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1、零碳低碳增氧设备及其应用的研究报告主要研究者：殷友庭 殷坤镇江市华城城镇建设新技术研究所二一一年五月1零碳低碳增氧设备及其应用的研究报告目 录一、引 言 .1二、低碳零碳人工增氧设备的研究 .121 人工增氧的意义 .122 型零碳增氧设备 风能水循环增氧机的研制 .2221 概述 .2222 风能水循环增氧机的增氧机制 .223 低碳增氧设备 风电双动力水循环增氧机的研发 .324 型零碳增氧设备风光双动力水循环增氧 机的研发 .3三、零碳低碳增氧设备的应用研究 .431 概论 .432 应用领域 .4321 农村环境连片整治 .41相关背景 .42 规划布局 .43工程规模 .54充分利用
2、近自然农业的环境治理和环境保护功能 .55零碳低碳设备碳汇工艺用于农村环境连片整治的前景 .5322 改善自来水水源的水质状况，提高饮用水安全性 .6323 消除河道黑臭现象改善环境质量 .6324 湖泊富营养化的治理 .7325 发展水产养殖业 .7四、展 望 .71提 要本报告在我单位参与研发的国家“九五”重点科技攻关项目“风能水循环增氧机” （2000 年获得国家专利）的基础上，我单位独自相继开发了低碳设备“风电双动力水循环增氧机”和零碳增氧设备“风光双动力水循环增氧机”作为水体的人工增氧设备，并就该设备在农村环境连片整治中污水处理、提高给水水源水质安全性、消除河道黑臭现象改善环境质量、
3、湖泊水体富营养化治理以及渔业水体增氧等领域的应用进行了研究，从而为在上述领域以风能、太阳能取代燃煤电能，走低碳发展之路提出了技术方案。一、引言“十二五”规划纲要指出，要“深入贯彻节约资源和保护环境基本国策，节约能源，降低温室气体排放强度，推广低碳技术，积极应对全球气候变化” 。当前，在以低碳技术和低碳产品为核心的新一轮发展中，寻找低碳发展之路，已经成为各行各业的新思维。本报告提出了主要由我单位研制的零碳低碳人工增氧设备，并就该设备在若干领域的应用的若干问题进行了研究，提出了技术方案。该项低碳技术不仅可以节约电耗，降低成本，取得显著的经济效果，更重要的还在于在众多领域由于采用低碳技术降低 CO2
4、 等温室气体的排放，从而为应对全球气候变化作出有益贡献。二、低碳零碳人工增氧设备的研究21 人工增氧的意义以污水处理稳定塘为例进行分析。在好氧塘中，菌、藻存在互利共生关系。一方面藻类利用好氧塘异养菌在有机污染物降解反应中的产物 CO2、无机营养物等在阳光能量的驱动下进行光合作用反应使藻类增殖并释放的氧；另一方面好氧异养菌需要利用藻类合成反应所产生的氧作为有机污染物降解反应的电子受体。由于藻类的光合成反应依赖于阳光辐射提供的能量，因此只有在白昼才能进行。在正常光照条件下，白昼中午时刻，水体表层溶解氧浓度可达到饱和甚至过饱和状态，但达到了夜间，不仅藻类光合产氧过程停止，而且水体中的生物呼吸而消耗大
5、量溶解氧，致使水体的溶解氧浓度急剧降低，到了凌晨时刻，溶解氧浓度接近于零，这就导致塘中溶解氧昼夜时间分布上的不均匀；另一方2面由于阳光辐射量随着塘中水深的增加而迅速消退，因此在水层深处，溶解氧浓度很低，呈缺氧状态，这就导致塘体内溶解氧浓度在空间分布上的不均匀。同时，还应考虑到，阳光辐射强度在一年内因月份不同而有很大变化，根据临界设计时期理论，好氧塘设计所采用的藻类产氧量为一年中阳光辐射值最低月份的产氧量。由于好氧异养菌对有机污染物的降解反应速度取决于电子受体（分子氧）的供应量，因此塘内虽存在共生关系，但藻类的光合产氧量是菌类降解有机物反应速率的限制因素。在综合考虑上述各种因素的情况下，设计所采
6、用的塘表面有机负荷是较低的。上述分析阐明了塘内氧量不能充分、连续、稳定地供应是造成传统稳定塘有机负荷低、占地面积大、运行不稳定的原因所在，也就从中找到既能克服传统稳定塘的缺点，又能保留其固有有点的措施，就是对塘内水体进行人工增氧。22 型零碳增氧设备 风能水循环增氧机的研制22 1 概述当前，稳定塘大多采用电动表曝机进行人工增氧来强化净化效能，但由于存在用电量大，运行费高等缺点而使得污水处理设施所存在的“建得起，用不起”的局面难以有效克服。考虑到我国是一个季风盛行，风力资源的较丰富的国家，将风力资源用于污水处理、水体净化、水产养殖等领域前景十分广阔。为此，国家有关部门于 1996 年将风能水循
7、环增氧机课题列入“九五”国家重点科技（攻关）计划。从 1996 年在天津大学进行风洞试验开始到 1999 年建设部鉴定结束，历时近 4 年。2000 年获得国家专利，同年被中国环境保护产业协会列为当前国家鼓励发展的环保产业设备 。22 2 风能水循环增氧机的增氧机制当气流通过风轮时，由于气流对轮叶凸面和凹面的作用力不同，对凹面的作用力大于凸面的作用力，因此组成一个力偶矩。此外，当气流经过两次转向，产生两个方向相反的力，分别作用于凹凸轮叶上，此一对力又组成一个力偶矩，风轮在上述两个力偶矩的共同作用下产生转动，并通过中轴带动其末端的螺旋桨同步旋转，在浮基的中央设有导流筒，螺旋桨设于其中。当螺旋桨旋
8、转时，其叶片将水体向下推动，于是导流筒上部的水体向下流动进行补充从而导致筒3口水面下降，致使筒口水面四周富含溶解氧的表层水体向导流筒汇集，于是形成了以导流筒为中心的汇水漏斗。通过漏斗的汇集和叶片的推动，把富含溶解氧的表层水体沿径向输送至水体深层，并把该处的缺氧水体顶托至水体表层，从而形成了竖向环流。在此环流的作用下，形成了如下增氧机制：一是把富含溶解氧的表层水体迁移、输送至缺氧的水层深处，改变了塘中 DO 浓度沿着水深的分布状况，避免了表层水体因溶解氧过饱和时产生的逸散现象，从而提高了整个糖体的 DO 水平，起到了氧库的贮存调节作用；二是加快了表层水体气、水接触截面的更新速度，根据列易斯双膜理
9、论，这就增大了液膜中溶解氧的浓度梯度，从而增强了大气中的氧向水体转移的推动力。23 低碳增氧设备 风电双动力水循环增氧机的研发风能水循环增氧机的增氧能力取决于风速的大小，风速又受大气环流和当地小气候等因素的影响而变化无常，只有当风速达到增氧机的工作风速时，其额定增氧能力才能得到保证。根据苏南某市的风速频率分布资料可知，小于工作风速的历时约占全年总时数的 20%以上，这表明一年中有相当长的时段实际风速小于工作风速，甚至处于停风状态，从而造成增氧能力的缺失，由此而引起塘处理效率的降低和处理效果的不稳。为了克服风能增氧机所存在的上述缺点，我单位研发了风电双动力水循环增氧机 ，该增氧机系在保留风能水循
10、环增氧机核心技术的基础上增加了工况转换等装置，以便可以在风速大于启动风速时，由风力驱动增氧机进入风动工况；当风速达不到最小工作风速且水体DO 浓度小于设定值时，开始进行工况转换而进入电动工况，以确保增氧机能做到充分、连续、稳定地供氧。24 型零碳增氧设备 风光双动力水循环增氧机的研发风电双动力水循环增氧机虽然有助于改善和提高风能水循环增氧机供氧的连续性和稳定性，但一年内仍有相当长的时间需要以火电电力作为增氧机的驱动力，因此电力资源消耗仍较大。在当前气候变化已成为世界各国关注焦点的情况下，采用可再生能源取代火电能源，走低碳发展之路已成为国际大趋势。为此本报告采用太阳能光伏电力取代燃煤电力，组成“
11、风光双动力水循环增氧机” ，从而达到使水循环增氧机完全不用火电而全部以太阳能为驱动力的零碳增氧设备。4三、零碳低碳增氧设备的应用研究31 概论生物的一切代谢活动都必须以水为介质，生命赖以存在的各种生物化学过程都必须在水溶液中进行，因此，水成为组成生态系统的基本组成成分。在水体中除了含有各种无机物质和有机物质，还生长了由消费者生物，生产者生物和分解者生物等生物成分组成了生态系统，它们承担着将复杂的有机物降解为简单的无机物。对有机污染物起降解作用的是好氧异养细菌，每降解 1 克有机物理论上需要 1.56 克氧作为电子受体。因此在下述各种领域中氧的充分供应将作为减少温室气体的排放，应对气候变暖的一项
12、有力措施，无疑具巨大而深远的意义。下面就零碳低碳增氧设备在不同领域中应用的有关问题进行分析探讨。32 应用领域32 1 农村环境连片整治1相关背景为了推动农村区域环境质量得到有效改善，2010 年 5 月财政部、环境保护部在北京分别与辽宁、江苏等省市签署农村环境连片整治示范协议。根据协议，力争在 3 年内，示范区域实现农村突出环境问题得到有效解决，环境质量得到明显改善，农村生活污水等得到有效处置。对农村环境综合整治重点实行整村推进，连片治理。目前有关省市正在积极采取措施贯彻协议。以江苏为例，省有关部门结合太湖、淮河流域和南水北调沿线实际情况，确定太湖流域优先开展撤销乡镇镇区和保留村庄的生活污水处理，建设生活污水和处理设施。2 规划布局在农村环境连片整治中，做到“抓点、带线、促面” 。连片就是以解决区域性突出问题为主线，对农村区域空间与相对聚集，环境问题同类，环境敏感目标相同的多个村庄，通过同步治理，使环境问题得到较大范围的解决。在选择连片村庄时，规划布局遵循三项原则：第一、规划保留的村庄纳入治理对象；第二、各示范区原则上确定一个示范片区，这个片区内的村庄要有相当的数量5规模，连片受益人口不少于两万人；第三、连片区域可
