉粒和黏粒烷基碳相对含量较单施有机肥处理分别降低9.1%~11.9%和13.7%~19.9%,烷氧碳的相对含量则分别增加2.9%~6.3%和13.4%~22.1%,表明有机肥与化肥配施处理降低了粉粒和黏粒组分有机碳的分解程度.长期单施化肥处理下粉粒和黏粒组分有机质的芳化度和疏水性低于单施有机肥处理和不施肥处理,有机质的矿化稳定性较低.长期有机肥与化肥配施,尤其是NPKOM处理,通过增加化学抗性化合物和碳水化合物的积累,并且减缓活性组分的分解提高粉粒和黏粒组分有机碳含量,是促进稻田土壤有机碳可持续积累的有效措施.     

纳米氧化锌粒径效应对人工湿地运行性能的影响

为考察ZnO NPs粒径效应对人工湿地运行性能的影响,在进水COD约为216.00 mg·L-1、总氮约为11.10 mg·L-1和总磷约为3.84 mg·L-1的条件下连续运行126 d,对暴露于不同粒径ZnO NPs(10.00mg·L-1)的人工湿地脱氮除磷性能、填料渗透系数、胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)产量和特性以及微生物群落结构和多样性的变化进行了研究.结果表明:与对照组(未投加ZnONPs)相比,进水中投加15、50和90nm ZnO NPs后,人工湿地对COD的去除率分别下降了8.73％、7.55％和6.97％;氨氮和总氮的去除率分别下降了21.96％和10.95％、17.75％和10.00％以及15.34％和3.78％.高通量测序结果表明,ZnO NPs粒径越小,对硝化菌属Thauera的抑制作用越明显.投加Zn ONPs后,其释放的Zn2+会与水中磷酸盐结合生成磷酸锌等不溶物,同时会增加异养硝化菌Acinetobacter的相对丰度,从而导致总磷的去除率比对照组提高了42.49％～56.38％.此外,与对照组(97.18 mg·g-1)相比,投加15、50和90 nm的ZnO NPs后EPS的产量分别增加到212.97、156.30和128.53 mg·g-1.EPS分泌量的增大,导致填料渗透系数快速降低,在运行83 d后分别下降了71.17％、67.83％和37.50％.     

硫酸盐和Fe(Ⅱ)EDTA-NO/Fe(Ⅲ)EDTA厌氧还原过程特性及微生物群落分析

在生物法烟气脱硫技术(Bio-FGD)和络合吸收生物还原脱硝技术(BioDeNO_x)基础上,提出了生物结合络合吸收同步脱硫脱硝的工艺思路,该工艺利用加入Fe(Ⅱ)EDTA的碱性吸收液同时吸收烟气中的二氧化硫(SO_2)和一氧化氮(NO).本研究在厌氧反应器中实现烟气脱硫脱硝吸收产物硫酸盐和Fe(Ⅱ)EDTA-NO/Fe(Ⅲ)EDTA的同步去除.结果表明,水力停留时间为16 h,p H维持在7.0时,硫酸盐的平均去除率为95.16%,Fe(Ⅱ)EDTA-NO的平均去除率为96.61%.硫酸盐的还原产物主要以液相中硫离子和气相中硫化氢的形式存在,Fe(Ⅱ)EDTA-NO的最终还原产物为N2.反应运行的各个阶段均可实现Fe(Ⅲ)EDTA的还原,但还原率会随HRT降低而下降.第5阶段反应器中主要的硫酸盐还原菌为Desulfomicrobium,同时存在异养反硝化菌Pseudomonas与两种硫自养反硝化菌Sulfurimonas与Sulfurovum,并发现了两种具有还原单质硫功能的菌属Thermovirga与Mesotoga.     

SBR加载不同粒径磁性活性炭对其污泥颗粒化进程的影响机制

在相同序批式活性污泥反应器(SBR)中分别加载1.5 g·L~(-1)的80、140、200、和300目不同粒径的磁性活性炭(反应器编号依次为2、3、4、5号),同时以不投加磁性活性炭的SBR反应器(1号)作为对照组,研究各反应器污泥体积指数(SVI)、粒径分布特征、胞外聚合物(EPS)中胞外蛋白(PN)、胞外多糖(PS)的含量变化规律以及除污性能.结果表明,不同粒径磁性活性炭对污泥颗粒化进程有一定的影响,粒径过大、过小对促进污泥颗粒化进程的强化作用不明显,当磁性活性炭的粒径为140目和200目时,活性污泥很容易以其作为"成核"载体快速形成好氧颗粒污泥,并且形成的颗粒污泥结构紧密,沉降速率快.采用高斯函数分析污泥粒径分布和标准偏差发现,反应器运行的第50 d,3号和4号反应器内污泥平均粒径均达到了780μm以上,明显高于其他反应器,标准偏差分别为318.9μm和362.3μm,两反应器内形成的颗粒污泥粒径较均匀,处理系统较稳定.与此同时,投加不同粒径的磁性活性炭均有利于促进污泥胞外蛋白质PN含量的增加,对胞外多糖PS的含量影响不大;但合适的磁性活性炭粒径(140目和200目)越有利于污泥PN的分泌,颗粒化程度明显的3号和4号反应器的PN/PS比值均高于其他3个反应器.磁性炭基好氧颗粒污泥的形成符合"惰性内核模型".此外,3号、4号反应器对废水TN和TP的去除率分别达到50%和60%以上,均高于其他反应器.     

流态对生物添加强化硝化效果的影响

在15℃、相同氮负荷和添加强度条件下运行SBR和CSTR以对比分析两种典型流态(推流式和完全混合式)对硝化菌添加强化硝化效果的影响.结果表明,添加期间,SBR中氨氧化速率(AUR)和亚硝酸盐氧化速率(NUR)分别为添加前的2.34和2.39倍,停止添加后又分别降为添加前的2.01和1.78倍;添加期间CSTR中AUR和NUR分别为添加前的2.63和2.44倍,停止添加后又分别降为添加前的1.48和1.31倍.荧光原位杂交结果显示,添加期间,SBR中氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的个数百分比分别为添加前的2.67和2.71倍,添加停止后,又分别降至原来的2.14和1.95倍;CSTR中AOB和NOB分别为添加前的2.91和1.77倍,但在添加停止后CSTR中AOB和NOB分别降至添加前的1.25和1.50倍.因此,硝化菌添加期间,两种流态的添加效果接近,但是在添加停止后,由于流态对硝化菌中K-决策者(Nitrosospira、Nitrospira)和r-决策者(Nitrosomonas europaea、Nitrobacter)的选择作用,添加的硝化菌在完全混合式条件下比推流式条件下更容易被系统淘汰.     

长期暴露下纳米TiO2对厌氧颗粒污泥体系稳定性的影响

以厌氧颗粒污泥为研究对象,通过静态试验和连续流厌氧反应器,重点研究了长期暴露下纳米TiO_2在对厌氧产甲烷体系的影响及其在颗粒污泥中的归趋.结果表明,短期急性暴露于150 mg·g-1(以VSS计)的纳米TiO_2尽管会暂时减缓产甲烷速率,但产酸阶段及产甲烷阶段代谢产物总量不会明显受到影响,纳米TiO_2对厌氧颗粒污泥具有较低的急性毒性.反应器运行结果表明,纳米TiO_2的长期暴露可导致挥发性脂肪酸(VFAs)积累及生物气产量降低,产酸菌比产甲烷菌对纳米TiO_2的累积效应更加敏感,纳米TiO_2抑制机制可归因于"物理遮蔽"作用.出水中TiO_2的平均含量只有0.632 mg·L~(-1),绝大多数纳米TiO_2都被截留在了反应器中.FISH检测表明,厌氧颗粒污泥微生物的菌群结构有所变化,纳米TiO_2在反应器内的积累使得甲烷八叠球菌的丰度大幅增加了115.6%,其优势地位明显增强.长短期暴露试验的结果对比也说明,用短期暴露试验来说明纳米颗粒对厌氧体系的长期累积效应具有一定局限性,纳米TiO_2对厌氧颗粒污泥中微生物的负面影响需要较长时间的积累才会显现.本研究结果可为厌氧污水处理体系中纳米颗粒的潜在生态风险评价提供理论支持和参考依据.     

不同运行模式下改良型CAST工艺处理生活污水的除磷性能

实验采用改良型CAST工艺,以生活污水为研究对象,考察了C/P、回流比及温度等不同运行模式对系统除磷性能的影响.结果表明,常温条件下进水C/P由50升至100,系统除磷率均值从15%迅速升至95.6%,除磷性能显著提高;继而降低C/P至75,除磷性能因进水碳源不足再度下降,除磷率均值为51.4%,且长期投加易降解碳源引发系统污泥膨胀并导致污泥大量流失.C/P较低情况下,回流比由25%降低至12.5%,除磷性能提高2.3倍,继续降低回流比至0,除磷性能反而下降;温度实验研究则表明,低温系统(14℃±1℃),除磷率稳定维持在90%以上,而高温短程硝化系统(27℃±1℃)除磷率仅为14.1%,可见低温更有利于系统磷的去除.吸磷小试发现,常温系统污泥以O_2、NO_3~-和NO_2~-为电子受体均能进行吸磷,而低温系统污泥能以O_2、NO_3~-为电子受体进行吸磷,高温系统污泥则仅能以O_2为电子受体进行少量吸磷.此外,实验还发现,系统短期闲置导致的污泥"饥饿"有利于系统除磷率的提高.     

不同CDPF贵金属负载量对柴油公交车VOCs组分排放影响

基于重型底盘测功机,利用质子转移反应质谱(PTR-MS)研究了柴油公交车在中国典型城市公交车循环(CCBC)下,不同CDPF贵金属负载量对尾气中挥发性有机物(VOCs)组分排放特性的影响.结果表明,柴油公交车VOCs主要组分为含氧有机物(OVOCs)、芳香烃和烯烃等,且OVOCs占比达50%以上;在贵金属成分、配比相同时,VOCs减排率随CDPF贵金属负载量增加而增加:贵金属负载量为15 g·ft~(-3)(A型后处理装置)、25 g·ft~(-3)(B型)和35 g·ft~(-3)(C型)时,VOCs总量的减排率依次为36.2%、40.1%和41.4%.C型后处理装置对烷烃全循环减排率高达70.2%,且对OVOCs的催化有微弱优势;对于不饱和烃类,3种不同贵金属负载量的后处理装置均有一定催化效果,但无明显差异;A型对含氮有机物减排率可达50.5%,但减排率随贵金属负载量增加而降低.采用DOC+CDPF后能较好地降低公交车VOCs排放量进而降低臭氧生成潜势(OFP).同时考虑不同方案减排效果与成本因素,当加权系数分别为0.8和0.2时,B型为最优方案.     

基于车载测试的重型柴油车尾气典型烷烃排放特征

本文采用车载排放测试系统对11辆国Ⅰ~国Ⅳ标准重型柴油车进行实际道路测试,利用GC-MS对样品中典型烷烃进行定量分析,解析重型柴油车尾气典型烷烃排放特征及规律.结果表明,排放标准对重型柴油车尾气中正构烷烃、藿烷类有机物排放有显著影响,总体呈现随排放标准的加严而降低的趋势,相比于国Ⅰ测试车辆,国Ⅳ测试车辆正构烷烃、17α(H),21β(H)-C30藿烷(C30-藿烷)、22S-和22R-17α(H),21β(H)-C31升藿烷(22S-C31升藿烷;22R-C31升藿烷)总排放因子分别降低了72.23%,64.95%,70.78%和74.68%.气相正构烷烃呈双峰前锋型,以C17~C18为主峰碳,固相呈单峰前锋型,以C18~C21为主峰碳.藿烷类有机物其22S-C31升藿烷/(22S-C31升藿烷+22R-C31升藿烷)的比值在0.46~0.56之间,平均值为0.50,符合石油中藿烷的分布特征.正构烷烃总排放因子与17α(H),21β(H)-C30藿烷总排放因子呈现出一定的线性关系,其R~2为0.926 8.此外,行驶工况对测试车辆正构烷烃及藿烷类有机物排放有较大影响,非高速工况下排放因子是高速工况的1.69~2.42倍.