學校名稱

水利工程學院

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

張羽涵

201613040104

給排水科學與工程

女

2016

鄧  蕓

201613040107

給排水科學與工程

女

2016

王正博

201613040103

給排水科學與工程

女

2016

楊正卿

201613040124

給排水科學與工程

男

2016

姚嘉偉

201713040113

給排水科學與工程

男

2017

指導教師1

雷超

職稱

講師

指導教師2

萬俊力

職稱

講師

項目所屬

一級學科

土木工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經(jīng)參與科研的情況

無

指導教師承擔科研課題情況

雷  超

1. 主持國家自然科學基金項目（51509021），在研；

2. 主持湖南省教育廳科學研究項目一般項目（14C0045），已結題；

3. 近五年以第一作者發(fā)表SCI一篇、CSCD一篇。

萬俊力

1. 主持湖南省教育廳科學研究項目一般項目（17C0055），在研；

2. 主持湖南省水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室項目（2011SS06），已結題；

3. 參與國家自然科學基金項目（51309032、51509021），在研；

4. 近五年以第一作者發(fā)表SCI兩篇、CSCD三篇。

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

1、研究目的

擬采用太陽能供電控制微納磁捕除藻裝置用于治理水體表層水華，同時控制裝置浮游于水體表面，達到大面積高效地除藻抑藻、修復水環(huán)境系統(tǒng)的目的。

2、研究內(nèi)容

（1）基于鐵錳氧化物的微納磁捕除藻技術的原理分析

1）微觀分析鐵錳氧化物處理后藻細胞的活性、形態(tài)及結構變化；

2）對能有效“捕獲”或“束縛”失活藻細胞的磁性微粒進行表征分析。

3）初步揭示磁性鐵錳氧化物微納顆粒捕獲藻細胞的控制機理。

（2）微納磁捕除藻技術的效能研究

1）選擇不同藻類進行微納磁捕除藻技術的去除效果評價實驗分析，研究錳鐵氧化物去除藻細胞的投加方式，探討微納磁性顆粒直接作用和藥劑投加在線生成微納磁捕顆粒對代表性藻細胞的去除效能；

2）考察微納磁性顆粒的重復利用次數(shù)，分析其再生利用的可行性；

3）分析微納磁捕除藻技術去除藻細胞的主要影響因素，確定微納磁捕除藻系統(tǒng)的最佳工藝參數(shù)。

（3）太陽能浮游式微納磁捕除藻小試裝置的設計與制作

1）設計確定太陽能浮游式微納磁捕除藻小試裝置的結構與尺寸，該裝置擬將太陽能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動電磁裝置與游動裝置，實現(xiàn)裝置能源自給；

2）借助風能無需動力并附加電動機驅(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)裝置自動浮游，同時優(yōu)化裝置外形設計，以降低游動阻力并有利于裝置漂浮于水面上；

3）實現(xiàn)太陽能發(fā)電裝置與蓄電池輸入端電連接，擬將微納磁捕除藻系統(tǒng)設置在浮游裝置底部并實現(xiàn)與蓄電池輸出端電連接。

3、要解決的主要問題

（1）研究微納磁捕除藻技術對不同藻類的去除效果，分析藻類初始濃度、藥劑投加量、磁場作用水深等對除藻效能的影響，得出最佳運行參數(shù)；

（2）確定所需電量和吃水深度，將太陽能發(fā)電裝置、微納磁捕除藻系統(tǒng)和浮游裝置集成優(yōu)化，研制小試實驗裝置。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

水體富營養(yǎng)化及其防治是當今世界普遍關注的熱點與難點問題，其帶來的直接危害就是藻類水華的產(chǎn)生，會對水生動物的正常生長繁殖產(chǎn)生不利影響。藻類在代謝過程中或藻體破裂后會釋放藻毒素，目前已研究證實的毒藻種有銅綠微囊藻、魚腥藻、顫藻等，其中最易形成水華、影響范圍最廣、毒性最強的是藍藻門藻類^[1]。段瑋娟^[2]研究表明湘江長沙段水源水高藻期以硅藻、綠藻和隱藻為主，所占藻類總數(shù)量的比例為90.3％左右。1990年以來太湖幾乎年年出現(xiàn)藍藻暴發(fā)，水體異常腥臭，導致無錫市和昆山市自來水廠85%的供水量受到威脅^[3,4]。針對當前普遍性的富營養(yǎng)化問題，控制有害藻類的生長繁殖，成為水環(huán)境治理急需解決的首要問題。

現(xiàn)有除藻方法包括化學除藻法、生物除藻法、物理除藻法等^[1,2,5-8]?；瘜W除藻法是利用化學藥劑來對藻類進行殺除，其特點是工藝簡單、操作方便及效果明顯，然而伴隨著化學除藻劑的使用，除藻劑本身對水體帶來的污染以及除藻過程中可能導致的藻毒素大量產(chǎn)生和釋放，從而可能對水環(huán)境造成二次污染。生物除藻法是利用培育的生物或培養(yǎng)、接種的生物的生命活動，對水中污染物進行轉(zhuǎn)化、降解及轉(zhuǎn)移，從而使水體環(huán)境健康得到恢復的一種方法。生物除藻法是一種環(huán)境友好除藻方法，不會造成二次污染，但其整個系統(tǒng)容易受到外界環(huán)境的影響和人為的破壞，同時有可能造成物種入侵。物理除藻包括微濾機法、氣浮法、直接過濾法、大梯度磁濾器法和活性炭吸附法等。物理除藻法不會造成二次污染和物種入侵，但存在技術成本高、操作環(huán)境差、除藻效率低等問題。上述處理方法各有利弊，有必要對現(xiàn)有方法進行聯(lián)合使用并加以改進優(yōu)化。

通常對水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康生活造成嚴重危害的有毒藍綠藻水華暴發(fā)迅速，涉及水域面積廣，需要高效的除藻抑藻技術進行控制?；瘜W氧化除藻和超聲除藻是近年來諸多除藻方法中短期內(nèi)效果最好的熱點技術，兩類方法基于不同的原理滅活藻細胞從而控制藻類暴發(fā)，但藻類在凋亡的過程中會伴隨有藻源性內(nèi)毒素的釋放，給水質(zhì)安全和生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大的威脅^[8,9]。一方面，滅活富營養(yǎng)化水體藻類的技術應嚴格控制胞內(nèi)藻毒素的釋放程度^[10]，另一方面，應對死亡藻細胞進行收集處理^[11]。最新研究表明^[7,10-12]利用磁分離技術能迅速捕獲并從水中分離出藻細胞，同時將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池中供浮游式除藻設備運行使用，可實現(xiàn)“零”運行成本。因此，如何在實際應用中將物理和化學除藻方法聯(lián)合利用并加以改進，開發(fā)出節(jié)能、高效、低耗和適用面廣的組合新工藝，是未來除藻技術的主要研究發(fā)展方向。

本項目將以基于鐵錳氧化物的微納磁捕除藻技術的原理分析和效能研究為基礎，擬將太陽能發(fā)電裝置、微納磁捕除藻系統(tǒng)和浮游裝置集成優(yōu)化，明確組合小試裝置的最佳工況參數(shù)，同時實現(xiàn)除藻、抑藻和藻水分離的功能。本項目的成功實施，將對水體藻污染治理具有重要的實際應用價值，并且太陽能浮游式微納磁捕除藻小試裝置將化學氧化除藻技術和藻細胞磁分離技術進行有效結合，能量自給，二次污染低，易于推廣。

參考文獻：

[1] 談偉強, 孔赟, 潘國強, 王慶. 湖庫富營養(yǎng)化生物控藻技術的研究進展[J]. 環(huán)境污染及其防治, 2017, 4: 58-63.

[2] 段瑋娟. 湘江流域飲用水源水藻類特征及除藻工藝的研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2012.

[3] 晁愛敏, 于海燕, 周勝利等. 南太湖富營養(yǎng)化調(diào)查及評價[J]. 環(huán)境污染與防治, 2017, 9: 971-975.

[4] 徐圃青, 王振, 余益軍等. 夏季太湖藍藻水華暴發(fā)與臭氧污染的關聯(lián)性[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2017, 4: 84-90.

[5] 簡正, 呂錫武. 脈沖渠槽/氧化溝/人工濕地處理太湖富藻水研究[J]. 工業(yè)水處理, 2012, 32(11): 17-20.

[6] 延克軍, 吳思聰, 甄樹聰?shù)? 交變電磁場強化混凝除藻的研究[J]. 硅酸鹽通報, 2015, 34(4): 1155-1159.

[7] 王鑫, 王學江, 張晶, 趙建夫. 漂浮型光催化劑制備及其除藻性能初探[J]. 同濟大學學報 (自然科學版), 2016, 9: 1424-1429.

[8］卜令君, 周石慶, 施周等. 藻源性內(nèi)毒素在銅綠微囊藻滅活過程中的釋放[J]. 中國環(huán)境科學, 2017, 12: 4675-4680.

[9] 張詠雪. 超聲滅活硅藻過程中藻類有機物對水質(zhì)安全的影響研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2015.

[10] 韓洪晶, 楊元林. 綠色高效新型水處理劑高鐵酸鹽的性質(zhì)及應用進展[J]. 化學工程師, 2016, 5: 46-49.

[11] 科技日報. 除藻除磷似“湖水透析機”中科院藻水磁分離工程每年控磷500噸[N]. 科技傳播, 2010, 19: 14.

[12] 范功端, 陳薇, 蘇昭越, 劉德明. 浮游式太陽能超聲除藻裝置的研制及應用[J]. 實驗室研究與探索, 2016, 35(10): 46-49.

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

本項目小組已經(jīng)查找并閱讀了大量與本項目相關的文獻資料，對現(xiàn)有物化法藻類處理工藝進行了比較全面的了解，制定了合理的項目實施方案。

本課題小組前期采用微納磁性顆粒對含有小球藻的模擬廢水進行了杯罐靜態(tài)試驗，已經(jīng)證實了微納磁捕技術去除藻細胞的可行性。

項目的創(chuàng)新點和特色

本項目采用微納磁捕除藻技術處理不同藻類，得到最佳運行參數(shù)，以達到抑制和滅活藻類同時保持藻細胞完整性的目的；將太陽能發(fā)電裝置、微納磁捕除藻系統(tǒng)和浮游裝置集成優(yōu)化，研制出太陽能浮游式微納磁捕除藻小試裝置。

項目的技術路線及預期成果

1.技術路線

圖 技術路線圖

2、預期成果

（1）實驗得出微納磁捕除藻的工藝參數(shù)，設計制作出太陽能浮游式微納磁捕除藻小試裝置；

（2）完成項目研究報告1份；

（3）正式發(fā)表相關學術研究論文1篇。

年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

第一年度

目標：進行微納磁捕除藻技術的原理分析及其除藻的效能研究。

內(nèi)容：

（1）通過文獻總結并結合現(xiàn)場調(diào)研，分析城市內(nèi)湖泊和內(nèi)河水環(huán)境富營養(yǎng)現(xiàn)狀，確定高藻期水環(huán)境中的主要代表性藻種；

（2）細化實驗方案，熟悉實驗所需儀器和設備的操作方法，通過靜態(tài)實驗方式，確定微納磁捕除藻的有效參數(shù)范圍，初步揭示除藻機理。

第二年度

目標：根據(jù)微納磁捕除藻的最佳工藝參數(shù)，設計制作出太陽能浮游式微納磁捕除藻小試裝置，實施完成項目計劃。

內(nèi)容：

（1）設計加工太陽能浮游式微納磁捕除藻小試裝置；

（2）進行小試實驗，考察微納磁捕除藻技術的影響因素，得到相關技術成果；

（3）分析處理實驗數(shù)據(jù)、撰寫論文、完成并呈交結題報告。

指導教師意見

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