CN108383240A - 一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，包括动力系统、净化系统和导流系统，动力系统固定悬浮在水面上方，净化系统和导流系统设在水体内。导流系统包括可伸缩的导流布和若干块导流板，若干块导流板设在净化系统的顶部并呈环状布置，导流布为圆柱状且上下开口，导流布周边和底部分别固设有若干铅锤。净化系统设在导流布内。可伸缩的导流布可以一直伸展到河流的底部并形成一个相对封闭的空间，同时，通过改变铅锤的重量或调整导流布的长度，可以满足不同深度的河道的需求。在导流系统的作用下，形成环状的流场形态，形成好氧‑兼氧‑厌氧的交替分布流场形态，适宜多种菌种存在，从而分解、处理水体中的污染物质，达到有效净化水体的作用。
Description
技术领域
本发明涉及水体净化技术领域，特别涉及一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置。
背景技术
固定化微生物技术是20世纪60年代由生物化工中的固定化酶技术发展起来的生物技术。固定化技术是通过物理或化学手段，将游离细胞定位于限定的空间区域，使之成为不悬浮于水但仍保持生物活性，反复利用的方法。20世纪70年代，固定化微生物技术开始应用于工业废水的生物处理，与传统的悬浮生物处理法相比，它具有提高反应器内微生物细胞浓度、保持高效菌种、污泥产量少，反应器中固液分离容易等优点，因此具有广阔的应用前景。
现有技术在采用微生物净化水体时，一般采用编织物来培养微生物，并将其置于水质净化器内，现有技术存在以下几点缺陷：1、编织物浸泡在水中容易腐烂，影响水质净化器的使用寿命；2、净化器通常需要将污水泵入净化器，然后再将净化后的水泵出，也就是说，净化器一般放在陆地上或埋在地下使用，只适用于水的传输管道上，无法直接放入水体进行净化；3、水质净化器通常为固定形状，无法根据水体的深度来自由调节其高度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够放入水中、便于微生物培养的太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，适宜多种不同的菌种存在，从而分解、处理水体中的各种污染物质，达到有效净化水体的作用，同时，还能够自由调整导流布的高度以满足不同深度河道的需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，包括动力系统、净化系统和导流系统，所述的动力系统固定悬浮在浮囊上部，所述的净化系统和导流系统设在水体内。所述的导流系统包括可伸缩的导流布和若干块导流板，若干块导流板设在净化系统的顶部并呈环状布置。所述的导流布为圆柱状且上下开口，所述的导流布周边和底部分别固设有若干个铅锤，导流布底部设置几个较大的铅锤，从而起到固定导流布形状的作用。所述的净化系统设在导流布内。
进一步地，所述的净化系统包括生物反应器和微生物系统，所述的生物反应器包括中心管和环绕于中心管周围的生物附着管，所述的生物附着管内壁为螺旋波纹状壁面。所述的微生物系统包括微生物承载器和设在所述微生物承载器内的微生物载体，所述的微生物承载器表面开设有若干气孔，所述的微生物承载器设在生物附着管的正下方。
进一步地，所述的净化系统还包括曝气系统，所述的曝气系统包括至少一根曝气管，所述的曝气管通过通气管与曝气机连接，所述的曝气管设在微生物承载器的上方和/或下方，所述的曝气机固定安装在水面上方。
优选地，所述的曝气管为两根，分为第一曝气管和第二曝气管，第一曝气管通过第一通气管与第一曝气机连接，第二曝气管通过第二曝气管和第二曝气机连接。所述的第一曝气管设在微生物承载器的正上方，所述的第二曝气管设在微生物承载器的正下方。
一种实施方式中，所述的微生物承载器为微生物盒，所述的微生物盒内固设有微生物载体，所述的微生物载体具有多孔结构，所述的微生物盒顶部和底部分别开设有若干气孔。所述的第二通气管穿过所述微生物盒并在微生物盒内设有若干根曝气支管A，若干根曝气支管A所形成的平面与水平面平行。所述的曝气支管A数量为4根或8根，呈十字型布设或米字型布设。
另一种实施方式中，所述的微生物承载器包括若干个微生物容器，每一个微生物容器内设有微生物载体，所述的微生物载体为微生物颗粒。所述的第二通气管底部设有若干根曝气支管B，每一根曝气支管B表面均套有网格布，每一根曝气支管B分别连接一个微生物容器，每一个微生物容器表面均开设有若干气孔，若干个曝气支管B形成的平面垂直于水平面。
进一步地，所述的生物反应器底部固设有一个用于收集第一曝气管气体的第一集气罩，所述的微生物承载器上设有一个用于收集第二曝气管气体的第二集气罩。
进一步地，所述的固定化微生物颗粒的制备方法包括如下步骤：
第一步、以膨润土为载体，将膨润土溶解于水溶液中并添加添加剂，所述的添加剂由蒙脱石黏土、碳酸钠、氯化铝和硫酸锰组成，膨润土与添加剂的质量配比为：膨润土：蒙脱石粘土：碳酸钠：氯化铝：硫酸锰：100-120：10-15：1-1.5：l-2：1-2；
第二步、往S1的料液中加入混凝剂和/或絮凝剂促进絮凝，所述的混凝剂为聚合氯化铝，混凝剂添加量为100ml的S1料液中加入3ml质量浓度为5％的聚合氯化铝；所述的絮凝剂为聚丙烯酰胺，絮凝剂添加量为100ml的S1料液中加入0.5ml质量浓度为5％的聚丙烯酰胺；然后105-110℃烘干，研磨至170-200目，放入马弗炉焙烧，焙烧温度为400-460℃，焙烧时间为0.5-3h，焙烧冷却后破碎筛分至10-30目得到膨润土载体；
第三步、称取膨润土载体，放入高压灭菌锅中，在121-123℃下湿热灭菌18-23min，加入膨润土载体质量1.8-2.5倍的复合菌液，复合菌液为乳酸菌、酵母菌、厌氧氨氧化菌、醋酸杆菌的混合菌液，混合菌液中乳酸菌：酵母菌：厌氧氨氧化菌：醋酸杆菌的浓度比例为：5-10：2-5：6-10：1-2；
第四步、将载有复合菌液的载体放入容器中，再放入摇床，以180-260次/min的转速摇动，固定化2.5-3h，倾出多余菌液，加入100-150ml浓度为2-2.5％的戊二醛水溶液，在低温2-5℃条件下交联22-24h，倾出多余戊二醛水溶液，用无菌水洗涤2-5次，然后加入15-20ml的培养基，33-38℃情况下摇床培养22-24h，得微生物载体。
进一步地，还包括至少两个浮囊，所述的动力系统固定在浮囊上方，所述的动力系统为太阳能电池板或市电供电。
进一步地，所述的导流板下表面固设有若干个用于对装置运行过程进行摄像的摄像头。
本发明具有如下有益效果：1、生物附着管内壁为螺旋波纹状壁面，表面积大，结构错综复杂，适宜微生物的附着和生长，固定化微生物颗粒的污水处理效率高，24h COD去除率达80％以上，固定化后微生物的活性仍较高；2、导流布可以一直伸展到河流或湖泊的底部并形成一个相对封闭的空间，通过曝气将底泥的营养鼓入净化系统内，促进微生物的生长和繁殖；3、设置了可伸缩的导流布，通过改变铅锤的重量或调整导流布的长度，可以满足不同深度的河道的需求；4、导流布和导流板构成导流系统，在导流系统的作用下，形成环状的流场形态，形成好氧-兼氧-厌氧的交替分布流场形态，适宜多种不同的菌种存在，从而分解、处理水体中的各种污染物质，达到有效净化水体的作用。
附图说明
图1为实施例一的整体结构示意图。
图2为微生物盒的截面示意图。
图3为实施例二的整体结构示意图。
图4为微生物容器的结构示意图。
图5为导流系统的原理示意图。
主要组件符号说明：11、蓄电池；12、太阳能电池板；2、浮囊；31、中心管；32、生物附着管；4、微生物承载器；41、微生物盒；411、微生物载体；42、微生物容器；421、微生物颗粒；422、网格布；51、第一曝气机；52、第二曝气机；53、第一通气管；54、第二通气管；541、曝气支管A；542、曝气支管B；55、第一曝气管；56、第二曝气管；61、导流板；62、导流布；63、摄像头；64、铅锤；7、支架；8、集气罩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
实施例一：
如图1所示，一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，包括蓄电池11、太阳能电池板12、浮囊2、中心管31、生物附着管32、微生物系统、曝气系统、导流系统和支架7，生物附着管32内壁为螺旋波纹状壁面。蓄电池11和太阳能电池板12固定悬浮在浮囊2上方，支架7设在河道/湖泊的底部。导流系统包括可伸缩的导流布62和三块呈环状布置的导流板61，导流布62为圆柱状且上下开口。导流板61下表面固设有两个用于对装置运行过程进行摄像的摄像头63。导流布62周边及底部分别设置有用于固定其形状的铅锤64。
其中，曝气系统中若只有一根第一曝气管55或只有一根第二曝气管56可以满足需求，或者，曝气系统除第一曝气管55和第二曝气管56外还设有若干根曝气管也可满足需求。最优的方案为：曝气系统包括第一曝气管55和第二曝气管56，第一曝气管55通过第一通气管53与第一曝气机相连，第二曝气管56通过第二通气管54与第二曝气机52相连。第一曝气管51设在生物附着管32和微生物承载器4之间，第二曝气管56设在微生物承载器4的正下方。
如图2所示，微生物承载器4为微生物盒41，微生物盒41内固设有微生物载体411，微生物载体411具有多孔结构，微生物盒41顶部和底部分别开设有若干气孔。第二通气管54穿过微生物盒41并在微生物盒41内设有四根呈“十”字型布设的曝气支管A(541)，四根曝气支管A(541)所形成的平面与水平面平行。曝气支管A(541)的数量也可以是八根并呈“米”字型布设。
实施例二：
如图3、图4所示，本实施例与实施例一的区别仅在于：微生物承载器4包括六个微生物容器42，每一个微生物容器42内设有微生物颗粒421，第二通气管54底部设有六根曝气支管B(542)，每一根曝气支管B(542)表面均套有网格布422，每一根曝气支管B(541)分别连接一个微生物容器42，每一个微生物容器42表面各开设有若干气孔，六个曝气支管B(541)形成的平面垂直于水平面。第二曝气管56上方设有集气罩8，集气罩8固定在第二通气管54上。其余部分结构均与实施例一相同。
本发明的工作原理为：将整个黑臭水体净化装置设在需要净化的河道或湖泊内，通过太阳能电池板12或市电给第一曝气机51和第二曝气机52供电，第一曝气机51的功率为1.5kw，用于提供较大的气量，为水中大量供氧，第二曝气机52的功率为55w，用于提供较小的气量。装置运行时，在气体及水的作用下，微生物承载器4内的载体411(421)上的微生物复苏，并不断繁殖，部分微生物往上鼓入生物附着管32中，微生物附着管32的内壁为螺旋波纹状结构，微生物在生物附着管32内进一步生长、繁殖，并净化水体。
导流板61下表面固设有若干个用于对装置运行过程进行摄像的摄像头63，导流布62和导流板61构成导流系统，如图5所示，在导流系统的作用下，形成环状的流场形态，形成好氧-兼氧-厌氧的交替分布流场形态。通过曝气将底泥的营养鼓入净化系统内，促进微生物的生长和繁殖，从而分解、处理水体中的各种污染物质，达到有效净化水体的作用。
进一步地，微生物载体42可以采用市面上的通用微生物载体，作为优选方式，微生物载体42优选以膨润土为载体，并固定化微生物的固定化微生物颗粒421，具体的制作方法如下：
实施例三：
活化载体：以膨润土为载体，将膨润土溶解于水溶液中并添加由蒙脱石黏土、碳酸钠、氯化铝和硫酸锰组成的添加剂，膨润土和添加剂的质量配比：膨润土：蒙脱石黏土：碳酸钠：氯化铝：硫酸锰为100:10:1:1:1。膨润土10g和添加剂按上述比例加入，然后在100ml水里混合，并加入3ml的聚合氯化铝(质量浓度为5％)和0.5ml的聚丙烯酰胺(质量浓度为5％)以促进絮凝，然后105℃烘干，研磨至170目，放入马弗炉焙烧0.5h，焙烧温度为400℃，焙烧冷却后破碎筛分至10目。
固定化微生物：准确称取10g的膨润土载体，放入高压菌锅中，在121℃下湿热灭菌18min，加入18g的复合菌液(浓度为4*108个/ml)，复合菌液为乳酸菌、酵母菌、醋酸杆菌的混合菌液，混合菌液的浓度比例为5:2:6:1。载有复合菌液的载体放入250ml的具塞锥形瓶中，再放入摇床，以180次/min的转速摇动，固定化2.5h，倾出多余菌液，加入100ml浓度为2％的戊二醛水溶液，在低温2-5℃条件下交联22h，倾出多余戊二醛水溶液，用无菌水洗涤2-5次，然后加入15ml的培养基，33-38℃情况下摇床培养22h。
上述方法制作出的微生物载体的污水处理效率高，24hCOD去除率达80％以上，固定化后微生物活性仍然较高,水体变清澈，臭味消失。如下为处理某黑臭食品污水的数据：
实施例四：
活化载体：以膨润土为载体，将膨润土溶解于水溶液中并添加由蒙脱石黏土、碳酸钠、氯化铝和硫酸锰组成的添加剂，膨润土和添加剂的质量配比：膨润土：蒙脱石黏土：碳酸钠：氯化铝：硫酸锰为110:12:1.3:1.3:1.5。膨润土10g和添加剂按上述比例加入，然后在100ml水里混合，并加入3ml的聚合氯化铝(质量浓度为5％)和0.5ml的聚丙烯酰胺(质量浓度为5％)以促进絮凝，然后108℃烘干，研磨至180目，放入马弗炉焙烧1h，焙烧温度为450℃，焙烧冷却后破碎筛分至25目。
固定化微生物：准确称取10g的膨润土载体，放入高压菌锅中，在122℃下湿热灭菌20min，加入20g的复合菌液(浓度为4*108个/ml)，复合菌液为乳酸菌、酵母菌、醋酸杆菌的混合菌液，混合菌液的浓度比例为6:3:8:1。载有复合菌液的载体放入250ml的具塞锥形瓶中，再放入摇床，以190次/min的转速摇动，固定化2.8h，倾出多余菌液，加入100ml浓度为2.3％的戊二醛水溶液，在低温2-5℃条件下交联23h，倾出多余戊二醛水溶液，用无菌水洗涤2-5次，然后加入18ml的培养基，33-38℃情况下摇床培养23h。
上述方法制作出的微生物载体的污水处理效率高，24hCOD去除率达80％以上，固定化后微生物活性仍然较高，臭味明显降低，水体变清澈。如下为处理某黑臭水沟污水的数据：
| 参数 | 处理前 | 处理后 | 去除率 |
| COD | 16.01 | 2.05 | 87％ |
| TP | 7.22 | 0.83 | 89％ |
| pH | 7.8 | 7.5 | -- |
| 氨氮 | 10.15 | 3.3 | 67％ |
实施例五：
活化载体：以膨润土为载体，将膨润土溶解于水溶液中并添加由蒙脱石黏土、碳酸钠、氯化铝和硫酸锰组成的添加剂，膨润土和添加剂的质量配比：膨润土：蒙脱石黏土：碳酸钠：氯化铝：硫酸锰为120:15:1.5:2:2。膨润土10g和添加剂按上述比例加入，然后在100ml水里混合，并加入3ml的聚合氯化铝(质量浓度为5％)和0.5ml的聚丙烯酰胺(质量浓度为5％)以促进絮凝，然后110℃烘干，研磨至200目，放入马弗炉焙烧3h，焙烧温度为460℃，焙烧冷却后破碎筛分至30目。
固定化微生物：准确称取10g的膨润土载体，放入高压菌锅中，在123℃下湿热灭菌23min，加入25g的复合菌液(浓度为4*108个/ml)，复合菌液为乳酸菌、酵母菌、醋酸杆菌的混合菌液，混合菌液的浓度比例为10:5:10:2。载有复合菌液的载体放入250ml的具塞锥形瓶中，再放入摇床，以260次/min的转速摇动，固定化3h，倾出多余菌液，加入100ml浓度为2.5％的戊二醛水溶液，在低温2-5℃条件下交联24h，倾出多余戊二醛水溶液，用无菌水洗涤2-5次，然后加入20ml的培养基，33-38℃情况下摇床培养24h。
上述方法制作出的微生物载体的污水处理效率高，24hCOD去除率达80％以上，固定化后微生物活性仍然较高，处理后水体变清澈、色度下降，臭味消失。如下为处理某生活区污水的数据：
| 参数 | 处理前 | 处理后 | 去除率 |
| COD | 104 | 15 | 86％ |
| TSS | 52 | 10 | 81％ |
| pH | 7.6 | 7.3 | -- |
| 氨氮 | 83 | 15 | 82％ |
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：包括动力系统、净化系统和导流系统，所述的动力系统固定悬浮在水面上方，所述的净化系统和导流系统设在水体内，所述的导流系统包括可伸缩的导流布和若干块导流板，若干块导流板设在净化系统的顶部并呈环状布置，所述的导流布为圆柱状且上下开口，所述的导流布周边和底部分别固设有若干个铅锤，所述的净化系统设在导流布内。
2.如权利要求1所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的净化系统包括生物反应器和微生物系统，所述的生物反应器包括中心管和环绕于中心管周围的生物附着管，所述的生物附着管内壁为螺旋波纹状壁面，所述的微生物系统包括微生物承载器和设在所述微生物承载器内的微生物载体，所述的微生物承载器表面开设有若干气孔，所述的微生物承载器设在生物附着管的正下方。
3.如权利要求2所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的净化系统还包括曝气系统，所述的曝气系统包括至少一根曝气管，所述的曝气管通过通气管与曝气机连接，所述的曝气管设在微生物承载器的上方和/或下方，所述的曝气机固定安装在水面上方。
4.如权利要求3所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的曝气管为两根，分为第一曝气管和第二曝气管，第一曝气管通过第一通气管与第一曝气机连接，第二曝气管通过第二曝气管和第二曝气机连接，所述的第一曝气管设在微生物承载器的正上方，所述的第二曝气管设在微生物承载器的正下方。
5.如权利要求4所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的微生物承载器为微生物盒，所述的微生物盒内固设有微生物载体，所述的微生物载体具有多孔结构，所述的微生物盒顶部和底部分别开设有若干气孔，所述的第二通气管穿过所述微生物盒并在微生物盒内设有若干根曝气支管A，若干根曝气支管A所形成的平面与水平面平行。
6.如权利要求4所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的微生物承载器包括若干个微生物容器，每一个微生物容器内设有微生物载体，所述的微生物载体为固定化微生物颗粒，所述的第二通气管底部设有若干根曝气支管B，每一根曝气支管B表面均套有网格布，每一根曝气支管B分别连接一个微生物容器，每一个微生物容器表面均开设有若干气孔，若干个曝气支管B形成的平面垂直于水平面。
7.如权利要求4所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的生物反应器底部固设有一个用于收集第一曝气管气体的第一集气罩，所述的微生物承载器上设有一个用于收集第二曝气管气体的第二集气罩。
8.如权利要求6所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的固定化微生物颗粒的制备方法包括如下步骤：
S1、将膨润土溶解于水溶液中并添加添加剂，所述的添加剂由蒙脱石黏土、碳酸钠、氯化铝和硫酸锰组成，膨润土与添加剂的质量配比为：膨润土：蒙脱石粘土：碳酸钠：氯化铝：硫酸锰：100-120：10-15：1-1.5：l-2：1-2；
S2、往S1的料液中加入混凝剂和/或絮凝剂促进絮凝，所述的混凝剂为聚合氯化铝，所述的絮凝剂为聚丙烯酰胺，然后105-110℃烘干，研磨至170-200目，放入马弗炉焙烧，焙烧温度为400-460℃，焙烧时间为0.5-3h，焙烧冷却后破碎筛分至10-30目得到膨润土载体；
S3、称取膨润土载体，放入高压灭菌锅中，在121-123℃下湿热灭菌18-23min，加入膨润土载体质量1.8-2.5倍的复合菌液，复合菌液为乳酸菌、酵母菌、厌氧氨氧化菌、醋酸杆菌的混合菌液，混合菌液中乳酸菌：酵母菌：厌氧氨氧化菌：醋酸杆菌的浓度比例为：5-10：2-5：6-10：1-2；
S4、将载有复合菌液的载体放入容器中，再放入摇床，以180-260次/min的转速摇动，固定化2.5-3h，倾出多余菌液，加入100-150ml浓度为2-2.5％的戊二醛水溶液，在低温2-5℃条件下交联22-24h，倾出多余戊二醛水溶液，用无菌水洗涤2-5次，然后加入15-20ml的培养基，33-38℃情况下摇床培养22-24h，得微生物载体。
9.如权利要求1所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：还包括至少两个浮囊，所述的动力系统固定在浮囊上方，所述的动力系统为太阳能电池板。
10.如权利要求1所述的一种太阳能耦合固定化微生物的黑臭水体处理装置，其特征在于：所述的导流板下表面固设有若干个用于对装置运行过程进行摄像的摄像头。
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