CN106809959A - 一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器 - Google Patents

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蒋敏敏
韩亚梅
张欢
林华
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Abstract

本发明公开一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，包括反应器主体和膜组件，反应器主体的下端开设有进水口，反应器主体的顶端设置有排气口和出水口，反应器主体的底端开设有进气口，进气口用于通入氢气；膜组件设置于反应器主体内部，膜组件的进气端与进气口相通。本发明中的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，通过通入氢气并从膜组件以无泡形式扩散到水中供微生物利用，可以使水中污染物和膜组件充分接触，且膜组件为微生物提供了有利的附着场所，通过控制氢气供应量、水力停留时间和进水污染物负荷而实现对氧化性污染物的快速、安全和高效的去除。

Description

一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器
技术领域
本发明涉及水体净化处理技术领域，特别是涉及一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器。
背景技术
目前，我国地表水和地下水受氧化态物质污染的问题仍十分严重。水体中氧化性污染物主要包括：氧化态重金属（重铬酸盐、砷酸盐等）、无机离子化合物（硝酸盐、硫酸盐、溴酸盐、高氯酸盐等）和卤代有机化合物（对硝基氯苯、三氯乙烯、氯仿等）。对上述氧化性污染物的传统去除方法主要包括：物理处理法、化学还原法、离子交换法、反渗透法、电渗析法、吸附法和生物化学处理法等。但是上述一些传统的处理方法，常因为二次污染、处理成本高、处理工艺复杂、安全性等各种因素制约其发展和推广。
利用微生物法处理水体污染是目前比较流行的方法。然而传统微生物处理氧化性污染物一般都是以有机物为电子供体，通过生物还原作用将其去除。为了达到生物还原的目的，需要额外投加碳源如甲醇、乙醇等，既增加了成本，又易引起水体的二次污染。针对上述缺陷，研究人员急需一种新的能够安全清洁卫生的进行水体净化的反应器。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，以解决上述现有技术存在的问题，并且以氢气作为原料不需要额外添加微生物生长所需的有机碳源，具有清洁、无残留、成本低廉、生物产量低、无二次污染等优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，包括反应器主体和膜组件，所述反应器主体的下端开设有进水口，所述反应器主体的顶端设置有排气口和出水口，所述反应器主体的底端开设有进气口，所述进气口用于通入氢气；所述膜组件设置于所述反应器主体内部，所述膜组件的进气端与所述进气口相通。
可选的，所述反应器主体的两端通过螺栓连接固定有上法兰盘和下法兰盘，所述上法兰盘开设有第一预留孔，所述第一预留孔处通过一出水三通分别连接所述排气口和所述出水口，所述出水口连接有U形出水管。
可选的，所述下法兰盘上开设有内螺纹，所述内螺纹用于固定连接PVC外牙直通。
可选的，所述下法兰盘的底端固定连接有一下法兰盘加厚片，所述下法兰盘加厚片上开设有第二预留孔，所述第二预留孔与所述内螺纹和所述进气口相连通，所述进气口用于通过一氢气管接口连接氢气罐。
可选的，所述膜组件包括若干根中空纤维膜丝，多根所述中空纤维膜丝的端头插入一PVC套管并通过胶水固接密封；所述PVC套管固接于PVC外牙直通上，所述PVC外牙直通与所述内螺纹相配合连接。
可选的，所述中空纤维膜丝为对弯的U形设置，且所述中空纤维膜丝的数量为60±5根；所述中空纤维膜丝优选为PVC、PE、PVDF或PEDF材质的中空纤维膜。
可选的，所述中空纤维膜丝的外径为1.0-3.0mm，内径为0.5-1.5mm，膜孔径为0.01-0.1μm。
可选的，所述进水口通过进水管连接原水贮水槽，所述进水管与进水泵连接，且所述进水管上设置有配套阀门。
可选的，所述反应器主体的上部还开设有一回流口，所述回流口通过回流管与所述进水管连通，所述回流管上连接有回流泵。
可选的，所述反应筒体的下部还设置有放空口，所述放空口连接设置有放空管接口。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明采用氢气作为原料，NaHCO3作为微生物生长必需的无机碳源，在微生物的作用下，还原去除水中氧化性污染物，具有清洁、无残留、成本低廉、生物产量低、无二次污染等优点；
2、本发明中的下法兰盘与膜组件之间采用螺纹连接的可分离结构，可拆卸的中空纤维膜组件更易于清洗膜面、维护和更换；
3、本反应器主体中所采用的配件均为标准通用配件易于购买和更换；
4、本发明采用了底部反U型中空纤维膜组件的曝气方式进行无泡曝气，提高了氢气利用率及安全性，增加了膜丝的比表面积，平衡了水压与气体传输过程中沿程阻力，使气体压力在膜丝内部分布更均匀，使膜丝表面的微生物更均匀地生长；
5、本发明中反应器主体采用上流式出水回流到进水的方式，可以有效缓解进水的冲击负荷，使污染物混合更均匀，老化的生物膜更容易脱落。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器的整体工艺流程图；
图2为本发明利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器中反应器主体的结构示意图；
图3为本发明图1中反应器主体的I点放大图；
图4为本发明图1中反应器主体的I点横剖面放大图；
其中，1上法兰盘；2第一预留孔；3出水三通；4排气口；5出水口；6出水管；7橡胶垫；8回流口；9PVC套管；10PVC外牙直通；11放空口；12下法兰盘；13进气口；14第二预留孔；15内螺纹；16进水口；17密封胶；18下法兰盘加厚片；19中空纤维膜丝；20反应器主体；21原水贮水槽；22进水泵；23回流泵；24氢气罐；25螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，以解决上述现有技术存在的问题，并且以氢气作为原料不需要额外添加微生物生长所需的有机碳源，具有清洁、无残留、成本低廉、生物产量低、无二次污染等优点。
本发明提供的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，包括反应器主体和膜组件，反应器主体的下端开设有进水口，反应器主体的顶端设置有排气口和出水口，反应器主体的底端开设有进气口，进气口用于通入氢气；膜组件设置于反应器主体内部，膜组件的进气端与进气口相通。
降解水体中氧化性污染物实现过程为：在原水中加入NaHCO3，作为氢自养还原微生物生长必需的无机碳源，使原水由下端的进水口进入反应器主体内，同时进气口通入氢气，通入的氢气通过膜组件上的微孔以无泡形式扩散至膜外，含有氧化性污染物的原水进入反应器主体被微生物还原降解后，向上流动经顶部的出水口排出，顶部设置的排气口及时释放反应器内剩余气体，有利于出水顺利流出。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-4，其中，图1为本发明利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器的整体工艺流程图；图2为本发明利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器中反应器主体的结构示意图；图3为本发明图1中反应器主体的I点放大图；图4为本发明图1中反应器主体的I点横剖面放大图。
如图1-4所示，本发明提供一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，包括反应器主体20和膜组件，反应器主体20的下端开设有进水口16，反应器主体20的顶端设置有排气口4和出水口5，反应器主体20的底端开设有进气口13，进气口13用于通入氢气；膜组件设置于反应器主体20内部，膜组件的进气端与进气口13相通。
反应器主体20的两端通过螺栓25连接固定有上法兰盘1和下法兰盘12，上法兰盘1开设有第一预留孔2，第一预留孔2处通过一出水三通3分别连接排气口4和出水口5，出水口5连接有U形出水管6。下法兰盘12上开设有内螺纹15，内螺纹15用于固定连接PVC外牙直通10。下法兰盘12的底端固定连接有一下法兰盘加厚片18，下法兰盘加厚片18上开设有第二预留孔14，第二预留孔14与内螺纹15和进气口13相连通，进气口13用于通过一氢气管接口连接氢气罐24。
膜组件包括若干根中空纤维膜丝19，多根中空纤维膜丝19的端头插入一PVC套管9并通过密封胶17固接密封；PVC套管9固接于PVC外牙直通10上，PVC外牙直通10与内螺纹15相配合连接。中空纤维膜丝19为对弯的U形设置，且中空纤维膜丝19的数量为60±5根；中空纤维膜丝19优选为PVC、PE、PVDF或PEDF材质的中空纤维膜。中空纤维膜丝19的外径为1.0-3.0mm，内径为0.5-1.5mm，膜孔径为0.01-0.1μm。
进水口16通过进水管连接原水贮水槽21，进水管与进水泵22连接，且进水管上设置有配套阀门；反应器主体20的上部还开设有一回流口8，回流口8通过回流管与进水管连通，回流管上连接有回流泵23。反应筒体的下部还设置有放空口11，放空口11连接设置有放空管接口。
根据图1-4进行以下详细说明：
首先进行反应器主体20操作，反应器主体20、上法兰盘1和下法兰盘12都是由有机玻璃制成，上下法兰盘均通过螺栓25与反应器主体20连接，法兰盘间通过橡胶垫7密封。在上法兰盘1中间打孔套丝形成第一预留孔2，然后通过第一预留孔2安装连接出水三通3，出水三通3的顶端口为排气口4，侧端口为出水口5，在出水口5安装出水管6。反应器筒体上端水平打孔并套丝接回流口8，用同样的方式在回流口8的同一立面下端接放空口11和进水口16。下法兰盘12底部中间粘接下法兰盘加厚片18，在下法兰盘12中间打孔套丝形成预留接PVC外牙直通10的内螺纹15，下法兰盘加厚片18的底端打孔套丝形成第二预留孔14，第二预留孔14接进气口13，从而通过氢气管接口连接氢气罐24。
然后进行膜组件的组装，将60±5根中空纤维膜丝19裁剪成适当长度对弯成U型，将膜丝端头插入PVC套管9并用环氧树脂密封胶17固接密封，并保证膜丝的贯通性，然后将PVC套管9固接在PVC外牙直通10上，在外牙上缠上生料带再拧入下法兰盘12的预留接PVC直通的内螺纹15中。膜组件中空纤维膜丝19采用市售的PVC中空纤维膜丝19，外径1.0-3.0mm。内径0.5-1.5mm，膜孔径0.01-0.1μm。
反应器主体20组装完成后按照图1中的工艺流程，将进水泵22、进水管、回流泵23、回流管、放空管、出水管6及氢气管连接完整。
本发明中利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其工作原理如下：
本发明中反应器运行时，预先在配置模拟受污染的原水时加入NaHCO3，会导致pH稍微升高，但是原水中同时加入了KH2PO4和Na2HPO4的混合溶液为缓冲液调节其pH=7.0（微生物降解过程也会导致pH升高）。氢气以一定的氢分压经氢气管进入膜组件中空纤维膜内部，再通过膜丝上的微孔以无泡形式扩散至膜外，含有氧化性污染物的原水通过进水泵22进入反应器然后向上流动经顶部的出水口5排出，顶部设置的排气口4及时释放反应器内剩余气体，有利于出水顺利流出。附着在纤维膜上和水中的微生物以原水中添加的HCO3 -为无机碳源，氢气作为电子供体，将污染物还原成低价无毒或低毒物质，或形成沉淀从水中去除。反应器上端设置的回流口8与回流管连通，中间经回流泵23提供动力，回流至进水管内与进水充分混合再进入反应器，使得反应器内形成回流。
实施例一
本实施例中采用的是有效容积为1.8L，反应器主体20内径为700mm，高500mm的装置。中空纤维膜丝19采用市售的PVC中空纤维膜丝19，外径1.66mm，内径1mm，膜孔径0.02μm，每个膜组件共有60根中空纤维膜丝19（对弯后形成120根）。曝气氢分压为0.04MPa。将配制好的含有Cr(Ⅵ) 1mg/L以及无机碳源和氮源的模拟废水（pH=7.0-7.5）通过进水泵22泵入反应器主体20中，当水面到达反应器主体20中部时，用无菌注射器加入100mL取自城市污水处理厂厌氧池的活性污泥（污泥浓度为2800mg/L），继续进水至充满反应器主体20后停止进水，设置回流速度为10mL/min进行闷曝2天，然后将进水流速设置为1mL/min，保持回流速度不变驯化运行10天后，出水中Cr(Ⅵ) 浓度变为0.3mg/L，然后再慢慢提高进水流速和Cr(Ⅵ)负荷，继续驯化25天。当反应器主体20调节到Cr(Ⅵ)浓度为2mg/L，进水流速为4mL/min（合5.76L/d），回流速度为15 mL/min，水力停留时间为7.5h，氢分压为0.04MPa稳定运行时，出水中Cr(Ⅵ)浓度降低到0.4mg/L，去除率达到80%。
实施例二
本实施例采用的是有效容积为1.8L的反应器主体20，其内径为700mm，高500mm的装置。中空纤维膜丝19采用市售的PVC中空纤维膜丝19，外径1.66mm，内径1mm，膜孔径0.02μm，每个膜组件共有60根中空纤维膜丝19（对弯后形成120根）。曝气氢分压为0.04MPa。将配制好的含有As(Ⅴ) 100μg/L以及无机碳源、氮源和硫酸盐的模拟废水（pH=7.0-7.5）通过进水泵22泵入反应器中，当水面到达反应器中部时，用无菌注射器加入100mL取自城市污水处理厂厌氧池的活性污泥（污泥浓度为2800mg/L），继续进水至充满反应器后停止进水，设置回流速度为10mL/min进行闷曝2天，然后将进水流速设置为1mL/min，保持回流速度不变驯化运行15天后，出水中As(Ⅴ) 浓度变为30μg/L，然后再慢慢提高进水流速和As(Ⅴ) 负荷，继续驯化30天。当反应器调节到As(Ⅴ)浓度为1mg/L，进水流速为4mL/min（合5.76L/d），回流速度为20mL/min，水力停留时间为7.5h，氢分压为0.04MPa稳定运行时，出水中As(Ⅴ)浓度降低到0.25mg/L，As(Ⅴ)还原率达到75%，总砷去除率达到72%。
实施例三
本实施例采用与实施例一和实施例二相同的反应器主体20，并用类似的培养驯化方案对硝酸盐进行处理，得到了更好的去除效果。当进水NO3 --N为10mg/L时驯化两天后去除率就能达到100%；当进水深度增大到30mgNO3 --N/L时，仍能完全去除。
需要说明的是，本发明中的原水贮水槽、氢气罐等并不局限于一定的形式，只要能盛放原水和氢气即可，另外，本发明中中空纤维膜丝的数量、物理参数等也并不局限于一定的数值，可以根据不同的实验进行适当的更换，均落入本发明的保护范围，实施例中反应器主体的容量及物理参数也仅代表该实施例中使用的参数，也可根据具体情况进行适当更换；在原水中预先添加的NaHCO3、KH2PO4及Na2HPO4，在满足需求的情况下也可进行适当的更换。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：包括反应器主体和膜组件，所述反应器主体的下端开设有进水口，所述反应器主体的顶端设置有排气口和出水口，所述反应器主体的底端开设有进气口，所述进气口用于通入氢气；所述膜组件设置于所述反应器主体内部，所述膜组件的进气端与所述进气口相通。
2.根据权利要求1所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述反应器主体的两端通过螺栓连接固定有上法兰盘和下法兰盘，所述上法兰盘开设有第一预留孔，所述第一预留孔处通过一出水三通分别连接所述排气口和所述出水口，所述出水口连接有U形出水管。
3.根据权利要求2所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述下法兰盘上开设有内螺纹，所述内螺纹用于固定连接PVC外牙直通。
4.根据权利要求2所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述下法兰盘的底端固定连接有一下法兰盘加厚片，所述下法兰盘加厚片上开设有第二预留孔，所述第二预留孔与所述内螺纹和所述进气口相连通，所述进气口用于通过一氢气管接口连接氢气罐。
5.根据权利要求3所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述膜组件包括若干根中空纤维膜丝，多根所述中空纤维膜丝的端头插入一PVC套管并通过胶水固接密封；所述PVC套管固接于PVC外牙直通上，所述PVC外牙直通与所述内螺纹相配合连接。
6.根据权利要求5所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述中空纤维膜丝为对弯的U形设置，且所述中空纤维膜丝的数量为60±5根；所述中空纤维膜丝优选为PVC、PE、PVDF或PEDF材质的中空纤维膜。
7.根据权利要求5所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述中空纤维膜丝的外径为1.0-3.0mm，内径为0.5-1.5mm，膜孔径为0.01-0.1μm。
8.根据权利要求1所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述进水口通过进水管连接原水贮水槽，所述进水管与进水泵连接，且所述进水管上设置有配套阀门。
9.根据权利要求1所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述反应器主体的上部还开设有一回流口，所述回流口通过回流管与所述进水管连通，所述回流管上连接有回流泵。
10.根据权利要求1所述的利用微生物降解水体中氧化性污染物的反应器，其特征在于：所述反应筒体的下部还设置有放空口，所述放空口连接设置有放空管接口。
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