1、MBR膜污染過程的流場(chǎng)與傳質(zhì)機(jī)理解析及應(yīng)用

黨的十九大以來，在我國大力踐行“建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)”理念過程中，污水處理與資源化在模式和技術(shù)手段等方面有了長足的發(fā)展。發(fā)展膜法水資源再生利用可以根本上解決水污染和水資源短缺難題。膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor, MBR）占地面積小、出水水質(zhì)好，但是如何有效控制MBR膜污染是長期面臨的難題。對(duì)此，長沙理工大學(xué)和中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心的科技人員從MBR流場(chǎng)與傳質(zhì)特征開展研究，得到了適于各類MBR多尺度空間結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)格劃分方法、多相流和湍流模型參數(shù)；基于GPS-X，建立了細(xì)菌-藻類的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)靈敏性分析和率定方法，開發(fā)了適于MBR的CFD多場(chǎng)耦合模型；提出了MBR放大過程中膜污染和能耗動(dòng)態(tài)變化的機(jī)理與調(diào)控機(jī)制，根據(jù)雷諾相似原理對(duì)MBR特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行了放大，闡明了水平和豎直方向結(jié)構(gòu)對(duì)不同尺度MBR流態(tài)的影響機(jī)理，研制了自驅(qū)動(dòng)立體循環(huán)MBR，能耗大幅度降低，系統(tǒng)脫氮除磷效率顯著提高（>90%）。發(fā)表論文16篇，其中SCI收錄6篇，EI收錄2篇，累計(jì)影響因子＞30。項(xiàng)目成果受到同行專家、相關(guān)企業(yè)的高度關(guān)注和認(rèn)可，在湖南長沙、北京、山東膠州等地MBR污水處理工程以及MBR組件構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

2、MBR磁性炭材料的制備及對(duì)水中新型污染物的吸附特性和降解機(jī)制

（1）采用化學(xué)共沉、水熱合成、熱解和氮?dú)夥諊邷仂褵确椒ǔ晒铣闪吮砻尕?fù)載或炭內(nèi)包含鐵錳氧化物納米顆粒的磁性炭材料以及幾種納米棒形態(tài)的MnO2催化氧化材料；通過表征分析明確了水熱溫度和碳化溫度條件為合成不同催化氧化材料以及磁性炭材料的關(guān)鍵因素。（2）優(yōu)選出來的磁性炭對(duì)水溶液中磺胺類藥物都具有良好的吸附性能；探明了磺胺類藥物在磁性炭材料吸附處理中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等吸附機(jī)理以及催化氧化處理的協(xié)同作用機(jī)制；研究了磁性炭材料的再生性能和重要水環(huán)境因子對(duì)其吸附的影響與作用機(jī)制。（3）通過對(duì)MnO2納米棒的晶型、微結(jié)構(gòu)以及表面氧物種等物化特性的表征分析，證實(shí)了表面氧物種是影響其催化氧化性能的主要因素；結(jié)合運(yùn)用數(shù)學(xué)模型擬合，初步揭示了鐵錳氧化物催化雙氧水降解磺胺甲噁唑的氧化機(jī)理和途徑。上述幾種復(fù)合材料對(duì)水中新型有機(jī)污染物實(shí)現(xiàn)“先富集，后降解”的去除目的。研究結(jié)果已經(jīng)分別在“Clean-Soil, Air, Water、Environmental Science and Pollution Research、Journal of Molecular Catalysis A: Chemical、化學(xué)進(jìn)展和水處理技術(shù)”上發(fā)表，其中4篇SCI，1篇CSCD。

3、磁絮凝去除藍(lán)藻及相關(guān)污染物的特征與藻渣資源化方法

探討了在外磁場(chǎng)作用下亞鐵鹽+鐵鹽（方案一）和亞鐵鹽+高錳酸鉀（方案二）對(duì)水中銅綠微囊藻的去除效果及機(jī)理。方案一的去除效率以及藻毒素的控制效果優(yōu)于方案二，鐵鹽絮凝劑對(duì)藻團(tuán)表面的親水性EOM影響較小，KMnO4的強(qiáng)氧化作用使表層EOM脫落并損壞藻團(tuán)結(jié)構(gòu)從而造成藻毒素釋放。水溫、高嶺土濃度以及藻絮體表面Zeta電位的變化對(duì)濁度和葉綠素的去除效果影響較小，TP去除受上述因素影響較大且與藻絮體表面Zeta電位的變化趨勢(shì)一致，可推斷銅綠微囊藻和TP的主要去除機(jī)理分別為網(wǎng)捕卷掃作用和靜電吸附作用。（2）公開了一種制備磁性藻基生物炭的常溫預(yù)處理-水熱炭化方法，成功制備出磁性藻基生物炭，無需干化預(yù)處理，能高效處理高濃度富藻水和含水率高的藻泥/藻渣，反應(yīng)條件溫和，制備過程不產(chǎn)生二次污染，操作簡單，綠色環(huán)保，是一種符合低碳理念的藻類資源化利用方法。初步研究結(jié)果已在“環(huán)境科學(xué)與技術(shù)”（CSCD）上發(fā)表，申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)。

4、濕地高光譜遙感圖像不確定樣本分類方法研究

濕地具有區(qū)域差異顯著、生物多樣性豐富等特點(diǎn)，且存在一些通達(dá)性較差的場(chǎng)景。同時(shí)，濕地地物種類繁多，相互交錯(cuò)，且受季節(jié)氣候影響較大，導(dǎo)致濕地地物類型在標(biāo)記過程中難免存在錯(cuò)誤標(biāo)記的類別，這些問題都給洞庭湖流域濕地典型植被分類造成了巨大難度。由于遙感技術(shù)可以利用地物的反射光譜信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，成為濕地遙感監(jiān)測(cè)的首選方法。高光譜遙感具有光譜分辨率高、波段連續(xù)、波段數(shù)目多、光譜信息數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，為濕地植被類型的精細(xì)分類與識(shí)別提供了可能。因此，結(jié)合遙感技術(shù)的強(qiáng)大功能，課題組開展了洞庭湖濕地不確定樣本分類方法研究。提出了基于峰值密度聚類的不確定樣本分類模型、空間峰值密度聚類的不確定樣本分類模型、加權(quán)自適應(yīng)空間特征表示的峰值密度聚類不確定樣本分類模型、基于局部可達(dá)距離及局部可達(dá)密度策略檢測(cè)不確定樣本分類模型，通過系統(tǒng)深入的研究有效解決了濕地不確定性分類樣本問題。研究成果受到國內(nèi)外同行的高度關(guān)注。申請(qǐng)國際發(fā)明專利5項(xiàng)，獲計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)2項(xiàng)；發(fā)表研究論文32篇，其中SCI收錄28篇，EI收錄2篇，2篇論文入選ESI(1%)高被引論文；培養(yǎng)碩士研究生9名。該成果榮獲2019年度湖南省技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng)。

5、濕地生態(tài)環(huán)境修復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)演替

濕地作為全球最富有生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)之一，具有調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候及生態(tài)服務(wù)等功能。受氣候變化及人類活動(dòng)影響，全球濕地的水文條件大多發(fā)生了顯著變化，水文條件的變化將對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)演替產(chǎn)生重要影響，并可能影響濕地生態(tài)系統(tǒng)功能和可持續(xù)發(fā)展。很多濕地出現(xiàn)了生物多樣性降低、物種滅絕等生態(tài)問題，以及水體富營養(yǎng)化、重金屬和難降解有機(jī)物污染等環(huán)境問題。為此，長沙理工大學(xué)武海鵬博士等開展了（洞庭湖等）濕地生態(tài)環(huán)境修復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)演替相關(guān)研究，包括：1）濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)：研發(fā)濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)技術(shù)，科學(xué)制定生態(tài)保護(hù)與修復(fù)方案，研究生態(tài)保護(hù)與修復(fù)效果及生態(tài)效應(yīng)；2）濕地環(huán)境污染治理：研究濕地水體和土壤/底泥中的重金屬、難降解有機(jī)物、氮、磷等污染物來源及分布，開發(fā)人工濕地、浮床、生物炭、堆肥等污染治理技術(shù)；3）自然及人類擾動(dòng)條件下濕地生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律研究：利用分子生物學(xué)、遙感解譯等技術(shù)，通過野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，研究自然及人類擾動(dòng)（氣候變化、水利工程建設(shè)運(yùn)營、農(nóng)業(yè)開發(fā)等）條件下洞庭湖等濕地微生物、浮游生物、植物、景觀格局、鳥類生境等的演替規(guī)律，為濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。研究取得了一系列成果：獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目資助，出版專著1部，發(fā)表SCI論文50余篇（多篇入選ESI高被引/熱點(diǎn)論文），授權(quán)國家發(fā)明專利10余項(xiàng)。

6，水體-底泥中新型特征污染物分布、綠色高效治理技術(shù)及應(yīng)用研究

環(huán)境水體及底泥中新型特征污染物在直接或間接危害人們的健康，不斷被全球所關(guān)注，而相關(guān)的檢測(cè)方法和處理技術(shù)亟待增強(qiáng)，對(duì)此長沙理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年科技攻關(guān)，開展了河湖水體及底泥中特征污染物的監(jiān)測(cè)研究，研發(fā)了一系列綠色經(jīng)濟(jì)的處理新材料，形成了一系列高效處理新方法，取得了一系列科研新成果。

（1）開展了河湖環(huán)境水體及底泥中各種特征污染物（如重金屬、抗生素、微塑料、阻燃劑等）的調(diào)研和監(jiān)測(cè)，積累了寶貴的第一手資料，為后續(xù)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)提供基礎(chǔ)；

（2）篩選了一系列微生物（如超累積植物內(nèi)生菌、銅綠假單胞菌等）和生物酶（如漆酶），利用農(nóng)業(yè)廢棄物或廉價(jià)易得的材料進(jìn)行固定化制備生物吸附材料，用于重金屬或有機(jī)物復(fù)合污染廢水的處理，高效且經(jīng)濟(jì)；（3）制備生物炭復(fù)合材料，用于強(qiáng)化洞庭湖底泥中難降解鹵代有機(jī)污染物脫氯降解，效果優(yōu)良，有望應(yīng)用于實(shí)際底泥的修復(fù)；（4）研發(fā)了一系列高效的復(fù)合光催化材料，用于水體中抗生素的去除，效果優(yōu)良且重復(fù)利用率高，為實(shí)際水體抗生素的去除提供技術(shù)支撐。

相關(guān)研究已獲國家和省級(jí)多個(gè)基金項(xiàng)目的資助，已發(fā)表相關(guān)科研論文20余篇（SCI 6篇），已申請(qǐng)國家發(fā)明專利20余項(xiàng)（授權(quán)8項(xiàng)），已培養(yǎng)碩士研究生10名，合作培養(yǎng)博士研究生1名，并與相關(guān)環(huán)保企業(yè)建立了良好的技術(shù)合作關(guān)系。

7，土壤和地下水污染防治與控制的生態(tài)技術(shù)研究

作為地球表部圈層彼此聯(lián)系、相互作用的子系統(tǒng)，土壤和地下水系統(tǒng)發(fā)揮著能量傳輸和物質(zhì)循環(huán)的生態(tài)功能，是保障人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在人類文明高度發(fā)展的今天，水土環(huán)境惡化已嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。秉承“節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先和自然恢復(fù)”的理念，研究和開發(fā)土壤和地下水污染的生態(tài)修復(fù)技術(shù)符合國家“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的發(fā)展戰(zhàn)略。主要研究內(nèi)容包括：

（1）土壤和地下水中污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制

研究重金屬在土壤和地下水中的賦存形態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其影響因素，為土壤和地下水污染治理技術(shù)的開發(fā)積累基礎(chǔ)。

（2）土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)

開展重金屬超富集植物調(diào)查，研究超富集植物對(duì)土壤重金屬的積累機(jī)理，并通過土壤改良，改善植物富集重金屬的效果。

（3）基于天然材料和工業(yè)廢料的礦山固體廢棄物的穩(wěn)定化處置研究

以粘土、火山灰、石灰石和粉煤灰等為材料，開展鉛鋅尾礦和含汞廢渣等礦山固廢的穩(wěn)定化處置研究。

（4）礦山酸性廢水的源頭控制與生態(tài)治理綜合技術(shù)

根據(jù)礦山廢水的多源性，研究控制廢水產(chǎn)生的綜合控源策略，并開發(fā)以石灰石溝（床）和生態(tài)滲透壩為主的酸性廢水生態(tài)治理技術(shù)。

研究成果已發(fā)表在Environmental Science and Pollution Research、Water Air and Soil Pollution和地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)等刊物，其中SCI2篇，EI3篇。

8，湘江長沙段微污染水源水現(xiàn)狀及磁性炭/超濾工藝應(yīng)用

（1）對(duì)湘江長沙段水源水的微污染現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，得到了該段不同取樣點(diǎn)的污染指標(biāo)數(shù)據(jù)，分析了造成河段微污染狀況的原因。采用PAC-UF小試裝置處理了湘江微污染水源水，結(jié)果表明，該工藝穩(wěn)定運(yùn)行期間，濁度、氨氮、CODMn和UV254的去除率分別為99％、72.10％、46.18％和40.39％，出水滿足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求；工藝系統(tǒng)中的亞硝化菌群和硝化菌群經(jīng)過10～15 d的馴化周期后，可以保持穩(wěn)定的除氮效果。（2）提出了用磁性炭取代粉末活性炭聯(lián)合超濾膜去除水中氨氮、有機(jī)污染物和微量鎘的新型組合工藝。該組合工藝運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)水中濁度、TOC和Cd的平均去除率分別為97.5%、59.0%和99.9%，出水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）的要求。該工藝有望成為高效處理含鎘微污染水源水以及應(yīng)對(duì)水體重金屬突發(fā)性污染的新型凈水技術(shù)。研究結(jié)果已經(jīng)分別在“Applied Surface Science、中國給水排水和水處理技術(shù)”上發(fā)表，其中1篇SCI，2篇CSCD。

9，水平潛流人工濕地強(qiáng)化去除富營養(yǎng)化水體中氮素的關(guān)鍵技術(shù)研究

低C/N污水進(jìn)入水體后，引起水體富營養(yǎng)化加劇，使水生生物多樣性破壞，進(jìn)而造成水生生態(tài)系統(tǒng)喪失自我維持、自我調(diào)節(jié)能力與系統(tǒng)平衡穩(wěn)定性，并最終導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)的破壞和環(huán)境問題的加劇。人工濕地技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際低C/N污水的處理時(shí)，存在著反硝化階段可利用性碳源不足及長期運(yùn)行時(shí)微生物活性降低等重要限制性因素的影響。為有效解決上述難題，本研究在水平潛流人工濕地基質(zhì)層中引入自主研發(fā)的反硝化細(xì)菌與外加碳源（谷殼）共固定化小球，并充分利用其綜合優(yōu)勢(shì)，開展以下研究：（1）固體碳源的預(yù)處理研究及反硝化菌的篩選、培養(yǎng)與鑒定。研究固體碳源的表面結(jié)構(gòu)以及釋碳規(guī)律和持久性、穩(wěn)定性等；反硝化菌生長的影響因素、擴(kuò)增培養(yǎng)和微生物學(xué)形態(tài)及種屬鑒定。（2）共固定化小球的制備及材料表征。對(duì)菌種的固定化方式、固體碳源和菌種配比、影響因素等進(jìn)行深入研究，并對(duì)其進(jìn)行表征與測(cè)定。（3）共固定化小球?qū)Φ虲/N污水強(qiáng)化脫氮的機(jī)理研究。將共固定化小球引入系統(tǒng)基質(zhì)中，考察關(guān)鍵影響因素對(duì)水體中氮素的去除性能影響，通過研究固定化微生物在基質(zhì)中生物膜的形成機(jī)理、固定化微生物對(duì)氮素的去除機(jī)制、水生生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控原理、固定化微生物與水生生態(tài)系統(tǒng)的相互作用機(jī)制，以及植物、固定化微生物和固體碳源除氮的協(xié)同作用機(jī)制，揭示人工濕地去除富養(yǎng)化水體中的氮素的過程機(jī)理，實(shí)現(xiàn)人工濕地對(duì)低C/N污水的強(qiáng)化脫氮；同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了廢物資源化利用，保護(hù)水環(huán)境。