CN106830339A - 一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，其技术方案要点是包括生物聚集塔、喷泉曝气系统和固定系统；生物聚集塔包括圆饼状中空底座、圆台状中空塔体、亲水性生物挂膜载体材料以及厌氧区环状罩；喷泉曝气系统包括带筛孔的不锈钢套筒、潜水泵、潜水泵固定装置、塑料软管、潜水泵供电电缆、输水管和喷泉头；固定系统包括不锈钢锚定杆、尼龙软绳及环状绑定孔；本装置利用设置于污染河流水体中的潜水泵提升低溶解氧含量河水，自喷泉头喷出后与空气充分接触，富氧后的河水洒落至生物聚集塔，并利用微生物、藻类和原生动物等构成的“好氧‑厌氧”生物膜净化河水。

Description

一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置

技术领域

本发明涉及一种环保生态修复技术领域，更具体地说，它涉及一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置。

背景技术

近年来，河道水体受人类生活污水等有机污染的程度愈发严重，特别是城镇河流的黑臭现象，给人民群众带来了极差的感官体验，成为了直接影响群众生产生活的突出水环境问题。国务院颁布的《水污染防治行动计划》提出“到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除”的控制性目标。河流黑臭现象的发生机理多数如下所述：当水体受到严重有机污染时（比如氮，化学需氧量的浓度大大提高），好氧微生物可大量分解有机物，当复氧速率小于耗氧速率时，将直接造成水体的缺氧现象，在有机物的分解过程中，胺、氨和硫化氢等难溶性臭气将逸出水面，从而使黑臭河道水体散发出难闻的臭气；同时，缺氧水体可使铁、锰等重金属还原，与硫元素形成致黑物质硫化亚铁（FeS）和硫化锰（MnS），从而导致水体黑臭现象。

当前，污染河流水体的微生物处理技术逐步引起了从业者的关注，该技术按照微生物的生长状态，可分为悬浮生长工艺和附着生长工艺，前者最典型的工艺为活性污泥法，后者的典型工艺则为生物膜法，即利用附着生长在某类载体表面的微生物净化污水，具有经济节能、运行可靠、抗冲击负荷、无污泥膨胀现象、兼具硝化反硝化功能等特点。通常，生物膜中的微生物群落包括好氧菌、厌氧菌和兼性菌，此外还有藻类、真菌和轮虫、蚊蝇幼虫等生物，从而共同发挥生物膜的污水净化功能。

喷泉曝气机是在污染河流特别是黑臭水体治理中应用非常广泛的设备。传统的喷泉曝气机一般通过喷泉的方式对水体进行复氧，以提高水体的溶解氧含量水平，从而强化好氧微生物对有机物的分解作用。喷泉曝气机对水体的复氧过程如下：水泵将河水提升至喷泉头，喷出的河水与空气充分接触后回到河道，从而提升污染河流水体的溶解氧含量水平。

公告号为CN205313208U的中国专利公开了一种接触氧化式喷泉曝气系统，它包括接触氧化式生态浮岛、喷泉曝气装置、水下微生物床以及浮动装置构成。这种接触氧化式喷泉曝气系统虽然利用曝气系统对污染水体进行增氧，而后通过悬挂在水下的微生物膜模块进行生物净化，将微生物净水和曝气技术进行了有机结合，生态浮岛、微生物床、喷泉曝气装置三者加以改进并进行有机融合，使其成为一个整体，四周的浮动装置则能保持该系统整体随水位涨落自由浮动，而发生的水平位移很小，通过在浮筒的底部设置格栅网，能将水体中漂浮的塑料垃圾、树叶、纸片等隔离开，防止这些漂浮物被卷入浮筒而引起机械故障，浮岛外框以及尼龙网的设计，能大大提高生态浮岛的抗风浪强度，延长使用寿命，减少维护成本，但是由于部分黑臭河流水位较浅且波动较大，可悬挂的微生物载体数量极其有限，且水体溶解氧含量较低，因此微生物的净水功效有限并最终导致其在浅水型河道中的应用受限问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，其优点在于通过潜水泵抽吸河水后经喷泉头喷出，经过空气复氧后，下落至浮于水面上的生物聚集塔（由微生物、藻类和原生动物等生物构成生物膜）以净化河水，通过在生物聚集塔设置挡板以隔绝空气，从而创造出厌氧的空间环境，使提升的污染水体经过“好氧-厌氧”处理过程，对污染物质如氨氮等进行很好的削减，有效的解决了微生物的净水功效有限并最终导致其在浅水型河道中的应用受限问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，其特征是，包括生物聚集塔、喷泉曝气系统和固定系统；

所述生物聚集塔包括圆饼状的中空底座、圆台状的中空塔体、亲水性微生物挂膜载体材料以及厌氧区环状罩，所述中空底座浮于水面，利用两端带螺纹的不锈钢输水管以及螺纹结构与中空塔体固定连接，且中空底座和中空塔体的接触面利用强力胶加固；所述中空塔体及中空底座的上表面区域，按自上而下增大的密度，缠绕固定布设有亲水性微生物挂膜载体材料；

所述喷泉曝气系统包括带筛孔的不锈钢套筒、潜水泵、潜水泵的固定装置、塑料软管、潜水泵供电电缆、输水管和喷泉头，所述不锈钢套筒的筒身上部均匀布设有孔径0.5-1 cm的筛孔，所述潜水泵的流量为2-6 m³/h，通过固定装置固定在不锈钢套筒的底部，所述潜水泵的出水口与塑料软管相连，所述塑料软管的顶端套装在输水管的底端，并利用铁箍或铁丝手工固定，所述输水管安装在中空塔体的中心轴处，并利用两端的螺纹结构进行固定，所述螺纹结构包括输水管螺纹和输水管螺帽及垫圈，所述输水管的顶端连接喷泉头；

所述固定系统包括4根不锈钢锚定杆、尼龙软绳及环状绑定孔；所述锚定杆均匀地焊接或以螺纹结构的形式与不锈钢套筒的底板相连且插入底泥中，所述尼龙软绳的两端则分别绑扎固定在中空底座底部以及不锈钢套筒的顶板上的2个环状绑定孔处，从而将水上部分和水下部分进行连接固定，所述尼龙软绳的长度根据水面实际波动幅度进行调整，较塑料软管和潜水泵供电电缆短。

所述生物聚集塔的中空底座，待整套系统正常运行时，其上顶面需露出水面10-20厘米。喷泉头提升后的下落水体覆盖直径，与厌氧区环状罩的顶面环孔内径一致。

通过采用上述技术方案，生物聚集塔可形成 “好氧-厌氧”微生物膜，是河水水质净化的核心模块，河水污染物主要通过生物聚集塔上富集微生物的生物作用予以去除；喷泉曝气系统可对水体进行充氧，兼具布水功能，使河水均匀下落至生物聚集塔上，并经生物膜进行净化；固定系统可使生物聚集塔和喷泉曝气系统固定在河道的特定位置。通过喷泉曝气措施对地表污染水体进行曝气后，再经过生物膜的生物作用进行深度净化后排入水体，通过水体的循环处理实现对水体污染物质特别是氮素的净化去除，同时增加水体的溶解氧含量，遏制水体黑臭现象的发生，将常规的喷泉曝气措施和生物膜净水技术进行了有机的结合，应用前景较好，利用喷泉曝气子系统对污染水体进行增氧后，立即下落至生物聚集塔进行生物膜净化处理，通过生物聚集塔的结构设计营造出“好氧-厌氧”的交替变化环境，从而大幅提高对污染水体的净化效果，避免了电能的浪费；生物聚集塔设计为圆台型，在材料相同的情况下，具有更高的有效挂膜和水处理面积，且流线型的表面抗风能力强；潜水泵对水体进行提升，可提高氧气的利用效率，因为污染水体的下部水体往往呈现缺氧的状态，因此提升这部分的水体进行充氧更有针对性，其氧气利用效率亦相应提高，而且可使河底、池塘底或湖底产生的厌氧气体排出。

本发明进一步设置为：所述的亲水性微生物挂膜载体材料包括高密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料和低密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料，所述高密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料之上布设有由塑料等轻质材料制成的厌氧区环状罩，所述环状罩留有一圈矩形出水口。

通过采用上述技术方案，生物聚集塔上的生物挂膜材料，其设置密度从上往下递增，可有效防止挂膜材料的堵塞，厌氧区环状罩，且厌氧区环状罩下部的生物挂膜材料设置密度较高，从而营造出厌氧的区域环境。因此，经过喷泉曝气机提升后下落的水将依次流经上部的好氧填料区和下部的厌氧填料区，从而加速“好氧-厌氧”的生物作用过程，使得污染水体中的氨氮得以快速去除。

本发明进一步设置为：所述的喷泉头选择中心直上的涌喷型喷头形式。

通过采用上述技术方案，喷泉头选定为涌泉型，可产生适宜覆盖直径的下落水体，使提升下落的河水尽可能流经生物聚集塔进行处理。

本发明进一步设置为：所述的潜水泵供电电缆穿过不锈钢套筒的顶板，与外接电缆通过置于中空底座上的防水接线盒相连。

通过采用上述技术方案，有效的减小了潜水泵供电电缆进水出现漏电的情况，有利于整体装置安全的运行。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、此装置设计合理，制作成本低，易维护，易于实现；

2、有效的解决了微生物的净水功效有限并最终导致其在浅水型河道中的应用受限问题。

附图说明

图1是展现本发明的结构示意图；

图2是本发明水上部分的结构示意图；

图3是图2中A-A的剖视图；

图4是展现防水接线盒位置的结构示意图。

附图标记：1、水面；2-1、中空底座；2-2、中空塔体；3、高密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料；4、低密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料；5、喷泉头；6、防水接线盒；7、外接电缆；8、潜水泵供电电缆；9、尼龙软绳；10、塑料软管；11、输水管；11-1、输水管螺纹；11-2、输水管螺帽及垫圈；12、环状绑定孔；13、固定装置；14、不锈钢套筒；14-1、顶板；14-2、底板；14-3、环形带状筛孔；15、潜水泵；15-1、出水口；17、锚定杆；18、厌氧区环状罩；18-1、矩形出水口；18-2、环孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例：一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，如图1至3所示，包括生物聚集塔、喷泉曝气系统和固定系统，生物聚集塔可形成 “好氧-厌氧”微生物膜，是河水水质净化的核心模块，河水污染物主要通过生物聚集塔上富集微生物的生物作用予以去除；喷泉曝气系统可对水体进行充氧，兼具布水功能，使河水均匀下落至生物聚集塔上，并经生物膜进行净化；固定系统可使生物聚集塔和喷泉曝气系统固定在河道的特定位置。涉全套装置待安装完毕且通电后，潜水泵15开始运转并向上抽水，水流依次通过软管10和输水管11提升到喷泉头5后喷出，喷出的水经过空中充氧过程后洒落至生物聚集塔上，自上而下分别流经高密度微生物挂膜载体材料3和低密度微生物挂膜载体材料4，利用上述载体材料上自然形成的“好氧-厌氧”生物膜进行水质净化，河水最终从生物聚集塔的环状罩18的矩形出水口18-1排入河道。以此往复，从而达到河水净化的功效。

亲水性微生物挂膜载体材料自上而下按照从低密度向高密度的顺序布设，可使上部载体孔隙较大，但下部载体孔隙较小，使得河水中的悬浮物在载体中的穿透深度会更深，可处理的悬浮物总量增多，由此提高载体的污染物处理效率；同时相对于另外的布设方法（即自上而下分别按高密度和低密度依次布设载体），该设计可有效缓解载体材料的堵塞，延长微生物挂膜载体材料的工作周期；下部高密度布设的载体，孔隙较小，结合厌氧区环状罩18，更有利于下部载体区域的厌氧氛围营造。该设计可提高微生物挂膜载体材料的工作周期，提高河水净化效率。

通过喷泉曝气措施对地表污染水体进行曝气后，再经过生物膜的生物作用进行深度净化后排入水体，通过水体的循环处理实现对水体污染物质特别是氮素的净化去除，同时增加水体的溶解氧含量，遏制水体黑臭现象的发生，将常规的喷泉曝气措施和生物膜净水技术进行了有机的结合，利用喷泉曝气子系统对污染水体进行增氧后，立即下落至生物聚集塔进行生物膜净化处理，通过生物聚集塔的结构设计营造出“好氧-厌氧”的交替变化环境，从而大幅提高对污染水体的净化效果，减小了了电能的浪费；生物聚集塔设计为圆台型，在材料相同的情况下，具有更高的有效挂膜和水处理面积，且流线型的表面抗风能力强；潜水泵15对水体进行提升，可提高氧气的利用效率，因为污染水体的下部水体往往呈现缺氧的状态，因此提升这部分的水体进行充氧更有针对性，其氧气利用效率亦相应提高，而且可使河底、池塘底或湖底产生的厌氧气体排出。生物聚集塔上的生物挂膜材料，其设置密度从上往下递增，可有效防止挂膜材料的堵塞，厌氧区环状罩18，且厌氧区环状罩18下部的生物挂膜材料设置密度较高，从而营造出厌氧的区域环境。因此，经过喷泉曝气机提升后下落的水将依次流经上部的好氧填料区和下部的厌氧填料区，从而加速“好氧-厌氧”的生物作用过程，使得污染水体中的氨氮得以快速去除。

选择潜水泵15有三种工作状态：第一种工作状态的潜水泵15流量为2 m³/h，喷泉头5类型选择涌泉型，其有效水面1处理面积为4 m²，挂膜材料选用条带状大孔网状聚氨酯填料。装置组装完毕并设置于黑臭河道内，在夏季15天后生物聚集塔上完成挂膜，挂膜10天后经过测试得知，该装置对提升河水的氨氮和化学需氧量的削减效率分别为30%和15%左右。

第二种工作状态的潜水泵15流量为4 m³/h，选择中心直上的涌喷型喷头，有效处理面积为6 m²。挂膜材料选用条带状大孔网状聚氨酯填料。装置组装完毕后，放置在深2 m的黑臭河道中，在生物聚集塔完成挂膜10天后的氨氮和化学需氧量去除效率分别为25%和10%左右。

第三种工作状态的潜水泵15流量为6 m³/h，喷泉头5选择涌泉型喷头，有效处理面积为8 m²。挂膜材料选用条带状大孔网状聚氨酯填料。装置组装完成后，在某约100 m²的黑臭池塘水域中放置1台，生物聚集塔挂膜完成10天后经测试得知，该装置对污染水体氨氮和化学需氧量的净化效率分别为28%和12%左右。

如图4所示，潜水泵15在使用的时候，潜水泵15供电电缆8需要穿过不锈钢套筒14的顶板14-1，与外接电缆7通过置于中空底座2-1上的防水接线盒6相连；有效的减小了潜水泵15供电电缆8进水出现漏电的情况，有利于整体装置安全的运行。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，其特征是，包括生物聚集塔、喷泉曝气系统和固定系统；

所述生物聚集塔包括圆饼状的中空底座（2-1）、圆台状的中空塔体（2-2）、亲水性微生物挂膜载体材料以及厌氧区环状罩（18），所述中空底座（2-1）浮于水面（1），利用两端带螺纹的不锈钢输水管（11）以及螺纹结构与中空塔体（2-2）固定连接，且中空底座（2-1）和中空塔体（2-2）的接触面利用强力胶加固；所述中空塔体（2-2）及中空底座（2-1）的上表面区域，按自上而下增大的密度，缠绕固定布设有亲水性微生物挂膜载体材料；

所述喷泉曝气系统包括带筛孔的不锈钢套筒（14）、潜水泵（15）、潜水泵（15）的固定装置（13）、塑料软管（10）、潜水泵供电电缆（8）、输水管（11）和喷泉头（5），所述不锈钢套筒（14）的筒身上部均匀布设有孔径0.5-1 cm的筛孔（14-3），所述潜水泵（15）的流量为2-6m³/h，通过固定装置（13）固定在不锈钢套筒（14）的底部，所述潜水泵（15）的出水口（15-1）与塑料软管（10）相连，所述塑料软管（10）的顶端套装在输水管（11）的底端，并利用铁箍或铁丝手工固定，所述输水管（11）安装在中空塔体（2-2）的中心轴处，并利用两端的螺纹结构进行固定，所述螺纹结构包括输水管螺纹（11-1）和输水管螺帽及垫圈（11-2），所述输水管（11）的顶端连接喷泉头（5）；

所述固定系统包括4根不锈钢锚定杆（17）、尼龙软绳（9）及环状绑定孔（12）；所述锚定杆（17）均匀地焊接或以螺纹结构的形式与不锈钢套筒（14）的底板（14-2）相连且插入底泥中，所述尼龙软绳（9）的两端则分别绑扎固定在中空底座（2-1）底部以及不锈钢套筒（14）的顶板（14-1）上的2个环状绑定孔（12）处，从而将水上部分和水下部分进行连接固定，所述尼龙软绳（9）的长度根据水面（1）实际波动幅度进行调整，较塑料软管（10）和潜水泵供电电缆（8）短；

所述生物聚集塔的中空底座（2-1），待整套系统正常运行时，其上顶面需露出水面（1）10-20 厘米，喷泉头（5）提升后的下落水体覆盖直径，与厌氧区环状罩（18）的顶面环孔（18-2）内径一致。

2.根据权利要求1所述的一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，其特征是：所述亲水性微生物挂膜载体材料包括高密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料（3）和低密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料（4），所述高密度布置的亲水性微生物挂膜载体材料（3）之上布设有由塑料等轻质材料制成的厌氧区环状罩（18），所述环状罩（18）留有一圈矩形出水口（18-1）。

3.根据权利要求2所述的一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，其特征是：所述喷泉头（5）选择中心直上的涌喷型喷头形式。

4.根据权利要求3所述的一种新型生物膜净水与喷泉曝气耦合装置，其特征是：所述潜水泵供电电缆（8）穿过不锈钢套筒（14）的顶板（14-1），与外接电缆（7）通过置于中空底座（2-1）上的防水接线盒（6）相连。