CN108623016A - 用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元，其包括连接在一起的模块化生物单元与模块化生态单元，当将模块化生物单元与模块化生态单元布置在河道中时，模块化生态单元位于模块化生物单元的上方；模块化生物单元包括填料框和装填在填料框中的缓释碳源填料单元，缓释碳源填料单元包括碳源支撑体和封装在碳源支撑体内的缓释碳源；模块化生态单元包括漂浮件、布置在漂浮件上的水生植物和限制漂浮件移动的浮筒。该模块化生物生态单元可高效富集微生物，为富营养化河湖水体、碳源不足污水等的反硝化微生物脱氮提供稳定的碳源，同时实现生物膜系统的快速构建。

Description

用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元

技术领域

本发明涉及水体治理和污水处理领域的微生物脱氮缓释碳源模块，特别是一种用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元。

背景技术

当前，水污染已成为我国面临的最主要的水环境问题，随着河道综合整治的开展，大部分下河污染源被截断，水体污染物由以往的有机污染转变为氮、磷污染。另外，随着城市污水处理和中水回用进程的加快，中水成为城市河湖水体的一个重要组成部分，这些水体的COD不高，而氨氮含量却较高，这一现状进一步加剧了河湖的富营养化程度。

目前由于雨污合流制管网的截流改造，大量的雨水进入市政污水处理厂，致使市政污水COD浓度较低，生物脱氮碳源不足，需要投加大量碳源，增加了污水处理成本。

一般认为，当水体中BOD/TKN<3～5时，即需另外投加碳源作为反硝化反应的电子供体。现有的外加碳源可分为两大类，一类是以甲醇、乙醇、乙酸、葡萄糖等小分子有机物为代表的传统碳源；另一类是以天然纤维素类物质及可生物降解的聚合物等大分子有机物碳源。小分子碳源具有易被微生物降解、易被反硝化细菌利用等优点，但由于河道水体的流动性及水量、水质不易控制等特点，小分子有机碳源投入河道水体，如未被反硝化细菌有效利用，不但达不到促进反硝化作用进行的目的，反而会污染下游水体，且成本较高。天然纤维素类碳源(如：棉花、秸秆、稻壳等)具有取材方便、来源充足、成本低廉等优点，但投加后其碳源供给时间仅能维持10-20天，随后反硝化效果下降，需重新投加才能维持较好的脱氮效果，剩下的秸秆残渣如不从水体中取出，沉积在河底腐败，会进一步加剧水体的黑臭状况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元，该模块化生物生态单元可高效富集微生物，为富营养化河湖水体、碳源不足污水等的反硝化微生物脱氮提供稳定的碳源，同时实现生物膜系统的快速构建。具体的技术方案如下：

用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元，其包括连接在一起的模块化生物单元与模块化生态单元，当将模块化生物单元与模块化生态单元布置在河道中时，模块化生态单元位于模块化生物单元的上方；

所述模块化生物单元包括填料框和装填在填料框中的缓释碳源填料单元，所述缓释碳源填料单元包括碳源支撑体和封装在碳源支撑体内的缓释碳源；

所述模块化生态单元包括漂浮件、布置在漂浮件上的水生植物和限制漂浮件移动的浮筒。优选地，漂浮件为生态浮床，该漂浮件包括内部具有密封空腔的浮体，在浮体的中央部具有贯穿上下表面的中心孔，该中心孔用于布置水生植物。所述浮筒具有若干个，若干浮筒首尾相连形成环状物，该环状物围绕于漂浮件外围。

本申请采用缓释碳源主要为生物降解塑料、生物基塑料，该缓释碳源不溶于水，易被微生物利用生物脱氮，在高效脱氮的同时可不会对水体或污水处理系统增加额外的有机负荷，即不产生二次污染，且碳源释放量稳定，碳源供给时间长。

具体地，所述缓释碳源为3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物、聚(丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯)、聚-β-羟基丁酸酯、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸或聚羟基烷酸酯中的至少一种。进一步，所述缓释碳源中还添加有淀粉和麦芽糊精中的至少一种。

上述材料作为优良的生物可降解材料，为制作缓释碳源的较佳材料，能够保证微生物的良好活性。在添加淀粉或麦芽糊精后，可以调节缓释碳源的降解速率等特性，保证脱氮效果。

优选地，所述缓释碳源呈圆柱状，缓释碳源的直径为1-5mm，长度为0.5m-15m；

所述碳源支撑体由尼龙纤维、锦纶纤维或涤纶纤维中的至少一种编织而成，碳源支撑体为圆筒带状结构，碳源支撑体的外径为2-6mm，碳源支撑体的外径较碳源缓释填料大1-2mm。

所述碳源支撑体可由编织绳编织而成，每根编织绳具有8-16根纤维，其中4-12根纤维为缠绕2cm-4cm绒丝的锦纶纤维，其余纤维为尼龙纤维、锦纶纤维或涤纶纤维中至少一种纤维。

碳源支撑体包裹在缓释碳源的外周面上，圆柱状的缓释碳源以及由纤维编织而成的碳源支撑体具有较大的比较面积，尤其将缓释碳源设置为1-5mm的小直径时，可进一步大幅度提高缓释碳源填料单元的比表面积，巨大的比表面积为微生物提供了充足的繁殖场所，保证了微生物的总量，微生物的大量聚集，一方面吸收水体氮磷等污染物，一方面利用内部包裹的缓释碳源维持其反硝化脱氮。

为进一步提高缓释碳源填料单元的比表面积，所述尼龙纤维、锦纶纤维和涤纶纤维的表面具有呈放射状的短纤维，所述尼龙、锦纶或涤纶的比表面积为600-1200㎡/m³。

进一步，填料框包括框架、杂物阻挡网和安装在框架内的多层导轨，所述多层导轨上下布置，杂物阻挡网安装在填料框的朝向河道上游的一侧；所述缓释碳源填料单元固定在导轨上，上下相邻的缓释碳源填料单元之间具有距离。上述结构便于缓释碳源填料单元的安装，杂物阻挡网的安装可以避免河道中的杂物进入到填料框内，对缓释碳源填料单元造成破坏。河道中有各式的杂物，这些杂物粘附在缓释碳源填料单元的表面时，会破坏微生物的附着地，从而影响微生物的总量，导致河水净化效果变差。

框架式结构以及相邻的缓释碳源填料单元之间具有距离，使模块化生物单元的内部具有供水流通过的通道，在保证微生物能够对水体中的物质进行分解的同时，还保证了水体的自由流动，避免对水体的流动造成较大的不利影响，不利于河道的雨季行洪。

为了保证生态单元可以随着水位升降，并且留有余量，避免暴雨洪峰时不被淹没，模块化生态单元通过连接绳连接在模块化生物单元上，连接绳的长度参照下式计算：

连接绳长度＝河道最大水深-模块化生物单元高度+0.5m。

进一步，所述缓释碳源填料单元采用如下步骤制备：

(1)将原料加入混合机的混合室内，于80℃-180℃高速搅拌，混合均匀，形成高温料；然后将高温料降温至65-30℃后，投入挤出机，经塑化后挤出，进入冷却液冷却成型为缓释碳源；

在挤出机的机筒内，原料经加热、挤压、剪切、搅拌、摩擦等，逐渐由玻璃态转变为熔融高弹态，最后成为粘流态，达到完全塑化，随后由螺杆沿成型模具挤出，经冷却定型后，即完成缓释碳源的制作；

将缓释碳源导入编织机的中心纱管内，在缓释碳源的外周编织形成碳源支撑体，剪切后形成缓释碳源填料预制体；碳源支撑体具体可以采用8锭、16锭、24锭、32锭、48锭编织机编织而成：

(3)将30-100根缓释碳源填料预制体平行铺设，然后用胶粘剂粘合在一起，形成预制体排，胶粘剂的粘接位置距离缓释碳源填料预制体的两端距离为30-50mm，然后将1-5片预制体排的两端分别放置在一凹槽内，向凹槽内浇入环氧树脂，待环氧树脂固化后形成一缓释碳源填料单元，该凹槽形成用于安装缓释碳源填料单元的安装部。胶粘剂的熔点在120-130℃。

本发明的模块化生物生态单元结合了生物膜法、生态法的优势，可根据治理水体或污水处理构筑物的尺寸进行调整设计，用于河道及污水治理，脱氮效率高，去除效果稳定。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例的简图。

图2是模块化生物单元的结构简图。

图3是缓释碳源填料单元的结构简图。

图4是漂浮件相互连接的结构简图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

请参阅图1-图4，用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元，其包括连接在一起的模块化生物单元100与模块化生态单元200，当将模块化生物单元100与模块化生态单元布置在河道中时，模块化生态单元200位于模块化生物单元100的上方。

模块化生态单元通过连接绳50连接在模块化生物单元100上，连接绳50的长度为：河道最大水深-模块化生物单元高度+0.5m。

在本实施例中，连接绳50具体为尼龙绳，在其它实施例中，连接绳还可以为不锈钢链或其它能够用于连接的绳索。

模块化生物单元100包括填料框2和装填在填料框中的缓释碳源填料单元1，缓释碳源填料单元1包括碳源支撑体10和封装在碳源支撑体10内的缓释碳源11；

模块化生态单元200包括漂浮件30、布置在漂浮件30上的水生植物40和限制漂浮件移动的浮筒12，水生植物40具体为狐尾藻、睡莲等漂浮植物。具体在本实施例中，漂浮件30为生态浮床，该漂浮件包括内部具有密封空腔的浮体31，在浮体31的中央部具有贯穿上下表面的中心孔32，该中心孔32中于布置水生植物40。

请参阅图4，在浮筒12的中心设置有连接孔13，钢管14穿过连接孔13将若干个浮筒12首尾串联起来形成环状物，该环状物围绕于漂浮件外围，避免漂浮件随水流进行漂移，脱离设定的区域。在钢管14上焊接有连接环15，通过该连接环15可以连接到模块化生物单元上。

在本实施例中，缓释碳源11具体采用聚乳酸作为原料进行制作，并在聚乳酸中添加有淀粉。

在其它实施例中，缓释碳源还可以采用3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物、聚(丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯)、聚-β-羟基丁酸酯、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、或聚羟基烷酸酯中任意一种进行制作，或包括聚乳酸在内的上述原料中的至少2种进行制作，并可添加淀粉和麦芽糊精中的一种或两种。例如可以单独使用聚乳酸、聚-β-羟基丁酸酯或聚己内酯作为原料来制作缓释碳源，或使用上述三种原料来制作缓释碳源，或采用上述三种原料以及麦芽糊精来制作缓释碳源，当然也可以同时添加淀粉。

在本实施例中，缓释碳源11呈圆柱状，缓释碳源的直径为3mm，长度为5m。碳源支撑体12采用编织绳编织而成，编织绳的纤维根数为12根，其中包括8根缠绕有2cm-4cm绒丝的锦纶纤维，其余纤维为尼龙纤维。在其它实施例中，编织绳的纤维根数可以在8-16根之间进行选择，根据具体的需要，其中的缠绕有绒丝的锦纶纤维可以在4-12根之间进行选择，其它纤维可以采用尼龙纤维、锦纶纤维或涤纶纤维中的至少一种。

当然，根据具体的水质情况，碳源支撑体还可以采用由尼龙纤维、锦纶纤维或涤纶纤维中的至少一种编织所构成的编织绳编织而成。

在其它实施例中，缓释碳源的直径还可以为1mm、2mm、4mm或5mm，长度可以为0.5m、1m、2m、4m、8m、10m、12m或15m。

具体在本实施例中，碳源支撑体12的外径为4mm，碳源支撑体12的外径较缓释碳源的直径大1mm，在其它实施例中，碳源支撑体的外径较缓释碳源的直径大1-2mm。

在本实施例中，尼龙纤维的表面具有呈放射状的短纤维，尼龙纤维的比表面积为1000㎡/m³。在其它实施例中，当选用锦纶纤维和涤纶纤维制作碳源支撑体时，还可以在锦纶纤维和涤纶纤维的表面设置放射状的短纤维。

在本实施例中，填料框2包括框架17、杂物阻挡网7和安装在框架内的多层导轨4，所述多层导轨上下布置，杂物阻挡网7安装在填料框2的朝向河道上游的一侧；缓释碳源填料单元1固定在导轨4上，上下相邻的缓释碳源填料单元1之间具有距离。在填料框2的侧面上沿上下方向安装有导槽8，杂物阻挡网7插在该导槽8中。

在本实施例中，框架12整体呈立方体，采用角钢制作，具有四条支腿9，在相邻的支腿之间连接有横梁16，四条支腿的下端向下超过位于最下侧的横梁16后形成支脚5。在上部的横梁上焊接有钢环6，当布置多个模块化生物单元时，通过该钢环6可以将相邻的模块化生物单元连接在一起。

导轨4采用2-5mm的钢条弯曲焊接而成，钢条弯曲成长条形的环状，然后将长度方向的两端朝同一方向弯曲形成连接部，然后将导轨经连接部焊接在框架的内侧，则上下方向的钢条之间相成用于安装缓释碳源填料单元1卡槽。缓释碳源填料单元上的下述的安装部卡持在卡槽内。

在本实施例中，缓释碳源填料单元采用如下步骤制备：

(1)将原料加入混合机的混合室内，于80℃-180℃高速搅拌，混合均匀，形成高温料；然后将高温料降温至65-30℃后，投入挤出机，经塑化后挤出，进入冷却液冷却成型为缓释碳源；

将缓释碳源导入编织机的中心纱管内，在缓释碳源的外周编织形成碳源支撑体，剪切后形成缓释碳源填料预制体；

(3)将30～100根缓释碳源填料预制体平行铺设，然后用胶粘剂粘合在一起，形成预制体排，胶粘剂的粘接位置距离缓释碳源填料预制体的两端距离为30～50mm，然后将1～5片预制体排的两端分别放置在一凹槽内，向凹槽内浇入环氧树脂，待环氧树脂固化后形成一缓释碳源填料单元，该凹槽形成用于安装缓释碳源填料单元的安装部。

将本实施例中的模块化生物单元的大小设置为2.32m×2.32m×2.32m，模块化生态单元的长宽分别设置为2.3m×2.3m时，将该模块化生物生态单元于一个宽度为5m，流量约3000m³/d的小型河道内安装5台，河道水体TN浓度由原来的6.5-8mg/L降至1.5-2.5mg/L，脱氮效果明显。

Claims (10)

1.用于河道原位治理和污水处理的模块化生物生态单元，其特征在于：包括连接在一起的模块化生物单元与模块化生态单元，当将模块化生物单元与模块化生态单元布置在河道中时，模块化生态单元位于模块化生物单元的上方；

所述模块化生物单元包括填料框和装填在填料框中的缓释碳源填料单元，所述缓释碳源填料单元包括碳源支撑体和封装在碳源支撑体内的缓释碳源；

所述模块化生态单元包括漂浮件、布置在漂浮件上的水生植物和限制漂浮件移动的浮筒。

2.根据权利要求1所述的模块化生物生态单元，其特征在于，

所述缓释碳源为3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物、聚(丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯)、聚-β-羟基丁酸酯、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸或聚羟基烷酸酯中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的模块化生物生态单元，其特征在于，

所述缓释碳源中还添加有淀粉和麦芽糊精中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的模块化生物生态单元，其特征在于，

所述缓释碳源呈圆柱状，缓释碳源的直径为1-5mm，长度为0.5m-15m；

所述碳源支撑体由尼龙纤维、锦纶纤维或涤纶纤维中的至少一种编织而成，碳源支撑体为圆筒带状结构，碳源支撑体的外径为2-6mm，碳源支撑体的外径较碳源缓释填料大1-2mm。

5.根据权利要求4所述的模块化生物生态单元，其特征在于，

所述尼龙纤维、锦纶纤维和涤纶纤维的表面具有呈放射状的短纤维，所述尼龙、锦纶或涤纶的比表面积为600-1200㎡/m³。

6.根据权利要求1所述的模块化生物生态单元，其特征在于：

填料框包括框架、杂物阻挡网和安装在框架内的多层导轨，所述多层导轨上下布置，杂物阻挡网安装在填料框的朝向河道上游的一侧；所述缓释碳源填料单元固定在导轨上，上下相邻的缓释碳源填料单元之间具有距离。

7.根据权利要求1所述的模块化生物生态单元，其特征在于：所述浮筒具有若干个，若干浮筒首尾相连形成环状物，该环状物围绕于漂浮件外围。

8.根据权利要求1所述的模块化生物生态单元，其特征在于：所述漂浮件为生态浮床，该漂浮件包括内部具有密封空腔的浮体，在浮体的中央部具有贯穿上下表面的中心孔，该中心孔用于布置水生植物。

9.根据权利要求1所述的模块化生物生态单元，其特征在于：

模块化生态单元通过连接绳连接在模块化生物单元上，

连接绳的长度参照下式计算：

连接绳长度＝河道最大水深-模块化生物单元高度+0.5m。

10.根据权利要求1-9所述的模块化生物生态单元，其特征在于：

所述缓释碳源填料单元采用如下步骤制备：

(1)将原料加入混合机的混合室内，于80℃-180℃高速搅拌，混合均匀，形成高温料；然后将高温料降温至65-30℃后，投入挤出机，经塑化后挤出，进入冷却液冷却成型为缓释碳源；

将缓释碳源导入编织机的中心纱管内，在缓释碳源的外周编织形成碳源支撑体，剪切后形成缓释碳源填料预制体；

(3)将30～100根缓释碳源填料预制体平行铺设，然后用胶粘剂粘合在一起，形成预制体排，胶粘剂的粘接位置距离缓释碳源填料预制体的两端距离为30～50mm，然后将1～5片预制体排的两端分别放置在一凹槽内，向凹槽内浇入环氧树脂，待环氧树脂固化后形成一缓释碳源填料单元，该凹槽形成用于安装缓释碳源填料单元的安装部。