CN115367864A - 一种柔性生物膜反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种柔性生物膜反应器，包括壳体，所述壳体为四面封闭、上下贯通的半封闭结构；所述壳体底部设有曝气装置，所述壳体顶部设有密网；所述壳体内腔设有挂架和柔性生物膜填料。本发明在曝气时形成环绕型气流，使菌种均匀分布于整个断面，附着在柔性生物膜填料上，河道整体生物量获得提升，提升了河道的污染消纳能力；本发明柔性生物膜填料有较高的亲水性和表面粗糙性，提高了生物膜的质量和挂膜速率，同时表面有大量生物活性点，加速微生物生长，COD和氨氮的去除效率得到明显提高；本发明在复合菌种的处理与环形曝气气流的作用下，可以使河道内COD、氨氮浓度快速下降，使河道水质迅速提升。

Description

一种柔性生物膜反应器
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种柔性生物膜反应器。
背景技术
目前城市内黑臭河道治理的主要技术有三种，第一种是截污引流，将污水尽量引入下水管道并使用强曝气，通过密布曝气管，安装射流器，强行提升河道内溶解氧，同时以吹脱的方式对河道内产生异味的因素进行去除；第二种是引入水生动植物，重新构建河道生态圈，利用水生动植物自身新陈代谢对河道内污染进行消纳，同时使河道恢复至初始状态；第三种是通过城市内流域互相连通调水，将大河水向河道内调入，将成熟的水生态系统直接引入城市内河道，同时通过基础建设达成水系连通。
中国专利CN215479978U公开了一种生物湖泊净化器以及生物湖泊净化系统，该净化器包括支撑杆、卡扣、上挂架、生物填料、曝气管网以及下挂架。支撑杆的底端均垂直插入河床，卡扣分为两部分，其中一部分设置于支撑杆上，另一部分设置于上挂架上，上挂架与支撑杆垂直设置，上挂架通过两个卡扣的作用，将两个支撑杆连接在一起，生物填料设置于上挂架的下方，曝气管网设置于生物填料的下方，下挂架设置于生物填料的最下端。该生物湖泊净化器以及生物湖泊净化系统安装在河道和湖泊的水下，克服了现有湖泊净化器悬浮在水中的问题，利用添加微生物的生物填料来降低湖泊污水的污染程度，以达到水环境污染修复的目的，不影响河道和湖泊的景观美化。该专利不足之处是不能够在短时间内培养出大量微生物，导致挂膜时间长，处理COD、氨氮的效率低下；该装置结构复杂，全开放式结构使曝气效果下降，并且开放式的结构容易导致生物填料更容易粘上水里的污染物以及被大型水生动物损坏，导致净化器失去净化作用，增加了维护和清洗的时间。
根据市场的需要，亟需一种净化装置，该净化器在能够快速处理水体中的污染物的同时，并且装置结构简单，维护清洗时间短。
发明内容
针对上述缺点，本发明提供了一种柔性生物膜反应器。本发明在曝气时形成环绕型气流，使菌种均匀分布于整个断面，附着在柔性生物膜填料上，河道整体生物量获得提升，提升了河道的污染消纳能力；本发明柔性生物膜填料有较高的亲水性和表面粗糙性，提高了生物膜的质量和挂膜速率，同时表面有大量生物活性点，加速微生物生长， COD和氨氮的去除效率得到明显提高；本发明在复合菌种的处理与环形曝气气流的作用下，可以使河道内COD、氨氮浓度快速下降，使河道水质迅速提升。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性生物膜反应器，包括壳体，所述壳体为四面封闭、上下贯通的半封闭结构；所述壳体底部设有曝气装置，所述壳体顶部设有密网；所述壳体内腔设有挂架和柔性生物膜填料；所述壳体形状包括但不限于长方体，圆柱体；所述四面封闭结构将作为可自由装卸单元，其材料包括但不限于孔径<1cm的密网，镀锌钢板。
优选的，所述曝气装置包括曝气管，所述曝气管为迂回曲折的盘式结构；所述曝气管一端连通有风机，另一端封闭；所述曝气管管壁均匀设置有曝气孔。
优选的，所述挂架为网格结构，每个网格交点处挂有所述柔性生物膜填料；所述挂架左上角和右上角均设有支点，所述支点与壳体连接；相邻两挂架之间距离相等。
优选的，所述柔性生物膜填料的制备方法包括如下步骤：
(1)将高锰酸钾、浓硫酸、去离子水混合成酸性高锰酸钾溶液；
(2)将塑料填料浸泡在步骤(1)所得酸性高锰酸钾溶液中，然后洗涤、干燥；
(3)将步骤(2)中所得干燥好的塑料填料放在等离子处理仪内，通入惰性气体进行等离子处理，得到改性塑料填料；
(4)将步骤(3)中所得改性塑料填料放入戊二醛溶液中，然后加入月桂酰谷氨酸钠，进行搅拌反应，反应后洗涤、干燥，即得柔性生物膜填料。
更优选的，步骤(1)中所述高锰酸钾、浓硫酸、水的质量比为1:2:18-20；步骤(2)中所述塑料填料的原材料为选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚酯中的一种或多种，所述浸泡温度为30-40℃，浸泡时间为3-5h；步骤(3)中所述惰性气体为选自氩气、氮气中的一种或多种，等离子处理气压为30-60pa，等离子处理时间为1-3min，处理功率为100-150W；步骤(4)中所述戊二醛溶液的质量百分数为 5-8wt％，所述月桂酰谷氨酸钠的加入量为1-2g/L，所述搅拌温度为 35-40℃，搅拌时间为24-36h。
优选的，所述壳体内接种有复合菌种。
更优选的，所述复合菌种为选自EM菌，芽孢杆菌，硝化细菌中的一种或多种。
优选的，所述密网的正方形孔边长为2-5cm。
优选的，相邻两挂架之间的距离为100-150mm，所述柔性生物膜填料的数量为30-50个/㎡。
本发明还要求保护一种上述柔性生物膜反应器在污水处理中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明四面封闭、上下贯通的半封闭结构可以让底部安装的曝气装置在曝气时形成环绕型气流，保证气流流动均匀，提升溶解氧浓度，有利于微生物的生长，并且曝气装置形成的环绕型气流可以使菌种均匀分布于整个断面，附着在柔性生物膜填料上，河道整体生物量获得提升，提升了河道的污染消纳能力，增强了河道的生态稳定性；本发明在复合菌种的处理与环形曝气气流的作用下，可以使河道内COD、氨氮浓度快速下降，使河道水质迅速提升。
(2)本发明将塑料填料在酸性高锰酸钾溶液中浸泡进行化学氧化，氧化后塑料填料表面亲水性官能基团C-O、C＝O、(C＝O)-OH大大增加，接着通过等离子处理技术对塑料填料进行表面蚀刻活化，使表面发生过氧化作用，使得酯基减少，羰基增加，进一步增加亲水性官能团，显著提高了塑料填料的亲水性；接着将等离子处理后的改性塑料填料和戊二醛、月桂酰谷氨酸钠发生交联反应，月桂酰谷氨酸钠本身是一种氨基酸型表面活性剂，使反应后的柔性生物膜填料表面出现大量生物活性点，为微生物提供营养，加速微生物生长。同时发生交联反应后柔性生物膜填料表面粗糙性得到了提高，使得微生物更容易粘附并且不易脱落，填料的实际比表面积提高，加速了微生物的新城代谢和生长，提高生物膜的质量和挂膜速率，COD和氨氮的去除效率得到明显提高。
(3)本发明结构简单，组装简易，方便运输安装和清洗，同时本发明结构能够防止大型水生动物进入，防止反应器被破坏导致净化功能失效，能够减少设备的维护和清洗成本。
附图说明
图1为本发明一种柔性生物膜反应器示意图；
图2为本发明曝气装置示意图；
图3为本发明挂架和柔性生物膜填料示意图。
附图标记如下：100、壳体；200、曝气装置；210、风机；220、曝气管；230、曝气孔；300、挂架；310、支点；400、柔性生物膜填料；500、密网。
具体实施方式
以下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，所描述地实施例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。
如无特殊说明外，本发明中的化学试剂和材料均通过市场途径购买或通过市场途径购买的原料合成。
所述芽孢杆菌具体可为枯草芽孢杆菌，硝化细菌具体可为亚硝酸菌；所述EM菌、枯草芽孢杆菌、亚硝酸菌从恒骏生物工厂店采购。所述塑料填料从江苏艾勤环保科技有限公司采购。所述等离子处理仪型号为GD-10RF。
实施例1
如图1所示，一种柔性生物膜反应器，包括2m*1m*1m的壳体 100，所述壳体100为四面封闭、上下贯通的半封闭结构，所用材料为镀锌钢板；所述壳体100底部设有曝气装置200，所述壳体100顶部设有密网500，密网500的正方形孔边长为5cm；所述壳体100内腔设有挂架300和柔性生物膜填料400。柔性生物膜反应器安装于水下3m处，曝气装置200为柔性生物膜反应器提供大量溶解氧，同时结合四面封闭的结构，反应器底部的曝气装置启动后将在河道截面形成环绕型气流，引导该区域内水体的充分混合，提升溶解氧浓度；顶部覆盖的密网500可以防止大型水生动物进入。
在本实施例中，如图2所示，所述曝气装置200包括曝气管220，所述曝气管220为迂回曲折的盘式结构；所述曝气管220一端连通有风机210，另一端封闭；所述曝气管220管壁均匀设置有曝气孔230。
在本实施例中，如图3所示，所述挂架300为网格结构，每个网格交点处挂有所述柔性生物膜填料400；所述挂架300左上角和右上角都设有支点310，所述支点310与壳体100连接；相邻两挂架300 之间的距离相等，为143mm；所述柔性生物膜填料400的数量为45 个/㎡。
在本实施例中，所述柔性生物膜填料400的制备方法包括如下步骤：
(1)将10g高锰酸钾、20g浓硫酸、200g去离子水混合成酸性高锰酸钾溶液；
(2)将聚乙烯塑料填料在步骤(1)所得酸性高锰酸钾溶液中 30℃浸泡5h，然后洗涤、干燥；
(3)将步骤(2)中所得干燥好的聚乙烯塑料填料放在等离子处理仪内，通入氩气，在30pa压强、100W功率下进行等离子处理2min，得到改性聚乙烯塑料填料；
(4)将步骤(3)中所得改性聚乙烯塑料填料浸泡在5wt％的戊二醛溶液中，然后以1g/L的量加入月桂酰谷氨酸钠，在35℃下搅拌反应36h，反应后洗涤、干燥，即得柔性生物膜填料。
通过改性后的柔性生物填料400具有较强的亲水性，能和水中的微生物大面积接触，使微生物快速附着在柔性生物填料400的表面；同时柔性生物填料的表面粗糙性也进一步提高，使得微生物更容易粘附并且不易脱落，填料的实际比表面积提高，加速了微生物的新城代谢和生长，提高生物膜的质量和挂膜速率；同时改性后的柔性生物填料400表面有大量生物活性点，为微生物提供营养，加速微生物生长。
在本实施例中，所述壳体100内接种有EM菌，枯草芽孢杆菌，亚硝酸菌的混合菌。在水质提升前两周，将曝气系统长期打开，保证溶解氧在8mg/L以上，同时接种入EM菌，枯草芽孢杆菌，亚硝酸菌的混合菌，在复合菌种的处理与环形曝气气流的作用下，快速培养河道内的微生物。
实施例2
如图1所示，一种柔性生物膜反应器，包括2m*1m*1m的壳体 100，所述壳体100为四面封闭、上下贯通的半封闭结构，所用材料为镀锌钢板；所述壳体100底部设有曝气装置200，所述壳体100顶部设有密网500，密网500的正方形孔边长为5cm；所述壳体100内腔设有挂架300和柔性生物膜填料400。柔性生物膜反应器安装于水下3m处。
在本实施例中，如图2所示，所述曝气装置200包括曝气管220，所述曝气管220为迂回曲折的盘式结构；所述曝气管220一端连通有风机210，另一端封闭；所述曝气管220管壁均匀设置有曝气孔230。
在本实施例中，如图3所示，所述挂架300为网格结构，每个网格交点处挂有所述柔性生物膜填料400；所述挂架300左上角和右上角都设有支点310，所述支点310与壳体100连接；相邻两挂架300 之间的距离相等，为143mm；所述柔性生物膜填料400的数量为45 个/㎡。
在本实施例中，所述柔性生物膜填料400的制备方法包括如下步骤：
(1)将10g高锰酸钾、20g浓硫酸、200g去离子水混合成酸性高锰酸钾溶液；
(2)将聚乙烯塑料填料在步骤(1)所得酸性高锰酸钾溶液中 40℃浸泡3h，然后洗涤、干燥；
(3)将步骤(2)中所得干燥好的塑料填料放在等离子处理仪内，通入氮气，在40pa压强、120W功率下进行等离子处理1min，得到改性塑料填料；
(4)将步骤(3)中所得改性塑料填料浸泡在8wt％的戊二醛溶液中，然后以2g/L的量加入月桂酰谷氨酸钠，在40℃下搅拌反应24h，反应后洗涤、干燥，即得柔性生物膜填料。
在本实施例中，所述壳体100内接种有EM菌，枯草芽孢杆菌，亚硝酸菌的混合菌。
对比例1
如图1所示，一种柔性生物膜反应器，包括2m*1m*1m的壳体 100，所述壳体100为四面封闭、上下贯通的半封闭结构，所用材料为镀锌钢板；所述壳体100底部设有曝气装置200，所述壳体100顶部设有密网500，密网500的正方形孔边长为5cm；所述壳体100内腔设有挂架300和柔性生物膜填料400。柔性生物膜反应器安装于水下3m处。
在本对比例中，如图2所示，所述曝气装置200包括曝气管220，所述曝气管220为迂回曲折的盘式结构；所述曝气管220一端连通有风机210，另一端封闭；所述曝气管220管壁均匀设置有曝气孔230。
在本对比例中，如图3所示，所述挂架300为网格结构，每个网格交点处挂有所述柔性生物膜填料400；所述挂架300左上角和右上角都设有支点310，所述支点310与壳体100连接；相邻两挂架300 之间的距离相等，为143mm；所述柔性生物膜填料400的数量为45 个/㎡。
在本对比例中，所述柔性生物膜填料400的制备方法包括如下步骤：
(1)将10g高锰酸钾、20g浓硫酸、200g去离子水混合成酸性高锰酸钾溶液；
(2)将聚乙烯塑料填料在步骤(1)所得酸性高锰酸钾溶液中 30℃浸泡5h，然后洗涤、干燥；
(3)将步骤(2)中所得干燥好的聚乙烯塑料填料浸泡在5wt％的戊二醛溶液中，然后以1g/L的量加入月桂酰谷氨酸钠，在35℃下搅拌反应36h，反应后洗涤、干燥，即得柔性生物膜填料。
在本对比例中，所述壳体100内接种有EM菌，枯草芽孢杆菌，亚硝酸菌的混合菌。
本对比例与实施例1的区别在于：本对比例没有对聚乙烯塑料填料进行等离子技术处理。
对比例2
如图1所示，一种柔性生物膜反应器，包括2m*1m*1m的壳体 100，所述壳体100为四面封闭、上下贯通的半封闭结构，所用材料为镀锌钢板；所述壳体100底部设有曝气装置200，所述壳体100顶部设有密网500，密网500的正方形孔边长为5cm；所述壳体100内腔设有挂架300和柔性生物膜填料400。柔性生物膜反应器安装于水下3m处。
在本对比例中，如图2所示，所述曝气装置200包括曝气管220，所述曝气管220为迂回曲折的盘式结构；所述曝气管220一端连通有风机210，另一端封闭；所述曝气管220管壁均匀设置有曝气孔230。
在本对比例中，如图3所示，所述挂架300为网格结构，每个网格交点处挂有所述柔性生物膜填料400；所述挂架300左上角和右上角都设有支点310，所述支点310与壳体100连接；相邻两挂架300 之间的距离相等，为143mm；所述柔性生物膜填料400的数量为45 个/㎡。
在本对比例中，所述柔性生物膜填料400的制备方法包括如下步骤：
(1)将10g高锰酸钾、20g浓硫酸、200g去离子水混合成酸性高锰酸钾溶液；
(2)将聚乙烯塑料填料在步骤(1)所得酸性高锰酸钾溶液中 30℃浸泡5h，然后洗涤、干燥；
(3)将步骤(2)中所得干燥好的聚乙烯塑料填料放在等离子处理仪内，通入氩气，在30pa压强、100W功率下进行等离子处理2min，即得柔性生物膜填料。
在本对比例中，所述壳体100内接种有EM菌，枯草芽孢杆菌，亚硝酸菌的混合菌。
本对比例与实施例1的区别在于：本对比例没有对聚乙烯塑料填料进行交联反应。
将实施例1、实施例2、对比例1和对比例2所用反应器处理相同的水体，通过地表水环境质量标准GB 3838-2002对处理前和处理 1个月后的水体进行检测，检测数据对比如表1所示：
表1
Figure BDA0003847573740000121
通过对检测数据进行对比可知，经过实施例1和实施例2所用反应器净化后的水体COD含量达到了Ⅲ类水标准，氨氮含量达到了Ⅰ类水标准；经过对比例1和对比例2所用反应器净化后的水体COD 含量、氨氮含量只达到了Ⅴ类水标准；实施例1和实施例2中通过等离子处理和表面交联反应后的柔性生物膜对COD和氨氮的去除率效果更好，净化速度更快。
以上内容是结合具体实施实例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性生物膜反应器，包括壳体(100)，其特征在于，所述壳体(100)为四面封闭、上下贯通的半封闭结构；所述壳体(100)底部设有曝气装置(200)，所述壳体(100)顶部设有密网(500)；所述壳体(100)内腔设有挂架(300)和柔性生物膜填料(400)。
2.根据权利要求1所述一种柔性生物膜反应器，其特征在于，所述曝气装置(200)包括曝气管(220)，所述曝气管(220)为迂回曲折的盘式结构；所述曝气管(220)一端连通有风机(210)，另一端封闭；所述曝气管(220)管壁均匀设置有曝气孔(230)。
3.根据权利要求1所述一种柔性生物膜反应器，其特征在于，所述挂架(300)为网格结构，每个网格交点处挂有所述柔性生物膜填料(400)；所述挂架(300)左上角和右上角均设有支点(310)，所述支点(310)与壳体(100)连接；相邻两挂架(300)之间距离相等。
4.根据权利要求1所述一种柔性生物膜反应器，其特征在于，所述柔性生物膜填料(400)的制备方法包括如下步骤：
(1)将高锰酸钾、浓硫酸、去离子水混合成酸性高锰酸钾溶液；
(2)将塑料填料浸泡在步骤(1)所得酸性高锰酸钾溶液中，然后洗涤、干燥；
(3)将步骤(2)中所得干燥好的塑料填料放在等离子处理仪内，通入惰性气体进行等离子处理，得到改性塑料填料；
(4)将步骤(3)中所得改性塑料填料浸泡在戊二醛溶液中，然后加入月桂酰谷氨酸钠，进行搅拌反应，反应后洗涤、干燥，即得柔性生物膜填料。
5.根据权利要求4所述一种柔性生物膜填料(400)的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高锰酸钾、浓硫酸、水的质量比为1:2:18-20；步骤(2)中所述塑料填料的原材料为选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚酯中的一种或多种，所述浸泡温度为30-40℃，浸泡时间为3-5h；步骤(3)中所述惰性气体为选自氩气、氮气中的一种或多种，等离子处理气压为30-60pa，等离子处理时间为1-3min，处理功率为100-150W；步骤(4)中所述戊二醛溶液的质量百分数为5-8wt％，所述月桂酰谷氨酸钠的加入量为1-2g/L，所述搅拌温度为35-40℃，搅拌时间为24-36h。
6.根据权利要求1所述一种柔性生物膜反应器，其特征在于，所述壳体(100)内接种有复合菌种。
7.根据权利要求6所述一种柔性生物膜反应器，其特征在于，所述复合菌种为选自EM菌，芽孢杆菌，硝化细菌中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述一种柔性生物膜反应器，其特征在于，所述密网(400)的正方形孔边长为2-5cm。
9.根据权利要求1所述一种柔性生物膜反应器，其特征在于，相邻两挂架(300)之间的距离为100-150mm，所述柔性生物膜填料(400)的数量为30-50个/㎡。
10.一种权利要求1-9任一项所述柔性生物膜反应器在污水处理中的应用。
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