Water Science and Technology

Nhóm công tác mô hình hóa thủy phân yếm khí IWA được thành lập vào năm 1997 tại Đại hội Thế giới lần thứ 8 về Thủy phân Yếm khí (Sendai, Nhật Bản) với mục tiêu phát triển một mô hình thủy phân yếm khí tổng quát. Mô hình có cấu trúc này bao gồm nhiều bước mô tả các quá trình sinh hóa cũng như quá trình lý hóa. Các bước sinh hóa bao gồm sự phân hủy từ các hạt phân tán đồng đều thành carbohydrate, protein và lipid; quá trình thủy phân ngoài tế bào của các cơ chất hạt này thành đường, axit amin và axit béo chuỗi dài (LCFA); acidogenesis từ đường và axit amin thành axit béo dễ bay hơi (VFAs) và hydro; acetogenesis của LCFA và VFAs thành acetate; và các bước metanogenesis riêng biệt từ acetate và hydro/CO2. Các phương trình lý hóa mô tả sự kết hợp và phân ly ion, và chuyển giao khí-lỏng. Được triển khai như một tập hợp phương trình vi phân và đại số (DAE), có 26 biến trạng thái tĩnh động và 8 biến đại số ngụ ý cho mỗi bình phản ứng hoặc yếu tố. Được triển khai chỉ bằng phương trình vi phân (DE), có 32 biến trạng thái tĩnh động.

Tình hình ứng dụng công nghệ phân hủy kị khí đang gia tăng trên toàn cầu nhờ vào những lợi ích về kinh tế và môi trường của nó. Do đó, một số nghiên cứu và hoạt động nghiên cứu liên quan đến việc xác định tiềm năng biogas của các chất nền hữu cơ rắn đã được thực hiện trong những năm gần đây. Vì vậy, việc định nghĩa một giao thức để xác định tiềm năng metan tối đa cho một chất nền rắn nhất định là điều đặc biệt quan trọng. Thực tế, tham số này xác định, ở một mức độ nào đó, cả chi tiết thiết kế và kinh tế của một nhà máy biogas. Hơn nữa, việc định nghĩa các đơn vị chung được sử dụng trong các thí nghiệm kị khí ngày càng được yêu cầu từ cộng đồng khoa học và kỹ thuật. Bài báo này trình bày một số hướng dẫn cho các xét nghiệm tiềm năng biomethane được chuẩn bị bởi Nhóm Công tác về Phân hủy kị khí, Hoạt động và Xét nghiệm Ức chế của Nhóm Chuyên gia Phân hủy Kị khí của Hiệp hội Nước Quốc tế. Đây là bước đầu tiên để định nghĩa một giao thức tiêu chuẩn.

Việc sản xuất biogas từ các vật liệu hữu cơ khác nhau là một nguồn năng lượng tái tạo rất thú vị. Tiềm năng biomethane (BMP) của các vật liệu này cần được xác định để có cái nhìn sâu sắc về các tham số thiết kế cho các bộ phân giải yếm khí. Mặc dù có nhiều tiêu chuẩn và hướng dẫn cho các thử nghiệm BMP, nhưng các thử nghiệm giữa các phòng thí nghiệm thường cho thấy sự biến đổi lớn về BMP của cùng một loại cơ chất. Một hội thảo đã được tổ chức vào tháng 6 năm 2015, tại Leysin, Thụy Sĩ, với hơn 40 người tham dự từ 30 phòng thí nghiệm trên toàn thế giới, để thống nhất các giải pháp chung cho bài toán các kết quả thử nghiệm BMP không đồng nhất. Bài báo này trình bày sự đồng thuận từ các cuộc thảo luận bàn tròn căng thẳng và sự so sánh chéo các phương pháp được sử dụng trong các phòng thí nghiệm tương ứng. Các yếu tố bắt buộc để xác thực kết quả BMP đã được xác định. Chúng bao gồm số lượng bản sao tối thiểu, yêu cầu thực hiện các thử nghiệm kiểm soát trắng và kiểm soát tích cực, các tiêu chí cho thời gian thử nghiệm, chi tiết về tính toán BMP, và cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là các tiêu chí để bác bỏ các thử nghiệm BMP. Cuối cùng, các khuyến nghị về các yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ đến kết quả của các thử nghiệm BMP như đặc điểm của giống ban đầu, chuẩn bị cơ chất, thiết lập thử nghiệm, và phân tích dữ liệu được trình bày để tăng cường khả năng đạt được các kết quả được xác thực và có thể tái lặp.

Một khảo sát về khả năng của một chương trình mô phỏng và phân tích dữ liệu mới dành cho các hệ thống thủy sinh, kỹ thuật và tự nhiên được trình bày. Trong chương trình này, cấu hình không gian của một hệ thống mô hình được biểu diễn bằng các ngăn, được kết nối bởi các liên kết. Chương trình cho phép người dùng định nghĩa một số lượng chất cần mô phỏng tùy ý và nó cực kỳ linh hoạt trong việc xây dựng các quá trình chuyển đổi. Nó không chỉ cung cấp khả năng thực hiện các mô phỏng về sự tiến hóa theo thời gian của hệ thống do người dùng chỉ định, mà còn cung cấp các phương pháp để xác định hệ thống (phân tích độ nhạy và ước lượng tham số tự động) và cho phép ước lượng độ không chắc chắn của các kết quả tính toán. Những tính năng này, cùng với giao diện thân thiện với người dùng, rất hỗ trợ các nhà khoa học trong việc phân tích dữ liệu của họ. Ba ví dụ minh họa cho khả năng của chương trình.

Đài bài viết này trình bày một cái nhìn tổng quan về quá trình đông tụ trong xử lý nước uống. Bài báo nhấn mạnh tầm quan trọng của hóa học nước thô, nồng độ và loại chất hữu cơ tự nhiên (NOM), cùng với hóa học của các chất đông tụ. Các hạt khoáng và hữu cơ có thể ổn định trong nước nhờ vào các tương tác điện tích tĩnh, hiệu ứng ưa nước, hoặc tương tác steric từ các đại phân tử đã hấp thụ. NOM, thay vì các hạt ban đầu trong nguồn nước, có thể kiểm soát liều lượng và sự lựa chọn chất đông tụ. MOM bao gồm một hỗn hợp của nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau, bao gồm các phần không ưa nước (axit humic và axit fulvic) và phần ưa nước. Điện tích âm và cấu trúc hóa học của các axit không ưa nước ảnh hưởng đến các phản ứng hóa học với các chất đông tụ, đặc biệt là các chất đông tụ dựa trên kim loại. Việc loại bỏ NOM với các chất đông tụ Al có thể liên quan đến các phản ứng thủy phân, phức hóa, lắng đọng và hấp phụ. Độ hấp thụ cực tím đặc biệt (SUVA) có thể được sử dụng để ước tính xem NOM trong nước có nồng độ cao hay thấp về axit không ưa nước và để ước tính sự loại bỏ DOC thông qua quá trình đông tụ. Việc tiền ozon hóa các nguồn nước chứa tảo có thể dẫn đến hiện tượng vi đông tụ hoặc làm suy giảm quá trình đông tụ tùy thuộc vào loại tảo, nồng độ và trọng lượng phân tử của chất hữu cơ ngoại bào (EOM), và liều ozon.

Với sự nhận thức ngày càng rộng rãi về tầm quan trọng của biến đổi khí hậu, các cộng đồng đô thị đang ngày càng tìm kiếm cách đảm bảo khả năng phục hồi trước những bất ổn trong nguồn cung cấp nước đô thị trong tương lai. Tuy nhiên, sự thay đổi dường như diễn ra chậm chạp khi nhiều thành phố vẫn phải đầu tư vào các phương pháp truyền thống. Nguyên nhân là do việc chuyển đổi các thành phố thành những đô thị nước bền vững hơn, hay còn gọi là Thành phố Nhạy cảm Nước, yêu cầu một cuộc cách mạng lớn trong hợp đồng thủy-xã hội mà từ đó các phương pháp truyền thống được xây dựng. Bài báo này cung cấp một cái nhìn tổng quát về nghiên cứu và thực hành mới nổi tập trung vào khả năng phục hồi của hệ thống và các nguyên tắc quản lý nước đô thị bền vững. Ba trụ cột chính cần phải hỗ trợ cho sự phát triển và thực hành của một Thành phố Nhạy cảm Nước được đề xuất: (i) tiếp cận với đa dạng nguồn nước dựa trên một hạ tầng tập trung và phi tập trung đa dạng; (ii) cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái cho môi trường xây dựng và tự nhiên; và (iii) vốn xã hội-chính trị cho tính bền vững và các hành vi nhạy cảm về nước. Mặc dù chưa có một ví dụ nào trên thế giới về một Thành phố Nhạy cảm Nước, nhưng vẫn có những thành phố tiên phong với những đặc điểm khác nhau của phương pháp nhạy cảm nước, với ví dụ từ Úc và Singapore.

Tại một sediment bị ô nhiễm từ cảng Hamburg, nghiên cứu về quá trình sản xuất axit, sự di động của Cu, Zn, Pb và Cd dưới các điều kiện redox- và pH khác nhau, cũng như sự chuyển giao và thay đổi các kim loại gắn liền với hạt. Trong quá trình oxy hóa, giá trị pH trong huyền phù sediment giảm từ khoảng 7 xuống 3,4 do khả năng trung hòa axit thấp (ANC). Điều này dẫn đến sự di động của các kim loại nặng trong đó Cd và Zn khác biệt với Cu và Pb bị giải phóng mạnh mẽ. Cũng có sự thay đổi về các dạng kết hợp kim loại nặng đặc trưng trong pha hạt. Nói chung, các phân đoạn dễ dàng và vừa phải có thể khử tăng lên trong quá trình oxy hóa trong khi phân đoạn sulfid giảm. Cũng có những thay đổi lớn được tìm thấy đối với nồng độ Zn và Cd hòa tan, mà tăng liên tục. Các kết quả cho thấy rằng dưới cùng một giá trị pH, rõ ràng nhiều kim loại bị di động hơn trong sediment đã được oxy hóa so với trạng thái khử. Nhưng mặc dù giá trị pH là yếu tố chính - đặc biệt nếu nó giảm xuống dưới 4,5 - các điều kiện redox cũng có thể kiểm soát sự di động của một số kim loại nhất định. Do đó, ngay cả trong các sediment đã được đệm tốt, sự di động của kim loại trong quá trình oxy hóa cũng không thể bị loại trừ.

Quá trình phát thải và phát tán kim loại nặng qua nước thải công nghiệp có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường thông qua sự ô nhiễm các nguồn tài nguyên nước bề mặt và nước ngầm. Hấp thụ sinh học kim loại nặng từ dung dịch có nước đã được chứng minh là rất hứa hẹn, mang lại nhiều lợi ích nổi bật như chi phí thấp, tính sẵn có, lợi nhuận, dễ vận hành và hiệu suất cao, đặc biệt khi xử lý nồng độ thấp. Cặn sinh học của các vi sinh vật công nghiệp bao gồm vi khuẩn, tảo, nấm và men đã được phát hiện có khả năng tích lũy kim loại nặng một cách hiệu quả với vai trò là chất hấp thụ sinh học. Bài báo này trình bày và điều tra các cơ chế chính của quá trình hấp thụ sinh học cùng với hầu hết các nhóm chức liên quan. Quá trình hấp thụ sinh học bao gồm các cơ chế sau: vận chuyển qua màng tế bào, tạo phức, trao đổi ion, lắng đọng và hấp phụ vật lý. Để hiểu cách kim loại liên kết với sinh khối, việc xác định các nhóm chức có trách nhiệm trong việc liên kết kim loại là điều thiết yếu. Hầu hết các nhóm này đã được đặc trưng trên thành tế bào. Chất hấp thụ sinh học chứa nhiều vị trí chức năng khác nhau bao gồm carboxyl, imidazole, sulfhydryl, amino, phosphate, sulfate, thioether, phenol, carbonyl, amide và hydroxyl, những nhóm này có trách nhiệm cho quá trình hấp phụ kim loại. Những yếu tố này có thể hỗ trợ cải thiện hiệu suất của các chất hấp thụ sinh học thông qua việc cải thiện các vị trí phản ứng trên bề mặt thông qua grafting bề mặt và/hoặc trao đổi các nhóm chức.