CN109354218A - 一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，包括密封设置的壳体，壳体内壁上固定有滑道，滑道内插设有载体板，载体板上开设有填料孔，填料孔内通过穿设引线固定有氧化石墨烯气凝胶填料；壳体一侧设置有进水孔，另一侧设置有四个出水孔，进水孔和出水孔上分别设置有控制阀；壳体顶部穿设有搅拌棒，搅拌棒顶部连接有调速机和电机，搅拌棒底部安装有搅拌桨叶；壳体内壁上连接有固定夹，固定夹上安装有加热棒，加热棒通过导线连接有调温器；壳体顶部开设有排气孔，排气孔处安装有排气阀。本发明提供的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，使反应器内GO含量维持稳定，进而达到提高ANAMMOX菌活性的目的。
Description
技术领域
本发明涉及生物膜反应器水处理技术领域，特别是涉及一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器。
背景技术
以氨作为电子供体将亚硝酸盐还原为氮气的生物反应称为厌氧氨氧化(ANaerobic AMMonia Oxidation，ANAMMOX)，能够进行ANAMMOX的微生物称为ANAMMOX菌。ANAMMOX作为一个全新的生物脱氮反应，是新型废水脱氮技术中的重要细菌之一。它无需有机物，可节约试剂成本；相比传统脱氮技术需氧量减少63％，可降低动力成本；剩余污泥产量低，可减少剩余污泥处置成本。尽管ANAMMOX有如此多的优点，但在实际工程中依然未能得到普遍应用，主要在于ANAMMOX菌生长速率极低(世代时间约7-11天)、生长条件苛刻(受光照、温度和有机物等影响)，导致其活性低、工艺启动时间长。
氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是一种在底面和边缘含有大量含氧基团的单层石墨，因其比表面积巨大、胶体性质优秀、水中分散性良好以及细胞毒性低等，在微生物学方面引起了广泛关注。本人前期研究证实，外加1.43-4.29g/(gVSS·L)的GO可提高ANAMMOX菌5％-10％的活性，其最佳浓度为2.86g/(gVSS·L)，此浓度下ANAMMOX菌活性可提高10.26％。但GO容易随出水流失，若把GO对ANAMMMOX菌的积极影响放大到小试反应器中连续运行，则需要不断进行GO的补充添加，导致其连续运行不稳、操作繁复。
生物膜反应器是以废水生物膜法处理为基础设计构建的，是利用附着在载体上的高密度微生物进行废水处理。其单位容积微生物装载率高、占地面积小、管理运行方便，在水处理技术领域占有重要地位。其具体构型取决于反应器内的载体，目前最新的应用是软性纤维载体，但此类载体多是单纯利用物理性能进行装载。对于ANAMMOX菌而言，生物膜反应器可以增加单位容积菌群数量，是一个良好的选择，但其依然存在活性低、启动慢的问题。
因此，利用GO可提高ANAMMOX菌活性的特点，研究开发适宜的GO载体以构建ANAMMOX生物膜反应器，从而维持反应器内稳定的GO含量，进而达到提高ANAMMOX菌活性的目的，既能够保证小试反应器的连续稳定运行，又对日后进一步将GO应用于ANAMMOX相关的工艺技术中具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，以解决上述现有技术存在的问题，使反应器内GO含量维持稳定，进而达到提高ANAMMOX菌活性的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，包括密封设置的壳体，所述壳体内壁上固定有滑道，所述滑道内插设有载体板，所述载体板上开设有填料孔，所述填料孔内通过穿设引线固定有氧化石墨烯气凝胶填料；所述壳体一侧设置有进水孔，另一侧设置有四个出水孔，所述进水孔和出水孔上分别设置有控制阀；所述壳体顶部穿设有搅拌棒，所述搅拌棒顶部连接有调速机和电机，所述搅拌棒底部安装有搅拌桨叶；所述壳体内壁上连接有固定夹，所述固定夹上安装有加热棒，所述加热棒通过导线连接有调温器。所述壳体顶部开设有排气孔，所述排气孔处安装有排气阀。
可选的，所述载体板为“回”字形结构，所述填料孔开设于所述载体板的边框上。
可选的，所述载体板的边框长为100mm，宽度为5mm，厚度为5mm；所述载体板的边框上分别各开设有八个所述填料孔。
可选的，所述壳体内壁上对称设置有两组所述滑道，所述滑道材质为有机玻璃。
可选的，每组所述滑道的长、宽、高分别为300mm、5mm和5mm，每组所述滑道内能够垂直放入三个所述载体板。
可选的，所述搅拌桨叶包括均匀对称固定于半径15mm的圆形有机玻璃柱上的四个有机玻璃叶片，四个所述有机玻璃叶片长20mm、宽10mm、厚5mm。
可选的，所述搅拌棒底部通过尼龙螺丝与所述圆形有机玻璃柱的中心固定连接，所述搅拌棒顶部通过尼龙螺丝与所述电机连接。
可选的，所述壳体厚度为10mm。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器材质采用有机玻璃，透光清晰、构造一目了然，可观察实验现象，壳体内的载体板可自由装配与拆取，氧化石墨烯气凝胶载体不会随出水流失，保证了ANAMMOX菌活性的提高。该反应器可用于实验室的小试研究，为进一步将GO应用于ANAMMOX相关技术提供了一种优良的实验室用生物膜反应器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器的整体结构示意图；
图2为本发明实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器部分结构的侧视图；
图3为本发明实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器的壳体结构示意图；
图4为本发明实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器的载体板结构示意图；
其中，1为壳体、1-1为上板、1-2为下板、1-3为侧板、2为滑道、3为载体板、4为填料孔、5为进水孔、6为出水孔、7为搅拌棒、8为电机、9为搅拌桨叶、10为固定夹、11为加热棒、12为导线、13为调温器、14为排气阀、15为氧化石墨烯气凝胶填料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，以解决上述现有技术存在的问题，使反应器内GO含量维持稳定，进而达到提高ANAMMOX菌活性的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，如图1-图4所示，包括密封设置的壳体1，壳体1采用厚度为10mm的有机玻璃制成，包括采用密封胶固定连接的上板1-1、下板1-2和侧板1-3，上板1-1钻12个孔由尼龙螺丝进行固紧，壳体1内壁上固定有滑道2，滑道2内插设有载体板3，载体板3上开设有填料孔4，填料孔4内通过交错穿设引线固定有氧化石墨烯气凝胶填料15；同时，氧化石墨烯气凝胶填料15还可以通过其他连接结构与载体板3上的填料孔4固定连接，从而将氧化石墨烯气凝胶填料15固定到载体板3上，例如鱼线、柔性绳、铆钉等。壳体1一侧设置有进水孔5，另一侧设置有四个出水孔6，进水孔5和出水孔6上分别设置有控制阀；壳体1顶部穿设有搅拌棒7，搅拌棒7顶部连接有调速机和电机8，搅拌棒7底部安装有搅拌桨叶9；壳体1内壁上连接有不锈钢材质的固定夹10，固定夹10上安装有加热棒11，加热棒11通过防水的导线12连接有调温器13，具体的，加热棒11固定于不锈钢的固定夹10上，防水的导线12经过位于壳体1顶部的电线孔与外部的调温器13相连，壳体1顶部开设有排气孔，排气孔处安装有排气阀14。
进一步优选的，载体板3为“回”字形结构，填料孔4开设于载体板3的边框上。载体板3的边框长为100mm，宽度为5mm，厚度为5mm；载体板3的边框上分别各开设有八个填料孔4。壳体1内壁上对称设置有两组滑道2，滑道2材质为有机玻璃。每组滑道2的长、宽、高分别为300mm、5mm和5mm，每组滑道2内能够依次上下垂直放入三个载体板3，三个载体板3结构相同，尺寸也相同，上下紧密接触。
搅拌桨叶9包括均匀对称固定于半径15mm的圆形有机玻璃柱上的四个有机玻璃叶片，四个有机玻璃叶片长20mm、宽10mm、厚5mm。搅拌棒7底部通过尼龙螺丝与圆形有机玻璃柱的中心固定连接，搅拌棒7顶部通过尼龙螺丝与电机8连接。
具体地，有机玻璃制备的长方体壳体1是整个反应器的主体框架，长方体有利于内部垂直设立载体。在壳体1对称的左右两侧分别设有1个进水孔5和4个出水孔6，进水采用由下至上的方式，主要是利用进水反重力冲洗ANAMMOX菌，混合水菌，4个不同高度的出水孔6可满足不同废水处理量的要求。在壳体1上板处设有排气阀，用于ANAMMOX反应中氮气的排放和采集。在长方体壳体内壁垂直设有两列载体板的滑道2，用来保证氧化石墨烯气凝胶的载体板3的插入和取出，载体板3以正方形有机玻璃为外框，以氧化石墨烯气凝胶为填料，氧化石墨烯气凝胶是GO的三维表达，它以固体形态将GO留存于反应器中，可按菌群数量和所需GO浓度进行载体的增加或减少，保证了GO不会随出水流失，对提高ANAMMOX菌活性起到了至关重要的作用，从而实现了GO在ANAMMOX反应器中的应用。长方体的壳体1内壁右侧装有不锈钢的固定夹10，用于加热棒11的固定，加热棒11连接的防水的导线12穿过长方体壳体1上盖后外接温控装置，以保证温度的精确控制，一方面可以提供ANAMMOX菌所需的反应温度，另一方面可以减少传统水浴加热或外部加热的整体装置，简化反应器。长方体的壳体1上盖固定有电机，不锈钢搅拌棒垂直穿过两列载体板的中间直达反应器底部，搅拌棒7底端装配有搅拌桨叶9，用于水菌的充分混合。
本发明的工作机理为外加1.43-4.29g/(gVSS·L)的氧化石墨烯(GrapheneOxide，GO)可以提高厌氧氨氧化菌(ANAMMOX菌)5％-10％的活性，其中，GO的最佳浓度为2.86g/(gVSS·L)，此浓度下ANAMMOX菌的活性可提高10.26％。当GO浓度超过4.29g/(gVSS·L)时，ANAMMOX菌的活性受到抑制。然而，GO容易随进出水流失，此类实验通常是在单一封闭的容器内周期性进行，无法长期的在ANAMMOX反应器中运行。本发明，采用氧化石墨烯气凝胶(Graphene Oxide Aerogel，GOA))制备实验室用生物膜反应器，将二维的GO转变为三维的GOA填料，设计制作ANAMMOX反应器，使得GO不会随进出水流失，从而能够连续运行ANAMMOX反应，利用GO提高ANAMMOX菌的活性，保证反应器的处理效率。
原因为GO通过影响胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的产量来间接地影响ANAMMOX菌的活性，EPS与微生物多孔性结构的形成有关，这种多孔性的结构有利于微生物利用自身的内聚力形成小的聚集体或者小菌落从而进一步形成微生物絮体。除了微生物自身的内聚力，EPS也可以通过物理粘结作用将生长环境中较为临近的散落的微生物或者小菌落连接在一起从而形成微生物絮体。通常认为，ANAMMOX菌的活性只有在细胞浓度达到1010个/mL时才能显现出来，因此，对于ANAMMOX菌而言，形成微生物絮体是非常必要的。此外，在反应器中，当ANAMMOX菌以微生物絮体的形式存在时，在一定程度上可以降低菌群随出水流失的风险，为缩短ANAMMOX工艺启动时间提供了可能性。实验得出，当GO的浓度为1.43-4.29g/(gVSS·L)时，EPS产量有所增加，说明在此浓度范围内，GO对ANAMMOX菌有着积极的影响，它可以刺激ANAMMOX菌分泌更多的EPS从而将散落的微生物聚集形成微生物絮体，同时，还可以帮助微生物更好的吸收营养物质或抵御有害物质对细胞产生的影响，使得ANAMMOX菌的活性得到增强。然而，当GO的浓度超过4.29g/(gVSS·L)时，EPS的分泌受到抑制，使得微生物的结构或特性发生了消极的变化，对生长环境中的营养物质等摄取不足或适应力下降，从而导致ANAMMOX菌活性降低。与此同时，TEM表征可以看出，薄纱般的GO轻轻覆盖、包裹并支撑着ANAMMOX菌，使得分散的细菌得到聚集，GO巨大的比表面积对ANAMMOX菌的富集可以起到如支架般的固定作用，有利于ANAMMOX菌的集合，对提高其活性有着积极的作用。然而，过量的GO会在ANAMMOX菌的周围形成更厚的包裹而不利于反应基质及代谢产物的传递，同时，过量的GO具有一定的生物毒性，从而对ANAMMOX菌的活性产生消极影响。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：包括密封设置的壳体，所述壳体内壁上固定有滑道，所述滑道内插设有载体板，所述载体板上开设有填料孔，所述填料孔内通过穿设引线固定有氧化石墨烯气凝胶填料；所述壳体一侧设置有进水孔，另一侧设置有四个出水孔，所述进水孔和出水孔上分别设置有控制阀；所述壳体顶部穿设有搅拌棒，所述搅拌棒顶部连接有调速机和电机，所述搅拌棒底部安装有搅拌桨叶；所述壳体内壁上连接有固定夹，所述固定夹上安装有加热棒，所述加热棒通过导线连接有调温器；所述壳体顶部开设有排气孔，所述排气孔处安装有排气阀。
2.根据权利要求1所述的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：所述载体板为“回”字形结构，所述填料孔开设于所述载体板的边框上。
3.根据权利要求2所述的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：所述载体板的边框长为100mm，宽度为5mm，厚度为5mm；所述载体板的边框上分别各开设有八个所述填料孔。
4.根据权利要求1所述的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：所述壳体内壁上对称设置有两组所述滑道，所述滑道材质为有机玻璃。
5.根据权利要求4所述的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：每组所述滑道的长、宽、高分别为300mm、5mm和5mm，每组所述滑道内能够垂直放入三个所述载体板。
6.根据权利要求1所述的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：所述搅拌桨叶包括均匀对称固定于半径15mm的圆形有机玻璃柱上的四个有机玻璃叶片，四个所述有机玻璃叶片长20mm、宽10mm、厚5mm。
7.根据权利要求6所述的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：所述搅拌棒底部通过尼龙螺丝与所述圆形有机玻璃柱的中心固定连接，所述搅拌棒顶部通过尼龙螺丝与所述电机连接。
8.根据权利要求1所述的实验室用氧化石墨烯气凝胶生物膜反应器，其特征在于：所述壳体厚度为10mm。
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