中国环境科学

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中国环境科学. 2024, 44(9): 0-0.

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大气NR-PM₁特性的多尺度演变及其影响机制

田健, 韩力慧, 兰童, 齐超楠, 肖茜, 王海燕

中国环境科学. 2024, 44(9): 4737-4753.

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通过采用气溶胶化学组分在线监测质谱仪(ACSM)实时监测了北京市东南城区2021年12月至2022年11月大气非难熔亚微米颗粒物NR-PM1及其组分有机物(Org)、硫酸盐(SO₄^2-)、硝酸盐(NO₃^-)、铵盐(NH₄⁺)和氯化物(Cl^-)浓度,分析研究了NR-PM₁及其组分不同时间尺度,特别是污染期间的变化特征,以及影响二次硫酸盐和硝酸盐形成的重要因素.同时,结合正交矩阵因子分析法(PMF)和后向轨迹聚类分析法分别探究了有机气溶胶(OA)不同时段物种的变化特征,以及不同时段气团长距离传输对NR-PM₁及其组分的影响机制.结果表明,研究期间NR-PM₁年均质量浓度为(7.60±10.35)μg/m³,低于2016年以来相应的年均值,并呈现出逐年下降的趋势,不同季节其平均浓度呈现出秋季>春季>冬季>夏季的季节变化特征,不同季节其日变化均呈现出夜间高于白天的特征.NR-PM₁物种年均质量浓度呈现出Org> NO₃^-> NH₄⁺~SO₄^2-> Cl^-的特征,其中Org对NR-PM₁的贡献最大,约为41.16%,其后依次为硝酸盐33.05%,铵盐12.47%,硫酸盐11.99%,氯化物最小,约为1.33%.不同季节NR-PM₁组分浓度的昼夜变化均较小,NR-PM₁及其组分在霾污染天的平均浓度均大于臭氧污染天和清洁天.大气中碱性NH₃的存在以及霾污染天的气象条件更有利于气态前体物的二次转化.不同季节OA物种有所不同,冬季、春季和秋季的二次有机气溶胶(SOA)是OA的主要组分,而夏季一次有机气溶胶(POA)是OA的主要组分,霾污染天和臭氧污染天OA均主要受二次有机物生成的影响.不同季节气团传输途径有所不同,值得注意的是霾污染天主要受东南方向和南方向短距离气团输送的影响,且NO₃^-对NR-PM₁的贡献较大.O₃污染天主要受南方向的短距离气团输送的影响,而清洁天以西北方向长距离气团输送为主.

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杭州地区大气臭氧浓度垂直分布

齐冰, 徐晓飞, 靳军莉, 杨欣洁, 牛彧文, 张金强

中国环境科学. 2024, 44(9): 4754-4764.

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利用国产双池型电化学反应臭氧探空仪在杭州开展为期1年(2021年12月~2022年11月)观测,分析了该地区臭氧廓线垂直分布、臭氧柱总量以及对流层臭氧柱含量特征,并评估AIRS和MLS反演的臭氧廓线产品以及AIRS、OMI DOAS和TROPOMI反演的臭氧柱总量产品.结果表明,臭氧探空仪与地面原位臭氧分析仪观测结果具有高一致性.杭州地区臭氧垂直结构呈显著月变化特征,5月在上对流层-下平流层区域(12~16km高度范围)呈现高浓度臭氧的下传结构.4~9月在边界层附近1.5km高度以下观测到高浓度臭氧含量层.边界层内臭氧含量夏季最高,垂直变化不明显;其次是春季、秋季和冬季,均表现为随高度增加而增大.臭氧探空廓线与卫星反演臭氧垂直廓线吻合较好,在对比高度范围内相对偏差大多<10%.杭州地区臭氧柱总量和对流层柱含量平均值分别为302.1DU和40.5DU,呈明显季节变化特征.臭氧柱总量和对流层柱含量最高的季节分别为春季和夏季,5月对流层臭氧柱含量最高.臭氧探空柱总量与AIRS、OMI DOAS和TROPOMI反演臭氧柱总量一致性较好,相关系数分别为0.78、0.88和0.76.

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济南市城区大气挥发性有机物污染特征及来源

张厚勇, 隋浩新, 王在峰, 张苏凡, 杜明月, 葛璇, 王鸣, 陶文鑫, 许宏宇, 顾达萨, 张宜升

中国环境科学. 2024, 44(9): 4765-4777.

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为研究济南市城区环境空气挥发性有机物(VOCs)污染特征及来源,2020-2021年于济南市城区开展了逐月离线观测,并于2020年6月开展加密观测,分析了VOCs年度、季节、日体积分数变化特征、化学组成及臭氧生成潜势,并利用特征比值法和正定矩阵因子分解模型解析了VOCs来源.结果表明,2021年济南市VOCs年均体积分数为(35.70±16.58)×10^-9,较2020年改善14.48%,烷烃和OVOCs为VOCs中占比最高的两类组分.2020年VOCs体积分数均值呈冬高夏低季节特征,而2021年呈夏高春低季节特征,受济南市VOCs专项整治行动及北京冬奥会空气质量保障措施影响,2021年冬季VOCs体积分数均值较2020年改善最为明显,改善幅度为31.08%,2020年春季芳香烃贡献显著,可能与疫情管控后企业陆续复工复产有关.2020、2021年排名前十的组分主要为烷烃类与OVOCs,如丙烷、乙烷、正丁烷、甲醛、丙酮、乙醛等物种.2021年济南市城区OFP年均值为239.39μg/m³,较2020年下降22.46%,烷烃、炔烃、芳香烃、卤代烃OFP改善幅度分别为29.28%、3.09%、67.93%、83.49%,烯烃OFP明显上升,上升幅度为37.49%,OVOCs维持在较高水平.2020、2021年OFP排名前十的物种主要包括甲醛、乙醛、乙烯、1-丁烯、丙烯、对/间二甲苯等.臭氧重污染期间TVOCs体积分数日变化特征呈现明显的早晚高峰特征,中午时段为一天中的低值,夜间维持在较高水平.PMF解析结果表明:VOCs主要来源于工业源、燃烧源、油气挥发源、机动车尾气排放源、溶剂使用源、植物源及二次生成源,机动车尾气排放源、燃烧源及工业源为济南市VOCs的重点管控源.

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京津冀地区臭氧与温度的关系研究

朱晓婉, 刘湘雪, 吴进, 邱雨露, 李颖若, 马志强

中国环境科学. 2024, 44(9): 4778-4785.

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为探究气象条件对臭氧(O₃)长期变化趋势的影响,基于京津冀地区多站点长时间序列污染物和气象观测数据对两种气候惩罚因子进行统计分析.结果表明,2016年之后,京津冀地区O₃对温度的敏感性增强.对比2016年前后两个时期(2010~2015年,P2;2016~2020年,P3)的区域气象条件发现高温是导致这种现象的主要气象原因.P3时期的高温日数出现频率比P2时期偏高0.6%~5.1%,而这种高温日的频繁发生与京津冀地区在P3时期受焚风影响增多有关.P3阶段具备焚风发生条件的日数频率是P2时期的2.7倍,焚风条件下高温天气的发生频率是非焚风条件下的1.0~1.9倍.这种O₃对温度的敏感性增强意味着一旦气象条件有利于O₃污染的发生,O₃浓度会在短时间内达到与温度相关的最大反应速率,从而使高浓度O₃维持更长时间.与北京相比,京津冀其他地区的O₃污染形势更为严峻,需持续加强区域污染的联防联治,协同减排.

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邢台市影响PM_2.5和O₃浓度多时间尺度演变的重要因素

兰童, 韩力慧, 田健, 齐超楠, 肖茜

中国环境科学. 2024, 44(9): 4786-4795.

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为了揭示邢台市大气PM_2.5-O₃复合污染的演变特征及其影响因素,基于在线监测平台提供的气象要素及污染物浓度数据,使用KZ滤波法分解邢台市PM_2.5和O₃的原始浓度序列,之后将多元逐步回归法与KZ滤波法结合定量识别污染物的长期分量中源排放及气象因素对污染物浓度的贡献.同时使用随机森林方法,定性探究具体的源排放和气象因子对于邢台市PM_2.5和O₃原始序列浓度的影响.结果表明:邢台市PM_2.5浓度的长期分量呈现显著的下降趋势,短期分量是PM_2.5浓度的主要贡献者.O₃浓度长期分量呈现增加的趋势,季节分量是O₃浓度的主要贡献者.源排放和气象因素对PM_2.5长期分量浓度变化的贡献占比约为5:1,两者对于O₃长期分量浓度变化贡献占比接近3.5:1,源排放过程是邢台市长期大气PM_2.5-O₃复合污染的主因.相对湿度(RH)对邢台市PM_2.5原始序列浓度的影响最大,其次为工业源排放和机动车尾气排放;影响O₃原始序列最大的的3个因子分别是气象因素中的短波辐射强度(SR)、温度(T)以及机动车尾气排放.

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珠三角典型地区气态氨分布及其对PM_2.5贡献

黄国锋, 肖林海, 陈梓杰, 张涛, 钟庄敏, 方晓丹, 廖彤, 陈多宏

中国环境科学. 2024, 44(9): 4796-4804.

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为探讨珠三角典型地区气态氮(NH₃)对细颗粒物(PM_2.5)的贡献,于2022年6月~2023年5月,在珠三角地区四个代表性城市选择了三个城市站点和一个郊区站点开展了NH₃的在线监测,并同步收集了水溶性离子、HNO₃、PM_2.5以及气象参数等资料.此基础上分析了NH₃的浓度水平特征和日变化特征,进一步评估了NH₃对PM_2.5的潜在贡献.结果表明,公园前(GYQ)、梅华(MH)、东城(DC)和鹤山花果山(HGS)的NH₃年均值分别为(5.74±3.00),(4.70±2.41),(5.09±2.26)和(4.17±1.95)μg/m³,除GYQ外,其余三站点NH₃季节变化均表现出秋季>春季>夏季>冬季的趋势.NH₃浓度日变化规律与温度相近,与相对湿度相反.经由修正的气体比率(AdjGR)评估,四个站点均处于富氨的条件下.随着PM_2.5污染浓度的上升,AdjGR逐渐下降,同时氨转化率(NHR)逐渐升高.除此之外,四个站点NHR > 0.5的情况均主要发生在温度<25℃和相对湿度<70%的气象条件下.

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西南地区工业主导城市重污染期间PM_2.5污染特征及形成机制

张丹, 李陵, 胡伟, 吕平江, 袁睿, 江雪, 杜敏, 李振亮, 蔡锋, 张勇, 张云怀

中国环境科学. 2024, 44(9): 4805-4816.

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为研究长江上游典型工业城市重庆市长寿区雾霾污染特征和形成机制,在雾霾持续污染时段分别在城区和工业区站点开展了细颗粒物(PM_2.5)及其重要前体物的观测分析.结果显示,观测期间长寿区PM_2.5平均浓度为(71.78±38.44)μg/m³,雾霾污染时期PM_2.5日均值最高达到193μg/m³.雾霾污染相比非污染时期PM_2.5的各类化学组分均有所增加,其中有机颗粒物(OM)和二次无机气溶胶(SIAs)的迅速增长是导致雾霾污染发生的最主要因素.雾霾污染时期硫氧化比(SOR)和氮氧化比(NOR)显著上升,相比清洁天增幅分别为64%和55%,并且相对湿度(RH)较高的环境下对于SOR、NOR和气溶胶的吸湿增长均具有一定的促进作用.二次有机气溶胶(SOAs)同样在雾霾污染时期表现出显著的增长趋势,相比清洁天增加了13.03μg/m³,评估SOAP的结果发现甲苯、对-二甲苯和邻-二甲苯等芳香烃对SOA的形成具有显著的贡献.主成分分析(PCA)和spearman相关性分析表明了PM_2.5中化学组分主要的3种来源,分别为工业源、地壳源和扬尘源,其中工业源是PM_2.5中化学成分最重要的来源.来源解析结果表明,长寿区及周边临近地区是PM_2.5、SIAs、总有机碳(TOC)、二氧化硫(SO₂)、二氧化氮(NO₂)和总挥发性有机物(TVOCs)重要的潜在源区,本地污染源排放对于雾霾的形成具有重要的贡献.

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2000~2021年中国典型地区大气降水化学与沉降特征

程昳璇, 关净文, 浮天, 蒋伯琪, 陈倩, 于兴娜

中国环境科学. 2024, 44(9): 4817-4825.

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基于2000~2021年中国东北、华北、华东、东南、西北、西南6个区域10个城市的大气降水组分资料,针对各地区降水量、pH值、降水电导率、水溶性离子浓度及其氮硫湿沉降特征开展了长期变化特征研究,分析了典型地区降水组分的离子中和特性.结果表明:2000~2021年中国各研究站点pH值总体呈上升趋势,但重庆和上海地区的年均pH值至今未达到5.6.济南、西安和重庆站电导率呈现出较明显的下降趋势.西北地区陆源性特征较为明显,Ca²⁺浓度较高(可达1035.2μeq/L);NO₃^-浓度在重庆地区有上升趋势,这与城市机动车保有量的逐年增长有关;而NH₄⁺在各个地区均有下降;东南地区受海盐影响,Na⁺和Cl^-的浓度相对较高.西北和西南地区的硫、氮湿沉降量明显高于东南地区,NH₄⁺-N/NO₃^--N各地区均呈下降趋势,但该比值年平均值均大于1,说明大气降水中氮沉降以还原态氮为主.东南地区的降水酸度相对较高,然而酸性离子(SO₄^2-和NO₃^-)浓度却较低,说明降水酸度还会受到碱性离子(Ca²⁺和NH₄⁺)的影响.在厦门和西安NO₃^-、NSS-SO₄^2-和NH₄⁺浓度年变化很小,而pH值、中和潜力和酸化潜力的比值(NP/AP)有明显上升趋势;但西安NP/AP值明显较高,反映西安土壤尘埃中的中和能力比东南地区强.

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Fe和Cu分子筛催化剂同时催化NO_x还原和N₂O分解

司庆宇, 樊星, 张玮航, 苗静文, 刘若雯

中国环境科学. 2024, 44(9): 4826-4834.

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采用离子交换法制备了Fe-Beta和Cu-SSZ-13催化剂并采用不同混合方式制备了复合催化剂,考察了催化剂同时催化NO_x还原和N₂O分解的性能.以实现NO_x和N₂O同时高效去除、拓宽活性温度窗口为目标,优选出了上Fe下Cu分层填充、Fe-Beta和Cu-SSZ-13质量比为4:1的Fe_0.4Cu_0.1催化剂,进一步考察了进气组成对NO_x、N₂O和NH₃转化率的影响,并采用N₂吸脱附、XRD、NH3-TPD、UV-Vis DRS和H₂-TPR等手段对催化剂理化特性进行了表征.结果表明,Cu-SSZ-13和Fe-Beta分别具有更优的催化NO_x还原和N₂O分解性能.采用Fe0.4Cu0.1催化剂、[NH₃]/[NO_x]为1时考察的温度范围内NH₃仅还原NO_x,而N₂O通过分解去除,450℃时NO_x和N₂O转化率分别为93.4%和100%.高温(>350℃)下NH₃被O₂氧化导致NO_x转化率随温度升高而降低;高温(≥350℃)下N₂O分解形成的氧物种可使NO_x在进气中无O₂条件下实现高效还原.进气中含2% H₂O对高温(450℃)下Fe_0.4Cu_0.1表面NO_x的还原和NH₃的氧化无显著影响,但对N₂O的转化存在一定的可逆抑制作用.Cu-SSZ-13表面存在大量孤立的Cu²⁺离子,可为NH₃-SCR反应提供充足的活性中心.Fe-Beta表面同时存在能够催化NO氧化的孤立Fe³⁺离子和催化N₂O分解的Fe_xO_y物种.采用上Fe下Cu分层填充的混合方式时Fe-Beta表面NO氧化过程会消耗N₂O分解形成的氧物种,从而有利于低温(≤450℃)下N₂O的转化.但由于N₂O分解的温度范围内NO_x转化率本身较高,NO氧化对于脱硝的促进作用不显著.

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霾过程黑碳对气溶胶散射吸湿增长的影响

佟景哲, 米家媛, 涂朝勇, 李娜, 李宗昊, 邓也, 倪长健

中国环境科学. 2024, 44(9): 4835-4843.

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利用成都市2017年10~12月逐时的“干”气溶胶散射系数、吸收系数和环境气象监测资料,结合同时次气溶胶粒径吸湿增长因子(Gf)的反演数据,分析了4类霾强度条件下黑碳浓度(C_BC)的变化特征,并基于广义可加模型(GAM)探讨了C_BC对气溶胶散射吸湿增长因子(f)的影响机制.结果表明:(1)轻微、轻度、中度和重度霾强度条件下的C_BC均服从对数正态分布,其均值随霾强度的增加而增大,变差系数则随霾强度的增加而减小.(2) C_BC与Gf之间呈现非线性负相关,C_BC与C_{PM_2.5/PM10}(细颗粒物质量浓度与粗颗粒物质量浓度之比)之间则呈现非线性正相关(均通过了α=0.01的显著性检验);随着霾的渐近演化,Gf随C_BC增加而减小的趋势持续增强,C_{PM_2.5/PM10}随CBC增加而增大的趋势则持续减弱.(3)Gf与C_{PM_2.5/PM10}之间存在显著的交互作用(通过了α=0.001的显著性检验),以Gf与C_{PM_2.5/PM10}为双变量的GAM模型能更好地表征f的变化特征.

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关中住宅燃煤排放PM_2.5中NACs污染特征及吸光特性

王佳丽, 张倩, 王翌璇, 赵子异, 孙健, 沈振兴

中国环境科学. 2024, 44(9): 4844-4852.

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为探究关中农村地区住宅散煤采用不同燃烧方式产生的硝基芳香族化合物(NACs)的分子组成、区域排放量及吸光贡献差异,本文选定烟煤和无烟煤,基于现场炉灶加稀释采样系统,利用超高效液相-四级杆飞行时间质谱联用仪开展煤燃烧排放NACs的特征研究.研究结果表明,关中地区煤燃烧过程中ΣNACs的平均排放因子(EF_ΣNACs)为3.7mg/kg,其中烟煤型煤(7.5mg/kg)>无烟煤型煤(2.7mg/kg)=烟煤(2.7mg/kg)>无烟煤(1.7mg/kg),使用不同炉灶对煤进行燃烧产生的EF_ΣNACs差异较大,在传统炉灶中,烟煤型煤排放的EFΣNACs最高,无烟煤型煤和烟煤原煤次之,无烟煤原煤最低.使用配风炉后,烟煤型煤排放的EF_ΣNACs降幅最大.在365nm处ΣNACs吸光值烟煤型煤传统炉灶>无烟煤型煤传统炉灶>烟煤配风炉>烟煤型煤配风炉>无烟煤配风炉>烟煤传统炉灶>无烟煤传统炉灶.本文估算出2019年关中五市煤炭燃烧产生ΣNACs总排放量为198.8t,其中渭南(91.6t)>西安(32.2t)>咸阳(29.2t)≈宝鸡(29.0t)>铜川(16.8t).

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新型Ce掺杂MnO_x高效低温甲苯催化氧化性能

王佩芬, 安小伟, 马旭莉, 官国清, 郝晓刚

中国环境科学. 2024, 44(9): 4853-4863.

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采用氧化-共沉淀方法制备新型Ce-MnO_x双金属氧化物催化剂,探究Ce,Mn活性组分间协同作用对甲苯低温催化性能的影响.通过SEM、XRD、N₂吸脱附曲线、XPS、EPR、H₂-TPR和in situ DRIFTS对催化剂物理及化学性能进行表征.结果表明,当Ce:Mn物质的量比为1:3时,CeMn₃Ox具有最低的甲苯催化温度及良好的稳定性和耐久性,且在215和233°C下分别实现甲苯的50%和90%催化,远低于MnO_x催化温度.表征结果证实,Ce的引入有利于调节CeMn₃Ox催化剂形成珊瑚形貌,降低催化剂结晶度形成晶相-非晶相界面,创造更多缺陷位点,提高氧空位浓度,调节氧种类促进O_latt↔ O_sur↔O_ads的转换,增强还原性能.同时,in situ DRIFTS图谱证实了在有氧条件下,甲苯氧化遵循两条反应路径,Ⅰ:吸附→苯甲醇→苯甲醛→苯甲酸→苯酚→苯环C=C断裂→CO₂和H₂O,Ⅱ:吸附→苯环C=C断裂→环状酸酐→CO₂+H₂O两条反应路径,其中苯环C=C双键的断裂为控速步骤.

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COVID-19背景下上海大气CO₂浓度特征及潜在源分析

郭朋, 卿雪梅, 林溢, 臧昆鹏, 陈圆圆, 刘硕, 陈炳江, 兰文港, 高伟, 方双喜

中国环境科学. 2024, 44(9): 4864-4873.

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基于2021年4月~2022年12月上海中心大厦(上海站)的CO₂浓度观测记录,研究了上海大气CO₂浓度特征和影响因素,重点分析台风“烟花”登陆期、春节期间和COVID-19疫情封控期的CO₂浓度差异.结果表明:上海站大气CO₂日变化特征均呈现双峰型(11:00LT和17:00LT),与当地人为活动高峰时段对应.工作日CO₂浓度高于周末,浓度差异主要出现在03:00~05:00LT以及早高峰时刻.在4~9月,大气CO₂浓度较低,最低值出现在7月((423.42±0.05)×10^-6),最高值出现在12月((445.94±0.27)×0^-6).台风“烟花”登陆期间,由于降水和强局地风的影响,大气CO₂浓度被稀释.春节和疫情封控期间,人为活动影响的减弱显著降低了大气CO₂浓度.地面风分析,后向轨迹聚类和潜在源贡献函数(WPSCF)分析表明,来自海洋方向的气团对上海城区大气CO₂浓度有稀释作用,上海站西部的安徽,江苏,湖北和浙江等地区的城市交通及工业等人为排放对上海上空大气CO₂有明显影响.

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基于多场耦合提升逸散性颗粒与磁种碰撞系数动力学研究

张俪安, 杜传梅, 刁永发, 沈恒根

中国环境科学. 2024, 44(9): 4874-4882.

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以多场耦合提升逸散性颗粒与磁种碰撞系数为研究对象,基于计算流体力学-离散相模型(DPM),通过用户自定义函数(UDF)添加逸散性颗粒与磁种之间的库仑力和磁偶极子力,数值计算电场和磁场构成的多场中逸散性颗粒与磁种之间的碰撞系数,获得提升磁凝并程度的方法.结果表明,当流体速度u=0.5m/s,颗粒粒径0.5μm≤ dp <2.0μm,库仑力和磁偶极子力均可提高逸散性颗粒与磁种之间的碰撞系数,且库仑力可弥补弱磁性颗粒与磁种之间磁偶极子力较小的问题.若荷电场强E₀=0.5kV/cm,逸散性颗粒饱和磁化强度M_j=500A/m,磁种饱和磁化强度M_i=40000A/m,逸散性颗粒与磁种之间的碰撞系数比未荷电时提高了13.50%,若荷电场强E₀=1.0kV/cm,碰撞系数提高了23.60%.

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基于PVA-SA包埋颗粒的短程硝化AO工艺脱氮性能优化

李享, 潘政伟, 侯连刚, 唐鹏, 石天浩, 李军, 郑照明

中国环境科学. 2024, 44(9): 4883-4892.

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采用聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-SA)包埋材料固定短程硝化活性污泥在连续流AO (Anaerobic/Oxic)反应器中处理生活污水并实现稳定的短程硝化.利用响应曲面法,对水力停留时间(HRT)、内循环比以及填充率等参数进行研究,探讨了对亚硝酸盐积累率(NAR)和总氮去除率(NRE)的影响,并成功建立了二次回归模型.结果表明,控制参数HRT为6.43h,内循环比为2.93,好氧段填充率为25%,此时NAR和NRE效果最佳,分别达到86.22%和86.56%,表明该工艺具有良好的脱氮性能.此外,还通过活死细菌及原位荧光杂交(FISH)发现,活菌主要分布在颗粒表面0~500μm范围内,死菌分布在0~300μm范围内,并随着深度增加荧光强度逐渐降低.最后,16S rRNA测序结果表明,长期运行的包埋颗粒相比于短程硝化活性污泥中Nitrosomonas的相对丰度由0.013%增加到5.02%,Nitrospira由0.055%增加到1.99%,硝化细菌中亚硝酸氧化细菌(NOB)的比例被降低,而氨氧化细菌(AOB)的比例升高,促进了短程硝化脱氮效果的稳定.

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EPS对细菌凝聚和絮状污泥颗粒化的作用

王景华, 袁林江, 贺向峰, 夏大朋, 陈雪娇, 郑源

中国环境科学. 2024, 44(9): 4893-4900.

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为探究胞外聚合物对细菌聚集和絮状污泥凝聚,颗粒化的影响,本文通过向细菌悬浊液中投加LB-EPS与TB-EPS观察细菌凝聚情况;通过向反应器中投加细菌EPS (1号反应器)与不投加细菌EPS反应器(2号反应器)进行对比,考察了两个反应器内污泥的生长变化情况;还利用模拟EPS与真实EPS分别对高岭土混合溶液与细菌菌悬液进行聚集沉淀效率交叉实验.结果显示,LB-EPS对细菌的聚集效率均大于TB-EPS;1号反应器污泥生长迅速并颗粒化,第70d污泥D₅₀达到377.5 μm,最大粒径可以达到1.4~1.5mm.第90~100d由于污泥有机负荷不足,EPS浓度下降,颗粒污泥迅速解体,污泥粒径迅速下降,D₅₀由296.5μm迅速下降至109.6μm.而2号反应器污泥粒径在第70d增大到239.5μm (D₅₀),且后续仍在上升;模拟EPS对高岭土的絮凝能力更显著,而EPS对菌悬液中细菌的聚集效果更显著.研究认为胞外聚合物对细菌具有粘附作用,并促进细菌聚集,且LB-EPS较TB-EPS作用大,EPS的加入能够促进污泥颗粒化进程加快;细菌在污泥颗粒化过程中LB-EPS对游离细菌吸附聚集作用大于TB-EPS.

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硫化物对厌氧氨氧化耦合自养脱硫反硝化工艺脱氮除硫效能的影响

王雅歌, 唐喜芳, 刘佳怡, 付钰琳, 郭琼, 陈荣, 金仁村, 邢保山

中国环境科学. 2024, 44(9): 4901-4909.

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以成熟Anammox颗粒污泥与产甲烷颗粒污泥作为接种物实现了硫自养反硝化耦合厌氧氨氧化(SADA)工艺快速启动,探究了不同硫化物负荷对SADA工艺脱氮效能的影响及其脱硫机理.结果表明:较高硫化物负荷(>1.50g S/(L·d))对耦合系统中AnAOB无显著抑制作用,相应的系统脱氮效率连续运行1.5个月后趋于稳定.当将硫化物浓度降为零,耦合系统的总氮去除率(TNRE)仍能达到88.1%,相应的化学计量比R_s(1.23 ± 0.13)与R_p(0.33 ± 0.08)亦与Anammox理论值近似,表明解除高硫化物负荷胁迫条件后SADA系统中Anammox颗粒污泥仍能实现生物脱氮过程.当解除高硫化物负荷胁迫1.5个月后,在较低硫化物负荷条件下(0.30g S/(L·d))恢复硫化物胁迫,耦合系统出水NO₃^-降低,相应的R_p降至0.21,表明SADA系统仍能较好地实现同步脱氮除硫,兼具硫自养反硝化和厌氧氨氧化的双重功效.系统存在的产甲烷颗粒污泥降低硫化物对AnAOB抑制,缩短了SADA工艺启动时间,且能在重新引入硫化物后快速激活脱硫反硝化过程.通过颗粒污泥形态分析和高通量测序菌群解析可知:不同硫化物胁迫条件下,SADA系统中仍能实现AnAOB (如Candidatus Kuenenia,16.9%)和硫氧化菌(如Thiobacillus,31.6%)的共存富集,且能实现高硫化物负荷条件下较高的TNRE (> 60%)和硫单质产率(95.2%).

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连续低氧曝气与间歇曝气主流Anammox运行效能及微生物特性对比

李艳, 周鑫, 平彩霞

中国环境科学. 2024, 44(9): 4910-4917.

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分别在连续低氧曝气和间歇曝气两种条件下比较了主流厌氧氨氧化(Anammox)处理模拟城市污水的运行效果.结果表明,间歇曝气方式实现主流Anammox时间更短,仅需24d.间歇曝气下氨氮去除率(ARE)为(96.0±1.0)%、总氮去除率(TNRE)为(80.2±2.0)%,相较之下,脱氮效率更稳定且氮去除负荷更高.间歇曝气使好氧和厌氧氨氧化活性均处于更高水平,并促进胞外聚合物(EPS)分泌、蛋白质(PN)含量增加及蛋白质/多糖(PN/PS)升高,能够形成更加致密且红色的厌氧氨氧化生物膜结构;三维荧光光谱发现间歇曝气时溶解性EPS (S-EPS)的峰A的荧光强度显著增加.高通量测序证实曝气方式不同导致了微生物群落组成及功能基因数量存在显著差异.间歇曝气改善好氧氨氧化菌的种群结构并增加相对数量.有助于Anammox菌属(Candidatus Brocadia、Candidatus Kuenenia)富集.基因注释结果表明间歇曝气条件下可能存在部分硝化/部分反硝化+厌氧氨氧化协同脱氮途径.

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铁镧双金属MOF去除水体中的磷酸盐和Cr(Ⅵ)

金史怡, 郭波, 曹群, 冯凡, 陈彩玉, 王瑞麟

中国环境科学. 2024, 44(9): 4918-4928.

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采用快速高效的电沉积法制备了磁性铁镧双金属MOF (Fe/La-MOF)材料,并用于去除水中的磷酸盐和Cr (VI).结果显示:Fe/La等物质的量比,单独去除磷酸盐或Cr (VI)时,Fe/La-MOF投加量1g/L (除P)或2.5g/L (除Cr (VI)),pH值2~7(除P)或pH值2~11(除Cr (VI)),反应120min,磷酸盐(初始100mg P/L)或Cr (VI)(初始20mg Cr/L)的去除率分别达到94%或95%以上.Langmuir等温线能很好拟合Fe/La-MOF对磷酸盐或Cr (Ⅵ)的吸附,且理论最大吸附量分别是350.4mg P/g和33.4mg Cr/g.Fe/La-MOF吸附磷酸盐或Cr (Ⅵ)的行为更符合拟二级动力学,表明该过程以化学吸附为主;XPS、XRD、FTIR等表征结果进一步揭示:主要的吸附机理是发生在磷酸盐或Cr (Ⅵ)阴离子与Fe/La-OH之间的配体交换.另外,磁性Fe/La-MOF易于分离且在多次循环使用中保持较好的稳定性.Fe/La-MOF可同时用于去除磷酸盐和Cr (VI),pH值近中性,Fe/La-MOF加入量2.5g/L,反应120min,磷酸盐(初始25mg P/L)和Cr (VI)(初始20mg Cr/L)的去除率分别达到100%和92.2%.总之,Fe/La-MOF是一种可以快速制备的、具有良好吸附和稳定性能、宽大的pH值适用范围的高效吸附剂.

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钴掺杂叶片状沸石咪唑酯骨架结构材料实现磷酸盐快速去除

孙太焱, 彭海豪, 童婧, 向银萍, 徐峥勇, 杨朝晖, 熊炜平

中国环境科学. 2024, 44(9): 4929-4938.

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为了减小水体富营养化的危害,提高吸附法除磷的效率,本文研究钴掺杂对于锌基叶片状沸石咪唑盐(Zn-ZIF-L)磷酸盐吸附能力的提升.本文采用间歇式吸附试验研究各个影响因素对于吸附的影响,采用XRD、XPS、FT-IR等研究材料的表面微观结构以推测可能的吸附机理.发现当Zn和Co的初始摩尔比为9.5:0.5时,其吸附性能最好.掺杂后,在10min内吸附量增加55%,最大吸附量达到85.68mg/g,在不同温度、浓度、当pH值为4~8时、在不同阴离子以及腐殖酸环境下保持着较好的吸附性能.当初始浓度为10mg/L时,可吸附去除97%以上的磷,吸附剂在0.1mol/L的Cl^-或NO₃^-中仍能保持93%以上的吸附量.其中,P-OH与Zn-OH/Co-OH之间的化学键、静电相互作用和氢键相互作用在磷酸盐吸附中起主导作用.Co (0.5)-Zn-ZIF-L经过4次循环后仍能保持较高的吸附量.结果表明,Co (0.5)-Zn-ZIF-L能作为一种有效的吸附剂去除水体中的磷酸盐.

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超声增强热活化过硫酸盐降解氯代有机磷酸酯的机理探究

雷慧慧, 王孝飞, 王超毅, 王亚威, 王学东, 孔令照, 秦宏兵, 王俊霞

中国环境科学. 2024, 44(9): 4939-4947.

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建立了一种热耦合超声活化过硫酸盐(Heat/US/PDS)氧化降解磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP)的技术,利用响应面(RSM)的中心组合设计法(CCD)对反应参数进行优化,较单一热活化过硫酸盐体系,该体系对TCEP去除的条件参数更加温和(超声功率为402.5W,温度为52.6℃,反应时间为120min),预测TCEP降解率可达到95.3%.共存离子和腐殖酸均抑制TCEP的去除,在4种实际水体中TCEP降解率仍达到76%.自由基猝灭实验和EPR分析证明SO₄^·-和·OH是主要的活性氧物种.检测到TCEP有5种可能的降解中间体.斑马鱼胚胎暴露实验表明TCEP在该体系中反应水溶液是安全的,同时评估了TCEP及其可能产物对大型蚤、藻类和鱼类的生态毒性,也证实了降解产物对水生生物的生态毒性小.

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春夏季巢湖湖滨沉积物-水界面磷动态与内源释放潜力

王计超, 黄涛, 许丹, 李胜景, 汪波, 尹浩杰, 孙庆业

中国环境科学. 2024, 44(9): 4948-4957.

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采用传统采样和薄膜扩散梯度技术(DGT),分析了春夏季巢湖西北部湖滨上覆水、间隙水及沉积物中磷形态和DGT有效态磷铁(DGT-P、DGT-Fe)的动态变化及扩散通量.结果表明,初夏季(6月)湖滨上覆水磷含量显著降低,可能源于藻类生长吸收营养盐;而间隙水磷形态含量季节差异显著.巢湖西北部湖滨沉积物无机磷主要为自生磷(Auth-P),占无机磷(IP)比例为19.7%~61.3%.湖滨带消落区(S1、S2)沉积物磷含量明显低于堤坝隔离区(S3),但受有机质水平、水动力扰动等因素影响,具有更高的磷释放潜力;夏季沉积物内源磷释放潜力高于春季.DGT-P和DGT-Fe的相关分析结果表明,湖滨带消落区沉积物内源磷释放主要受控于铁结合态磷还原过程,而堤坝隔离区沉积物受铁磷循环调控作用较弱.

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电化学系统内Feammox/NDFO耦合工艺脱氮效能和机理

胡劲涛, 信欣

中国环境科学. 2024, 44(9): 4958-4967.

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针对目前Feammox/NDFO耦合工艺启动慢、脱氮效能不理想等缺陷,提出基于电化学原理强化Feammox/NDFO耦合工艺的策略.实验室内搭建生物电化学系统(BES)序批式厌氧反应器(B组),同时以不加电化学系统的普通厌氧反应器(A组)为对照组.A、B两组反应器共运行100d,分析了两反应器Feammox/NDFO耦合工艺启动过程中的脱氮效能、脱氮路径验证及种群结构组成,并探讨了BES系统Feammox/NDFO强化脱氮的机理.结果表明,实验组(B组)内NH₄⁺-N去除率显著提高,第76d去除率趋于100%,TN去除率达65.83%;而对照组(A组)在第100d时,对NH₄⁺-N和TN的去除率分别为50.22%和43.01%.脱氮路径验证实验结果表明,A、B组反应器内均有Feammox、NDFO、Anammox反应发生;并且B组反应器内反硝化速率明显大于A组.高通量测序结果表明,B组中铁循环脱氮功能菌中Desulfobacterota菌门的相对丰度较A组提高了2.34%;Thiobacillus和Denitratisoma丰度较A组分别提高了1.13%和0.87%.BES反应体系加速富集铁循环脱氮功能菌群,并可通过BES电极进行胞外电子转移,从而达到增强脱氮效能.

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介质阻挡放电联合脉冲电晕放电灭活水中维氏气单胞菌的效果与机制

祝振飞, 燕鹏程, 张荣, 张敏, 屈广周

中国环境科学. 2024, 44(9): 4968-4977.

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将介质阻挡放电(DBD)与脉冲电晕放电(PCD)联合用于水中维氏气单胞菌的灭活,分析了DBD与PCD的协同效应,考察了电压、pH值、载气种类和流量等对DBD联合PCD (DBD/PCD)灭活维氏气单胞菌的影响,探讨了维氏气单胞菌的失活机制,分析了活性物质的种类和作用,并通过斑马鱼攻毒实验验证了DBD/PCD的安全性.结果表明:DBD/PCD对维氏气单胞菌的灭活效果明显高于DBD和PCD单独灭活效果,且二者的协同系数均大于1;经过420s的处理,DBD/PCD可将维氏气单胞菌的浓度降低7个数量级;增加放电电压可显著提高维氏气单胞菌的灭活效率;碱性条件下,氧气作为载气有利于维氏气单胞菌的灭活;在0.5~1.5L/min的范围内,空气流量对灭活效率的影响并不明显.DBD/PCD系统中产生的活性物质首先作用于维氏气单胞菌外膜,使其破裂,然后进入细胞内造成胞内蛋白和毒力基因的损伤,最终导致维氏气单胞菌失活.DBD/PCD系统产生的活性物质·OH、¹O₂和O₂·sup>-在维氏气单胞菌灭活过程中起到了重要作用.斑马鱼攻毒实验表明:DBD/PCD是一种安全高效的水体病原微生物灭活方法.

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不同晶型锰氧化物去除地下水中氨的效能与机理

程亚, 苗安琪, 黄廷, 林文刚

中国环境科学. 2024, 44(9): 4978-4986.

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研究了3种不同晶型二氧化锰(α-MnO₂、γ-MnO₂、δ-MnO₂)去除地下水中氨的效能与机理,并考察了负载γ-MnO₂滤料填充滤柱实际应用效果.结果表明,γ-MnO₂催化氧化除氨效果最优(γ-MnO₂>α-MnO₂>δ-MnO₂),第20d 5mg/L氨可以被完全去除,且其中间产物亚硝酸盐氮的积累时间最短,峰值最低.γ-MnO₂负载滤料填充滤柱可以快速(第6d)具备优异的催化除氨能力,当进水氨为2.0mg/L时,出水氨低于标准限值(<0.5mg/L).结合材料表征分析结果发现,γ-MnO₂具备最优的催化氧化除氨能力主要是由于其较高的锰平均氧化态与其丰富的表面羟基氧,其电子传递能力最强.本研究为锰氧化物在饮用水除氨领域的应用提供了理论指导,γ-MnO₂负载滤料具有良好的催化氧化除氨稳定性和效能,为实际工程中催化氧化活性滤料的制备提供了新思路.

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面向地下水资源可持续开发利用的地下水适宜埋深研究进展

杜新强, 方永军, 郭辉, 陆向勤

中国环境科学. 2024, 44(9): 4987-4998.

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地下水资源可持续开发利用,实质就是在保障地下水良性生态环境功能前提下充分满足人类社会用水需求,其重点与难点在于确定地下水适宜的埋藏深度(简称“适宜埋深”)约束.本文从区域尺度到微观视角,梳理并总结地下水埋深变化对地表生态环境的影响,明确了地下水埋深对发挥地下水生态环境效应的主要作用.当前确定地下水适宜埋深主要考虑的影响因素包括地表植被生长、农作物生长与产量、土壤盐渍化、地面沉降与海水入侵等方面,野外实地调查、遥感反演以及稳定同位素组成分析等是普遍采用的技术手段.对地下水生态环境功能的研究主要集中在干旱地区,而非干旱区的相关研究进展缓慢.本文提出了面向地下水资源可持续开发利用的地下水适宜埋深确定方法,即以研究区自然地理和水文地质条件以及存在的主要生态环境问题为基础,构建区域尺度上的适宜地下水埋深控制指标集合,结合地区生态环境保护目标,通过指标取舍与叠加计算综合确定地下水适宜埋深的区间及阈值.目前对地下水适宜埋深空间分布规律的研究较多,但其时间分布规律研究较为薄弱,是将来研究的重要方向之一.

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基于过程模拟的地下水污染源识别研究进展

郑闯, 董军, 张伟红, 葛渊博

中国环境科学. 2024, 44(9): 4999-5006.

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地下水是重要的水资源,与大气和地表水相比,地下水污染具有隐蔽性、滞后性和不可逆转性等特点.在地下水污染发生后,经过污染源识别,可以快速掌握污染源的信息(数量、位置、释放历史),这对于地下水污染源头防控、污染修复方案的合理设计、污染责任的准确认定等具有重要作用.本文主要综述了地下水污染源识别方法中基于过程模拟的数理方程反演法,并基于CiteSpace和VOSviewer文献计量软件对相关文献进行分析,获得本领域的研究现状与热点.最后提出了基于过程模拟的数理方程反演法研究中未来的发展趋势.

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乳化纳米铁修复四氯乙烯污染含水层的机理

赵海峰, 董军, 孙晨, 王为雅, 祝凯

中国环境科学. 2024, 44(9): 5007-5015.

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在修复氯代烃污染含水层时,乳化纳米铁(EZVI)具有反应活性高、迁移性强、无二次污染的优良性能.为了明确EZVI对含水层四氯乙烯(PCE)的降解途径,探究降解过程对含水层介质矿物成分的影响及修复过程中关键微生物种类和功能,阐明EZVI修复PCE污染含水层过程中EZVI-PCE-含水层介质-微生物群落反应体系的作用机理.设计EZVI、乳化油(EVO)、EZVI (灭活)3组对照实验,考察不同反应体系中污染物及介质矿物离子浓度变化情况,对含水层介质进行XRD表征与微生物16S rRNA基因测序.结果表明,EZVI对PCE的降解途径主要为化学还原与生物还原,前者作为主要还原途径降解了77.4%的PCE;降解过程对含水层介质成分的影响包括两个方面,一是钾长石(Kfs)与钠长石(Ab)在酸性条件下的溶蚀反应,二是菱铁矿(Sid)的生成反应;修复过程对微生物群落具有驯化作用,反应结束后微生物群落中的优势菌属为Sporacetigenium、Syntrophomonas、Dechlorosoma,其功能分别为厌氧发酵产酸、产甲烷、生物脱氯.

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北京潮白河冲洪积扇中下游地下水铁锰来源解析及成因分析

陈吉吉, 陶蕾, 席玥, 田颖, 徐蘇士, 刘保献, 荆红卫

中国环境科学. 2024, 44(9): 5016-5025.

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为了查明高铁锰地下水来源及其水化学成因,运用主成分分析方法和绝对主成分-多元线性回归模型,解析地下水中铁锰来源及主要环境影响因素,量化各来源贡献率;基于Durrov图和矿物饱和度指数等揭示各来源铁锰的影响范围、水化学特征及成因.结果表明:研究区内铁、锰超Ⅲ类标准率分别为45.6%和59.4%,且丰水期铁、锰浓度水平和超标率普遍高于枯水期;主成分分析提取出铁、锰因子载荷较高的3个主成分,分别为导致第一含水层铁锰超标的迁移-富集作用(F1),导致第一、二含水层铁锰超标的铁锰氧化物自然溶解作用(F2),以及水化学作用(F3),主要影响因素分别为水文地质条件、还原环境和pH值;铁、锰易在HCO₃-Ca·Mg型地下水中富集(F1和F2),HCO₃-Na型地下水中Fe、Mn浓度较低(F3);源解析结果显示F1和F3分别解释了研究区域54.3%和26.3%的铁,以及58.7%和19.4%的锰,F2对铁锰的解释率低于7.50%.综合所述,F1和F2是导致研究区域铁锰超标的主要原因,水文地质条件和pH值是影响研究区域地下水铁锰浓度的主要变量,人为源对研究区域地下水中铁、锰浓度影响有限.

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高含量金属对污泥生物炭磷形态与释放的影响

蒋佳佳, 万俊力, 方鑫, 张子怡, 聂小保, 孙士权

中国环境科学. 2024, 44(9): 5026-5034.

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将市政污泥经高含量金属强化预处理后低温热解制备成不同生物炭,采用Pearson相关分析和表征分析方法探讨了高含量金属和热解温度对污泥生物炭磷形态及磷释放的影响.结果表明,污泥生物炭的磷释放量随热解温度升高而降低,内源磷于350℃大量转变为正磷酸盐(ortho-P),强化预处理和pH值更加影响磷释放和金属元素固定,Fe/Al-P与Ca-P竞争共存且Fe/Al-P略占优势,Ca-P则对无机磷(IP)形态影响显著.高含量金属抑制磷释放、促进有机磷(OP)向IP转化以及阻碍HPO₄^2-向H₂PO₄^-转化的能力排序均为Fe>Al>Ca,钙基和铁基/铝基污泥生物炭的优势磷分别为Ca-P和Fe/Al-P,其中Fe/Al-P被铁铝氧化物包被而更难释放,主要磷释放形态均为Ca (H₂PO₄)₂.Fe强化预处理对磷形态与释放的影响最大,Ca强化预处理利于提高生物有效磷,可为污泥生物炭的资源化利用提供新思路.

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侵蚀性淋滤液作用下HPMC改性膨润土的防渗性能

王宝, 周林, 王百川, 朱佳佳, 张迪, 周浩然

中国环境科学. 2024, 44(9): 5035-5043.

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使用羟丙基甲基纤维素(HPMC)对天然钠基膨润土进行改性,以提高其对侵蚀性淋滤液的防渗性能.开展渗透试验和膨胀指数试验,以5000mg/L的CuSO4和0.5mol/L的H₂SO₄模拟侵蚀性淋滤液,研究侵蚀性溶液对HPMC改性膨润土的渗透系数和膨胀指数的影响.渗透试验结果表明:CuSO₄溶液作用下,添加2%和5%的HPMC可使膨润土的渗透系数降低32.28%~77.40%;而H₂SO₄溶液作用下,添加2%和5%的HPMC可使膨润土的渗透系数降低73.42%~92.83%.膨胀指数试验结果显示,添加2%的HPMC无法提高膨润土在侵蚀溶液中的膨胀指数,但添加5%的HPMC可使膨润土在侵蚀性溶液中的膨胀指数增大2倍左右.HPMC改性可以显著增强膨润土对侵蚀性溶液的防渗性能.孔隙填充是膨润土防渗性能增强的主要机制.

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城市固废填埋场开挖筛分再利用碳排放评估

韦宇凡, 徐文杰, 彭毅, 陈云敏, 柯瀚, 詹良通, 余霖锋

中国环境科学. 2024, 44(9): 5044-5052.

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本文评估了填埋场开挖筛分再利用的碳排放和碳减排效益,该研究有利于健全我国在城市固废处理领域的碳排放计算体系.首先从流程角度分析,分类整理了每个过程的排放因子和减排因子等参数.其次,选取我国东部某大型城市固废填埋场为研究对象,运用蒙特卡罗模拟进行了分析.结果显示,该填埋场的开挖减排量超过排放量,陈腐垃圾净排放平均值为-235.22kgCO₂-eq/t.此外,分析了排放与减排的主要来源,发现轻质物焚烧是排放的主要贡献者,而焚烧产生的电能和热力的回收是减排的主要来源.最后通过参数的敏感性分析,发现能量转化效率和净减排因子对减排结果有显著影响.

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水煤浆气化炉协同处理过程中有机物排放特征——以多环芳烃和二噁英为例

崔长颢, 章磊, 刘美佳, 李丽, 陈超, 王浩祥, 闫大海, 马晓烽

中国环境科学. 2024, 44(9): 5053-5062.

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采用工业化试验对水煤浆气化炉协同处理蒽醌染料、精馏残渣、废活性炭、废有机溶剂等多源有机废物过程中多环芳烃(PAHs)和二噁英(PCDD/Fs)的排放特征进行研究.结果表明,协同处理有机废物不会对水煤浆气化炉的气化压力、气化温度和小时产气量产生显著影响,但合成气中CO和CO₂的气体体积分数较空白工况有所变化,CO的气体体积分数由40.9%下降至31.5%,而CO₂气体体积分数则由23.4%增加至31.0%,主要原因可能是有机废物的引入使得气化炉燃烧更充分;协同工况下气态排放物中PAHs和PCDD/Fs分别以萘和低氯代同系物为主,其中PAHs和PCDD/Fs的总毒性当量分别在0.12–0.49ng-TEQ/m³和1.22–3.82pg-TEQ/m³之间,较空白工况下PAHs (0.06–0.11ng-TEQ/m³)和PCDD/Fs (1.34–2.97ng-TEQ/m³)的总毒性当量无明显增加,且仍远低于相关标准限值;协同工况下固态样品中PAHs和PCDD/Fs分别以低、中环和低氯代同系物为主,硫磺(0.49ng-TEQ/kg)和炭黑(0.37ng-TEQ/kg)的PAHs总毒性当量,以及碳酸氢铵(8.3pg-TEQ/kg)的PCDD/Fs总毒性当量分别高于其他固态样品的PAHs和PCDD/Fs总毒性当量.协同工况下固态样品中PAHs和PCDD/Fs的总毒性当量较空白工况均无明显增加,环境风险可控.

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改性磷石膏对污泥重金属迁移变化的影响机制

戴取秀, 胡瑶, 马丽萍, 杨杰, 郭致蓥, 敖冉, 杨稔, 郑大龙, 谢龙贵

中国环境科学. 2024, 44(9): 5063-5076.

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利用马铃薯渣和磷石膏的混合固废渣制备双改性材料(D-MPR),将其用于处理污泥重金属.研究双改性材料制备条件,材料对污泥Zeta电位、胞外聚合物(EPS)及重金属迁移的影响;重点分析处理后污泥中重金属的生态风险,并构建重金属迁移模型.实验结果表明:固废渣(PR)在碱化温度50℃,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)用量为2% PR (PR质量),醚化温度50℃的条件下,进行3h醚化改性;后再添加1% PR的过硫酸铵,80% PR的丙烯酰胺(AM),并在50℃下反应3h进行接枝改性,可制备得到D-MPR.将D-MPR以占污泥干固体(DS)量12‰的比例投入污泥中处理其中重金属,发现与原污泥相比,约42.43%的非稳态Cd,60.42%的非稳态Cr,53.10%的非稳态Cu,67.58%的非稳态Pb,55.21%的非稳态Zn,34.23%的非稳态Ni和74.68%的非稳态As被固定到污泥泥饼当中,污泥泥饼中重金属的迁移风险和潜在生态风险系数均明显降低.此外,该研究还发现了非稳态重金属转化率随LB-EPS以及TB-EPS含量的增加而减小,随Zeta电位的升高而升高,并以此建立了非稳态重金属的转化模型.

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我国矿产资源型城市“无废城市”建设路径探索

马超, 冯印成, 赵康, 田向勤, 聂晶磊, 胡华龙

中国环境科学. 2024, 44(9): 5077-5084.

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矿产资源型城市在我国能源资源保障和经济健康发展中具有重要地位,其具有固体废物产生量巨大、利用程度总体不高、环境污染问题突出等特点,矿产资源型城市如何建设“无废城市”是我国“无废城市”建设工作中的重要议题,也是美丽中国建设中的关键环节.本文从矿产资源城市的分布分类、固体废物特点等方面分析了其基本特征,指出矿产资源型城市开展“无废城市”建设工作面临管理体制机制融合不足、法律法规和标准体系不健全、固废“三化”技术不足、固废资源属性和污染属性辩证对待不清晰等方面的难点问题;简要总结了我国“无废城市”建设工作开展以来取得的主要成效和实现矿产资源型城市“无废化”目标的典型经验.指出在推进矿产资源型城市“无废城市”建设过程中,一方面要借鉴先进成熟经验,做好顶层设计,重视法律法规和标准体系的建设;另一方面要强化技术研发创新,立足城市实际重点解决难点问题,并注重多源固体废物协同利用处置体系建设.

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苏南太湖流域农田土壤重金属输入输出清单构建及风险预警

杨雳, 董欣平, 林静, 薄文浩, 白宗旭, 陈涛

中国环境科学. 2024, 44(9): 5085-5098.

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为指导产地环境管理策略、巩固污染防治成果,以公开数据为基础构建了苏南太湖流域农田土壤重金属的输入输出清单,探究了土壤中八大重金属元素(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)的累积现状并预测了未来发展趋势.其中,输入途径主要包括大气沉降、畜禽粪便、灌溉水和化肥农药施用,输出途径主要包括作物收获和土壤渗流.结果表明,As、Cd、Cu、Cr和Hg元素主要通过灌溉用水输入农田,Ni主要通过大气沉降、化肥施用和灌溉水输入农田,Pb和Zn主要通过大气沉降进入农田;As、Cr、Cu、Hg和Pb主要通过土壤渗流输出农田,Cd和Zn主要通过作物收获输出农田.Cd是苏南太湖流域农田土壤中最需关注的重金属元素,在短期内其可能达到风险阈值,其余重金属元素均存在不同程度累积但远未达到风险阈值.

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氮添加对芦苇根系分泌及土壤硝化作用的影响

赵春宇, 吴佳鹏, 张雨欣, 赵逸昳, 张晗, 李璇, 赵梦宇, 孟娥

中国环境科学. 2024, 44(9): 5099-5107.

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为探究人类活动引起的氮输入对植物根系分泌物释放及土壤硝化过程的影响,采集黄河三角洲芦苇湿地的土壤和幼苗进行加富培养实验,对根系分泌物释放、硝化速率及相关理化指标进行了测定和分析.结果发现,不同形态含氮营养物质添加对芦苇湿地土壤的理化因子具有不同影响,其中NH₄Cl对土壤微生物量碳、氮和NH₄⁺-N含量的促进作用最显著,KNO₃添加能显著提高土壤NO₃^--N含量,而芦苇凋落物对土壤有机碳和总氮的促进作用较强.在根际区和非根际区,氨氧化速率(Va)平均值分别为(5.16±1.37)和(3.62±0.80)μmol/(kg·d),与NH₄⁺-N含量均呈显著正相关,而亚硝酸盐氧化速率(Vn)平均值为(6.01±.42)和(4.45±1.08)μmol/(kg·d),与土壤NO₃^--N呈显著正相关.土壤SOC和TN与Va均呈显著正相关,主要与有机质的矿化作用为氨氧化过程提供反应底物有关.其中,氮平衡指数在有机氮添加组显著高于其余组可间接证明有机质对矿化过程的促进作用.与对照组相比,不同外源氮均能促进芦苇根系对总酸、总糖和氨基酸的分泌,其平均释放速率分别为(169.75±31.83),(116.72±21.76)和(9.52±3.31)μg/(g·d),而对酚类和类黄酮却表现出显著抑制或无明显作用.根系分泌的酚类物质与Va呈显著负相关关系,可能归因于酚类物质对氨氧化细菌的选择性抑制.而氨基酸与Va和Vn均呈显著正相关,氨基酸可为硝化细菌代谢提供能量和营养物质,从而促进了硝化过程的进行.总体上,营养物质添加一方面直接改变了土壤的理化性质,为硝化细菌提供了适合的生长环境;另一方面,营养物质添加能刺激芦苇根系分泌物的释放,使土壤中的营养及活性物质含量增加,促进硝化过程的进行.

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海洋型冰川表碛与退缩区土壤微生物群落特征——以阿扎冰川和米堆冰川为例

叶鑫彤, 胡扬, 刘巧, 鲁旭阳, 刘琛

中国环境科学. 2024, 44(9): 5108-5121.

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以藏东南阿扎冰川和米堆冰川为研究区,采用细菌16S rRNA基因扩增子测序和真菌ITS测序技术,研究了冰川表碛与退缩区不同植被演替阶段土壤中微生物群落特征及土壤化学性质影响.结果表明,两条冰川表碛与退缩区土壤中共发现细菌门38个,其中Proteobacteria (40%)、Actinobacteriota (23%)、Bacteroidota (14%)为优势群,共发现真菌门7个,Basidiomycota (47%)和Ascomycota (45%)为优势群.阿扎和米堆冰川表碛中Patescibacteria、RCP2-54、Bacteroidota、Gemmatimonadota和Acidobacteriota的菌群丰度存在显著差异,米堆冰川表碛和退缩区土壤中微生物群落结构和丰度存在显著差异(P<0.05),而退缩区三个演替阶段之间的群落结构差异不显著.适应极端环境的微生物群落在表碛中丰度最高,而随着演替进程参与植物定殖或与植物共生的微生物群落丰度与多样性显著增加,微生物群落的α多样性上升,NMDS模型也逐渐接近重叠,群落结构在植被演替后期逐渐趋于稳定,.除全钾外,养分含量在两条冰川表碛中均较低,随着植被演替土壤pH值逐渐降低而养分逐渐增加,演替后期显著高于前两阶段.表碛中的微生物群落与pH值和全钾显著正相关(P<0.05),而退缩区土壤中则与速效钾、硝酸盐氮、全磷、可溶性有机碳显著正相关(P<0.05),并以磷限制为主.

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不同改性生物炭对稻田氮素损失及产量的影响

衣本骥, 刘畅, 韩宏伟, 张丰, 陈涛涛, 孟军, 迟道才

中国环境科学. 2024, 44(9): 5122-5133.

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为进一步挖掘稻田生态系统生物炭增效、节肥和减排潜力,以无生物炭为对照(CK),设置玉米秸秆生物炭(B)、酸化生物炭(B_pH)、氮负载生物炭(B_NH4)、铁改性生物炭(B_Fe)和钙改性生物炭(B_Ca)6个处理,通过2a试验,对生物炭阳离子交换量(CEC)、含氧官能团以及其处理下水稻产量、氮素提取、氨挥发、氮素淋失和土壤氮残余等进行了研究.结果表明:与B相比,B_pH、B_NH4和B_Fe分别显著提升生物炭CEC (53.9%、29.6%和28.2%),且4种改性处理均可显著提升生物炭-COOH、-OH、C=O、O-H等含氧官能团浓度,增强生物炭吸氮能力.全生育期累积氨挥发在9.1~19.9kg/hm²(2021)和8.5~13.7kg/hm²(2022)之间,除BNH4降氨效果明显(44.6%)外,其他处理第1年对氨挥发无显著影响;而B_Ca、B_NH4和B_Fe在第2a均显著降低氨挥发,较CK分别降低33.5%、37.5%和37.8%.4种改性生物炭连续2a,较CK降低氮素淋失19.0%和35.2%(B_pH)、15.0%和21.0%(B_Ca)、11.3%和28.7%(B_NH4)、12.6%和29.0%(B_Fe).B在第1年对产量无显著影响,但老化1年后增产显著(8.8%);B_pH和B_NH4连续2a分别增产19.7%和12.2%(2021年),11.5%和5.8%(2022年).B_pH、B_Ca和B_NH4在2a均显著降低了活性氮排放,降幅为23.4%、21.8%和42.3%(2021年)和23.5%、30.5%和35.5%(2022年).不同生物炭处理第1a土壤矿化氮残余无显著差异;但B_Ca、B_NH4和B_Fe第2a增效显著.同时考虑增产、活性氮减排和矿化氮可持续性,BNH4综合效果最佳,同CK相比,2021和2022年分别可降低氨挥发42.3%和35.5%,铵态氮淋失10.6%和29.0%,硝态氮淋失14.7%和23.4%,氮素积累提高13.4%和4.3%以及矿化氮残余提高15.0%和17.9%,最终增产19.7%和5.7%.

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长江流域不同植被对2022年极端气象干旱事件的响应

赵乾佐, 张璇, 费俊源, 许杨, 李冲, 郝芳华

中国环境科学. 2024, 44(9): 5134-5144.

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基于植被对气象干旱事件的响应特征构建了植被敏感性及脆弱性的评估方法:基于长序列降水及潜在蒸散发数据和日诱导叶绿素荧光指数构建日尺度标准化指数,以2022年长江特大气象干旱事件为例,计算相关系数(CC)、累积响应时间(RT)及响应敏感度(RS)评估植被对干旱响应的敏感性;利用历时响应比(DRR)和烈度响应比(IRR)评估植被对干旱事件响应的脆弱性.结果表明:对于2022年长江流域特大气象干旱事件,(1)上游常绿针叶林及草甸敏感性低(中位CC=0.36,0.44;中位RS=-1.72,-1.58);中下游耕地敏感性最高(中位CC=0.68,中位RS=-1.37),稀树及多树草原敏感性高于林地(中位CC:林地=0.41~0.49,多树草原=0.64,稀树草原=0.61;中位RS:林地=-1.61~-1.57,多树草原=-1.44,稀树草原=-1.40).(2)上游常绿针叶林脆弱性高于其他林地(中位DRR:针叶林=1.04,其他林地=0.85~0.97;中位IRR:针叶林=0.94,其他林地:IRR=0.76~0.88);草甸脆弱性高于中下游多树及稀树草原(中位DRR:草甸=1.28,多树草原=0.74,稀树草原=0.88;中位IRR:草甸=1.24,多树草原=0.74,稀树草原=0.80);耕地脆弱性低(中位DRR=0.77IRR=0.72).(3)空间分布上,上游金沙江流域是高脆弱性热点区域;中下游的四川盆地及汉江流域耕地聚集,是高敏感性热点区域.基于研究结论,当极端干旱事件发生时,可根据不同植被的响应特点开展植被监测和恢复措施,从而保护植被不发生退化和永久性损害.

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FAST宁静区生态系统服务时空分异特征及权衡/协同关系分析

权小丫, 苏维词, 勾容, 黄贤凤

中国环境科学. 2024, 44(9): 5145-5159.

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基于InVEST与光能利用率模型(CASA)对2000-2020年间500m口径球面射电望远镜(FAST)宁静区植被净初级生产力(NPP),水源涵养,土壤保持,生境质量四项生态系统服务进行计算,分析其在不同尺度上的时空变化特征,识别其生态系统服务热点区域,采用权衡-协同指数和随机森林模型揭示四项生态系统服务间的权衡/协同作用关系和强度及其与驱动因子的关系.结果表明:(1)2000-2020年,FAST宁静区四项生态系统服务整体上呈增加趋势,其中NPP增加730.544gC/m²,水源涵养量增加5.925mm,生境质量得分上升0.007,土壤保持量增加0.295t/km².(2)圈层差异明显,其中核心区增加最快,服务功能最优;其次是边远区,生态有明显好转;最后是中间区,生态修复相对较慢.(3)土地利用类型中,林地和草地对研究区生态系统服务量的促进作用最大.(4)生态系统服务热点整体上由Ⅰ类和Ⅱ类热点区向非热点区,Ⅲ类热点区及Ⅳ类热点区转变.(5)区内的四项生态系统服务间关系整体以协同为主,且协同作用逐渐增强,在空间上水源涵养与土壤保持和NPP在部分地区呈权衡作用.(6) FAST宁静区四项生态系统服务间权衡/协同关系作用强度的主要驱动因子是降水,蒸散发,石漠化敏感性,坡度和人类活动强度.

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郑州市景观植物石楠叶际细菌群落结构及反硝化功能

谷立坤, 张建云, 徐浩, 侯志康, 邵霜霜, 张曼, 仲少攀, 白志辉

中国环境科学. 2024, 44(9): 5160-5168.

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采用16S rRNA高通量测序技术分析叶际细菌群落多样性与丰富度,使用PICRUSt2软件基于基因测序结果对叶际细菌的氮代谢等功能基因进行预测,并测定叶际细菌的反硝化速率.结果显示,石楠植物叶际细菌以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势菌门,以无色杆菌属(Achromobacter)、伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia)、薄层菌属(Hymenobacter)为优势菌属,且同一地区的不同点位优势菌相同;同时发现石楠叶际细菌中存在无色杆菌属(Achromobacter)、马赛菌属(Massilia)和鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)等具有反硝化功能的菌属;PICRUSt2功能基因预测叶际细菌6个一级功能层中以代谢功能为主,30个二级功能层中以膜转运功能为主;氮代谢功能基因中反硝化相关基因丰度最高,固氮相关基因丰度最低;测得叶际细菌反硝化速率为(22.2±1.7)~(33.2±4.7)μg/(g·h).

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基于无人机和地面调查的典型草原“种-面积”关系

朱萨宁, 高吉喜, 万华伟, 尤春赫, 杨雪, 郭雨桐, 祝晨佳, 吕娜

中国环境科学. 2024, 44(9): 5169-5179.

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本研究以呼伦贝尔市典型草原为研究对象,通过传统地面样方调查和无人机调查,系统研究了“种-面积”关系,确定了典型草原地面与无人机调查的最小调查面积.调查结果表明:1)典型草原的物种数量与调查面积呈非线性关系,“种-面积”关系呈现为S=aln (bA+1).基于组合样方法,至少要包括8个1m²小样方,才能达到涵盖80%物种的目标,基于巢式样法,需要的最小调查面积为8.63m²;2)针对典型草原,无人机调查的平均物种发现率为传统地面调查方法的81.7%,无人机可作为地面调查的辅助手段,提高调查的效率;3)在典型草原物种监测中,可选取1个或2个组合样方,并使用无人机进行4~5次随机拍摄作为补充,此时可发现典型草原物种总数的84.7%~88.3%.该方法相对传统的3~5次重复样方调查,代表性更高,调查效率更高.

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北京森林群落物种多样性、生物量及关系分析

张蔷, 李令军, 陈韵如, 鹿海峰, 刘保献, 赵文慧, 苏日娜

中国环境科学. 2024, 44(9): 5180-5191.

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为了解温带次生林物种多样性、生物量特征及其相关关系,本研究以北京山地森林群落为研究对象,布设151块样地进行实地调查.结果显示:(1)森林群落151块样地中共出现植物399种,隶属于228属91科,菊科、蔷薇科和禾本科等为优势科.(2)森林群落垂直结构分层明显,不同层片间物种多样性表现为乔木层最低,灌木层和草本层较高.(3)在9个森林群落类型中,山杨林、核桃楸林、黑桦林和华北落叶松林物种丰富度较高,样地平均物种数在36种以上;其次是白桦林和蒙古栎林;油松林、栓皮栎林和蒙椴林较低,平均物种数在22~29之间.(4)森林群落乔木地表生物量介于3.00~25.00kg/m²之间,平均值为12.73kg/m²,针叶林生物量密度高于阔叶林,森林年龄结构以中龄林为主,未来具有较大的碳汇潜力.(5)回归分析显示北京森林物种多样性与生物量呈显著负相关,但是物种多样性对生物量的影响主要是通过与物种特性和环境因素的共同效应起作用,其对生物量的独立解释度非常微弱.由于物种多样性与生物量之间的关系很可能会被非生物因素和生物因素的强烈影响所掩盖,建议未来的研究中应全面考虑环境因素、物种特性及管理措施等方面的综合影响.

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基于PLUS-InVEST模型碳储量时空演变及驱动因素分析——以纳帕海流域为例

张爽, 高启晨, 张戎, 宋晨珲, 栗忠飞

中国环境科学. 2024, 44(9): 5192-5201.

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以纳帕海流域为例,利用PLUS-InVEST模型和地理探测器等方法,对过去20a和未来不同情境下该流域的土地利用变化、碳储量时空演变规律以及空间分异驱动因素进行了深入分析.研究结果表明:(1)2000~2020年,水域、建设用地面积分别增加143.98%、451.86%,耕地、草地面积分别减少61.37%、20.53%,耕地和草地主要转化为建设用地,部分草地也转化为林地;(2)纳帕海流域碳储量在过去20a中总体呈现下降趋势,共减少了0.63×10⁶t,草地和耕地的下降和建设用地的增加是碳储量减少的主要原因;(3)与2020年相比,未来2035年不同情景下的碳储量,除自然发展和耕地保护情景外,其他情景下均呈增加趋势,碳储量总量分别为18.11×10⁶t,18.17×10⁶t,18.29×10⁶和18.31×10⁶t;(4) DEM (0.533),年均温(0.442)和NDVI (0.365)是驱动纳帕海流域碳储量空间分异的主导因子;(5)各驱动因子间的交互作用强度均强于单一因子,其中协同作用最强的是DEM与NDVI协同影响类型(0.633).研究结果可为纳帕海流域土地利用合理规划及碳汇功能提升提供数据支撑.

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我国新污染物治理科技需求分析

武会会, 只艳, 肖庆聪, 徐伟攀, 张衍燊, 於方

中国环境科学. 2024, 44(9): 5202-5208.

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新污染物治理是一项长期性、复杂性、艰巨性任务,为支撑新污染物治理行动顺利开展,亟需实施重大科技专项计划.本文从新污染物筛查、监测、风险评估、替代和治理技术、风险管控等方面出发,介绍了美国、欧盟等发达国家和地区逐步构建以风险防范为核心的有毒有害化学物质管理机制的历程.同时,梳理了我国在新污染物治理的历程、成果以及差距.结合我国新污染物治理现状和存在的问题,在“筛查-评估-治理-管控-示范”五方面提出任务布局,以期逐步解决新污染物治理技术瓶颈,构建新污染物全过程协同治理和风险管理体系,完善新污染物治理管理标准体系,支撑新污染物治理水平稳步提升.

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抗微生物药物耐药性风险评估研究进展

李红娜, 杨珍珍, 何霄嘉

中国环境科学. 2024, 44(9): 5209-5221.

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梳理了国内外AMR风险评估的发展历程,系统综述了风险评估通用流程及常用方法.在政府机构层面,由于均缺乏关键的变量数据,目前只能针对特定的耐药菌或者耐药基因利用模型获取关键数据开展以定性为主的风险评估.在科学研究层面,AMR的风险评估不断完善,从分别针对单一的耐药菌、可移动遗传元件、耐药基因和毒力因子等发展到对其共现性的关注,再细化到基于耐药菌和耐药基因等权重的综合评估.基于上述分析,总结了目前AMR风险评估中存在的主要问题以及剂量-效应模型、基因型对照、监测数据获取缺乏等挑战,以期为中国AMR的风险评估和控制提供基础支撑.

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PET微塑料水解再造缺陷铁基金属有机框架及其应用研究

蒋文斌, 姜晨晨, 韦选香, 徐李聪, 王姗丽, Hasan MD Shahib, 吴明华, 余德游

中国环境科学. 2024, 44(9): 5222-5233.

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为了有效去除聚对苯二甲酸乙二酯(PET)微塑料,采用碱性水解方法将PET微塑料升级再造,制备缺陷铁基金属有机框架(Fe-MOFs)催化剂,用于催化臭氧深度处理模拟印染废水.结果表明,在NaOH浓度为2mol/L、水解温度120℃、水解时间120min的条件下,PET微塑料去除率达100%,对苯二甲酸钠盐(Na₂TPA)产率达97.4%;以PET微塑料水解产物为前驱体,发展了2种简易方法制备缺陷型Fe-MOFs催化剂.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(PXRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)及X射线光电子能谱仪(XPS)等对缺陷Fe-MOFs催化剂的形貌特征、晶体结构、分子结构以及元素种类进行表征,证明催化剂具有缺陷结构.研究评估了2种催化剂催化臭氧降解AO-7性能,其中D-Fe-MOF催化剂可在3min内完全降解AO-7,反应速率常数达0.926min^-1,是W-Fe-MOF催化剂和单独臭氧的3.6倍和7.3倍.

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水体微塑料的浮选分离:原理、效果、机制与调控

赵奕锦, 王嫣格, 芮俊男, 邱宇平

中国环境科学. 2024, 44(9): 5234-5247.

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浮选技术能有效实现水体中微塑料的分离,它利用细小气泡与微塑料颗粒之间的黏附作用,形成表观密度小于水密度的气泡-颗粒结合体并上浮至水面.本研究回顾了浮选的原理、方法与特点,追溯了浮选技术的分类与应用,系统阐释了浮选中气泡-微塑料颗粒相互作用,比较了传统气浮技术和强化气浮技术去除微塑料效率的差异,并基于浮选原理讨论了气泡和微塑料性质对浮选的影响,阐释了水环境条件影响微塑料分离效率的机制.

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钢铁废气中二氧化碳的微生物固定与转化机制研究进展

陆佳滢, 王玉明, 李咸伟, 熊丽君, 李丹

中国环境科学. 2024, 44(9): 5248-5262.

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钢铁工业对发展经济至关重要,但其也是CO₂大规模排放的重要排放源之一.全球气候变化的背景下,针对CO₂的减排措施已经成为应对气候变化和实现可持续发展的紧迫任务.通过调控关键基因、改造代谢途径或优化反应条件等方式,获得的工程菌株能够高效同化CO₂并转化为有机酸、生物燃料和多元醇等高值产物,为从传统的“获取–制造–处理”经济转变为减少碳足迹的可再生经济提供了新的解决方案.因此,本研究聚焦微生物固定/转化钢铁废气中CO₂的研究进展,系统性分析了该领域的理论研究前沿和工程应用挑战,探讨了基因编辑技术在其解决方案中的作用.这一领域的探索为未来的碳减排和环境治理提供了全新的视角和路径,对于实现可持续发展目标具有深远意义.

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数字经济对工业碳排放绩效的影响——基于异质型环境规制的门槛效应

李柏桐, 李健, 唐燕, 夏美君

中国环境科学. 2024, 44(9): 5263-5274.

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基于2011~2020年30个省的面板数据,以行政命令型、市场激励型及公众参与型环境规制为门槛变量,构建双向固定效应模型与面板门槛回归模型,分析数字经济对工业碳排放绩效的影响效应..研究发现:数字经济对工业碳排放绩效提升具有促进作用,但其作用大小受到异质型环境规制的约束,不同类型和强度的环境规制作用下,数字经济的影响效果存在差异;区域异质性分析表明,东部地区的数字经济影响效应在市场激励型环境规制的门槛约束下发挥最大值,且在门槛前后,数字经济对工业碳排放绩效的影响由抑制作用转变为促进作用;中部地区的数字经济影响效应在公众参与型环境规制的门槛约束下发挥最大值,且在门槛前后,数字经济对工业碳排放绩效的影响由促进作用转变为抑制作用;西部地区的数字经济影响效应在行政命令型环境规制的门槛约束下发挥最大值,且影响效应在门槛内最强.因此,政府应制定多元化环境监管政策组合,并根据地区特点充分发挥数字经济发展对工业碳排放绩效的促进作用.

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纳米二氧化钛暴露的神经毒性作用及机制

刘朝阳, 方艳艳, 章智冰

中国环境科学. 2024, 44(9): 5275-5285.

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以多巴胺能神经细胞SH-SY5Y和PC12为实验模型,深入探讨了不同晶型(锐钛矿型、金红石型、混合型)和不同粒径(25,50,100nm)的纳米二氧化钛(TiO₂-NPs)暴露对多巴胺能神经细胞的毒性影响及机制.结果表明,金红石型TiO₂-NPs暴露具有更强的毒性作用,其次是混合型和锐钛矿型.此外,粒径较小的TiO₂-NPs对神经细胞的毒性更显著,特别是25nm粒径的TiO₂-NPs,其神经毒性作用与诱导活性氧自由基生成和细胞凋亡相关.蛋白免疫印迹法发现,TiO₂-NPs能上调Bax和细胞色素C的水平,下调Bcl-2的表达,同时激活Caspase-3,表明TiO₂-NPs通过影响线粒体凋亡途径相关蛋白的表达诱导多巴胺能神经细胞凋亡.

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基于皮肤擦拭采样的石化从业人群OCPs皮肤暴露评估

郭建, 罗孝俊, 曾艳红, 麦碧娴

中国环境科学. 2024, 44(9): 5286-5292.

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以茂名市(华南典型石化及农业城市)的30名石化从业人员(男女各半)作为样本,对其裸露部位(额头、手掌)和衣物遮蔽部位(前臂、小腿)的皮肤进行擦拭采样,通过气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)测定了样品中10种有机氯农药(OCPs)的含量并计算暴露剂量.研究发现,10种OCPs在所有样品中均有不同程度的检出率(1.7%~57%),其中六六六(HCH)的平均检出率(35%)明显高于滴滴涕(DDT)(5.3%).所有样品的OCPs浓度范围为n.d.~3050ng/m²,不同皮肤部位的OCPs浓度差异显著(P<0.0001),表现为额头>手掌>前臂>小腿.皮肤暴露剂量(DAD_derm)和手-口接触暴露剂量(DAD_oral)的范围分别为n.d.~13和n.d.~0.24ng/(kg·d),两者均以HCH的贡献为主(>60%).头颈部是DAD_derm贡献率最高的皮肤部位(87%).尽管女性的DAD_derm和DAD_oral均高于男性,但差异不显著(P>0.05).健康风险评价结果表明,所有样本的皮肤及手-口接触致癌风险均处于可接受水平范围(<10^-4),但女性致癌风险相对较高.

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具有降解原油和产生生物表面活性剂双功能菌株的特性

李亚君, 张宁, 张鹏飞, 张瑞昌, 周鸣, 章春芳, 魏学锋

中国环境科学. 2024, 44(9): 5293-5302.

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从高盐含油废水中分离出一株产生物表面活性剂的菌株YY-1,通过形态学、生理生化特性和16S rRNA序列分析,该菌属于希瓦氏菌属(Shewanella sp.).Shewanella sp.YY-1分泌生物表面活性剂的临界胶束浓度为700mg/L,表面张力为30.76mN/m,且在较宽的盐度(10~100g/L),温度(25~100℃),pH值(2~10)范围内均表现出良好的化学稳定性.通过薄层色谱、傅立叶红外光谱和气相色谱-质谱分析,生物表面活性剂被鉴定为磷脂类.将菌株Shewanella sp.YY-1应用于原油废水的生物修复中,表现出良好的降解效果,对原油中短链烷烃(C8~C10),中链烷烃(C11~C20),长链烷烃(C21~C44)的去除率可达74.70%,96.68%,99.42%.本研究为生物表面活性剂产生菌在原油废水的生物修复提供优质的菌种来源和理论依据.

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页岩气返排水中的反硝化厌氧甲烷氧化微生物——群落结构与关键影响因子

李欣悦, 卢培利, 刘俊, 李仕康, 侯争鸣, 丁阿强

中国环境科学. 2024, 44(9): 5303-5312.

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首次探究了高温高压高盐的页岩气返排水中DAMO (denitrifying anaerobic methane oxidation)微生物存在的证据及其与关键环境因子之间的关联性.结果表明,在所研究的7个页岩气井场返排水中均检测到了DAMO古菌与细菌的存在,且古菌的丰度远高于细菌,其16S rRNA基因拷贝数分别为4.32×10⁴~5.83×10⁵copies/L和1.16×10³~6.00×10³copies/L.DAMO古菌与细菌的功能基因mcrA与pomA同样在所有的样品中检出.页岩气返排水中共发现了4个DAMO细菌代表性OTU与1个DAMO古菌代表性OTU,虽然返排水中盐度很高,但检出的DAMO细菌与古菌与已报道的淡水环境中的DAMO微生物亲缘性更近.RDA相关性分析表明,返排水常规理化因子对DAMO微生物的影响并非体现在微生物的丰度上,而是体现在微生物的功能上,其中pmoA基因丰度与TOC含量呈正显著相关,而mcrA基因丰度则与NO₃^-、NH₄⁺、PO₄^3-和Cl^-浓度呈正相关,Cl^-影响最大.研究结果拓展了关于DAMO微生物环境分布的认识,可为缓解返排水中逸散甲烷所导致的温室效应的控制提供理论基础,也有助于加深对深部页岩微生物过程的认知.

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废冰箱回收利用环境效益评估—基于IMPACT WORLD+方法

黄银, 余茜, 黄瑶, 秦晋川, 陈梦君

中国环境科学. 2024, 44(9): 5313-5320.

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废电器是产生量大且增速快的一类固体废物.我国构建的废电器回收体系是实施碳达峰、碳中和的重要举措,但废电器回收利用体系的环境效益尚不清楚.利用IMPACT WORLD+方法,从不同环境影响类型出发评估废电器回收处理的环境效益,并通过损害类型指标量化评价.结果表明,废冰箱回收利用的损害类型指标“人体健康”和“生态环境质量”的结果分别为-10592.501EUR2015和-8211.357EUR2015,合计为-18803.857EUR2015,即环境收益相当于18803.857EUR2015.据此估算,中国2021年废电器回收处理体系中仅废冰箱回收利用的环境收益可达12.82亿EUR2015.研究结果表明废电器回收处理的环境收益十分可观,有望为废电器回收行业的可持续发展提供新的助力.

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中国餐饮消费驱动的温室气体跨产业传导机制

磨昕, 钟秋萌, 梁赛

中国环境科学. 2024, 44(9): 5321-5328.

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基于环境投入产出模型、结构路径分析和介数中心性方法揭示了中国餐饮消费驱动的温室气体(GHG)跨产业传导机制(包括重要传导路径和关键控制节点).结果表明:(1)2002~2020年间中国餐饮业GHG足迹在波动中增加.畜牧业→屠宰及肉类加工业→餐饮业→城镇居民消费、畜牧业→餐饮业→城镇居民消费是对餐饮业GHG足迹贡献最大的2条传导路径,种植业、畜牧业、电力热力的生产和供应业是传导路径涉及较多的起点部门.所识别的重要传导路径是餐饮业低碳发展决策的重要抓手.(2)屠宰及肉类加工业、谷物加工业、植物油加工业是餐饮业GHG足迹在产业链中隐含传输的关键控制节点,其2020年传输的隐含GHG规模分别为12.2,8.0和7.0Mt CO₂ -eq,应关注这些部门的生产效率提升以降低餐饮业GHG足迹.(3)2002~2020年间谷物加工业、电力热力的生产和供应业等部门的控制节点作用逐渐增强.

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