CN117303585A - 一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器、填料及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水处理技术领域，提供了一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器、填料及应用。一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器，包括反应筒体、多个电磁发生装置和PLC控制器；多个电磁发生装置设置在反应器的外侧并呈螺旋分布。本发明还提供了用于该反应器的植绒磁性生物填料，密度为1.5 g/cm3‑2.0 g/cm3。本发明同时提供了一种利用上述反应器和填料进行无搅拌生物水处理的方法。本发明的无搅拌的电磁场诱导生物反应器，在通电后可使反应器内存在磁场，使得磁性植绒填料在反应器内流动，减少反应器内部的搅拌装置占用空间，提高了空间利用率；无搅拌可以防止生物膜被破坏，保留高密度生物质，从而提高脱氮效率，降低成本。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器及其专用填料和在水处理方面的应用。
背景技术
生物水处理技术，已广泛应用于城市污水处理、高浓度养殖污水处理以及高有机物的化工污水处理领域。污水处理的生物法，就是利用微生物新陈代谢功能，使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物被降解并转化为无害的物质，使污水得以净化。生物填料作为微生物栖息的场所，是生物的载体，不仅影响着生物的生长、繁殖和衰落，而且填料的表面性质，如亲水性、粗糙度、比表面积、电荷、形貌、自由能以及化学组成等是影响微生物的吸附及固定化的重要因素。
利用生物法进行水处理时，便会用到生物反应器，而生物反应器中常常会加入搅拌器进行搅拌，一是为了使液液两相充分混合，形成均匀的混合液，强化传质过程；二是为了使气液两相充分分散，强化气液两相间的传质过程提高反应速率；三是为了使固体充分悬浮；四是为了使反应器内温度分布均匀，强化传热过程，防止局部过热或过冷。但是搅拌普遍存在运行费用高的问题，而且搅拌会使得形成的生物膜脱落，延长挂膜时间，降低污水处理效率。
现有技术CN 116605993A的中国专利申请，公开了一种基于厌氧氨氧化的城市污水处理方法，通过在序批次反应器中建立微氧硝化-部分反硝化耦合厌氧氨氧化工艺以处理实际城市污水，该反应器中使用了搅拌器。CN 116605992A公开了一种氨氮废水处理装置及氨氮废水处理方法，通过A/O反应池，用于接收氨氮废水并进行缺氧生化处理以及好氧生化处理；连通MBR池，以用于接收来自所述A/O反应池内经处理后的废水并处理，以在所述MBR池上方形成上清液；连通中间水箱，用于接收所述MBR池内上方的上清液；连通硫自养反硝化滤池，以接收所述中间水箱内的上清液，并经反硝化处理后排出，此过程中也使用了搅拌器。
现有技术CN 106219731B的中国专利申请，公开了一种MBBR磁性悬浮生物填料及其制备方法，通过在传统的工艺配方中添加填充剂和磁性硅藻土，得到一种表面更加粗糙，在保证物理强度和使用寿命的同时密度更接近水的有机生物填料。
以上专利对反应器和填料进行了不同的改进，但是仍然需要使用搅拌器，在加入生物填料使用时生物膜遭受破坏的问题仍然存在。
发明内容
针对目前生物反应器中搅拌器影响生物膜形成的问题，本发明提供一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器及其专用生物填料，二者结合使用可解决因破坏生物膜而导致的水处理效率降低的问题。
本发明的另一目的是提供一种利用上述填料进行水处理的方法，该工艺既可以应用于原有污水处理项目的提标改造，也可以应用于新建污水处理项目，具有挖掘系统潜能，稳定出水水质的特点，具有无搅拌、低耗能的优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器，包括反应筒体、多个电磁发生装置和PLC控制器；
所述反应器筒体为中空圆柱状，一端设置有密封筒体的封头，另一端为可拆卸的封盖；
所述多个电磁发生装置设置在反应器的外侧并呈螺旋分布；
所述PLC控制器和电磁发生装置电性连接，用于控制电磁发生装置的通电时间和通电顺序。
所述反应器筒体的直径与高的比例为1:（1-5）。
一种植绒磁性生物填料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将30-80重量份基体材料、10-50重量份热塑弹性体、3-8重量份填充剂和1-20重量份铁磁性粉末混合均匀后，加热塑型，获得坯体；
（2）趁热将坯体静电植绒，获得植绒磁性生物填料。
所述基体材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或多种。
所述热塑弹性体选自热塑性聚氨酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和异戊二烯取代丁二烯的嵌段苯乙烯聚合物中的一种或多种。
所述填充剂为轻质碳酸钙。
所述铁磁性粉末为四氧化三铁。
植绒的绒毛的材质选自聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种。
绒毛的直径为20-40 μm；绒毛的长度为1-5 mm。
一种上述方法制备的植绒磁性生物填料。所述植绒磁性生物填料的密度大于水的密度，为了防止出水时植绒磁性生物填料的损耗，植绒磁性生物填料的密度为1.5 g/cm3-2.0 g/cm3，当断电时植绒磁性生物填料便沉降到反应器底部，不会随出水流失。
上述植绒磁性生物填料可用于无搅拌的电磁场诱导生物反应器进行生物水处理。
一种无搅拌生物水处理的方法，包括以下步骤：
S1、将待处理水和活性污泥引入上述无搅拌的电磁场诱导生物反应器中；
S2、将上述植绒磁性生物填料投入后开启无搅拌的电磁场诱导生物反应器进行水处理。
所述植绒磁性生物填料的填充率为5-50%。
本发明具有以下优点：
本发明的无搅拌的电磁场诱导生物反应器，在通电后可使反应器内存在磁场，使得磁性植绒填料悬浮在反应器内，还能减少反应器内部的搅拌装置占用空间，提高了空间利用率；无搅拌可以防止生物膜被破坏，允许保留高密度生物质，从而提高脱氮效率，降低成本；该反应器好氧处理和厌氧处理中均可以使用；同时通过静电植绒，该磁性填料可以进一步提高挂膜速度，缩短挂膜时间，促进生物膜的生长。本发明提供的填料，通过铁磁性粉末提供一定的微磁场，能促进微生物的生长和繁殖，增加微生物的生物活性；植入的绒毛增大了生物填料的比表面积，从而可以为微生物提供适宜环境，可以快速富集营养物质和污染物，增加磁性植绒填料周围污染物的浓度，两者协同作用，显著加快生物膜的形成和污染物的分解，从而大大提高对污水的处理效率。
附图说明
图1是无搅拌的电磁场诱导生物反应器的立体结构示意图；
图2是无搅拌的电磁场诱导生物反应器的侧视结构示意图；
图3是无搅拌的电磁场诱导生物反应器的俯视结构示意图；
图4是荧光显微镜明场和荧光场下植绒磁性生物填料的图片，图中绿色亮点为是用赛默飞syto#9绿色荧光染色剂染色后的活性污泥。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明不受下述实施例的限制。
实施例1
（1）无搅拌的电磁场诱导生物反应器的制备
如图1-3所示的无搅拌的电磁场诱导生物反应器，包括反应筒体、9个电磁发生装置和PLC控制器；
所述反应器筒体为直径为1米、高3米的中空圆柱状，为有机玻璃材质，一端设置有密封筒体的封头，另一端为可拆卸的封盖；
所述9个电磁发生装置设置在反应器的外侧并呈螺旋分布，电磁发生装置内部包含磁铁和电线圈，磁铁的大小为300 mm×100 mm×100 mm；
所述PLC控制器和电磁发生装置电性连接，用于控制电磁发生装置的通电时间和通电顺序：在PLC控制器的控制下，电磁发生装置会按照从底端到顶部的顺序依次通电并产生磁场，使得植绒磁性生物填料在反应器内部悬浮；一轮通电之后，再次按照从底端到顶部的顺序依次通电，如此不断循环，使得磁性植绒填料随着通电顺序在反应器中流动。
（2）植绒磁性生物填料的制备
原料混炼及造粒：将聚乙烯6.6 g、热塑性聚氨酯2.0 g、轻质碳酸钙0.5g和四氧化三铁1.0 g用开炼机加热混匀，挤出造粒，获得坯体；
静电植绒：将上一步得到的坯体趁热迅速加入植绒箱，将直径为30 μm、长度为5mm的聚酯纤维绒毛植在坯体表面，获得密度为1.5 g/cm3的植绒磁性生物填料。
（3）生物反应器及其填料的挂膜评价
将待处理的水（COD为400±10 mg/L，氨氮为55±2 mg/L）和活性污泥引入步骤（1）的生物反应器中；
将步骤（2）制备的填料按照填充率30%投入上述生物反应器中；
通过调节PLC控制器参数设置，调节各电磁发生装置的通电时间，使填料悬浮在生物反应器中，保持水温37 ℃、反应6小时。
（4）生物反应器及其填料在处理水中的应用
将待处理的水（COD为400±10 mg/L，氨氮为55±2 mg/L，pH7.0-7.5）和活性污泥引入步骤（1）生物反应器中；
将步骤（2）制备的填料按照填充率30%投入上述生物反应器中；
通过调节PLC控制器参数设置，调节各电磁发生装置的通电时间，使填料悬浮在生物反应器中，保持水温25±2 ℃、反应8小时，检测出水中COD、氨态氮、总氮含量。
实施例2
（1）无搅拌的电磁场诱导生物反应器的制备
无搅拌的电磁场诱导生物反应器，包括反应筒体、9个电磁发生装置和PLC控制器；
所述反应器筒体为直径为0.5米、高1.5米的中空圆柱状，为有机玻璃材质，一端设置有密封筒体的封头，另一端为可拆卸的封盖；
所述9个电磁发生装置设置在反应器的外侧并呈螺旋分布，电磁发生装置内部包含磁铁和电线圈，磁铁的大小为150 mm×50 mm×50 mm；
所述PLC控制器和电磁发生装置电性连接，用于控制电磁发生装置的通电时间和通电顺序：在PLC控制器的控制下，电磁发生装置会按照从底端到顶部的顺序依次通电并产生磁场，使得植绒磁性生物填料在反应器内部悬浮；一轮通电之后，再次按照从底端到顶部的顺序依次通电，如此不断循环，使得磁性植绒填料随着通电顺序在反应器中流动。
（2）植绒磁性生物填料的制备
原料混炼及造粒：将聚乙烯4.2 g、热塑性聚氨酯1.5 g、轻质碳酸钙0.4g和四氧化三铁1.5 g用开炼机加热混匀，挤出造粒，获得坯体；
静电植绒：将上一步得到的坯体趁热迅速加入植绒箱，将直径为25 μm、长度为3mm的聚酯纤维绒毛植在坯体表面，获得密度为1.8 g/cm3的植绒磁性生物填料。
（3）生物反应器及其填料的挂膜评价
将待处理的水（COD为400±10 mg/L，氨氮为55±2 mg/L）和活性污泥引入步骤（1）的生物反应器中；
将步骤（2）制备的填料按照填充率15%投入上述生物反应器中；
通过调节PLC控制器参数设置，调节各电磁发生装置的通电时间，使填料悬浮在生物反应器中，保持水温37 ℃、反应6小时。
（4）生物反应器及其填料在处理水中的应用
将待处理的水（COD为400±10 mg/L，氨氮为55±2 mg/L，pH7.0-7.5）和活性污泥引入步骤（1）生物反应器中；
将步骤（2）制备的填料按照填充率15%投入上述生物反应器中；
通过调节PLC控制器参数设置，调节各电磁发生装置的通电时间，使填料悬浮在生物反应器中，保持水温25±2 ℃、反应8小时，检测出水中COD、氨态氮、总氮含量。
实施例3
（1）无搅拌的电磁场诱导生物反应器的制备
无搅拌的电磁场诱导生物反应器，包括反应筒体、9个电磁发生装置和PLC控制器；
所述反应器筒体为直径为2.0米、高4.0米的中空圆柱状，为有机玻璃材质，一端设置有密封筒体的封头，另一端为可拆卸的封盖；
所述9个电磁发生装置设置在反应器的外侧并呈螺旋分布，电磁发生装置内部包含磁铁和电线圈，磁铁的大小为600 mm×200 mm×200 mm；
所述PLC控制器和电磁发生装置电性连接，用于控制电磁发生装置的通电时间和通电顺序：在PLC控制器的控制下，电磁发生装置会按照从底端到顶部的顺序依次通电并产生磁场，使得植绒磁性生物填料在反应器内部悬浮；一轮通电之后，再次按照从底端到顶部的顺序依次通电，如此不断循环，使得磁性植绒填料随着通电顺序在反应器中流动。
（2）植绒磁性生物填料的制备
原料混炼及造粒：将聚乙烯7.2 g、热塑性聚氨酯3.6 g、轻质碳酸钙0.6g和四氧化三铁2.0 g用开炼机加热混匀，挤出造粒，获得坯体；
静电植绒：将上一步得到的坯体趁热迅速加入植绒箱，将直径为40 μm、长度为4mm的聚酯纤维绒毛植在坯体表面，获得密度为2.0 g/cm3的植绒磁性生物填料。
（3）生物反应器及其填料的挂膜评价
将待处理的水（COD为400±10 mg/L，氨氮为55±2 mg/L）和活性污泥引入步骤（1）的生物反应器中；
将步骤（2）制备的填料按照填充率45%投入上述生物反应器中；
通过调节PLC控制器参数设置，调节各电磁发生装置的通电时间，使填料悬浮在生物反应器中，保持水温37 ℃、反应6小时。
（4）生物反应器及其填料在处理水中的应用
将待处理的水（COD为400±10 mg/L，氨氮为55±2 mg/L，pH7.0-7.5）和活性污泥引入步骤（1）生物反应器中；
将步骤（2）制备的填料按照填充率45%投入上述生物反应器中；
通过调节PLC控制器参数设置，调节各电磁发生装置的通电时间，使填料悬浮在生物反应器中，保持水温25±2 ℃、反应8小时，检测出水中COD、氨态氮、总氮含量。
对比例1
（1）所用生物反应器，筒体为直径为1米的中空圆柱状，为有机玻璃材质，一端设置有密封筒体的封头，另一端为可拆卸的封盖，加入机械搅拌器；
（2）所用植绒磁性生物填料与实施例1中的一致；
（3）生物反应器及其填料的挂膜评价，实验条件与实施例1中的一致；
（4）生物反应器及其填料在处理水中的应用，实验条件与实施例1中的一致。
将实施例1和对比例1中处理后的植绒磁性填料在荧光显微镜下拍摄图片，如图4所示，分别是未通电的填料明场图（a）和荧光图（b）、通电后填料的明场图（c）和荧光图（d）。可以看到经过6小时的反应，在磁场中的植绒磁性填料吸附了大量的活性污泥，而机械搅拌下的植绒磁性填料表面挂上的活性污泥量较少。
表1 不同处理的出水的污染物浓度
由表1可知，本发明的无搅拌的电磁场诱导生物反应器及生物填料具有优异的挂膜速度和很好的去污效果，NH4-N去除率在80%以上，最高可达96%，总氮的去除率为40%-60%，最高可达到60%以上。
Claims (10)
1.一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器，其特征在于，包括反应筒体、多个电磁发生装置和PLC控制器；
所述反应器筒体为中空圆柱状，一端设置有密封筒体的封头，另一端为可拆卸的封盖；
所述多个电磁发生装置设置在反应器的外侧并呈螺旋分布；
所述PLC控制器和电磁发生装置电性连接，用于控制电磁发生装置的通电时间和通电顺序。
2.根据权利要求1所述的无搅拌的电磁场诱导生物反应器，其特征在于，所述反应器筒体的直径与高的比例为1:（1-5）。
3.一种植绒磁性生物填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将30-80重量份基体材料、10-50重量份热塑弹性体、3-8重量份填充剂和1-20重量份铁磁性粉末混合均匀后，加热塑型，获得坯体；
（2）趁热将坯体静电植绒，获得植绒磁性生物填料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或多种；
所述热塑弹性体选自热塑性聚氨酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和异戊二烯取代丁二烯的嵌段苯乙烯聚合物中的一种或多种；
所述填充剂为轻质碳酸钙；
所述铁磁性粉末为四氧化三铁；
植绒的绒毛的材质选自聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，绒毛的直径为20-40 μm；长度为1-5mm。
6.一种如权利要求3-5任一所述的方法制备的植绒磁性生物填料。
7.根据权利要求6所述的植绒磁性生物填料，其特征在于，植绒磁性生物填料的密度大于水的密度，为1.5 g/cm3-2.0 g/cm3。
8.一种如权利要求6或7所述的植绒磁性生物填料在如权利要求1或2所述的无搅拌的电磁场诱导生物反应器进行生物水处理的应用。
9.一种无搅拌生物水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将待处理水和活性污泥引入如权利要求1或2所述的无搅拌的电磁场诱导生物反应器中；
S2、将如权利要求6或7任一所述的植绒磁性生物填料投入后开启无搅拌的电磁场诱导生物反应器进行水处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述植绒磁性生物填料的填充率为5-50%。
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| CN202311264040.2A CN117303585A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器、填料及应用 |
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| CN202311264040.2A CN117303585A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种无搅拌的电磁场诱导生物反应器、填料及应用 |
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