基本信息
- 項目名稱：
- 原位控制水體底泥釋磷的曝氣加藥一體機的設計和制作
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本作品根據物理化學原理，即在氧化條件下，磷易與鈣鹽和鐵鹽生成沉淀而固定，固定層附著在底泥表面，進一步抑制深層底泥中磷的釋放。通過曝氣機實現(xiàn)充氧，形成氧化氛圍；通過加藥機將控磷藥液加到底泥表面，實現(xiàn)界面反應，達到抑制磷釋放的目的；最終將曝氣機、加藥機以及藥罐集成為一體機。本作品能夠在原位就實現(xiàn)底泥控磷的處理，保證了該作品的實用性；且其采用安全無毒的鈣鹽和鐵鹽作為控磷藥劑，價格低廉，便于推廣應用。
- 詳細介紹：
- （1）作品組成（請參照圖structure chart）：曝氣加藥一體機的外部是一不銹鋼框架；內部有4個組成單元，分別是臭氧發(fā)生單元、空氣曝氣單元、加藥泵和藥液儲存罐，附屬結構有吸液管、藥液溢出管路、臭氧逸出管路、空氣逸出管路以及曝氣頭。圖1是本一體機的結構示意圖。參照圖1，原位控制水體底泥磷釋放的曝氣加藥一體機，包括一可移動的框架1，框架1上安裝有空氣曝氣單元3、臭氧發(fā)生單元2、加藥泵4和藥液儲存罐5；臭氧發(fā)生單元2的臭氧逸出管路9與空氣曝氣單元3的空氣逸出管路3都接有曝氣頭6；藥液儲存罐5通過吸液管7連通加藥泵4，加藥泵4連有藥液溢出管路8；臭氧發(fā)生單元2自配流量計、調速旋鈕和開關，空氣曝氣單元3自配調速旋鈕和開關，加藥泵4自配調速旋鈕和開關?？蚣?為不銹鋼架體。藥液儲存罐5為圓柱形中空PVC管。曝氣頭6為不銹鋼構件。臭氧發(fā)生單元2是小流量型臭氧發(fā)生器，空氣曝氣單元3是曝氣泵。 （2）作品原理（請參照圖principle photo）：通過曝氣頭和藥液溢出管路，既可以逸出底泥磷素釋放抑制劑，又可以同時逸出空氣或臭氧等氣體，使曝氣頭始終處于較強的氧化環(huán)境，便于底泥磷素釋放抑制劑與底泥表層或者底泥－上覆水界面中的活性磷快速反應，從而達到抑制底泥中磷釋放的目的。 （3）使用方法（請參照圖structure chart）：富營養(yǎng)化水體底泥磷素釋放控制原位治理實施過程中，首先將該曝氣加藥一體機移動到需要實施治理的區(qū)域，根據水深，將曝氣頭6沉至底泥表層，然后把專用的底泥磷素釋放抑制劑加入到藥液儲存罐5中，開啟加藥泵4，再開啟臭氧發(fā)生單元2和空氣曝氣單元3，根據需要調節(jié)藥液流量和氣體流量，反應一段時間后，再將復合曝氣頭6移動至其它需要治理的地方。只要保證足夠的底泥磷釋放抑制專用藥液供應，可以實現(xiàn)該曝氣加藥一體機的連續(xù)工作。 （4）試驗結果：只要有合適曝氣-底泥抑制劑組合，只需簡單的操作即可實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體底泥磷釋放有效控制。多次試驗證明該曝氣加藥一體機設計合理，運行穩(wěn)定，對底泥磷釋放控制具有明顯效果。 （5）作品的適應范圍及推廣前景：本作品原位控制水體底泥釋磷的曝氣加藥一體機適用于各種富營養(yǎng)化水體底泥磷素釋放的原位控制，能夠實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體底泥磷素釋放有效抑制，只需將本曝氣加藥一體機移動到需要實施治理的區(qū)域，按照使用方法就可以投入使用，只要保證足夠的底泥磷釋放抑制專用藥液供應，即可實現(xiàn)該曝氣加藥一體機的連續(xù)工作。加之移動方便、使用簡單，所以應用前景廣闊。 （6）市場分析及經濟效益預測：隨著公眾環(huán)境保護意識的提高以及環(huán)境管理工作的加強，城市淺水湖泊底泥外源輸入量將顯著削減，底泥內源磷素已成為湖泊富營養(yǎng)化控制的關鍵，此外，由于城市富營養(yǎng)化水體種類多樣，有城市河道、濕地、景觀水體、淺水湖泊、深水湖庫等多類型，長期的點源和面源污染導致磷素外源輸入，隨著人們對這些城市富營養(yǎng)化水體磷污染認識的提高，底泥控制工藝技術和設備極具市場前景。由于本作品設備簡單、控磷藥液安全無毒并且價格低廉（<0.1元/g），因此，可以廣泛推廣應用，能夠產生一定的經濟效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 磷是底泥中導致湖泊富營養(yǎng)化的關鍵元素，其累積濃度可達水體中的數(shù)百倍,使底泥成為湖泊磷潛在的主要內源。我國許多重要城市湖泊底泥中的磷素背景值較高。開展湖泊底泥污染控制是我國湖泊富營養(yǎng)化控制與生態(tài)修復的重要內容。根據在氧化條件下，磷易與鈣鹽、鐵鹽生成沉淀而固定，固定層附著在底泥表面，進一步抑制深層底泥中磷的釋放。曝氣機實現(xiàn)充氧，形成氧化氛圍，控磷藥液加到底泥表面，實現(xiàn)界面反應，達到抑制磷釋放的目的。
科學性、先進性及獨特之處
- 其最突出的實質性技術特點在于利用物理化學原理設計出能原位控制底泥釋磷的設備和藥劑。與廣泛應用的環(huán)保疏浚技術相比，避免了工程大、費用高、無法實現(xiàn)原位處理等缺點；與傳統(tǒng)的普通單純性物理覆蓋技術相比，由于低劑量的臭氧強化了氧化氛圍，在保證對低棲動物群落最小影響的情況下，利用該氧化條件使表層底泥和上覆水中的磷素能夠與安全無毒的鈣鹽和鐵鹽作為控磷藥劑快速反應，極大的提高了處理效率。在該領域，還未見同類發(fā)明。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 底泥內源磷素已成為湖泊富營養(yǎng)化控制的關鍵。只需將本曝氣加藥一體機移動到需要實施治理的區(qū)域，按照使用方法就可以投入使用，只要保證足夠的底泥磷釋放抑制專用藥液供應，即可實現(xiàn)該曝氣加藥一體機的連續(xù)工作。加之移動方便、使用簡單，可實現(xiàn)原位控制，所以應用前景廣闊。另外，本作品設備簡單、控磷藥液安全無毒并且價格低廉（<0.1元/g），可以廣泛推廣應用，并產生一定的經濟效益。
學術論文摘要
- 本參賽項目設計和制作了原位控制富營養(yǎng)化水體底泥磷素釋放的曝氣加藥一體機。在完成設計和制作的基礎上，采用自制的柱狀模擬系統(tǒng)小試研究了該曝氣加藥一體機對表層底泥磷素釋放的調控效果。結果表明：維持短時間（1小時）的低濃度臭氧曝氣（0.6g/min）條件下，鐵鹽能夠有效地抑制底泥磷釋放，其中鐵鹽加入濃度為0.05mol/L時效果已非常明顯；在臭氧復合鈣鹽的處理下，氯化鈣加入濃度為0.020mol/L時，在試驗結束時上覆水TP含量最低。小試實驗證實，本項目設計制作的曝氣加藥一體機具有非常好的原位控磷效果，尤其適用于淺水型富營養(yǎng)化水體沉積物的現(xiàn)場治理。
獲獎情況
- （1）2010年3月，第十一屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技競賽，院三等獎； （2）2010年4月，第十一屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技競賽，校一等獎； （3）發(fā)表論文一篇：胡賜明，夏晗婷，曹靜，張杭君. 富營養(yǎng)水體底泥原位控磷技術研究進展. 校學報（自然科學版），2011, 10(1):71-76.
鑒定結果
- 本項目采用物理化學原理，設計開發(fā)能夠用于原位處理富營養(yǎng)化底泥中磷釋放的設備和使用方法，經鑒定，具有重要實現(xiàn)意義。
參考文獻
- [1]Cooke GD, Welch EB, Peterson SA, Nichols SA. Restoration and management of lakes and reservoirs. Boca Raton, CRC Press. 2005, 616 p. [2]Darren A, Graham BJ, David MM. The application of sediment capping agents on phosphorus speciation and mibility in a sub-tropical dunal lake[J]. Mar. Freshwater Res., 2004, 55: 715-725 [3]Doi H, Chang KH, Ando T, et al. Drifting plankton from a reservoir subsidize downstream food webs and alter community structure[J]. Oecologia, 2008, 156: 363-371. [4]Downing JA, Watson SB, McCauley E. Predicting cyanobacteria dominance in lakes[J]. Can. J. Fish. Aquat. Sci., 2001, 58: 1905-1908. [5]文 威, 孫學明, 孫淑娟, 等. 海河底泥氮磷營養(yǎng)物靜態(tài)釋放模擬研究[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報2008, 27(1): 0295-0300 [6]馬利民, 張 明, 劉 叢, 等. 外源磷對消落區(qū)土壤性質及磷釋放的影響[J]. 環(huán)境化學, 2008, 27(1): 73-76 [7]胡小貞, 金相燦, 梁麗麗, 等. 不同改良條件下硫酸鋁對滇池污染底泥磷的鈍化效果[J]. 環(huán)境科學學報, 2008, 28 (1): 44-49 [8]馬利民, 張明, 劉叢, 等. 外源磷對消落區(qū)土壤性質及磷釋放的影響[J]. 環(huán)境化學, 2008, 27(1): 73-76 [9]譚鎮(zhèn), 李傳紅, 張修峰, 等. 星湖底泥磷含量剖面特征及其生物可利用性研究[J]. 環(huán)境科學與管理, 2008, 33(5): 60-62
同類課題研究水平概述
- 隨著人們對生活質量要求的提高，磷素引起的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象逐漸引起了人們的關注，大量研究表明磷是水體富營養(yǎng)化最常見的限制性營養(yǎng)鹽，磷素的增加不僅帶來了水體的溶解氧的消耗以及藻類水華的爆發(fā)，而且藻類在繁殖過程中產生的藻毒素對水生生物甚至人類產生更大的危害。盡管人們對外源性磷素的控制給予了足夠的重視，采取了各種措施以減少磷等營養(yǎng)元素向水體的直接排放。但水體的富營養(yǎng)化發(fā)展趨勢卻并沒有因此而得到有效的控制，近年來人們開始逐漸將磷素的控制研究轉移到對內源性磷的研究上去。 研究發(fā)現(xiàn)輸入水體的磷素，在各種環(huán)境因素的影響下，經過一系列物理、化學及生物的變化，其中部分在搬運、絮凝、沉淀等作用下逐漸以不同形態(tài)的磷蓄積于沉積物中，然而當在溫度、pH、氧化還原條件、浮游生物以及擾動等環(huán)境因素的影響下，沉積物中的磷素又會重新參與到沉積物-水界面的循環(huán)當中，導致上覆水磷素增加，從而造成水體的內源性富營養(yǎng)化污染。對于富營養(yǎng)化污染的控制主要取決于對沉積物磷的控制以及對上覆水磷的吸收。對于內源性磷的控制，近年來國內外出現(xiàn)了大量的研究報道，其中原位控制技術廣泛運用于國內外各污染水體的修復。雖然水體的富營養(yǎng)化問題仍是今后很長一段時間內需要重點解決的問題，但針對磷污染沉積物的原位覆蓋技術的討論已經相對成熟。目前對磷污染沉積物的修復技術做了頗多研究，發(fā)展了許多運用于沉積物磷去除的方法，包括：物理方法，如攪動通風、深層復氧及湖泊沖刷等；地球化學方法，如運用鋁、鐵等離子作為絮凝劑或者運用其他一些產品作為覆蓋材料。 由于以上種種方法存在如工程浩大、費用高、去除效率低等缺點，相比之下，物化技術對底泥磷的控制具有較好的應用前景，但是缺乏適用于原位控制的成套設備和工藝參數(shù)，相關技術內容亟待研發(fā)。
