长春工程学院第176期研究生论坛——“空间开发利用”主题科技论坛于2024年5月24日，在湖西校区7教7716教室开办。参加本次论坛的同学为2023级研究生，本次主讲的10位同学分别为：王璐、王昭娟、曹佳一、陈昊鑫、马莉、王意、徐珂、陈天尧、代琛、曹哲伟。

王璐——生物质气化

在当前“碳达峰”“碳中和”的大背景下，为了减轻化石能源的过度使用对环境的影响、缓解能源危机带来的压力，利用可再生能源并探索其高效的利用方式成为了当前研究的重要方向。生物质气化的特点是清洁、高效，使得它成为一种发展潜力巨大的生物质利用技术。生物质气化：在一定热力学条件下，将生物质固体原料转化为混合气体(合成气、焦炭)的热分解方式；气体产物(主要包括CO、H2 、CH4 和 CO2)主要应用于合成气、氢气、醇醚类等高品位液体燃料。气化装置：比较成熟且应用较广的气化炉包括固定床、流化床、气流床 3 种炉型；固定床气化炉主要包括开心式、上吸式、下吸式、横吸式；流化床气化炉包括循环流化床、鼓泡流化床气化炉等。将流化床气化与固定床气化相结合，在第一段流化床内进行中高温气化，在第二段固定床内利用催化剂除去焦油，最终可以使焦油含量减少至2g/Nm。生物质富氧气化，采用了氧含量高的气化介质原理与空气气化相同。随着富氧浓度的增大，N₂的稀释效果减弱,相比于纯空气气化，各气体组分含量均有所增大；随着浓度的增大，反应速率加快，燃烧反应剧烈，放出大量热量，由于N2含量的减少，吸热量减少，反应放出的热量加剧二次裂解和反应，使H2和CO含量明显增大。

王昭娟——绿色建筑设计研究

建筑行业碳排放占全国总量超过50%，建筑行业碳减排是碳达峰和碳中和目标下的重要一环，因此在“碳达峰、碳中和”目标下，必然要进行建筑行业的绿色转型。目前，我国房地产企业面临普遍的碳排放总量大、用能技术和效率低等问题，在实现“碳中和、碳达峰”目标要求下实现可持续发展仍存在较大压力。因此房地产和建筑行业及相关企业作为主要碳排放者，需要在全产业链、供应链开展碳减排行动。推动建筑行业绿色低碳发展是实现“碳达峰、碳中和”目标的必然要求。使用适合在本地生长的植被减少对周围生态系统的干扰,同时在建筑物中运用智能化设计自动调节光照和温湿度,从而减少能源消耗。绿色建筑技术也强调延长建筑的使用寿命,在设计之初就计划长远。选择寿命较长、可回收或来自可持续来源的建筑材料,在施工过程中尽可能减少废物的产生和对现场的破坏,同时在建筑运营过程中,通过使用先进的建筑自动化系统,监控和管理能源使用,确保建筑运行效率最大化且对环境的影响最小化。

曹佳一——好氧颗粒污泥的脱氮方式

好氧颗粒污泥是一种特殊的微生物聚集形态，该技术起源于20世纪 90 年代初，到如今已经成为一种重要的新兴污水处理技术。好氧颗粒污泥是从活性污泥絮体演化而来并且可以无任何载体的悬浮微生物聚体，其由一个好氧的外层区域和一个缺氧或厌氧的核心区域组成。对于好氧颗粒污泥的机制尚没有形成明确的定论，但是，存在着几个重要的假说。其中主要包括了胞外聚合物假说、丝状菌假说、自絮凝假说、诱导晶核假说以及二次核假说等假说。研究表明，好氧颗粒污泥的三维结构产生沿颗粒直径方向的溶解氧和底物浓度梯度，导致不同类型的微生物和代谢的分层。这一特殊的分层结构能够保证不同的微生物群落在污染物的生物降解中发挥各自的作用。正是由于好氧颗粒污泥内微生物群落分层的特殊结构，可以在一个单元内实现高效污染物同步去除，例如同步脱氮除磷。好氧颗粒污泥良好的沉降性使得反应器内的生物量浓度较高且泥水分离效果较好。此外，高生物量提高了单位体积转换能力从而使系统能够处理高有机负荷率污染物。与此同时，系统中微生物群落(包括生长缓慢的微生物)多样性较高，这使得污泥产生率低于传统活性污泥。

陈昊鑫——客土喷播基质中矿物溶解微生物菌株对根系和根系加筋土力学响应的影响

岩石矿产资源的过度开采导致出现大量废弃矿区，在开采期间，矿区的生态平衡被严重破坏，这导致环境更加恶劣，水土流失严重，植被退化，岩石裸露和生产力的损失。目前，生态修复技术已被应用于恢复这些废弃的矿区，并且由于机械化水平和效率高，客土喷播已成为最有效的方法。该技术使用的客土喷播基质通常由土壤、肥料、保水剂和植物种子组成，再通过高压喷枪喷洒在裸露的边坡上，以促进植物吸收养分。选取植物种子、土壤和微生物菌株作为实验材料，设置了四个实验组，进行了根系拉伸试验和根系加筋土剪切试验。观察刺槐和胡枝子根径与抗拉力与抗拉强度的关系、刺槐和胡枝子在不同处理和不同法向应力下的剪应力、不同处理下的加筋土抗剪强度比图像对比，得出结论：(1)矿物溶解微生物菌株可增强根系加筋土的抗剪强度、根系抗拉力和抗拉强度；(2)两种微生物菌株共同处理对植物根系抗拉力和抗拉强度的影响最大；(3)双菌种对刺槐根系加筋土抗剪强度的影响最大，单一微生物菌株对胡枝子根系加筋土抗剪强度的影响最大，摩擦角的变化相对于黏聚力的变化较小，黏聚力的变化导致了相同处理下抗剪强度的变化。

马莉——基于PMS高级氧化法降解有机污染物

有机污染物是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然有机物质及某些其他可生物降解的人工合成有机物质为组成的污染物。有机污染物污水厂一般处理工艺难以降解，对环境及其生物造成巨大危害。固相催化剂活化PMS降解机理分非自由基途径机理和自由基途径机理，非自由基途径机理由于溶液中污染物可以作为亚稳配合物PS的电子供体，含有丰富电子的污染物靠近被催化剂活化的PS分子形成电子给体-中介体(催化剂)-受体三元体系，活化的PS通过双电子传到直接氧化污染物不产生自由基；自由基途径机理：碳基材料表面sp2碳网具有的缺陷、边缘位点和自由流动的Π电子导致的独特的电子环能够影响PS的电子构型，并且含有丰富的表面官能团(C=O、-OH 和-COOH等)可作为PS活化的活性位点，削弱O-O键产生SO•4−、.OH和O2•−参与污染物的降解和矿化。生物炭基催化剂通过表面的电子转移， 将电子从吸附的污染物转移到过硫酸盐，过硫酸盐得到电子后反应生成SO4－·、·OH、 1O2、O2－·等， 从而使污染物得到降解。

王意——低噪声路面

道路交通噪声主要来源于地面、车轮与地面摩擦噪声、机动车辆发动机噪声、车体带动空气形成的气流噪声、喇叭噪声等，其流动性大，且最终噪音可达≥70dB，对居民生活带来极大的困扰。OGFC(排水性沥青混合料一般用作路面的磨耗层)路面和沥青橡胶路面均具有优良的降噪性能,同时OGFC路面还具有良好的排水和抗滑功能,沥青橡胶路面也有优良的路用性能,均是较为理想的路面降噪材料。SMA路面是一种特殊的沥青混合料，由沥青、矿粉、纤维稳定剂及少量细集料组成，这些材料填充在间断级配的粗集料骨架间隙中，形成一种骨架嵌挤型密实结构。这种结构不仅坚固耐用，而且接近于理想的沥青碎石混合料孔隙填充状态。BBTM是介于常规和PA混合料之间的一种中间选项，被归类为半密实沥青混合料。它具有良好的物理机械性能以及良好的降低噪声和滑水现象，通常，这些沥青混合物由3-15%的空隙组成。气孔含量取决于级配、公称粒度和期望的压实水平。使用较小骨料尺寸的沥青混合料(可达5毫米或8毫米)可以减少轮胎振动产生的噪音。

徐珂——基于尾矿库溃坝中防护措施数值模拟

建立数值模型，输入对应的尾砂特征参数，出现坝前泥沙淤积厚度随着拦挡坝坝体夹角的减小逐渐减小。180°的拦挡坝主要就是起到拦挡作用，坝体拦挡作用大于导流作用；135°的拦挡坝具有拦挡和导流双重作用，该坝型的双向导流作用(横向导流和纵向导流)；90°的拦挡坝也具有拦挡和导流作用，坝体的导流作用大于拦挡作用,且纵向导流作用大于拦挡和横向导流作用。对比数值模拟的结果可知，坝体夹角为135°左右的拦挡坝可以起到较好的拦挡效果。为进一步确定最优拦挡坝的坝体夹角，利用数值模拟方法对坝体夹角为126°、128°、130°以及136°的拦挡坝的防护效果进行了分析。得到的结果是：136°＞130°＞126°＞128°，原因在于适当减小坝体夹角，不仅不会改变拦挡坝的拦挡和双向导流的双重作用，还会增强坝体的导流作用，从而增大了泥沙的流动性；但拦挡坝的坝体夹角缩减过多，下泄泥沙运动距离增大，便会降低泥沙对坝体的冲击力，减小坝前泥沙流动性，导致坝体前泥沙淤泥过多，不利于坝体稳定，综上所述，坝体夹角为128°的拦挡坝为最优防护措施。

陈天尧——混凝土重力坝的三维有限元分析

重力坝是水利工程建设中较为常见的坝型，在重力坝的设计过程中应力分析和稳定分析是最为重要的两个部分。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对某混凝土重力坝工程进行应力应变分析，并分析溢流坝段和非溢流坝段的应力和变形规律，最后提出相应的改善措施。本文以位于辽阳市弓长岭区南沙村东的某水库为例，对其建立有限元模型进行求解，得到各结点的位移，从而得到坝体内各点的位移、应变、应力，最后可生成大坝的应力云图和位移云图。通过位移云图可知坝体竖向最大沉降位移发生在溢流坝段和非溢流坝段靠下游的中上部分区域，沿水流方向最大位移和总位移均发生在靠近河谷最近的非溢流坝段顶部区域。重力坝在运用期，其局部坝踵处容易出现拉应力集中，为防止坝体混凝土被拉裂，需在拉应力较大区域配置受拉钢筋。最大压应力通常发生在非溢流坝段的坝趾处，一般情况下最大压应力远小于混凝土的抗压强度，但为了安全起见，在压应力较大区域宜采用高强混凝土。重力坝在运用期，其竖向沉降位移和沿水流方向的位移通常较小，故不会造成安全隐患。

代琛——脱氮除磷机制

污水脱氮方法分为生物脱氮和物理化学脱氮。生物脱氮：根据传统生物脱氮理论，生物脱氮作用包括同化过程、硝化过程、反硝化过程。为了实现生物脱氮，在工艺组合中包括好氧/缺氧过程。物理化学脱氮：在物理化学脱氮系统中，它只能去除氨氮或通过其他方法转化为氨氮的物质。物理化学脱氮工艺包括折点氯化法、选择性离子交换法、空气吹脱法，和生物脱氮系统相比较具有较高的运行费用。生物除磷法经厌氧段或好氧段，通过排放好氧过程产生的富磷污泥，最终将磷从系统中去除。化学除磷法最常用的试剂是石灰、18水合硫酸铝、铝酸钠、三氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、和氯化亚铁。生物除磷+化学除磷方法：一般生物和化学相结合，能更好的使出水达到磷的排放要求。目前多在生物处理系统后辅设化学除磷池，根据位置不同，又分为，前置沉淀，协同沉淀，后置沉淀。目前多池生物除磷脱氮系统工艺改进的重点仍然是围绕如何充分发挥聚磷菌的优势来开展工作，采用增加反应器的数目、增加循环回流管路来消除污泥回流系统携带的DO和NO3－对聚磷菌厌氧释磷的抑制作用。

曹哲伟——含可再生能源的虚拟电厂参与碳市场交易优化模型

在传统电网系统中，风电、光伏以及其他各种形式的能源在电力市场中独立提供能源，电网缺乏对所有运行机组实时监控的能力。系统未能根据分布式电源机组的运行特性、可控负荷以及机组的碳排放水平制定统一的优化策略。虚拟电厂则能够实现对各类分布式电源机组的统一整合，实现对这类灵活性资源在电网中渗透率提升的支持。另外，碳交易机制与绿色证书机制在促进电力系统节能减排以及可再生能源消纳等方面具有显著作用。虚拟电厂可以通过绿色证书市场购买绿证实现可再生能源消纳责任，并通过销售绿色证书实现可再生能源发电的经济效益。碳交易则是针对碳排放额度的交易，根据我国目前确定的企业排放情况分配碳排放额度，可以在碳交易市场实现一定的收益。本文针对含有可再生能源的虚拟电厂参与的电力市场交易优化模型进行了分析。仿真分析表明，在虚拟电厂参与的电力市场交易中，碳交易和绿证交易对减少碳排放产生的效果明显，能够促进可再生能源利用最大化，从而使虚拟电厂获得较高收益，提高风电和光伏等可再生能源机组的利用效率。