关键词： 污水处理   生物质碳   磷改性   钴纳米粒子   过硫酸盐   四环素   降解性能  

摘要： 四环素类抗生素(TCs)是全球使用量第二大抗生素，是人类用于治疗和动物疾病控制的主要药物之一，也是农业饲料中的主要抗生素添加剂。大约 40-90%的TCs在保留其生物活性的同时被排泄到水体环境中，从而引起公共卫生问题。传统的生物处理方法并不能完全去除对这些难生物降解的抗生素。基于过硫酸盐的高级氧化技术可以原位去除抗生素，并且不会对水质造成污染，受到了广泛的关注。而能够快速激活 PMS 的催化剂成为了近年来的研究热点。生物质废弃物作为一种低成本、可再生的资源，将其回收再利用，用于激活 PMS，可以减轻环境负担，促进全球环境的可持续性。但是由于生物质的组成复杂，制备的生物质碳含有很多的杂质和混乱的结构，不利于电子的定向流动，使其催化性能不突出。因此本工作旨在通过对生物质进行改性，增强生物质碳表面的活性位点，提高生物质碳的催化性能，从而提高生物质的使用价值。具体包括以下内容：　　1. 钴纳米粒子负载磷改性生物质碳活化过硫酸盐降解盐酸四环素　　通过磷酸对生物质进行改性，再以化学还原法在其表面还原钴离子，制备了负载钴纳米粒子的磷改性生物质碳催化剂，用于活化 PMS 以降解水中的四环素。Co NPs-PBC 所表现出的优异性能归功于磷改性的高吸附能力和负载钴对 PMS 的高活化能力，从而实现了协同吸附和降解，使四环素得到快速降解。研究了不同因素(催化剂用量、PMS 用量、温度、pH 值和共存物质)对 Co NPs-PBC/PMS 体系降解TCH的影响;利用福井函数和拉普拉斯键级预测 TCH的易反应位点和键强度，并结合 HPLC-MS 结果推测 TCH 降解的中间产物及其生成路径，并且采用毒性分析软件分析中间产物的毒性。该实验表明在降解污染物的过程中矿化率和中间产物的毒性是必须着重关注的，为之后的降解实验提供了一定的思考。　　2. 磷化钴负载改性生物质碳活化过硫酸盐降解四环素类抗生素　　通过磷酸对生物质进行改性，再以高温煅烧法制备了磷化钴负载的磷改性生物质碳催化剂，用于活化 PMS 以降解水中的四环素。通过优化煅烧温度和掺杂比例，确定了Co-PBC的最佳合成条件。通过实验条件的优化，评估了Co-PBC/PMS体系的最优降解条件;猝灭实验和EPR表征，表明了盐酸四环素的降解归因于PMS活化产生的多种自由基(?OH、SO4??、O2??)和非自由基途径(1O2、电子转移)。计算了四环素类抗生素的垂直电离能和-EHOMO，并结合其降解速率得出了良好的相关性，为其他类抗生素的降解提供了新的见解。而且相比于 Co NPs-PBC/PMS 体系，Co-PBC/PMS 体系表现出更高的矿化率，更好的循环使用性，为生物质碳基催化剂预处理废水提供了新的启示，有望在实际中应用。

关键词： 铁锰氧化物   甲烷厌氧氧化   甲烷排放   污水处理   生物学机制  

摘要： 近年来,铁、锰为电子受体的甲烷厌氧氧化（AOM）被证实存在于电化学人工湿地（CW-MFC）中,也是减少CW甲烷排放的重要途径,但是其减排的内在机理、微生物过程和电子转移机制并不清楚。当前抗生素在环境中广泛检出,但抗生素对AOM过程的影响尚不清楚,也未见抗生素对铁、锰CW-MFC系统中产甲烷影响及生物学机制的相关报道。因此本研究构建了活性炭、黄铁矿、锰矿石基质CW-MFC,首先探讨了铁、锰基质对于CW-MFC系统中AOM影响过程和机制。其次,研究了抗生素对于CW-MFC系统中铁、锰-AOM的影响过程和作用机理。最后,由于CW-MFC主要生态功能是污水处理效能,研究了铁、锰基质CW-MFC对于抗生素低C/N废水处理效能和反硝化微生物学机制。研究结果以期为CW-MFC实现甲烷减排和污水协同治理提供理论参考,主要研究结果如下: 首先解析了CW-MFC中通过铁、锰-AOM实现甲烷减排的内在机制。发现铁、锰-AOM让CW-MFC系统甲烷排放量减少了50.86%和52.39%。参与甲烷代谢微生物相对丰度显著升高（Methanothrix soehngenii提高2.24%和0.86%,Methanothrix sp.提高2.01%和1.64%）。在AOM过程中,mcr基因占比是活性炭装置的1.75和1.79倍,影响细胞色素C合成的关键基因cyc1（活性炭系统的1.64和1.12倍）和cox11（活性炭系统的1.90和1.59倍）显著富集,导致电子转移过程被增强。此外,腐殖酸增加也为电子提供穿梭通道,从而显著增强CW-MFC系统的COD、TN、TP去除效率。 其次探究了抗生素对铁、锰CW-MFC废水处理系统中甲烷排放量、微生物代谢途径以及电子传递过程的影响。结果表明:抗生素不但没有抑制AOM过程,反而促进了铁、锰CW-MFC中的AOM过程,导致甲烷排放降低。其中Methanothrix从0.12%～1.57%提高为3.15%～2.97%,Methanoregula从0.38%～0.89%提高为0.75%～4.02%。基于实验结果提出了一条抗生素增强铁、锰CW-MFC系统中AOM的可能代谢路径,首先在铁、锰CW-MFC系统中,低浓度SMZ会促进厌氧甲烷氧化菌和相关合作菌群生长,增强AOM电子转移。然后低浓度SMZ会削弱TCA过程迫使厌氧甲烷菌利用金属氧化还原来获取能量。最后抗生素还可以提高AOM重要菌群代谢,改变AOM相关基因丰度,增强甲烷氧化过程。 最后,在上述研究基础上探究了铁、锰CW-MFC系统对抗生素低C/N废水处理及抗性基因迁移。发现腐植酸依赖呼吸是提高抗生素低C/N废水处理效率的关键机制。铁、锰系统可通过减少亚硝酸盐积累来保证反硝化电子受体数,增强反硝化作用,随着EPS中腐植酸含量的增加,胞内外电子传递效率和微生物代谢增强。配合物IV增加了2.00%和3.06%,加速了硝化过程中的电子传递。H+转运ATP酶的丰度增加了2.86%和2.75%。几乎所有与硫酸盐同化还原相关的酶的基因丰度都增加促进了S、N循环。本研究结果为CW处理抗生素低C/N废水协同治理提供理论依据。

摘要： The digital twins concept enhances modeling and simulation through the integration of real-time data and feedback. This review elucidates the foundational elements of digital twins, covering their concept,entities, domains, and key technologies. More specifically, we investigate the transformative potential of digital twins for the wastewater treatment engineering sector. Our discussion highlights the application of digital twins to wastewater treatment plants(WWTPs) and sewage networks, hardware(i.e., facilities and pipes, sensors for water quality and activated sludge, hydrodynamics, and power consumption), and software(i.e., knowledge-based and data-driven models, mechanistic models, hybrid twins, control methods, and the Internet of Things). Furthermore, two cases are provided, followed by an assessment of current challenges in and perspectives on the application of digital twins in WWTPs. This review serves as an essential primer for wastewater engineers navigating the digital paradigm shift.

关键词： 紫外-可见光光谱   臭氧氧化   模型   污水处理   过程控制  

摘要： 在污水处理厂减污降碳提质增效的背景下,伴随着新一轮的提标改造,臭氧高级氧化被更广泛的应用于城镇污水处理厂深度处理,以保障尾水中难生物降解有机物的高效去除;臭氧高级氧化同时也被应用于高浓度有机废水。在污水处理厂实际运行过程中,常存在臭氧过量投加和无效投加的情况,造成极大的能源浪费。针对以上实际运行中存在的问题,本研究构建了基于紫外-可见光光谱数据结合化学计量学的臭氧投加控制模型,并开展了臭氧高级氧化处理垃圾渗滤液MBR处理工艺出水的实验,探究了紫外-可见光光谱法在臭氧高级氧化过程控制中的应用潜力,以降低臭氧氧化的能耗和氧气消耗。主要的研究内容与结果如下: (1)针对城镇污水处理厂臭氧氧化深度处理工艺中存在的臭氧过量投加无效投加的问题,本文对城镇污水处理厂二级处理出水的臭氧氧化系统展开研究。通过对多组连续24小时的COD数据进行测定分析,发现该污水处理厂COD数值有明显时间规律性,臭氧氧化深度处理工艺进水COD数值呈现出连续时间段内低于30 mg/L,同时COD数据在30-40 mg/L的时间点在全天的占比为17-59%。依照COD数值在一天内的变化规律,判断该污水处理厂臭氧投加控制系统可采用先定性后定量的方式进行控制,即判定是否投加臭氧和确定对应臭氧投加量两步进行。本文通过ON/OFF控制来控制臭氧发生器的启停,使用线性判别分析(LDA)、支持向量机判别(SVMC)和偏最小二乘判别分析(PLSDA)三种方法基于光谱吸收峰数据集和全光谱数据集建立臭氧投加控制系统模型,通过对预测集正确率进行比较,得到直线距离法的线性判别分析模型判别效果最好,模型准确度为94.2%,预测正确率为82.35%。本文通过多元线性回归确定相应的臭氧投加剂量,基于新的数据集进行多元线性回归分析,构建了臭氧投加精确定量模型。结果表明通过紫外-可见光光谱结合化学计量学方法可以实现对二级处理出水的臭氧投加的精确控制,但应根据不同应用环境和水质情况建立对应模型,为城镇污水处理厂臭氧投加控制系统的应用奠定基础。 (2)针对垃圾渗滤液MBR处理工艺中膜过滤设备结垢严重影响热传导效率的问题,本部分采用臭氧高级氧化处理难降解有机物,并围绕臭氧氧化过程中紫外-可见光谱变化与反应进程之间可能存在的关联展开研究。对垃圾渗滤液MBR处理工艺出水(包括:超滤出水、反渗透浓缩液、干化母液)三种水样进行臭氧氧化实验,设置10-90 mg/L的臭氧浓度梯度,采集反应过程中紫外-可见光光谱数据与COD数据。通过将紫外-可见光光谱数据与COD数据建立多元线性回归分析模型,用于监测反应过程中的COD数据,为高浓度有机污水的臭氧氧化过程控制提供借鉴。通过反应过程中的紫外-可见光光谱数据与反应终点的紫外-可见光光谱数据的数据差值与对应的臭氧投加量进行多元线性回归分析,建立臭氧投加量模型,为垃圾渗滤液MBR处理工艺中膜过滤设备结垢问题从臭氧高级氧化过程控制方面提供解决问题新思路。 本研究围绕臭氧高级氧化工艺在污水处理中的典型应用场景,采用紫外-可见光光谱法对臭氧氧化工艺过程进行实时监测,以解决臭氧氧化工艺能耗和氧气消耗高的难题,实现了臭氧氧化的过程控制从而实现降低能耗。

关键词： 高级氧化技术   污水处理   工业废水  

摘要： 随着经济的发展，工业规模的不断扩大，工业用水量激增，同时废水量也迅速增加，废水中存在不易被降解的有机物，如有机重金属、有机氯化物等，会污染水资源，威胁民众身体健康。近年来开始应用高级氧化技术降解工业废水中的有机物，该技术相比于其他的技术处理废水的效果较好，处理较为彻底，是目前废水处理技术研究中的一项热点。本文深入探讨了几种常见的高级氧化技术，并通过实例展示了高级氧化技术在工业废水处理中的实际应用，为废水治理提供了有益参考。

关键词： 城市污水处理厂   微生物多样性   溶解性有机物   化学多样性   高分辨率质谱  

摘要： 城市污水处理厂（Wastewater treatment plant,WWTP）中化学多样性（Chemodiversity）和微生物演替之间的关系非常复杂并具有双向性。微生物群落对不同生物处理单元内溶解性有机物（Dissolved organic matter,DOM）组成变化的具体贡献尚不清楚,DOM组成对微生物演替的影响亦有待解析。本研究结合现场调研和实验室模拟,利用多种表征方法结合高通量测序技术探讨了两种典型污水处理工艺在春夏秋三个季节变化下,各处理单元中DOM化学多样性与微生物演替之间的关系;探讨了强降雨冲击对污水处理单元中DOM化学多样性的影响;并在实验室条件下模拟了三种水源按不同比例混合并孵育后DOM化学多样性与微生物演替的互作关系,主要结论如下: 1)厌氧缺氧好氧（Anaerobic anaoxic oxic,A2O）工艺的厌氧单元增加了脂肪族/蛋白质和木质素类分子数量,但对荧光DOM的去除率最高（14.1%-64.4%）,而缺氧单元能有效去除CHON和CHOS分子（11.6%-47.5%）,好氧池主要去除脂类（26.2%-45.1%）;季节变化影响A2O工艺中DOM的组成,秋季进水中24.7%为CHONS类。Mantel检验和普鲁克分析（Procrustes）表明,39.9%的DOM化学多样性变化可由微生物群落结构的演替解释。A2O工艺中调控DOM分子的关键微生物为Parcubacteria＿genera＿incertae＿sedis,Acidobacteria＿Gp16和Saccharibacteria＿genera＿incertae＿sedis。 2)一体化氧化沟工艺能高效削减CHOP类物质（26.0%～41.0%）,且主要发生在厌氧池（24.0%～47.0%）;不同季节下该工艺中DOM组分主要为脂类（25.0%～81.0%）和木质素类（14.0%～62.0%）,夏季好氧池能有效去除含氮（CHON）(30.2%)和含硫（CHOP）(25.2%)类物质,秋季CASS中CHON和CHONS类分子数量分别增长3.16和3.53倍;Mantel检验和普鲁克分析结果亦表明,58.5%的化学多样性变化可由微生物群落结构的演替解释;unclassified＿Bacteroidete是该工艺调控DOM分子的关键微生物。 3)在强降雨冲击下,污水中腐殖酸组分明显增加（～15%）,类酪氨酸比例的大幅下降（～18%）。降雨初期,（累计56.6 mm/24h）进水中DOM分子量为200-500 m/z,缺氧池的CHONSP和CHONP类分子增加了12.8%和23.8%。降雨中期,（累计58.3 mm/24h）进水分子量降低（200-400 m/z）。缺氧处理单元对56.6 mm、58.3 mm和7.8 mm降雨量下,DOM分子数量去除率分别达到62.4%、24.2%和30.9%。 4)不同水源混合不仅影响水质的理化特性,还改变了DOM的荧光特性和分子组成,混合孵育3天后DOM分子数量减少47.8%～54.6%,且多为CHO类。而含有河水的混合水中DOM分子数量增加1.32～1.66倍;河水和再生水共有的优势微生物为Arcobacter,生活污水中多为Streptococcus。微生物群落结构的演替能解释19.6%DOM化学多样性变化。 综上,污水处理厂DOM化学多样性的演替受处理工艺和降水冲击的影响,DOM转化的关键功能微生物同处理工艺显著相关,而再生水的排放能够改变受纳水体中DOM和功能微生物的相互作用。

关键词： 污水处理PPP项目   风险识别   风险评价   风险应对  

摘要： 政府与社会资本合作模式(PPP)在某种程度上为优化公共服务和拉动有效投资做出了突出的贡献。但有一些迫切需要解决的问题也在实际操作中显现出来。为充分释放民间投资活力,发挥市场机制的作用,遏制地方政府隐性债务,提高公用事业项目建设运营水平,2023年国家发展改革委员会联同财政部针对当前PPP实施中所遭遇的诸多挑战,制定并推行了一套创新性指导方案(即“新机制”),期望通过此举更为规范地激活PPP模式,并确保项目高效运转。基于此,本文对A市第二污水处理厂PPP项目的基本情况和运营风险进行了研究,以期为类似项目提供借鉴。主要研究内容如下: (1)通过运用文献研究、检查表法和专家咨询等多种方法,本研究深入探讨该项目运营过程中的潜在风险。经细致梳理,归纳出七大一级风险因素及其三十二个二级风险因素,并据此完成了PPP项目运营风险评估指标体系的构建。 (2)通过运用基于层次分析法(AHP)和熵权法的综合评估模型,对识别出的各种风险因素进行了全面的风险评估。结果显示,在A市第二污水处理厂PPP项目的运营期内,一级风险因素重要性排序依次为:政府行为与政策风险、经营管理风险、技术风险、市场风险、法律风险、金融风险、自然与环境风险。基于此,采用决策实验室方法来划分二级风险等级,并确定了政府干预风险和政府经验缺乏风险是政府行为与政策风险指标中的关键指标;使用者付费风险是经营管理风险指标中的关键指标;前期设计风险、工程质量风险是技术风险指标中的关键指标;水量超负荷风险是市场风险指标中的关键指标;合同条款约定不清风险、法律体系不健全风险是法律风险中关键的风险指标;利率风险和通货膨胀风险是金融风险中关键的风险指标;自然灾害风险和社会环境风险是自然与环境风险中关键的风险指标。 (3)基于风险分析的结果制定了风险分担框架,并从政府、社会资本方及双方共担三个角度提出了风险应对具体性策略。 基于对A市第二污水处理厂PPP项目的风险识别、风险评价和风险分担,构建了一个健全的PPP项目运营风险管理预防体系,为不同主体提供了针对性的解决策略,并为国内类似项目的风险管理提供有价值的参考与借鉴意义。