CN102225804B - 一种快速应急处理富营养化水体的滤式生物模块反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速应急处理富营养化水体的滤式生物模块反应器及其应用。本发明所述反应器由1~n个可自由组合的框式滤料模块组成；所述框式滤料模块中填充了天然材料类的滤料。本发明所述反应器可以根据处理水量和污染物浓度设置不同的滤料模块系统进行并联或串联组合，安装、拆卸灵活方便，所述反应器的水力停留时间短，能够适应需要高水力负荷处理的大面积水体，且脱氮、除磷和除藻的效果好，反冲洗周期长，可广泛应用于富营养化水体的修复和饮用水源地取水口水质的安全净化。

Description

一种快速应急处理富营养化水体的滤式生物模块反应器及其应用

技术领域

本发明涉及水处理领域，具体涉及一种快速应急处理富营养化水体的滤式生物模块反应器及其应用。

背景技术

近年来，随着经济的迅速发展，大量的城市生活污水和工、农业废水排放到河流、湖泊等地表水中，导致了水体中氮(N)、磷(P)营养盐富集和水体富营养化。目前我国131个主要湖泊中，富营养化的湖泊占到51%。五大淡水湖中，太湖、洪泽湖、巢湖已达富营养程度。水体富营养化已日益成为全球性的水环境污染问题。水体富营养化引起藻类大量繁殖并产生“水华”，其危害主要表现在：①大量藻类覆盖水面，使阳光难以穿透水层，影响水中植物的光合作用和气体交换；藻类死亡后分解消耗水体中的溶解氧，对水生动物的生长和繁殖产生影响；②藻类在生长过程中或死亡裂解后会释放出藻毒素，藻毒素会直接毒害鱼类等水生生物，同时藻毒素能诱发肝癌、损害神经系统，对饮用水安全构成严重的威胁；③大面积的藻类暴发，严重破坏了水生生态系统的平衡与稳定，影响水体景观和水产养殖业的发展。

目前对藻类暴发的富营养水体的处理方法有物理法、化学法、生物法。物理法包括机械除藻、气浮除藻、过滤除藻、混凝沉淀除藻、活性碳吸附除藻等方法，这些物理法直接对藻体细胞进行去除，虽然效果明显，但会因藻类粘附造成堵塞，需频繁地反冲洗，大大增加了运行难度和成本；此外这些方法无法去除水体中引起“水华”的氮、磷营养盐，只是一种治标不治本的方法。化学法是向水体中加入氧化剂（如液氯、二氧化氯、高锰酸钾、臭氧等）或杀藻剂（硫酸铜）杀死藻类，工艺简单，造作方便，除藻速度快，但不能从根本上改变水体富营养化状态；且藻体细胞死亡后分解消耗溶解氧，释放出藻毒素，容易造成二次污染，导致水体溶解氧下降、鱼类死亡、生物多样性降低，使水体环境形成恶性循环。生物法是向水体中投放特定的水生植物或微生物（如光合细菌）对水体中氮、磷营养盐进行吸收、迁移、代谢，或利用植物的化感作用抑制藻类的生长；此外还可以投放滤食性鱼类吞食藻类。生物法处理是一种健康的生态修复方法，但处理周期长，见效慢，需要定期对植物和动物进行收获，且植物和动物投放的密度要严格控制，否则将适得其反。

上述的这些处理技术各有所长，但都有一定的不足和局限性，无法大规模推广应用。因此，开发一种高效节能环保的针对富营养化水体的除藻、脱氮、除磷综合治理和控制技术，对有效控制富营养化水体藻类暴发和保障饮用水安全尤为重要。

发明内容

本发明结合物理法和生物法的优点，开发一种快速应急异位处理富营养化水体的滤式生物模块反应器，英文名为：Filter Biological Modular Reactor。该装置采用旁路处理手段，可根据现场的条件和水体富营养化程度，自由灵活的组合反应器模块，操作运行工艺简单快捷。通过滤料的物理吸附和滤料表面生物膜中微生物的降解作用，快速有效地去除富营养化水体中的藻类和氮磷营养盐，无二次污染，能达到标本兼治的效果。该发明可用于富营养化水体“水华”暴发的应急处理，轻度富营养化水体“水华”的预防，以及饮用水水源地水体的快速处理，为饮用水水源地取水口安全取水提供保障。

本发明是由如下技术方案予以实现：

本发明提供了一种高效节能针对富营养化水体快速应急处理的滤式生物模块反应器。该反应器由1~n个可自由组合的框式滤料模块组成；所述框式滤料模块中填充了滤料。

上述框式滤料模块（见图1）由可自由组合，模块两侧可以由连接栓架组合固定，连接栓之间可以上下相互咬合固定。模块中填入天然石料作为滤料，上层粒径为40~50mm，中层粒径为20~30mm，下层粒径为30~40mm，其功能分别为：上层大粒径滤料可作为布水层，由于滤料粒径较大，不易发生短流和堵塞现象；中层小粒径由于比表面积大，可作为主要处理层；下层为中等粒径滤料，有集水的作用，可将中层出水分散开来。

作为一种优选方案，上述天然石料类的滤料，优选火山石。

模块组件可现场安装，将受污染水泵入高处水塔，污水通过管网，由流量计控制进水负荷，污水经布水管道和模块上层滤料二次布水后均匀地进入至中层滤料。污水中的氮、磷营养盐和藻类、微生物被表面积大的滤料所吸附，经过一段时间处理和驯化后，在滤料的表面形成一层生物膜，污水中的有机物和营养盐被生物膜上的微生物分解和利用。污水经过滤料模块处理后，出水进入集水系统，并从出水管排出。

在处理时， 可根据水体富营养化程度和现场条件，进行单个模块或多个模块串并联组合运行。层叠串联的模块之间用连接栓架形成一个跌水曝气空间，对水体进行自然复氧，增加水体中溶解氧，保持生物膜的微生物活性，强化处理效果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

该装置对富营养化水体的处理是基于滤料的吸附作用和以滤料为载体的生物膜中微生物对有机物和氮磷的去除。滤料模块中填入天然石料类的滤料，平均孔隙率在40%以上，水流阻力小，不易堵塞，布水布气均匀，且机械强度高，抗腐蚀，能经受不同强度的水力剪切所用，使用寿命长；天然石料类滤料表面带有正电荷，比表面积大，有利于吸附藻体细胞和微生物固着生长，挂膜速度快，不参与生物膜的生物化学反应。

由于整个反应器的开放式结构，模块滤料表面形成以好氧微生物为优势群落的生物膜。当污水接触滤料后，水体中的悬浮颗粒、藻类和微生物被滤料吸附而截留，生物膜上的微生物（假单孢菌属、芽孢杆菌属和真菌等）分泌出溶菌酶、纤维素酶、蛋白酶等胞外酶分解藻体细胞，细胞组分进而被微生物所利用；藻类细胞破裂释放出的藻毒素为生物膜上的微生物所降解；水体中的氨氮被好氧生物膜中的硝化细菌转化生成硝态氮，从而降低了直接以氨氮为营养盐的藻类对氮素的吸收；水体中的磷通过滤料的吸附和生物膜上聚磷菌在好氧条件下的过量吸磷作用而去除。

该滤式生物模块反应器各个组件可以快速安装和拆卸，同时由于模块的层叠结构让水流在自上到下的过程中仅依靠自身重力即可完成处理，并且在模块中滤料的大小中填充方式，使得污水在整个处理的过程中既能实现污染物的去除，又可以不阻碍下行的过程，因此相比较其他工艺，本发明的水力停留时间短，能够适合不同水力负荷，特别是需要高水力负荷处理的大面积水体。而生物膜的作用也使得污染物被大量分解却很少留在滤料表面阻塞空隙，所以反应器在运行的过程中能够达到往复使用，反冲洗周期长的特点。水体和滤料中溶解氧较低时，可通过连接桩在串联的模块系统间增加跌水曝气空间，增加水体和滤料生物膜上溶解氧浓度。此特点不仅能在水处理过程中提供自然曝气作用，而且也避免了现有一些处理装置因尺寸固定而不能依据实际情况增减处理高度和曝气高度的弊端；底部的集水层可将出水统一收集后经排水孔及管道排回水体中，避免了因异位处理造成的水源流失。

本发明装置可将多种组合置于现场循环运行，占地面积小，动力能耗低，运行管理方便，处理效果好。可广泛应用于富营养化水体水华暴发的快速应急处理，尤其可以针对饮用水源地取水口水质的净化处理，也能为轻度富营养化水体的水华预防做准备。

附图说明

图1为单个框式滤料模块反应器结构剖面图；

图2为多个框式滤料模块并联串联组合后反应器的剖面图。

具体实施方式

    以下结合实施例来进一步解释本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。

实施例

广东某地一湖区，面积约为3120m²，丰水期水位约1m，枯水期水位约0.55m，湖水与下水道相连，当水位超过警戒时将排入下水道，湖水水源主要依靠雨水补给。由于平时在湖放养鱼类，供离退休干部垂钓，并且湖区一角放养鸭禽，因此投放的饲料以及鱼、鸭的排泄物致使水体中氮、磷含量过高，时常有水华暴发的情况。水体中Chl-a（叶绿素）的浓度平均在100ug/L左右。将滤式生物模块反应器安装置于该湖旁，设计参数和组装方式如下： 

1、以单模块作为处理反应器，填充不同滤料

（1）框式滤料模块：尺寸为1000×600×500mm；

     填充滤料：分别填充砾石、火山石、沸石三种滤料；

（2）集水承托层：尺寸为1200×700×100mm，底部有一条集水管，与排水口连通；

（3）运行方式：在反应器上层布水滤料中设置布水管，反应器下方由集水层承托（见图1）。

设计每个反应器日处理水量为5m³/d，HRT（水力停留时间）为：

砾石：1’09’’；火山石：53’’；沸石：59’’。

进水量由流量计控制，水力负荷为8m/d，每个反应器占地面积0.84m²，高0.6m。

进水情况：

Chl-a（叶绿素）92～106ug/L；

NH₄ ⁺-N（氨氮）0.84～1.06mg/L；

TP（总磷）0.15～0.37mg/L。

处理效果：

由上表可以看出，以火山石作为填充滤料的模块反应器处理效果最好。

2、以组合式模块作为处理反应器，填充一种滤料

（1）组合式滤料模块（即框式滤料模块）：尺寸为1000×600×500mm；

     填充滤料：火山石；

（2）集水层：尺寸为2200×1500×100mm，底部有两条集水管，与排水口连通；

（3）组装方式：每组反应器由两个模块上下层叠组合，中间设置100mm跌水曝气层，四组反应器以田字型排列，由下方基底集水层承托，并设置四个排水管（见图2）。

设计单组模块日处理水量为5m³/d，则田字型处理水量即为5×4=20m³/d，HRT（水力停留时间）为1’30’’，进水量由流量计控制，水力负荷为8m/d，整个组合占地面积3.3m²，高1.2m。

进水情况：

Chl-a（叶绿素）92～106ug/L；

NH₄ ⁺-N（氨氮）0.84～1.06mg/L；

TN（总氮）1.92～2.5mg/L；

TP（总磷）0.15～0.37mg/L。

从进水情况来看，该湖水NH4+-N介于地表水III类和IV类水之间，TN为地表水V～劣V类水标准，TP超过地表水V类水平0.02mg/L的7.5～18.5倍（参照GB3838-2002地表水环境质量标准基本项目标准限值，TP依照湖、库标准）。

处理效果：

Chl-a（叶绿素）：出水33～47ug/L，去除率49.8%～64.1%；

NH₄ ⁺-N（氨氮）：出水0.01～0.10mg/L，去除率90.6%～98.8%；

TN（总氮）：出水0.96～1.37mg/L，去除率35.2%～52.9%；

TP（总磷）：出水0.08～0.11mg/L，去除率21.3%～70.9%；

由处理后的出水情况来看，Chl-a去除效果良好，出水浓度较低，水质清澈，NH₄ ⁺-N浓度转化到I类水标准，TN已降到地表水III～IV类标准，TP浓度降到地表水V类标准0.02mg/L的4～5.5倍（以湖、库为准）。

Claims (5)

1.一种滤式生物模块反应器，其特征在于由1个或多个可自由组合的框式滤料模块组成；所述框式滤料模块中填充了滤料，所述框式滤料模块中填充的滤料分为上、中、下三层，上层为布水层，中层为处理层，下层为集水层；所述上层滤料粒径为40~50mm，中层滤料的粒径为20~30mm，下层滤料的粒径为30~40mm；所述框式滤料模块中填充的滤料为天然石料类，且滤料的平均孔隙率在40%以上。

2.根据权利要求1所述的滤式生物模块反应器，其特征在于所述天然石料类为火山石。

3.根据权利要求1所述的滤式生物模块反应器，其特征在于多个所述框式滤料模块层叠串联，且多个框式滤料模块两侧由连接栓架组合固定，层叠串联的滤料模块之间形成跌水曝气空间。

4.根据权利要求3所述的滤式生物模块反应器，其特征在于所述连接栓架之间上下相互咬合固定。

5.权利要求1~4中任意一条权利要求所述滤式生物模块反应器在富营养化水体处理中的应用。

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