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熵析污水处理资源与能源化

环境科学学报 2022年第4期42卷 75-80页

作者：郝晓地吴道琦李季 Mark van Loosdrecht 北京建筑大学城市设计高精尖中心中-荷未来污水处理技术研发中心北京100044

熵为热力学第二定律中的抽象概念.按熵之理论,自然熵增和逆熵增维系着生态平衡.人类生产、生活过程中摄取资源并排放污/废水等熵增产物会促进物质熵增并破坏生态平衡,加速生物消亡.而缓释、甚至抵消这种“人为熵增”则乃实现蓝色发展目... 详细信息

熵为热力学第二定律中的抽象概念.按熵之理论,自然熵增和逆熵增维系着生态平衡.人类生产、生活过程中摄取资源并排放污/废水等熵增产物会促进物质熵增并破坏生态平衡,加速生物消亡.而缓释、甚至抵消这种“人为熵增”则乃实现蓝色发展目标的重要一环.如今,人为熵增所引发的自然物质熵变循环塌陷是不争的事实,“自然熵增”之原生态方法显然已不适合大规模处理城市污水,“加速熵增”的传统污水处理技术显然也已不合时宜,只有发展“逆熵增”的污水处理资源、能源化技术才是人间正道.通过对熵的具象化释义,揭示出传统污水处理技术以及污泥填埋方式为“加速熵增”过程,对人类可持续发展十分不利.只有模拟元素循环的自然的“逆熵增”过程,才能使得污水处理走向可持续发展水平.因此,污水资源化与能源化首当其冲,一定是未来污水处理的发展方向.只有通过人工缓释熵增(高效低耗污水处理技术)和促进逆熵增手段(资源与能源化技术)才能抵消人为熵增造成的影响,从而维持生态平衡.

关键词：熵熵增逆熵增物质自然循环资源/能源回收缓释熵增

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污泥EPS作为阻燃剂的机制归纳与潜力分析

环境科学 2021年第6期42卷 2583-2594页

作者：郝晓地赵梓丞李季时琛吴远远北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室中-荷未来污水处理技术研发中心北京100044

高附加经济价值回收产物胞外聚合物(EPS)提取可以有效推动剩余污泥资源化目标.EPS除可替代传统藻酸盐应用于食品、医药、纺织、印染、造纸和日化等行业外,它在阻燃方面独特的性能已展现出用作高端航空器防火涂层的诱人潜力.这得益于EPS... 详细信息

高附加经济价值回收产物胞外聚合物(EPS)提取可以有效推动剩余污泥资源化目标.EPS除可替代传统藻酸盐应用于食品、医药、纺织、印染、造纸和日化等行业外,它在阻燃方面独特的性能已展现出用作高端航空器防火涂层的诱人潜力.这得益于EPS本身复杂的化学结构与物质成分,其优异的相容性、黏附性和生物合成性等优势使它的阻燃与环保性能可能优于市场目前已应用上各种阻燃剂.因此,系统分析和总结EPS的阻燃特性机制对其广泛应用极具现实意义.首先,在总结市售现有各类阻燃剂之优缺点基础上,对比分析EPS阻燃特性以及应用潜力.其次,在阐述EPS中磷(P)元素与类藻酸盐(ALE)物质阻燃原理的情况下,厘清EPS胞外蛋白的协同阻燃过程,以揭示EPS阻燃性能的可能机制.以此为基础上,随之综合评价EPS阻燃特性,并与其他阻燃剂横向对比,总结EPS作为阻燃剂的优势所在.最后,为进一步提高EPS用作表面涂层阻燃材料性能,提出增加EPS磷元素含量、提高和纯化EPS中ALE以及优化EPS与基质的修饰策略.

关键词：胞外聚合物(EPS) 防火材料阻燃特性磷(P) 类藻酸盐(ALE) 胞外蛋白

污水处理过程N_(2)O排放:过程机制与控制策略

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环境科学 2023年第2期44卷 1163-1173页

作者：郝晓地杨振理于文波刘然彬北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室中-荷未来污水处理技术研发中心北京100044

污水处理生物脱氮过程中氧化亚氮(N_(2)O)作为直接碳排放源,其大气升温效应较CO_(2)高出265倍.因此,国际上对N_(2)O排放机制与控制策略的研究层出不穷.N_(2)O产生源于硝化与反硝化过程,主要涉及亚硝化(AOB)及其同步反硝化、常规异养反硝... 详细信息

污水处理生物脱氮过程中氧化亚氮(N_(2)O)作为直接碳排放源,其大气升温效应较CO_(2)高出265倍.因此,国际上对N_(2)O排放机制与控制策略的研究层出不穷.N_(2)O产生源于硝化与反硝化过程,主要涉及亚硝化(AOB)及其同步反硝化、常规异养反硝化(HDN)、同步异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)和全程氨氧化(COMAMMOX)等生物途径,以及硝化过程中间产物NH_(2)OH与NOH之非生物化学途径.常规硝化与反硝化(AOB+HDN)途径在正常运行工况下N_(2)O排放量并不是很大,约只占进水TN负荷的1.3%;即使是HN-AD与COMAMMOX代谢过程,两者N_(2)O产生量也不足TN负荷的0.5%.不可忽视的是AOB亚硝化及其同步反硝化,它们已被确认为是污水处理生物脱氮过程中N_(2)O排放的首要途径;AOB过程中间产物(NH_(2)OH与NOH)非生物化学过程以及AOB反硝化生物过程(主途径)共同导致的N_(2)O排放量可高达TN负荷的13.3%,主要是因为硝化过程溶解氧(DO)受限引起NO^(-)_(2)积累所诱发的AOB反硝化过程.需要特别注意的是,污水处理过程进水碳源不足而导致的HDN反硝化进行不完全情形,这会让NO^(-)_(3)反硝化止步于N_(2)O,致N_(2)O积累,其释放量可高达TN负荷的30%.此外,污泥絮凝体内部同步硝化/反硝化(SND)现象也是N_(2)O不容忽视的产生源,其释放量可高达TN负荷的7.7%,产生根源实际上是AOB反硝化.污水处理生物脱氮过程中为防止N_(2)O产生,应着力促进HDN反硝化进行完全和避免AOB反硝化过程.为此,运行过程中应控制曝气池中DO处于正常水平(~2 mg·L^(-1)),并尽可能延长污泥龄■,以避免AOB亚硝化积累NO^(-)_(2)并诱发AOB反硝化出现;同时,应及时补充进水碳源,以促进HDN反硝化进行完全至终点——N_(2).综述总结生物脱氮过程中涉及N_(2)O产生的所有机制,并根据过程机制讨论对其运行控制的策略.

关键词：生物脱氮碳排放氧化亚氮(N_(2)O) 硝化/反硝化 AOB同步亚硝化及其反硝化同步硝化/反硝化(SND)

UV/NaClO高级氧化法降解再生水中磺胺甲恶唑

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浙江大学学报（工学版） 2019年第1期53卷 186-192,206页

作者：杨海燕叶桂洪陈义华李翼北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室中-荷污水处理技术研发中心北京100044

为了提高再生水水质,采用UV/NaClO高级氧化法降解水中的磺胺甲恶唑(SMX),对比各种降解方法对SMX的去除效果,研究影响UV/NaClO降解SMX的因素,考察消毒副产物三氯甲烷(CHCl_3)的产生情况,研究SMX在实际再生水中的去除效果.研究表明,UV/Na... 详细信息

为了提高再生水水质,采用UV/NaClO高级氧化法降解水中的磺胺甲恶唑(SMX),对比各种降解方法对SMX的去除效果,研究影响UV/NaClO降解SMX的因素,考察消毒副产物三氯甲烷(CHCl_3)的产生情况,研究SMX在实际再生水中的去除效果.研究表明,UV/NaClO降解SMX的速率常数是单独UV、单独NaClO、UV/H_2O_23种处理方法的3.9、60、2.5倍,降解的最佳pH为3～8;NaClO投量会影响去除效果,在SMX初始浓度为1μmol/L,pH为7.4的条件下,最佳投量为0.1 mmol/L;污水厂二级出水和水环境中普遍存在的腐殖酸会与SMX竞争活性自由基和光子,降低了SMX去除率;与单独NaClO处理相比,利用UV/NaClO工艺能够明显减少水中三氯甲烷的产生;SMX在实验室超滤机过滤后的自来水中的降解速率是在实际再生水中的6.8倍.

关键词： UV/NaClO 磺胺甲恶唑(SMX) 降解速率三氯甲烷(CHCl3) 再生水

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可沉微藻对室外光照强度的适应性试验研究

中国给水排水 2020年第5期36卷 20-25页

作者：郝晓地王欣罗玉琪曹达啓北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心中-荷未来污水处理技术研发中心北京100044

在实验室条件下,通过"冲淘"压力可筛选出沉淀率高达97%的可沉微藻。可沉微藻像活性污泥一样在净化功能完成后可通过自然沉降实现藻-水分离,可为污水深度处理提供一种低耗、高效的解决方案。然而,实验室低光照[400μmol/(m^2·s)]条件下... 详细信息

在实验室条件下,通过"冲淘"压力可筛选出沉淀率高达97%的可沉微藻。可沉微藻像活性污泥一样在净化功能完成后可通过自然沉降实现藻-水分离,可为污水深度处理提供一种低耗、高效的解决方案。然而,实验室低光照[400μmol/(m^2·s)]条件下获得的可沉微藻在真实自然光强度下是否依然可以不断生长繁殖并保持对氮、磷较高的去除率,这是一个工程应用必须面对的现实问题。为此,在实验室条件下增加光照强度至接近自然光水平[800μmol/(m^2·s)],观察可沉微藻的生长情况。结果显示,高光照强度对可沉微藻具有抑制作用,使可沉微藻的生长繁殖严重受阻,并降低其光合作用活性(叶绿素a含量)。及时向反应器补充无机碳源CO_2后,可沉微藻经过一定适应期后可恢复生长,并可达到比低光照强度时还高的生物量及较高的氮、磷去除效果(90%以上)。另外,试验还考察了投加营养物硅酸盐、光/暗交替及进水模式对可沉微藻生长与净化性能的影响,结果显示出硅酸盐的双向性作用及光补充基质的优势。

关键词：可沉微藻室外光照强度光抑制生物量叶绿素a 营养物去除

生物膜CANON反应器性能的优化：从FBBR到MBBR

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环境科学 2018年第5期39卷 2256-2264页

作者：付昆明李慧周厚田仇付国北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室中-荷污水处理技术研发中心北京100044

控制温度为30℃±1℃,在移动床式生物膜反应器(MBBR)采用以改性聚乙烯为填料的全程自养脱氮(CANON)工艺,以无机高NH_4^+-N(约400 mg·L^(-1))人工模拟废水为连续进水,研究MBBR对生物膜CANON工艺脱氮性能的优化.试验控制pH在7.8左右,HRT... 详细信息

控制温度为30℃±1℃,在移动床式生物膜反应器(MBBR)采用以改性聚乙烯为填料的全程自养脱氮(CANON)工艺,以无机高NH_4^+-N(约400 mg·L^(-1))人工模拟废水为连续进水,研究MBBR对生物膜CANON工艺脱氮性能的优化.试验控制pH在7.8左右,HRT为6 h,填料填充率为35%,经过一个月调试与培养,NH_4^+-N及TN平均去除率达到74.28%和87.93%,最高分别可达84.68%和98.82%,此时ΔNO-3/ΔTN为0.12,接近理论值0.127,由此判断CANON污泥在MBBR工艺中逐渐适应并得以稳定运行.同时,对比采用相同进水基质及控制条件的固定床式生物膜反应器(FBBR),计算发现MBBR与FBBR工艺NH_4^+-N去除率、TN去除率及去除负荷3组均方差分别为:8.31%和14.06%,7.09%和11.79%,0.17kg·(m3·d)-1和0.27 kg·(m3·d)^(-1),前者均低于后者;并且,在MBBR与FBBR的DO平均浓度分别为1.96 mg·L^(-1)和3.09mg·L^(-1)的情况下,MBBR与FBBR中每升氮去除负荷分别为0.53 kg·(m^3·d)^(-1)和0.37 kg·(m^3·d)^(-1).因此,(1)相比FBBR,MBBR具有更加稳定的脱氮性能;(2)相比FBBR,MBBR中每升填料中的微生物具有更高的O2利用效率及总氮去除负荷.

关键词：移动床生物膜反应器固定床生物膜反应器全程自养脱氮工艺高氨氮污水处理改性聚乙烯

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可沉微藻转化油脂潜力及PHB合成试验研究

中国给水排水 2020年第7期36卷 1-6页

作者：郝晓地靳景宜罗玉琪曹达啓北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心中-荷未来污水处理技术研发中心北京100044

可沉微藻在去除二级出水中氮、磷的同时,可以合成并积累多种具有高附加值的聚合物,如油脂、蛋白质、多糖、聚β-羟基丁酸酯(PHB)等。前期试验在"冲淘"压力下筛选出了沉淀率高达97%的可沉微藻,并通过一系列环境变化(通入CO2、实行光/暗... 详细信息

可沉微藻在去除二级出水中氮、磷的同时,可以合成并积累多种具有高附加值的聚合物,如油脂、蛋白质、多糖、聚β-羟基丁酸酯(PHB)等。前期试验在"冲淘"压力下筛选出了沉淀率高达97%的可沉微藻,并通过一系列环境变化(通入CO2、实行光/暗循环等)刺激油脂聚积,最高可获得49.2%(细胞干质量,下同)的油脂含量。进一步强化试验显示,以增加光照强度与CO2通入量达到进一步提高可沉微藻油脂含量的做法事与愿违,反而出现油脂含量下降的现象。而可沉蓝藻具有相当的合成、积累PHB的能力,只要存在少许特异性碳源(乙酸盐)刺激,可沉蓝藻在不通入CO2的情况下即可轻松合成并积累含量高达30%左右的PHB。这种主要以无机碳源合成PHB的方法比以有机碳源合成PHB的活性污泥法更具吸引力。

关键词：可沉微藻二级出水聚合物油脂聚β-羟基丁酸酯(PHB) 蓝藻

降温过程中生物膜CANON反应器的运行特征

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环境科学 2019年第3期40卷 1412-1418页

作者：付昆明廖敏辉周厚田付巢姜姗仇付国曹秀芹北京建筑大学环境与能源学院城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室中-荷污水处理技术研发中心北京100044

本文以低温高氨氮废水为着眼点,通过不断地调节运行工况,探讨降温过程中全程自养脱氮(CANON)工艺的运行特征,以探索出低温环境下进水NH_4^+-N浓度较高时,CANON工艺获得稳定短程硝化和良好脱氮效果的方法.结果表明:①相较于直接将生物膜C... 详细信息

本文以低温高氨氮废水为着眼点,通过不断地调节运行工况,探讨降温过程中全程自养脱氮(CANON)工艺的运行特征,以探索出低温环境下进水NH_4^+-N浓度较高时,CANON工艺获得稳定短程硝化和良好脱氮效果的方法.结果表明:①相较于直接将生物膜CANON反应器的温度条件由中温转变为低温(30℃±1℃→19℃),逐步降温驯化更有利于脱氮功能菌适应低温环境,且每次降温的幅度应尽量减小,同时还应配合运行工况的调节;②温度经25 d逐步降低至19℃左右,18 d后又继续降至15℃左右,NH_4^+-N和TN去除率均能分别长期稳定在90%、70%以上,甚至当温度下降至12℃时,TN去除率与去除负荷仍能分别达到72. 52%、0. 78 kg·(m^3·d)^(-1);③降温过程中驯化生物膜CANON污泥时,应优先考虑短程硝化控制.可通过维持一定的剩余NH_4^+-N浓度并严格控制DO浓度,以抑制NOB的活性,从而获得稳定的短程硝化效果.

关键词：全程自养脱氮(CANON) 温度厌氧氨氧化(ANAMMOX) 氨氧化细菌亚硝酸盐氧化细菌(NOB) 短程硝化

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蓝色经济下的水技术变革

中国给水排水 2017年第2期33卷 5-12页

作者：郝晓地李天宇 mark van loosdrecht 江瀚曹达啟北京建筑大学北京未来城市高精尖创新中心中-荷未来污水处理技术研发中心北京100044

蓝色经济广义上其实就是循环经济,它与未来环保产业的发展趋势关联度极高。以水技术变革为中心,调整经济运行模式并提升社会普遍接纳程度乃未来水技术向蓝色经济转型发展的主要内容。蓝色经济下的水技术变革既不是对现有工艺的否定,也... 详细信息

蓝色经济广义上其实就是循环经济,它与未来环保产业的发展趋势关联度极高。以水技术变革为中心,调整经济运行模式并提升社会普遍接纳程度乃未来水技术向蓝色经济转型发展的主要内容。蓝色经济下的水技术变革既不是对现有工艺的否定,也不提倡盲目求新,而是"强迫"人类不断向大自然取经,让人类自身发展再次与自然、生态融为一体。对此,需要重新审视原生态文明下的朴素"技巧"与现代文明中的高技术。顺应自然、敬畏生态是发展蓝色经济的全部内涵。为此,应以遵循自然水文循环为前提,在水量上忌"巧取豪夺"、水质上要"完璧归赵"。蓝色经济的实现其技术并非关键,关键是人们的意识和观念,特别是"官智"的作用。只要"官智"打开,便可制定出符合生态原则的政策/法规和经济奖惩措施,才能调动水行业乃至整个社会对发展蓝色经济的积极性和接纳程度。

关键词：蓝色经济水技术变革原生态文明集中处理水文循环官智