申請日2015.09.02

　　公開(公告)日2015.11.18

　　IPC分類號C02F3/08; C02F3/02

　　摘要

　　本發(fā)明公開了一種生物膜污水處理裝置及生物膜原位測試方法，該裝置包括凹形水槽、生物膜載體盤片、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸驅(qū)動裝置、進水系統(tǒng)和出水收集系統(tǒng)。本發(fā)明提供的裝置具備污水處理與生物膜原位樣品采集測試兩種功能;拆卸生物膜載體盤片上的生物膜試條進行載體盤片表面生物膜原位測試，攻克傳統(tǒng)生物膜污水處理裝置普遍存在的保持生物膜原有結(jié)構(gòu)形態(tài)進行測試過程中生物膜樣品采集困難的難題;脈沖電源驅(qū)動同步電機帶動生物膜載體盤片定軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)速實時連續(xù)調(diào)整，為維持生物膜結(jié)構(gòu)維持完整、生物膜表面剪切力量化模擬提供必要保障，解決傳統(tǒng)齒輪箱調(diào)速轉(zhuǎn)速實時調(diào)整困難，節(jié)約裝置經(jīng)濟成本，減少裝置占地面積。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種生物膜污水處理裝置，其特征在于，包括凹形水槽(1)、進水系統(tǒng)、出水收集系統(tǒng)和計算機(19);

　　所述的凹形水槽(1)由橫置的半圓筒及分別固定于半圓筒兩端的矩形板組成，矩形板上邊緣與半圓筒的開口位于同一平面，矩形板的高大于半圓筒的半徑，在半圓筒的軸線位置設(shè)有轉(zhuǎn)軸(3)，轉(zhuǎn)軸(3)的兩端分別通過軸承(14)與兩塊矩形板連接，轉(zhuǎn)軸(3)的一端與固定于該端矩形板上的同步電機(18)的輸出軸相連，同步電機(18)由脈沖電源(17)驅(qū)動，在轉(zhuǎn)軸(3)上同軸線地固定有若干圓形的生物膜載體盤片(2)，生物膜載體盤片(2)的正反盤面上沿徑向隨機地開有3-5條矩形凹槽(15)，在矩形凹槽(15)內(nèi)無縫嵌有與生物膜載體盤片相同材質(zhì)的生物膜試條(16)，生物膜試條(16)外表面與生物膜載體盤片(2)的盤面處于同一平面;

　　在凹形水槽(1)的兩塊矩形板中一塊上開有進水孔(6)，另一塊上開有出水孔(7)，凹形水槽(1)底部開有污水排空口(8);

　　所述的進水系統(tǒng)包括進水管路(10)、進水泵(11)和用于盛放待處理污水的集水池(9)，所述的出水收集系統(tǒng)包括出水泵(12)、出水管路(13)和用于盛放處理后污水的貯存池(20);進水泵(11)的進水口通過進水管路(10)連接集水池(9)，進水泵(11)的出水口連接凹形水槽(1)的進水孔(6)，凹形水槽(1)的出水孔(7)與出水泵(12)的進水口連接，出水泵(12)的出水口通過出水管路(13)連接貯存池(20)，在集水池(9)與貯存池(20)中均設(shè)有氨氮在線測試裝置(4)和COD在線測試裝置(5)，氨氮在線測試裝置(4)和COD在線測試裝置(5)分別與計算機(19)連接。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物膜污水處理裝置，其特征在于，所述的生物膜載體盤片(2)厚度為0.5~2cm，所述的矩形凹槽(15)深度為1~3mm。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物膜污水處理裝置，其特征在于，所述的矩形凹槽(15)的長度為生物膜載體盤片(2)半徑的85%~100%，長寬比10：1~10：2。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物膜污水處理裝置，其特征在于，所述的生物膜載體盤片(2)半徑為凹形水槽半徑90%~95%。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物膜污水處理裝置，其特征在于，所述的進水孔(6)和出水孔(7)位于同一高度，且對稱分設(shè)于凹形水槽(1)半圓筒的軸向?qū)ΨQ面兩側(cè)。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物膜污水處理裝置，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)軸(3)的轉(zhuǎn)速在1-300rpm范圍內(nèi)實時連續(xù)可調(diào)。

　　7.應(yīng)用如權(quán)利要求1-6任一項所述的裝置進行生物膜原位測試的方法，其特征在于，包括如下步驟：

　　1)開啟進水泵(11)，將污水由集水池(9)連續(xù)泵入凹形水槽(1)，開啟脈沖電源(17)驅(qū)動同步電機，帶動轉(zhuǎn)軸(3)以1~25rpm定軸轉(zhuǎn)動，開啟出水泵(12)，將處理后的污水由凹形水槽(1)泵入貯存池(20);

　　2)使凹形水槽(1)內(nèi)液面高度浸沒生物膜載體盤片面積的35%~40%;集水池(9)和貯存池(20)內(nèi)的氨氮在線測試裝置(4)與COD在線測試裝置(5)均每24小時測試進水及出水氨氮及COD濃度，每次測試完后，排盡貯存池中的廢水;當(dāng)連續(xù)3~5天的出水氨氮及COD濃度標準差分別在±5%范圍內(nèi)時，裝置處理污水效果達到穩(wěn)定，關(guān)閉進水泵(11)、出水泵(12)及脈沖電源(17)，使生物膜載體盤片(2)停止轉(zhuǎn)動，拆卸下滿足測試需求數(shù)量的生物膜試條(16)，進行四組生物膜原位測試：

　　第一組：進行生物膜胞外多聚物內(nèi)含的多糖、蛋白質(zhì)熒光染料染色-共聚焦顯微鏡觀測，獲得生物膜內(nèi)部不同厚度處微生物胞外多聚物空間分布影像照片;

　　第二組：置于原子力顯微鏡下通過探針頭輕敲生物膜試條表面生物膜獲得生物膜力學(xué)特征數(shù)據(jù)并分析生物膜微生物黏附力;

　　第三組：將生物膜試條表面生物膜經(jīng)過熒光原位雜交-共聚焦顯微鏡觀察，獲得生物膜不同厚度處氨氧化菌、亞硝酸鹽氮氧化菌及總細菌影像照片，計算氨氧化菌、亞硝酸鹽氮氧化菌占總細菌的比例進行豐度分析;

　　第四組：置于微電極測試系統(tǒng)，獲得氨氮、溶解氧、硝酸鹽氮的在生物膜內(nèi)部傳質(zhì)系數(shù)及傳質(zhì)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型;

　　3)將生物膜載體盤片復(fù)位，重新開啟進水泵(11)、出水泵(12)及脈沖電源(17)，改變進水水量或改變轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，繼續(xù)步驟2);

　　4)重復(fù)步驟3)直至實驗設(shè)計的不同進水量和不同轉(zhuǎn)速參數(shù)條件的測試均完成;

　　5)將每次生物膜原位測試的結(jié)果與該次生物膜污水處理裝置中污水去除氨氮及COD濃度進行比對，獲得生物膜結(jié)構(gòu)及微生物學(xué)特征與污水處理效果的相關(guān)關(guān)系。

　　說明書

　　一種生物膜污水處理裝置及生物膜原位測試方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種生物膜污水處理裝置及生物膜原位測試方法，屬 于生物膜污水處理及載體表面生物膜原位測試技術(shù)領(lǐng)域。

　　背景技術(shù)

　　生物膜是由微生物及其表面分泌物，及其它雜質(zhì)組成的膜狀物 質(zhì)。生物膜用于污水，主要是利用附著生長在固體表面的生物膜中微 生物代謝轉(zhuǎn)化污水中生物利用的有機物、氨氮、磷等物質(zhì)，實現(xiàn)污水 凈化。生物膜法是污水處理的一種常規(guī)工藝，具有剩余污泥產(chǎn)生量少， 水質(zhì)適應(yīng)能力強，特別適用于處理低濃度污水，如地表水、水產(chǎn)養(yǎng)殖 養(yǎng)殖污水等。由于生物膜是污水處理系統(tǒng)的核心，有必要深入了解生 物膜特性與污水處理效果的相關(guān)關(guān)系，為提高生物膜污水處理系統(tǒng)的 處理效果提供理論依據(jù)。

　　目前，關(guān)于處理污水生物膜研究的一般步驟是在污水處理系統(tǒng)中 采用顆粒固體料、軟性毛刷填料或者半軟性復(fù)合塑料等填料，為微生 物附著生長形成生物膜提供附著表面，待生物膜形成后，改變污水處 理系統(tǒng)工藝參數(shù)，并在不同工藝參數(shù)條件下收集不同位置的填料，顯 微鏡下觀察生物膜厚度，并刮取填料表面生物膜進行破壞性采樣，進 行微生物種群多樣性、功能微生物數(shù)量測試分析，探索生物膜特征與 污水處理效果的相關(guān)關(guān)系，為污水生物膜處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計及運行 管理提供理論依據(jù)。然而，這種傳統(tǒng)的研究方案，不能反映填料表面 生物膜真實條件下，生物膜內(nèi)部質(zhì)地結(jié)構(gòu)、膜內(nèi)外傳質(zhì)過程、生物膜 在填料表面的黏附力及生物膜脫落、微生物及其分泌物空間分布特 征、微生物菌落結(jié)構(gòu)。另外，將生物膜填料表面面積小，顯微鏡觀察 其表面生物膜難度極高、準確度難以保障。

　　生物膜內(nèi)部質(zhì)地結(jié)構(gòu)直接影響污水中污染物在生物膜內(nèi)部傳質(zhì) 過程，而膜內(nèi)外傳質(zhì)效率影響膜內(nèi)外微生物的生存和生長，從而影響 其對污染物的吸附和降解，這對污水中污染物去除有直接影響作用。 另外，生物膜在填料表面的黏附力與生物膜脫落之間存在密切的相關(guān) 關(guān)系。黏附力較強的情況下，生物膜不易脫落，可以持續(xù)在污水污染 物去除中發(fā)揮較大的作用。再有，微生物及其分泌物空間分布特征將 影響其對細胞的粘附和凝聚，從而決定生物膜整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因 此，有必要在維持生物膜結(jié)構(gòu)的條件，對生物膜結(jié)構(gòu)及微生物特征進 行深入探究。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明為解決污水生物膜處理系統(tǒng)中生物膜樣品原位分析取樣 難題，提供一種生物膜污水處理裝置及生物膜原位測試方法，研究原 位條件下生物膜微生物胞外多聚物空間分布、生物膜在載體表面的粘 附力、生物脫氮功能微生物豐度及空間分布特征等，為污水生物膜處 理系統(tǒng)設(shè)計及運行管理提供理論依據(jù)。

　　生物膜污水處理裝置包括凹形水槽、進水系統(tǒng)、出水收集系統(tǒng)和 計算機;

　　其中，凹形水槽由橫置的半圓筒及分別固定于半圓筒兩端的矩形 板組成，矩形板上邊緣與半圓筒的開口位于同一平面，矩形板的高大 于半圓筒的半徑，在半圓筒的軸線位置設(shè)有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸的兩端分別通 過軸承與兩塊矩形板連接，轉(zhuǎn)軸的一端與固定于該端矩形板上的同步 電機的輸出軸相連，同步電機由脈沖電源驅(qū)動，帶動轉(zhuǎn)軸使其轉(zhuǎn)速在 1-300rpm范圍內(nèi)實時連續(xù)可調(diào)。在轉(zhuǎn)軸上同軸線地固定有若干圓形 的生物膜載體盤片，生物膜載體盤片的正反盤面上沿徑向隨機地各開 有3-5條矩形凹槽，在矩形凹槽內(nèi)無縫嵌有與生物膜載體盤片相同材 質(zhì)的生物膜試條，生物膜試條外表面與生物膜載體盤片的盤面處于同 一平面。凹形水槽的兩塊矩形板中一塊上開有進水孔，另一塊上開有 出水孔，底部開有污水排空口。進水孔與出水孔位于同一高度，且對 稱分設(shè)于凹形水槽半圓筒的軸向?qū)ΨQ面兩側(cè)。

　　進水系統(tǒng)包括進水管路、進水泵和用于盛放待處理污水的集水 池;出水收集系統(tǒng)包括出水泵、出水管路和用于盛放處理后污水的貯 存池。進水泵的進水口通過進水管路連接集水池，進水泵的出水口連 接凹形水槽的進水孔;凹形水槽的出水孔與出水泵的進水口連接，出 水泵的出水口通過出水管路連接貯存池。在集水池與貯存池中均設(shè)有 氨氮在線測試裝置和COD在線測試裝置，并且分別與計算機連接。

　　上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，生物膜載體盤片厚度為0.5～2cm，生 物膜載體盤片半徑為凹形水槽半徑90%～95%。盤片上的矩形凹槽的 長度為生物膜載體盤片半徑的85%～100%，長寬比10：1～10：2，深 度為1～3mm。

　　生物膜原位測試的方法包括如下步驟：

　　1)開啟進水泵，將污水由集水池泵入凹形水槽，開啟脈沖電源 驅(qū)動同步電機，帶動轉(zhuǎn)軸以1～25rpm定軸轉(zhuǎn)動，開啟出水泵，將處 理后的污水由凹形水槽泵入貯存池;

　　2)使凹形水槽內(nèi)液面高度浸沒生物膜載體盤片面積的 35%～40%;集水池和貯存池內(nèi)的氨氮在線測試裝置與COD在線測試 裝置均每24小時測試進水及出水氨氮及COD濃度，每完成24h濃度 測量后，排盡貯存池中的廢水。當(dāng)連續(xù)3～5天的出水氨氮及COD濃 度標準差分別在±5%范圍內(nèi)時，裝置處理污水效果達到穩(wěn)定，關(guān)閉 進水泵、出水泵及脈沖電源，使生物膜載體盤片停止轉(zhuǎn)動，拆卸下滿 足測試需求數(shù)量的生物膜試條，進行四組生物膜原位測試：

　　第一組：進行生物膜胞外多聚物內(nèi)含的多糖、蛋白質(zhì)熒光染料染 色-共聚焦顯微鏡觀測，獲得生物膜內(nèi)部不同厚度處微生物胞外多聚 物空間分布影像照片;

　　第二組：置于原子力顯微鏡下通過探針頭輕敲生物膜試條表面生 物膜獲得生物膜力學(xué)特征數(shù)據(jù)并分析生物膜微生物黏附力;

　　第三組：將生物膜試條表面生物膜經(jīng)過熒光原位雜交-共聚焦顯 微鏡觀察，獲得生物膜不同厚度處氨氧化菌、亞硝酸鹽氮氧化菌及總 細菌影像照片，計算氨氧化菌、亞硝酸鹽氮氧化菌占總細菌的比例進 行豐度分析;

　　第四組：置于微電極測試系統(tǒng)，獲得氨氮、溶解氧、硝酸鹽氮的 在生物膜內(nèi)部傳質(zhì)系數(shù)及傳質(zhì)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型;

　　3)將生物膜載體盤片復(fù)位，重新開啟進水泵、出水泵及脈沖電 源，改變進水水量或改變轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，繼續(xù)步驟2);

　　4)重復(fù)步驟3)直至實驗設(shè)計的不同進水量和不同轉(zhuǎn)速參數(shù)條 件的測試均完成;

　　5)將每次生物膜原位測試的結(jié)果與該次生物膜污水處理裝置中 污水去除氨氮及COD濃度進行比對，獲得生物膜結(jié)構(gòu)及微生物學(xué)特 征與污水處理效果的相關(guān)關(guān)系。

　　本發(fā)明的有益效果是：

　　(1)部分生物膜載體盤片交替浸沒在污水中，載體盤片表面上 的生物膜交替暴露在空氣和污水中，生物膜微生物在有氧及缺氧環(huán)境 中生存并進行代謝活動，污水中污染物可被生物膜表面微生物吸附、 降解、轉(zhuǎn)化分解，裝置具有污水處理功能，同時裝置生物膜載體盤片 上的可拆卸生物膜試條，可用于生物膜原位樣品采集測試，裝置具備 污水處理與生物膜原位樣品采集測試兩種功能，克服傳統(tǒng)生物膜污水 處理裝置普遍存在的生物膜原位分析困難，解決純培養(yǎng)生物膜測試系 統(tǒng)不具備污水處理功能的問題。

　　(2)裝置污水進水孔與出水孔斜對角布置、污水處理裝置采用 凹形水槽及部分浸沒在污水中的生物膜載體盤片轉(zhuǎn)動的方式，減少污 水生物膜處理裝置內(nèi)部水流死區(qū)，提高裝置污水處理效率，促進生物 膜在生物膜載體盤片上均勻生長，生物膜載體盤片表面隨機設(shè)置矩形 凹槽，矩形凹槽內(nèi)嵌可拆卸的生物膜試條，生物膜試條與載體盤片材 質(zhì)及粗糙度相同，生物膜試條表面生物膜與生物膜載體盤片上生物膜 特征相同，通過拆卸生物膜試條，將黏附有生物膜的生物膜試條置于 測試儀器上進行微生物胞外多聚物染色-共聚焦顯微鏡圖像測試、原 子力顯微鏡生物膜黏附力測試、熒光原位雜交-共聚焦顯微鏡脫氮功 能微生物測試、微電極生物膜內(nèi)部氨氮、溶解氧、硝酸鹽氮傳質(zhì)過程 測試，攻克傳統(tǒng)生物膜污水處理裝置普遍存在的保持生物膜原有結(jié)構(gòu) 形態(tài)進行測試中生物膜樣品采集困難的難題，將上述生物膜原位測試 數(shù)據(jù)結(jié)果與生物膜污水處理裝置污水去除氨氮及COD效果進行比 對，較傳統(tǒng)方法，為進一步明確生物膜原位結(jié)構(gòu)及微生物學(xué)特征與污 水處理效果的相關(guān)關(guān)系，為生物膜污水處理裝置設(shè)計及運行管理提供 可靠的微生物學(xué)理論依據(jù)。

　　(3)本發(fā)明提供的脈沖電源驅(qū)動同步電機帶動生物膜載體盤片 定軸轉(zhuǎn)動，與傳統(tǒng)的電機與齒輪箱的組合控制系統(tǒng)相比，該脈沖電源 與同步電機組合可實現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)動速度實時連續(xù)微調(diào)，實時小幅變化轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn)速為維持生物膜結(jié)構(gòu)維持完整、生物膜表面剪切力量化模擬提供 必要保障，另外，與電機與齒輪箱傳統(tǒng)組合方式相比，采用脈沖電源 與同步電機的組合方式驅(qū)動轉(zhuǎn)軸的方式，無需中多個不同半徑的齒輪 調(diào)速的形式，不僅節(jié)約裝置經(jīng)濟成本，也可大幅減少裝置占地面積。