CN108821498B - 一种利用仿生学方法处理黑臭水体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用仿生学方法处理黑臭水体的方法，所述方法包括以下步骤：对黑臭水体进行预处理，使经过预处理的水体通过模拟小肠消化功能的仿生肠道管式净化系统，使通过所述管式净化系统处理的水体进入模拟大肠消化功能的微生物燃料电池进行处理，以及将经过所述微生物燃料电池处理的水体泵入上向流斜管沉淀池进行处理。

Description

一种利用仿生学方法处理黑臭水体的方法
技术领域
本发明涉及污水净化方法和装置，具体涉及利用仿生学方法处理黑臭水体的方法和装置。
背景技术
河流黑臭是一系列的生物化学现象，导致水体黑臭的原因主要是有机污泥沉积和厌氧发酵，大量有机物在分解过程中耗氧大于复氧，造成水体缺氧，厌氧微生物大量繁殖并分解有机物产生大量有臭气体如甲烷、硫化氢、氨等逸出水面进入大气，使水体发臭；水体缺氧导致水中铁、锰等重金属还原，与水中的硫形成在水体致黑作用中占主导作用的硫化亚铁等。因此，很多研究围绕改善水体的氧化还原状态和底泥分解氧化技术开展，其中曝气充氧是改善水体的氧化还原状态最常见的技术之一，但普通的曝气设备溶氧率低、能耗高，微纳米曝气是一种新型的水体曝气技术，具有溶氧率高、见效快的明显优势。底泥有机物高效分解一般是向底泥中投加适量的底泥净化剂，净化剂的效果主要由其中降解底泥的微生物分解代谢能力决定。
发明内容
本发明的目的在于提供利用仿生学方法处理黑臭水体的装置和方法，本发明的装置主要模拟人的消化系统对水体污染物进行去除，能够有效降解水中的有机物和氨氮，并提高了有机物与氨氮能量的转化效率，在实际应用中只需要将装置放置于黑臭河道中，就可起到净化水体的作用，净化后出水水质可达到地表水IV类，化学需氧量可降至25-30mg/L，氨氮1.0-1.5mg/L，总磷0.15-0.3mg/L，操作方便，同时装置犹如一个个丁坝，可形成回流和泥沙淤积，形成河滩洼地和静水区等多样的河道环境，将截弯取直的直流河道变成蜿蜒曲折的多样性生态河道。
为实现上述目的，本发明提供一种利用仿生学方法处理黑臭水体的装置，其主要结构包括：进水系统、曝气装置、仿生肠道管式净化系统、微生物燃料电池、斜管沉淀池、太阳能电池板。装置高1.5米，长1米，宽1米(太阳能电池板除外)。曝气装置主要模拟人的呼吸作用，仿生肠道管式净化系统主要模拟小肠的消化功能，微生物燃料电池主要模拟大肠的消化功能并将化学能转化成电能，斜管沉淀池主要是模拟人的排泄功能。太阳能电池板作为辅助电源，保障整个系统的用电。
进水系统主要由泵和管道组成，将河道下部泥水依次吸入预处理装置、仿生肠道管式生物膜、微生物电池、斜管沉淀池。
预处理装置是黑臭水体前处理场所，主要通过粗格栅、细格栅完成物理过滤截留去除可见大颗粒物、垃圾等，投加的酶主要是氧化还原序列的酶，如葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乙醇脱氢酶等，投加的酶可为其中的一种或几种混合投加。预处理难降解有机物如腐殖质等调节水体pH值在6.8-8.0之间，生物酶的投加量为每吨河水100g的生物酶河水。
仿生肠道管式净化系统由管式外壁、褶皱小肠内壁、附着微生物的细小绒毛组成，管式外壁为1根以上管式结构，可以由玻璃钢及聚乙烯或聚丙烯等硬质材料制成，也可以由不锈钢等金属导电材料制成。底部设有曝气机。肠道管式结构内部是褶皱小肠内壁，褶皱小肠内壁由聚丙烯或聚乙烯材料制成，褶皱小肠内壁的形状仿照人的小肠内壁的形状制成，密布仿生细小绒毛，细小绒毛由带正电的碳素纤维组成，密布的细小绒毛一方面起到切割气泡的作用，一方面是重要的微生物载体。仿生肠道管式净化系统的廊道是生物接触氧化反应的主要场所，预处理装置的出水从仿生肠道下端进入，将黑臭水体中的大分子有机物降解为小分子有机物，同是提高腐殖质的含量。曝气采取氧化还原电位与溶解氧双控制，氧化还原电位＞200mv或者溶解氧＞3mg/L时停止曝气，氧化还原电位＜0或者溶解氧小于1mg/L时开始曝气。
褶皱小肠内壁中附着的拟肠道益生菌是一类从人或动物肠道中筛选的分解有机物能力强，代谢有机物能力弱，环境适应能力强的微生物，包括厌氧菌、兼性菌和好氧菌。益生菌附着在褶皱小肠内壁及绒毛上，黑臭水体从下段进入，由泵向上吸入，益生菌将其中的有机物分解并利用能量生长繁殖。微生物在系统启动阶段需要定期投加，系统启动开始时是投加微生物100g/m3河水，主要以为考拉杆菌属(Phascolafctobacterium)，挑剔真杆菌(Eubacterium eligens)为主。系统启动12天-15天之间，投加拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属，投加量为120-150g/m3河水，系统启动180天后，投加肠道产丁酸细菌，投加量为200-300g/L。
细小绒毛将曝气产生的大气泡切割成微小气泡(0.5～200纳米)，增加溶解氧的溶解率，在小气泡溶解和破裂的过程中产生羟基自由基，可将含苯环的难降解有机物氧化为小分子有机物。提高后续微生物燃料电池的产能效率。同时绒毛还可截留部分颗粒物。生物绒毛采碳素纤维材料，碳素纤维纤维经表面处理后，带正电荷。
微生物燃料电池为有机玻璃板制成，是微生物阳极、空气阴极的双室结构，阳极室和阴极室中间由玻璃纤维作为质子交换膜，装置两端分别设置进、出水口和进、出气口，外接用电器，外电路通过导线与电极相连构成回路，微生物燃料电池可以利用燃料电池中的微生物将仿生肠道处理后的水体中的小分子有机物的化学能直接转化成电能(转化率可达40％)，转化的电能提供装置曝气需要的约20％的能量。经仿生肠道处理后的水体含大量中间代谢产物，燃料电池中的专项菌剂利用小分子有机物的同时有针对的继续分解其中难降解有机物。主要投加拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属，投加量500g/m3河水。电池的电流密度小于10mA.cm-2时，增加拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属，每次投加200g/m3河水。拟杆菌属(Bacteroides)和毛螺旋菌科Roseburia属是常见的人体肠道厌氧微生物，可分解蛋白胨和葡萄糖等小分子碳水化合物，产生各类酸、醇、CO2和H2。类蛋白类物质在微生物作用下，快速将有机物分解，通过类腐殖酸类物质，加快电子转移的速度。微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠电子传递介体(类腐殖酸类物质)在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(曝气通入的氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
上向流斜管沉淀池由进水口、斜管沉淀区、出水口与集泥斗四个部分组成。从微生物燃料电池处理后的河水由泵压入进水口，蜂窝斜管结构使进水中的悬浮物、固化物，在斜管底侧表面积聚成薄泥层，依靠重力作用滑回泥渣悬浮层，继而沉入集泥斗，由穿孔排泥管排入污泥池中，上清液逐渐上升至集水管从右侧出水口排出。污泥池定期清理，排出污泥。蜂窝斜管可以用浸渍纸制成，并用酚醛树脂固化定形，一般做成正六边形，内切圆直径为25mm，斜管倾角一般为60度，缓冲层高度0.5-1.0m，斜管上部水深0.5-1.0m，斜管顶端向进水端倾斜。斜管沉淀池将被微生物燃料电池处理后的泥水混合物、难降解有机物在各沉淀浅层中相互运动并分离，增加了沉淀池的沉淀面积。流速根据水体有机物浓度而定，一般在0.1-0.5mm/s。
曝气机可以为仿生肠道管式净化系统和微生物燃料电池提供氧气。曝气量根据不同黑臭水体需氧量确定。其消耗的能量由太阳能电池板及微生物燃料电池产生的能量提供。
太阳能电池板高0.2m，长宽根据曝气需要确定。电池板将太阳辐射能转换成电能，提供曝气、吸入系统需要能量的80％，与微生物燃料电池配合，实现装置的能量自供给。
本发明的装置利用微生物燃料电池(能量转化率可达40％)和太阳能电池板提供整个装置所需能量，实现能量自供给。
在本发明的一个方面中，小肠拟肠道益生菌、微生物燃料电池专项菌剂是黑臭水体分解代谢的主要功能菌。
本发明充分利用仿生学原理通过模拟人消化系统，经过曝气、过滤等前处理，仿生小肠接触氧化，底泥资源化，达到黑臭水体的净化的目的，同时通过太阳能电池板、微生物燃料电池的供电实现能量的自供给。
本发明构造方式独特，污水净化效果优良，在实际应用中经过本发明装置处理后的水质可达到地表水IV类。
更具体地，本发明提供以下各项：
1.一种处理黑臭水体的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)对黑臭水体进行预处理，所述预处理包括通过粗细不同的格栅完成对黑臭水体的物理过滤截留，然后调节水体pH值在6.8-8.0之间，之后投加生物酶进行处理；
(b)使经过步骤(a)的水体通过模仿肠道结构的管式净化系统，所述模仿肠道结构的管式净化系统包括1根以上管式结构，每根管式结构包括外壁和模仿小肠内壁的褶皱状内壁，所述褶皱状内壁上密布有模仿小肠绒毛的绒毛状结构，所述绒毛状结构能够附着投加的拟肠道益生菌用以分解有机物，所述管式结构的底部设有曝气装置，所述曝气装置能够向所述管式结构内提供氧气；
(c)使通过所述模仿肠道结构的管式净化系统的水体进入微生物燃料电池，所述微生物燃料电池是具有微生物阳极和空气阴极的双室结构，阳极室和阴极室中间由玻璃纤维作为质子交换膜，外电路通过导线与阳极和阴极相连构成回路，阳极表面附着有投加的混合微生物菌群，所述混合微生物菌群在阳极室厌氧环境下将经所述管式净化系统处理后的水体中的有机物进一步分解，设置在所述管式净化系统的管式结构底部的曝气装置能够为阴极室提供氧气；以及
(d)将经过所述微生物燃料电池处理的水体泵入斜管沉淀池，所述斜管沉淀池包括进水口、蜂窝斜管沉淀区、集水管、出水口、集泥斗、穿孔排泥管、污泥池，所述进水口在所述蜂窝斜管沉淀区的下方而所述出水口在所述蜂窝斜管沉淀区的上方，所述蜂窝斜管沉淀区包括多个斜管结构，所述斜管结构使进水中的悬浮物、固化物在斜管底侧表面积聚成薄泥层，所述薄泥层依靠重力作用滑回泥渣悬浮层，继而沉入集泥斗，由穿孔排泥管排入污泥池中，上清液逐渐上升至集水管从出水口排出，
其中所述方法需要消耗的能量由太阳能电池板以及所述微生物燃料电池产生的能量提供。
2.根据1所述的方法，其中步骤(a)中使用的生物酶是氧化还原序列的酶，如葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乙醇脱氢酶。
3.根据1所述的方法，其中当在所述管式结构中氧化还原电位＜0或者溶解氧小于1mg/L时所述曝气装置开始曝气，并且当氧化还原电位＞200mv或者溶解氧＞3mg/L时所述曝气装置停止曝气。
4.根据1所述的方法，其中所述管式净化系统中的管式结构的外壁由选自以下的材料制成：硬质材料如玻璃钢、聚乙烯、聚丙烯，和金属导电材料如不锈钢。
5.根据1所述的方法，其中所述管式净化系统中的管式结构的褶皱状内壁由聚丙烯或聚乙烯材料制成，所述绒毛状结构由带正电的碳素纤维制成。
6.根据1所述的方法，其中所述拟肠道益生菌包括厌氧菌、兼性菌和好氧菌。
7.根据1所述的方法，其中在步骤(b)中，当所述管式净化系统开始启动时，投加的拟肠道益生菌以考拉杆菌属(Phascolafctobacterium)和挑剔真杆菌(Eubacteriumeligens)为主，当所述系统启动12天-15天时，投加的拟肠道益生菌为拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属，并且当所述系统启动180天后，投加的拟肠道益生菌为肠道产丁酸细菌。
8.根据1所述的方法，其中在步骤(c)中投加的混合微生物菌群包括拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属。
9.根据1所述的方法，其中在步骤(c)中当所述微生物燃料电池的电流密度小于10mA.cm-2时，补加所述混合微生物菌群。
10.根据1所述的方法，其中在步骤(c)中所述混合微生物菌群在阳极室厌氧环境下，将有机物分解并释放出电子和质子，电子依靠电子传递介体在生物组分和阳极之间进行传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，曝气通入的氧气在阴极得到电子被还原而与质子结合成水。
附图说明
图1是本发明的利用仿生学方法处理黑臭水体的装置示意图；装置由4部分组成，A、预处理装置、B、仿生肠道管式净化系统、C、微生物燃料电池、D、斜管沉淀池
图2是仿生肠道管式净化系统放大示意图；
图3是斜管沉淀池剖面图。
附图中主要组件符号说明：
A、预处理装置
1-水泵；2-细格栅；3-粗格栅；4-进水口；5-生物酶；6-出水口；
B、仿生肠道管式净化系统
7-水泵；8-管式外壁；9-管道内腔；10-褶皱小肠内壁；11-细小绒毛；12-曝气机；13-进水口；14-集水多孔管；15-太阳能电池板；16-出水口；
C、微生物燃料电池
17-水泵；18-进水口；19-出水口；20-阳极，表面附着混合微生物菌群、专项菌群；21-阳极室；22-质子交换膜；23-阴极；24-阴极室；25-氧气入口；26-用电器；
D、斜管沉淀池
27-水泵；28-进水口；29-穿孔排泥管；30-污泥斗；31-斜管；32-集水多孔管；33-出水口；34-污泥池。
具体实施方式
如图1所示，将本发明的装置放置于黑臭河道中，河水首先通过1-水泵从底端4-进水口泵入A预处理装置，在预处理装置中经过3-粗格栅、2-细格栅物理过滤、5-pH调节、生物酶分解，从6-出水口经7-水泵从13-进水口进入9-管道内腔，河水沿内腔竖直向上运动，通过10-褶皱小肠内壁接触并氧化分解代谢有机物，同时12-曝气机产生的气泡经11-细小绒毛切割后成小气泡，为B-小肠管式净化系统提供高浓度的活性氧化剂，增强氧化降解反应，经处理的河水经17-水泵从14-集水多孔管经16-出水口、18-进水口进入C-微生物燃料电池，在21-阳极室利用20-附着在阳极的混合微生物菌群、专项菌群分解代谢的中间产物，质子通过22-质子交换膜传递到24-阴极室，氧气从外界通过25-氧气入口进入电池，在23-阴极接受质子；电池外接26-用电器。实现微生物燃料电池的高效发电及河水深处理。
12-曝气机采取氧化还原电位与溶解氧双控制，氧化还原电位＞200mv或者溶解氧＞3mg/L时停止曝气，氧化还原电位＜0或者溶解氧小于1mg/L时开始曝气。
B-仿生肠道管式净化系统启动开始时是投加微生物100g/m3河水，主要投加厌氧菌与兼性菌为主，主要以为考拉杆菌属(Phascolafctobacterium)，挑剔真杆菌(Eubacterium eligens)为主。系统启动12天-15天之间，投加拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属，投加量为120-150g/m3河水，系统启动180天后，投加肠道产丁酸细菌，投加量为200-300g/L。图2是仿生肠道管式净化系统放大示意图。
在C-微生物燃料电池内主要投加拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属，投加量500g/m3河水。电池的电流密度小于10mA.cm-2时，增加拟杆菌属(Bacteroides)、毛螺旋菌科Roseburia属，每次投加200g/m3河水。
被处理后的河水从19-出水口由27-水泵从28-进水口进入D斜管沉淀池，底泥在31-斜管沉淀后经30-污泥斗收集、29-穿孔排泥管排入34-污泥池，清水自上方32-集水多孔管收集，自33-出水口排入河道。图3是斜管沉淀池剖面图。
C-微生物燃料电池和15-太阳能电池板产生的能量供给曝气和水体吸入系统，实现装置能量自供给。
经装置处理后出水水质可以满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)IV类水水质要求。根据本发明的一个实施例，本发明对于黑臭水体进水化学需氧量85mg/L，氨氮3.0mg/L，总磷0.6mg/L，处理后水质降到化学需氧量20mg/L，氨氮1.1mg/L，总磷0.18mg/L。能量回收率达到40％。

Claims (14)

1.一种处理黑臭水体的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)对黑臭水体进行预处理，所述预处理包括通过粗细不同的格栅完成对黑臭水体的物理过滤截留，然后调节水体pH值在6.8-8.0之间，之后投加生物酶进行处理；
(b)使经过步骤(a)的水体通过模仿肠道结构的管式净化系统，所述模仿肠道结构的管式净化系统包括1根以上管式结构，每根管式结构包括外壁和模仿小肠内壁的褶皱状内壁，所述褶皱状内壁上密布有模仿小肠绒毛的绒毛状结构，所述绒毛状结构能够附着投加的拟肠道益生菌用以分解有机物，所述管式结构的底部设有曝气装置，所述曝气装置能够向所述管式结构内提供氧气；
(c)使通过所述模仿肠道结构的管式净化系统的水体进入微生物燃料电池，所述微生物燃料电池是具有微生物阳极和空气阴极的双室结构，阳极室和阴极室中间由玻璃纤维作为质子交换膜，外电路通过导线与阳极和阴极相连构成回路，阳极表面附着有投加的混合微生物菌群，所述混合微生物菌群在阳极室厌氧环境下将经所述管式净化系统处理后的水体中的有机物进一步分解，设置在所述管式净化系统的管式结构底部的曝气装置能够为阴极室提供氧气；以及
(d)将经过所述微生物燃料电池处理的水体泵入斜管沉淀池，所述斜管沉淀池包括进水口、蜂窝斜管沉淀区、集水管、出水口、集泥斗、穿孔排泥管、污泥池，所述进水口在所述蜂窝斜管沉淀区的下方而所述出水口在所述蜂窝斜管沉淀区的上方，所述蜂窝斜管沉淀区包括多个斜管结构，所述斜管结构使进水中的悬浮物、固化物在斜管底侧表面积聚成薄泥层，所述薄泥层依靠重力作用滑回泥渣悬浮层，继而沉入集泥斗，由穿孔排泥管排入污泥池中，上清液逐渐上升至集水管从出水口排出，
其中所述方法需要消耗的能量由太阳能电池板以及所述微生物燃料电池产生的能量提供。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)中使用的生物酶是氧化还原序列的酶。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述氧化还原序列的酶选自葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶和乙醇脱氢酶中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中当在所述管式结构中氧化还原电位＜0或者溶解氧小于1mg/L时所述曝气装置开始曝气，并且当氧化还原电位＞200mv或者溶解氧＞3mg/L时所述曝气装置停止曝气。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述管式净化系统中的管式结构的外壁由硬质材料制成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述硬质材料选自玻璃钢、聚乙烯或聚丙烯。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述管式净化系统中的管式结构的外壁由金属导电材料制成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述金属导电材料选自不锈钢。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述管式净化系统中的管式结构的褶皱状内壁由聚丙烯或聚乙烯材料制成，所述绒毛状结构由带正电的碳素纤维制成。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述拟肠道益生菌包括厌氧菌、兼性菌和好氧菌。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)中，当所述管式净化系统开始启动时，投加的拟肠道益生菌以考拉杆菌属(Phascolafctobacterium)和挑剔真杆菌(Eubacteriumeligens)为主，当所述管式净化系统启动12天-15天时，投加的拟肠道益生菌为拟杆菌属(Bacteroides)和毛螺旋菌科Roseburia属，并且当所述管式净化系统启动180天后，投加的拟肠道益生菌为肠道产丁酸细菌。
12.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)中投加的混合微生物菌群包括拟杆菌属(Bacteroides)和毛螺旋菌科Roseburia属。
13.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)中当所述微生物燃料电池的电流密度小于10mA.cm-2时，补加所述混合微生物菌群。
14.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)中所述混合微生物菌群在阳极室厌氧环境下，将有机物分解并释放出电子和质子，电子依靠电子传递介体在生物组分和阳极之间进行传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，曝气通入的氧气在阴极得到电子被还原而与质子结合成水。
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