2019年度陕西省科技进步奖提名公示内容一、项目名称湖泊水库绿色低

2019年度陕西省科技进步奖提名公示内容

一、项目名称

湖泊水库绿色低碳水质控制关键技术集成研究与应用

二、提名者及提名意见

1.提名者：

陕西省教育厅

2.提名意见：

该项目针对湖泊水库水质原位控制技术的运行能耗高、水下安装维护难，以及湖泊水库水质污染控制技术单一的技术现状，历经近10年致力于湖泊水库绿色低碳水质控制技术体系相关研发与工程推广工作。

项目团队先后依托国家自然科学基金、陕西省科技统筹创新工程计划、陕西省社会发展重点项目、教育部博士点基金等项目，在高效混合充氧、组合生物修复、水上太阳能供电、多元技术集成与优化设计等方面取得了系列创新性研究成果：建立了湖泊水库绿色低碳水质集成控制技术体系及优化设计方法，开发了零电耗运行、易安装维护、适应性广泛的系列湖库水质控制集成设备；取得了湖库人工诱导内波混合技术、机械提水-表层负压充氧技术、节能型水上太阳能供电技术等突破性原始创新，以及等温层曝气器优计与运行优化、多功能生态浮岛、太阳能混合充氧-生物修复技术集成及设计方法等应用与集成创新。该项目已授权发明专利13项、实用新型专利2项、受理发明专利10项，发表SCI/EI学术论文26篇、中、英文专著各1部。成果已成功应用于陕西、四川等地七处近180亩湖库水质控制工程，取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益。曾获得陕西高等学校科学技术奖励二等奖。

该项目技术上有创新，有广阔的应用前景和推广价值。提名材料齐全、规范，经完成单位公示，无知识产权纠纷，人员排序无争议，符合陕西省科学技术奖提名条件。

提名该项目为陕西省科学技术进步奖三等奖及以上。

三、项目简介

本项目属于环境科学技术领域。

针对湖泊水库水质原位控制技术设备的运行能耗高、水下安装维护难等先天不足，以及湖泊水库水质污染复杂而水质原位控制技术单一的技术现状，项目组先后依托国家自然科学基金、陕西省科技统筹创新工程计划、教育部博士点基金、陕西省社会发展重点项目等，围绕湖泊水库绿色低碳水质控制技术及设备开展了大量研究工作，在高效混合充氧、组合生物修复、水上太阳能供电、多元技术集成与优化设计等方面取得了系列创新性研究成果，建立了湖泊水库绿色低碳水质集成控制技术体系及优化设计方法，进行了多项工程应用。

主要技术内容：

（1）开展了湖泊水库高效混合充氧技术研究，提出了基于底部水体恒温制冷及垂向自然对流的分层水体制备技术，解决了分层湖库水质控制技术定量研究的载体问题；通过大量中试与理论分析，确定分层水体稳定内波形成的临界扰动条件，突破了经济高效的分层水体内波混合技术，混合效率比传统方法提高25%-60%，提出了内波强化混合机理及其强化混合技术方法，完善了内波形成理论，完整了分层水体混合理论，填补国内外内波在分层水体混合领域应用的研究空白，解决了传统混合技术的高能耗问题，为新型经济高效水体混合技术应用和推广奠定基础；

（2）创新性发明了机械混合-表层负压充氧的技术，革新了将混合充氧主体单元置于水体底部的传统技术，解决了传统混合充氧设备水下安装维护难的现实问题；建立了不同工况下混合充氧性能的预测

方法，确定了文丘里管的最大淹没水深，优化了设备的结构及合理安装间距；

（3）对水上太阳能供电技术及设备进行了研究，发明了利用可调式不锈钢支架随时随地调节太阳能电池板最佳倾角的技术方法，提出了太阳能电池板与支撑浮体的活动连接方法，研制了太阳能电池板和蓄电池组的整体绝缘方法，经济安全地解决了湖库水上机械装置的供电问题；

（4）开展了污染水体组合生物修复系统构建技术研究，创造性发明了兼具水生植物吸收与生物膜降解功能的新型高效生态浮岛，提出了大幅增加水生植物有效种植面积的技术方法，使水生植物有效种植面积与浮岛面积的百分比由传统浮岛的20%提高到80%，确定了浮体表面形成生物膜的有效技术措施，构建了集水质净化与生态照明与一体的多功能生态照明浮岛；发明了对生态浮岛水生植物干燥堆肥技术与设备，解决了生态浮岛大量繁殖的水生植物处置的棘手问题，推动了水污染治理过程中的资源循环利用与可持续发展；

（5）开展了太阳能混合充氧-生物修复技术集成及设计方法研究，提出了基于充氧性能最优的等温层曝气器优化设计与运行方法，解决了目前等温层曝气器设计不科学和运行不理想的技术难题，促进了等温层曝气器在深水湖库水质控制中的应用；针对不同水深及污染类型的湖泊水库，构建了太阳能内波混合、机械混合-负压充氧、等温层曝气、多功能生态照明浮岛等不同组合的协同除污染集成技术与设备，建立了基于FLUENT和MIKE3的集成技术系统的设计方法，填补国内外湖库水体原位水质集成控制工程计算机设计的研究空白；应用该集成技术于多项湖泊水库水质控制工程。

主要创新点：

（1）湖库人工诱导内波混合技术：提出分层水体稳定内波形成的方法及临界条件，突破分层水体内波混合技术，揭示内波强化混合机理，提出内波强化混合技术方法与措施；

（2）湖库人工充氧技术：研制机械提水-表层负压充氧技术，采用置于水体表层的叶轮旋转而提升水体产生水体内部混合，利用文丘里系统负压吸入空气对水体充氧，优化了设备结构和安装间距；建立等温层曝气器水动力学及充氧动力学模型，以充氧量和能量效率为指标，提出了等温层曝气器优化运行技术方法；

（3）多功能生态照明浮岛：通过浮岛结构设计大幅增加水生植物有效种植面积、高效附着生长生物膜，设置灯光亮化系统可实现夜间水上照明、并加强植物的净水作用，进一步研制生态浮岛水生植物干燥生物堆肥技术与设备，在水质生物修复过程中实现资源化；

（4）太阳能混合充氧-生物修复技术集成及设计方法：发明了基于可调式太阳能电池板的节能型水上太阳能供电系统，经济安全地解决了湖库水上机械装置的供电问题；针对不同水深及污染类型的湖库，构建了太阳能混合、充氧、多功能生态照明浮岛等不同组合的协同除污染集成技术与设备，建立了基于FLUENT和MIKE3的集成系统的智能设计方法。

本项目已申请国家核心知识产权25项（其中已授权发明专利13项、实用新型专利2项，受理发明专利10项）；发表SCI/EI学术论文26篇、中、英文专著各1部；先后培养硕博士研究生26名。成果已成功应用于陕西、四川等地七处近180亩湖库水体治理工程，零电耗运行，取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益。

四、客观评价

1.科技成果鉴定（或验收意见）

（1）项目依托国家自然科学基金面上项目（51178379）、陕西省科技统筹创新工程计划项目（2015KTCL03-15）、教育部博士点新教师科研专项基金（20106120120012）、陕西省社会发展重点科技项目（2010K11-02-03）、陕西省自然科学基金面上项目

（2010JM7009）、陕西省教育厅专项科研计划项目（11JK0954），

开展了基于混合充氧的湖库水质改善的基础理论及工程应用研究，分别于2015、2018、2014、2014、2012、2014年通过结题验收。

（2）陕西省科技统筹创新工程计划项目（2015KTCL03-15）于2018年通过陕西省科技厅的结题验收，主要意见为“针对传统混合充氧技术的高能耗问题，研发了分层湖库人工诱导内波混合技术，研制出机械混合-表层负压充氧一体化装置，研发了基于浮岛结构优化、微生物固定化及生态照明于一体的新型多功能生态浮岛技术，深度研发诱导内波混合-表层充氧-生物修复一体化水库水质原位改善集成技术与装备，提出了太阳能高效节能技术；在中试研究、现场试验和数值模拟的基础上，进一步研制出混合充氧-生物修复原位水质改善集成设备的设计方法”。

（3）陕西省社会发展重点科技项目（2010K11-02-03）于2014年通过陕西省科技厅的结题验收，主要意见为“不同水质污染类型的水源水库需要不同的混合充氧技术，通过本项目的研究，可以更加经济高效地解决不同类型的水源水库水质污染问题；等温层曝气是解决水库底层内源污染的有效途径，国内研究非常缺乏；采用原位污染控制和水质改善技术手段，会明显改善水库水质和生态环境，具有显著的生态效益”。

（4）陕西省科技厅史高领陕西省自然科学基金面上项目（2010JM7009），评价为“良”。

2.检测报告

项目组研发的太阳能混合充氧-生态修复集成水质控制技术，应用于西安曲江龙都景观湖水质保障工程等7项湖库水质控制工程，经过国家城市供水监测网西安监测站等相关检测机构检测和出具检验报告，水体氨氮（以N计）、总氮和总磷（以P计）浓度等主要水质指标范围分别为0.1-0.6 mg/L、2.0-3.0 mg/L、<0.004mg/L，远远低于我国《城市景观用水水质标准》( GB/T18921-2002)对应的指标限值5 mg/L、15 mg/L、0.5 mg/L，其中氨氮（以N计）和总磷（以

P计）也低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类标准对应的指标限值。

3.工程应用评价

（1）应用情况简介：

项目核心技术、专利产品、主要设备等已经逐步应用于陕西、四川仪陇等三地六处的景观水体、人工湖、水库等水质控制与改善工程，包括现有混合充氧设施改造和新建整体水质控制系统，累计服务封闭或半封闭性水域面积近180亩, 水体水质远优于我国《城市景观用水水质标准》( GB/T18921-2002)，其中氨氮和总磷优于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类标准；以100亩水域计算，采用本技术可以实现水质控制系统零电耗运行、年维护总成本约10万元，而采用传统典型的换水处理和喷水式增氧水泵处理，年运行维护总成本分别约为120万元和100万元，取得了显著的经济效益、环境效益、社会效益，节能减排效果非常明显。

4.教育部科技查新结论

项目组发明的太阳能混合充氧-生态修复集成水质控制技术，主要有4大创新点（见项目简介部分），根据西安交通大学教育部教育部科技查新工作站（Z08）的查新报告（编号201936000Z08D188），在国内外公开发表的中英文文献中未发现与本项目创新点完全相同的报道。

五、应用情况

（1）应用情况简介：

项目核心技术、专利产品、主要设备等已经逐步应用于陕西、四川等两地多处城市内湖、景观水体、水库等水质控制与改善工程，包括现有混合充氧设施改造和新建整体水质控制系统，累计服务封闭或半封闭性水域面积近180亩, 水体氨氮、总氮、总磷、生化需氧量等主要水质指标范围分别为0.1-0.6 mg/L、2.0-3.0 mg/L、<0.004mg/L、<5mg/ L，远远低于我国《城市景观用水水质标准》( GB/T18921-2002)

对应的指标限值5 mg/L、15 mg/L、0.5 mg/L、6 mg/L，其中氨氮（以N计）和总磷（以P计）也低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类标准对应的指标限值；以100亩水域计算，采用本技术可以实现水质控制系统零电耗运行、年维护总成本约10万元，而采用传统典型的换水处理和喷水式增氧水泵处理，年运行维护总成本分别约为120万元和100万元，取得了显著的经济效益、环境效益、社会效益，节能减排效果非常明显。

（2）主要应用单位情况表（限10家）

六、主要知识产权和标准规范等目录

七、主要完成人情况

八、主要完成单位及创新推广贡献

在“湖泊水库绿色低碳混合充氧-生物修复集成水质控制技术”方面做出了创造性的贡献，依托西安建筑科技大学省部共建西部绿色建筑国家重点实验、西北水资源与环境生态教育部重点实验室、陕西省环境工程重点实验室，完成了本项目所需的创造性中试研究工作，先后开展了分层水体人工诱导内波混合、机械混合-负压充氧性能、新型组合生物修复系统、等温层曝气器优化设计与运行、水上太阳能发电系统、多元集成技术性能等关键中试工作，并组织科研力量对绿色低碳混合充氧-生物修复集成水质控制设备性能及设计开展基于数值模拟的创造性研究，参与科研成果的工程推广，对于本项目主要科学发现和核心技术发明创新具有重要贡献。

九、完成人合作关系说明

自2009年至今，西安建筑科技大学孙昕教授科研团队，长期从事湖泊水库绿色低碳水质控制技术体系相关研发与工程推广工作。2010年，孙昕主持陕西省社会发展重点科技项目“分层型水源水库水质改善扬水曝气集成技术研究”（2010K11-02-03）和陕西省自然科学基金面上项目“水源水库混合充氧及污染物迁移研究”（2010JM7009）；2011年孙昕主持国家自然科学基金面上项目“等

温层曝气诱导内波破坏水温分层过程与机理”（51178379）、教育部博士点新教师科研专项基金“等温层曝气充氧动力学研究”（20106120120012）和陕西省教育厅专项科研计划项目“分层水源水库内波混合技术研究”（11JK0954），2015年主持陕西省科技统筹创新工程计划项目“水源水库内波混合-表层充氧-生物修复水质改善集成技术与设备研发”（2015KTCL03-15），解岳、李选龙、杨潘、叶丽丽等作为主要参与人；2012年解岳主持企业横向课题“曲江池、芙蓉园水系水量平衡分析与水质控制对策研究”（201216662），孙昕作为主要参与人；孙昕、解岳、李选龙、杨潘、叶丽丽等5人共同完成相关技术成果，发表26篇SCI/EI学术论文、授权或申报25项国家专利（详见附件清单），为湖泊水库绿色低碳混合充氧-生物修复集成水质控制技术推广奠定了坚实基础；在工程推广应用过程中，孙昕主要负责工程的推广和设计指导，解岳主要负责工程的推广、施工技术指导和技术保障，李选龙、杨潘、叶丽丽等参与工程设计。