环境科学与工程专业创新设计课程教学实践研究

针对现有环境科学与工程专业实践课程存在的不足,提出了基于课堂授课、校内外导师联合指导和实际应用课题培养学生的新型创新设计课程教学模式。该模式包括6个环节:学生以小组为单位直接深入社会企事业单位、联合校外导师以创新的模式解决实际问题为出发点筛选课题、参与课题、校内外教师讲授指导、与校内外导师共同开展头脑风暴、依靠团队合作进行创新设计并达成任务目标等。实践表明,该模式有效保障了学生的课堂参与度,并强化了学生的实践能力与创新能力,有利于培养独立思考、敢于创新、面向未来的高水平环保人才。

三种热点工程颗粒材料的性质与环境行为和细胞毒性的关系

随着科技的不断发展,涌现出许多新型颗粒材料,特别是纳米颗粒(Nanoparticles,NPs)、微塑料(Microplastics,MPs)和生物炭(Biochars,BCs)等。由于独特的物理化学性质,它们被广泛应用于生物医学、包装材料和污染治理等领域,但在其应用过程中的环境健康风险仍未得到全面理解,其表现出的细胞毒性作用及反应机制也逐渐成为国内外的研究热点。目前,研究中鲜见对这些新型颗粒材料的综合对比研究,但这几种材料均具有尺寸小、电荷密度高和溶出物质复杂等属性,这些共同属性不仅影响着它们的环境行为,且很大程度上影响着其对动植物和微生物细胞的毒性作用。因此,本文就NPs、MPs、BCs三种工程颗粒(Engineered particles,EPs)展开讨论,从EPs的粒径、表面电荷和溶出物质入手,建立EPs的自身性质与其吸附、聚集等环境行为的关系;同时,尝试探究和总结EPs的尺寸、表面电荷或溶出物质等对动植物或微生物细胞的毒性机制,并就EPs在目前细胞毒性研究中存在的问题进行分析并提出改进意见,为未来类似于EPs的颗粒型材料的风险评估提供理论基础。

城市河流水环境治理工程污染物削减效果评估

该研究以深圳河流域及新洲河流域为主要研究区域,调查统计了深圳河流域和新洲河流域1995-2019年已实施的水环境治理工程并对其进行分类,估算了点源污染治理工程与河网综合治理工程对水体主要污染物(NH_(4)^(+)-N、COD、TP)的削减量,并利用空间插值法揭示了污染物削减量的空间分布特征。结果表明:(1)共调查统计到水环境治理工程256项,总投资238.8亿元,共计9大类,其中点源污染治理工程86项(投资139.15亿元),河网综合治理工程101项(投资88.58亿元),这2类工程的投资额占到总工程投资数额的95.36%。(2)流域内点源污染治理工程与河网综合治理工程对NH_(4)^(+)-N、COD和TP的削减量具有相似的空间分布特征。在布吉河中游地区与深圳水库周围的交错区域内污染物削减量在整个流域内达到峰值。点源污染治理工程对污染物削减量高于河网综合治理工程。投资数额最高的点源污染治理工程对NH_(4)^(+)-N、COD和TP的估算削减量可达1231.70、8357.96、100.30 t/a。投资数额最高的河网综合整治工程对NH_(4)^(+)-N、COD和TP的削减量分别为16.01、20.29、288.24 t/a。

基于流域水环境模型评估重金属面源污染负荷

为定量评估重金属面源污染负荷,以分布式流域水环境模型SWAT模型为基础,借鉴输出系数模型,考虑溶出率影响,发展了一个重金属面源污染模型——SWAT-MT模型.SWAT-MT模型模拟重金属在流域内的大气沉降、地表径流冲刷、土壤和河道中的运移过程,结构较为简单,兼具机理模型和输出系数模型的优点.本文应用SWAT-MT模型评估了湘江株洲段一个子流域的铅面源负荷,并通过敏感性分析和蒙特卡洛模拟识别了铅面源模拟的敏感参数,量化了模型输出中的不确定性.结果表明:①研究区铅的面源侵蚀量为2.09 t/a,侵蚀强度为5.27 kg/(km^(2)·a).铅侵蚀强度时空差异明显,汛期(4—7月)雨水集中,铅的侵蚀量大.侵蚀强度高的地方集中在流域下游,城镇用地的侵蚀强度约为流域平均水平的2倍.②流域出口的铅负荷为0.79 t/a,约60%的铅侵蚀量滞留在河道,说明沉降是河道运移的主要过程.③蒙特卡洛模拟结果显示,模型输出存在显著的不确定性,95%置信区间下,铅的面源侵蚀量为1.62~2.59 t/a,流域出口负荷为0.50~1.16 t/a;为降低模拟不确定性并提高模型可靠性,应重点关注城市地表积尘的铅浓度、铅溶出率和河道铅沉降速率等敏感参数的取值.研究显示,通过合理的参数赋值,SWAT-MT模型能够提供较为可靠的重金属面源负荷估算结果,为重金属污染综合防治工作提供科学工具.

生态环境科技转化与产业发展融合之路探索

生态环境科技成果转化是深入贯彻落实党的十九大精神和国务院部署任务的抓手,是实现二氧化碳排放2030年达峰、2060年碳中和目标的重要举措,是落实绿色发展战略、实现我国可持续发展的关键之举。本文通过对我国生态环境科技成果转化现状进行分析,指出现阶段国内生态环境科技成果由于存在“不愿用”“不易用”“不实用”等问题导致转化率仅为10%左右。同时,在构建国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局的要求下,文章结合以5G和物联网技术为代表的新科技浪潮发展趋势,提出以习近平总书记“四个面向”“三个导向”要求为原则指导生态环境科技成果转化,从促进生态环境科技与生态环境保护产业协调发展、强化产品生态友好设计、注重多学科交叉等多方面,推进生态环境科技转化更好地与产业发展相融合。

膜分离技术在环境工程实验教学中的应用

膜分离技术在水处理领域广泛应用,但在环境工程专业实验教学中少有设计膜分离技术相关的实验。本文将膜分离技术引入环境工程专业实验教学中,设计了超滤和纳滤膜分离实验等验证性和开放性实验。通过这些实验设计,让学生能充分掌握膜分离在水处理中的应用原理,创新能力得到锻炼和提高,为以后的工程实践打下基础。

基于SWAT-KM暴露模拟的环境暴露与环境风险分析方法--以壬基酚为例

水文过程是环境系统中化学物质迁移的关键过程,也是化学物质环境暴露浓度不确定性的主要来源之一。利用半分布式水文模型SWAT对水文以及植被生命史过程的高精度模拟能力,通过增设表层大气模块、扩容植被模块等设计,研发了SWAT-KM模型,实现流域尺度化学物质在“土壤、地表水及沉积物、表层大气、植被、浅层地下水”等环境多介质系统中的日精度迁移转化模拟,并开展江苏省中部地区某小流域壬基酚环境暴露浓度的逐日浓度模拟应用。结果表明,SWAT-KM模拟的壬基酚暴露浓度具有时空分异、多介质浓度协同变化的特征,暴露浓度与降水等气象水文过程有较强关联。使用模拟浓度的75%分位点值作为预测环境浓度(PEC),发现研究区壬基酚造成了不合理水生生态风险,且在春季达到最高;考虑到大多数鱼类春季繁殖的习性,应高度关注壬基酚的水生生态风险。SWAT-KM可为化学物质环境暴露时空高精度模拟和风险评估及区域化学物质环境风险防范提供技术支持。

酸性矿山废水环境中重金属的污染特征和机制

酸性矿山废水(AMD)是矿区中常见的环境污染问题。论文以石人嶂矿区为研究对象,分析了AMD水体的污染特征、沉积物中重金属的形态及其释放风险,研究结果表明,该矿区AMD中存在以As、Zn、Cu和Fe为主的多金属复合污染。沉积物中的次生铁矿物能够固定水体中的重金属,且其固定As的能力强于Zn、Cu和Cd。在pH<3时,次生铁矿物为黄钾铁矾、砷铁石等结晶度强的铁矿物,沉积物中的重金属主要呈晶型铁结合态和残渣态,重金属的稳定性强;而在pH>3时,次生铁矿物为施氏矿物、四方水铁矿等结晶度差的铁矿物,沉积物中重金属的形态主要为表面吸附态和弱结晶铁结合态,重金属的稳定性相对较低。另外,pH>3的沉积物中含有相对丰度较高的铁还原菌,它们可能会诱导次生铁矿物相转化和重金属迁移。研究结果对厘清AMD环境中重金属的地球化学行为有重要意义。

大型LNG接收站环境风险评估体系构建

液化天然气(liquefied natural gas,LNG)接收站的主要环境风险为介质污染,通过构建LNG接收站环境风险评估体系,从规划建设、周边环境、功能分区、运营管理、应急处置5个维度筛选23项指标因素,运用G1模型为各项指标赋权,建立LNG接收站环境风险综合指数计算模型和评估准则。以广东省某LNG接收站为例,评估结果表明:总体环境风险为一般等级,LNG储罐区环境风险达到较大等级,验证了所提出的LNG接收站环境风险评估体系及其计算模型具有较好的可操作性和有效性。

复合干热胁迫下黄土高原夏季植被脆弱性评估

随着气候变化的加剧,高温干旱事件频发,对植被健康生长造成了严重影响。针对相关性方法难以准确刻画复合干热胁迫下植被脆弱性的问题,利用1982—2015年去趋势和标准化的归一化植被指数(detrended and standardized normalized difference vegetation index,SNDVI)、标准化降水蒸散发指数(standardized precipitation and evapotranspiration index,SPEI)和标准化气温指数(standardized temperature index,STI),构建基于Vine Copula的复合干热胁迫下植被脆弱性评估模型,量化黄土高原不同土地利用类型和气候区植被对高温干旱的响应关系。结果表明:1)黄土高原大部分区域SNDVI与SPEI呈正相关关系,与STI呈负相关关系,草地SNDVI与SPEI、STI的相关性最高,其次为耕地,林地最低;2)相对于单一干旱或高温事件,复合干热事件进一步加剧了植被脆弱性,复合干热胁迫下黄土高原6、7、8月植被损失概率分别为0.51、0.57和0.55,较高的区域集中在陕西北部、宁夏、甘肃东部和内蒙古等地区;3)黄土高原地区不同植被类型对复合干热的脆弱性各异,脆弱性从大到小依次为草地、耕地、灌木、林地。研究结果有助于深入了解植被对气候极端事件的响应,支持应对气候变化的陆地生态系统风险管理。

沙颍河安徽段水环境容量计算及动态分析

基于对沙颍河安徽段污染负荷的调查以及水质和流量监测数据的分析,采用MIKE11模型建立水流与水质模型,采用线性规划法,以入淮河干流Ⅲ类水为水质目标,计算沙颍河安徽段水环境容量并分析其动态特征。结果表明:沙颍河安徽段CODMn和氨氮年水环境容量分别为2.39万、0.76万t/a;受流量及上游水质影响,CODMn和氨氮水环境容量月变化较大,8月水环境容量最大,分别为3 557、1 363 t,3月水环境容量最小,分别为621、181 t;上游水质对沙颍河安徽段水环境容量影响显著。

应用光学相干断层成像技术探索膜蒸馏过程的研究进展

膜污染、膜结垢和膜润湿现象的发生是制约膜蒸馏(MD)实现规模化工业应用的主要阻碍.深刻揭示这些现象的演化机制在很大程度上需要推动新型表征方法的探索.光学相干断层成像技术(OCT)是一种新兴的、能够对各种膜分离过程进行非侵入性表征的技术.本综述在简要介绍OCT表征相关原理的基础上,旨在阐明如何利用基于OCT的技术对MD过程进行定性(例如污染层的可视化)和定量(例如污染层的原位结构测量)分析.除了评价应用OCT研究MD过程的优缺点外,本综述也为在水资源再生以及其他分离领域中设计高效的MD系统提供了实用和理论依据.

新型玻璃轻石对雨水径流的渗蓄特性与净化能力

利用废玻璃、硫铁矿和工程弃土制备了一种新型玻璃轻石,研究5种基质组合(新型玻璃轻石、玻璃轻石、沸石、蛭石、陶粒)按2种装填方式(分层、混合)装填的生物滞留系统对雨水径流的渗蓄特性及在不同水力停留时间(HRT,5、10、20、30、40 h)下的污染物去除效果。结果表明:各处理的滞水率为48.97%~54.41%,且具有良好的渗透性能;不同处理对各污染物的净化效果存在一定差异,各处理对总氮(TN)、氨氮、总磷(TP)、化学需氧量(COD)的平均去除率分别为48.31%~84.90%、70.83%~91.09%、71.83%~90.78%、58.64%~74.32%,均以新型玻璃轻石处理的去除效果最好,对TN、氨氮、TP、COD的最高去除率分别可达92.71%、92.81%、97.54%、86.84%,出水水质基本达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准。分层装填处理的TN、TP、COD去除率总体优于混合装填处理,混合装填时系统的氨氮去除能力较好。此外,基质深度与各污染物去除率均呈极显著正相关(P<0.01),HRT与TP去除率有极显著负相关性(P<0.01),无统一的最佳HRT。

深圳市极端降水时空演变特征分析

目前,关于深圳市降水方面的研究较多,而涉及极端降水特征的研究相对缺乏。基于中国区域地面气象要素驱动数据集(1979-2018年)中的降水数据,结合极端降水指标,通过Mann-Kendall趋势分析法、Sen′s坡度法和小波分析法等从降水量、降水强度等方面分析了深圳市近40年极端降水的时空分布变化特征。结果表明:①深圳市极端降水频率及强度整体上南部强于北部,西部的上升趋势较东部更显著。极端降水高风险区的位置随城市化进程从分散趋于集中,在福田和罗湖两区最为稳定。②极端降水高风险区的月均暴雨日数和月最大日降水量在每个年代均呈上升趋势,尤其在20世纪90年代,这种情况更为明显。③极端降水高风险区的年降水量呈下降趋势,前后存在6~8年和1~2年的振荡周期;年暴雨日数稳定在3~19 d且呈减少趋势,而年最大日降水量呈增加趋势;季节降水量较为稳定,春、夏、秋降水量均存在明显的振荡周期。研究结果可为深圳市进一步准确评估极端降水风险、合理制定洪涝预防措施以及更好地进行城市规划提供参考。

北京市水环境现状及流域综合治理措施

从流域尺度研究北京市水环境时空特征,综合分析流域水环境现状。研究结果表明:北京市流域水环境质量时空异质性显著,上游流域地表水水质显著优于下游流域,地表水体流经中心城区后,水质开始恶化,表明中心城区仍是流域污染的主要来源。2018—2019年地表水水质类别月际间波动明显,表明地表水体并未持续改善,为陆域非点源和点源污染输入、内源污染释放与河流生态环境用水严重不足等多重因素所致。提出加大流域污染源头整治力度、全面推进中心城区海绵城市建设、继续增加河流生态环境用水补给、探索水环境治理领域市场有效引入机制、强化流域水环境综合协同管理等北京市流域综合治理措施。

雄安新区水环境中对羟基苯甲酸酯含量及风险

于2019年6月对雄安新区和保定市周边地区地表水和地下水进行采样,分析水环境中7种对羟基苯甲酸酯(parabens)组分的含量水平及生态风险.结果表明:对羟基苯甲酸甲酯(MeP)和对羟基苯甲酸丙酯(PrP)的检出率为100%;地表水中的主要组分为MeP,占比达93.4%,地下水中的主要组分为MeP,对羟基苯甲酸乙酯(EtP)和PrP,三者占比达98.0%;地下水中parabens的含量水平高于地表水;地表水中parabens的浓度呈白洋淀下游高于上游的空间分布特征,而地下水中的parabens总量在安新县境内较高,平均浓度可达10.1ng/L;总体而言,当前雄安新区水环境中parabens的污染程度较低、生态风险较小.本文可为未来雄安新区建设中的水环境管理提供污染水平参比值和决策依据,也可为雄安新区水环境中其它药品和个人护理品(PPCPs)的污染研究提供参考.

我国土壤环境的风险评估技术分析与展望

随着我国工业化、城镇化及农业高度集约化的快速发展,耕地和场地土壤复合污染问题日益突出,土壤污染的风险日趋显现。本文在总结国内外土壤污染健康风险评估技术发展历程的基础上,探讨我国国内建设用地健康风险评估技术导则的异同点,分析目前国内外有关土壤环境风险评估技术研究的热点与不足,重点介绍了蒸气入侵模型的发展、土壤中有机污染物和重金属健康风险评估方面的研究工作。最后,本文提出根据场地利用场景并结合考虑生物可给性的模型校正开展精细化的土壤环境人体健康风险评估,同时也要加强土壤环境的生态风险评估以及地质高背景区的风险管控。本文为未来场地土壤环境的分级分类管理提供了前瞻性建议。

固化/稳定化修复后场地中铬的环境行为和归趋:以我国中部某修复后场地为例

为了探讨铬(Cr)在固化/稳定化修复后场地中的环境行为与归趋,通过浸出环境评价框架(LEAF)浸出评价、形态分级以及微观表征,对我国中部某修复后场地土壤中Cr的含量及形态进行3轮次跟踪监测.结果表明:①跟踪监测试验发现,该修复后场地土壤中总Cr含量下降了18.92%.在芥菜植株中Cr分布存在差异,其中,芥菜叶中Cr含量高达1.62 mg/kg(以干质量计),芥菜茎中Cr含量为0.69~0.77 mg/kg(以干质量计).芥菜植株吸收Cr的能力为0.44~3.10 mg/m^(2),对土壤中总Cr减量化的贡献率最高仅为0.05%;另外,新鲜芥菜植株中Cr含量为0.12~0.69 mg/kg,超过GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中规定限值(0.5 mg/kg),一旦食用该场地中的芥菜会对人体健康产生影响,增加了Cr在修复后场地中风险暴露的途径.②土壤微观表征试验表明,修复后场地土壤中Cr主要以Cr_(2)O_(3)形式存在,土壤中的Mn_(x)O_(y)能起到氧化Cr的作用.在LEAF试验中,固化/稳定化的Cr被活化溶出;而BCR分析发现,Cr的可还原态占比随修复后时间的延长逐渐增加,由1.13%增至4.02%.③土壤中Mn、Fe及植物等环境因子均会参与Cr的氧化还原、沉淀与溶解,以及植物吸收与富集等环境行为,并导致已被固化/稳定化的Cr溶解或再氧化成Cr(Ⅵ)而溶出,从而增加Cr的迁移性和毒性,造成环境风险,其中Mn(Ⅳ)是Cr活化的关键因子.研究显示,修复后场地中Cr的环境行为会受到多种环境因素共同影响,尤其是在Mn含量较高的区域更易形成氧化氛围导致Cr的重新活化.

区块链技术在环境监测中的应用研究

我国环境监测质量控制体系已经基本建立,但人为数据造假等违规违法行为仍时有发生,现有技术和管理手段无法有效防止。本文通过分析区块链技术的特点,梳理环境监测数据质量控制面临的问题,针对人为影响环境监测数据质量的主要手段,研究区块链保障环境监测数据质量的技术方案,提出基于区块链智能数据质量控制器改造现有监测系统的方案,并在北京市开展了试点示范,验证了区块链提高环境监测数据质量的可行性。

酸性矿山废水环境中砷的污染机制与修复技术

砷(As)是酸性矿山废水(AMD)环境中常见的类重金属,有剧毒和强致癌性。在AMD环境中,As的来源主要为硫化矿物氧化溶解,As的地球化学行为包括氧化、还原、吸附、共沉淀、解吸和溶解等。目前,已开发的As污染修复技术分为源头控制和末端治理技术,其中,源头控制是通过覆盖、钝化或喷洒灭菌剂等抑制硫化矿物氧化溶解;末端治理是通过吸附、絮凝、膜处理或生物处理等清除水体中的As。该文综述了AMD环境中As的来源和地球化学行为,分析了As污染的机制;综述了As污染修复技术的研究进展,对As污染修复的研究方向进行了展望,以期为矿区As污染的风险评估和治理提供科学支撑。