复合填料ANAMMOX系统脱氮效能及微生物群落研究

为实现厌氧氨氧化菌(AnAOB)的高效富集,于第26天和第95天在反应器内分别添加活性炭填料和组合填料,构建复合填料ANAMMOX (anaerobic ammonium oxidation,厌氧氨氧化)系统. 通过测定进出水NH₄+-N、NO₂?-N和NO₃?-N浓度变化,考察在不同时期添加填料对反应器脱氮效能的影响,并运用16S rRNA高通量测序技术考察污泥的微生物多样性和群落结构变化情况. 结果表明:①经过160 d的运行,成功构建了具有良好抗冲击负荷能力的复合填料ANAMMOX系统,且其稳定运行期间,TN容积负荷(NLR)和TN去除负荷(NRR)分别可达0.97和0.83 kg/(m3·d),化学计量比接近理论值1∶1.32∶0.26. ②复合填料ANAMMOX系统促进了AnAOB的富集,污泥颜色由初始的黑色逐渐转变为红褐色,并出现ANAMMOX颗粒污泥,复合填料表面有大量AnAOB聚集形成了红色生物膜. ③第160天时,AnAOB在系统中处于主导地位. 门水平分析发现,浮霉菌门的相对丰度由0.77%提至33.17%,绿弯菌门的相对丰度从9.17%提至22.65%,其他菌门的相对丰度降低;属水平分析发现,ANAMMOX菌种Candidatus jettenia和Candidatus brocadia的相对丰度分别为30.56%和1.93%. 研究显示,复合填料ANAMMOX系统可以维持反应器稳定的脱氮效率,同时能实现AnAOB的高效富集.      

基于EEM-PARAFAC解析厌氧生物滤池对城市污染河流中DOM的转化特性

为探究厌氧生物滤池(AF)处理城市污染河流的最佳工况和运行效能,以新河河水为研究对象,运用三维荧光光谱结合平行因子法(EEM-PARAFAC),研究AF中试试验系统在不同水力停留时间(HRT)及温度条件下对溶解性有机物(DOM)的转化特性. 结果表明:①河水中DOM主要包含3种荧光组分,其中,C1为类腐殖质物质,C2为类蛋白物质,C3为类腐殖质物质,类蛋白和类腐殖质物质平均占比分别为53.45%和46.55%. ②AF运行稳定后COD平均去除率为30.75%,出水UV₂₅₄降低19.80%;荧光组分分析表明,DOM的降低主要归因于C2和C3的有效转化,且提高温度和HRT有助于DOM的进一步降低. ③UV₂₅₄和<10 kDa的DOM沿程逐步减小,3~10 kDa和<3 kDa的DOM去除率分别为64.29%和22.81%;沿程出水三维荧光光谱显示,AF前端微生物活性较高,C1和C3变化较小,C2先升高后逐步下降,最终出水DOM总荧光强度出现明显的降低,表明AF第1级滤层是DOM去除和转化的主要区域. 研究显示,常温且HRT=24 h工况下,AF能够在一定程度上将难降解有机物转化为易降解有机物,有效去除城市污染河流中的DOM,可作为处理城市污染河流的潜在预处理手段.      

有机质对土壤中多环芳烃纵向迁移的影响

为探讨多环芳烃(PAHs)在不同有机质梯度土壤中的纵向迁移机理,以山东省广泛分布的潮土、褐土和棕壤为研究对象,配成低有机质含量(17 g/kg)、中有机质含量(30 g/kg)、高有机质含量(45 g/kg)三种梯度的较清洁土,以柴油原液配成污染土壤,采用室内土柱淋滤试验,模拟自然条件下土壤中PAHs的纵向迁移,分析淋滤后较清洁土和污染土中PAHs的含量及组成.结果表明：PAHs在潮土中更易向下迁移,褐土和棕壤无显著性差异(P>0.05). PAHs主要富集于较清洁土柱表层(69.10%～73.68%),随土柱深度增加,PAHs含量逐渐降低;在去离子水条件下淋滤,较清洁土中低环PAHs的迁移能力大于高环PAHs.与低有机质条件相比,中有机质条件下PAHs的淋滤率降低了20.43%～32.41%,高有机质条件下降低了48.16%～58.05%.研究显示,低环PAHs易向下迁移,高环PAHs则较难向下迁移,有机质会抑制土壤中PAHs的纵向迁移,有机质含量越高,对PAHs纵向迁移的抑制作用越强.     

制备高通量、抗污染PDA/PEI纳米颗粒膜用于农村含油生活污水处理

水处理分离膜具有纳米尺度筛分孔道,虽适合分散式处理农村生活污水中油水乳化液,但膜污染严重,导致膜通量较低.因此,设计抗污染、高通量水处理分离膜可实现农村含油生活污水高效处理.本文采用真空辅助自组装技术,在高分子膜表面及内部负载聚多巴胺（PDA）/聚乙烯亚胺（PEI）纳米颗粒,制备了PDA-NP膜.由于纳米颗粒含有丰富的亲水基团,改性后膜纯水通量及农村含油生活污水通量恢复率分别高达（741.23±17） L/（m²·h）及99.4%,实现了高通量、抗污染目标;另外,对农村含油生活污水TOC的去除率达45.12%,具有较强的实际意义.     

基于PMF的土壤多环芳烃致癌风险定量源解析方法研究:以太原市为例

为实现土壤PAHs (多环芳烃)来源致癌风险的定量化,选取太原市城乡土壤为研究对象,分析PAHs污染水平并建立含量成分谱,利用PMF (正定矩阵因子分解)模型识别污染源,采用蒙特卡罗模拟进行健康风险评估,并联合PMF模型和健康风险模型量化PAHs污染源的健康风险,比较不同污染源对土壤PAHs含量和对致癌风险贡献的差异. 结果表明:①太原市土壤PAHs污染严重,城市地区人群暴露于土壤PAHs的致癌风险超过了可接受风险水平(10?6),农村地区人群超过可接受阈值的概率在10%~50%之间. ②城市土壤中PAHs主要来自燃煤交通混合源(41.5%)、燃煤源(26.0%)、石油源(16.2%)、焦炉排放源(8.2%)和交通排放源(8.1%),农村土壤PAHs主要来自燃煤源(43.3%)、生物质燃烧源(22.3%)、交通排放源(22.7%)和焦炉排放源(11.7%). ③燃煤交通混合源是城市地区致癌风险的最大来源,贡献率为53.7%;交通排放源和燃煤源是农村地区致癌风险的主要来源,贡献率分别为46.3%和45.6%. ④不同污染源对PAHs含量的贡献与其对致癌风险的贡献存在差异,对于城市地区,燃煤交通混合源、交通排放源对PAHs含量的贡献率分别为41.5%、8.1%,而其对致癌风险的贡献率分别为53.7%、13.0%;对于农村地区,交通排放源对PAHs含量的贡献率为22.7%,但其对致癌风险的贡献率为46.3%. 研究显示,规避交通排放源是降低PAHs致癌风险的关键,建议将基于健康风险的定量源解析技术应用到土壤风险管控中,以期更为有效地降低健康风险,保护人体健康.      

京津冀及周边地区“2+26”城市臭氧的季节性变化规律

城市臭氧(O₃)污染已成为当前主要的大气污染问题之一,也是空气污染防控面临的新挑战. 然而,基于长时段连续监测数据的O₃浓度季节性变化规律及成因解析仍较薄弱. 本文基于2014年3月1日—2021年2月28日空气质量在线监测平台日尺度数据,通过偏相关等方法探讨京津冀及周边地区“2+26”城市O₃的季节性变化规律. 结果表明:①“2+26”城市2014—2020年O₃年均浓度上升速率为3.82 μg/(m3·a),呈现先上升后下降的趋势,下降速率小于上升速率;O₃浓度的季节性变化特征表现为夏季>秋季>春季>冬季. ②2014—2020年O₃轻度污染天数占比最大且呈上升趋势,除北京市外,其他城市夏季O₃中度污染天数上升趋势明显. ③2017—2020年O₃浓度与CO、NO₂浓度的显著负相关性在夏季和冬季有所增强. O₃与SO₂浓度的关系由2014—2017年春季、夏季和秋季的显著负相关变为2017—2020年夏季和冬季的显著正相关(P<0.05). ④春季和秋季O₃浓度与日均气温呈显著正相关,夏季和冬季O₃浓度与相对湿度呈显著负相关,与日均风速的相关性则相对较弱. 研究显示,“2+26”城市O₃污染协调治理成效显著,需在保持现有NO_x控制力度基础上强化VOCs控制,加强SO₂治理,进一步遏制夏季O₃浓度上升.      

基于多机器学习算法耦合的空气质量数值预报订正方法研究及应用

应用多种机器学习算法进行时空耦合从而建立一种新的多模式集合预报订正算法(简称“ET-BPNN算法”),对4种常规污染物(NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀)的空气质量模型预报结果进行订正. 订正方法分为两步,第一步中利用随机森林、极端随机树和梯度提升回归树3种机器学习算法,采用4个空气质量数值预报模式(CMAQ、CAMx、NAQPMS和WRFChem)的多尺度污染物浓度预报数据、中尺度天气模式(WRF)的气象因子预报数据(包括2 m温度、2 m相对湿度、10 m风速、10 m风向、气压和小时累计降水量)以及污染物浓度观测数据作为训练集,训练结果进入基于均方根误差的择优选择器,选取3种机器学习算法中优化效果最好的算法;在第二步中利用了BP神经网络算法,通过加权平均获得集合模式订正预报结果. 结果表明:①与模式集合平均算法相比,ET-BPNN算法使NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀浓度预报值与观测值之间的均方根误差分别减小了30.4%、18.9%、43.3%和38.1%. ②ET-BPNN算法的优化效果较随机森林、极端随机树和梯度提升回归树3个机器学习算法有明显提升,与极端随机树算法相比,ET-BPNN算法使NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀浓度预报值与观测值之间的均方根误差分别降低了42.7%、20.1%、19.7%和9.7%. ③在易发生污染的秋冬季,ET-BPNN算法对PM_2.5浓度的预报具有明显的优化效果,此外该算法明显缩小了不同站点预报和不同预报时效之间的偏差,具有较好的鲁棒性. ④对O₃和PM_2.5浓度预报而言,经ET-BPNN算法优化后的预报结果能够更好地把握污染过程,对污染物峰值浓度的预报也较模式集合平均算法更准确. 研究显示,ET-BPNN算法提高了空气质量模式对污染物浓度的预报效果.      

施加牛粪有机肥对灰钙土吸附阿特拉津的影响机制

有机肥在改良土壤的同时也会改变农药的环境行为. 为明确施加牛粪有机肥对灰钙土吸附阿特拉津(ATZ)的影响作用及机制,采用批平衡试验,分析其吸附动力学、热力学以及牛粪施加量、pH、离子强度等因素对ATZ吸附的影响. 结果表明:①ATZ在灰钙土与施加牛粪灰钙土上的吸附均可分为快吸附、慢吸附直至平衡的过程,准二级动力学模型可较好地描述其吸附过程,施加有机肥增加了ATZ在灰钙土上的平衡时间,吸附速率受颗粒内扩散和外部液膜扩散共同控制. ②施加牛粪有机肥后,灰钙土对ATZ的吸附热力学更符合Freundlich模型,1/n在0.42~0.64之间,吸附属“L型”模式,低温和高温均会抑制ATZ在灰钙土上的吸附. ③pH和共存离子是影响ATZ在灰钙土上吸附的重要因素,随pH的升高,ATZ在灰钙土与施加牛粪灰钙土上的吸附量降低,这是由于碱性情况下,ATZ以阴离子存在,与带负电的灰钙土产生静电排斥作用;灰钙土施加牛粪有机肥后,共存阳离子对ATZ的吸附抑制作用明显,增加离子强度可能导致竞争吸附的存在,从而抑制有机离子在灰钙土上的吸附,且离子浓度越高,抑制越明显. 研究显示,土壤施加牛粪有机肥后,ATZ的吸附量增加,吸附由疏水性分配转变为多分子层化学吸附为主,表明施加牛粪有机肥会改变ATZ在灰钙土上的吸附行为和机制,降低ATZ在灰钙土中的迁移风险. 研究结果将为贫瘠黄土土壤改良风险和三嗪类农药的管控提供理论依据.      

京津冀地区NOx和VOCs协同减排成本及减排策略研究

京津冀地区细颗粒物(PM_2.5)浓度改善速度放缓,而臭氧(O₃)污染不断加剧,PM_2.5和O₃的协同控制对于京津冀地区空气质量持续改善十分关键且紧迫. 通过构建京津冀地区城市层面可计算一般均衡模型(CGE),模拟了PM_2.5和O₃的共同前体物—NO_x和VOCs的边际减排成本曲线,进而构建了京津冀地区PM_2.5和O₃协同控制评估模型,确定了在不同空气质量目标下减排成本最小的NO_x和VOCs协同减排方案. 结果表明:减排成本最小的情景下,京津冀各城市PM_2.5和O₃浓度达到《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准限值时;NO_x和VOCs的排放量需较2017年分别降低25%~67%和22%~60%,需要投入的总减排成本为992.9×108元. 研究显示,基于京津冀地区城市政策仿真平台构建的PM_2.5和O₃协同控制评估模型,可为京津冀地区PM_2.5和O₃协同控制方案的制定提供参考.      

富硅稻壳灰对水稻吸收砷的调控作用

通过向土壤中添加富硅稻壳灰提高土壤溶液中Si浓度可以有效抑制水稻对As的吸收. 为了探索富硅稻壳灰对水稻吸收As的内在调控机理,于2020年在湖南省永州市道县开展了大田试验. 结果表明:富硅稻壳灰的添加使土壤孔隙水中Si浓度较对照组显著增加了866.0%,这为水稻生长提供了充足的Si,使Si在与As的竞争吸收中占据主导作用,同时富硅稻壳灰促进了土壤铁氧化物的沉淀,使孔隙水中As浓度下降了20.3%,这一过程中由于铁氧化物的还原溶解而释放的As重新被固持. 水稻根系铁膜的形成对As的截留作用是抑制As向地上部转运的关键,富硅稻壳灰通过促进通气组织的形成来增加根系氧化能力,使水稻根表铁膜铁浓度(DCB-Fe)较对照组增加了47.3%,使根表铁膜As浓度(DCB-As)较对照组增加了41.0%. 富硅稻壳灰为水稻生长供应的足量Si,通过下调水稻根系中Si转运蛋白Lsi1和Lsi2的表达,从而限制了水稻根系对As(Ⅲ)的吸收,结果显示富硅稻壳灰使精米中无机As浓度降低了29.1%,低于GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》标准限值. 该研究通过大田试验,从土壤孔隙水、水稻根表铁膜以及Si与As在水稻茎叶和稻米运输中的竞争作用三方面系统论述了低温燃烧条件下制备的富硅稻壳灰对水稻吸收As的调控作用,结果表明以0.2%的施加比例施加富硅稻壳灰有效降低了水稻籽粒中无机As 含量,为As污染土壤的水稻安全生产利用提供有效的解决途径.