2022年第44卷第3期文章目次
2022, 44(3):1-9.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.074
摘要:
为探讨自锚式悬索桥在吊索瞬时破断作用下的动力冲击效应，以某在役自锚式悬索桥为背景，基于刚度相似理论建立1：80的缩尺试验模型，进行不同区段内吊索的断索动力冲击效应模型试验。试验结果表明：不同区段吊索破断引起的冲击效应不同；断索会引起与破断吊索同侧同跨的相邻吊索区域内的动态内力重分布且动力冲击效应明显；与瞬断吊索紧邻的两根吊索中，较长吊索的动力冲击系数（DIF）和动力放大系数（DAF）均较大，其动力冲击效应和冲击作用敏感性更高；瞬断工况下的吊索拉力动态响应峰值较断索前普遍达到2倍以上，吊索的安全储备明显较低。相邻吊索在断索作用下的动力冲击效应显著，若相邻吊索存在腐蚀等缺陷，极易导致桥梁连续性断索，严重影响桥梁安全。
为探讨自锚式悬索桥在吊索瞬时破断作用下的动力冲击效应，以某在役自锚式悬索桥为背景，基于刚度相似理论建立1：80的缩尺试验模型，进行不同区段内吊索的断索动力冲击效应模型试验。试验结果表明：不同区段吊索破断引起的冲击效应不同；断索会引起与破断吊索同侧同跨的相邻吊索区域内的动态内力重分布且动力冲击效应明显；与瞬断吊索紧邻的两根吊索中，较长吊索的动力冲击系数（DIF）和动力放大系数（DAF）均较大，其动力冲击效应和冲击作用敏感性更高；瞬断工况下的吊索拉力动态响应峰值较断索前普遍达到2倍以上，吊索的安全储备明显较低。相邻吊索在断索作用下的动力冲击效应显著，若相邻吊索存在腐蚀等缺陷，极易导致桥梁连续性断索，严重影响桥梁安全。
2022, 44(3):10-19.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.144
摘要:
为了预测冬季易结冰区斜拉索覆冰的增长，运用灰色关联分析方法分析斜拉索倾角、温度、湿度、风速、降雨量及气压对斜拉索覆冰厚度的关联影响，明确各影响因素的相关性大小，剔除弱相关性因素；联合遗传算法（GA）和鲸鱼算法（WOA）选择最优光滑因子，提出一种WOA-GA算法优化广义回归神经网络（GRNN）的斜拉索覆冰厚度预测方法。其特点是：以输出值与实际值均方差作为适应度函数，计算每个粒子的适应度值；将GA算法的交叉和变异算子引入WOA算法，同时借助权重更新策略，提升全局寻优的能力，避免WOA算法陷入局部最优解；最后，经过迭代寻优，输出最小适应度值对应的光滑因子，构建GRNN预测模型。结果表明：环境温度相关性最高，其次是倾角、降水量、风速、相对湿度，气压关联度最小，呈弱相关性；相比于传统的GRNN、WOA-GRNN、PSO-GA-GRNN模型，联合鲸鱼算法和遗传算法优化的GRNN覆冰预测模型精度较高，其平均绝对误差百分比仅为3.58%，均方根误差为0.58 mm；采用敏感性分析法评价影响因素对模型精度的影响，发现温度对模型影响程度最大，其次是拉索倾角。
为了预测冬季易结冰区斜拉索覆冰的增长，运用灰色关联分析方法分析斜拉索倾角、温度、湿度、风速、降雨量及气压对斜拉索覆冰厚度的关联影响，明确各影响因素的相关性大小，剔除弱相关性因素；联合遗传算法（GA）和鲸鱼算法（WOA）选择最优光滑因子，提出一种WOA-GA算法优化广义回归神经网络（GRNN）的斜拉索覆冰厚度预测方法。其特点是：以输出值与实际值均方差作为适应度函数，计算每个粒子的适应度值；将GA算法的交叉和变异算子引入WOA算法，同时借助权重更新策略，提升全局寻优的能力，避免WOA算法陷入局部最优解；最后，经过迭代寻优，输出最小适应度值对应的光滑因子，构建GRNN预测模型。结果表明：环境温度相关性最高，其次是倾角、降水量、风速、相对湿度，气压关联度最小，呈弱相关性；相比于传统的GRNN、WOA-GRNN、PSO-GA-GRNN模型，联合鲸鱼算法和遗传算法优化的GRNN覆冰预测模型精度较高，其平均绝对误差百分比仅为3.58%，均方根误差为0.58 mm；采用敏感性分析法评价影响因素对模型精度的影响，发现温度对模型影响程度最大，其次是拉索倾角。
2022, 44(3):20-28.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.150
摘要:
随着摄像测量技术在土木工程结构健康监测领域的应用逐渐增多，摄像测量技术的长期全天候工作性能受到越来越多的关注。为探究摄像测量技术的主要误差源，提出一种基于盲源分离（Blind Source Separation，BSS）的误差源分析新方法：为了构建多通道信号作为盲源分离模型的输入信号，采用集合经验模态分解法（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）拓展观测信号通道；采用快速独立分量分析算法（Fast Independent Component Analysis，FastICA）对输入信号进行盲分离，得到FastICA分量；分析各分量与温度、光照等环境因素的相关性，探究主分量对应的误差源；利用分离算法所得的混合矩阵逆变换，计算各误差源分量的占比，确定摄像测量的主误差源。进行长期摄像测量误差源探究试验，通过盲源分离算法分析长期摄像测量误差数据，结果表明，该算法具有良好的分离效果，可有效分离提取各误差源所致位移误差分量，在长期摄像测量中，温度为主要误差源。
随着摄像测量技术在土木工程结构健康监测领域的应用逐渐增多，摄像测量技术的长期全天候工作性能受到越来越多的关注。为探究摄像测量技术的主要误差源，提出一种基于盲源分离（Blind Source Separation，BSS）的误差源分析新方法：为了构建多通道信号作为盲源分离模型的输入信号，采用集合经验模态分解法（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）拓展观测信号通道；采用快速独立分量分析算法（Fast Independent Component Analysis，FastICA）对输入信号进行盲分离，得到FastICA分量；分析各分量与温度、光照等环境因素的相关性，探究主分量对应的误差源；利用分离算法所得的混合矩阵逆变换，计算各误差源分量的占比，确定摄像测量的主误差源。进行长期摄像测量误差源探究试验，通过盲源分离算法分析长期摄像测量误差数据，结果表明，该算法具有良好的分离效果，可有效分离提取各误差源所致位移误差分量，在长期摄像测量中，温度为主要误差源。
2022, 44(3):29-36.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.147
摘要:
基于图像分析的裂缝自动检测识别一直是桥梁结构健康检测的热点问题之一。深度学习作为裂缝检测的重要解决方法，需要大量数据支持。公开数据集提供的小尺寸裂缝图像不足以解决超大尺寸细长裂缝图像的检测问题。提出一个基于特征金字塔深度学习网络的超大尺寸图像中细长裂缝的检测方法。通过对编码器提取的4个不同层次的特征图分别进行预测，网络能够实现对细小裂缝的高精度分割。试验使用120张大小为3 264×4 928像素的桥钢箱梁表面裂缝图像对特征金字塔网络进行训练、测试；并将获得的训练模型与通过双线性插值方法缩放图像至1 600×2 400像素和2 112×3 168像素两种规格生成的数据集训练后的模型进行对比。结果表明：该方法在对比测试中能够获得最高的裂缝检测交并比（IoU）为0.78，最低的Dice Loss为0.12。测试中，裂缝检测图像显示，缩放图像会导致部分裂缝信息的丢失，该方法能稳定地保留裂缝信息，并实现复杂背景下超大尺寸图像中细长裂缝的高精度自动检测。
基于图像分析的裂缝自动检测识别一直是桥梁结构健康检测的热点问题之一。深度学习作为裂缝检测的重要解决方法，需要大量数据支持。公开数据集提供的小尺寸裂缝图像不足以解决超大尺寸细长裂缝图像的检测问题。提出一个基于特征金字塔深度学习网络的超大尺寸图像中细长裂缝的检测方法。通过对编码器提取的4个不同层次的特征图分别进行预测，网络能够实现对细小裂缝的高精度分割。试验使用120张大小为3 264×4 928像素的桥钢箱梁表面裂缝图像对特征金字塔网络进行训练、测试；并将获得的训练模型与通过双线性插值方法缩放图像至1 600×2 400像素和2 112×3 168像素两种规格生成的数据集训练后的模型进行对比。结果表明：该方法在对比测试中能够获得最高的裂缝检测交并比（IoU）为0.78，最低的Dice Loss为0.12。测试中，裂缝检测图像显示，缩放图像会导致部分裂缝信息的丢失，该方法能稳定地保留裂缝信息，并实现复杂背景下超大尺寸图像中细长裂缝的高精度自动检测。
2022, 44(3):37-43.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.146
摘要:
桥梁变形是桥梁状态评估的重要指标，在测量桥梁位移时，直接测量方法如LVDT、RTK-GPS、LDV等在实际应用中有很多局限性。由于从所测得的动应变中获得实时的位移模态和应变模态较为困难，而且大多数应变测量的采样频率较低，基于应变的间接桥梁变形重构方法在应用中仍存在一定的不足。提出一种基于长短时记忆（LSTM）神经网络重构桥梁变形的方法，该网络融合应变和加速度数据在训练后可以用作测量数据实时重构桥梁的变形。在应变模态、位移模态以及桥梁中性轴未知的情况下，该方法可以准确地重构变形。通过数值模拟和试验验证了重构结果的准确性，结果表明，基于LSTM的数据融合方法在不同条件下都可以实现高精度的桥梁变形重构。
桥梁变形是桥梁状态评估的重要指标，在测量桥梁位移时，直接测量方法如LVDT、RTK-GPS、LDV等在实际应用中有很多局限性。由于从所测得的动应变中获得实时的位移模态和应变模态较为困难，而且大多数应变测量的采样频率较低，基于应变的间接桥梁变形重构方法在应用中仍存在一定的不足。提出一种基于长短时记忆（LSTM）神经网络重构桥梁变形的方法，该网络融合应变和加速度数据在训练后可以用作测量数据实时重构桥梁的变形。在应变模态、位移模态以及桥梁中性轴未知的情况下，该方法可以准确地重构变形。通过数值模拟和试验验证了重构结果的准确性，结果表明，基于LSTM的数据融合方法在不同条件下都可以实现高精度的桥梁变形重构。
2022, 44(3):44-53.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.135
摘要:
相比中远场地震，近场地震含有高能速度脉冲，会激发结构显著的位移响应。为研究该速度脉冲对高速铁路简支梁桥车桥系统动力响应的影响，采用三角函数法模拟速度脉冲，并与无脉冲的远场地震叠加，合成不同脉冲类型、脉冲周期和脉冲幅值的脉冲型近场地震动，以跨径32 m的典型高速铁路简支梁桥为例，采用自编的车—轨—桥—地震分析程序TTBSAS进行仿真计算，详细探讨脉冲参数对车桥系统动力响应的影响。结果表明：近场地震速度脉冲会显著增大高速铁路简支梁桥车桥系统的动力响应，在近场区域的车桥耦合振动分析中，不能忽略速度脉冲的影响；脉冲类型、脉冲周期和脉冲幅值对简支梁桥位移的影响远大于桥梁加速度和桥上列车的行车安全性指标，在选取速度脉冲参数时可不考虑桥上列车的影响；在本文计算条件下，双半波脉冲和三半波脉冲近场地震作用下桥梁的动力响应幅值明显大于单半波脉冲，且当脉冲周期为2.0 s时车桥系统的动力响应最大。
相比中远场地震，近场地震含有高能速度脉冲，会激发结构显著的位移响应。为研究该速度脉冲对高速铁路简支梁桥车桥系统动力响应的影响，采用三角函数法模拟速度脉冲，并与无脉冲的远场地震叠加，合成不同脉冲类型、脉冲周期和脉冲幅值的脉冲型近场地震动，以跨径32 m的典型高速铁路简支梁桥为例，采用自编的车—轨—桥—地震分析程序TTBSAS进行仿真计算，详细探讨脉冲参数对车桥系统动力响应的影响。结果表明：近场地震速度脉冲会显著增大高速铁路简支梁桥车桥系统的动力响应，在近场区域的车桥耦合振动分析中，不能忽略速度脉冲的影响；脉冲类型、脉冲周期和脉冲幅值对简支梁桥位移的影响远大于桥梁加速度和桥上列车的行车安全性指标，在选取速度脉冲参数时可不考虑桥上列车的影响；在本文计算条件下，双半波脉冲和三半波脉冲近场地震作用下桥梁的动力响应幅值明显大于单半波脉冲，且当脉冲周期为2.0 s时车桥系统的动力响应最大。
2022, 44(3):54-61.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.182
摘要:
为研究残余应力对焊接结构疲劳性能的影响，基于热力耦合计算方法建立了热弹塑性有限元模型，模拟T型节点焊接全过程及焊后热处理的温度场与应力场。基于扩展有限元法建立T型焊接节点断裂力学数值模型，将焊接应力场作为初始条件引入模型并分析其对疲劳裂纹动态扩展行为的影响。结果表明，未考虑残余应力时，焊接节点疲劳裂纹向焊缝两端均匀发展，裂纹扩展形式与试验结果不符；焊后热处理可以显著降低焊接产生的高拉伸应力和压缩应力，但对疲劳寿命的增幅较小，仅为6.1%；考虑残余应力后疲劳裂纹扩展路径与试验更为接近，焊接结构有限元模拟应考虑焊接残余应力对疲劳裂纹扩展路径的影响。
为研究残余应力对焊接结构疲劳性能的影响，基于热力耦合计算方法建立了热弹塑性有限元模型，模拟T型节点焊接全过程及焊后热处理的温度场与应力场。基于扩展有限元法建立T型焊接节点断裂力学数值模型，将焊接应力场作为初始条件引入模型并分析其对疲劳裂纹动态扩展行为的影响。结果表明，未考虑残余应力时，焊接节点疲劳裂纹向焊缝两端均匀发展，裂纹扩展形式与试验结果不符；焊后热处理可以显著降低焊接产生的高拉伸应力和压缩应力，但对疲劳寿命的增幅较小，仅为6.1%；考虑残余应力后疲劳裂纹扩展路径与试验更为接近，焊接结构有限元模拟应考虑焊接残余应力对疲劳裂纹扩展路径的影响。
2022, 44(3):62-70.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.052
摘要:
双面焊有望改善顶板—纵肋焊接构造细节的疲劳抗力，而初始焊接缺陷是影响该类构造细节疲劳性能的关键因素。基于断裂力学理论，采用FRANC3D-ABAQUS交互技术建立了含初始裂纹的钢桥面板多尺度有限元模型，研究顶板—纵肋连接焊缝疲劳裂纹应力强度因子。分析了焊缝熔透率、顶板厚度、初始裂纹形状比等对双面焊缝疲劳裂纹应力强度因子的影响规律。结果表明：钢桥面板—纵肋连接焊缝细节处疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型疲劳裂纹；双面焊缝顶板焊根处疲劳裂纹应力强度因子最大值比单面焊缝小64.3%，改善了顶板—纵肋焊缝的疲劳性能；焊缝熔透率对顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子影响较小；加厚顶板显著降低了顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子；随着初始裂纹形状比增大，裂纹应力强度因子减小。
双面焊有望改善顶板—纵肋焊接构造细节的疲劳抗力，而初始焊接缺陷是影响该类构造细节疲劳性能的关键因素。基于断裂力学理论，采用FRANC3D-ABAQUS交互技术建立了含初始裂纹的钢桥面板多尺度有限元模型，研究顶板—纵肋连接焊缝疲劳裂纹应力强度因子。分析了焊缝熔透率、顶板厚度、初始裂纹形状比等对双面焊缝疲劳裂纹应力强度因子的影响规律。结果表明：钢桥面板—纵肋连接焊缝细节处疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型疲劳裂纹；双面焊缝顶板焊根处疲劳裂纹应力强度因子最大值比单面焊缝小64.3%，改善了顶板—纵肋焊缝的疲劳性能；焊缝熔透率对顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子影响较小；加厚顶板显著降低了顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子；随着初始裂纹形状比增大，裂纹应力强度因子减小。
2022, 44(3):71-78.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.140
摘要:
针对桥梁状态评估过程中数据量大、分析困难的问题，根据某斜拉桥的监测数据，采用五度指标评估方法对其上部结构各部件进行分析，提出一种基于权重系数的综合评价指标，用于评估斜拉桥上部结构的整体安全状态。针对现存桥梁评估方法中计算复杂的问题，提出3A指标，包括幅值偏移量、异常度和均值波动。相对于五度指标，新指标的计算更便捷，更方便工程人员进行现场评估。最后，用3A指标对斜拉桥进行评估，并将评估结果与五度指标进行比较分析，发现3A指标的评估结果与五度指标基本一致。
针对桥梁状态评估过程中数据量大、分析困难的问题，根据某斜拉桥的监测数据，采用五度指标评估方法对其上部结构各部件进行分析，提出一种基于权重系数的综合评价指标，用于评估斜拉桥上部结构的整体安全状态。针对现存桥梁评估方法中计算复杂的问题，提出3A指标，包括幅值偏移量、异常度和均值波动。相对于五度指标，新指标的计算更便捷，更方便工程人员进行现场评估。最后，用3A指标对斜拉桥进行评估，并将评估结果与五度指标进行比较分析，发现3A指标的评估结果与五度指标基本一致。
2022, 44(3):79-85.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.108
摘要:
高速铁路设计时速快，变形控制要求高。由于结构的受力特点和混凝土材料的特性，混凝土拱桥在运营过程中会出现下挠变形，直接影响轨道线形和行车安全。为保障沪昆客运专线北盘江大桥的行车安全性和舒适性，通过对其建立自动化变形观测系统，分析其变形和温度数据的变化规律，结合拟合分析方法，确定温度和变形的影响系数，研究实测数据中徐变和温度效应的提取方法。结果表明：与同期人工观测数据相比，本系统的观测精度和有效性满足要求；桥面线形受温度变化影响较敏感，在低温时，不均匀沉降差值大，桥面线形相对不平顺，随着温度升高，沉降差值减小，桥面线形逐渐趋于平顺；通过建立的拟合计算徐变分析方法得到其相对徐变变形，与规范理论值相差约6%，满足工程要求。
高速铁路设计时速快，变形控制要求高。由于结构的受力特点和混凝土材料的特性，混凝土拱桥在运营过程中会出现下挠变形，直接影响轨道线形和行车安全。为保障沪昆客运专线北盘江大桥的行车安全性和舒适性，通过对其建立自动化变形观测系统，分析其变形和温度数据的变化规律，结合拟合分析方法，确定温度和变形的影响系数，研究实测数据中徐变和温度效应的提取方法。结果表明：与同期人工观测数据相比，本系统的观测精度和有效性满足要求；桥面线形受温度变化影响较敏感，在低温时，不均匀沉降差值大，桥面线形相对不平顺，随着温度升高，沉降差值减小，桥面线形逐渐趋于平顺；通过建立的拟合计算徐变分析方法得到其相对徐变变形，与规范理论值相差约6%，满足工程要求。
2022, 44(3):86-103.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.155
摘要:
在环境功能质量提升和碳达峰、碳中和背景下，膜法污水处理发展面临高标准和绿色低耗处理的双重挑战。如何突破现有膜技术水通量与污染物去除效率瓶颈，降低膜技术/工艺能耗与碳排放，支撑膜法污水处理技术未来可持续发展，是亟需关注和思考的问题。近年来，膜法污水处理在膜分离过程原理、抗污染膜材料制备、膜工艺创新及工程应用等方面取得了长足进步，并逐步向材料设计精准化、膜界面功能化、工艺绿色化的方向发展。围绕高性能膜材料制备、膜技术/工艺的功能拓展、膜的可持续利用以及膜工艺绿色低耗发展等4个方面综述了相关研究进展，并对膜法污水处理技术可持续发展进行了总结和展望。在未来多目标需求背景下，膜法污水处理技术应向多功能拓展、选择性分离、定制化分离与绿色化发展等方向迈进，以实现膜法污水处理技术的可持续发展。
在环境功能质量提升和碳达峰、碳中和背景下，膜法污水处理发展面临高标准和绿色低耗处理的双重挑战。如何突破现有膜技术水通量与污染物去除效率瓶颈，降低膜技术/工艺能耗与碳排放，支撑膜法污水处理技术未来可持续发展，是亟需关注和思考的问题。近年来，膜法污水处理在膜分离过程原理、抗污染膜材料制备、膜工艺创新及工程应用等方面取得了长足进步，并逐步向材料设计精准化、膜界面功能化、工艺绿色化的方向发展。围绕高性能膜材料制备、膜技术/工艺的功能拓展、膜的可持续利用以及膜工艺绿色低耗发展等4个方面综述了相关研究进展，并对膜法污水处理技术可持续发展进行了总结和展望。在未来多目标需求背景下，膜法污水处理技术应向多功能拓展、选择性分离、定制化分离与绿色化发展等方向迈进，以实现膜法污水处理技术的可持续发展。
2022, 44(3):104-118.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.160
摘要:
电化学氧化技术作为一类最常见的电化学水处理技术，能够有效解决某些常规净水技术不能或不易解决的水处理难题，在实现污染物超低排放要求的水处理上具有独特优势，丰富了绿色催化氧化体系，对构建“碳中和”水处理技术模式具有重要科学意义。近十余年来，电氧化水处理与资源化技术受到了越来越多的关注，大量研究着眼于功能性电极材料的开发、改性和高效反应器的设计，强化水中污染物的去除，并进一步回收废水中的资源与能源，推动了电氧化水处理技术的进步。系统梳理电氧化水处理技术的原理与研究进展，对电氧化水处理技术发展进行总结与展望。
电化学氧化技术作为一类最常见的电化学水处理技术，能够有效解决某些常规净水技术不能或不易解决的水处理难题，在实现污染物超低排放要求的水处理上具有独特优势，丰富了绿色催化氧化体系，对构建“碳中和”水处理技术模式具有重要科学意义。近十余年来，电氧化水处理与资源化技术受到了越来越多的关注，大量研究着眼于功能性电极材料的开发、改性和高效反应器的设计，强化水中污染物的去除，并进一步回收废水中的资源与能源，推动了电氧化水处理技术的进步。系统梳理电氧化水处理技术的原理与研究进展，对电氧化水处理技术发展进行总结与展望。
2022, 44(3):119-125.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.158
摘要:
有色溶解性有机质（CDOM）是水体中天然有机质的重要组成成分，它的过量输入会造成湖泊、水库等水体的富营养化，甚至直接污染饮用水。植物修复技术具有经济有效、绿色环保等特点，适用于环境中CDOM面源污染的控制与治理以及污水处理厂尾水中CDOM的深度净化。研究植物净化过程中CDOM的脱色原理及环境行为，对水环境保护和饮用水安全具有十分重要的意义。通过CDOM在植物根际中的脱色、分布和组成分析，探究植物对CDOM的脱色性能以及CDOM在根际环境的分布特征和组成成分；结合植物根系分泌物和酶提取液的脱色实验，考察根系分泌物和植物酶对CDOM脱色反应的影响机制。结果表明：CDOM难以自然水解，其有效脱色依赖于植物的存在；植物对CDOM的作用方式以根系吸收为主、根表吸附为辅，形成了大部分CDOM以低分子形态累积在植物体内（92.2%）、少部分CDOM以高分子形态附着在植物表面（7.7%）的分布特征；植物根系分泌物虽然不能直接影响CDOM的脱色过程，但可以通过改善根际微环境、促进微生物生长、富集相关降解菌种、改变CDOM生物可利用性等方式来强化根际微生物对根表附着的高分子CDOM的碳源利用能力；经生物降解生成的低分子CDOM通过根系吸收进入植物体内，并在植物酶的作用下进一步代谢分解，从而达到植物净化CDOM的目的。
有色溶解性有机质（CDOM）是水体中天然有机质的重要组成成分，它的过量输入会造成湖泊、水库等水体的富营养化，甚至直接污染饮用水。植物修复技术具有经济有效、绿色环保等特点，适用于环境中CDOM面源污染的控制与治理以及污水处理厂尾水中CDOM的深度净化。研究植物净化过程中CDOM的脱色原理及环境行为，对水环境保护和饮用水安全具有十分重要的意义。通过CDOM在植物根际中的脱色、分布和组成分析，探究植物对CDOM的脱色性能以及CDOM在根际环境的分布特征和组成成分；结合植物根系分泌物和酶提取液的脱色实验，考察根系分泌物和植物酶对CDOM脱色反应的影响机制。结果表明：CDOM难以自然水解，其有效脱色依赖于植物的存在；植物对CDOM的作用方式以根系吸收为主、根表吸附为辅，形成了大部分CDOM以低分子形态累积在植物体内（92.2%）、少部分CDOM以高分子形态附着在植物表面（7.7%）的分布特征；植物根系分泌物虽然不能直接影响CDOM的脱色过程，但可以通过改善根际微环境、促进微生物生长、富集相关降解菌种、改变CDOM生物可利用性等方式来强化根际微生物对根表附着的高分子CDOM的碳源利用能力；经生物降解生成的低分子CDOM通过根系吸收进入植物体内，并在植物酶的作用下进一步代谢分解，从而达到植物净化CDOM的目的。
2022, 44(3):126-132.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.123
摘要:
利用NF-HF和NF-HS纳滤膜对煤化工废水二级反渗透浓水进行处理，重点考察其对Cl-与SO42-的分离效果、结垢离子的截留率以及膜抗污染性能，并采用STRO （卷式高压反渗透膜）对纳滤产水进行浓缩处理。实验结果表明，与NF-HS相比，NF-HF具有更优的Cl-/SO42-分离效果及钙、镁、硅离子截留效果和抗污染性能；NF-HF对Cl-截留率为3.38%~6.03%，对SO42-的截留率为91.18%~97.16%；对钙、镁、硅离子的最大截留率分别为90%、80%和40%；连续运行336 h，NF-HF的运行压力从初始的3.2 MPa升高至4.5 MPa，膜通量降低11%；经碱洗后恢复初始膜通量；STRO浓缩处理NF-HF透过液时表现出良好的浓缩效果和脱除COD效果，但其耐污染性能较差。NF-HF+DTRO （碟式高压反渗透）组合工艺使煤化工废水膜浓缩液进一步分离浓缩具备良好的可行性。
利用NF-HF和NF-HS纳滤膜对煤化工废水二级反渗透浓水进行处理，重点考察其对Cl-与SO42-的分离效果、结垢离子的截留率以及膜抗污染性能，并采用STRO （卷式高压反渗透膜）对纳滤产水进行浓缩处理。实验结果表明，与NF-HS相比，NF-HF具有更优的Cl-/SO42-分离效果及钙、镁、硅离子截留效果和抗污染性能；NF-HF对Cl-截留率为3.38%~6.03%，对SO42-的截留率为91.18%~97.16%；对钙、镁、硅离子的最大截留率分别为90%、80%和40%；连续运行336 h，NF-HF的运行压力从初始的3.2 MPa升高至4.5 MPa，膜通量降低11%；经碱洗后恢复初始膜通量；STRO浓缩处理NF-HF透过液时表现出良好的浓缩效果和脱除COD效果，但其耐污染性能较差。NF-HF+DTRO （碟式高压反渗透）组合工艺使煤化工废水膜浓缩液进一步分离浓缩具备良好的可行性。
2022, 44(3):133-140.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.126
摘要:
为去除水中典型难降解污染物卡马西平（CBZ），构建了真空紫外/氯高级氧化体系，考察基于真空紫外或自由氯的不同氧化体系中CBZ去除效能的差异；探究pH值、自由氯投加量、水中重碳酸盐、腐殖酸对真空紫外/氯体系去除CBZ效果的影响及自由氯在该体系中的衰减情况；通过自由基淬灭试验，进一步探究在真空紫外/氯体系中氧化CBZ的主要活性物质。结果表明：在pH值为6，氯投加量为8 mg/L，CBZ初始浓度为30 μmol/L时，真空紫外/氯体系中反应16 min后CBZ去除率超过99.5%；在相同条件下，真空紫外/氯体系去除CBZ的速率常数是真空紫外体系、UV/氯体系的1.75、5.30倍，真空紫外和自由氯具有协同去除CBZ的作用；在酸性条件下，CBZ的去除效果较好，最佳反应pH值为6；自由氯投加量是影响CBZ降解速率的重要因素，最佳自由氯投加量为8 mg/L；而水中重碳酸盐和天然有机物对CBZ的去除均呈现抑制作用；真空紫外/氯体系降解CBZ的过程中，自由氯消耗主要为紫外光激发消耗，而与CBZ及降解产物反应较为微弱，该体系存在HO·和Cl·的氧化作用及直接光解作用。
为去除水中典型难降解污染物卡马西平（CBZ），构建了真空紫外/氯高级氧化体系，考察基于真空紫外或自由氯的不同氧化体系中CBZ去除效能的差异；探究pH值、自由氯投加量、水中重碳酸盐、腐殖酸对真空紫外/氯体系去除CBZ效果的影响及自由氯在该体系中的衰减情况；通过自由基淬灭试验，进一步探究在真空紫外/氯体系中氧化CBZ的主要活性物质。结果表明：在pH值为6，氯投加量为8 mg/L，CBZ初始浓度为30 μmol/L时，真空紫外/氯体系中反应16 min后CBZ去除率超过99.5%；在相同条件下，真空紫外/氯体系去除CBZ的速率常数是真空紫外体系、UV/氯体系的1.75、5.30倍，真空紫外和自由氯具有协同去除CBZ的作用；在酸性条件下，CBZ的去除效果较好，最佳反应pH值为6；自由氯投加量是影响CBZ降解速率的重要因素，最佳自由氯投加量为8 mg/L；而水中重碳酸盐和天然有机物对CBZ的去除均呈现抑制作用；真空紫外/氯体系降解CBZ的过程中，自由氯消耗主要为紫外光激发消耗，而与CBZ及降解产物反应较为微弱，该体系存在HO·和Cl·的氧化作用及直接光解作用。
2022, 44(3):141-149.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.068
摘要:
煤矸石作为吸附剂在废水处理领域广泛应用，但天然煤矸石内部含有大量结晶水和黏土矿物杂质，直接利用天然煤矸石处理废水存在效率低、时间长、投加量大等问题。采用ZnCl2对天然煤矸石进行改性，减少了煤矸石内部的结晶水和黏土矿物杂质，增加了煤矸石的比表面积，提高了处理效率，降低了处理成本。通过不同条件下的改性试验得到改性煤矸石，与原煤矸石相比，其结构和化学成分均发生改变，ZnO代替SiO2成为锌改性煤矸石的主要化学组成，Zn2+负载聚集在煤矸石表面，增加了煤矸石的比表面积，改变了煤矸石内部结构，提高了煤矸石作为吸附剂处理含磷废水的能力。通过锌改性煤矸石吸附处理50 mg/L含磷模拟废水，得到最佳吸附条件为：锌改性煤矸石投加量为1 g/L、pH值为5、温度为30℃。此外，Ca2+和Mg2+能够促进锌改性煤矸石对磷酸盐的吸附效果。
煤矸石作为吸附剂在废水处理领域广泛应用，但天然煤矸石内部含有大量结晶水和黏土矿物杂质，直接利用天然煤矸石处理废水存在效率低、时间长、投加量大等问题。采用ZnCl2对天然煤矸石进行改性，减少了煤矸石内部的结晶水和黏土矿物杂质，增加了煤矸石的比表面积，提高了处理效率，降低了处理成本。通过不同条件下的改性试验得到改性煤矸石，与原煤矸石相比，其结构和化学成分均发生改变，ZnO代替SiO2成为锌改性煤矸石的主要化学组成，Zn2+负载聚集在煤矸石表面，增加了煤矸石的比表面积，改变了煤矸石内部结构，提高了煤矸石作为吸附剂处理含磷废水的能力。通过锌改性煤矸石吸附处理50 mg/L含磷模拟废水，得到最佳吸附条件为：锌改性煤矸石投加量为1 g/L、pH值为5、温度为30℃。此外，Ca2+和Mg2+能够促进锌改性煤矸石对磷酸盐的吸附效果。
2022, 44(3):150-159.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.125
摘要:
针对传统的填充床硫自养反硝化工艺填料用量大、水头损失严重以及反应器易堵塞等问题，采用硫涂层接触反硝化工艺进行模拟污水脱氮研究，主要考察反应器内部的填料填充比、温度以及水力停留时间（HRT）对其脱氮性能的影响。结果表明：在进水NO3--N浓度为50 mg/L、温度为（25±1）℃、HRT=19.5 h时，将填料填充比由1/10增大到1/5，NO3--N的去除效果明显提升，由56.77%提升至78.26%；温度变化对反应器脱氮有很大影响，当填料填充比为1/5、HRT=19.5 h时，在（25±1）℃和（30±1）℃条件下，NO3--N的平均去除率分别为71.05%和98.38%；此外，当HRT降低至9.7 h时，NO3--N的平均去除率为89.29%。整个反应过程中，出水NO2--N浓度均很低，保持在0.4 mg/L以内，并且反应器出水pH值保持在6.8~8.3之间，满足微生物生长所需的pH条件。硫涂层接触反硝化系统的硫自养反硝化优势菌属是Thiothrixs、Thiomonas和Sulfuritalea，其占比分别为2.89%、1.55%和1.35%。微生物功能预测结果表明，硫、氮代谢对系统脱氮起着关键作用。
针对传统的填充床硫自养反硝化工艺填料用量大、水头损失严重以及反应器易堵塞等问题，采用硫涂层接触反硝化工艺进行模拟污水脱氮研究，主要考察反应器内部的填料填充比、温度以及水力停留时间（HRT）对其脱氮性能的影响。结果表明：在进水NO3--N浓度为50 mg/L、温度为（25±1）℃、HRT=19.5 h时，将填料填充比由1/10增大到1/5，NO3--N的去除效果明显提升，由56.77%提升至78.26%；温度变化对反应器脱氮有很大影响，当填料填充比为1/5、HRT=19.5 h时，在（25±1）℃和（30±1）℃条件下，NO3--N的平均去除率分别为71.05%和98.38%；此外，当HRT降低至9.7 h时，NO3--N的平均去除率为89.29%。整个反应过程中，出水NO2--N浓度均很低，保持在0.4 mg/L以内，并且反应器出水pH值保持在6.8~8.3之间，满足微生物生长所需的pH条件。硫涂层接触反硝化系统的硫自养反硝化优势菌属是Thiothrixs、Thiomonas和Sulfuritalea，其占比分别为2.89%、1.55%和1.35%。微生物功能预测结果表明，硫、氮代谢对系统脱氮起着关键作用。
2022, 44(3):160-167.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.151
摘要:
垃圾填埋场中重金属污染问题严峻，亟待高效的修复技术予以处理。近年来，MICP技术修复重金属污染土体/水体的潜力被广泛探究。在众多土著微生物中，巴氏芽孢杆菌脲酶活性和重金属耐受性更佳，但少有研究探究巴氏芽孢杆菌对高浓度重金属的固定/去除潜力，且仅利用MICP理论难以解释巴氏芽孢杆菌对不同重金属的固定/去除机理，此外，常见生物修复工艺的效率有待进一步提高。为避免填埋场中腐殖土和渗滤液物化特性的影响，以重金属污染溶液为研究对象，采用简单拌和法开展生物修复试验；基于MICP和化学平衡理论，利用Visual MINTEQ软件对生物修复重金属污染溶液的过程进行简化模拟。结果表明：高浓度范围内，巴氏芽孢杆菌可通过生物矿化和生物富集作用有效去除溶液中的Cd、Cr （Ⅲ）和Zn等重金属；此外，简单拌和法操作简便，生物修复效率高，具有工程应用的潜力。
垃圾填埋场中重金属污染问题严峻，亟待高效的修复技术予以处理。近年来，MICP技术修复重金属污染土体/水体的潜力被广泛探究。在众多土著微生物中，巴氏芽孢杆菌脲酶活性和重金属耐受性更佳，但少有研究探究巴氏芽孢杆菌对高浓度重金属的固定/去除潜力，且仅利用MICP理论难以解释巴氏芽孢杆菌对不同重金属的固定/去除机理，此外，常见生物修复工艺的效率有待进一步提高。为避免填埋场中腐殖土和渗滤液物化特性的影响，以重金属污染溶液为研究对象，采用简单拌和法开展生物修复试验；基于MICP和化学平衡理论，利用Visual MINTEQ软件对生物修复重金属污染溶液的过程进行简化模拟。结果表明：高浓度范围内，巴氏芽孢杆菌可通过生物矿化和生物富集作用有效去除溶液中的Cd、Cr （Ⅲ）和Zn等重金属；此外，简单拌和法操作简便，生物修复效率高，具有工程应用的潜力。
2022, 44(3):168-176.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.024
摘要:
为了全面系统地研究锑矿废渣中重金属的淋溶释放规律，以湖南省冷水江锡矿山锑矿的锑矿废渣为研究对象，通过对锑矿废渣的消解试验与半动态淋溶试验，测定锑矿废渣与淋溶液中重金属的含量，分析锑矿废渣淋溶液中Sb、As、Hg淋溶释放规律。结果表明：锑矿废渣中重金属含量较高，除Pb以外，其余重金属均超《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准》（GB 15618—2018）的风险筛选值（pH≤5.5），重金属含量均超湖南省土壤背景值；锑矿冶炼渣在模拟酸雨淋溶下重金属析出浓度在第2~3天达到峰值，锑矿废石与锑矿尾砂淋溶一天后就达到峰值，锑矿废渣重金属累计析出量均为锑矿冶炼渣>锑矿尾砂>锑矿废石；锑矿废渣重金属的累计淋出量与模拟酸雨累计淋出量之间呈二次函数关系。
为了全面系统地研究锑矿废渣中重金属的淋溶释放规律，以湖南省冷水江锡矿山锑矿的锑矿废渣为研究对象，通过对锑矿废渣的消解试验与半动态淋溶试验，测定锑矿废渣与淋溶液中重金属的含量，分析锑矿废渣淋溶液中Sb、As、Hg淋溶释放规律。结果表明：锑矿废渣中重金属含量较高，除Pb以外，其余重金属均超《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准》（GB 15618—2018）的风险筛选值（pH≤5.5），重金属含量均超湖南省土壤背景值；锑矿冶炼渣在模拟酸雨淋溶下重金属析出浓度在第2~3天达到峰值，锑矿废石与锑矿尾砂淋溶一天后就达到峰值，锑矿废渣重金属累计析出量均为锑矿冶炼渣>锑矿尾砂>锑矿废石；锑矿废渣重金属的累计淋出量与模拟酸雨累计淋出量之间呈二次函数关系。
2022, 44(3):177-185.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2020.165
摘要:
通过不同掺入量和养护龄期下矿渣基改性剂对城市污泥含水率的影响，采用X射线衍射、扫描电镜和热重分析方法表征矿渣基改性材料和干化污泥的水化产物和微观结构，探讨矿渣基改性材料对污泥干化的效果及机理。结果表明：随着矿渣基改性剂掺量的增加和养护龄期的延长，污泥含水率大幅减少；在相同条件下，矿渣基改性剂对污泥的干化效果明显好于生石灰。微观试验表明：改性剂遇水后，矿渣基改性材料中的SiO2和Al2O3会在碱性条件下与污泥中的水发生水化反应，生成水化硅酸钙凝胶和钙矾石晶体，将大量自由水转化为结晶水，降低污泥中的含水率，同时也会填补污泥内部的孔隙，改变原污泥松散团聚的结构体系，使污泥牢固地联结成一个整体，有助于污泥的进一步资源化利用。
通过不同掺入量和养护龄期下矿渣基改性剂对城市污泥含水率的影响，采用X射线衍射、扫描电镜和热重分析方法表征矿渣基改性材料和干化污泥的水化产物和微观结构，探讨矿渣基改性材料对污泥干化的效果及机理。结果表明：随着矿渣基改性剂掺量的增加和养护龄期的延长，污泥含水率大幅减少；在相同条件下，矿渣基改性剂对污泥的干化效果明显好于生石灰。微观试验表明：改性剂遇水后，矿渣基改性材料中的SiO2和Al2O3会在碱性条件下与污泥中的水发生水化反应，生成水化硅酸钙凝胶和钙矾石晶体，将大量自由水转化为结晶水，降低污泥中的含水率，同时也会填补污泥内部的孔隙，改变原污泥松散团聚的结构体系，使污泥牢固地联结成一个整体，有助于污泥的进一步资源化利用。
2022, 44(3):186-194.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2020.205
摘要:
针对炼油厂浮渣油泥（简称“浮渣油泥”）含有大量油污、成分复杂且较难处理等问题，采用超声波法对中国石化南京金陵分公司炼油厂产生的浮渣油泥进行预处理试验，通过L16（44）正交试验法分析超声功率、超声温度、超声时间、超声频次对浮渣油泥除油率的影响，利用SPSS 25.0进行误差分析，并运用单因素试验细化正交试验影响因素，通过红外光谱法、扫描电镜、能谱分析等手段表征超声前后油泥物性的变化特征。结果表明：超声波法工艺参数影响的大小顺序为超声功率<超声时间<超声温度<超声频次，当超声功率60 W、超声时间10 min、超声温度60℃、超声频次3次时，其对浮渣油泥中的石油类物质去除率可达31.13%；红外光谱显示，超声处理后，浮渣油泥对应峰发生了明显改变，表现为芳烃、烷烃、烯烃类物质等均有减少，说明其中的石油烃长链被破坏；超声后萃取出的油类物质中烷烃类物质减少，醇类物质增多，可能是烷烃的一个氢基被羟基代替，生成对应的醇，相比烷烃，醇更容易被微生物降解；由扫描电镜可见，经超声波处理后，浮渣油泥颗粒间空隙增加、黏性变小、质地变松散。超声波法对浮渣油泥中油类物质的去除机制是：通过机械效应、空化作用及热效应破坏浮渣油泥中的石油烃长链，降低浮渣油泥颗粒间的黏度，增加颗粒间的空隙率，促使油、泥、水三相分离，使其中的油类物质分解、析出，从而降低浮渣油泥中石油类物质的含量。能谱分析（EDS）表明，超声后的油泥中C、O元素占比未明显减少，说明超声热效应并没有发生明显的气态氧化反应。超声波法预处理浮渣油泥是一种物化方法，不用外加化学药剂，处理方法简单，可作为浮渣油泥微生物法深度处理的预处理手段。
针对炼油厂浮渣油泥（简称“浮渣油泥”）含有大量油污、成分复杂且较难处理等问题，采用超声波法对中国石化南京金陵分公司炼油厂产生的浮渣油泥进行预处理试验，通过L16（44）正交试验法分析超声功率、超声温度、超声时间、超声频次对浮渣油泥除油率的影响，利用SPSS 25.0进行误差分析，并运用单因素试验细化正交试验影响因素，通过红外光谱法、扫描电镜、能谱分析等手段表征超声前后油泥物性的变化特征。结果表明：超声波法工艺参数影响的大小顺序为超声功率<超声时间<超声温度<超声频次，当超声功率60 W、超声时间10 min、超声温度60℃、超声频次3次时，其对浮渣油泥中的石油类物质去除率可达31.13%；红外光谱显示，超声处理后，浮渣油泥对应峰发生了明显改变，表现为芳烃、烷烃、烯烃类物质等均有减少，说明其中的石油烃长链被破坏；超声后萃取出的油类物质中烷烃类物质减少，醇类物质增多，可能是烷烃的一个氢基被羟基代替，生成对应的醇，相比烷烃，醇更容易被微生物降解；由扫描电镜可见，经超声波处理后，浮渣油泥颗粒间空隙增加、黏性变小、质地变松散。超声波法对浮渣油泥中油类物质的去除机制是：通过机械效应、空化作用及热效应破坏浮渣油泥中的石油烃长链，降低浮渣油泥颗粒间的黏度，增加颗粒间的空隙率，促使油、泥、水三相分离，使其中的油类物质分解、析出，从而降低浮渣油泥中石油类物质的含量。能谱分析（EDS）表明，超声后的油泥中C、O元素占比未明显减少，说明超声热效应并没有发生明显的气态氧化反应。超声波法预处理浮渣油泥是一种物化方法，不用外加化学药剂，处理方法简单，可作为浮渣油泥微生物法深度处理的预处理手段。
2022, 44(3):195-202.
DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.157
摘要:
固化/稳定化技术已广泛应用于重金属污染场地修复，而二氧化碳碳化作用会改变水泥固化重金属污染黏性土中污染物的化学溶出行为。以铅污染土为对象，采用酸/碱滴定试验和pH相关溶出试验测得浸出液中铅的浓度与pH值的关系，通过连续提取试验确定铅的5种化学赋存形态，研究碳化作用下水泥固化重金属污染黏性土化学溶出特性的变化以及重金属污染物的溶出与pH值的关系。结果表明：碳化作用下，固化污染土的酸/碱缓冲能力减弱18.5%~72.4%；固化污染土中铅的溶解度与pH值的关系展现了两性物质的行为特征，pH值介于7~11之间时，铅的溶解度相对较小，pH值小于7或大于11时，铅的溶解度较大；固化污染土中铅的化学赋存形态均以铁—锰氧化物结合态为主，碳化作用下，水泥固化土中可交换态和碳酸盐结合态所占比例分别增加4.3%和3.5%，而铁—锰氧化物结合态、有机结合态和残余态所占比例分别减小2.1%、0.9%和4.8%；酸雨和碳化共同作用下水泥固化土中的铅更易溶出。
固化/稳定化技术已广泛应用于重金属污染场地修复，而二氧化碳碳化作用会改变水泥固化重金属污染黏性土中污染物的化学溶出行为。以铅污染土为对象，采用酸/碱滴定试验和pH相关溶出试验测得浸出液中铅的浓度与pH值的关系，通过连续提取试验确定铅的5种化学赋存形态，研究碳化作用下水泥固化重金属污染黏性土化学溶出特性的变化以及重金属污染物的溶出与pH值的关系。结果表明：碳化作用下，固化污染土的酸/碱缓冲能力减弱18.5%~72.4%；固化污染土中铅的溶解度与pH值的关系展现了两性物质的行为特征，pH值介于7~11之间时，铅的溶解度相对较小，pH值小于7或大于11时，铅的溶解度较大；固化污染土中铅的化学赋存形态均以铁—锰氧化物结合态为主，碳化作用下，水泥固化土中可交换态和碳酸盐结合态所占比例分别增加4.3%和3.5%，而铁—锰氧化物结合态、有机结合态和残余态所占比例分别减小2.1%、0.9%和4.8%；酸雨和碳化共同作用下水泥固化土中的铅更易溶出。
