CN107935210B - 基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，包括生物膜载体和自曝气生物反应装置，自曝气生物反应装置包括筒盖、不锈钢轴、填充体和自曝气设备，自曝气生物反应装置顶部盖有筒盖，筒盖上设置用于带动不锈钢轴转动的电动机，自曝气生物反应装置中部为网筒状的填充体，沿填充体边沿排布若干个生物膜载体，自曝气设备包括设置于填充体底部的混气室和纵向贯穿于填充体内的曝气管，曝气管与填充体相通，不锈钢轴由上至下依次贯穿填充体和混气室，混气室内且位于不锈钢轴底部设置若干个叶轮，电动机带动不锈钢轴和叶轮同步运动。本发明提供的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，使用芦苇秸秆制成生物膜载体，可广泛应用于治理黑臭河道，降低环境污染。

Description

基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置及应用

技术领域

本发明涉及污水处理生态工程技术领域，具体涉及基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置及应用。

背景技术

城市黑臭河道整治是国家“水十条”部署的明确任务，也是广大群众期盼改善城市人居环境的攻坚之战。高TOC（TOC≥150mg/L）、高氨氮含量（>8 mg/L）、低DO含量（<2 mg/L）为黑臭水体的主要特征。实际治理过程中采用曝气的方法，提高水体溶解氧供应量和污染物质的氧化能力，进而达到恢复水体水质的目的。然而，在上述条件下氨氮通常较难以去除，究其原因主要是好氧条件下氮的去除需要好氧微生物和充足的碳源。在黑臭水体中水体内的C/N（TN≥50 mg/L）较高（通常为3:1-4:1），而在通常情况下，氮去除过程中需要的比例为20:1。因而，研发低成本碳源、高效去除水体氨氮（总氮）对提高水体污染治理效率有重要意义。

黑臭水体处理方法原理上可概括为物理、化学和生物方法，其中生物膜法是应用最广、最具发展前景的代表性工艺之一。生物膜内有硝化菌等功能微生物能将氮、磷等有机污染物质转化为自身营养物质，通过硝化和反硝化作用去除水体内的氨态氮和硝态氮等污染物质，从而净化水体。相较于传统的处理方式，该技术低成本、高效、生态友好等特征。

生物膜载体是生物膜法处理污水工艺中的重要组成部分，一般可分为无机类、有机类和天然可降解类三大类，其中无机类包括砾石、陶粒等，虽然机械强度高但比表面积较小，有机类包括聚丙烯等，但大多有毒有害、难降解、亲水性差、挂膜速度慢，需改性处理，废弃后易产生二次污染，天然可降解类包括秸秆、稻草等，这些材料成本低、取材方便，无二次污染，同时还对废物进行了资源化利用，可谓一举多得，但目前常用的天然可降解类材料大多存在机械强度低、使用寿命短的缺点。

芦苇生于江河湖泽、池塘沟渠沿岸和低湿地等，为全球广泛分布的多型种，其叶、叶鞘、茎、根状茎和不定根都具有通气组织，在净化污水中起到重要的作用。研究表明，芦苇秸秆以纤维素、半纤维素等组分为主，具有较强的释碳能力，可被微生物降解成溶于水的有机质，进一步为微生物提供电子和反硝化所需要的能量。从微观上，芦苇秸秆的分子链上有大量如氨基、羧基和羟基等活性官能团，对污染物有很好的络合吸附作用，同时可以与微生物表面的化学键结合，快速固定微生物，极大提高载体和微生物之间的结合强度，在对再力花、香蒲、芦苇和香根草残体简单处理后用作脱氮外加碳源的对比实验中，芦苇秸秆性能最优，前期释放量为114.4mg/L，后期保持在5-10mg/L，同时芦苇秸秆密度小于水，有很好的悬浮性能。

生物能够生存和发展的最基本条件是：平衡地心吸力，防御一切外力，适应自然环境，在长期的进化过程中自然而然地形成最合理、最稳定、最经济的结构形态。结构仿生就是从自然界物象的力学特性、结构关系、材料性能等汲取灵感并应用于现实结构设计中，如蜂房结构、蜻蜓翅膀结构。对于蜂房结构，高功效是其主要优点，体现在其可大大减少各种合力作用与结构自重，从受力的角度看，六边形网格单元可以有效地将质量从中心点散布开来，从而具有抵抗多源及多向侧力的强度和能力，其斜构件在抗侧力的同时也承担重力，蜂房结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构，在相同数量材料的条件下，可以使结构面积、跨度更大，重量更轻。对于蜻蜓翅膀结构，蜻蜓翅膀是具有优越性能和高度优化的受力结构，从翅膀结构中分离出四边形和六边形基本网格单元，其中，四边形网格刚度大，六边形网格所围的面积大，合理搭配四边形和六边形网格，可以使结构刚度和材料利用率得到优化，以达到加强结构从而抵抗因外界动力或压力等产生的弯矩的目的。

发明内容

为解决目前生物膜载体价格昂贵、难降解、悬浮性差、有毒有害且废弃后易产生二次污染等问题，本发明提出了一种基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置及应用，利用芦苇秸秆能够缓释碳源且吸附性强等优点，既提高了自然黑臭河道对污染物的净化能力，又为芦苇秸秆的资源利用提供了方向。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，包括生物膜载体和自曝气生物反应装置，自曝气生物反应装置包括筒盖、不锈钢轴、填充体和自曝气设备，自曝气生物反应装置顶部盖有筒盖，筒盖上设置用于带动不锈钢轴转动的电动机，自曝气生物反应装置中部为网筒状的填充体，沿填充体边沿排布若干个生物膜载体，自曝气设备包括设置于填充体底部的混气室和纵向贯穿于填充体内的曝气管，曝气管与填充体相通，不锈钢轴由上至下依次贯穿填充体和混气室，混气室内且位于不锈钢轴底部设置若干个叶轮，电动机带动不锈钢轴和叶轮同步运动。

进一步的，所述筒盖上设有太阳能电池板、开关、电动机、转轴、蓄电池和固定于不锈钢轴上的齿轮，不锈钢轴由上至下依次贯穿填充体中部和混气室中部，太阳能电池板通过转轴固定于筒盖顶部，太阳能电池板通过导线与开关、电动机和蓄电池相连并形成通路，电动机的电机转轴上固定主齿轮且二者同步转动，主齿轮与不锈钢轴上的齿轮啮合且二者同步转动。

进一步的，所述填充体为下粗上细且由若干个网格构成的网筒状填充体，填充体采用聚乙烯制成，填充体网筒筒壁的网格包括间隔排布的四边形网格和正六边形网格，填充体底部为六边形网格状。

进一步的，所述填充体的高度为1.2-1.8 m，平均细长比为1：2，四边形网格的长度为0.2-0.5 cm，宽度为0.1-0.2 cm，正六边形网格的边长为0.1-0.2 cm。

进一步的，所述填充体的内部且以不锈钢轴为中心纵向对称贯穿若干个支撑板，填充体边沿且沿圆周方向排布若干个与其适配的填充网袋，每两个支撑板之间固定一个填充网袋，填充网袋内装有生物膜载体。

进一步的，所述生物膜载体利用自然作物的残体作为载体材料，所述自然作物的残体包括芦苇秸秆、再力花、香蒲、香根草中的一种，所述填充网袋采用尼龙制成，填充网袋的网眼孔径为0.2-0.5 cm，填充网袋的长度为1.7-1.9 m，宽度为35-40 cm。

进一步的，所述曝气管包括直线型曝气管和折线型曝气管，直线型曝气管紧贴填充体的网筒内壁且以不锈钢轴为中心纵向对称贯穿于填充体内，折线型曝气管固定于支撑板内，直线型曝气管和折线型曝气管的上半段管壁均匀分布若干个曝气孔，下半段管壁无孔。

进一步的，所述直线型曝气管和折线型曝气管的高度分别为1.2-1.8 m，直线型曝气管和折线型曝气管采用聚乙烯制成，直线型曝气管和折线型曝气管顶部与筒盖相接处均进行密封，直线型曝气管和折线型曝气管上且与混气室相接触处均留有进气的通孔。

进一步的，所述混气室底部安装用于与外界相通的第一进气管和进水管，第一进气管一端通向混气室内，第一进气管的另一端依次通过第二进气管和消音器连通至外界，消音器的入口处设置网罩。

进一步的，包括以下步骤：沿河道水流方向，在河道的排污口下游每间隔一定距离在河道两侧打桩，形成若干个木桩，每两个木桩之间系绳，桩打好后，每间隔30-50 cm设置垂直于水流流向的底座，底座上布置若干个自曝气生物反应装置，底座和自曝气生物反应装置均固定于绳上，每个自曝气生物反应装置的填充体内均装有生物膜载体且填充体一侧设有浮球。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，使用芦苇秸秆制成生物膜载体，芦苇秸秆纤维素含量丰富，具有碳源释放量大、吸附性强等优点，有利于解决高氮低碳污水处理过程中常见的碳源不足问题，克服了以往使用高成本、易造成二次污染等生物膜载体材料的弊端，实现芦苇残体例如芦苇秸秆的资源化，充分利用自然资源，同时芦苇秸秆为天然可降解类材料，对环境友好，具有缓释碳源的功效，实现了环境资源安全、充分、高效和循环利用，填充体为上细下粗的网筒结构，网格有四边形和六边形两种基本形状，该结构具有理想的空隙率、抗侧力系统、通气过水性能，节约材料成本的同时优化了载体的受力性能，填充网袋材料为尼龙，自曝气生物反应装置结构简单、易于加工、安全可靠，使用填充网袋能够实现在反应装置不停止工作的状态下进行维护修缮工作，人工劳动强度小，效率高，填充体、填充网袋和曝气管选用对环境无害、耐腐蚀、生物降解性差的制备材料，可重复利用，可广泛应用于诸如黑臭河道的自然河道，操作流程简单，在维持河道生态功能的同时，降低污染对环境的影响，实用价值高。

附图说明

图1是本发明的生物膜载体在电子显微镜下的示意图；

图2是本发明的筒盖的结构示意图；

图3是本发明的填充体的立体图；

图4是本发明的填充体的剖视图；

图5是本发明的混气室的结构示意图；

图6是本发明的自曝气生物反应装置的立体结构示意图；

图7是本发明在黑臭河道的应用布置图；

其中，1-太阳能电池板；2-开关；3-导线；4-主齿轮；5-电动机；6-不锈钢轴；7-直线型曝气管；8-折线型曝气管；9-支撑板；10-填充网袋；11-不锈钢支柱；12-生物膜载体；13-叶轮；14-第一进气管；15-进水管；16-螺栓；17-转轴；18-不锈钢支柱插孔；19-网罩；20-消音器；21-第二进气管；22-排污口；23-木桩；24-自曝气生物反应装置；25-底座；26-浮球；27-蓄电池。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-6所示，基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，包括生物膜载体12和自曝气生物反应装置24，自曝气生物反应装置24包括筒盖、不锈钢轴6、填充体、填充网袋10和自曝气设备。

自曝气生物反应装置24的顶部盖有筒盖，筒盖上设有太阳能电池板1、开关2、电动机5、转轴17和齿轮等部件，通过转轴17将大阳能电池板1固定于筒盖顶部，太阳能电池板1通过导线3与开关2、电动机5和蓄电池27相连并形成通路，通过太阳能电池板1进行光能和电能的转换并配合蓄电池27为自曝气装置的各电元件供电，太阳能电池板1的启闭状态受开关2控制，电动机5的转动带动其电机转轴上的主齿轮4同步转动，自曝气生物反应装置24的中部为填充体，填充体内贯穿有不锈钢轴6，主齿轮4与固定于不锈钢轴6上的齿轮啮合进而通过主齿轮4的转动带动不锈钢轴6上的齿轮和不锈钢轴6同步转动。

填充体采用聚乙烯作为原料，利用结构仿生学的相关原理，在预制模具中通过热塑成型制造出呈下粗上细且由若干网格构成的网筒状填充体，填充体的网筒筒壁的网格形状包括四边形和正六边形两种，四边形网格的长度为0.2-0.5 cm，宽度为0.1-0.2 cm，正六边形网格的边长为0.1-0.2 cm，过大或过小的网孔不利于完整生物膜的形成，填充体的底部为六边形网格状，填充体的高度为1.2-1.8 m，平均细长比（即平均直径和高度之比）为1：2，沿填充体的网筒筒壁方向，四方形网格和正六边形网格间隔排布，为提高网筒的坚固性，每0.3 m用四方形网格加固填充体，其余位置采用正六边形网格。

自曝气设备包括混气室、直线型曝气管7、折线型曝气管8、支撑板9、不锈钢支柱11、螺栓16、转轴17、不锈钢支柱插孔18、网罩19、消音器20和第二进气管21，混气室设置于填充体的底部，不锈钢轴6由上至下依次贯穿填充体中部和混气室中部，以不锈钢轴6为中心，不锈钢轴6的底部且位于混气室内对称安装若干个叶轮13，电动机5通过主齿轮4和不锈钢轴6带动不锈钢轴6底部的叶轮13同步转动，混气室底部安装用于与外界相通的第一进气管14和进水管15，第一进气管14一端通向混气室内，第一进气管14的另一端依次通过第二进气管21和消音器20连通至外界，通过消音器20消除空气中的动力性噪声，消音器20的入气口处设有网罩19，用于防止空气中的杂质进入第二进气管21和第一进气管14，避免堵塞管道。

填充体内设置若干个直线型曝气管7、折线型曝气管8和支撑板9，以不锈钢轴6为中心，填充体的内部且沿圆周方向纵向对称贯穿若干个支撑板9，填充体的边沿且沿圆周方向排布若干个填充网袋10，每两个支撑板9之间固定一个填充网袋10，填充网袋10内装有生物膜载体12，填充网袋10采用尼龙制成，填充网袋10的网眼孔径为0.2-0.5 cm，填充网袋10的长度为1.7-1.9 m，宽度为35-40 cm，填充网袋10的尺寸与填充体的尺寸相适配且随填充体尺寸的变化而变化，根据高碳释放，低氮、磷释放的碳源筛选原则，生物膜载体12利用芦苇秸秆作为载体材料，制备过程为：使用前先将芦苇秸秆残体水洗风干，剪碎至1-2 cm，置于90℃烘箱中烘干至恒重，备用即可。本发明还可使用再力花、香蒲和香根草等其他自然作物残体作为载体材料制成生物膜载体12，制备过程同上，充分利用自然资源，变废为宝。

生物膜载体12属于天然可降解类材料，当发现生物膜载体12出现腐烂、破碎的迹象，可将破烂载体所在的填充网袋10取出，去除填充网袋10内破烂的生物膜载体12再进行重新装填，再放置于填充体边沿，操作简单且方便。

支撑板9内固定折线型曝气管8，直线型曝气管7紧贴填充体的网筒筒壁且以不锈钢轴6为中心纵向对称贯穿于填充体内部，直线型曝气管7和折线型曝气管8的上半段管壁分别均匀分布若干个曝气孔，下半段管壁无孔，直线型曝气管7和折线型曝气管8纵向贯穿在填充体内并与混气室相连通，直线型曝气管7和折线型曝气管8的高度分别为1.2-1.8 m，制作材料为聚乙烯，曝气时可释放出直径小于3 mm的微型气泡，直线型曝气管7顶部和折线型曝气管8顶部与筒盖相接处均进行密封，直线型曝气管7顶部和折线型曝气管8上且与混气室相接触处均留有进气的通孔，快速通过与混气室相通的直线型曝气管7和折线型曝气管8排出，采用间歇曝气方式，每天曝气3 h，控制水体溶氧浓度在2-3 mg /L，曝气原理为：

电动机5的转动带动不锈钢轴6及其底部的叶轮13同步运动，混气室内通过进水管15吸入水流，利用叶轮13旋转产生的离心力排开周围积水，在靠近混气室壁处形成低压区，外界空气依次通过第二进气管21和第一进气管14进入混气室内，在混气室中气与水充分混合形成均匀的气-水混合液，气-水混合液依靠浮力及水团初始动能做上升运动，部分气-水混合液直接进入填充体内，部分气-水混合液还通过设置于填充体底部且与直线型曝气管7和折线型曝气管8相连的通孔进入直线型曝气管7和折线型曝气管8，通过直线型曝气管7和折线型曝气管8上半段管壁的曝气孔对填充网袋10内上半段的生物膜进行曝气。

筒盖上开有若干个不锈钢支柱插孔18，不锈钢支柱插孔18内贯穿不锈钢支柱11再通过螺栓16将不锈钢支柱11固定于填充体内，进而将筒盖固定于填充体顶部，不锈钢支柱11和螺栓16的数目、位置及尺寸与不锈钢支柱插孔18的数目、位置及尺寸相适配，一个不锈钢支柱11对应插入一个不锈钢支柱插孔18内并通过一个螺栓16进行紧固。

为节约能源，电动机5以太阳能电池板1为电源，太阳能电池板1的额定电压为24V，额定电流为30 A，尺寸为30 cm×30 cm，电动机5的转速为2000 r/min，叶轮13的叶片长50 cm，由不锈钢制成。

基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置的应用，包括以下过程：

如图7所示，沿垂直于黑臭河道水流流向的方向，在河道的排污口22位置布置由若干个自曝气生物反应装置24组合形成的反应墙，具体步骤为：沿河道水流方向，在河道的排污口22下游每间隔5 m在河道两侧打桩，形成高度为50 cm的木桩23，两桩之间系绳，桩打好后，每间隔30-50 cm设置垂直于黑臭河道水流流向的底座25，底座25上布置若干各自曝气生物反应装置24，底座25和自曝气生物反应装置24均固定于绳上，每个自曝气生物反应装置24的填充体内均装有生物膜载体12且填充体一侧均设有浮球26，用以增强自曝气生物反应装置24的稳定性，底座25设有若干个并间隔排布，底座25的长度为1.2 m，宽长度为1.2m，高长度为30 cm，也可以按照实际工程情况结合景观进行布置。

当前污染土壤微生物修复技术中应用的微生物包括土著微生物和外源微生物两大类，从原理上讲，未被降解的生物膜载体12可为土著微生物提供碳源，从而刺激土著微生物，达到修复效果，同时功能微生物对土壤中氮污染物的去除也有积极作用，可将废弃的生物膜载体12填埋于缺乏有机质的土壤，辅助土著微生物修复土壤，以实现芦苇秸秆生物膜载体的资源化，填充网袋10和填充体不易被微生物降解，可重复利用。

本发明不限定生物膜载体12在自曝气生物反应装置上的布置方式，可应用于生物滤池、接触氧化池、MBR膜生物反应器等一系列与生物膜法相关的水处理技术中，凡是将上述秸秆作为生物膜载体12使用的水处理方法或者等同替换、变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，包括生物膜载体（12）和自曝气生物反应装置（24），所述生物膜载体（12）利用自然作物的残体作为载体材料，所述自然作物的残体为芦苇秸秆，所述自曝气生物反应装置（24）包括筒盖、不锈钢轴（6）、填充体和自曝气设备，自曝气生物反应装置（24）顶部盖有筒盖，筒盖上设置用于带动不锈钢轴（6）转动的电动机（5），自曝气生物反应装置（24）中部为网筒状的填充体，沿填充体边沿排布若干个生物膜载体（12），自曝气设备包括设置于填充体底部的混气室和纵向贯穿于填充体内的曝气管，曝气管与填充体相通，不锈钢轴（6）由上至下依次贯穿填充体和混气室，混气室内且位于不锈钢轴（6）底部设置若干个叶轮（13），电动机（5）带动不锈钢轴（6）和叶轮（13）同步运动；所述填充体为下粗上细且由若干个网格构成的网筒状填充体，填充体采用聚乙烯制成，填充体网筒筒壁的网格包括间隔排布的四边形网格和正六边形网格，填充体底部为六边形网格状。

2.根据权利要求1所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，所述筒盖上设有太阳能电池板（1）、开关（2）、电动机（5）、转轴（17）、蓄电池（27）和固定于不锈钢轴（6）上的齿轮，不锈钢轴（6）由上至下依次贯穿填充体中部和混气室中部，太阳能电池板（1）通过转轴（17）固定于筒盖顶部，太阳能电池板（1）通过导线（3）与开关（2）、电动机（5）和蓄电池（27）相连并形成通路，电动机（5）的电机转轴上固定主齿轮（4）且二者同步转动，主齿轮（4）与不锈钢轴（6）上的齿轮啮合且二者同步转动。

3.根据权利要求1所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，所述填充体的高度为1.2-1.8 m，平均细长比为1：2，四边形网格的长度为0.2-0.5 cm，宽度为0.1-0.2cm，正六边形网格的边长为0.1-0.2 cm。

4.根据权利要求1所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，所述填充体的内部且以不锈钢轴（6）为中心纵向对称贯穿若干个支撑板（9），填充体边沿且沿圆周方向排布若干个与其适配的填充网袋（10），每两个支撑板（9）之间固定一个填充网袋（10），填充网袋（10）内装有生物膜载体（12）。

5.根据权利要求4所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，所述填充网袋（10）采用尼龙制成，填充网袋（10）的网眼孔径为0.2-0.5 cm，填充网袋（10）的长度为1.7-1.9 m，宽度为35-40 cm。

6.根据权利要求4所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，所述曝气管包括直线型曝气管（7）和折线型曝气管（8），直线型曝气管（7）紧贴填充体的网筒内壁且以不锈钢轴（6）为中心纵向对称贯穿于填充体内，折线型曝气管（8）固定于支撑板（9）内，直线型曝气管（7）和折线型曝气管（8）的上半段管壁均匀分布若干个曝气孔，下半段管壁无孔。

7.根据权利要求6所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，所述直线型曝气管（7）和折线型曝气管（8）的高度分别为1.2-1.8 m，直线型曝气管（7）和折线型曝气管（8）采用聚乙烯制成，直线型曝气管（7）和折线型曝气管（8）顶部与筒盖相接处均进行密封，直线型曝气管（7）和折线型曝气管（8）上且与混气室相接触处均留有进气的通孔。

8.根据权利要求1所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，其特征在于，所述混气室底部安装用于与外界相通的第一进气管（14）和进水管（15），第一进气管（14）一端通向混气室内，第一进气管（14）的另一端依次通过第二进气管（21）和消音器（20）连通至外界，消音器（20）的入口处设置网罩（19）。

9.根据权利要求1-8任一所述的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置的应用，其特征在于，包括以下步骤：沿河道水流方向，在河道的排污口（22）下游每间隔一定距离在河道两侧打桩，形成若干个木桩（23），每两个木桩（23）之间系绳，桩打好后，每间隔30-50 cm设置垂直于水流流向的底座（25），底座（25）上布置若干个自曝气生物反应装置（24），底座（25）和自曝气生物反应装置（24）均固定于绳上，每个自曝气生物反应装置（24）的填充体边沿排布有生物膜载体（12）且填充体一侧设有浮球（26）。

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