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国际知名期刊《Chemosphere》连续刊发团队三篇科研文章
发布者: 金鹏康 | 2022-03-23 | 162

近日,团队在臭氧气浮强化处理油气田钻井废水、污水管网中硫化氢与沉积物演变特性等方面的研究取得新进展,在国际知名期刊《Chemosphere》(IF= 7.086)连发三篇科研文章。金鹏康教授为论文通讯作者,金鑫副教授、石烜博士、硕士研究生陈雅欣分别为论文第一作者。

工业废水深度处理与循环利用、城市管网污染物转化与调控是污水处理与资源化创新团队、水循环与碳中和技术研究院的重点研究方向之一。长期以来,团队紧密围绕国家政策方针,在推动工业废水资源化利用、加快补齐城镇污水收集和处理设施短板等方面积极探索,为污染物的强化去除提供理论与技术支撑。

 

臭氧气浮强化处理气田钻井废水的特性

题目:Characteristics of dissolved ozone flotation for the enhanced treatment of bio-treated drilling wastewater from a gas field

期刊:《Chemosphere》

IF:7.086

发表时间:2022年03月

通讯作者:金鹏康

第一作者:金鑫

油气田钻井废水含有高浓度的悬浮固体、盐和溶解有机物,成分复杂且水质变化大,几乎没有单一的处理工艺可以满足其排放和回收的要求。同时,在油气开采过程中只有不到10%的处理水被回用,而我国大部分非常规低渗透油气田分布在严重缺水、生态脆弱的西北地区,因此可用于油气田钻井废水处理以及实现处理水回用的深度处理工艺亟待开发。对此,本研究以内蒙古乌申旗建设钻井废水集中处理回用厂的钻井废水为研究对象,通过钻井废水处理性能和处理水直接钻井液制备性能对原有深度处理工艺ECS(Electrocatalytic system)和开发的DOF(Dissolved ozone flotation)工艺进行了比较。采用有机物分级、三维荧光分析、X射线光电子能谱分析和冗余分析等方法研究了DOF反应器内的有机物转化,揭示了盐水钻井液制备的关键影响因素。

图1 DOF反应器(1.臭氧气浮区; 2.絮凝区; 3.沉淀分离区)

ECS与DOF工艺处理性能对比:

在DOF反应器中,臭氧化、混凝、气浮和沉降一体化的存在实现了有机物和悬浮物的高效稳定去除,对COD、浊度、SS均具有优于ECS工艺的稳定处理效果,平均去除率分别达25.4%、98%、95%。臭氧气浮区臭氧与混凝的互促增效机制是DOF工艺获得更高更稳定处理效果的重要原因。对于DOF出水,直接制备的盐水钻井液可以满足油气开采要求,而无论是生物出水还是ECS出水都不能满足盐水钻井液制备要求。

图2 DOF和ECS工艺的处理性能对比(a. ECS;b. DOF)

图3 DOF和ECS工艺的盐水钻井液配制效果对比 (a. ECS;b. DOF)

DOF工艺的有机物转化机制:

根据疏水性/亲水性和酸/碱行为获得四种不同的馏分(HOA、HOB、HON和HI)以进行DOF工艺中有机物转化机制的研究。由于反应器内尤其是臭氧气浮区混凝与臭氧化的同时发生,金属混凝剂与臭氧相互作用生成具有高反应性和低选择性的·OH,有机物被氧化改性并进一步转化,使原水经DOF处理后各馏分的TOC与UV254降低,代表类酪氨酸、类色氨酸、类黄腐酸和类腐殖质的荧光强度降低,同时伴随着芳香碳向含氧官能团和脂肪族碳的转化。

图4 DOF过程四组分的去除效果(上)和XPS分析(下)

图5 盐水钻井液的统计学分析 (a. 盐水钻井液配置的PCA分析; b. 用于制备盐水钻井液的四种馏分的RDA分析; c. 四种馏分与盐水钻井液制备参数的相关性分析; d. 用于盐水钻井液制备的四种分离馏分的碳物质RDA分析)

 

污水管网中硫化氢生成的氧化抑制特性与评估策略

题目:Evaluating the oxidation inhibition of sulfide in urban sewers using a novel quantitative method

期刊:《Chemosphere》

IF:7.086

发表时间:2022年02月

通讯作者:金鹏康

第一作者:石烜

目前,我国污水管网建设长度已达到90余万公里,系统体量庞大,其安全稳定运行是保障城镇生态环境健康以及可持续发展的重要支撑。然而,在长时间、远距离的污水输送过程中,封闭厌氧的管道内部环境导致了硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria, SRB)大量增殖,其繁衍活动会持续代谢生成硫化氢(H2S)有毒有害气体,引发的腐蚀性、接触毒性以及易爆风险是影响污水管网安全稳定运行的重要隐患。

为控制污水管网中H2S产生,国内外通常采用向管道内投加氧化剂以削减H2S的积累量,或投加灭菌剂以抑制SRB活性的策略,然而上述策略在控制H2S产生的同时也产生了一定的负面环境效应。本研究针对此问题,探明了不同污水管网硫化氢抑制策略的优劣性,并建立了相应的定量评估方法,为探索污水管网中H2S控制新技术,以及保障污水管网的安全稳定运行提供科学依据与理论支撑。

研究表明,氧化抑制可有效降低污水管网中硫化物的释放,然而也显著改变了硫相关污染物路径的转化特征。尽管在氧化条件下释放的硫化物浓度下降,但污水中硫酸盐的消耗明显增加,这实际上导致了进一步的硫化物生成。此外,由于氧化条件下SRB具有的高代谢活性,使得污水中有机碳的代谢损失也显著增加,从而削弱污水处理厂生物脱氮除磷的效果。

图1 不同抑制方法下污水管网硫类污染物质的转化规律

图2 不同抑制方法下污水管网硫类污染物的转化模式

图3 硫类污染物各转化途径下的有机质消耗规律

图4 硫类污染物转化计算策略

 

合流制污水管网沉积物冲刷的溢流污染规律与调控研究

题目:Characteristics of overflow pollution from combined sewer sediment: formation, contribution and regulation

期刊:《Chemosphere》

IF:7.086

发表时间:2022年03月

通讯作者:金鹏康

第一作者:陈雅欣

合流制管道溢流(CSOs)主要由径流雨水、城市污水和管道沉积物组成,含有机物、悬浮物、重金属、杀虫剂、挥发性有机物等污染物,若不加管制排出不仅会消耗受纳水体溶解氧,引起水体富营养化;还会通过生物链富集和水体传播直接或间接的影响人体健康。管道沉积物被认为是溢流污染物的主要来源之一,但其对溢流污染的贡献率并不明确。

为探究不同降雨强度下,管道沉积物对溢流污染物的贡献率及溢流污染物的调控特性,本研究建立了一套污水管道—调蓄池联动调控的中试实验装置,模拟了实际不同降雨强度下的管道溢流及其对调蓄池溢流污染物的控制过程。

研究结果表明,随降雨强度的增加,溢流污染物的总负荷增加,低、中、高降雨强度下的负荷分别为7.58 kg、16.54 kg、27.42 kg;颗粒性污染物SS、COD的浓度短时间骤升,而N、P类溶解性污染物浓度则会在一定的稀释作用下降低。管道沉积物是溢流污染物的主要来源,贡献率高达70%。溢流污染物进入雨水调蓄池后,在不同沉降时间发现一定的分层现象。雨水调蓄池内的大颗粒污染物浓度自上而下逐层增加,而溶解性污染物浓度各层间无明显差异。随着降雨强度的增加,溢流污染物的推荐调蓄时间分别为15 min以内,45~60 min和60 min。最后,基于降雨强度、沉积物冲刷厚度和调蓄时间,拟合得到了不同降雨强度下溢流污染物调蓄时间的预测公式,为后续溢流污染物的调蓄处理提供了一定的依据。

图1 不同降雨强度下溢流污染物浓度随时间的变化

 

图2 不同降雨强度下各污染源贡献率

图3 雨水调蓄池不同高度层污染物浓度

(横坐标“15-1”代表“沉降时间-调蓄池层数”。补充信息中提供了45 min和60 min的数据)

图4 不同降雨强度下沉积物的冲刷形式

图5 各污染物调蓄时间预测公式

 以上公式适用于16.32~38.4 mm/d的暴雨强度下,对有沉积物的合流制管道溢流调控过程起指导作用,对于合流制污水管网沉积物堵塞现象较为严重的发展中国家尤为适用。