基本信息
- 项目名称：
- 原位控制水体底泥释磷的曝气加药一体机的设计和制作
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品根据物理化学原理，即在氧化条件下，磷易与钙盐和铁盐生成沉淀而固定，固定层附着在底泥表面，进一步抑制深层底泥中磷的释放。通过曝气机实现充氧，形成氧化氛围；通过加药机将控磷药液加到底泥表面，实现界面反应，达到抑制磷释放的目的；最终将曝气机、加药机以及药罐集成为一体机。本作品能够在原位就实现底泥控磷的处理，保证了该作品的实用性；且其采用安全无毒的钙盐和铁盐作为控磷药剂，价格低廉，便于推广应用。
- 详细介绍：
- （1）作品组成（请参照图structure chart）：曝气加药一体机的外部是一不锈钢框架；内部有4个组成单元，分别是臭氧发生单元、空气曝气单元、加药泵和药液储存罐，附属结构有吸液管、药液溢出管路、臭氧逸出管路、空气逸出管路以及曝气头。图1是本一体机的结构示意图。参照图1，原位控制水体底泥磷释放的曝气加药一体机，包括一可移动的框架1，框架1上安装有空气曝气单元3、臭氧发生单元2、加药泵4和药液储存罐5；臭氧发生单元2的臭氧逸出管路9与空气曝气单元3的空气逸出管路3都接有曝气头6；药液储存罐5通过吸液管7连通加药泵4，加药泵4连有药液溢出管路8；臭氧发生单元2自配流量计、调速旋钮和开关，空气曝气单元3自配调速旋钮和开关，加药泵4自配调速旋钮和开关。框架1为不锈钢架体。药液储存罐5为圆柱形中空PVC管。曝气头6为不锈钢构件。臭氧发生单元2是小流量型臭氧发生器，空气曝气单元3是曝气泵。 （2）作品原理（请参照图principle photo）：通过曝气头和药液溢出管路，既可以逸出底泥磷素释放抑制剂，又可以同时逸出空气或臭氧等气体，使曝气头始终处于较强的氧化环境，便于底泥磷素释放抑制剂与底泥表层或者底泥－上覆水界面中的活性磷快速反应，从而达到抑制底泥中磷释放的目的。 （3）使用方法（请参照图structure chart）：富营养化水体底泥磷素释放控制原位治理实施过程中，首先将该曝气加药一体机移动到需要实施治理的区域，根据水深，将曝气头6沉至底泥表层，然后把专用的底泥磷素释放抑制剂加入到药液储存罐5中，开启加药泵4，再开启臭氧发生单元2和空气曝气单元3，根据需要调节药液流量和气体流量，反应一段时间后，再将复合曝气头6移动至其它需要治理的地方。只要保证足够的底泥磷释放抑制专用药液供应，可以实现该曝气加药一体机的连续工作。 （4）试验结果：只要有合适曝气-底泥抑制剂组合，只需简单的操作即可实现富营养化水体底泥磷释放有效控制。多次试验证明该曝气加药一体机设计合理，运行稳定，对底泥磷释放控制具有明显效果。 （5）作品的适应范围及推广前景：本作品原位控制水体底泥释磷的曝气加药一体机适用于各种富营养化水体底泥磷素释放的原位控制，能够实现富营养化水体底泥磷素释放有效抑制，只需将本曝气加药一体机移动到需要实施治理的区域，按照使用方法就可以投入使用，只要保证足够的底泥磷释放抑制专用药液供应，即可实现该曝气加药一体机的连续工作。加之移动方便、使用简单，所以应用前景广阔。 （6）市场分析及经济效益预测：随着公众环境保护意识的提高以及环境管理工作的加强，城市浅水湖泊底泥外源输入量将显著削减，底泥内源磷素已成为湖泊富营养化控制的关键，此外，由于城市富营养化水体种类多样，有城市河道、湿地、景观水体、浅水湖泊、深水湖库等多类型，长期的点源和面源污染导致磷素外源输入，随着人们对这些城市富营养化水体磷污染认识的提高，底泥控制工艺技术和设备极具市场前景。由于本作品设备简单、控磷药液安全无毒并且价格低廉（<0.1元/g），因此，可以广泛推广应用，能够产生一定的经济效益。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 磷是底泥中导致湖泊富营养化的关键元素，其累积浓度可达水体中的数百倍,使底泥成为湖泊磷潜在的主要内源。我国许多重要城市湖泊底泥中的磷素背景值较高。开展湖泊底泥污染控制是我国湖泊富营养化控制与生态修复的重要内容。根据在氧化条件下，磷易与钙盐、铁盐生成沉淀而固定，固定层附着在底泥表面，进一步抑制深层底泥中磷的释放。曝气机实现充氧，形成氧化氛围，控磷药液加到底泥表面，实现界面反应，达到抑制磷释放的目的。
科学性、先进性及独特之处
- 其最突出的实质性技术特点在于利用物理化学原理设计出能原位控制底泥释磷的设备和药剂。与广泛应用的环保疏浚技术相比，避免了工程大、费用高、无法实现原位处理等缺点；与传统的普通单纯性物理覆盖技术相比，由于低剂量的臭氧强化了氧化氛围，在保证对低栖动物群落最小影响的情况下，利用该氧化条件使表层底泥和上覆水中的磷素能够与安全无毒的钙盐和铁盐作为控磷药剂快速反应，极大的提高了处理效率。在该领域，还未见同类发明。
应用价值和现实意义
- 底泥内源磷素已成为湖泊富营养化控制的关键。只需将本曝气加药一体机移动到需要实施治理的区域，按照使用方法就可以投入使用，只要保证足够的底泥磷释放抑制专用药液供应，即可实现该曝气加药一体机的连续工作。加之移动方便、使用简单，可实现原位控制，所以应用前景广阔。另外，本作品设备简单、控磷药液安全无毒并且价格低廉（<0.1元/g），可以广泛推广应用，并产生一定的经济效益。
学术论文摘要
- 本参赛项目设计和制作了原位控制富营养化水体底泥磷素释放的曝气加药一体机。在完成设计和制作的基础上，采用自制的柱状模拟系统小试研究了该曝气加药一体机对表层底泥磷素释放的调控效果。结果表明：维持短时间（1小时）的低浓度臭氧曝气（0.6g/min）条件下，铁盐能够有效地抑制底泥磷释放，其中铁盐加入浓度为0.05mol/L时效果已非常明显；在臭氧复合钙盐的处理下，氯化钙加入浓度为0.020mol/L时，在试验结束时上覆水TP含量最低。小试实验证实，本项目设计制作的曝气加药一体机具有非常好的原位控磷效果，尤其适用于浅水型富营养化水体沉积物的现场治理。
获奖情况
- （1）2010年3月，第十一届“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛，院三等奖； （2）2010年4月，第十一届“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛，校一等奖； （3）发表论文一篇：胡赐明，夏晗婷，曹静，张杭君. 富营养水体底泥原位控磷技术研究进展. 校学报（自然科学版），2011, 10(1):71-76.
鉴定结果
- 本项目采用物理化学原理，设计开发能够用于原位处理富营养化底泥中磷释放的设备和使用方法，经鉴定，具有重要实现意义。
参考文献
- [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, 孙学明, 孙淑娟, 等. 海河底泥氮磷营养物静态释放模拟研究[J]. 农业环境科学学报2008, 27(1): 0295-0300 [6]马利民, 张 明, 刘 丛, 等. 外源磷对消落区土壤性质及磷释放的影响[J]. 环境化学, 2008, 27(1): 73-76 [7]胡小贞, 金相灿, 梁丽丽, 等. 不同改良条件下硫酸铝对滇池污染底泥磷的钝化效果[J]. 环境科学学报, 2008, 28 (1): 44-49 [8]马利民, 张明, 刘丛, 等. 外源磷对消落区土壤性质及磷释放的影响[J]. 环境化学, 2008, 27(1): 73-76 [9]谭镇, 李传红, 张修峰, 等. 星湖底泥磷含量剖面特征及其生物可利用性研究[J]. 环境科学与管理, 2008, 33(5): 60-62
同类课题研究水平概述
- 随着人们对生活质量要求的提高，磷素引起的水体富营养化现象逐渐引起了人们的关注，大量研究表明磷是水体富营养化最常见的限制性营养盐，磷素的增加不仅带来了水体的溶解氧的消耗以及藻类水华的爆发，而且藻类在繁殖过程中产生的藻毒素对水生生物甚至人类产生更大的危害。尽管人们对外源性磷素的控制给予了足够的重视，采取了各种措施以减少磷等营养元素向水体的直接排放。但水体的富营养化发展趋势却并没有因此而得到有效的控制，近年来人们开始逐渐将磷素的控制研究转移到对内源性磷的研究上去。 研究发现输入水体的磷素，在各种环境因素的影响下，经过一系列物理、化学及生物的变化，其中部分在搬运、絮凝、沉淀等作用下逐渐以不同形态的磷蓄积于沉积物中，然而当在温度、pH、氧化还原条件、浮游生物以及扰动等环境因素的影响下，沉积物中的磷素又会重新参与到沉积物-水界面的循环当中，导致上覆水磷素增加，从而造成水体的内源性富营养化污染。对于富营养化污染的控制主要取决于对沉积物磷的控制以及对上覆水磷的吸收。对于内源性磷的控制，近年来国内外出现了大量的研究报道，其中原位控制技术广泛运用于国内外各污染水体的修复。虽然水体的富营养化问题仍是今后很长一段时间内需要重点解决的问题，但针对磷污染沉积物的原位覆盖技术的讨论已经相对成熟。目前对磷污染沉积物的修复技术做了颇多研究，发展了许多运用于沉积物磷去除的方法，包括：物理方法，如搅动通风、深层复氧及湖泊冲刷等；地球化学方法，如运用铝、铁等离子作为絮凝剂或者运用其他一些产品作为覆盖材料。 由于以上种种方法存在如工程浩大、费用高、去除效率低等缺点，相比之下，物化技术对底泥磷的控制具有较好的应用前景，但是缺乏适用于原位控制的成套设备和工艺参数，相关技术内容亟待研发。
