臭氧氧化技术作为印染废水深度处理的有效手段,其规模化应用受限于臭氧传质效率低的核心瓶颈。膜接触反应器(membrane contactor reactor,MCR)通过构筑微尺度气液界面,可显著强化臭氧传质过程,兼具传质效率高与无二次污染等优势,但膜污染、材料成本及运行稳定性等问题制约了其工程化推广。系统综述了MCR强化臭氧传质机制的研究进展,介绍了气液界面传质原理与中空纤维膜反应器构型设计规律,解析了膜材料特性(疏水性PTFE/PVDF选择)、工艺参数(气液流速、跨膜压差、pH值)及传质模型对臭氧体积传质系数的调控规律,评述了MCR在印染废水处理中对染料高效脱除、有机物矿化及色度控制的应用效能。研究表明:优化后的MCR系统臭氧体积传质系数比传统鼓泡塔工艺高5~10倍,大幅强化了污染物降解动力学,但膜污染引发的通量衰减、溴酸盐副产物生成及成本效益平衡仍需突破。最后,提出未来研究需重点关注抗污染-耐腐蚀-低成本协同的多功能复合膜材料的理性设计、超重力场/电催化等多技术耦合的界面反应机制解析、基于过程模型的智能参数调控体系构建、中试规模的技术经济性与环境风险综合评价方法等方向,为MCR-臭氧工艺的工程应用提供理论依据与技术参考。
四环素的广泛使用,导致自然水体中抗生素浓度升高,对水生态系统和公共卫生安全构成严重威胁。金属改性生物炭(IMBC)虽能有效去除四环素,但其粉末形态在使用中易流失,导致利用率降低,还有可能引发系统堵塞。以泡沫混凝土(FC)为固定基质,通过FC与IMBC的复合制备了一种新型铁锰改性生物炭泡沫混凝土(IMBC-FC)。结果表明:固定化过程发生了充分的水化反应,使得IMBC-FC具有高孔隙结构,有效避免了IMBC表面活性位点被遮蔽的问题,其对四环素的去除率达到87.7%,固定化对IMBC去除性能的影响低于10%。去除路径分析结果表明:氧化降解过程对四环素去除的贡献约56.9%,反应体系中的活性氧物种以单线态氧(1O2)为主,羟基(—OH)和羧基(—COO-)等官能团可能参与了ROS生成与电子传递过程。此外,参照水处理滤料及人工湿地填料的相关标准规范,对IMBC-FC的工程应用性能进行了综合评价,发现IMBC-FC在孔隙率、机械强度和四环素去除率等方面均表现优异,具有良好的工程应用前景,可为金属改性生物炭高效固定化应用提供有力的技术路径和理论支撑。
随着城镇化与工业化进程不断深入,含氮污染物的排放量持续增加,若不经有效处理直接排入自然环境,将加剧水环境氮素污染。当前,污/废水处理正处于由传统“以能耗能”的污染物削减向“减污降碳、协同增效”转型的关键阶段,绿色、可持续的脱氮技术已成为水污染控制的研究热点与前沿。基于此,全面分析了我国污/废水氮污染的现状,系统梳理了各行业含氮污/废水的水质特征,指出其普遍存在的浓度跨度大、种类多样、难降解等治理痛点。综述了物理化学法、生物法、电化学/生物电化学法及高级氧化法等先进脱氮技术的原理与适用场景,分析了各类技术的处理效能、优势及局限性,特别聚焦于高级氧化技术在难降解含氮污染物治理中的应用。指出未来应进一步发展低能耗、低药耗的生物脱氮工艺,加强电化学、高级氧化等技术与传统生物法的耦合,提升污/废水处理效能、降低处理成本,全面支撑国家水处理“双碳”战略与社会可持续发展目标。
从微生物生态学视角对短程硝化工艺进行系统重构,聚焦氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)与亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria,NOB)在启动-维持-失稳全过程中的动态竞争机制,将持续选择压力作为解释短程硝化稳定性的核心线索,提出群落-过程耦合的分析框架。综述表明:短程硝化工艺启动阶段的关键在于非稳态扰动放大AOB增殖优势;维持阶段呈现结构动态-功能相对稳定的亚稳态特征,NOB常以低丰度或空间受限形式保留;当扰动累积削弱AOB优势时,NOB可快速回弹并触发由短程硝化(partial nitrification,PN)向完全硝化的临界转变。基于此,提出以“资源供给-生态位约束-群落反馈”为主线的运行策略要点,强调在工程尺度上通过窗口期管理提升系统韧性。进一步讨论将时间序列群落数据与关键运行参数对齐,识别短程硝化工艺的失稳边界,并提取预警信号,以支撑预测性调控与运行风险评估。
反硝化过程是污水深度脱氮的关键环节,其本质是微生物驱动的电子传递平衡过程。随着脱氮研究从宏观指标向微观调控转变,从电子流视角探究反硝化机制已成为当前研究前沿。系统综述了反硝化过程中电子流的理论基础,比较了异养与自养反硝化菌胞内电子传递路径及其能量分配特征,重点阐述了以醌池为核心的电子汇集与再分配作用。同时,从微生物种间相互作用角度总结了间接种间电子传递(IIET)与直接种间电子传递(DIET)机制,分析了混合体系中不同微生物在电子供体与电子受体利用过程中的竞争与协同关系。在此基础上,进一步讨论了碳源类型、pH、氧化还原电位及共存污染物对电子传递链及电子分配路径的影响机制。最后,针对当前电子通量原位量化手段匮乏等挑战,提出了多尺度原位表征技术突破、新型电子传导材料开发及智能化电子流调控模型的未来研究方向,旨在为实现低碳、高效的生物脱氮工艺提供理论基础与技术支撑。
全氟化合物(PFASs)在长江下游水体中被频繁检出,且赋存水平偏高,影响饮用水安全与人体健康。针对23种典型的PFASs,在长江下游8座饮用水处理厂开展了水源水、出厂水和龙头水中PFASs的赋存特征调查研究,评估了PFASs在饮用水处理厂中的去除效能和优先控制等级。结果表明:在8座饮用水处理系统中共检出19种PFASs,总浓度为32.02~167.68 ng/L,平均浓度为85.86 ng/L。其中,长链PFASs检出14种,浓度占比35.7%;短链PFASs共检出5种,浓度占比64.3%,短链PFASs是饮用水处理系统中主要污染物。全氟辛酸(PFOA)、全氟丁酸(PFBA)、全氟丁烷磺酸(PFBS)和全氟己酸(PFHxA)是饮用水系统中主要的污染单体。此外,饮用水处理工艺对于PFASs的总去除率为17.8%,其中长链和短链PFASs的去除率分别为22.2%和15.1%。从出厂水至龙头水的输配过程中,共有14种PFASs出现再增加现象,PFASs检出浓度整体回升率达到39.6%,主要为PFBA、PFOA和PFBS,三者对浓度回升的合计贡献率超过92.8%。模型评估发现,全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟十二酸(PFDoA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)是需要重点关注的PFASs,应加大监测力度并优先管控。
在全球变暖的背景下,推进污水处理行业减污降碳协同增效势在必行。基于江苏省3座典型A2/O及其改良工艺的城镇污水处理厂(WWTPs)的2023年运行数据,通过排放因子法开展碳排放核算与特征分析,并采用路径分析法,阐明进水特征和运行参数对污水处理厂碳排放的影响。从间接控制角度分别评估光伏发电和水源热泵等措施对污水处理厂的碳减排潜能。结果表明:3座典型污水处理厂的总碳排放强度在0.578~0.671 kg/m3(以CO2排放当量计,下同),总碳排放量1.889万~2.815万t;间接碳排放在A2/O污水处理厂碳排放中占比较高(71.7%),其中,电能消耗产生的碳排放贡献最高(53.3%);药剂消耗中,由碳源投加引起的碳排放占比最大,可达药剂碳排放总量的36.9%~59.5%;进水浓度较低的污水厂运行过程需要更多的能耗物耗,产生的间接碳排放较高。此外,典型A2/O工艺污水处理厂的进水水质特征和运行参数对各类型碳排放强度均有直接或者间接影响,厂内可积极开展工艺运行参数优化、设备升级改造、智能/慧控制系统应用,以及多种替碳措施等以有效控制碳排放量。以WWTP2为例,利用光伏发电和水源热泵技术,理论上可分别实现22.7%和100.2%的替碳效率,具有较高的碳减排潜能。
河道整治工程的绿色低碳建设是“双碳”目标下水利工程绿色转型的重要内容。针对传统河道整治工程绿色低碳建设策略定性描述多、生命周期评价(life cycle assessment,LCA)少、过程解析多、多场景指导少的共性问题,以南京市句容河整治工程示范段为例,在LCA评价识别河道整治工程碳排放特征的基础上,利用环境/经济二元模型对绿色低碳建设技术的选择进行了不同目标下的情景分析,形成了相应的绿色低碳建设技术措施的组合策略。结果表明:句容河示范段(长度8.46 km)建设期碳排放强度为2705 t CO2eq/km,其中,原材料生产阶段占比最高达92.49%,其次依次为工程建设阶段5.75%>工程运输1.06%>工程准备0.70%。多情景分析显示:采用低碳新能源运输、粉煤灰及再生混凝土等措施,可实现减碳4486 t CO2eq,产生108.14万元的最优经济价值;采用粉煤灰、再生骨料混凝土及碳捕捉水泥(替代率达90.32%)等组合,可减碳7551 t CO2eq,实现经济与环境绩效均衡;实施全部降碳措施可减碳9596 t CO2eq,但需投入113.37万元。经济效益最大化情景与经济生态平衡情景更具工程适用性,可为河道整治工程的绿色低碳建设提供决策依据。
滨海湿地生态环境与区域社会经济发展密切关联,但二者间的内在响应关系尚未明确。以东台市为例,通过系统的野外采样与多源数据收集,结合偏最小二乘结构方程模型(PLS-SEM),解析社会经济发展、河流地表水水质及沉积物碳氮特征三者的耦合关系。结果表明:近5年东台市社会经济与城镇化率均稳步增加,地表水水质呈显著季节性波动特征,其中,TN表现出明显下降趋势。滨海湿地沉积物有机碳与TN含量呈小幅波动。PLS-SEM结果显示:社会经济的发展通过影响河流地表水污染负荷(路径系数=-0.33,P<0.001)间接调节滨海湿地的有机碳和TN含量(路径系数=0.1,P<0.05)。研究揭示了宏观社会经济发展与滨海湿地微观营养盐特征之间的内在关联,可为滨海湿地生态保护与海洋经济协同发展提供科学参考。