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未来市政污水处理技术路在何方?以微藻-菌颗粒污泥工艺为例

传统活性污泥(CAS)工艺作为市政污水处理的核心技术已有100多年的历史。然而,随着未来污水处理技术对能源消耗、碳排放和排放水质要求的不断提高,CAS工艺已略显乏力。例如,CAS工艺通常需要消耗大量电能曝气用于氧化污水中的有机物和氨,同时释放温室气体(GHG)。据报道,2017年市政污水处理所消耗的电能已达到全球电量消耗的0.3-0.5%,而在某些发达国家该占比可达到3-5%,而污水处理过程中所释放的温室气体可占全球全年(2010年)排放量的1.6%。 另一方面,随着环境与生态保护要求的不断提高,市政污水处理的排放标准亦不断提高,如部分省份/地区已出台政策将排放标准提高至地表水IV类标准。显然,传统的CAS工艺难以满足升级后的水质排放要求。因此,近年来越来越多的研究致力于探索污水处理的升级技术。其中,在已有CAS工艺基础上叠加深度处理工艺单元是目前主要的研究方向之一。然而,该升级策略的污水处理工艺虽然可以实现较高的出水水质,但却使整个处理系统的复杂性和处理成本提高,同时增加了能源消耗和温室气体排放。显然,这种由上而下驱动的升级策略只能提供短期解决方案,而不能为未来市政污水处理技术的革新带来曙光。 未来的市政污水处理技术应该具备哪些基本特质?研究作者认为,未来的处理技术应使市政污水处理厂(WWTP)在满足污水处理的基本属性外,应在更广阔的方面扮演重要角色。如图1所示,未来的市政污水处理厂应成为:1)生产高质回用水的水厂,2)具备能源自给甚至供给的电厂,3)实现碳中和甚至碳捕集的绿色工厂,4)能够回收高附加值产品(例如有机物和养分)的资源厂。 1.jpg 微藻-菌颗粒污泥工艺特质的探讨 微藻-菌颗粒污泥工艺是近年来发展迅速的新兴污水处理技术。该工艺由于无需曝气、碳转化以及固液分离好等优势,被认为极具潜力的绿色处理技术。研究作者根据已有研究报道,以及现实应用需求,构建了12h(昼,自然光源)-12h(夜,无需光源)运行模式的零曝气自耦合微藻-菌颗粒污泥工艺,用于探讨其在去污、能耗、碳排放和资源回收等方面的性能。 去污能力 已有研究表明,微藻-菌颗粒污泥工艺在光照条件下,可实现有机物(COD)、氨氮和磷酸盐100%、99.6%和100%的去除;在黑暗条件下,工艺亦表现出较高的去污能力,COD、氨氮和磷酸盐去除率分别可达95.1%、96.5%和100%,即在没有光照的夜间微藻-菌颗粒污泥工艺也具有较强的去污能力。因此,基于12h(昼)-12h(夜)运行模式的微藻-菌颗粒污泥工艺,可在无需外部曝气和照明的情况下,为市政废水处理提供技术可行的方案。 能量消耗 在微藻-菌颗粒污泥工艺中,由于无需外源曝气以及颗粒污泥良好的沉降性能,其能量消耗显著降低。另一方面,工艺将更多的碳固定于生物质内,可产生较多的污泥用于厌氧消化产甲烷,提高了能量回收。经核算,微藻-菌颗粒污泥工艺污水处理单位能耗为-0.178 kWh/m3(表1),即该工艺可实现能量的净增益。从全球范围内来看,若该工艺应用于市政污水处理,每年有望产生641亿kWh能量净输出。 2.jpg 碳排放 随着全球气候变化形势的日趋严峻,温室气体排放对全球变暖的作用得到世界各国的普遍关注。据估算,若市政污水处理厂采用以活性污泥法为核心工艺,其每年可贡献全球碳排放2.672亿吨CO2e(表1)。若采用微藻-菌颗粒污泥工艺,市政污水处理过程的碳排放将会大大降低,减排效果可达77%左右。另外,随着碳交易在世界各国的普遍实施,碳排放将会成为未来污水处理厂不可忽视的潜在运行成本。 资源回收 相对于传统活性污泥法,在微藻-菌颗粒污泥工艺中,废水中的更多的营养物(N和P等)会通过微生物同化作用得到去除,并在菌藻生物质内积累。显然,这更有利于从生物质中提取生物油脂、生产生物肥料等,强化污泥的资源化利用过程。 小结与展望 市政污水处理技术的升级一直为环境领域研究和探讨的热点,其原本污染物去除的单一功能已不能满足环境和经济可持续发展对污水处理提出的更高要求。未来的市政污水处理技术更倾向于向“水回用-能源回收-碳中和-资源化”的复合型方向发展。经分析,微藻-菌颗粒污泥工艺基本满足未来市政污水处理技术对去污、能耗、碳排放和资源回收的要求,可提供一种潜在的技术方案。未来市政污水处理技术路在何方?研究和探索仍在路上。

2021-03-19  (点击量:51)

科学家通过电化学氧化方法来净化制造生物燃料时产生的废水

据外媒报道,科学家们正在用新的方法创造性地生产燃料和电力,但它们也会带来自己的问题。例如,用藻类制造生物燃料就显示出了希望,但它确实会产生大量的有毒废水。现在,澳大利亚的研究人员已经找到了一种净化这些废水的方法,并采用了一种简单且可扩展的电气工艺。 这项研究始于另一个项目的分支,悉尼大学的一个科学家团队正在运行一个试验工厂,该工厂正在养殖微藻,目的是生产生物燃料。通过一种名为水热液化的过程,藻类生物质被转化为一种类似于原油的高能量物质,可以作为一种“绿色”燃料使用。 问题是,这个过程会产生大量被严重污染的废水,其中含有大量的碳、氮和磷。 为了确保这种替代燃料来源尽可能的环保,研究人员开始寻找一种方法来清理这些水。 该团队使用了一种名为电化学氧化的技术,即在水中放置两个电极,其中一个电极由涂有硼的金刚石制成。通过发送电流,在电极表面引发氧化反应,从而将许多污染物转化为危害较小的产物。 “我们采用了一种令人难以置信的强大工艺,甚至可以消除最持久的不可生物降解的污染物,如药品和农药,以及在许多工业废水中可以发现的各种类别的有机化合物,”该研究的主要作者Julia Ciarlini Jungers Soares说。“这个过程相对简单,不需要添加化学品或苛刻的操作条件,也不会产生额外的废弃物。” 该团队报告说,电化学氧化过程去除了水中高达99%的碳,并清除了96%的难看颜色。氮气从有机物转化为氨和硝酸盐等无机物形式。这些在水中仍然存在并不理想,但比其他形式的氮气危害性小。这意味着这种新净化的水可能不符合饮用规范,但它仍然可以找到类似于循环水的用途,用于浇灌花园、清洗车辆、农业、消防和其他工业用途。 该团队表示,这种方法相对简单,可以扩大规模,处理纸浆和造纸加工、酿酒厂、制药生产等行业的废水。 2.jpg 该研究发表在《藻类研究》杂志上。

2021-03-19  (点击量:57)

你见过这样的“跨界合作”吗?神奇的微藻吸的是二氧化碳吐的却是燃料

国家自然科学基金创新研究群体项目设立于2000年,旨在支持优秀中青年科学家为学术带头人和研究骨干,围绕某一重要研究方向合作开展创新研究,培养和造就在国际科学前沿占有一席之地的研究群体,是目前我国学术影响力最大、竞争最为激烈的人才计划类项目。此次是重庆大学时隔6年后再次入选该项目,也是重庆大学第4个入选团队。 神奇的微藻吸的是二氧化碳吐的是燃料 目前,我国70%的发电量仍然靠燃煤电厂,而煤燃烧排出的废气,尤其是二氧化碳对环境影响日益显著,温室效应就是其中之一。 重庆大学能源与动力工程学院院长廖强教授团队所在的低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,恒温室里用各种器皿培养的绿色的微藻。记者了解到,这些只有微米级别大小的微藻就像一个细胞工厂,能源源不断地把二氧化碳以及废水中的氮、磷等废弃物质转化为富含油脂、碳水化合物、蛋白质的生物质。 “油脂可以被转换成生物柴油,替代我们现在所依赖的化石燃料。虽然微藻有这么大的潜力,但目前微藻能源转化还存在能耗高等重大瓶颈。”廖强教授介绍,为了降低能耗,他们将多相流传递强化理论应用于高效微藻光生物反应器开发,并充分利用太阳能来代替微藻能源转化过程对电能及其他能量的依赖。 廖强教授团队成员夏奡教授介绍,他们发现在自然中的微生物转化制备燃料的效率偏低,而他们和重庆大学生物工程学院团队的深入合作获得了改良菌株。 他们还将借助多学科交叉的优势开展新型仿生反应器的研究,这一领域他们瞄准了白蚁。 生物工程学院院长蔡开勇表示,白蚁是非常高效的生物系统,对木质纤维素类生物质废弃物降解速率快,通过深入研究白蚁的消化过程机理,解析白蚁消化系统的关键物理结构、复合菌与生物酶的协同关系等,构建新型仿生反应器,以实现生物质废弃物的高效转化制备燃料。目前,通过联合该校生物工程学院团队开展研究,有望在白蚁消化系统代谢路径解析、高效工程菌株构建方面取得突破。 用一枚戒指推动一辆车?跨界合作降低成本 我们都知道,氢燃料电池凭借清洁、高比能量、高能量转换率、运行无噪音等优势,已成为现代工业最理想、潜力最大的新能源技术。而氢燃料电池汽车作为新能源汽车的主要技术路径之一,近年来发展势头迅猛。但目前,使用氢燃料电池的汽车仍存在成本高的问题。 “地球上的氢元素虽然十分丰富,但主要以水的形式存在。”重庆大学化学化工学院院长魏子栋教授介绍,目前,电解水制氢因电费花费高导致其和化石燃料重整制氢相比,没有价格优势。然而,随着廉价可再生能源的普及和电解水催化剂的技术突破,基于可再生能源的电解水制氢,以及氢燃料电池是未来新能源技术的发展方向。 “氢燃料电池同样面临降低成本的挑战。”他举例称,目前,先进的燃料电池仅使用一枚铂金戒指的贵金属,就能推动一辆小轿车,尽管如此,但是铂的储量非常有限。开发高效、低成本、可持续的替换铂等贵金属的燃料电池技术是其商业化的关键。目前,重庆大学化学化工学院与能源与动力工程学院、生物工程学院等专家联合,将多学科、跨领域联合攻关,以实现这一目标。 跨学科交叉强强联合共同解决科学问题 重庆大学能源与动力工程学院朱恂教授介绍,目前团队中有18位具有交叉学科背景的核心学术骨干。“大家各显神通,在生物质能利用、电化学能源转化等领域深耕钻研。”朱恂介绍,团队每位老师和学生多有自己所擅长的方向和领域,团队跨学科交叉,强强联合,在前沿科学研究的项目上共同解决相关的科学问题。 据了解,“多相反应流传递与转化调控”科研团队依托工程热物理国家重点学科、动力工程及工程热物理一级博士授权点、低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室、化工过程强化与反应国家地方联合工程实验室和生物流变科学与技术教育部重点实验室,共同围绕能源高效清洁转化和利用中多相反应流传递与转化调控的关键热物理基础科学问题和应用技术问题,长期致力于多相流热质传递强化与调控、多相化学反应流传递调控和多相生物转化过程强化等方面的交叉前沿和应用基础研究,在国内外享有盛誉,在国际SCI刊源学术刊物发表论文960多篇。 重庆大学相关负责人表示,“十三五”期间,重庆大学科技创新各项关键数据均实现“倍增”。国家级标志性人才从66人次增至158人次,在国家科技进步一等奖、大科学装置培育、《Nature》《Science》正刊论文等方面也取得历史性突破。

2021-03-19  (点击量:55)

砷剂疗法的前世今生

「砒霜」,是一种闪耀在世界历史与文学作品中的物质,一直被认为是毒药的代名词。在古代,它廉价易得,急性中毒后又没法抢救,因而被广泛使用,可以说是跨越了阶层、地域与时空的「经典毒药」。 从《水浒传》中的武大郎,到拿破仑与他的老对手英国国王乔治三世,再到清末的光绪帝。他们的死亡,与砒霜都脱不了关系。 作为一种毒药,砒霜也是各个国家的传统医学中的重要组成部分。在青霉素出现之前,治疗梅毒的一线药物就是砒霜,疯王乔治三世砒霜中毒的原因,也是因为他患有的精神问题需要砒霜来治疗。 我国文化中自古以来就有「以毒攻毒」的理念,对「砒霜」的药用价值也早有研究。但真正将砒霜入药带入现代医学的,还要从几个中国学者说起。 砒霜抗癌第一战 1971年,在哈尔滨医科大学附属第一医院工作的张亭栋从同事韩太云得知到一个治疗淋巴结核的老方,老方中含有用含砷、汞和蟾毒等多种剧毒物质。这个方子在民间也被用来治疗癌症。 张亭栋也发现这个药方中的砒霜,也就是三氧化二砷(以下简称ATO),是该方中唯一有效的治疗性分子,汞和蟾毒反而会导致严重的副作用。 图片来源:知网 1973年,张亭栋与韩太云在当地的《黑龙江医药》发表了一篇题为《「癌灵注射液」治疗6例白血病初步临床观察》的论文[1]。 在该论文中,张亭栋与合作者们首次用现代医学的检验方法评估了由ATO与汞组成的「癌灵注射液」(癌灵1号)对白血病的治疗作用。这篇一开始没引起太多人注意的论文,却为血癌治疗领域打开了一扇全新的大门。 随后的几年中,张亭栋先后发表了数篇临床研究论文,并将白血病的范围进一步细分到了急性白血病,并报道了使用癌灵1号能够实现完全缓解。 图片来源:知网 在1979年一篇发表在《黑龙江医药》题为《癌灵一号注射液与辩证论治治疗急性粒细胞型白血病》的研究中[2],张亭栋与合作者对55名急性粒细胞白血病患者的治疗效果及性能进行了分析,发现癌灵1号的总缓解率为70%,甚至有12例达到完全缓解。这是非常惊人的疗效。 图片来源:知网 随后的十余年中,张亭栋将砷剂的适应症扩展到了急性非淋巴细胞性白血病,并最终发现,砷剂对急性早幼粒白血病(APL)的疗效极佳,完全缓解率过半。1992年发表在《中国中西医结合杂志》的题为《癌灵Ⅰ号结合中医辨证治疗急性早幼粒细胞白血病32例》的论文[3],就报道了相关临床实验的结果。该结论后续也得到其他研究的证实。 但遗憾的是,由于所有论文都是发表在中文期刊上,张亭栋的研究并未引起全球医学界的关注。与之形成鲜明对比的,是几乎在同一时间被国际医学界发现的全反型维甲酸(ATRA)。ATRA在上海第二医学院王振义团队的研究中,被发现拥有治疗APL的优秀疗效,因为相关论文发表在英文期刊上,也得到国际学术界的广泛好评。 直到1996年,ATO走出国门的事情才出现转机。 走出国门 1994年前后,刚刚回国不久的陈竺教授夫妇注意到了张亭栋的研究,并发现其蕴含的巨大潜力。他们认为这样的优秀的药物值得让全世界知道。两人遂开始合作,对ATO治疗APL进行了基础机制研究。 图片来源:Blood 1996年,二人合作在国际血液病顶级期刊Blood发表了题为In vitro studies on cellular and molecular mechanisms of arsenic trioxide(As2O3)in the treatment of acute promyelocytic leukemia:As2O3 induces NB4 cell apoptosis with downregulation of Bcl-2 expression and modulation of PML-RAR alpha/PML proteins的研究[4],报道了砷剂治疗APL的分子机制。 该研究不仅开启了人类对ATO抗癌机制的探索,还终于让这一国产发现走向了世界。 图片来源:Science 该研究的发表,迅速在国际血液病领域引发了巨大的轰动。Blood论文发表的一天后,Science上就刊登一篇题为Ancient Remedy Performs New Tricks[5]的专题报道,将这份中国传统医学的「馈赠」推到APL治疗的风口浪尖。 图片来源:Blood 1年后,陈竺夫妇与张亭栋携手王振义,在Blood上同时发表了两篇题为Use of Arsenic Trioxide(As2O3)in the Treatment of Acute Promyelocytic Leukemia(APL):I.As2O3 Exerts Dose-Dependent Dual Effects on APL Cells[6]与Use of Arsenic Trioxide(As2O3)in the Treatment of Acute Promyelocytic Leukemia(APL):II.Clinical Efficacy and Pharmacokinetics in Relapsed Patients的系列临床研究[7]。报道了ATO在APL与APL复发患者中的神奇疗效。 这些论文在医学界引起了巨大的轰动,直接将砷剂带向了APL疗法研究的最前线。其分量之重,影响之大,从第二篇论文作者列表的三个中国工程院院士的名字中可见一斑。 砷剂,不只是血癌 随后的二十多年中,无论是国内ATO研究的「先行者」,还是世界上其他国家的「跟随者」,都开始对ATO的抗血癌机制展开了研究。也开始注意到砷剂的应用,远不止治疗APL这么简单。 在张亭栋和他的合作者最早期的研究中,就发现「癌灵一号」不仅对血癌有奇效,还能够治疗诸如淋巴瘤和食管癌的其他癌症。 进入二十一世纪后,各国的学者也发现了一样的现象。ATO在部分肝癌和多发性骨髓瘤中表现出一定的疗效。 让医学者苦恼的是,ATO在其他癌症的疗效飘忽不定,并不像它在APL中那样能够化腐朽为神奇。 如何让ATO更有效的帮助其他癌症的患者,成为了砷剂研究者们下一个需要解决的问题。而精准医疗概念的兴起,为砷剂研究者们指明了新的方向。 图片来源:Cancer Cell 2020年12月24号,来自上海交通大学瑞金医学的卢敏团队在Cell子刊Cancer Cell上发表了题为Arsenic Trioxide Rescues Structural p53 Mutations through aCryptic Allosteric Site的研究[8],报道了ATO是如何通过砷原子填补明星抑癌基因p53的空腔,以维持后者的稳定,并恢复p53抑癌功能的全新机制。这意味着砷剂在治疗结构突变型p53癌症中具有巨大的潜力。 全世界一半的癌症患者具有p53突变,其中带有结构性突变的人群也不在少数。利用精准医疗,现代医学能够快速的识别出适合使用砷剂治疗的人,并造福广大的癌症患者。该发现也使得砷剂的未来,比APL更加广阔。 图片来源:未来科学大奖 2016年与2018年,砷剂先后获得了欧盟与FDA的批准,成为APL治疗的一线疗法。在2020年,在ATO与APL研究中作出突出贡献张亭栋与王振义共同获得了未来科学大奖,表达了中国科学界对砷剂的肯定。 我们也由衷的希望,这个来源于中国传统医学的药物,能够拯救更多患者的生命。

2021-03-19  (点击量:278)

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