CN208234621U - 原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，是基于生物膜为黑臭水体治理的核心净化元件，均质池、调节池、一级生物膜反应器、二级生物膜反应器、三级生物膜反应器按序串联；一级生物膜反应器交错地设置有隔墙将水道隔成S形；中间悬挂自然生物膜反应器膜组件及曝气增氧‑‑强化耦合自然生物膜反应器膜组件；二级、三级生物膜反应器使用聚丙烯防渗土工膜分为若干层，每层填充不同级配的砾石、细沙；二级生物膜反应器设置竖向溢流管相连的两层布水管并设有通气层以提高好氧脱氮除磷效果；三级生物膜反应器设有污水调节管。本实用新型保障了系统的长效运行，适用于黑臭水体快速处理，能有效去除黑臭水体中氮磷污染物，占地面积小、投资运行成本低。

Description

原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器

技术领域

本实用新型涉及黑臭水体治理领域，具体为原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器。

背景技术

近年来，随着经济的发展，生活污水和工业污水的大量排放，河流和湖泊都受到不同程度的污染和破坏，水体黑臭日益频发。水体出现溶解氧降低、透明度减小等生态系统退化系统退化的问题。如何治理水体黑臭，提升水体的自净能力，已经成为全球环境问题的研究热点。

目前，黑臭水体治理的技术较多，如调水技术、微生物菌剂技术、曝气增氧技术、生态浮床技术、人工湿地技术等。仅就黑臭水体而言，采用以上方法存在成本过高、运行管理复杂、治理难度大等缺点。因此，寻找适合黑臭水体治理的生物-生态修复技术成为河道黑臭水体治理技术显得尤为重要。

生物膜是生长在基质表面且在自然环境条件下形成的微生物聚集体膜，包括真菌、原生动物、后生动物、微藻、微型附着植物以及病毒等。生物膜不仅是水质净化的核心元件之一，也能指示环境质量变化。生物膜在环境中易形成、发生和发展，是受损生态系统修复的基础性“先锋群落”。应用中，具有环境安全、易取、低廉、易维护等优点，是一种环境友好性材料。生物膜反应器是目前污水治理的一种新型装置，其原理是通过反应器富集、培训、驯化生物膜，利用生物膜的生物降解作用去除污染物。

中国发明专利，申请号：2015838663U，申请公告日：2016年12月28日，发明了河道生态处理系统及城市黑臭水体治理用生物膜反应器，包括箱式框架，多个填料室，曝气机，气提管等。其不足之处在于，该发明专利不能适用于黑臭水体原位处理，处理量较小，对污染物氮的去除效果较差。

中国发明专利，授权公告号：CN205222794U，授权公告日：2016年5月11日，公开了一种用于黑臭水体治理的生化反应器，发明了生化反应器包括反应器外壳以及置于反应器外壳内部的反应器填料，所示反应器外壳的表面具有多个网眼。其不足之处在于，该发明富集活性污泥的量较少，其活性污泥的处理效果受到限制。

中国发明专利，申请公布号：CN107055752A，申请公布日2017年8月18日，公布了一种生物膜反应器，包括污水反应池；设置在污水反应池内的曝气管，曝气管上设置有若干个出气位；装填在污水反应池内的生物膜填料，生物膜填料与所述出气位相连。其不足之处在于，对黑臭水体中氮的出去效果较差。

中国发明专利，授权公告号：CN203620597U，授权公告日2014年6月4日，发明了生物膜反应器，包括反应器主体、设在反应器主体上的进水管、曝气管、进气管、污泥回流管、排气孔、风机。其不足之处在于，处理体的水量较小，对污染物氮的出去效果差。

中国发明专利，授权公告号：CN205773586U，授权公告日2016年12月7日，发明了一种生物膜反应器，包括反应器主体和蓄电池，主体的内部设有环形生化反应区，生化反应区的墙壁上设有滤网，生化反应区内设有填料，填料内部设有发热单元。该发明不足之处，所富集的微生物在在固定温度下活性较高，生物多样性和环境适应性较差，运行成本高。

中国发明专利，授权公告号：CN206512072U，授权公告日2017年9月22日，发明了一种新型悬浮填料生物膜反应器，包括池体和位于其下方的支座。池体内从上至下依次设有吸附层、厌氧室、缺氧室、好养室、布气室。其不足之处在于，该放专利存在堵塞等问题。

可见，无论是生物膜反应器治理黑臭水体技术，还是目前正在申请发明专利的一些生物膜反应器新兴技术，都不能有效的去除黑臭水体中污染物氮，同时存在堵塞、运行成本高、生物膜生物量富集量小等缺点。因此，迫切需要发展一种生物-生态的原位黑臭水体治理技术。

发明内容

本实用新型的目的在于提供原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，以解决上述背景技术中提出的问题。本实用新型一级生物膜反应器通过膜组件弹性填料和中空纤维曝气膜，富集形成两种不同的自然生物膜，以解决传统生态浮床水生植物根系根际周边微生物量少、活性不足的缺点；二级生物膜反应器利用砾石间生物膜的微生物降解作用，有效出去黑臭水体中的污染物磷，三级生物膜反应器利用厌氧环境中形成的生物膜高效去除黑臭水体中的污染物氮。从而大大提高多级复合生物膜反应器的稳定性和水质净化效果。同时，原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器能够实现黑臭水体的原位处理，建设、运行成本低、维护方便，适应水环境污染治理市场需求，符合环保产业发展方向。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，是基于生物膜为黑臭水体治理的核心净化元件，其特征在于，均质池、调节池、一级生物膜反应器、二级生物膜反应器、三级生物膜反应器按序串联。所述一级生物膜反应器交错地设置有若干道隔墙将水道隔成S形；中间悬挂自然生物膜反应器的膜组件及曝气增氧--强化耦合自然生物膜反应器的膜组件。二级、三级生物膜反应器使用聚丙烯防渗土工膜分为若干层，每层填充不同级配的砾石、细沙，利用砾间形成的生物膜降解污染物。二级生物膜反应器设置竖向溢流管相连的上下两层布水管，可有效地解决堵塞问题，并设有通气层可提高好氧脱氮除磷效果；三级生物膜反应器设有污水调节管，补充生物膜厌氧反应所需的碳源。本实用新型保障了系统的长效运行，适用于黑臭水体的快速处理，能够有效去除黑臭水体中污染物，具有占地面积小、投资运行成本低等优点。

所述一级生物膜反应器交错地设置有若干道隔墙将水道隔成S形；

所述一级生物膜反应器中自然生物膜反应器的膜组件为聚丙烯编织而城，其成膜重量69 kg/m³，比表面积310 m²/m³，丝直径0.45 mm；曝气增氧-强化耦合自然生物膜反应器的膜组件为聚偏二氟乙烯膜（PVDF膜），其比表面积大，表面带正电，易于生物膜的富集。

所述二级生物膜反应器设置有上下两层布水管，上层布水管所在的砾石层的底部设有竖向溢流管连接第二层布水管。同时，第二层布水管从调节池进水。

所述二级生物膜反应器设置通气层，通气层的通气管与大气相连。

所述三级生物膜反应器设置调节管，补充生物膜厌氧反应所需的碳源。

所述三级生物膜反应器在砾石层设置出水口，可避免出水堵塞。出水口设置成喷水式出水。

所述二级、三级生物膜反应器设置不同的分层，每层填充不同级配的砾石、细沙等，层层之间铺有聚丙烯防渗土工膜。

所述的自然生物膜反应器富集的生物膜，自内向外依次是：厌氧层、兼氧层、好氧层、附着水层。

所述的曝气增氧--强化耦合自然生物膜反应器富集的生物膜自内向外依次是：空气、透氧膜、生物膜：好氧层、兼氧层、厌氧层、附着水层。本实用新型有以下优化方案：

一级生物膜反应池的每道隔墙上设有曝气支管连接曝气机。

所述的自然生物膜反应器和曝气增氧-自然生物膜反应器，如图3a和图3b所示。

换言之，本实用新型的结构参照图1和图2：原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器由均质池、调节池、一级生物膜反应器、二级生物膜反应器、三级生物膜反应器串联组成。多级复合生物膜反应器包括进水管1、调节管2、阀门3、连接管4、自然生物膜反应器的膜组件5、曝气增氧-自然生物膜反应器膜组件6、隔墙7、第一层布水管8、第一层布水管阀门9、第 层布水管10、第二层布水管阀门11、布气管12、土13、第一层布水管支管14、砾石（4-8cm）15、竖直导流管16、粗沙砾石（4-8）17、砾石（4-8cm）18、粗砂砾石（1-5cm）19、通气层20、细沙砾石（1-3cm）21、砾石（6-10cm）22、连接管23、砾石（6-10cm）24、出水口25、细沙26、砖头和谷壳27、砾石28.

作进一步改进，本实用新型的方案：所示二级生物膜反应器覆盖层图厚200mm；第一层布水管进水口为PVC∅50；上布水层100mm；导流溢流管为PVC∅50；下布水层100mm，砾石（4-8mm）；防堵层300mm，，砾石（1-5mm）；通风层100mm，砾石（1-3cm），布气管为PPC∅32；精滤层200mm，细沙、有菱角砾石（1-3cm）；集水排水层200mm，砾石（6-10mm）；

作进一步改进，本实用新型的方案：所示二级生物膜反应器与三级生物膜反应器连接管为PVC∅50；

作进一步改进，本实用新型的方案：所示三级反应器覆盖层图厚200mm；砾石层300mm，砾石（6-10mm），出水口为PVC∅50；碎石层350mm，碎石（1-5mm）；细沙层350mm；碎砖头谷壳层300mm，碎石层300，砾石（6-10mm）。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：多级复合生物膜反应器一级生物膜反应器通过悬挂自然生物膜反应器膜组件和曝气增氧--强化耦合自然生物膜反应器膜组件，富集两种不同的生物膜（如3所示），解决了传统生物膜反应器富集生物膜生物量少、活性不足的缺点。二级生物膜反应器利用砾石间生物膜的微生物降解作用，有效出去黑臭水体中的污染物磷，三级生物膜反应器利用厌氧环境中形成的生物膜高效去除黑臭水体中的污染物氮。从而大大提高多级复合生物膜反应器的稳定性和水质净化效果。同时，本实用新型建设、运行成本低、维护方便，适应水环境污染治理市场需求，符合环保产业发展方向，能够带来显著的经济、社会效应，在黑臭水体应用前景广阔。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的二级生物膜反应器、三级生物膜反应器的俯视图；

图3（a）为自然生物膜反应器的膜组件、图3（b）为曝气增氧-自然生物膜反应器的膜组件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例、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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1 、图2，本实用新型提供一种技术方案：原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，由均质池D、调节池E、一级生物膜反应器A、二级生物膜反应器B、三级生物膜反应器C串联组成。一级生物膜反应器交错地设置有若干道隔墙将水道隔成S形；S形水道中间悬挂自然生物膜反应器的膜组件及曝气增氧--强化耦合自然生物膜反应器的膜组件。二级、三级生物膜反应器使用土工布分为若干层，每层填充不同级配的砾石、细沙等填充物，利用砾间形成的生物膜降解污染物。二级生物膜反应器设置竖向溢流管相连的上下两层布水管可有效地解决堵塞问题，并设有通气层可提高好氧脱氮除磷效果；三级生物膜反应器设有污水调节管，补充生物膜厌氧反应所需的碳源。

所述一级生物膜反应器交错地设置有若干道隔墙将水道隔成S形；

所述一级生物膜反应器中自然生物膜反应器的膜组件为聚丙烯编织而，其成膜膜重量69 kg/m³，比表面积310 m²/m³，丝直径0.45 mm；曝气增氧-强化耦合自然生物膜反应器的膜组件为聚偏二氟乙烯膜（PVDF膜），其比表面积大，表面带正电，易于生物膜的富集。

所述二级生物膜反应器设置有上下两层布水管，上层布水管所在的砾石层的底部设有竖向溢流管连接第二层布水管。同时，第二层布水管从调节池进水。

所述二级生物膜反应器设置通气层，通气层的通气管与大气相连。

所述三级生物膜反应器设置调节管，补充生物膜厌氧反应所需的碳源。

所述三级生物膜反应器在砾石层设置出水口，可避免出水堵塞。出水口设置成喷水式出水。

所述二级、三级生物膜反应器设置不同的分层，每层填充不同级配的砾石、细沙等，层层之间铺有聚丙烯防渗土工膜。

所述的自然生物膜反应器富集的生物膜自内向外依次是：厌氧层、兼氧层、好氧层、附着水层；所述的曝气增氧-自然生物膜反应器富集的生物膜自内向外依次是：空气、透氧膜、生物膜：好氧层、兼氧层、厌氧层、附着水层。

工作原理：使用时，将该多级复合生物膜反应器一级生物膜反应器通过膜组件富集生物膜，二级、三级生物膜反应器通过砾间富集生物膜。本实用新型主要是利用生物膜为黑臭水体治理的核心净化元件，利用生物膜的微生物左右降解去除污染物。一级、二级生物膜反应器主要通过生物膜的好氧去除污染物磷、COD等污染物；三级生物膜反应器主要在厌氧条件下，利用生物膜的厌氧反硝化去除黑臭水体中氮污染物。

（1）自然生物膜的固定。

1）自然生物膜反应器

本实用新型采用的自然生物膜反应器，为常用的弹性填料采用比表面积大、带正电荷的聚丙烯编织而成，具有较大的比表面积，能够更好的富集自然生物膜，其成膜重量69kg/m³，比表面积310 m²/m³，丝直径0.45 mm。自然生物膜反应器利用水体氧气，在载体表面由里面至外面分别形成厌氧层、兼氧层、好氧层，其挂膜周期15天左右。

2）增氧曝气-强化耦合自然生物膜反应器

增氧曝气-强化耦合自然生物膜反应器通过中空纤维膜为附着生长在其表面的自然生物膜供氧。自然生物膜在膜表面由里至外，分别形成好氧层、兼氧层、厌氧层，其挂膜周期15天左右。

3）二级、三级生物膜反应器

二级、三级生物膜反应器主要利用砾间形成的生物膜微生物作用，讲解污染物质。二级生物膜反应器主要利用生物膜的好氧作用讲解磷、COD等物质，三级生物膜反应器主要在厌氧条件下，利用生物膜的厌氧反硝化去除黑臭水体中氮污染物。

（2）生物膜的形成、更新脱落

在生物膜反应器处理系统中，悬挂或填充一定数量的基质。当污水与基质接触，污水中的微生物会在基质表面生长。经过一段时间后，基质表面将会被一层薄膜所覆盖，即为即称为生物膜。

生物膜能够吸附水中的有机物，并迅速将其降解，逐渐形成更厚的膜。在污水处理过程中生物膜呈现一个自我更替的过程，主要有“生长、更新、脱落”等阶段。生物膜厚度一般为2 mm ~5 mm，老化生物膜净化水体功能较差易于脱落。生物膜不断脱落的原因有水力冲刷、原生动物使生物膜松动、厌氧层和介质的黏接力较弱、由于膜增厚造成重量的增大等原因。随着脱落的生物膜沉积在水底，被生物膜降解去除的氮磷等污染物也一同从水体中去除，达到了净化黑臭水体的目的。生物膜作为水生生态系统的一个重要组成部分有其特有的作用。从水体生产力角度来看，脱落的生物膜可作为经济动物如螺、蚌、虾、鱼等的饵料，承接着上下游食物链。

（3）生物膜反应器净化污染物

物膜能够固持和吸附水体中的磷，分解和转化有机氮为无机氮被植物直接摄取，抑制部分藻类的生长，从而降低水华发生的风险。生物膜的引入起到了食物链的加环作用，对生物膜反应器水质净化效果、系统的稳定性都有显著提高。

生物膜与黑臭水体的污染物会发生吸附、催化、配位、降解等作用；或与空气接触而发生氧化等反应；并随污染物的化学形态的不断改变，而引起不同的生物效应和生态效应。

以非曝气基质为例，在基质表面（如图3a），生物膜由里至外面分别形成厌氧层、兼性层、好氧层。好氧层的微生物一般为好气菌，好氧层的厚度一般为2mm左右，有机物的降解主要是在好氧层内进行。内层因受氧扩散的影响而供氧不足，因而使厌氧菌大量繁殖形成厌氧层。生物膜去除污染物过程示意图（如图3a）。

1）附着水层内的有机物大多已被氧化，其浓度比黑臭水体中的有机物浓度低的多。

2）由于浓度差的作用，有机物会从污水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气中的氧在溶入污水后，进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成。

3）微生物的代谢产物通过附着水层进入流动水层，并随其排走，CO2及厌氧层分解产物从水层逸出进入空气中。循环往复，使污水得到净化。

在曝气基质表面（如图3b），生物膜由外至里面分别形成厌氧层、兼性层、好氧层。其各层的净化污染物机理与在非曝气基质表面富集生物膜净化污染物机理相同。

Claims (9)

1.原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，是基于生物膜为黑臭水体治理的核心净化元件，其特征在于，均质池、调节池、一级生物膜反应器、二级生物膜反应器、三级生物膜反应器按序串联；所述一级生物膜反应器交错地设置有若干道隔墙将水道隔成S形；中间悬挂自然生物膜反应器的膜组件及曝气增氧--强化耦合自然生物膜反应器的膜组件；所述二级、三级生物膜反应器使用聚丙烯防渗土工膜分为若干层，每层填充不同级配的砾石、细沙，利用砾间形成的生物膜降解污染物；所述二级生物膜反应器设置竖向溢流管相连的上下两层布水管，以解决堵塞问题，并设有通气层以提高好氧脱氮除磷效果；所述三级生物膜反应器设有污水调节管，以补充生物膜厌氧反应所需的碳源。

2.根据权利要求1所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述一级生物膜反应器中自然生物膜反应器的膜组件为聚丙烯编织而成，其膜膜重量69 kg/m³，比表面积310 m²/m³，丝直径0.45 mm；所述曝气增氧-强化耦合自然生物膜反应器的膜组件为聚偏二氟乙烯膜。

3.根据权利要求1所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述二级生物膜反应器设置有上下两层布水管，上层布水管所在的砾石层的底部设有竖向溢流管连接第二层布水管；同时，第二层布水管从调节池进水。

4.根据权利要求1所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述二级生物膜反应器设置通气层，通气层的通气管与大气相连。

5.根据权利要求1所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述三级生物膜反应器在砾石层设置有出水口，以避免出水堵塞。

6.根据权利要求5所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述的出水口设置成喷水式出水口。

7.根据权利要求1所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述二级、三级生物膜反应器使用的土工布，采用聚丙烯防渗土工膜。

8.根据权利要求1所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述的自然生物膜反应器富集的生物膜，自内向外依次是：厌氧层、兼氧层、好氧层、附着水层。

9.根据权利要求1-8之一所述的原位治理黑臭水体的多级复合生物膜反应器，其特征在于：所述的曝气增氧-自然生物膜反应器富集的生物膜自内向外依次是：空气、透氧膜、生物膜：好氧层、兼氧层、厌氧层、附着水层。