申請(qǐng)日2015.09.02

　　公開(kāi)(公告)日2016.03.09

　　IPC分類號(hào)C02F3/02; C02F3/08

　　摘要

　　本實(shí)用新型公開(kāi)了一種生物膜污水處理裝置，該裝置包括凹形水槽、生物膜載體盤(pán)片、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)水系統(tǒng)和出水收集系統(tǒng)。本實(shí)用新型提供的裝置具備污水處理與生物膜原位樣品采集測(cè)試兩種功能;拆卸生物膜載體盤(pán)片上的生物膜試條進(jìn)行載體盤(pán)片表面生物膜原位測(cè)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(jìn)行測(cè)試過(guò)程中生物膜樣品采集困難的難題;脈沖電源驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)帶動(dòng)生物膜載體盤(pán)片定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)調(diào)整困難，節(jié)約裝置經(jīng)濟(jì)成本，減少裝置占地面積。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書(shū)

　　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(jìn)水系統(tǒng)、出水收集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)(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(kāi)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(guò)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(jī)(18)的輸出軸相連，同步電機(jī)(18)由脈沖電源(17)驅(qū)動(dòng)，在轉(zhuǎn)軸(3)上同軸線地固定有若干圓形的生物膜載體盤(pán)片(2)，生物膜載體盤(pán)片(2)的正反盤(pán)面上沿徑向隨機(jī)地開(kāi)有3-5條矩形凹槽(15)，在矩形凹槽(15)內(nèi)無(wú)縫嵌有與生物膜載體盤(pán)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(pán)片(2)的盤(pán)面處于同一平面;

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

　　所述的進(jìn)水系統(tǒng)包括進(jìn)水管路(10)、進(jìn)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(jìn)水泵(11)的進(jìn)水口通過(guò)進(jìn)水管路(10)連接集水池(9)，進(jìn)水泵(11)的出水口連接凹形水槽(1)的進(jìn)水孔(6)，凹形水槽(1)的出水孔(7)與出水泵(12)的進(jìn)水口連接，出水泵(12)的出水口通過(guò)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(cè)試裝置(4)和COD在線測(cè)試裝置(5)，氨氮在線測(cè)試裝置(4)和COD在線測(cè)試裝置(5)分別與計(jì)算機(jī)(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(pán)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(zhǎng)度為生物膜載體盤(pán)片(2)半徑的85%~100%，長(zhǎng)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(pán)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(jìn)水孔(6)和出水孔(7)位于同一高度，且對(duì)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(shí)時(shí)連續(xù)可調(diào)。

　　說(shuō)明書(shū)

　　一種生物膜污水處理裝置

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本實(shí)用新型涉及一種生物膜污水處理裝置及生物膜原位測(cè)試方法，屬于生物膜污水處理及載體表面生物膜原位測(cè)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(zhǎng)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(jī)物、氨氮、磷等物質(zhì)，實(shí)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(qiáng)，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(zhǎng)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(jìn)行破壞性采樣，進(jìn)行微生物種群多樣性、功能微生物數(shù)量測(cè)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(jì)及運(yùn)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(shí)條件下，生物膜內(nèi)部質(zhì)地結(jié)構(gòu)、膜內(nèi)外傳質(zhì)過(guò)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(zhǔn)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(guò)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(zhǎng)，從而影響其對(duì)污染物的吸附和降解，這對(duì)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(qiáng)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(duì)細(xì)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(duì)生物膜結(jié)構(gòu)及微生物特征進(jìn)行深入探究。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本實(shí)用新型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(cè)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(jì)及運(yùn)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(jìn)水系統(tǒng)、出水收集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī);

　　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(kāi)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(guò)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(jī)的輸出軸相連，同步電機(jī)由脈沖電源驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸使其轉(zhuǎn)速在1-300rpm范圍內(nèi)實(shí)時(shí)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(pán)片，生物膜載體盤(pán)片的正反盤(pán)面上沿徑向隨機(jī)地各開(kāi)有3-5條矩形凹槽，在矩形凹槽內(nèi)無(wú)縫嵌有與生物膜載體盤(pán)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(pán)片的盤(pán)面處于同一平面。凹形水槽的兩塊矩形板中一塊上開(kāi)有進(jìn)水孔，另一塊上開(kāi)有出水孔，底部開(kāi)有污水排空口。進(jìn)水孔與出水孔位于同一高度，且對(duì)稱分設(shè)于凹形水槽半圓筒的軸向?qū)ΨQ面兩側(cè)。

　　進(jìn)水系統(tǒng)包括進(jìn)水管路、進(jìn)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(jìn)水泵的進(jìn)水口通過(guò)進(jìn)水管路連接集水池，進(jìn)水泵的出水口連接凹形水槽的進(jìn)水孔;凹形水槽的出水孔與出水泵的進(jìn)水口連接，出水泵的出水口通過(guò)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(cè)試裝置和COD在線測(cè)試裝置，并且分別與計(jì)算機(jī)連接。

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

　　生物膜原位測(cè)試的方法包括如下步驟：

　　1)開(kāi)啟進(jìn)水泵，將污水由集水池泵入凹形水槽，開(kāi)啟脈沖電源驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸以1～25rpm定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)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(méi)生物膜載體盤(pán)片面積的35%～40%;集水池和貯存池內(nèi)的氨氮在線測(cè)試裝置與COD在線測(cè)試裝置均每24小時(shí)測(cè)試進(jìn)水及出水氨氮及COD濃度，每完成24h濃度測(cè)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(biāo)準(zhǔn)差分別在±5%范圍內(nèi)時(shí)，裝置處理污水效果達(dá)到穩(wěn)定，關(guān)閉進(jìn)水泵、出水泵及脈沖電源，使生物膜載體盤(pán)片停止轉(zhuǎn)動(dòng)，拆卸下滿足測(cè)試需求數(shù)量的生物膜試條，進(jìn)行四組生物膜原位測(cè)試：

　　第一組：進(jìn)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(cè)，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(guò)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(guò)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(xì)菌影像照片，計(jì)算氨氧化菌、亞硝酸鹽氮氧化菌占總細(xì)菌的比例進(jìn)行豐度分析;

　　第四組：置于微電極測(cè)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(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型;

　　3)將生物膜載體盤(pán)片復(fù)位，重新開(kāi)啟進(jìn)水泵、出水泵及脈沖電源，改變進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同進(jìn)水量和不同轉(zhuǎn)速參數(shù)條件的測(cè)試均完成;

　　5)將每次生物膜原位測(cè)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(jìn)行比對(duì)，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。

　　本實(shí)用新型的有益效果是：

　　(1)部分生物膜載體盤(pán)片交替浸沒(méi)在污水中，載體盤(pán)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(jìn)行代謝活動(dòng)，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(shí)裝置生物膜載體盤(pán)片上的可拆卸生物膜試條，可用于生物膜原位樣品采集測(cè)試，裝置具備污水處理與生物膜原位樣品采集測(cè)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(cè)試系統(tǒng)不具備污水處理功能的問(wèn)題。

　　(2)裝置污水進(jìn)水孔與出水孔斜對(duì)角布置、污水處理裝置采用凹形水槽及部分浸沒(méi)在污水中的生物膜載體盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)生物膜在生物膜載體盤(pán)片上均勻生長(zhǎng)，生物膜載體盤(pán)片表面隨機(jī)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(pán)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(pán)片上生物膜特征相同，通過(guò)拆卸生物膜試條，將黏附有生物膜的生物膜試條置于測(cè)試儀器上進(jìn)行微生物胞外多聚物染色-共聚焦顯微鏡圖像測(cè)試、原子力顯微鏡生物膜黏附力測(cè)試、熒光原位雜交-共聚焦顯微鏡脫氮功能微生物測(cè)試、微電極生物膜內(nèi)部氨氮、溶解氧、硝酸鹽氮傳質(zhì)過(guò)程測(cè)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(jìn)行測(cè)試中生物膜樣品采集困難的難題，將上述生物膜原位測(cè)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(jìn)行比對(duì)，較傳統(tǒng)方法，為進(jìn)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(jì)及運(yùn)行管理提供可靠的微生物學(xué)理論依據(jù)。

　　(3)本實(shí)用新型提供的脈沖電源驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)帶動(dòng)生物膜載體盤(pán)片定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與傳統(tǒng)的電機(jī)與齒輪箱的組合控制系統(tǒng)相比，該脈沖電源與同步電機(jī)組合可實(shí)現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度實(shí)時(shí)連續(xù)微調(diào)，實(shí)時(shí)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(jī)與齒輪箱傳統(tǒng)組合方式相比，采用脈沖電源與同步電機(jī)的組合方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的方式，無(wú)需中多個(gè)不同半徑的齒輪調(diào)速的形式，不僅節(jié)約裝置經(jīng)濟(jì)成本，也可大幅減少裝置占地面積。