CN108640200B - 一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统及方法，包括秸秆炭化系统、生物炭投加系统、动态膜装置和储水消毒系统，生物炭投加系统的进料端连接秸秆炭化系统，生物炭投加系统的出料端通过进料管连接动态膜装置，动态膜装置上设置有进水管，动态膜装置通过输水管连接储水消毒系统。该方法包括：秸秆生物炭制备、秸秆生物炭输送、动态膜装置处理、储水消毒处理和生物炭动态膜后处理。本发明动态膜利用秸秆生物炭的吸附和成层膜过滤机制，通过大剂量的秸秆生物炭吸附和纳滤级别过滤，去除水源中的SS、有机污染物和重金属，三重处理大幅提高净化水水质，通过系统的集成化和自控设计使设备实现全自动运行，保障运行的稳定性。

Description

一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统及方法。

背景技术

村级分散式供水工程大多数建在经济不发达的村庄，满足供水人口通常只有几百或者几十人，很难实现规模效益。村民的用水量少，且通常农民认为水是天然形成的，故收费较为困难。在分散式供水工程实际运营中，收入水价约0.2-1.0元/吨，而平均制水成本（包括水资源费、电费、消毒药剂、维护、工资、检测、工程折旧等费用）约为2.2-3.0元/吨，到户水价远远低于制水成本。由于经费不足，水厂的自我维护与自我生存能力较差，大多数工程一直处于亏损运营状态。同时，受水价形成机制、农民居民消费习惯的制约，在未来较长的一段时间内分散式供水工程水价并无上升空间。上述问题能否解决，是实现全省农民饮用水安全工程整体目标的关键，因此亟待开发实用性高、可稳定运行的分散式农村给水处理技术与装置，降低制水成本。

目前村级分散式供水工程多采用传统的“混凝—斜管沉淀—砂滤”工艺，系统占地面积大，水力停留时间长，砂滤池易堵塞，且需要人工加药、反洗，导致出水水质不达标。膜分离技术可除去水体中悬浮颗粒、病毒、有毒无机物等，具有操作简便、出水水质高等优点，在农村给水系统中已有应用。但在实践过程中，由于水源地水质的复杂性，运行时易产生膜化学结垢污堵和微生物污染，膜组件运行寿命短、清洗困难，限制了该技术的规模化应用。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统及方法的技术方案，动态膜利用秸秆生物炭的吸附和成层膜过滤机制，通过大剂量的秸秆生物炭吸附和纳滤级别过滤，去除水源中的SS、有机污染物和重金属，三重处理大幅提高净化水水质，通过系统的集成化和自控设计使设备实现全自动运行，保障运行的稳定性，该给水处理方法不仅步骤简单，实用性强，而且可以有效降低污水处理的成本，实现大规模环境修复。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统，其特征在于：包括秸秆炭化系统、生物炭投加系统、动态膜装置和储水消毒系统，生物炭投加系统的进料端连接秸秆炭化系统，生物炭投加系统的出料端通过进料管连接动态膜装置，进料管上设置有第一阀门，动态膜装置上设置有进水管，进水管上设置有进水泵，动态膜装置通过输水管连接储水消毒系统，储水消毒系统上连接有出水管，出水管上设置有出水泵；通过秸秆炭化系统的设计，可以将秸秆在缺氧或无氧环境下发生热解，除了生成CO₂、可燃性气体、挥发性油类和焦油类物质，还可产生含碳丰富、难溶、稳定、高度芳香化的生物炭。秸秆生物炭具备发达的空隙结构，其比表面积可达20-90m²/g，且表面官能团和表面电荷较为丰富，可高效吸附水中的重金属离子、有机污染物等，是一种新型环境友好功能吸附剂。小麦和水稻秸秆生物炭含有较高的碳酸盐、磷酸盐等无机矿物组分和较高阳离子交换量，可通过化学沉淀作用去除水中的金属离子。玉米秸秆生物炭的有机碳和官能团含量较高，比表面积大，主要通过表面吸附和官能团络合作用实现对污染物的去除，通过生物炭投加系统的设计，可以将炭化后的秸秆生物炭连续定量加入动态膜装置，使其与给水源的水达到最佳的反应状态，减少秸秆生物炭的浪费，同时提高了水的净化效率，通过动态膜装置的设计可以有效除去污水中的悬浮颗粒、病毒、有毒无机物等，具有操作简便，出水水质高等优点，能显著降低污染物的生物可利用性，抑制有机污染物和农药残留在水中的迁移能力，最大限度地减轻危害，储水消毒系统可以对处理后的水进行二次消毒，进一步提高水质。

进一步，秸秆炭化系统从上往下依次设置有加料筒、炭化室、加热室和第一储料室，加料筒固定连接在炭化室的顶端，加料筒上设置有第二活动门，炭化室的侧面上设置有进气管，炭化室的底部设置有第一活动门，加热室的侧面上设置有出气管，加热室与第一储料室之间设置有炉排，加热室和第一储料室上分别设置有观察口和出灰口，出灰口位于观察口的正下方，秸秆通过加料筒进入炭化室，炭化室在加热的同时连续通入氮气或二氧化碳，提高秸秆的炭化效率，最终经加热室进入第一储料室内，产生的废气则通过出气管排出。

进一步，生物炭投加系统包括水平输送螺杆、竖直输送螺杆和第二储料室，水平输送螺杆的端部设置有第一电机，水平输送螺杆上设置有进料斗，竖直输送螺杆与水平输送螺杆垂直连接，第二储料室套接在竖直输送螺杆上，第二储料室的顶面上设置有定位板，竖直输送螺杆的顶端连接有转轴，转轴上设置有从动轮，定位板的侧面上设置有第二电机，第二电机上设置有主动轮，主动轮通过皮带连接从动轮，第二储料室的底部侧面上设置有出料管，出料管上设置有第一电磁阀，生物炭通过进料斗进入水平输送螺杆，在第一电机的作用下经水平输送螺杆输送至竖直输送螺杆的底部，第二电机带动转轴旋转，进而带动竖直输送螺杆旋转，实现生物炭的提升，将生物炭输送至第二储料室内进行存储，该过程不仅可以实现对生物炭的降温，而且可以将生物炭进行存储，便于后续的定量连续输送。

进一步，动态膜装置内从下往上依次设置有吸附反应室、膜基过滤室和控制室，吸附反应室的两侧分别连接进料管和进水管，吸附反应室的底部设置有第三电机，第三电机上连接有搅拌桨，搅拌桨位于吸附反应室内，吸附反应室与膜基过滤室之间设置有隔板，隔板上均匀设置有透水孔，透水孔上均设置有第二电磁阀，膜基过滤室内上下水平设置有两个相互平行的陶瓷膜基组件，膜基过滤室的侧面上设置有密封门，膜基过滤室的外侧设置有反洗管道系统，膜基过滤室的侧面上连接有输水管，生物炭和给水源的水在吸附反应室内径搅拌桨搅拌均匀，再进入膜基过滤室，经陶瓷膜基组件过滤后通过输水管输送至储水消毒系统中，密封门便于将膜基过滤室内的生物炭动态膜取出，作为缓释肥和土壤改良剂回用。

进一步，陶瓷膜基组件包括基板，基板内设置有动态膜基膜和分离层，两个分离层位于动态膜基膜的上下两侧，位于上方的分离层的圆周侧面上倾斜均匀设置有第一反洗喷头，第一反洗喷头之间通过第一环形管连接，位于下方的分离层的圆周侧面上倾斜均匀设置有第二反洗喷头，第二反洗喷头之间通过第二环形管连接，第一环形管和第二环形管分别通过第一导流管和第二导流管连接衔接管，通过动态膜基膜和分离层的设计，可以有效提高膜抗污染能力和分离性能，保证给水水质，第一反洗喷头和第二反洗喷头可以分别对上下两侧的分离层进行清洗。

进一步，反洗管道系统包括反洗管、分流管和衔接管，反洗管通过分流管连接衔接管，反洗管连接外部供水设备，衔接管上均设置有反洗水泵，外部的水通过反洗管经分流管进入各个衔接管，在反洗水泵的作用下输送至相应的陶瓷膜基组件中，实现对动态膜基膜和分离层的冲洗。

进一步，控制室内设置有PLC控制器、温度控制器、时间控制器、第一压力控制器、第二压力控制器和水箱报警器，PLC控制器分别连接温度控制器、时间控制器、第一压力控制器、第二压力控制器和水箱报警器，PLC控制器可以对整个系统进行控制，温度控制器用于检测秸秆生物炭的温度，并通过时间控制器进行定时控制，第一压力控制器和第二压力控制器可以分别控制吸附反应室和膜基过滤室内的压力，水箱报警器用于控制动态膜装置的水位。

进一步，动态膜基膜的材料为膜材料或多孔材料，膜材料为微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜中的一种，多孔材料为陶瓷、烧结玻璃、尼龙筛绢、不锈钢丝网、无纺布、工业滤布中的一种，与有机基膜相比，无机基膜成本较低、强度较高，其中陶瓷膜具备孔径尺寸可控、化学性质稳定、耐高温耐高压、再生性能较优、使用寿命长等优势，具备良好的实际应用基础。

使用如上述的一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统处理污水的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）秸秆生物炭制备

以玉米秆、玉米芯、稻秆等不同秸秆为原料，经过干燥碾磨处理后筛分成300～800目，并将原料投入秸秆碳化系统中的炭化室内，然后将通过加热室将炭化室的温度进行加热，控制温度在300～800℃，接着通过进气管连续通入氮气或二氧化碳，使原料进行裂解，制备秸秆生物炭，产生的废气直接通过加热室侧面的出气管排出，秸秆生物炭沉积在第一储料室内，并通过出灰口进入生物炭投加系统，用热重法分析各组分在不同温度下炭化过程中固体物质的损失，用N2-BET法表征生物炭的比表面积、孔体积，了解各类型生物炭的潜在吸附表面及其孔体积和孔特征，用傅里叶变换红外吸收光谱表征官能团变化，用X射线衍射表征材料的相结构，了解生物炭各单组分随温度升高发生的相结构变化，揭示秸秆生物炭的晶态、无定形态等与吸附性能直接相关的相结构变化规律，用扫描电子显微镜观察炭化前后单组分生物炭的微观表面形貌，分析经不同温度改性后各组分的结构变化，分析秸秆生物炭含碳量、H/C摩尔比、O/C摩尔比等；

2）秸秆生物炭输送

秸秆生物炭经进料斗进入水平输送螺杆后，在第一电机的作用下由水平输送螺杆的一端输送至另一端与竖直输送螺杆的连接处，第二电机通过主动轮和从动轮带动竖直输送螺杆旋转，使秸秆生物炭向上移动，进入第二储料室内，第二储料室侧壁上的第一电磁阀打开，使秸秆生物炭经进料管进入动态膜装置；

3）动态膜装置处理

a、吸附反应：给水源的水在进水泵的作用下经进水管进入吸附反应室内，秸秆生物炭同时从进料管进入吸附反应室，吸附反应室底部的第三电机开始工作，使搅拌桨旋转，实现对给水源和秸秆生物炭的混合搅拌，混合后的液体经透水孔进入膜基过滤室；

b、动态膜净化处理：液体进入膜基过滤室后不断向上流动，依次经过两个平行设置的陶瓷膜基组件过滤后，通过输水管进入储水消毒系统，而过滤的固体颗粒悬浮物或胶体在介质表面形成具有分离性能的新膜；

c、动态膜反洗：待动态膜净化处理结束后，通过反洗管道系统对陶瓷膜基组件进行设备脱模和脱落生物炭；

4）储水消毒处理

经动态膜装置处理后的水在输水泵的作用下通过输水管进入储水消毒系统，经消毒后在出水泵的作用下通过出水管输出，实现水资源的再利用；

5）生物炭动态膜后处理

吸附完成后，通过反洗管道系统反洗脱落的生物炭动态膜作为缓释肥和土壤改良剂回用。

生物炭是指生物质在缺氧或无氧的环境中经热化学转化而得到的高碳含量的固体物质。由于其独特的结构与性质，生物炭在调节土壤性能、固碳、生物能源、环境修复等领域扮演重要的角色。生物炭作为土壤调节剂可提高土壤持水能力，降低肥料流失，调节土壤pH 值，显著促进作物的发芽、生长，提高产量。由于生物炭几乎不会被微生物降解， 因此可将生物质捕获的大气中的二氧化碳以生物炭的形式固定下来, 在抵御气候变化 中发挥了重要的作用。此外，生物炭成本相对较低，生产原料为生物固废（如农作物秸 秆、树叶、木屑、污泥等），因此更具应用价值。

生物炭后作为给水处理的吸附剂、吸附去除水中COD、氨氮、重金属和难降解有机物；同时利用粉末生物炭的成层效应在无机陶瓷膜上构建动态膜、过滤截留水中SS、胶体；吸附完成后反洗脱落的生物炭动态膜富含氮磷的物质，可作为良好的缓释肥和土壤改良剂回用。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

1、动态膜利用秸秆生物炭的吸附和成层膜过滤机制，通过大剂量的秸秆生物炭吸附和纳滤级别过滤，去除水源中的SS、有机污染物和重金属，三重处理大幅提高净化水水质，通过系统的集成化和自控设计使设备实现全自动运行，保障运行的稳定性。

2、秸秆生物炭动态膜通过秸秆再利用降低药剂成本、低压过滤降低电费成本、自动系统降低人力成本，三重组合答复降低农村给水的运行成本，从另一方面提高了农村用水的积极性，从而进一步保障农村的用水安全。

3、促进秸秆的再资源化利用，利用秸秆材料制备水处理药剂，实现秸秆的资源化方法之一，对促进资源节约、保护农民增收具有重要意义。

4、通过动态膜装置的设计可以有效除去污水中的悬浮颗粒、病毒、有毒无机物等，具有操作简便，出水水质高等优点，能显著降低污染物的生物可利用性，抑制有机污染物和农药残留在水中的迁移能力，最大限度地减轻危害。

5、本发明的给水处理方法不仅步骤简单，实用性强，而且可以有效降低污水处理的成本，实现大规模环境修复。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统及方法中给水处理系统的结构示意图；

图2为本发明中秸秆炭化系统的结构示意图；

图3为本发明中生物炭投加系统的结构示意图；

图4为本发明中动态膜装置的结构示意图；

图5为本发明中陶瓷膜基组件的结构示意图；

图6为本发明中污水处理的流程框图。

图中：1、秸秆炭化系统；2-生物炭投加系统；3-动态膜装置；4-储水消毒系统；5-进料管；6-第一阀门；7-进水管；8-进水泵；9-输水管；10-输水泵；11-出水管；12-出水泵；13-加热室；14-炭化室；15-加料筒；16-第一活动门；17-第二活动门；18-进气管；19-出气管；20-炉排；21-第一储料室；22-观察口；23-出灰口；24-水平输送螺杆；25-进料斗；26-第一电机；27-竖直输送螺杆；28-定位板；29-第二储料室；30-转轴；31-第二电机；32-主动轮；33-从动轮；34-皮带；35-出料管；36-第一电磁阀；37-吸附反应室；38-膜基过滤室；39-控制室；40-第三电机；41-搅拌桨；42-隔板；43-透水孔；44-第二电磁阀；45-陶瓷膜基组件；46-密封门；47-反洗管；48-分流管；49-衔接管；50-反洗水泵；51-PLC控制器；52-温度控制器；53-时间控制器；54-第一压力控制器；55-第二压力控制器；56-水箱报警器；57-基板；58-动态膜基膜；59-分离层；60-第一反洗喷头；61-第二反洗喷头；62-第一环形管；63-第二环形管；64-第一导流管；65-第二导流管。

具体实施方式

如图1至图5所示，为本发明一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统，包括秸秆炭化系统1、生物炭投加系统2、动态膜装置3和储水消毒系统4，生物炭投加系统2的进料端连接秸秆炭化系统1，秸秆炭化系统1从上往下依次设置有加料筒15、炭化室14、加热室13和第一储料室21，加料筒15固定连接在炭化室14的顶端，加料筒15上设置有第二活动门17，炭化室14的侧面上设置有进气管18，炭化室14的底部设置有第一活动门16，加热室13的侧面上设置有出气管19，加热室13与第一储料室21之间设置有炉排20，加热室13和第一储料室21上分别设置有观察口22和出灰口23，出灰口23位于观察口22的正下方，秸秆通过加料筒15进入炭化室14，炭化室14在加热的同时连续通入氮气或二氧化碳，提高秸秆的炭化效率，最终经加热室13进入第一储料室21内，产生的废气则通过出气管19排出，

生物炭投加系统2包括水平输送螺杆24、竖直输送螺杆27和第二储料室29，水平输送螺杆24的端部设置有第一电机26，水平输送螺杆24上设置有进料斗25，竖直输送螺杆27与水平输送螺杆24垂直连接，第二储料室29套接在竖直输送螺杆27上，第二储料室29的顶面上设置有定位板28，竖直输送螺杆27的顶端连接有转轴30，转轴30上设置有从动轮33，定位板28的侧面上设置有第二电机31，第二电机31上设置有主动轮32，主动轮32通过皮带34连接从动轮33，第二储料室29的底部侧面上设置有出料管35，出料管35上设置有第一电磁阀36，生物炭通过进料斗25进入水平输送螺杆24，在第一电机26的作用下经水平输送螺杆24输送至竖直输送螺杆27的底部，第二电机31带动转轴30旋转，进而带动竖直输送螺杆27旋转，实现生物炭的提升，将生物炭输送至第二储料室29内进行存储，该过程不仅可以实现对生物炭的降温，而且可以将生物炭进行存储，便于后续的定量连续输送。

生物炭投加系统2的出料端通过进料管5连接动态膜装置3，进料管5上设置有第一阀门6，动态膜装置3内从下往上依次设置有吸附反应室37、膜基过滤室38和控制室39，吸附反应室37的两侧分别连接进料管5和进水管7，吸附反应室37的底部设置有第三电机40，第三电机40上连接有搅拌桨41，搅拌桨41位于吸附反应室37内，吸附反应室37与膜基过滤室38之间设置有隔板42，隔板42上均匀设置有透水孔43，透水孔43上均设置有第二电磁阀44，膜基过滤室38内上下水平设置有两个相互平行的陶瓷膜基组件45，膜基过滤室38的侧面上设置有密封门46，膜基过滤室38的外侧设置有反洗管47道系统，膜基过滤室38的侧面上连接有输水管9，生物炭和给水源的水在吸附反应室37内径搅拌桨41搅拌均匀，再进入膜基过滤室38，经陶瓷膜基组件45过滤后通过输水管9输送至储水消毒系统4中，密封门46便于将膜基过滤室38内的生物炭动态膜取出，作为缓释肥和土壤改良剂回用，陶瓷膜基组件45包括基板57，基板57内设置有动态膜基膜58和分离层59，两个分离层59位于动态膜基膜58的上下两侧，位于上方的分离层59的圆周侧面上倾斜均匀设置有第一反洗喷头60，第一反洗喷头60之间通过第一环形管62连接，位于下方的分离层59的圆周侧面上倾斜均匀设置有第二反洗喷头61，第二反洗喷头61之间通过第二环形管63连接，第一环形管62和第二环形管63分别通过第一导流管64和第二导流管65连接衔接管49，通过动态膜基膜58和分离层59的设计，可以有效提高膜抗污染能力和分离性能，保证给水水质，第一反洗喷头60和第二反洗喷头61可以分别对上下两侧的分离层59进行清洗。

反洗管47道系统包括反洗管47、分流管48和衔接管49，反洗管47通过分流管48连接衔接管49，反洗管47连接外部供水设备，衔接管49上均设置有反洗水泵50，外部的水通过反洗管47经分流管48进入各个衔接管49，在反洗水泵50的作用下输送至相应的陶瓷膜基组件45中，实现对动态膜基膜58和分离层59的冲洗。

控制室39内设置有PLC控制器51、温度控制器52、时间控制器53、第一压力控制器54、第二压力控制器55和水箱报警器56，PLC控制器51分别连接温度控制器52、时间控制器53、第一压力控制器54、第二压力控制器55和水箱报警器56，PLC控制器51可以对整个系统进行控制，温度控制器52用于检测秸秆生物炭的温度，并通过时间控制器53进行定时控制，第一压力控制器54和第二压力控制器55可以分别控制吸附反应室37和膜基过滤室38内的压力，水箱报警器56用于控制动态膜装置3的水位。

动态膜基膜58的材料为膜材料或多孔材料，膜材料为微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜中的一种，多孔材料为陶瓷、烧结玻璃、尼龙筛绢、不锈钢丝网、无纺布、工业滤布中的一种，与有机基膜相比，无机基膜成本较低、强度较高，其中陶瓷膜具备孔径尺寸可控、化学性质稳定、耐高温耐高压、再生性能较优、使用寿命长等优势，具备良好的实际应用基础。

动态膜装置3上设置有进水管7，进水管7上设置有进水泵8，动态膜装置3通过输水管9连接储水消毒系统4，储水消毒系统4上连接有出水管11，出水管11上设置有出水泵12；通过秸秆炭化系统1的设计，可以将秸秆在缺氧或无氧环境下发生热解，除了生成CO₂、可燃性气体、挥发性油类和焦油类物质，还可产生含碳丰富、难溶、稳定、高度芳香化的生物炭。秸秆生物炭具备发达的空隙结构，其比表面积可达20-90m²/g，且表面官能团和表面电荷较为丰富，可高效吸附水中的重金属离子、有机污染物等，是一种新型环境友好功能吸附剂。小麦和水稻秸秆生物炭含有较高的碳酸盐、磷酸盐等无机矿物组分和较高阳离子交换量，可通过化学沉淀作用去除水中的金属离子。玉米秸秆生物炭的有机碳和官能团含量较高，比表面积大，主要通过表面吸附和官能团络合作用实现对污染物的去除，通过生物炭投加系统2的设计，可以将炭化后的秸秆生物炭连续定量加入动态膜装置3，使其与给水源的水达到最佳的反应状态，减少秸秆生物炭的浪费，同时提高了水的净化效率，通过动态膜装置3的设计可以有效除去污水中的悬浮颗粒、病毒、有毒无机物等，具有操作简便，出水水质高等优点，能显著降低污染物的生物可利用性，抑制有机污染物和农药残留在水中的迁移能力，最大限度地减轻危害，储水消毒系统4可以对处理后的水进行二次消毒，进一步提高水质。

使用如上述的一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统处理污水的方法（如图6所示），包括以下步骤：

1）秸秆生物炭制备

以玉米秆、玉米芯、稻秆等不同秸秆为原料，经过干燥碾磨处理后筛分成300～800目，并将原料投入秸秆碳化系统中的炭化室14内，然后将通过加热室13将炭化室14的温度进行加热，控制温度在300～800℃，接着通过进气管18连续通入氮气或二氧化碳，使原料进行裂解，制备秸秆生物炭，产生的废气直接通过加热室13侧面的出气管19排出，秸秆生物炭沉积在第一储料室21内，并通过出灰口23进入生物炭投加系统2，用热重法分析各组分在不同温度下炭化过程中固体物质的损失，用N2-BET法表征生物炭的比表面积、孔体积，了解各类型生物炭的潜在吸附表面及其孔体积和孔特征，用傅里叶变换红外吸收光谱表征官能团变化，用X射线衍射表征材料的相结构，了解生物炭各单组分随温度升高发生的相结构变化，揭示秸秆生物炭的晶态、无定形态等与吸附性能直接相关的相结构变化规律，用扫描电子显微镜观察炭化前后单组分生物炭的微观表面形貌，分析经不同温度改性后各组分的结构变化，分析秸秆生物炭含碳量、H/C摩尔比、O/C摩尔比等；

2）秸秆生物炭输送

秸秆生物炭经进料斗25进入水平输送螺杆24后，在第一电机26的作用下由水平输送螺杆24的一端输送至另一端与竖直输送螺杆27的连接处，第二电机31通过主动轮32和从动轮33带动竖直输送螺杆27旋转，使秸秆生物炭向上移动，进入第二储料室29内，第二储料室29侧壁上的第一电磁阀36打开，使秸秆生物炭经进料管5进入动态膜装置3；

3）动态膜装置处理

a、吸附反应：给水源的水在进水泵8的作用下经进水管7进入吸附反应室37内，秸秆生物炭同时从进料管5进入吸附反应室37，吸附反应室37底部的第三电机40开始工作，使搅拌桨41旋转，实现对给水源和秸秆生物炭的混合搅拌，混合后的液体经透水孔43进入膜基过滤室38；

b、动态膜净化处理：液体进入膜基过滤室38后不断向上流动，依次经过两个平行设置的陶瓷膜基组件45过滤后，通过输水管9进入储水消毒系统4，而过滤的固体颗粒悬浮物或胶体在介质表面形成具有分离性能的新膜；

c、动态膜反洗：待动态膜净化处理结束后，通过反洗管47道系统对陶瓷膜基组件45进行设备脱模和脱落生物炭；

4）储水消毒处理

经动态膜装置3处理后的水在输水泵10的作用下通过输水管9进入储水消毒系统4，经消毒后在出水泵12的作用下通过出水管11输出，实现水资源的再利用；

5）生物炭动态膜后处理

吸附完成后，通过反洗管47道系统反洗脱落的生物炭动态膜作为缓释肥和土壤改良剂回用。

生物炭是指生物质在缺氧或无氧的环境中经热化学转化而得到的高碳含量的固体物质。由于其独特的结构与性质，生物炭在调节土壤性能、固碳、生物能源、环境修复等领域扮演重要的角色。生物炭作为土壤调节剂可提高土壤持水能力，降低肥料流失，调节土壤pH 值，显著促进作物的发芽、生长，提高产量。由于生物炭几乎不会被微生物降解， 因此可将生物质捕获的大气中的二氧化碳以生物炭的形式固定下来, 在抵御气候变化 中发挥了重要的作用。此外，生物炭成本相对较低，生产原料为生物固废（如农作物秸 秆、树叶、木屑、污泥等），因此更具应用价值。

生物炭后作为给水处理的吸附剂、吸附去除水中COD、氨氮、重金属和难降解有机物；同时利用粉末生物炭的成层效应在无机陶瓷膜上构建动态膜、过滤截留水中SS、胶体；吸附完成后反洗脱落的生物炭动态膜富含氮磷的物质，可作为良好的缓释肥和土壤改良剂回用。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统，其特征在于：包括秸秆炭化系统、生物炭投加系统、动态膜装置和储水消毒系统，所述生物炭投加系统的进料端连接所述秸秆炭化系统，所述生物炭投加系统的出料端通过进料管连接所述动态膜装置，所述进料管上设置有第一阀门，所述动态膜装置上设置有进水管，所述进水管上设置有进水泵，所述动态膜装置通过输水管连接所述储水消毒系统，所述储水消毒系统上连接有出水管，所述出水管上设置有出水泵；所述秸秆炭化系统从上往下依次设置有加料筒、炭化室、加热室和第一储料室，所述加料筒固定连接在所述炭化室的顶端，所述加料筒上设置有第二活动门，所述炭化室的侧面上设置有进气管，所述炭化室的底部设置有第一活动门，所述加热室的侧面上设置有出气管，所述加热室与所述第一储料室之间设置有炉排，所述加热室和所述第一储料室上分别设置有观察口和出灰口，所述出灰口位于所述观察口的正下方；所述生物炭投加系统包括水平输送螺杆、竖直输送螺杆和第二储料室，所述水平输送螺杆的端部设置有第一电机，所述水平输送螺杆上设置有进料斗，所述竖直输送螺杆与所述水平输送螺杆垂直连接，所述第二储料室套接在所述竖直输送螺杆上，所述第二储料室的顶面上设置有定位板，所述竖直输送螺杆的顶端连接有转轴，所述转轴上设置有从动轮，所述定位板的侧面上设置有第二电机，所述第二电机上设置有主动轮，所述主动轮通过皮带连接所述从动轮，所述第二储料室的底部侧面上设置有出料管，所述出料管上设置有第一电磁阀；所述动态膜装置内从下往上依次设置有吸附反应室、膜基过滤室和控制室，所述吸附反应室的两侧分别连接所述进料管和所述进水管，所述吸附反应室的底部设置有第三电机，所述第三电机上连接有搅拌桨，所述搅拌桨位于所述吸附反应室内，所述吸附反应室与所述膜基过滤室之间设置有隔板，所述隔板上均匀设置有透水孔，所述透水孔上均设置有第二电磁阀，所述膜基过滤室内上下水平设置有两个相互平行的陶瓷膜基组件，所述膜基过滤室的侧面上设置有密封门，所述膜基过滤室的外侧设置有反洗管道系统，所述膜基过滤室的侧面上连接有所述输水管。

2.根据权利要求1所述的一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统，其特征在于：所述陶瓷膜基组件包括基板，所述基板内设置有动态膜基膜和分离层，两个所述分离层位于所述动态膜基膜的上下两侧，位于上方的所述分离层的圆周侧面上倾斜均匀设置有第一反洗喷头，所述第一反洗喷头之间通过第一环形管连接，位于下方的所述分离层的圆周侧面上倾斜均匀设置有第二反洗喷头，所述第二反洗喷头之间通过第二环形管连接，所述第一环形管和所述第二环形管分别通过第一导流管和第二导流管连接衔接管。

3.根据权利要求2所述的一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统，其特征在于：所述反洗管道系统包括反洗管、分流管和所述衔接管，所述反洗管通过所述分流管连接所述衔接管，所述反洗管连接外部供水设备，所述衔接管上均设置有反洗水泵。

4.根据权利要求1所述的一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统，其特征在于：所述控制室内设置有PLC控制器、温度控制器、时间控制器、第一压力控制器、第二压力控制器和水箱报警器，所述PLC控制器分别连接所述温度控制器、所述时间控制器、所述第一压力控制器、所述第二压力控制器和所述水箱报警器。

5.根据权利要求2所述的一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统，其特征在于：所述动态膜基膜的材料为膜材料，所述膜材料为微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜中的一种。

6.使用如权利要求1所述的一种利用生物炭动态膜的分散式农村给水处理系统处理污水的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）秸秆生物炭制备

以玉米秆、玉米芯、稻秆为原料，经过干燥碾磨处理后筛分成300～800目，并将原料投入秸秆碳化系统中的炭化室内，然后将通过加热室将炭化室的温度进行加热，控制温度在300～800℃，接着通过进气管连续通入氮气或二氧化碳，使原料进行裂解，制备秸秆生物炭，产生的废气直接通过加热室侧面的出气管排出，秸秆生物炭沉积在第一储料室内，并通过出灰口进入生物炭投加系统；

2）秸秆生物炭输送

秸秆生物炭经进料斗进入水平输送螺杆后，在第一电机的作用下由水平输送螺杆的一端输送至另一端与竖直输送螺杆的连接处，第二电机通过主动轮和从动轮带动竖直输送螺杆旋转，使秸秆生物炭向上移动，进入第二储料室内，第二储料室侧壁上的第一电磁阀打开，使秸秆生物炭经进料管进入动态膜装置；

3）动态膜装置处理

a、吸附反应：给水源的水在进水泵的作用下经进水管进入吸附反应室内，秸秆生物炭同时从进料管进入吸附反应室，吸附反应室底部的第三电机开始工作，使搅拌桨旋转，实现对给水源和秸秆生物炭的混合搅拌，混合后的液体经透水孔进入膜基过滤室；

b、动态膜净化处理：液体进入膜基过滤室后不断向上流动，依次经过两个平行设置的陶瓷膜基组件过滤后，通过输水管进入储水消毒系统，而过滤的固体颗粒悬浮物或胶体在介质表面形成具有分离性能的新膜；

c、动态膜反洗：待动态膜净化处理结束后，通过反洗管道系统对陶瓷膜基组件进行设备脱模和脱落生物炭；

4）储水消毒处理

经动态膜装置处理后的水在输水泵的作用下通过输水管进入储水消毒系统，经消毒后在出水泵的作用下通过出水管输出，实现水资源的再利用；

5）生物炭动态膜后处理

吸附完成后，通过反洗管道系统反洗脱落的生物炭动态膜作为缓释肥和土壤改良剂回用。

Images