CN117509924B - 一种生物膜载体及生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物膜载体及生物膜反应器，属于污水处理技术领域。所述生物膜载体包括多个生物膜培养单元和固定组件，所述生物膜培养单元上的第一固定点和所述固定组件上的第二固定点配接，当所述生物膜培养单元平铺时，任意两个第一固定点之间的距离大于与两个所述第一固定点相配接的两个第二固定点之间的距离，因此所述生物膜培养单元为松弛的状态，可在配重环和水流、气流的作用下在预设幅度和范围内波动，进而促进生物反应器内传质过程的进行，促进失去活性的生物膜及时脱落，进而促进生物膜的更新和生长，进而提高污水处理效率。水流气流通道用于减小水流和气流通过的阻力，使水流和气流可以更好地作用于位于上部的生物膜培养单元。

Description

一种生物膜载体及生物膜反应器

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种生物膜载体及生物膜反应器。

背景技术

随着现代工业和城市建设的发展，污水处理工艺和技术也随之升级迭代，研发高效低耗、密集紧凑型的污水处理工艺和设备，使污水处理满足排放及回用标准是水处理领域永恒的课题。从技术原理来看，污水、废水处理方法分为物化处理和生化处理，生化处理又分为厌氧处理和好氧处理，在好氧处理中又分为活性污泥法和生物膜法。生物膜法凭借处理效率高、剩余污泥量少、抗冲击负荷能力强、运行管理方便等特点，得到快速发展和广泛应用。常见的生物膜法处理工艺包括：生物滤池、生物接触氧化、生物流化床、移动床生物膜反应器、生物转盘等。

在生物膜法污水处理工艺中，微生物在生物膜载体上的附着能力和新陈代谢水平直接决定了污水处理效率的高低。载体在生物膜反应器中提供了微生物附着生长的载体表面，在载体表面形成生物膜，生物膜在吸附降解污染物的同时，微生物自身得到增殖，生物膜得到生长和更新。

生物膜法污水处理过程可分为两个过程：传质扩散过程和生物反应过程，只有当2个过程的效率都得到提高时，整个污水处理效率才能大幅度提高。国内外对生物填料的研究主要集中在改善填料的材质、形状、表面性质等方面来提高生物量，强化生物反应速率，而从填料的空间结构的角度来改善流体流态、如何加强传质效率的研究还较少，传质效率低会导致载体易堵塞、混合不完全和短流，从而导致载体利用率不高。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供一种生物膜载体及生物膜反应器。

本发明的目的之一在于提供一种生物膜载体，所述生物膜载体包括：

生物膜培养单元，所述生物膜培养单元有多个，多个生物膜培养单元沿生物膜载体的轴线方向平行排布，所述生物膜培养单元为网状结构，每个所述生物膜培养单元沿水平方向延伸，且所述生物膜培养单元垂直于水流和气流的流动方向。

固定组件，每个所述生物膜培养单元的边缘上设有多个第一固定点，所述固定组件上设有与所述第一固定点配接的第二固定点，当所述生物膜培养单元平铺时，任意两个第一固定点之间的距离大于与两个所述第一固定点相配接的两个第二固定点之间的距离。

配重环，所述配重环固定于所述生物膜培养单元上，所述配重环的材质为密度大于水的材料，所述配重环可在一定幅度和范围内运动。

水流气流通道，在每个生物膜培养单元上设有至少两个水流气流通道，水流和气流从生物膜载体的底部向上流动。

优选地，所述生物膜培养单元为具有多个重复单元的网状结构，每个重复单元具有至少两种孔结构的网孔。

优选地，每个重复单元由6或7个基础单元组成，每个基础单元由两个相互倒置的三角形组成。

优选地，任意一个生物膜培养单元上的配重环在底面上的投影和与其相邻的生物膜培养单元上的配重环在底面上的投影不重叠。

优选地，相邻的两个生物膜培养单元上的水流气流通道交错设置。

优选地，所述固定组件包括上连接件、下连接件和位于上连接件和下连接件之间的多个纵向连接件，所述第二固定点位于所述纵向连接件上，且沿所述生物膜载体的中心轴线配接有中心提升带。

优选地，所述纵向连接件为连接绳。

优选地，所述纵向连接件为连接杆，第二固定点的位置可沿所述连接杆的延伸方向在预设距离内移动，在所述第一固定点和所述第二固定点之间配接有可调节长度的连接件。

本发明的目的之二在于提供一种生物膜反应器，包括至少一个如上所述的生物膜载体，在所述生物膜反应器内，水流出口和气流出口位于所述生物膜载体的底部。

优选地，所述生物膜反应器还配接有起升器，所述起升器用于提升并固定所述生物膜载体。

本发明的有益效果包括：

本发明所述的生物膜载体包括多个生物膜培养单元和固定组件，所述生物膜培养单元上设有第一固定点，所述固定组件上设有与所述第一固定点配接的第二固定点，当所述生物膜培养单元平铺时，任意两个第一固定点之间的距离大于与两个所述第一固定点相配接的两个第二固定点之间的距离，因此当将生物膜培养单元固定于固定组件上时，所述生物膜培养单元为松弛的状态，所述生物膜培养单元可在外力的作用下波动。在所述生物膜培养单元上还设有配重环，所述生物膜培养单元可在配重环和水流、气流的作用下在预设幅度和范围内波动。通过生物膜培养单元的上下波动可促进生物反应器内传质过程的进行，生物膜培养单元的波动促进失去活性的生物膜及时脱落，进而促进生物膜的更新和生长，进而提高污水处理效率。所述生物膜培养单元上还设有水流气流通道，用于减小水流和气流通过的阻力，从位于底部的生物膜培养单元的水流气流通道通过的水流和气流可以更好地作用于位于上部的生物膜培养单元。

附图说明

图1为生物膜培养单元的结构示意图；

图2为其中一种实施例生物膜载体的结构示意图；

图3为第一重复单元结构示意图；

图4为第二重复单元结构示意图；

图5为其中另一种实施例生物膜载体的结构示意图；

图6为连接杆的结构示意图；

图7为生物膜反应器的结构示意图。

其中，各附图标记为：10、生物膜培养单元；11、第一固定点；12、配重环；13、水流气流通道；14、基础单元；15、第一重复单元；16、第二重复单元；17、第一网状结构；18、第二网状结构；22、上连接件；23、下连接件；24、连接绳；25、连接杆；251、螺纹部；252、套环；253上螺母；254、下螺母；26、中心提升带；30 、起升器；A、生物膜载体。

具体实施方式

在以下的说明中，包括某些具体的细节以对各个公开的实施方案提供全面的理解。然而，相关领域的技术人员会认识到，不采用一个或多个这些具体的细节，而采用其它方法、部件、材料等的情况下可实现实施方案。

除非本发明中另外要求，词语“包括”和“包含”应解释为开放式的、含括式的意义，即“包括但不限于”。

在整个说明书中提到的“一实施方案”或“实施方案”或“一种优选地实施方式案”或“某些实施方案”意指在至少一实施方案中包括与该实施方案所述的相关的具体参考要素、结构或特征。因此，在整个说明书中不同位置出现的短语“在一实施方案中”或“在实施方案中”或“在一种优选地实施方式案中”或“在某些实施方案中”不必全部指同一实施方案。此外，具体要素、结构或特征可以任何适当的方式在一个或多个实施方案中结合。

根据本发明的第一个方面，提供了一种生物膜载体，所述生物膜载体包括：

生物膜培养单元10，如图2所示，所述生物膜培养单元10有多个，多个生物膜培养单元10沿生物膜载体的轴线方向平行排布，所述生物膜培养单元10为网状结构，每个所述生物膜培养单元10沿水平方向延伸，且所述生物膜培养单元10垂直于水流和气流的流动方向。

固定组件，每个所述生物膜培养单元10的边缘上设有多个第一固定点11，所述固定组件上设有与所述第一固定点11配接的第二固定点，当所述生物膜培养单元10平铺时，任意两个第一固定点11之间的距离大于与两个所述第一固定点11相配接的两个第二固定点之间的距离。

配重环12，如图1所示，所述配重环12固定于所述生物膜培养单元10上，所述配重环12的材质为密度大于水的材料，所述配重环12可在水流和气流的冲击下上下运动。

水流气流通道13，如图1和图2所示，在每个生物膜培养单元10上设有至少两个水流气流通道13，水流和气流从生物膜载体的底部向上流动。

在本发明中，所述生物膜培养单元10用于作为生物膜反应器中的悬浮填料，是微生物的载体，在生物膜反应器中，微生物附着于所述生物膜培养单元10上在载体表面形成生物膜。随着微生物的生长和繁殖，生物膜的厚度增长，对污染物的去除负荷也随之增加，当到达一定临界生物膜厚度后，生物膜的活性不但不会增加，反而会下降。也会影响微生物的进一步生长和繁殖，还会阻碍整个微生物反应体系中的传质过程。只有失去活性的生物膜及时脱落，才更有利于微生物的生长和繁殖，控制生物膜的厚度，进而提升污水处理效率。

优选地，所述生物膜厚度为96~165μm。

在本发明中，当所述生物膜培养单元10平铺时，任意两个第一固定点11之间的距离大于与两个所述第一固定点11相配接的两个第二固定点之间的距离，因此当将生物膜培养单元10固定于固定组件上时，如图1所示，所述生物膜培养单元10为松弛的状态，所述生物膜培养单元10可在外力的作用下在一定幅度和范围内波动。

如图1所示，在所述生物膜培养单元10上还设有配重环12，所述配重环12为密度大于水的材料，例如为聚丙烯或聚偏氟乙烯。通过所述配重环12施加给所述生物膜培养单元10一个向下的力。同时，从生物膜底部向上流动的水流和气流还给所述生物膜培养单元10一个向上的力。当所述水流和气流以脉冲的形式进行曝气和冲水时，在水流和气流的脉冲作用下，所述生物膜培养单元10具有向上波动的趋势，在两次脉冲之间的间隙，在配重环12的作用下，所述生物膜培养单元10具有向下波动的趋势。因此，所述生物膜培养单元10可在配重环和水流、气流的作用下实现上下波动。

通过生物膜培养单元10的上下波动可促进生物反应器内传质过程的进行，还可使生物膜培养单元10上已经失去活性的生物膜及时脱落，促进生物膜的更新和生长，进而提高污水处理效率。

如图1所示，所述生物膜培养单元10上还设有水流气流通道13，用于减小水流和气流通过时的阻力，从位于底部的生物膜培养单元10的水流气流通道13通过的水流和气流可以更好地作用于位于上部的生物膜培养单元10。

在本发明中，所述生物膜培养单元10由纤维编织形成网状结构，所述网状结构可以为均一网孔结构，如蜂窝状结构；所述网状结构还可以为不均一网孔结构。所述纤维，包括聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、碳纤维或棉纤维中的一种或几种。

优选地，所述生物膜培养单元10网状结构的载体孔隙率为≥97%，载体的填充密度为60%~80%。

优选地，相邻所述生物膜培养单元10之间具有一定的预设距离，在所述预设距离下，两相邻生物膜培养单元10之间互相不接触，可以避免生物膜培养单元10之间相互摩擦损坏生物膜。

优选地，还可以通过调整脉冲频率来调整所述生物膜培养单元10的波动频率。

在本发明的一些优选实施方式中，所述生物膜培养单元10为具有多个重复单元的网状结构，每个重复单元具有至少两种孔结构的网孔。

在本发明中，具有多个重复单元的网状结构的网孔的表面粗糙度较大，一方面利于微生物膜的附着，另一方面增大了填料的比表面积。

在本发明中，由于在水流和气流通过时，具有多种孔结构网孔的网状结构，可将气流、水流进行不均一地切割，二次布水布气的效果更好，更有利于生物膜的生长和更新。

优选地，所述网状结构的孔径为2mm~4mm。

在本发明中，当载体的孔径较大时，内孔生物膜易受到水流和气泡的冲击，生物膜附着不稳定，生物膜量小。当载体的孔径较小时，小孔径载体上附着生物膜不易受到水力剪切作用，生物膜较稳定不易脱落，载体上生物膜量较高，但传质较困难，生物膜活性不高，孔径过小或过大的生物膜培养单元10为“低效载体”。当所述网状结构的孔径为2mm~4mm时，所述生物膜培养单元10具有良好传质效果，内部生物膜可获得丰富的营养与氧气，生物膜活性较高。

在本发明的一些优选实施方式中，每个重复单元由6或7个基础单元14组成，每个基础单元14由两个相互倒置的三角形组成。

如图3和图4所示，每个基础单元14由相互倒置的两个三角形组成，具体地，当两个三角形为等边三角形时，可形成如图3和图4中的基础单元14。7个基础单元14按照如图3所示的形式排列，可形成第一重复单元15，多个第一重复单元15可形成如图3所示的第一网状结构17，如图3所示，所述第一网状结构17具有两种不同孔结构的网孔。6个基础单元14按照如图4所示的形式排列，可形成第二重复单元16，多个所述第二重复的单元16可形成如图4所示的第二网状结构18，所述第二网状结构18具有三种不同孔结构的网孔。

在本发明的一些优选实施方式中，任意一个生物膜培养单元10上的配重环12在底面上的投影和与其相邻的生物膜培养单元10上的配重环12在底面的投影不重叠。

具体地，将相邻两生物膜培养单元10上的配重环12按照其在底面的投影不重叠的方式设置，可以控制相邻两生物膜培养单元10在上下波动时的波动形式，从而避免相邻两生物膜培养单元10相互接触。

优选地，如图2所示，相邻的两个生物膜培养单元10上的配重环12交错设置。

具体地，如图2所示，位于第一层的配重环12位于所述生物膜培养单元10相对靠近左侧的位置，位于第二层的配重环12位于所述生物膜培养单元10相对靠近右侧的位置，位于第三层的生物膜培养单元10上的配重环12与第一层相同，位于第四层所述生物膜培养单元10上的配重环12与第二层相同。

在本发明的一些优选实施方式中，如图2所示，相邻的两个生物膜培养单元10上的水流气流通道13交错设置。

优选地，如图2所示，所述水流气流通道13与所述配重环12相对设置。具体地，当所述配重环12位于所述生物膜培养单元10上相对靠近一侧的位置，则所述水流气流通道13位于所述生物膜培养单元10上相对靠近另一侧的位置。

具体地，如图2所示，所述水流气流通道13有2个，位于第一层的2个水流气流通道13位于所述生物膜培养单元10相对靠近右侧的位置，位于第二层的2个水流气流通道13位于所述生物膜培养单元10相对靠近左侧的位置，位于第三层的生物膜培养单元10上的2个水流气流通道13与第一层相同，位于第四层所述生物膜培养单元10上的2个水流气流通道13与第二层相同。

在本发明的一些优选实施方式中，如图2所示，所述固定组件包括上连接件22、下连接件23和位于上连接件22和下连接件23之间的多个纵向连接件，所述第二固定点位于所述纵向连接件上，且沿所述生物膜载体的中心轴线配接有中心提升带26。

具体地，如图2所示，所述上连接件22和所述下连接件23均为中空的环状结构，用于连接固定位于上连接件22和下连接件23之间的多个纵向连接件，所述纵向连接件可以为柔性连接件，也可以为刚性连接件。所述第二固定点位于所述纵向连接件上，所述纵向连接件的个数与一个生物膜培养单元10上的所述第一固定点11的个数相等，所述第二固定点与所述第一固定点11一一配接。如图2所示，所述中心提升带26沿所述生物膜载体的中心轴线方向延伸，所述中心提升带26的底部通过多个斜向连接件与所述上连接件22配接，所述中心提升带26用于与生物膜反应器的起升器配接，可用于提升并固定所述生物膜载体。

在本发明的一些优选地实施方式中，如图2所示，所述纵向连接件为连接绳24，一方面，使用连接绳24可便于所述生物膜载体的储存和运输，另一方面，由于连接绳24为柔性，当水流或气流的流速改变时，所述生物膜培养单元10受到的冲击力发生改变，可使得波动幅度和剧烈程度变化。具体地，当水流或气流的流速变大时，冲击力变大，所述生物膜培养单元10可拉动连接绳24向内收缩，所述生物膜培养单元10向上波动的幅度和剧烈程度增大，便于控制生物膜从生物膜载体培养单元上脱落。

在本发明的一些优选实施方式中，如图5所示，所述纵向连接件为连接杆25，第二固定点的位置可沿所述连接杆25的延伸方向在预设距离内移动，在所述第一固定点11和所述第二固定点之间配接有可调节长度的连接件。

具体地，如图5和图6所示，在所述连接杆25上具有多个螺纹部251，在每个螺纹部251上配接有上螺母253、下螺母254和套环252，所述套环252位于所述上螺母253和下螺母254之间，当所述上螺母253和所述下螺母254向相互靠近的方向旋紧时可用于固定所述套环252，所述第二固定点位于所述套环252上。所述套环252可在所述连接杆25上在所述螺纹部251所限定的距离内移动，进而调整相邻所述生物膜培养单元10之间的距离。

具体地，在所述第一固定点11和所述第二固定点之间配接有可调节长度的连接件，所述连接件例如为可伸缩绳或可伸缩杆。当所述连接件伸长时，所述第一固定点11和所述第二固定点之间的距离增大，所述生物膜培养单元10的连接状态更加松弛，所述生物膜培养单元10的波动幅度增加，当同时增加波动频率时，可增加所述生物膜培养单元10波动的剧烈程度，便于控制生物膜从生物膜载体培养单元上脱落。

具体地，还可通过在所述连接杆25上配接沿所述连接杆25延伸的滑轨，所述第二固定点通过紧固件与所述滑轨配接，从而使第二固定点的位置可沿所述连接杆25的延伸方向在预设距离内移动，进而调整相邻所述生物膜培养单元10之间的距离。

在本发明中，所述生物膜培养单元10的形状可以为三角形、四边形、五边形、六边形或圆形，而不是局限于本发明所示的附图1-5中所示的六边形。

根据本发明的第二个方面，提供了一种生物膜反应器，包括至少一个如上所述的生物膜载体，在所述生物膜反应器内，水流出口和气流出口位于所述生物膜载体的底部。

具体地，如图7所示，所述生物反应器包括多个如上所示的生物膜载体A，曝气器位于所述生物膜载体A的底部，所述曝气器具有水流出口和气流出口，即水流出口和气流出口位于所述生物膜载体的底部，所述水流和气流从所述生物膜反应器A的底部向上流动。

优选地，所述水流和气流的气水比为6~9:1，溶解氧值为2~3 mg/L，优选为2.5mg/L。

在本发明中，气水比增加可以提高溶解氧，当溶解氧值为2~3 mg/L时，好氧微生物代谢活性较高，有利于提高污染物去除率，但过大的气水比会造成气流湍动强度过大，可能导致生物膜的附着不稳定。

在本发明的一些优选实施方式中，如图7所示，所述生物膜反应器还配接有起升器30，所述起升器30用于提升并固定所述生物膜载体。

Claims (8)

1.一种生物膜载体，其特征在于，所述生物膜载体包括：

生物膜培养单元（10），所述生物膜培养单元（10）有多个，多个生物膜培养单元（10）沿生物膜载体的轴线方向平行排布，所述生物膜培养单元（10）为网状结构，每个所述生物膜培养单元（10）沿水平方向延伸，且所述生物膜培养单元（10）垂直于水流和气流的流动方向；

固定组件，每个所述生物膜培养单元（10）的边缘上设有多个第一固定点（11），所述固定组件上设有与所述第一固定点（11）配接的第二固定点，当所述生物膜培养单元（10）平铺时，任意两个第一固定点（11）之间的距离大于与所述两个第一固定点（11）相配接的两个第二固定点之间的距离；

配重环（12），所述配重环（12）固定于所述生物膜培养单元（10）上，所述配重环（12）的材质为密度大于水的材料，所述配重环（12）可在一定幅度和范围内运动，任意一个生物膜培养单元（10）上的配重环（12）在底面上的投影和与其相邻的生物膜培养单元（10）上的配重环（12）在底面的投影不重叠；

水流气流通道（13），在每个生物膜培养单元（10）上设有至少两个水流气流通道（13），水流和气流从生物膜载体的底部向上流动，相邻的两个生物膜培养单元（10）上的水流气流通道交错设置；

相邻所述生物膜培养单元（10）之间具有一定的预设距离，在所述预设距离下，两相邻生物膜培养单元（10）之间互相不接触；

当所述水流和气流以脉冲的形式进行曝气和冲水时，所述生物膜培养单元可在配重环和水流、气流的作用下在预设幅度和范围内波动，促进失去活性的生物膜及时脱落。

2.如权利要求1所述的生物膜载体，其特征在于，所述生物膜培养单元（10）为具有多个重复单元的网状结构，每个重复单元具有至少两种孔结构的网孔。

3.如权利要求2所述的生物膜载体，其特征在于，每个重复单元由6或7个基础单元（14）组成，每个基础单元（14）由两个相互倒置的三角形组成。

4.如权利要求1所述的生物膜载体，其特征在于，所述固定组件包括上连接件（22）、下连接件（23）和位于上连接件（22）和下连接件（23）之间的多个纵向连接件，所述第二固定点位于所述纵向连接件上，且沿所述生物膜载体的中心轴线配接有中心提升带（26）。

5.如权利要求4所述的生物膜载体，其特征在于，所述纵向连接件为连接绳（24）。

6.如权利要求4所述的生物膜载体，其特征在于，所述纵向连接件为连接杆（25），第二固定点的位置可沿所述连接杆的延伸方向在预设距离内移动，在所述第一固定点（11）和所述第二固定点之间配接有可调节长度的连接件。

7.一种生物膜反应器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1~6任一项所述的生物膜载体，在所述生物膜反应器内，水流出口和气流出口位于所述生物膜载体的底部。

8.如权利要求7所述的生物膜反应器，其特征在于，所述生物膜反应器还配接有起升器（30），所述起升器（30）用于提升并固定所述生物膜载体。