1、MBR膜污染过程的流场与传质机理解析及应用

党的十九大以来，在我国大力践行“建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计”理念过程中，污水处理与资源化在模式和技术手段等方面有了长足的发展。发展膜法水资源再生利用可以根本上解决水污染和水资源短缺难题。膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）占地面积小、出水水质好，但是如何有效控制MBR膜污染是长期面临的难题。对此，长沙理工大学和中国科学院生态环境研究中心的科技人员从MBR流场与传质特征开展研究，得到了适于各类MBR多尺度空间结构的混合网格划分方法、多相流和湍流模型参数；基于GPS-X，建立了细菌-藻类的动力学模型参数灵敏性分析和率定方法，开发了适于MBR的CFD多场耦合模型；提出了MBR放大过程中膜污染和能耗动态变化的机理与调控机制，根据雷诺相似原理对MBR特征结构进行了放大，阐明了水平和竖直方向结构对不同尺度MBR流态的影响机理，研制了自驱动立体循环MBR，能耗大幅度降低，系统脱氮除磷效率显著提高（>90%）。发表论文16篇，其中SCI收录6篇，EI收录2篇，累计影响因子＞30。项目成果受到同行专家、相关企业的高度关注和认可，在湖南长沙、北京、山东胶州等地MBR污水处理工程以及MBR组件构型的创新设计中得到广泛应用。

2、MBR磁性炭材料的制备及对水中新型污染物的吸附特性和降解机制

（1）采用化学共沉、水热合成、热解和氮气氛围高温煅烧等方法成功合成了表面负载或炭内包含铁锰氧化物纳米颗粒的磁性炭材料以及几种纳米棒形态的MnO2催化氧化材料；通过表征分析明确了水热温度和碳化温度条件为合成不同催化氧化材料以及磁性炭材料的关键因素。（2）优选出来的磁性炭对水溶液中磺胺类药物都具有良好的吸附性能；探明了磺胺类药物在磁性炭材料吸附处理中的反应动力学等吸附机理以及催化氧化处理的协同作用机制；研究了磁性炭材料的再生性能和重要水环境因子对其吸附的影响与作用机制。（3）通过对MnO2纳米棒的晶型、微结构以及表面氧物种等物化特性的表征分析，证实了表面氧物种是影响其催化氧化性能的主要因素；结合运用数学模型拟合，初步揭示了铁锰氧化物催化双氧水降解磺胺甲噁唑的氧化机理和途径。上述几种复合材料对水中新型有机污染物实现“先富集，后降解”的去除目的。研究结果已经分别在“Clean-Soil, Air, Water、Environmental Science and Pollution Research、Journal of Molecular Catalysis A: Chemical、化学进展和水处理技术”上发表，其中4篇SCI，1篇CSCD。

3、磁絮凝去除蓝藻及相关污染物的特征与藻渣资源化方法

探讨了在外磁场作用下亚铁盐+铁盐（方案一）和亚铁盐+高锰酸钾（方案二）对水中铜绿微囊藻的去除效果及机理。方案一的去除效率以及藻毒素的控制效果优于方案二，铁盐絮凝剂对藻团表面的亲水性EOM影响较小，KMnO4的强氧化作用使表层EOM脱落并损坏藻团结构从而造成藻毒素释放。水温、高岭土浓度以及藻絮体表面Zeta电位的变化对浊度和叶绿素的去除效果影响较小，TP去除受上述因素影响较大且与藻絮体表面Zeta电位的变化趋势一致，可推断铜绿微囊藻和TP的主要去除机理分别为网捕卷扫作用和静电吸附作用。（2）公开了一种制备磁性藻基生物炭的常温预处理-水热炭化方法，成功制备出磁性藻基生物炭，无需干化预处理，能高效处理高浓度富藻水和含水率高的藻泥/藻渣，反应条件温和，制备过程不产生二次污染，操作简单，绿色环保，是一种符合低碳理念的藻类资源化利用方法。初步研究结果已在“环境科学与技术”（CSCD）上发表，申请发明专利一项。

4、湿地高光谱遥感图像不确定样本分类方法研究

湿地具有区域差异显著、生物多样性丰富等特点，且存在一些通达性较差的场景。同时，湿地地物种类繁多，相互交错，且受季节气候影响较大，导致湿地地物类型在标记过程中难免存在错误标记的类别，这些问题都给洞庭湖流域湿地典型植被分类造成了巨大难度。由于遥感技术可以利用地物的反射光谱信息进行监测，成为湿地遥感监测的首选方法。高光谱遥感具有光谱分辨率高、波段连续、波段数目多、光谱信息数据量大的特点，为湿地植被类型的精细分类与识别提供了可能。因此，结合遥感技术的强大功能，课题组开展了洞庭湖湿地不确定样本分类方法研究。提出了基于峰值密度聚类的不确定样本分类模型、空间峰值密度聚类的不确定样本分类模型、加权自适应空间特征表示的峰值密度聚类不确定样本分类模型、基于局部可达距离及局部可达密度策略检测不确定样本分类模型，通过系统深入的研究有效解决了湿地不确定性分类样本问题。研究成果受到国内外同行的高度关注。申请国际发明专利5项，获计算机软件著作权2项；发表研究论文32篇，其中SCI收录28篇，EI收录2篇，2篇论文入选ESI(1%)高被引论文；培养硕士研究生9名。该成果荣获2019年度湖南省技术发明三等奖。

5、湿地生态环境修复及生态系统演替

湿地作为全球最富有生物多样性的生态系统之一，具有调蓄洪水、调节气候及生态服务等功能。受气候变化及人类活动影响，全球湿地的水文条件大多发生了显著变化，水文条件的变化将对湿地生态系统演替产生重要影响，并可能影响湿地生态系统功能和可持续发展。很多湿地出现了生物多样性降低、物种灭绝等生态问题，以及水体富营养化、重金属和难降解有机物污染等环境问题。为此，长沙理工大学武海鹏博士等开展了（洞庭湖等）湿地生态环境修复及生态系统演替相关研究，包括：1）湿地生态保护与修复：研发湿地生态保护与修复技术，科学制定生态保护与修复方案，研究生态保护与修复效果及生态效应；2）湿地环境污染治理：研究湿地水体和土壤/底泥中的重金属、难降解有机物、氮、磷等污染物来源及分布，开发人工湿地、浮床、生物炭、堆肥等污染治理技术；3）自然及人类扰动条件下湿地生态系统演替规律研究：利用分子生物学、遥感解译等技术，通过野外调查和实验，研究自然及人类扰动（气候变化、水利工程建设运营、农业开发等）条件下洞庭湖等湿地微生物、浮游生物、植物、景观格局、鸟类生境等的演替规律，为湿地生态环境保护提供科学依据。研究取得了一系列成果：获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央级公益性科研院所基本科研业务费项目、重点实验室开放基金等项目资助，出版专著1部，发表SCI论文50余篇（多篇入选ESI高被引/热点论文），授权国家发明专利10余项。

6，水体-底泥中新型特征污染物分布、绿色高效治理技术及应用研究

环境水体及底泥中新型特征污染物在直接或间接危害人们的健康，不断被全球所关注，而相关的检测方法和处理技术亟待增强，对此长沙理工大学的科研团队历经多年科技攻关，开展了河湖水体及底泥中特征污染物的监测研究，研发了一系列绿色经济的处理新材料，形成了一系列高效处理新方法，取得了一系列科研新成果。

（1）开展了河湖环境水体及底泥中各种特征污染物（如重金属、抗生素、微塑料、阻燃剂等）的调研和监测，积累了宝贵的第一手资料，为后续环境治理和生态修复提供基础；

（2）筛选了一系列微生物（如超累积植物内生菌、铜绿假单胞菌等）和生物酶（如漆酶），利用农业废弃物或廉价易得的材料进行固定化制备生物吸附材料，用于重金属或有机物复合污染废水的处理，高效且经济；（3）制备生物炭复合材料，用于强化洞庭湖底泥中难降解卤代有机污染物脱氯降解，效果优良，有望应用于实际底泥的修复；（4）研发了一系列高效的复合光催化材料，用于水体中抗生素的去除，效果优良且重复利用率高，为实际水体抗生素的去除提供技术支撑。

相关研究已获国家和省级多个基金项目的资助，已发表相关科研论文20余篇（SCI 6篇），已申请国家发明专利20余项（授权8项），已培养硕士研究生10名，合作培养博士研究生1名，并与相关环保企业建立了良好的技术合作关系。

7，土壤和地下水污染防治与控制的生态技术研究

作为地球表部圈层彼此联系、相互作用的子系统，土壤和地下水系统发挥着能量传输和物质循环的生态功能，是保障人类生存和发展的重要物质基础。在人类文明高度发展的今天，水土环境恶化已严重制约社会经济的可持续发展。秉承“节约优先、保护优先和自然恢复”的理念，研究和开发土壤和地下水污染的生态修复技术符合国家“生态优先、绿色发展”的发展战略。主要研究内容包括：

（1）土壤和地下水中污染物的迁移转化机制

研究重金属在土壤和地下水中的赋存形态、迁移转化规律及其影响因素，为土壤和地下水污染治理技术的开发积累基础。

（2）土壤重金属污染的植物修复技术

开展重金属超富集植物调查，研究超富集植物对土壤重金属的积累机理，并通过土壤改良，改善植物富集重金属的效果。

（3）基于天然材料和工业废料的矿山固体废弃物的稳定化处置研究

以粘土、火山灰、石灰石和粉煤灰等为材料，开展铅锌尾矿和含汞废渣等矿山固废的稳定化处置研究。

（4）矿山酸性废水的源头控制与生态治理综合技术

根据矿山废水的多源性，研究控制废水产生的综合控源策略，并开发以石灰石沟（床）和生态渗透坝为主的酸性废水生态治理技术。

研究成果已发表在Environmental Science and Pollution Research、Water Air and Soil Pollution和地球科学——中国地质大学学报等刊物，其中SCI2篇，EI3篇。

8，湘江长沙段微污染水源水现状及磁性炭/超滤工艺应用

（1）对湘江长沙段水源水的微污染现状进行了调查，得到了该段不同取样点的污染指标数据，分析了造成河段微污染状况的原因。采用PAC-UF小试装置处理了湘江微污染水源水，结果表明，该工艺稳定运行期间，浊度、氨氮、CODMn和UV254的去除率分别为99％、72.10％、46.18％和40.39％，出水满足饮用水卫生标准的要求；工艺系统中的亚硝化菌群和硝化菌群经过10～15 d的驯化周期后，可以保持稳定的除氮效果。（2）提出了用磁性炭取代粉末活性炭联合超滤膜去除水中氨氮、有机污染物和微量镉的新型组合工艺。该组合工艺运行稳定，对水中浊度、TOC和Cd的平均去除率分别为97.5%、59.0%和99.9%，出水水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求。该工艺有望成为高效处理含镉微污染水源水以及应对水体重金属突发性污染的新型净水技术。研究结果已经分别在“Applied Surface Science、中国给水排水和水处理技术”上发表，其中1篇SCI，2篇CSCD。

9，水平潜流人工湿地强化去除富营养化水体中氮素的关键技术研究

低C/N污水进入水体后，引起水体富营养化加剧，使水生生物多样性破坏，进而造成水生生态系统丧失自我维持、自我调节能力与系统平衡稳定性，并最终导致水生生态系统的破坏和环境问题的加剧。人工湿地技术应用于实际低C/N污水的处理时，存在着反硝化阶段可利用性碳源不足及长期运行时微生物活性降低等重要限制性因素的影响。为有效解决上述难题，本研究在水平潜流人工湿地基质层中引入自主研发的反硝化细菌与外加碳源（谷壳）共固定化小球，并充分利用其综合优势，开展以下研究：（1）固体碳源的预处理研究及反硝化菌的筛选、培养与鉴定。研究固体碳源的表面结构以及释碳规律和持久性、稳定性等；反硝化菌生长的影响因素、扩增培养和微生物学形态及种属鉴定。（2）共固定化小球的制备及材料表征。对菌种的固定化方式、固体碳源和菌种配比、影响因素等进行深入研究，并对其进行表征与测定。（3）共固定化小球对低C/N污水强化脱氮的机理研究。将共固定化小球引入系统基质中，考察关键影响因素对水体中氮素的去除性能影响，通过研究固定化微生物在基质中生物膜的形成机理、固定化微生物对氮素的去除机制、水生生态系统的调控原理、固定化微生物与水生生态系统的相互作用机制，以及植物、固定化微生物和固体碳源除氮的协同作用机制，揭示人工湿地去除富养化水体中的氮素的过程机理，实现人工湿地对低C/N污水的强化脱氮；同时也实现了废物资源化利用，保护水环境。