基本信息
- 项目名称：
- 自然复氧生物膜复氧效率的研究
- 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：
- 针对目前环境不断恶化的现象，本作品将建筑上用的防水透气膜与生物膜相结合，制作了自然复氧生物膜，并用便携式溶解氧仪对其复氧效率进行了研究，效果非常明显。
- 详细介绍：
- 我们设想有一种膜可以顺利得让空气通过，而且能浸没于水中但又不能让水分子透过它，经过我们的探索发现了建筑用的防水透气膜，能把水阻隔在膜外面，让氧气透过膜进入水体内部。然而这种膜又需要一种支架把他支撑起来以免它在水中滑动而影响充氧效果，我们在市面找到了常见的筷子笼，将好几个筷子笼组装成一个深度接近1米的中心支架，将防水透气膜裹在其外侧，用于支撑防水透气膜所承受的水压，而如果直接这样应用于水体修复中的话，由于微生物的生长很容易就将防水透气膜给堵住了，那么处理效果将会很不理想。因此我们想到了再给防水透气膜的外周挂上组合填料，这样一来不但可以防止堵塞防水透气膜影响其复氧效率，而且增加了微生物附着生长的表面积，但是我们的填料往往比较轻，在水中由于浮力的作用，会浮起来，同时也会偏移，将不利于我们实验的进行，所以在底部设置挂钩将填料系在装置底部。又考虑到水中总有一些漂浮物质，如果不对我们的装置采取保护的话，时间久了这些杂质沉积在填料和防水透气膜上也会影响反应效果，因此我们在最外侧再给它设置保护支架。另外一但装置置于水中将会由于水的浮力作用而无法保持平衡，所以在整个装置最底部挂一重物作为配重，使反应装置的重力略大于浮力，并且重心的位置在浮心下面，即使反应装置发生倾斜，在重力的作用下，仍能回到垂直位置，不会发生侧翻。再在装置顶端设置连接件以便将反应装置悬挂在设置于水面上的拉绳或支架上，保证反应装置能够浸没在水中，连接件可以上下调节，以改变反应装置浸没的深度。采用原位生物修复，将反应装置浸没在受污染水体中，由中心支架1和防水透气膜4形成深入水体的空气柱，空气柱伸出水面和大气相通，氧气透过防水透气膜进入水体内部。水面和防水透气膜的共同作用形成了立体自然复氧的效果，极大地提高了氧向水中的传递速率和传递量。水中的土著或接种微生物吸附在填料5上，它们利用水中的氧气分解代谢有机物取得能量，并利用氮、磷等营养物质合成细胞，实现在填料上的生长繁殖，形成生物膜。生物膜形成后，依靠吸附和生化作用，将水中污染物去除。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本课题将对自然复氧生物膜复氧效率的研究，得到高度及宽度对其传递性能的影响；并且达到利用防水透气膜防水透气的原理来解决目前生物膜法需要不断曝气以满足运行过程中微生物对氧气的需求量，从而减少能耗、降低成本和运行费用。
科学性、先进性及独特之处
- 第一次采用了建筑上用的用高分子材料自作的防水透气膜，它不仅可以防水而且可以透气，利用它作为氧气传递的媒介，而不再使用传统的增氧方式，大大降低了能耗，是一种比较环保的修复技术。 首次将建筑上用的防水透气膜与我们的生物膜技术相结合，使得本装置不但具有防水透气膜的自然复氧的优点，又具有生物膜法对废水水质、水量的变化有较强的适应性，操作稳定性好。
应用价值和现实意义
- 本作品采用建筑上用的防水透气膜作为自然复氧媒介，并配合所研制的生物膜反应器进行地表水的生物膜修复。通过本课题的研究将有助于在生物膜复氧、生物膜反应器和受污染地表水的生物修复等研究领域开辟一种新的思路和方法。具有良好的经济效益，环境效益和社会效益。
学术论文摘要
- 针对地表水的污染状况，人们采用了不少修复方法，其中利用生物膜方法进行地表水修复具有效率高的特点。微生物的好氧生物降解需要氧气的参与，传统的复氧一般靠风机或机械的作用，这无疑会增加处理的成本。本研究采用的自然复氧膜将氧气引入水体内部，微生物在膜外面悬挂的组合填料上生长形成生物膜，以此来修复水体。 以简洁实用为出发点，设计并制作了自然复氧生物膜反应装置，而后初步测定了自然复氧生物膜的氧气传递效率。实验结果显示了自然复氧生物膜的存在加速了水体复氧的过程，初步认定其氧气传递性能良好。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 好
参考文献
- [1]陈玉成.污染环境生物工程修复[M].北京:化学工业出版社,2003 [2]Autry A R,Ellis G M.Bioremediation:an effective remedial alternative for petroleum hydrocarbon-contaminated soil[J].Environ.Prog.1992,11(4):318-323 [3]曹氏芳,庞金钊,杨宗政等.生物技术治理富营养化景观水体的研究[J].天津轻工业学院学报,2002,16(2):5-7 [4 ] Peter A Krenkel, Gerald T O rlob. Turbulent diffusion and the reaeration coefficient [J ]. American Society of Civil Engineers, 1963, 128: 293～ 334. [5] 雒文生, 李莉红, 贺涛.水体大气复氧理论和复氧系数研究进展与展望[J].水力学报,2003，11:64-70 [6]雒文生, 宋星原. 水环境分析与预测[M] . 武汉: 武汉水利电力大学出版社, 2000 , 12. [7]傅国伟. 河流水质数学模型及其模拟计算[M] . 北京: 中国环境科学出版社, 1987 [8] Mong D B , Jirka G H. Stream reaeration in nonuniformflow: macroroughness enhancement [J ] . Journal of Hydraulic Engineering , 1999 , 125 (1) : 11 - 16. [9] Gualtieri , Carlo , Gualtieri , Paola. Dimensional analysis of reaeration rate in streams [J ] . Journal of Environmental Engineering , 2002 , 128 (1) : 12 - 18. [10] 廖文根. 水工泄水建筑物泄流及河流的大气复氧[D ]. 北京: 清华大学, 1991.
同类课题研究水平概述
- 针对地表水的污染状况，目前人们采用了不少修复方法，试图使其恢复到原来的状态。常规的水体修复技术主要包括：化学修复法、物理修复法、生态修复法和生物修复法[1]。污染地表水体的特殊性质增加了物理法、化学法修复的困难性。生物修复是利用植物、动物及微生物对污染物的富集、吸收降解等作用来修复水体。修复过程可自然、原位地进行，工程投资仅为物理法、化学法修复的30%～50%[2]。 狭义的生物修复主要指微生物修复。微生物修复技术指利用天然存在的或特别培养的微生物，在可调控环境条件下，通过微生物的降解和生物转化作用，变有毒有害污染物为无毒无害物质的环境污染处理技术，其核心为微生物学过程。但传统意义的微生物修复的特点是利用游离优势微生物的降解作用，随着污染物逐渐趋向成分更复杂、易积累难降解和毒性影响更长期，因而微生物修复就更显得重要。因为可以通过各种技术手段驯化、筛选和培养出适应这些污染物的优势微生物菌种。 目前国内外使用最多的生物净化技术是投菌技术、生物膜技术和水体复氧曝气技术等。但是我们目前所采用的这些生物修复技术具有一些不足的地方。主要表现在：需要进、出水和排泥装置，结构较复杂，投资也高；反应装置需要使用水泵和气泵，运行时有噪声，维护比较复杂，运行费用也较高等。 为了解决上述不足和缺点，近年来，人们将生物膜技术引入到各种地表水的微生物修复工艺中，取得了显著的效果。然而在生物膜处理技术中，向微生物提供足够的氧气量是非常有必要的。这从另一个方面说明，生物膜技术和水体复氧量是密切相关的。 对于一般受污染的地表水，主要受到生活污水和河流底泥向水体释放的NH4+-N、总磷的影响。这些污染物很容易造成水体的富营养化，也是当前地表水需要重点控制的指标。由于在对NH4+-N的去除方面，硝化菌和反硝化菌具有较低的比生长速率，他们会消耗相当量的溶解氧，导致水体中的溶解氧不足，而微生物因得不到充足的氧气量而无法正常生存，也就打不到我们预期的结果。而如果采用合适的装置设置可以为硝化菌和反硝化菌提供良好的微环境，并形成活性较高的生物膜，这样就可以有效地降解水体中的NH4+-N。 此外以往在利用生物膜方法进行废水处理过程中所利用的生物膜载体方面，人们大多是随机选取，对生物膜载体的有关表面特性或形状对生物膜生长的影响关系缺乏详细的研究。
