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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

劉京都

201613040322

給排水科學與工程

男

2016

呂昱

201513040105

給排水科學與工程

女

2015

夏建杰

201613040321

給排水科學與工程

男

2016

張俊才

201613040329

給排水科學與工程

男

2016

魯浩南

201613040328

給排水科學與工程

男

2016

指導教師

禹麗娥

職稱

講師

項目所屬

一級學科

土木

項目科類（理科/文科）

理科

學生曾經參與科研的情況

項目組成員有不同年級的學生，基本功都非常扎實，學習成績優秀。通過前面多課程的學習，掌握了扎實的理論基礎和實驗技能，具備了一定的分析能力。掌握了數據分析工具，具備了一定的理論基礎和實驗動手能力。項目組成員英語和計算機能力較強，能夠熟練查閱外文文獻，掌握多種軟件的運用。課題組團隊成員在生物過濾及水處理的研究方面經過了一年多的探尋與思考，對該項目具有濃厚的興趣與信心。此外，學生還參與了下列科研情況：

1、創新實驗：沸石對水中四環素吸附的最佳反應條件研究；

2、科技立項：沸石對水中四環素吸附的最佳反應條件研究；

3、科技立項：一種處理含鎘廢水的改性炭化稻殼負載地衣芽孢桿菌生物吸附劑的制備。

指導教師承擔科研課題情況

指導老師是具有多年教學和科研經驗的老師，擔任主干課程的教學工作并指導實驗。并對地下水鐵錳的生物過濾去除等機理進行了初步探討，取得了一定成果：主持了湖南省科技廳項目1項；主持“水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室開放基金”課題1項；主持了湖南省教育廳課題1項；主持了湖南省教育廳教研教改課題1項；發明國家專利1項；參與了省建設廳“湖泊水庫水源生物過濾除藻除臭的研究”和“洞庭湖區地下水生物除鐵除錳新工藝的研究”等課題，指導學生榮獲第二屆全國大學生水利創新設計大賽二等獎；指導了長沙理工大學大學生研究性學習和創新性實驗共5項。

近年來，在核心期刊發表科研論文多篇， EI核心版收錄兩篇。與此項目相關的研究如下：

1、含鐵地下水的危害及治理對策與展望，科技信息，2007.23（279）；

2、地下水除鐵濾池的成熟及其生物研究，哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2005.3（286-287，297）；

3、地下水生物除鐵的探索性試驗證究，濕法冶金，2005.4（218-220）；

4、地下水生物除鐵的效果及機理驗證研究，工業用水與廢水，2006.2.（25-27）；

5、地下水生物除鐵效果及其動力學研究，供水技術，2009.3（19-21）。

6、有機物分子量分布特性對生物除鐵濾柱的影響研究，哈爾濱商業大學學報自然科學版，2010.4

7、Research on the Effect and Kinetics Mechanism of Biological Iron-Removal from Groundwater，Environmental Pollution and Public Health Special Track within iCBBE:（EPPH 2010）（EI：20103613208354）

8、Impact of Molecular Mass of Natural Organic Matter on Biological Removal of Iron：（ICCAHE2012）

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

目前，我國自來水凈化過程普遍采用的是液氯消毒甚至預氯化的方法，在水處理上有著常規處理的局限，飲用水水質安全性難以絕對保證。在我國居民生活水平日益提高的情況下，飲用水水質亟待提高。然而，作為一個發展中大國，經濟基礎薄弱，許多供水企業在資金和場地上都難以接受通過新增處理工藝、構筑物或設備來改善水質但是若以生物過濾代替常規過濾，只需在原有的處理設施基礎上加以改進（更換濾料、改變預氯化等方法）即可以達到去除水中有機物和懸浮顆粒的雙重效果，這無論是在技術上還是經濟上都具有很大的可行性。

石英砂是一種天然、無毒、無味、相對于環境沒有影響的濾料，在我國同樣分布很廣泛且價格低廉，具有吸附、離子交換等性能，可通過吸附、離子交換等作用處理微污染水源水，通過微波等改性處理將提高其吸附能力。項目組成員為給水排水工程專業二年級學生，基本功扎實，學習成績優秀。通過前兩年來的課程的學習，掌握了扎實的理論基礎和實驗技能，具備了一定的分析能力。高等數學的學習使我們掌握了數據分析工具，普通化學等課程使我們具備了一定的化學反應理論和實驗動手能力。項目組成員英語和計算機能力較強，能夠熟練查閱外文文獻，掌握多種軟件的運用。指導老師是具有多年教學和科研經驗的老師，擔任主干課程的教學工作并指導實驗，主持教育廳和科技廳項目各一項，也指導了5次學生的創新實驗，能給我們的試驗啟迪思路、把握方向。

目前, 我國大多數水廠采用的是（混凝/ 沉淀/ 過濾/消毒）的常規處理工藝, 對于水質良好的水源, 其可制得符合標準的飲用水, 但隨著水源污染的日益加重, 尤其是有機物含量的大量增加,常規處理工藝已顯得力不從心。雖然采用強化混凝、膜分離等技術可有效地提高凈水效果, 但其運行、管理費用相對較高, 基于我國目前的經濟水平,還不能得到廣泛的應用。因此, 提高常規處理工藝的凈水效能十分必要。過濾是常規處理工藝中保障飲用水衛生安全的重要工序, 可以通過強化過濾來提高凈水效能, 而濾料又是強化過濾技術的關鍵。

目的：

1、分析、比較普通石英砂和改性石英砂的去除機理及去除有機物的效率；

2、培養出成熟的生物濾池，能有效處理微污染水的機理及效果；

3、采用生物過濾法處理微污染水；找出生物去除的最佳運行條件；鑒別濾池生物氧化產物的分子結構。

研究內容：

1、電鏡觀察改性后石英砂的表面特征、分析計算比表面積、孔隙率等考察超聲波聯合微波對石英砂的改性效果；

2、通過石英砂和改性石英砂對微污染水的處理對比試驗研究，考察石英砂改性對去除效率的影響。

解決的主要問題：

1、分析改性石英砂的制備條件；

2、比較與研究改性后石英砂的改性效果。

3、探索改性石英砂去除效率的影響因素、規律，確定最佳工藝運行條件；

4、探討生物過濾去除微污染水的機理、參數及推廣運行情況等。

國內外研究現狀和發展動態

過濾是凈水工藝不可缺少的處理單元，濾料作為曝氣生物濾池的核心組成部分，影響著工藝的處理效果和運行控制，濾料性能的優劣直接影響到濾池運行的穩定和效果。濾料（filtering media）主要分為兩大類，一類是用以進水過濾的粒狀材料，通常指石英砂，白煤或礦石等。常用濾料以石英砂和活性炭為主，前者密度大、孔隙率小，后者凈水能力強，但價格較高。而且天然石英砂來源廣泛，價格便宜，經過化學改性后，具有離子交換功能，在地下水除鐵工藝應用中具有明顯優勢。另一類是物理分離的過濾介質，主要包括過濾布，過濾網，濾芯，濾紙，以及最新的膜。

國內外已經出現多種新型濾料并應用于凈水處理，例如王聯奎等試制的爐渣濾料對水中懸浮物平均脫除率達90%以上，薛金鳳等研制的粉煤灰濾料可有效去除飲用水中的氟離子，鄧慧萍等聯合使用涂鐵鋁砂和活性炭可使原水有機物去除率增加50%，Ago Kaasik 等用水合石灰頁巖濾料去除人工濕地的磷效果較好。

但目前使用的濾料的功能一般比較單一，主要通過截留降低濁度，而對有機物和重金屬離子等不能有效去除。針對水源水的有機物和重金屬離子污染，出水一般不能達標，給飲用水處理工作帶來很大挑戰。本研究擬探討一種質量輕、強度高、化學性能穩定的具有較強吸附能力和離子交換能力的多功能濾料，是目前微污染水處理領域研究和關注的熱點，也是提升出水水質、應對地表水源污染的有效對策。該技術能夠有效提高和保障飲用水水質，具有廣闊的發展和應用前景。

參考文獻

[1] 嚴煦世,范瑾初.給水工程.北京:中國建筑工業出版社，1995

[2] 楊宏，李冬，張杰．生物固錳除錳機理與生物除鐵錳技術．中國給水排水，2003，19(6)：1～5

[3] 潘俊,王娟.試論鐵錳的環境水文地質問題. 黑龍江科技信息 2009 ,3

[4] 國家環保總局,生活飲用水水質衛生標準GB5749-2006

[5] 張杰,李冬,陳立學,楊宏.地下水除鐵除錳機理與技術的變革.自然科學進展2005,15(4)

[6] 朱福寧,蔣浩.淺談地下水除鐵錳技術及應用.黑龍江環境通報. 2007 第1期

[7] 張吉庫,傅金祥,周華斌,等.地下水除鐵除錳技術與發展趨勢.沈陽建筑工程學院學報(自然科學版).2003年03期

[8] 薛罡,趙洪賓.地下水除鐵除錳技術新進展.給水排水.2002年07期

[9] 禹麗娥. 地下水生物除鐵效果及其動力學研究[J]. 供水技術,2009(3):19-21.

[10] 石英砂用于農村高氟水處理研究中國農村水利水電2008,6

[11] 高繁華,張永明,高雄厚;石英砂的改性技術[J];工業催化;1998年02期

[12] 魏翔,朱琨,王海濤,楊建濤,馬娟;改性石英砂吸附水中有機物的試驗研究[J];甘肅環境研究與監測;2003年03期

[13] 薛罡;鄒聯沛;劉建勇;李海軍接觸氧化法除地下水鐵錳時不同濾料性能的對比研究 東華大學學報(自然科學版) 2002 第6期

[14] 胡文容,高廷耀;煤礦酸性礦井水除鐵研究[J];中國給水排水;1995年01期

[15] Ye-ChunSong, Experimental study on removal of manganese and ferrous ion in groundwater by modified zeolite ,CHINESE JOURNAL OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING .2009.07.

[16] 汪寧改;李國亭;劉秉濤;李東穎;劉會娟;曲久輝紫外光照射下鐵錳物種對酸性橙Ⅱ的脫色研究  環境化學 2009 第2期

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

相關積累：

通過對創新實驗“沸石對水中四環素吸附的最佳反應條件研究”、科技立項 “沸石對水中四環素吸附的最佳反應條件研究”及 “一種處理含鎘廢水的改性炭化稻殼負載地衣芽孢桿菌生物吸附劑的制備”等項目和課題的研究和實踐，總結出相關課題的數據與經驗。

已取得成績：

通過長期的多方實踐與研究，了解了國內外現有的多種水處理的方案與模式，總結出現有發展模式的優點與弊端，并通過研究實踐，對更多的有待改善的水處理模式進行了了解與考察。此外，項目組成員的具體情況如下：

劉京都：男，給排水16-03班，基礎知識牢固，專業興趣濃厚，學習能力強，喜歡鉆研探索，組織能力強，細致，認真。為本項目負責人。

呂  昱: 女，給排水15-01班，實踐能力好，成績優異，參與完成多項科研研究，積極負責，有很好的擔當意識。在本項目中主要負責實驗及分工安排。

夏建杰：男，給排水16-03班，具有良好的給排水的基礎知識，動手能力強，思維開闊，具有創新精神，物理知識豐富。在本項目中主要負責數據整理與實驗。

張俊才：男，給排水16-03班，學習能力強，有較強的團隊合作精神，動手實踐能力較強。細心、認真、善于觀察。在本項目中主要負責理論分析及計算。

魯浩南：男，給排水16-03班，有一定的實踐經驗，學習認真，有較強的團隊精神，溝通能力強。在本項目中主要負責實驗與數據分析。

項目的創新點和特色

1、近年來水體中微污染水污染狀況日趨嚴重，本項目挑戰傳統處理工藝。而且，微污染水的處理一直沒有得到系統研究，更沒有其特定的規律及成熟的處理方法，本項目將立足于本目的和方向展開研究。

2、隨著新版飲用水水質標準（GB5749-2006）的頒布和公眾健康意識的提高，生物過濾法將成為去除微污染水的首選工藝之一。本課題擬采用環保、高效和經濟的生物過濾法達到去除水中微污染水的目的，探討可操作的微污染水水源治理方案、措施與模式。

3、通過在石英砂表面附著不同功能的物質, 改善濾料表面的性質, 制成具有優良吸附性能和一定機械強度的改性濾料。鑒于我國目前的經濟水平, 這一技術將在給水處理中有廣闊的應用前景。

 總的來說，該方法對傳統的水處理技術是一個很大的挑戰，有很強的創新性，一旦實驗成功，可以大量推廣應用于水處理，服務于各大城鎮。

項目的技術路線及預期成果

研究方案和技術路線：

1、研究方案

根據理論分析，超聲波+微波對石英砂進行改性應當會改變石英砂的表面特征及比表面積等，改性后的石英砂對微污染水的處理效率也將發生變化，基于此，我們計劃分以下幾部分開展研究工作：

（1）石英砂改性研究

用不同方法進行改性，尋找出比較理想的改性方法。按照先超聲波再微波的順序對石英砂進行改性，分別對原天然石英砂和改性石英砂進行電鏡掃描和表面面積測定，考察改性效果，確定超聲波和微波處理強度、時間等與改性效果之間的規律。

（2）湘江微污染水源水處理試驗研究

根據試驗結果確定的最佳運行條件，用取自湘江微污染水源水進行處理試驗，驗證此前的研究結果，并進一步對運行條件進行調整，最終確定指導工程實踐的設計和運行參數。

圖1 實驗裝置示意圖

2、技術路線

收集吸附和化學氧化理論與實踐的前沿成果作為理論指導，運用水處理理論、化學、物理、儀器分析等多學科的原理，對影響處理效果的因素進行理論分析和比較，確定試驗考察參數，改變參數進行一系列的反復試驗，然后在對湘江微污染水源水進行處理，確定工藝的控制參數。

項目實施遵從“理論——試驗——理論——實踐應用”的路線。

預期成果：

1、查閱國內外相關文獻和參考資料，根據已有資料寫出試驗方案（包含技術、經濟分析）。

2、探索出處理微污染水的處理模式，預測其實際應用前景，進行理論性的研究。

3、探索影響去除效率的因素、規律，確定最佳工藝運行條件，對湘江微污染水源水進行處理研究。

4、總結實驗數據，并深入研究撰寫論文。

年度目標和工作內容（分年度寫）

本實驗計劃研究的時間預期1年7個月，期限為2018年5月—2019年12月。階段工作計劃如下：

2018年5月～2018年6月：廣泛查閱相關文獻，制定詳細可行的研究計劃，進行人員分工，全面做好研究準備工作。

2018年7月～2018年12月：電鏡觀察改性后石英砂的表面特征、分析計算比表面積、孔隙率等等考察超聲波聯合微波對石英砂的改性效果。通過天然石英砂和改性石英砂對微污染水源水的處理對比試驗研究，考察石英砂改性對去除效率的影響。   

2019年1月～2019年7月：通過正交試驗試驗探索影響去除效率的因素、規律。

2019年7月～2019年12月：對湘江微污染水源水進行處理研究，確定最佳工藝運行條件；總結課題、撰寫論文、完成并呈交結題報告。

指導教師意見

選題合理、新穎，方案可行，具有明顯的社會價值與效益，同時實際工程價值顯著，同意指導！

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