基于液态沉积成型3D打印的裂隙介质复刻方法构建与VOCs迁移研究

物理模拟实验是揭示裂隙介质中渗流及溶质运移规律的重要手段,但由于裂隙介质的复杂性和随机性,构建可复刻的裂隙实验模型成为一项技术难题,3D打印技术的兴起为此提供了新的思路。本文系统梳理了3D打印技术在裂隙模拟实验中的应用现状,构建了裂隙实验模型复刻新方法,并探究了所获模型的特性。首先,针对现有裂隙模型构建方案存在的材料模拟度低、模型强度不足、时间和经济成本高等缺陷,提出具有裂隙岩体模拟度强、个性化定制灵活、可重复性好等优势的液态沉积成型(LDM)3D打印技术。其次,对该技术结合CT扫描构建获得的高精度裂隙实验模型进行物理化学性质分析,裂隙结构测试显示模型裂隙率为5.77%,与实际岩芯裂隙率(5.46%)非常接近;微观形貌分析表明模型表面具有粗糙特性,断面表现出脆性断裂特征,符合实际岩石特征;模型采用陶泥材料打印,矿物组成及元素特征与硅酸盐岩基本一致,该材料可用于模拟此类岩石。最后,以四氯化碳(CCl4)为例,开展挥发性有机物(VOCs)在包气带裂隙介质中的迁移实验。结果表明,在时间上,裂隙介质中气相CCl4浓度逐渐增大并趋于平衡,平衡浓度及平衡时间受污染源(地下水)中CCl4浓度的控制;空间上,裂隙介质中气相CCl4浓度自上而下逐渐增大,平衡状态下气相CCl4浓度呈指数型分布。综上,LDM型3D打印技术能够有效复刻裂隙介质,并可用于VOCs等污染物模拟实验,后续研究需要关注材料创新、应用探索及打印精度提升。

深耕对土壤温室气体排放影响研究进展

深耕作为农业耕作措施的同时,也是重要的土壤污染修复方法,然而,其对土壤温室气体排放的影响尚不明确。总结了深耕条件下土壤二氧化碳(CO_(2))、甲烷(CH_(4))和氧化亚氮(N_(2)O)排放规律的相关研究。深耕主要通过影响土壤物理性质(如容重、团聚体稳定性)进而影响其化学和生物学性质,从而导致温室气体排放通量发生变化。深耕可显著增加土壤CO_(2)的排放量。土壤团聚体稳定性和容重是影响CO_(2)排放的重要因子。旱地土壤是CH_(4)的“汇”,水田是CH_(4)的“源”。深耕可降低旱地土壤对CH4的吸收,增加水田土壤CH4的排放。土壤通气性能以及产甲烷菌和甲烷氧化菌的大小和活性是影响CH_(4)排放的重要因素。深耕对N_(2)O的影响主要与土壤通气性能有关,在通气性较好的土壤中,深耕可显著增加N_(2)O的排放,但在通气性不良的土壤中则表现为降低趋势,土壤硝化和反硝化作用是影响N_(2)O排放的重要过程。此外,土壤改良方式、水分管理、气候因素和其他土壤性质等可进一步对土壤温室气体的排放产生影响。从农业可持续发展和土壤绿色低碳修复的角度出发,采用深耕方法进行农业耕作和土壤修复对气候变化的潜在影响值得进一步审慎商榷。

工业场地重金属污染土壤治理现状与展望

我国工业场地土壤重金属尤其是多金属复合污染形势严峻。其治理目前仍存在场地污染环境调查精度不足、标准体系有待完善、概念模型准确性较差、修复和风险管控技术的长效性较差、部分修复技术引起污染扩散等一系列问题。基于以上问题分析,本文提出了以下解决思路,主要包括:明晰地下水系统污染物生物地球化学过程,从土水协同的整体视角看待场地修复与风险管控;针对实际场地阴阳离子复合、多阳离子复合等复杂的多金属污染特征,根据场地特征精准开发风险评估工具;研发适合复杂污染体系的新型多金属稳定化材料;完善评价其长效性的人工加速老化方法并开展长期监测,构建长效稳定性评估指标体系;强化“调查评估—修复/风险管控—安全回用后期监管”的全流程管理体系,加快完善相关技术标准或指南。

裂隙介质VOCs赋存迁移特征与场地修复难点

梳理了裂隙介质污染的研究方法,分析裂隙介质中VOCs的赋存迁移特征与修复技术原理,结合我国实际情形分析该类场地修复治理的难点并提出相关建议.裂隙介质场地中,对流弥散、吸附解吸、跨界输移的协同作用影响VOCs的环境行为与归趋.在理论层面,基于分离、化学氧化与生物转化过程的修复原理能够实现裂隙中VOCs的去除,但由于氧化还原产物堵塞、吸附态污染物反向扩散等原因,裂隙介质VOCs污染修复过程可能存在拖尾、修复后可能存在反弹的问题.与孔隙介质场地相比,不确定性是造成裂隙介质场地修复困难的主要原因,主要体现在场地调查阶段样品代表性差、修复治理过程中裂隙对污染物的阻滞作用所致传质受限、污染物易发生跨介质迁移风险等方面.后续研究亟需在充分认识裂隙污染物迁移转化机制的基础上,进一步探索适合我国修复与再利用实际情形的修复和风险管控模式.

基于铅稳定同位素的多金属复合污染土壤源解析新思路——以西南地区某矿区农田为例

本文以我国西南某矿区典型多金属复合污染农田土壤为例,基于铅(Pb)稳定同位素分析,结合矿物学分析,对土壤Pb来源进行定量解析,并针对其他重金属来源进行外推。同位素源解析结果表明,人为源对于土壤重金属的贡献率高达61%~89%,矿渣浸沥与矿区道路扬尘为主要的污染途径。矿物学分析能够辅助印证Pb稳定同位素分析结果,在一定程度上克服由于污染源信号重叠造成的源解析困难。通过相关分析,可以将Pb同位素源解析的结果合理外推,在一定程度上解释其他重金属元素的来源。本文提出的源解析新思路能够高效、准确地解析多金属复合污染土壤中重金属元素的来源,尤其适用于我国土壤多金属复合污染集中连片存在、成因复杂的现状,具有很强的现实意义。

塑岩:成因、分布与微塑料释放特征

塑料污染是受到全球广泛关注的环境问题,对人体健康与生态系统造成潜在威胁.已有证据表明,塑料能够与自然界的岩石发生稳定结合,成为人类活动作为一种新的地质营力影响地球地质周期的直接证据.在这些发现的基础上,本文提出并定义了一种新的沉积岩类型——塑岩.塑岩是塑料与碎屑物质胶结形成的沉积岩;在塑岩中,肉眼可见的塑料与沉积岩原始物质成分在地壳表层的条件下,经熔化-凝固、蒸发、吸附等物理、化学过程,发生了不可逆的结合.在前期发现的基础上,针对2022年7月在广西壮族自治区河池市采集得到的陆地生态系统塑岩样品,进一步研究其在干湿循环情形下微塑料的释放与粒径分布特征.研究表明,在干湿循环老化情形下,从塑岩中释放得到的微塑料的粒径分布可以被条件概率老化模型刻画.从塑岩中剥离的低密度聚乙烯(LDPE)和聚丙烯(PP)塑料的破碎维数总体在1.5~2.5之间浮动,呈现出二维破碎的特征;LDPE的破碎过程存在先加剧后减缓的过程,但PP的破碎维数恒定在2附近,预示塑岩结合的PP塑料具有长期释放微塑料的能力.除此之外,在塑岩释放的微塑料中,超过60%为具有较高迁移性的圆球状微塑料,其平均粒径显著低于其他形状,具有较高的迁移性,预示着潜在的生态风险.需要指出的是,目前针对塑岩的相关报道对其胶结成岩过程以及在自然界中的长期环境行为仍不甚明确,后续研究需要对其在自然环境中的成岩过程、赋存规律与长期归趋开展进一步研究与观测.

突破“外化呈递”藩篱的工科课程教学设计与案例研究

开展新工科建设是推进我国工程教育改革与培养适应新时代发展需求的高素质人才的重要举措。在此背景下,文章结合“外化呈递”理论系统分析了传统工科课程产生这一困境的根源,指出其根源在于对显性知识的过度强调、课程组织的形式化以及工程伦理教育的缺失;基于上述分析提出,突破这一藩篱的工科教学设计应以浅层、中层与深层多维教学结果为导向,通过逆推法构建教学细节;在此基础上,以清华大学土壤污染控制工程课程为例,从学生学习动机的激发、技能的掌握与实际工程的结合、个体发展与社会效能的连接等多个层面介绍了该课程的教学实践。研究认为,遵循从后向前的设计思路,将学生个体成长与工程实际需求结合,有利于培养“厚基础、强能力、高素质”的复合型人才。

农田中的(微)塑料污染:来源、迁移、环境生态效应及防治措施

近年来,继海洋中的微塑料污染受到广泛关注后,土壤微塑料的环境风险逐渐受到重视,有关微塑料对土壤生态环境影响的研究取得了积极进展。本文总结了迄今为止的有关农田土壤中(微)塑料的研究成果和进展,阐明了当前国内外农田微塑料污染现状;详细论述了农田土壤中(微)塑料的来源以及不同源对农田微塑料污染的潜在贡献;对农田微塑料污染现有的研究方法尤其是采样方案和微塑料的提取技术做了较为详尽的分析和论证;探讨了微塑料在土壤中的迁移、老化、与其他污染物的相互作用等环境行为和归趋,以及由此带来的环境效应和生态风险,并重点关注了微塑料污染对于农田土壤质量和食品安全带来的挑战;最后列举了部分现有的微塑料污染防治策略及其对农田中微塑料污染防治的意义,并对未来土壤中微塑料的研究方向进行展望。文章认为,农田土壤的塑料与微塑料来自多种源头,其中塑料固体废物尤其是农业地膜是农田中微塑料的主要来源之一。微塑料进入土壤后,在外界物理、化学与生物等因素扰动或作用下,会发生不同尺度的迁移转化甚至生物反应,造成广泛的环境生态影响,主要有对土壤理化性质、微生物群落、土壤动物、植物生长等的不利影响,从而损害土壤健康,影响农业生产和农产品质量;此外,细小的微塑料颗粒尤其是纳米塑料存在经由食物链向人体富集的潜在风险。塑料在土壤环境中可能被生物碎化与缓慢生物降解。考虑到微塑料在环境中的广泛分布,持久性和生态风险,结合各国现有的防治策略,提出了相关的防治建议。

基于用地规划的污染地块修复多目标优化研究

本研究构建了一个基于再开发的污染地块修复环境与社会经济多目标优化决策方法,并以华北某大型污染地块开展实证研究.结果显示:调整用地规划布局,采用第二类用地修复治理标准(GB3660-2018)可使修复方量降低62.5%,同时降低修复的环境影响;其次,基于多目标优化调整的用地规划和修复技术,使修复成本分别降低28.3%､27.4%,而优化土地开发强度使收益同期增长24.3%,并能兼顾多重社会可持续目标.最后,对多目标优化的盈亏平衡分析显示,提高用地开发强度所增加的土地收益高于同期增加的修复成本,达到一定的土地开发强度方能实现地块修复与再开发的盈亏平衡.因此,通过地方政府､社会公众､污染责任方和土地开发商等利益相关方分析,构建的污染地块修复多目标优化策略可综合平衡不同利益相关方的权力和资本关系,提升修复的环境和社会经济效益,实现绿色可持续的修复与再开发.

汞污染地块风险全生命周期管控技术体系研究

风险全周期管理是推进汞污染地块风险管控,有效实现地块安全可控的重要方式.在《关于汞的水俣公约》全球履约背景下,为有效提升汞污染地块的风险预防与管控能力,该文对汞污染地块风险管控技术体系进行了深入研究.在深入分析污染地块健康风险全生命周期特征的基础上,围绕地块风险源头-暴露途径-环境受体3个核心风险要素,并结合国内外技术研发与工程示范经验,构建出适用于此类污染地块的风险全周期分类管控技术体系.该体系根据土壤与地下水风险管控标准评价地块污染水平,并结合地块敏感目标和暴露途径等暴露情景对地块进行分类管控决策.通过对工程修复、风险管控、制度控制等进行多技术有机耦合,可实现对汞污染地块全方位、多角度、系统化的风险管理,即在风险产生、风险发展与风险消褪的各个环节,分别施以源头预防、过程控制及长期管理措施,有效遏制地块新增风险的基础上,实现污染地块风险的安全可控.该技术体系存在如下特征:1)基于风险的管理决策可以反映地块管理的科学内涵;2)分类风险管控策略可以有效节约成本,实现最大的管控净效益;3)以全生命周期管理为基本理念,实现“源头-过程-末端”的全流程风险控制.

砷-重金属复合污染土壤稳定化材料研究进展

我国土壤重金属污染现状十分严峻,多金属复合污染,尤其是砷-重金属复合污染普遍存在,治理难度大。土壤中累积的多金属污染物严重威胁土壤健康、农产品安全与人居环境安全。因此,多金属复合污染土壤修复是土壤污染治理和风险防控的重要命题。固化/稳定化技术是我国最为广泛使用的污染土壤修复技术,通过投加稳定化材料,降低多金属污染物在土壤中的可迁移性与生物有效性,从而实现多金属污染物暴露途径的有效阻断。对砷-重金属型复合污染土壤的稳定化作用机理进行了详细阐述并梳理了应对砷-重金属复合污染土壤的新型修复材料。砷与其它重金属的协同稳定化主要通过表面络合与沉淀作用实现。富含铁、钙元素的材料对这种类型土壤的稳定化具有优异的作用效果。砷-重金属协同稳定化材料的修复效果取决于稳定化材料的类型、复合污染物的种类、材料施用量、土壤条件(如pH,氧化还原电位、阳离子交换量等),其中pH和土壤可溶性有机质含量对稳定化效果有显著的影响。本文发现,功能化生物质复合材料、工业固废基材料、改性复配天然矿物等绿色修复材料是近年来研究的热点。未来的研究亟须考虑砷与重金属污染物协同稳定剂的长效性,以及通过大田试验验证新型材料的应用潜能。

重金属复合污染土壤稳定化基体材料筛选

我国土壤重金属复合污染现状十分严峻,严重威胁到饮水安全、粮食安全和人居环境安全.稳定化是土壤重金属污染治理中应用最广的风险管控技术,但由于不同类型重金属之间稳定化机制不同,同一类型重金属之间存在竞争吸附,其针对多金属复合污染土壤的适用性值得商榷.材料研发是稳定化技术的核心,本文探究了典型基体材料(炭基材料、硅基材料、磷基材料、粘土矿物、石灰类材料、铁基材料、镁基材料)针对多阴离子复合、多阳离子复合和阴阳离子复合污染土壤稳定化的适用性.结果发现,还原铁粉(零价铁)针对不同理化性质土壤砷、锑、镉和铅等重金属均能够取得较好的稳定化效果,而硫酸亚铁和聚合硫酸铁由于铁盐水解导致土壤酸化,在稳定砷、锑的同时还可能会造成镉元素活化;石灰类材料主要通过改变土壤的酸碱度与氧化还原电位的间接作用实现多金属的稳定化,其作用效果针对不同土壤具有一定的差异性,这一间接稳定化作用的长期有效性也值得进一步探究;活性炭、沸石等具有较强水相重金属吸附能力的多孔材料无法有效稳定土壤中的重金属,其投加会导致土壤砷、锑和镉等重金属的活化.研究结果可为多金属复合污染土壤稳定化功能材料的研制提供相应依据.

农田重金属污染长期演变LIVE模型构建

【目的】我国农田重金属污染较为突出,严重威胁农产品安全。防范农田土壤重金属的长期累积增加、实现农田土壤可持续的安全利用,是保障粮食安全生产的重要前提。然而现有政策管理框架与实践重点关注已污染农田土壤的风险管控与修复,侧重重金属污染农田的高效、短期安全利用,对重金属浓度在较长时间尺度内的动态变化重视不足。针对农田重金属长期的演变规律,亟需建立有效的预测方法,为相关政策的制定提供决策支撑。【方法】基于重金属元素的入流与出流特征分析与质量衡算,构建了农田土壤重金属演变规律预测的LIVE(Long-term Influx Versus Efflux)模型。通过选取典型参数,模拟浅层与深层农田土壤中镉(Cd)、砷(As)典型污染物的长期演变规律。【结果】农田重金属的变化规律可分为单向、波动、突变等多种形式。进一步结合长期观测数据,对不同演变规律的形成原因进行了探讨。【结论】在各入流项与出流项相对恒定的理想情形下重金属的积累存在单向性特征;水通量的波动性间接导致了污染物积累的波动性特征;通过人为控源,可以明显遏制乃至扭转重金属元素的积累,使污染物含量呈现突变性特征。该模型能够为重金属污染农田土壤长期、有效的安全利用提供相应依据。

汞污染场地特征识别与健康风险研究

汞污染场地特征识别与风险管控是《关于汞的水俣公约》中重要的履约计划。围绕当前我国场地尺度汞污染特征不清、风险管理模式不健全的问题,深入研究了人为活动汞的物质流向与管控行业场地潜在的污染途径,系统分析了当前场地尺度汞的主要来源、赋存形态、空间迁移与形态转化,并以原生汞矿选冶矿山作为典型汞污染场地,构建了场地概念模型并对风险评价与分类管控对策进行研究。结果表明:我国汞污染场地多存在于原矿开采、汞触媒、氯碱、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、废物处置等有意汞排放行业,以及燃煤电厂、有色金属、水泥生产等无意汞排放行业。场地中的汞以无机和有机复杂形态赋存,并可发生介质间迁移与形态间的转化,对场地风险的精准评估形成挑战。汞污染场地潜在暴露情景的场地概念模型表明:汞可通过经口、呼吸、饮水、饮食等多途径进入人体并形成不可接受的健康风险。根据国外场地风险评价理论与管理实践,并结合我国的实际情况,提出基于汞生物化学转化过程的精准风险评价与风险优先级相适应的分类修复/风险管控,以期成为一种科学规范、环境友好、可持续的汞污染场地风险管理对策。最后对汞污染场地风险评价方法与管控对策研究的发展方向作出展望。