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2024年  第14卷  第4期

“微纳米气泡研究与应用”特色研究专栏
顶空气相色谱法测定氢气纳米气泡水中的总氢含量
黄青, 刘爱荣, 张立娟
2024, 14(4): 1105-1111. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230704
摘要(144) HTML (180) PDF(9690KB)(52)
摘要:

氢气纳米气泡在环境修复、能源燃料和医疗健康等领域具有广泛的应用前景。目前氢气纳米气泡水中总氢含量的测定方法还相对有限,无法准确评定相关发生设备的性能。顶空气相色谱法通过加热使顶空瓶内体系达到气液平衡的方式将水样中的氢气转移到气相中,利用气相色谱仪来测定氢气纳米气泡水中的总氢含量。结果表明:样品的最佳平衡温度为50 ℃,平衡时间为15 min。通过对氢气纳米气泡水中氢气纳米气泡的数量浓度及粒径分布的检测,证实了该顶空气相色谱法适用于大多数纳米气泡产生方式所制备的氢气纳米气泡水体系,即氢气纳米气泡数量浓度范围为106~108个/mL,平均粒径范围为100~300 nm。当氢气纳米气泡数量浓度为6.7×106~3.8×108 个/mL时,对应测得的氢含量为0~3.12 mg/L,氢气纳米气泡数量浓度与对应氢含量变化一致,且能在2 min内完成检测。该方法简单高效,可以满足不同数量浓度氢气纳米气泡水的测试要求,为测定氢气纳米气泡水中总氢含量提供了可行的选择,有助于进一步研究氢气纳米气泡在各领域的重要应用并进行发生设备的性能评价。

NBs-GO膜的渗透性能及其对染料截留性能
张扬天, 黄一, 韩昌道, 钟俊磊, 李民亮, 陈亮, 李露
2024, 14(4): 1112-1120. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230929
摘要(110) HTML (77) PDF(3043KB)(19)
摘要:

氧化石墨烯(GO)膜因其优异的物化特性、独特的水通道,被广泛应用于复杂废水中的染料分离。通过将纳米气泡(NBs)吸附到GO上,形成纳米气泡-氧化石墨烯(NBs-GO)膜,有望提高膜的染料分离性能。以NBs-GO膜处理亚甲基蓝溶液模拟的染料废水,测定了该膜的水渗透率、截留率和稳定性等指标,并探究了染料种类与浓度、膜厚度和GO的制备条件等因素对膜性能的影响。结果表明:NBs-GO膜的水渗透率相比传统GO膜高出50.8%,并且能够将亚甲基蓝的截留率维持在99.88%,具有更优的染料分离性能。此外,NBs-GO膜在72 h内展现出了良好的稳定性,截留率始终保持在90%以上。即使在改变染料种类、浓度及膜厚度等条件下,NBs-GO膜依然保持了优异的水渗透性能。纳米气泡的引入为提高GO膜的染料分离效率提供了新的思路,在染料废水的处理方面展现出巨大的发展潜力,这一研究在染料废水处理领域具有广泛的应用前景。

臭氧微纳米气泡氧化降解典型紫外线过滤剂的效能和机理
姜民禹, 郭若男, 郭昌胜, 徐建
2024, 14(4): 1121-1129. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240039
摘要(109) HTML (103) PDF(8896KB)(40)
摘要:

臭氧微纳米气泡具有高臭氧利用率和高臭氧传质速率的优势,采用臭氧微纳米气泡氧化降解紫外线过滤剂二乙氨基羟基苯甲酰基苯甲酸己酯(DHHB),通过改变不同溶气方式和液相臭氧浓度,考察了臭氧微纳米气泡的性能及对DHHB的降解机制,同时探讨了不同温度、pH、天然有机质和不同离子强度等因素对降解效果的影响。结果表明:臭氧微纳米气泡比臭氧传统气泡对污染物氧化性能有明显提升,体系内液相臭氧、羟基自由基浓度、羟基自由基产率与臭氧利用率显著增加,在室温(25 ℃)、气相臭氧浓度为10.22 mg/L、pH为11时,对DHHB的去除率在60 min内可达87.3%,去除率是臭氧传统气泡的2.02倍。天然有机质和碳酸氢根离子对DHHB降解过程有不同程度的抑制作用。通过淬灭试验分析,65.2%的DHHB降解由羟基自由基贡献,14.9%由超氧自由基贡献。研究证实了利用臭氧微纳米气泡体系处理水中DHHB的可行性,为该体系的实际应用提供了理论参考。

臭氧微纳米气泡处理焦化废水零排放工艺中浓盐水的效能
沈俊伯, 缪蔚, 胡楠, 李恩超, 李攀
2024, 14(4): 1130-1140. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240070
摘要(147) HTML (126) PDF(9509KB)(52)
摘要:

焦化废水的零排放工艺中使用蒸汽机械再压缩(MVR)蒸发结晶处理膜浓缩液,最终产生超高盐浓缩液废水,其难以通过传统氧化方法进行处理。臭氧微纳米气泡技术能够提高臭氧传质效率、增强臭氧氧化能力,可望用于处理MVR浓缩母液。为验证该技术的工程应用可行性,以MVR浓缩母液为研究对象,对比臭氧微纳米气泡和普通大气泡2种曝气方式下臭氧传质速率以及有机物的降解效能,从技术、经济角度分析盐浓度和有机物浓度对2种臭氧氧化工艺处理效果的影响,以界定臭氧微纳米气泡技术处理高盐废水的适用范围。结果表明:随着盐浓度从0.1 mol/L增加至1 mol/L,微纳米气泡和普通大气泡的臭氧传质系数分别提高0.13和0.09倍,臭氧自分解速率分别升高2.10和1.38倍。在处理高盐、高有机物废水(TOC浓度为57.2~587.6 mg/L,电导率为3.47~28.6 mS/cm)时,臭氧微纳米气泡较普通大气泡的TOC去除率提升0.50~3.76倍,吨水能耗最大可降低71%;处理超高盐、超高有机物废水(TOC浓度为5 626 mg/L,电导率为164.3 mS/cm)时,臭氧微纳米气泡去除效果与普通大气泡趋于一致且吨水能耗更高。高盐废水的盐浓度和有机物浓度对臭氧微纳米气泡处理效能影响显著,工程应用中应根据废水特性选择合适的臭氧曝气方式。

基于微纳米气泡臭氧曝气的饮用水厂有机物强化处理技术研究
马艳, 吴俊, 周维
2024, 14(4): 1141-1150. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240200
摘要(124) HTML (137) PDF(4532KB)(32)
摘要:

为提升饮用水厂原水混凝及前/后臭氧处理等重要工艺段的有机物去除率,对比研究了微纳米气泡(MNBs)与普通曝气盘2种曝气方式下的臭氧传质效率,开展了MNBs对水厂原水混凝效果影响小试,并对2种曝气方式下前/后臭氧处理工艺段有机物及藻类等的去除率进行研究。结果表明:1)本研究中的微气泡发生器产生纳米气泡数量为1.2×108个/mL,中值粒径显著低于100 μm,有利于MNBs臭氧(MNBs-O3)在水中停留较长时间;在水厂原水中加入12.5%(体积比)的MNBs水时,MNBs吸附疏水性有机物及产生羟基自由基的特征可以显著提高混凝沉淀效果,使UV254下降幅度达到15%。2)在前臭氧处理过程中,原水经MNBs-O3处理后,出水110 kDa峰消失而小于1 Da部分出现新峰,五日生化需氧量(BOD5)的去除率约为15%(远低于普通曝气盘的50%)且总有机碳与UV254未发生显著变化;在后臭氧处理过程中,MNBs-O3处理后BOD5上升了40%,TOC上升了36%,UV254则先上升后下降。该结果说明MNBs-O3在前臭氧处理过程中可以将芳香族有机物分解为含氧类链状有机物,MNBs-O3较长的停留时间使其更易将大分子有机物转换为小分子有机物,而后臭氧处理过程中MNBs-O3可以进一步提高对水中残留的难降解有机物的去除率。3)MNBs-O3对藻类的去除率可达25%,且MNBs-O3处理不会增加水中溴酸盐浓度,后续可借助MNBs的气浮功能进一步提升其效率。尽管MNBs替代普通曝气盘使电能消耗上升约30%,但MNBs会大幅缩短进气时间,减少O3使用量。本研究结果为MNBs在原水混凝及前/后臭氧处理过程中的应用建立了理论基础。

臭氧微纳米气泡技术处理油气田钻井废水的试验研究
王瑞琦, 吉永忠, 兰清泉
2024, 14(4): 1151-1157. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240203
摘要(108) HTML (74) PDF(8419KB)(28)
摘要:

随着清洁化生产的深入推进和环保意识的提高,对作业现场的钻井废水及其处理方式的要求越来越严格。针对钻井废水稳定性高、化学需氧量(COD)高、色度高、降解难的特点,采用微纳米气泡技术以提高气体利用率和传质效果,结合臭氧对难降解的高浓度有机污染物进行降解。室内模拟试验表明,经过预处理后再采用臭氧微纳米气泡技术处理,COD从47 328 mg/L降至131 mg/L,去除率达到99.7%,TOC从15 146 mg/L降至65.2 mg/L,去除率达到99.6%,COD和TOC的去除率均超过99.5%,臭氧微纳米气泡技术对高色度和高COD具有显著的去除效果。采用絮凝沉淀、芬顿工艺配合臭氧微纳米气泡技术能够降低臭氧投加量,从而降低投资和运行成本,是一种经济高效的处理方法。

微气泡O3/H2O2深度处理某树脂厂二级出水效果与机制
陈洋, 倪鹏飞, 吴春笃, 张波, 征晓勇
2024, 14(4): 1158-1166. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240201
摘要:

针对传统生物降解对树脂废水中苯系物、聚乙烯醇等大分子有机物降解效果不好、达不到排放标准的问题,构建微气泡O3/H2O2体系,对某树脂厂二级出水进行深度处理。对比了微气泡O3曝气与普通O3曝气的化学需氧量(COD)降解效果,考察了进气O3浓度、H2O2浓度、初始pH对微气泡O3/H2O2体系降解COD效果的影响,通过总有机碳验证体系的矿化效果,通过电子顺磁共振谱仪(EPR)检测微气泡O3/H2O2体系中的活性物质,最后通过气相色谱质谱联用仪(GC-MS)分析降解前后废水中主要有机物的种类,并对微气泡O3/H2O2体系降解COD的机制与路径进行分析。结果表明:1)微气泡O3/H2O2体系中微气泡粒径主要分布在10~50 μm,平均粒径为32.82 μm;与普通O3曝气方式进行对比,微气泡O3体系对COD降解率更高,说明微气泡可以延长O3气泡上升时间,增加O3气泡比表面积,提高O3传质系数和利用率。2)微气泡O3/H2O2体系降解COD,当O3浓度为60 mg/L、H2O2浓度为29.37 mmol/L、pH为7时,反应60 min后,微气泡O3/H2O2体系对树脂厂二级出水的COD降解率为89.53%,处理后出水COD为15.05 mg/L,可达到GB 31572—2015《合成树脂工业污染物排放标准》。3)EPR试验表明,H2O2可以促进微气泡O3体系产生更多的超氧自由基($\cdot{\mathrm{O}}_2^- $)和羟基自由基(·OH),从而提高体系的氧化能力和对COD的降解效果。根据GC-MS结果推断O3/H2O2体系降解COD的可能路径,即树脂厂二级出水以长链烷烃和环烷烃类为主的大分子物质在O3的作用下断链、开环,在·OH等自由基的作用下矿化或降解为以小分子有机酸为主的小分子物质。

降碳减污
国家中心城市交通碳排放效率的空间网络结构及动因研究
杨青, 吴向荣, 刘洋, 郑衍迪
2024, 14(4): 1167-1177. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240052
摘要:

为科学把握城市交通碳排放效率的空间网络结构,实现交通运输业可持续发展,基于2011—2020年我国9个国家中心城市交通碳排放数据,构建考虑非期望产出的全局超效率SBM模型(GB-US-Super-SBM模型)并测算交通碳排放效率,利用修改的引力模型建立空间关联网络,在此基础上应用社会网络分析方法厘清交通碳排放效率空间网络结构及其动因。结果表明:1)研究期内,9个国家中心城市交通碳排放效率整体水平不高,城市间存在较大差距。2)国家中心城市交通碳排放效率的空间关联呈现网络结构形态,并逐渐形成了天津、西安、郑州等多个网络中心;空间网络关联性以2017年为节点呈现先增强后减弱的趋势;天津、西安、郑州等城市发挥着“桥梁”和“中介”作用,对空间网络的形成发挥了重要作用。3)经济发展水平差异、城镇化水平差异、节能技术水平差异和空间邻接关系等因素在交通碳排放效率的空间网络结构中发挥显著作用,其中空间邻接关系和经济发展水平差异的影响最显著。

基于VECTO软件的重型车CO2排放敏感性分析
种衍懿, 王燕军, 张鹤丰, 柯佳, 李凯
2024, 14(4): 1178-1183. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240112
摘要:

为了研究重型车特性参数对CO2排放的影响,以中国厢式货车、不同运行工况下的欧洲C2级货车和欧洲城际客车为例,采用VECTO软件测算车辆的滚阻系数、风阻系数、轮胎动力学半径、附件最大总功率、主减速器和变速箱机械效率及转矩损失等参数对CO2排放的影响,分析不同参数变化对CO2排放测算结果变动的敏感性。结果表明,滚阻系数、风阻系数、附件总功率、主减速器和变速箱各挡位转矩损失参数变动幅度与车辆CO2比排放变动幅度基本呈正线性相关,各参数20%的变动幅度最大将引起4.4%、7.2%、1.9%、1.2%和1.4%的CO2比排放变动幅度;轮胎动力学半径变动幅度对CO2的影响为非线性关系,负的轮胎动力学半径变动幅度引起的CO2排放变动幅度要高于正的变动幅度,−20%的轮胎动力学半径变动幅度最大将引起7.1%左右的CO2比排放变动幅度;主减速器和变速箱各挡位的机械效率变动幅度与CO2比排放变动幅度呈负线性相关,−2.8%左右的机械效率偏差引起2.3%左右的CO2比排放变动幅度。研究结果可为重型车节能降碳改进设计提供参考。

黄河流域资源型城市碳生态安全差异测度、来源分解与时空演进
蒋毓琪, 杨怡康, 田文博, 陈珂
2024, 14(4): 1184-1194. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240007
摘要:

黄河流域作为我国重要的“能源流域”,分析其资源型城市碳生态安全空间差异、差异来源与动态演进,有助于优化全流域碳生态安全布局。在构建黄河流域资源型城市碳生态安全评价指标体系的基础上,选用TOPSIS模型与Dagum基尼系数,评价其2012—2021年碳生态安全水平并分析其差异来源,进一步引入核密度估计法探究时空演变特征。结果表明:黄河流域资源型城市碳生态安全水平逐年提升且呈现“小幅提升—快速上涨”的特征,上游资源型城市碳生态安全水平高于中、下游。不同地区资源型城市碳生态安全的空间非均衡显著,区域间差异是影响碳生态安全总体差异的主要来源,超变密度对其整体差异影响增强。依据核密度估计结果,不同地区资源型城市碳安全水平差异趋于缩小,但中游差异性变小不明显。结合“双碳”目标,黄河流域不同地区资源型城市应制定不同区域碳生态安全目标和举措,实现全域碳生态安全平衡。

基于STIRPAT-GWR模型的重庆市土地利用碳排放动态演进及影响因素
黄怀玉, 唐园清, 龚直文, 陈小娟
2024, 14(4): 1195-1205. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230873
摘要:

探究重庆市土地利用碳排放时空分异及影响因素,可为进一步优化土地利用结构、落实差异化的降碳减污政策提供参考。基于2000年、2010年、2020年3期土地覆盖数据揭示重庆市碳排放的区域差异及时空动态特征,综合运用STIRPAT模型和地理加权回归(GWR)模型,探究社会经济因素对碳排放的空间异质性影响。结果表明:重庆市净碳排放量在2000—2020年总计增长3 723.14×104 t,其时序变化可划分为急剧增加阶段和缓慢增加阶段;土地利用碳汇与碳源仍存在收支不平衡问题。净碳排放总体呈现“中心高、两翼低”的分布格局,净碳排放增量在主城都市区的增长幅度最为剧烈,在渝东南各区县均呈现微度增长态势,渝东北各区县的增长量存在明显的空间差异性。土地利用碳排放各影响因素的空间分布格局差异较大,碳排放强度和人均GDP是关键主导因素,其他依次为城镇人口规模、地方财政一般预算支出、产业结构,碳排放强度在渝东北地区的影响强度较大,城镇人口规模在主城都市区的正向促进作用较大。

不同管理阶段生活垃圾处理处置碳减排潜力研究—以厦门市为例
杨玉虎, 叶志隆, 郭婧恬, 林添煌, 李菲, 苏碧桑, 潘小芳
2024, 14(4): 1206-1217. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230866
摘要:

我国快速城市化带来了大量的城市生活垃圾。为了破解“垃圾围城”的普遍性难题,我国不断完善生活垃圾管理体系,经历了以填埋为主的无害化、以焚烧为主的无害化和减量化、垃圾强制分类在全国主要城市的全面推广、分类垃圾综合处理处置等不同发展阶段。以厦门市为例,分析不同生活垃圾管理阶段的碳排放特征。结果表明:厦门市2000—2009年(无害化阶段)的碳排放总量由25.49万t直线上升至76.38万t,年均增长13.19%;2010—2016年(无害化和减量化阶段)由于填埋气收集效率提升和持续推进垃圾焚烧减量,吨垃圾碳排放强度逐年下降,但排放总量仍然从27.95万t增长至49.30万t;2017年至今全市推行垃圾四分类并开展餐厨垃圾分类和低值可回收物试点,碳排放强度从324.74 kg/t下降至178.11 kg/t,其中每分出1 t厨余垃圾、可回收物、餐厨垃圾和低值可回收物,碳排放分别减少5.69、302.58~328.75、83.19、884.66 kg。未来,随着低值可回收物分类和再生资源中心建设的推广,生活垃圾碳排放总量和强度将进一步降低,推动城市绿色低碳发展。

大气/废气污染控制与管理
阿勒泰市移动源排放清单及时空分布特征
屈小梭, 张桂伟, 夏俊, 孙爱珍, 姜艳, 谷超, 韩雪梅, 白雯宇, 彭云, 赵江坤
2024, 14(4): 1218-1224. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240097
摘要:

通过“自上而下”调查方式获取移动源活动水平,采用排放因子法建立了阿勒泰市移动源排放清单,并进行移动源排放的时空特征分析和清单不确定性分析。结果表明,2021年阿勒泰市移动源9种大气污染物排放总量,CO为669.12 t,NOx为617.92 t,SO2为29.85 t,NH3为32.61 t,VOCs为136.35 t,PM2.5为35.74 t,PM10为38.06 t,BC为20.33 t,OC为6.41 t。其中,CO、SO2、NH3、VOCs主要来源于载客汽车,贡献率均超过40%;NOx主要来源于农业机械和载货汽车,贡献率均超过30%;PM2.5、PM10、BC、OC主要来源于农业机械,贡献率均超过75%。时空分布特征表现为6—8月排放量最高,人口密集的市区排放量高于其他区域。移动源9种污染物排放清单不确定性均在−39.23%~56.27%以内,本清单计算结果相对可靠。

道路交通排放对周边环境影响的分析—以兰州市安宁区学府路为例
张启阳, 王花兰, 聂挺, 李若菡
2024, 14(4): 1225-1231. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230593
摘要:

探究城市道路中机动车污染物的排放对周边环境的影响,对环境治理起着至关重要的作用。通常通过分析污染物的影响因素,来建立排放模型。根据研究尺度的不同,将应用较广泛的模型进行划分,并对模型原理、应用及存在不足等方面进行归纳和总结。为了探究学府路道路污染状况,选取COPERT模型进行污染物排放量的测算,并使用ANSYS软件模拟了道路交通排放对学府路周边环境的影响,得出了污染物地图。结果表明:学府路工作日内4项主要大气污染物NO2、CO、PM2.5、PM10排放量分别为67.7、269.1、15.1和22.8 t。数量占10.0%的轻型货车排放贡献较大,分别占机动车NO2和PM排放总量的50.5%和69.1%。通过模拟值与实测值的对比发现,COPERT模型对于中观尺度的研究具有较好的支撑。

工业园区大气污染物排放总量核算模型优化算法反演性能对比
赵瀚森, 刘峰均, 张夏夏, 吴柏莹, 沈怡秀, 高逸飞, 陈高
2024, 14(4): 1232-1238. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230688
摘要:

基于工业园区污染物排放总量核算模型,以东南沿海某重点石化产业基地VOCs的排放总量核算为例,对比研究了Nelder-Mead单纯形法(NM)、双模退火优化算法(DA)、粒子群优化算法(PSO) 3种优化算法和通过偏差平方和(目标函数1)、对数变换(目标函数2)、双曲余弦变换(目标函数3)构建的3种优化目标函数在不同随机误差强度和失效站点数量下的反演性能。结果表明:PSO算法的反演性能与粒子数量有关,但整体表现不适用于当前条件下的反演优化,NM和DA优化算法具有较好的反演准确性(MARE<30%),但NM优化算法的反演计算效率约为DA优化算法的11~20倍,NM优化算法反演性能最好;3种优化目标函数均适用于当前条件下的反演优化(MARE<30%),其中目标函数1和目标函数3在随机误差强度、失效站点数量较小的情况下反演性能更好,而目标函数2在随机误差强度、失效站点数量相对较大的情况下反演性能更好。

5%Ag掺杂对MnO2纳米棒和海胆微球形貌及其甲苯氧化性能的影响
鲁美娟, 方汉孙, 黄华军, 李丹萍, 吴玮玲, 屈小路, 喻成龙
2024, 14(4): 1239-1246. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230865
摘要:

采用水热法制备了MnO2纳米棒和海胆微球,并原位掺杂5%Ag制备了Mn-Ag复合氧化物,利用SEM、XRD、BET、Raman等表征技术对其结构进行表征,并考察不同催化剂对甲苯的去除性能。结果表明:(NH4)2S2O8的掺入量会对MnO2的形貌产生影响,当其掺入量为2.28 g时,形成MnO2纳米棒,当其掺入量为6.84 g时,形成MnO2海胆微球;MnO2纳米棒掺杂5%的Ag后,形貌未发生变化,但当MnO2海胆微球掺杂5%Ag时,表面的纳米线较MnO2海胆微球有所增长,且出现了缠绕现象,形成了空心鸟巢状结构;5%Ag掺杂后,对MnO2纳米棒和MnO2海胆微球的晶型未产生影响,均为α-MnO2,但5%Ag-MnO2纳米棒出现了Mn2O3的衍射峰;MnO2海胆微球较MnO2纳米棒的比表面积、孔径和孔容均增大,且Ag的掺杂进一步提高了MnO2海胆微球的比表面积、孔径和孔容;MnO2海胆微球比MnO2纳米棒具有更好的甲苯去除性能,且5%Ag掺杂后,MnO2海胆微球对甲苯的去除性能达到最好。

流域/区域保护与修复
内蒙古三大湖泊近10年水化学特征变化及影响因素分析
邹佳慧, 孙标, 赵胜男, 潘学如, 叶博文
2024, 14(4): 1247-1259. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230498
摘要:

内蒙古自治区三大湖泊达里湖、乌梁素海、呼伦湖受地理位置和气候环境影响显著,尤其是作为尾闾湖的达里湖已由淡水湖演化为中咸水湖。于2022年对达里湖、乌梁素海、呼伦湖进行调查采样,与收集的历史资料进行比对分析,采用Piper三线图、Gibbs图、空间差异分析、端元图、离子比值和相关性分析等方法,研究三大湖泊水化学特征及成因机制,利用三大湖泊主要离子浓度历年对比图分析近10年湖泊主要离子浓度变化,并从环境角度分析达里湖盐化原因。结果表明:1)达里湖、乌梁素海、呼伦湖的水化学类型分别为${\mathrm{HCO}}_3^- $-Na+-Cl型、${\mathrm{HCO}}_3^- $-Cl-Na+型、${\mathrm{HCO}}_3^- $-Na+-Cl型。2)各湖泊变异系数较大的水化学组分空间分布表现为达里湖离子〔${\mathrm{HCO}}_3^- $与总溶解性固体(TDS)〕浓度呈现西部高、东部低的分布特征,乌梁素海离子(${\mathrm{HCO}}_3^- $与${\mathrm{SO}}_4^{2-} $)浓度总体上呈现由四周向中部递减的变化趋势,呼伦湖离子(${\mathrm{HCO}}_3^- $与${\mathrm{SO}}_4^{2-} $)浓度的空间分布受入湖河流离子浓度的影响。3)三大湖泊的水化学特征主要受蒸发作用和岩石风化作用的影响,其中达里湖受蒸发岩矿物与硅酸岩矿物共同作用的影响,乌梁素海和呼伦湖主要受硅酸岩矿物作用的影响,达里湖地下水存在阳离子吸附作用。4)近10年达里湖离子浓度整体呈逐年上升的变化趋势。达里湖湖面蒸发量远大于湖面降水量,加之河流补给量逐年减少,导致湖面萎缩以及湖水盐化程度逐渐增大。从根本上来讲,环境因素造成的入湖水量减少、蒸发量增大,最终促使湖泊盐化加快。

湖北省典型流域片区地表水溶解氧时空变化及驱动因素
程继雄, 安堃达, 彭聃, 王婉玉
2024, 14(4): 1260-1272. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230828
摘要:

溶解氧(DO)是反映地表水水质状况的重要指标,是精准开展流域综合治理的关键参数之一。收集湖北省200座水质自动监测站2021—2022年地表水自动监测数据,研究DO时空变化特征并进行聚类分组,采用相关系数法、多元线性回归定量分析16个流域片区DO浓度变化的驱动因素,并提出流域治理建议。结果表明:1)时间上,湖北省地表水DO浓度存在显著季节性差异,表现为冬季>春季>秋季>夏季,其中5—10月存在显著昼夜变化。2)空间上,全省16个流域片区分为低氧区、中氧区和富氧区。低氧区为四湖片区和汉江下游片区,DO浓度和饱和度均较低,且夏季低氧发生频率高;富氧区集中在清江片区和汉江丹库以上片区,夏季易出现DO过饱和;其他流域片区为中氧区,DO饱和度稳定在较高水平。3)影响因素上,低氧区表现为复合型污染,富氧区主要受水生植物生长的影响,中氧区主要受水温影响。结合不同流域片区DO浓度变化特征,提出从“三水”统筹角度,分级分区开展流域系统化治理,即低氧区加强污染源头管控和过程控制,富氧区防控水华发生风险,中氧区严格排污总量控制。

基于主成分分析的城市河流水质时空分布特征研究—以沧州市为例
张贺玉, 杨莉园, 卢少勇, 王永强, 刘树栋, 毕斌, 张静
2024, 14(4): 1273-1283. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230926
摘要:

客观、综合评价城市河流水质的污染状况对城市河流水污染精准防治具有重要意义。以2022年沧州市13条重要河流的pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、氟化物(F)共7项水质指标数据为基础,采用主成分分析法,提取引起河流水质变化的主导指标,诊断河流污染状况,再运用水质指标权重计算各河流监测断面和不同季节综合得分,分析河流水质时空分布特征。结果表明:1)2022年沧州市13条河流水质整体较好,大部分河流水质为GB 3838―2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类,少数河流CODMn、CODCr达到Ⅳ类水质标准;2)使用主成分分析法,可将7个水质指标转化为2个主成分,累计方差贡献率达78.492%,其中与第一主成分显著相关的水质指标CODMn、CODCr、TP和F主导着研究区域水质变化,且4个水质指标之间呈显著正相关;3)空间分析表明,沧浪渠为13条监测河流中污染程度最高的河流,且沧州市东北区域河流污染程度高于西北区域和中南区域;4)季节分析表明,13条河流不同季节水质污染严重程度表现为夏季>春季>冬季>秋季。研究结果可为沧州市城市河流水污染控制策略的制定提供参考。

冬季天津临港复合型人工湿地对抗生素抗性基因的去除效果
张欣宇, 邢畅, 王丽平, 贾雪红, 张宇轩, 徐秀丽
2024, 14(4): 1284-1298. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230632
摘要:

环境中耐药菌和抗生素抗性基因(ARGs)因抗生素的大量应用而广泛存在,影响抗生素对疾病的治疗效果,对人体健康和生态安全构成威胁。研究表明人工湿地(CWs)能够有效去除ARGs,但目前对于北方冬季复合型CWs对ARGs的去除效果尚不明确。以天津临港复合型的CWs(调节塘+水平潜流湿地+表流湿地工艺)为研究对象,开展冬季其对ARGs去除效果的研究;针对不同功能区采集水体样本,采用高通量荧光定量PCR对水体中16S rRNA基因、ARGs、可移动遗传元件(MGEs)及细菌种群组成进行检测,综合分析CWs对ARGs的去除效果,探讨冬季运行期间影响去除效果的关键因素。结果表明:冬季水体中表征细菌数量的16S rRNA基因绝对丰度为2.70×104~1.41×105拷贝/mL;ARGs总检出率为72.5%,其中floR和sul2并非源于进水。各ARGs在不同功能区的丰度差异明显,不同功能区对ARGs的去除效果也存在明显差异。整体来看,CWs对氨基糖苷类抗性基因和多重耐药基因的去除效果最好,总绝对丰度去除率分别为85.59%、47.78%,总相对丰度去除率分别为97.09%、89.44%;对β-内酰胺类抗性基因去除效果最差,总绝对丰度和相对丰度去除率分别为−404.40%、−2.01%。调节塘、水平潜流湿地、表流湿地对ARGs总绝对丰度去除率分别为38.05%、−7.78%和−2.41%;总相对丰度去除率分别为75.02%、−45.60%和−7.75%,不同功能区的去除效果表现为调节塘>表流湿地>水平潜流湿地,其中调节塘对除四环素类抗性基因外的其他ARGs的绝对丰度均有较好的去除效果,水平潜流湿地对磺胺类抗性基因去除效果较好,表流湿地对大环内酯类抗性基因有一定的去除效果。冬季低温、MGEs、不同工艺类型功能区及其运行时间是ARGs去除效果的关键影响因素,ARGs对细菌宿主的非选择性促进了其在天津临港CWs系统中各种细菌类群间的迅速传播。建议今后加强CWs对新污染物ARGs去除效果的优化技术研究。

安徽省涡阳矿区地表水中多环芳烃的分布特征、来源解析及生态风险评价
李寒, 郑刘根, 张燕海, 董祥林, 朱亦兴, 张梦云
2024, 14(4): 1299-1310. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230913
摘要:

为研究涡阳矿区地表水中多环芳烃(PAHs)的空间分布、来源和生态风险,采用气相色谱-质谱联用技术检测分析了研究区地表水中16种优控PAHs的浓度。结果表明:涡阳矿区地表水中∑PAHs浓度为93.59~1 701.77 ng/L,平均值为674.16 ng/L;单体PAHs浓度为nd~362.44 ng/L,单体PAHs中2环、3环和4环PAHs占比较高,6环PAHs占比较低;与国内其他地区地表水相比,研究区地表水中PAHs浓度处于中等偏高水平;空间分布上,研究区地表水中PAHs空间差异显著,距离矿区越近,PAHs浓度越高。特征比值法、正定矩阵因子分解法(PMF)和主成分分析(PCA)得到了相似的源解析结果,地表水中PAHs主要来自交通源、煤炭燃烧源和石油源。PCA得到的各污染源贡献率分别为煤炭燃烧源37.32%、交通源35.51%和石油源13.92%;PMF模型得到的各污染源贡献率分别为交通源42.66%、煤炭燃烧源30.85%和石油源26.49%。生态风险评价结果表明,BaA、BbF和BkF处于高风险水平,其余单体PAHs皆处于中等风险水平;22个采样点中,有6个采样点处于中等生态风险水平,其余采样点皆处于高风险水平。总体看来,涡阳矿区地表水整体生态风险处于中等偏高风险水平,对生物存在潜在危害,需加强生态风险防范。

水污染控制
典型污水处理工艺各工序全氟化合物赋存及去除效果
李则婵, 庞燕, 陈书琴, 安锡鼎, 吴家庆, 张梦缘
2024, 14(4): 1311-1318. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240254
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摘要:

全氟化合物(PFAS)是我国重点管控的新污染物,污水处理厂是其进入水体的重要节点,当前污水处理厂的工艺多为提标改造后的综合工艺,各工艺去除PFAS的效果不一。为探究当前不同污水处理工艺对PFAS去除效果的影响,对北京市某污水处理厂的2种典型污水处理工艺(改进型A2O、改进型OD)各工序的PFAS浓度和组分特征进行了分析,并探讨PFAS去除机制。结果表明:1)该污水处理厂纳管范围内短链替代效应已经显现,2种典型污水处理工艺进水中主要PFAS均为短链PFAS的全氟戊烷羧酸(PFPeA)、全氟丁烷羧酸(PFBA)和全氟丁烷磺酸(PFBS);2)生化处理单元、紫外消毒池导致的PFAS前体物分解,格栅、MBR池、沉淀池等对PFAS的拦截滤除、吸附及沉淀作用是2种典型污水处理工艺中PFAS赋存特征变化的重要机制;3)改进型A2O、改进型OD工艺对总PFAS的去除率分别为60.65%、82.62%,前者对PFPeA和PFBS去除效果突出,后者对除全氟己烷羧酸(PFHxA)以外的所有短链PFAS均有较好的去除效果。污水处理工艺提标改造后在一定程度上对部分PFAS的去除效果有所提高,尤其是改进型OD工艺对PFAS的去除效果较好。

土壤与固废污染控制与管理
长三角地区城市污泥中银污染特征和健康风险研究
刘海龙, 甘云杰, 汪虎, 张婉莹, 李昕宇, 蔡伟萍, 陈占, 李敏
2024, 14(4): 1319-1329. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240027
摘要:

采集了长江三角洲(长三角)地区13个城市的22个污泥样品,分析了该地区城市污泥中金属银(Ag)的含量、尺寸特征,考察了污泥中Ag的形态分布和生物可利用性,并分别利用固体废物浸出毒性评价方法和美国国家环境保护局推荐的健康风险评价方法评估了污泥中Ag的浸出毒性风险和人体健康风险。结果表明,不同城市污泥中Ag浓度(0.08~721 mg/kg)存在较大差异,Ag平均浓度表现为工业污泥(101 mg/kg)>混流污泥(1.89 mg/kg)>市政污泥(0.99 mg/kg)。单颗粒电感耦合等离子质谱表征结果表明,不同类型污泥中均存在含Ag的纳米颗粒,尺寸为17.7~19.0 nm。赋存形态分析结果表明,酸性或有机质浓度较低的2种工业污泥(南京S17、南京S22)中,弱酸提取态Ag占比较高,分别为60.0%和15.6%;其余20种污泥中的Ag主要以稳定态赋存(残渣态和铁锰氧化物态),说明该地区大部分(90.9%)污泥中Ag的迁移能力较低。EDTA提取效率结果也表明,除1种酸性工业污泥(南京S17)外,其他21种污泥中的Ag的生物可利用性均较低。浸出毒性结果表明,除1种有机质浓度较低的工业污泥(南京S22)中的Ag具有高浸出毒性风险以外,其余污泥浸出毒性风险均较小。人体健康风险评估结果表明,长三角地区污泥中的重金属Ag不会对成人和儿童产生显著的非致癌风险。综上,长三角地区除部分工业污泥外,市政和混流污泥的Ag环境风险均较小。

基于GA-BP-Garson模型的市政污泥干燥过程含水率预测
张凯强, 王小雷, 赵建锋, 胡鑫, 王宁峰
2024, 14(4): 1330-1336. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230907
摘要:

市政污泥干燥过程中内部水分检测困难,为准确预测市政污泥热风干燥过程中内部水分的变化规律,将干燥时间、干燥温度、泥层厚度、流量压差作为输入变量,含水率作为输出变量,采用BP神经网络以及GA-BP神经网络分别建立市政污泥热风干燥过程的水分预测模型;对GA-BP神经网络进行敏感性分析,研究了4个输入变量对预测结果的影响。结果表明,BP和GA-BP 2种水分预测模型测试集的决定系数(R2)分别为0.999 55和0.999 64,均方根误差(RMSE)分别为0.513 17和0.455 23,即GA-BP预测模型的预测效果更佳,能更准确地预测市政污泥干燥过程中含水率的动态变化。敏感性分析表明,干燥时间对GA-BP含水率预测模型的影响最为显著。研究结果可为污泥干燥工艺和过程的优化提供理论依据,为污泥资源化利用提供参考。

危险废物渗滤液阳离子和应力作用下膨润土化学相容性研究
杨延梅, 梁柱, 姚光远, 刘玉强, 徐亚, 刘景财, 钱璨
2024, 14(4): 1337-1345. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230842
摘要:

膨润土因其优异的防渗性能被用于危险废物填埋场防渗屏障的构筑,但其防渗性能通常会受到渗滤液和应力的影响。通过渗滤液采样分析设置不同浓度阳离子溶液,系统探究实际渗滤液组分对膨润土防渗性能的影响规律;选用Ca2+作为特征阳离子研究不同应力条件下膨润土渗透系数变化规律;同时结合Zeta电位和DLVO理论计算,阐明渗滤液组分和应力作用对膨润土化学相容性影响规律。结果表明,渗滤液中Al3+、Fe3+、Zn2+、Ni2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+浓度为0~0.20 mmol/L时,对膨润土膨胀特性和渗透特性影响较小。Mg2+、Ca2+、K+、Na+浓度为0.20~50 mmol/L时,Ca2+对膨润土膨胀特性和渗透特性影响较大,Ca2+浓度由1 mmol/L上升到50 mmol/L时,渗透系数由1.15×10−7 cm/s急速上升到6.34×10−6 cm/s。Ca2+浓度和应力通常通过影响水化后膨润土孔隙比进而影响其渗透特性,相同Ca2+浓度条件下,渗透系数随应力增加而逐渐降低。Zeta电位和DLVO理论分析表明,Ca2+浓度增大会导致膨润土表面负电势减弱,引起膨润土双电层厚度减小,使膨润土中蒙脱石的层间距变小,导致膨润土膨胀特性和渗透特性降低。因此,填埋过程中应优化危险废物固化稳定化工艺,从源头减少渗滤液中Ca2+浓度;同时还应研发新型膨润土复合材料,提高膨润土在Ca2+等高浓度盐溶液中的防渗性能,防控危险废物填埋场渗漏风险。

生态修复与风险评估
山江海耦合关键带生态系统服务评价及服务簇识别研究—以桂西南喀斯特-北部湾为例
高春莲, 胡宝清, 黄思敏, 张礼黎, 谢薇薇, 包婷
2024, 14(4): 1346-1356. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230856
摘要:

明确山江海耦合关键带生态系统服务与服务簇空间分布对区域生态功能管理和提高生态系统服务能力具有重要意义。通过InVEST模型和多重生态系统服务景观指数(MESLI)评估桂西南喀斯特-北部湾地区2018年生态系统服务功能及多重生态系统服务能力,进而探讨生态系统服务权衡/协同关系与分布格局,并通过自组织特征映射网络识别不同服务簇。结果表明:山江海耦合关键带多重生态系统服务能力较高,MESLI均值为1.65;产水、食物生产服务呈现东南向西北降低的分布特征;MESLI与碳储量、土壤保持、生境质量、水质净化服务呈现中间低四周高的分布特征。随着地形位梯度的增加,产水、食物生产服务逐渐降低,MESLI与生境质量、碳储量、水土保持、水质净化服务逐渐提高。生态系统服务之间主要以协同关系为主,食物生产与碳储量、生境质量、土壤保持、水质净化服务为权衡关系,权衡高值区主要分布在左右江流域关键带和北部湾海岸关键带地区。山江海耦合关键带可划分为生态保育簇、土壤保持簇、食物供给簇、人居环境簇4类,其中生态保育簇分布面积最大,主要分布在西北喀斯特关键带山区及东南十万大山、六万大山等地区,MESLI最大;人居环境簇主要分布在食物供给簇地区周围,分布面积最小,MESLI最小。因此,该地区需要加强对人居环境簇的生态管理与修复,进而提高山江海耦合关键带多重生态系统服务能力,促进地区协调可持续发展。

新型除藻剂双十烷基甲基丙基碘化铵(DMPAI)除藻效果及对水生生物毒性效应研究
朱琦, 范振宇, 曾令全, 李春华, 叶春
2024, 14(4): 1357-1363. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230804
摘要:

针对由富营养化引起的淡水湖泊水华问题,投加季铵盐类化合物作为除藻剂是一种有效的应急处置方法,但其用量和环境毒性受到广泛关注。为明确新型季铵盐类除藻剂双十烷基甲基丙基碘化铵(DMPAI)的有效使用浓度及安全性,测定了不同浓度下DMPAI对以水华微囊藻为主的浮游藻类、大型溞以及斑马鱼胚胎的毒性效应。结果表明,浓度为0.5~2 mg/L的DMPAI能够在24 h内降低水体中46.77%的叶绿素a,并且令微囊藻数量降至原本的34%;在该浓度水平下,不会影响大型溞的生存和繁殖,但会令大型溞生长迟缓;斑马鱼胚胎的死亡率与DMPAI浓度成正比,死亡率最大值为19.00%,并且出现提前孵化、心跳缓慢等现象,但不会显著影响幼鱼的体长变化。

淹水条件与植被类型对洱海湖滨带微生物群落特征及脱氮功能基因丰度的影响
廖万雪, 田泽斌, 侯泽英, 祝枫, 储昭升, 袁静
2024, 14(4): 1364-1373. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240064
摘要:

为探究淹水条件与植被类型对湖滨带微生物群落结构、脱氮功能基因的影响,以洱海湖滨带3种淹水条件(不淹水、间歇淹水、持续淹水)和6种植被类型(草地、林地、林草地、挺水、沉水、无植被)土壤/底泥中的微生物为研究对象,采用16S rRNA基因高通量测序和荧光定量PCR技术,分析淹水条件和植被类型对洱海湖滨带土壤和底泥微生物群落结构以及微生物脱氮功能基因丰度的影响。结果表明:交界区作为湖滨带物质交换与能量流动最频繁的区域,受水位波动影响环境条件复杂,其土壤/底泥中氮循环的重要微生物类群(如绿弯菌门和硝化螺旋菌门等)的相对丰度及α多样性均高于陆向区和水向区;而植被类型主要影响水向区底泥的微生物群落组成和α多样性。微生物脱氮功能基因丰度的差异进一步说明湖滨带脱氮微生物的空间分布特点,陆向区和交界区更高的功能基因丰度说明微生物脱氮活动更强烈。含水率、碳氮比、有机碳和亚硝氮是洱海湖滨带土壤/底泥脱氮过程功能基因丰度的关键影响因素,其浓度变化是淹水条件和植被类型影响脱氮功能基因丰度差异的主要原因。

南丹锑矿区不同工业场地植物群落特征
谭昭, 赵清英, 张泽民, 彭甜恬, 宋霓, 李文杰, 关潇
2024, 14(4): 1374-1384. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230821
摘要:

研究锑矿区不同工业场地植被群落特征及其影响因素,对于锑矿区的生态恢复和植被重建具有重要意义。以南丹县五一锑矿各工业场地植物群落为研究对象,并选择锑矿区周边未被破坏的植物群落作为对照区,探究锑矿区不同工业场地(采矿区、冶炼区、尾矿区)植物群落物种组成与多样性及其与土壤因子的关系。结果显示:锑矿区各工业场地群落组成以菊科(Compositae)、禾本科(Poaceae)为主,2科植物在锑矿区工业场地内为群落建群种和优势种。对照区与各工业场地植物群落组成差异显著(P<0.05),冶炼区植物群落组成与采矿区和尾矿区差异显著(P<0.05)。各工业场地优势种的重要值及Margalef指数、Shannon指数均表现为对照区>采矿区>尾矿区>冶炼区(P<0.05),表明冶炼区群落复杂程度最低,群落结构最为简单,生态退化形势较为严重。矿区植物多样性与土壤含水率、pH及有机质、总钾、总氮含量呈正相关,与总磷含量、锑砷含量呈负相关,总锑、总砷和土壤含水率是影响锑矿各工业场地物种多样性的重要限制因子;重金属含量对尾矿区和采矿区植物群落多样性影响最强,土壤含水率对冶炼区影响最强。研究表明,工业场地植物物种数量下降,植被多样性指数降低,采矿等工业活动对矿区生态环境构成一定破坏和干扰,矿区植被恢复方案应考虑矿区场地类型和关键环境变量。

环境毒理与健康
铁死亡在空气污染导致相关疾病中的作用机制研究进展
刘炳乾, 李志刚, 魏永杰
2024, 14(4): 1385-1392. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240160
摘要:

流行病学研究证实,大气污染物暴露会导致人体不良健康结局,但具体的生物学机制尚不明确。空气污染暴露后,氧化应激已被证实是影响健康的经典调控机制。近年来研究发现,氧化应激导致的脂质过氧化与铁累积共同作用,可诱导调节性细胞死亡,被称为“铁死亡”。因此,铁死亡可能是空气污染物引发不良健康结局的重要机制。为了探究空气污染引发不良健康结局的铁死亡机制,基于已有研究成果,梳理了铁死亡在空气污染导致不良健康结局中的作用靶点,详细探讨了空气污染物诱导铁死亡的调控机制。系统综述结果表明:细颗粒物(PM2.5)、臭氧(ozone,O3)、香烟烟雾(cigarette smoke,CS)均可通过影响铁代谢和脂质过氧化途径中的关键基因诱发铁死亡;大气污染物对铁死亡的调控过程主要是通过引发氧化应激降低机体抗氧化能力,从而降低铁死亡的抗性。本综述结果进一步补充了空气污染诱导疾病的发生机制,可为潜在的疾病治疗策略提供理论支持。

河南典型城市寺庙灰尘重金属健康风险及来源解析
朱铭, 王佩珺, 吴梦怡, 吴姗珍, 刘雨凡, 魏亚飞, 刘德新
2024, 14(4): 1393-1402. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230731
摘要:

以新乡市贾湾泰山庙为研究对象,测定并分析寺庙地表灰尘中8种重金属元素(Hg、As、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb)浓度,进行健康风险评估与重金属污染源解析。结果表明:寺庙地表灰尘中除As外的7种重金属元素存在空间变异情况,浓度超过豫境平原南区土壤环境背景值。各采集点位Cu浓度土壤背景值超标率达91.03%,Ni平均浓度超标率达151.1%。地表灰尘重金属对儿童与成人的潜在致癌、非致癌风险均低于标准值,Cr和Pb为主要非致癌因子。地表灰尘中重金属对儿童健康风险高于成人,手—口摄入为主要的接触途径。重金属健康风险指数随距炉心梯度的增加先增后减,最高值普遍位于20 m梯度处。正定矩阵因子分析表明,地表灰尘中Hg和Pb主要来自建筑油漆污染,Cr、Cu、Ni、Zn主要来自寺庙燃香污染,Cd和As主要来自农业种植和畜牧活动。寺庙燃香污染源作为主要污染贡献源占比达40.96%,农业畜牧污染源占比达37.40%,寺庙建筑污染源占比达21.64%。