專利名稱：應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于水處理領(lǐng)域，具體地講是涉及應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，可以通過(guò)光照強(qiáng)度控制和監(jiān)測(cè)輔助研究光能自養(yǎng)生物膜生長(zhǎng)特性以及應(yīng)用于水處理時(shí)的機(jī)理和效果。
背景技術(shù)：
光能自養(yǎng)生物膜是一種以光能為能量來(lái)源，CO2為主要無(wú)機(jī)碳源，由藻類(綠藻， 藍(lán)藻和硅藻等)和細(xì)菌所組成的附著生長(zhǎng)的復(fù)雜微生物群落。光能自養(yǎng)生物膜中的初級(jí)生產(chǎn)者一藻類在光照條件下進(jìn)行光合作用，利用水中溶解的CO2 (來(lái)源大氣，細(xì)菌有氧呼吸產(chǎn)物)作為無(wú)機(jī)碳源，通過(guò)磷酸戊糖還原途經(jīng)或者c4_二羧酸還原途經(jīng)固定CO2,同時(shí)產(chǎn)生的 O2提高的水中的溶解氧濃度，有效促進(jìn)生物膜系統(tǒng)中的好氧菌，兼性菌的新陳代謝，提高細(xì)菌對(duì)水中有機(jī)物污染物的降解效果以及對(duì)氨氮、硝氮、磷等生長(zhǎng)必需元素的吸收。藻類自身對(duì)N，P的攝取亦對(duì)凈化效果有明顯貢獻(xiàn)。在應(yīng)用于傳統(tǒng)污水處理的異養(yǎng)生物膜當(dāng)中，O2擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)乃俾室话惚幌拗圃?0nmol/cm ·π η，但是在光密度1000 μ mol photons /m2 · s條件下，光能自養(yǎng)生物膜單位面積氧氣凈產(chǎn)生率達(dá)到40 nmol/cm· min0因此，光能自養(yǎng)生物膜可吸收(X)2并且不需要通過(guò)增加人工曝氣來(lái)增加裝置內(nèi)的溶解氧濃度，具有低碳低能耗的特點(diǎn)。藻類呼吸作用產(chǎn)生的高溶解氧環(huán)境同時(shí)也為硝化提供了反應(yīng)條件，水中的氨氮可以通過(guò)硝化反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮而被去除。N的去除機(jī)理除了生物膜內(nèi)藻類和細(xì)菌因生長(zhǎng)需要攝取外，還有反硝化的作用。由于生物膜內(nèi)部形成的垂向氧濃度梯度，特別是在夜間， 在生物膜的內(nèi)部底層可以形成缺氧條件，為反硝化創(chuàng)造了條件。同時(shí)藻類利用CO2作為無(wú)機(jī)碳源通過(guò)自身合成產(chǎn)生的胞外聚合物(EPS)以及水中的有機(jī)物可以作為生物膜內(nèi)反硝化菌的有機(jī)碳源，生物膜可通過(guò)反硝化實(shí)現(xiàn)對(duì)TN的去除，因此光能自養(yǎng)生物膜特別適用于低碳條件下的脫氮處理。由于光能自養(yǎng)生物膜將大量的N、P攝取后貯存在微生物體內(nèi)，并且生物膜有機(jī)質(zhì)含量高，對(duì)應(yīng)用于無(wú)重金屬污染的生活污水和水源水凈化的光能自養(yǎng)生物膜可進(jìn)行定期的收割，并用于農(nóng)業(yè)施肥和漁業(yè)養(yǎng)殖。光能自養(yǎng)生物膜沒(méi)有傳統(tǒng)活性污泥法污泥處置的難題， 并且可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。目前研究認(rèn)為，影響光能自養(yǎng)生物膜的生長(zhǎng)和對(duì)污染物降解能力的因素主要包括光照強(qiáng)度、基質(zhì)類型、營(yíng)養(yǎng)水平、水溫以及流速等。光能作為光能自養(yǎng)生物膜系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力與其他常規(guī)能源不同，因?yàn)楣庾訜o(wú)法和水混合。研究光能自養(yǎng)生物膜生長(zhǎng)特性以及應(yīng)用于水處理時(shí)的機(jī)理和效果對(duì)于該技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是十分必要的。國(guó)內(nèi)對(duì)光能自養(yǎng)生物膜技術(shù)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，尚無(wú)系統(tǒng)研究光能自養(yǎng)生物膜生長(zhǎng)特性及應(yīng)用于水處理時(shí)的機(jī)理和效果的試驗(yàn)裝置。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，有效地培養(yǎng)光能自養(yǎng)生物膜及將之用于水處理領(lǐng)域， 通過(guò)同時(shí)控制光照強(qiáng)度、水溫、流速、水位等多個(gè)影響因素，實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)生物膜生長(zhǎng)狀態(tài)、 減小取樣時(shí)對(duì)生物膜樣本的干擾的目的，本實(shí)用新型提供了一種培養(yǎng)光能自養(yǎng)生物膜及用于水處理的裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，包括水流循環(huán)系統(tǒng)、光源及調(diào)光組件、生物膜載體組件、光照感測(cè)組件、溫控組件，水流循環(huán)系統(tǒng)包括主流槽箱和回流水箱；主流槽箱依次包括進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)、出水區(qū)，三個(gè)區(qū)域鄰接并且在相鄰區(qū)域之間設(shè)置隔板，各區(qū)域的頂部均設(shè)有蓋板，在反應(yīng)區(qū)的蓋板下方安裝光源，蓋板上方安裝調(diào)光組件，反應(yīng)區(qū)的底部設(shè)置生物膜載體板，在生物膜載體板上接種生物膜；出水區(qū)與回流槽通過(guò)設(shè)置在兩者底部的U 型管連接，進(jìn)水區(qū)與出水區(qū)之間安裝回流管，回流管上安裝回流閥。前述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，所述的主流槽箱和回流水箱分別分隔為一個(gè)以上的流槽，相鄰的流槽之間用避光隔板分隔，并在隔板兩面?zhèn)缺谏细靼惭b一塊壓塊緊固生物膜載體板。前述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，所述的回流水箱外圍設(shè)置加熱裝置， 并連接至溫控裝置。前述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，所述的光照感測(cè)組件包括光源照度探頭，透射光照度探頭以及照度計(jì)。前述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，所述的調(diào)光組件包括調(diào)光旋鈕和鎮(zhèn)流器。前述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，在主流槽箱箱體的底部設(shè)置墊片。本實(shí)用新型的有益效果是裝置中主流槽箱和回流水箱通過(guò)回流管路連接形成閉合系統(tǒng)，回流比由回流閥開(kāi)啟度決定。主流槽箱內(nèi)多個(gè)平行且相互獨(dú)立的流槽由不透光的隔板分隔，滿足不同試驗(yàn)工況及調(diào)節(jié)參數(shù)的要求；主流槽箱上設(shè)置蓋板可在裝置運(yùn)行時(shí)以減少外界光源的干擾?；厮洫?dú)立設(shè)置，出水管與回水箱采用軟管連接，控制回流水箱與主流槽的相對(duì)高差從而調(diào)節(jié)主流槽內(nèi)水位。進(jìn)水區(qū)箱體底部設(shè)置墊片，可對(duì)流槽水力坡降進(jìn)行微調(diào)，滿足生物膜培養(yǎng)和水處理試驗(yàn)研究對(duì)水力條件控制的需要。利用熒光燈為光能自養(yǎng)生物膜生長(zhǎng)提供光照，蓋板頂部安裝電子鎮(zhèn)流器及調(diào)光旋鈕，并通過(guò)在連接電源線上安裝電子時(shí)鐘控制光源開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)間。光源照度可控，光暗比可變，滿足試驗(yàn)對(duì)光照條件控制要求，在不破壞生物膜的前提下原位監(jiān)測(cè)生物膜生長(zhǎng)狀況，結(jié)果可用于定性定量分析生物膜生長(zhǎng)特性。采用透明聚碳酸酯板為生物膜載體板平鋪于主流槽箱反應(yīng)區(qū)底部，實(shí)現(xiàn)生物膜方便取樣，便于生物膜理化分析，減少了對(duì)裝置中生物膜樣本的干擾。自動(dòng)化程度高。安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備提高了裝置運(yùn)行的效果，便于對(duì)科研數(shù)據(jù)的搜集和記錄。照度計(jì)可連接電腦，自動(dòng)記錄光源照度變化及透射光照度變化。在水槽內(nèi)安裝溶氧儀探頭和PH計(jì)探頭可在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)水溫、DO、pH。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例縱剖面圖示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例主流槽蓋板平面布置圖。[0017]圖3為圖1的A-A剖面圖。圖4為圖1的B-B剖面圖。圖中1進(jìn)水區(qū)，2.進(jìn)水溢流堰，3.反應(yīng)區(qū)，4.聚碳酸酯板，5.出水區(qū)，6.出水管，7.回流水箱，8.回流管，9.回流泵，10.回流閥，11.回流流量計(jì)，12.進(jìn)水泵，13.進(jìn)水閥，14.進(jìn)水流量計(jì)，15.進(jìn)水管，16.排水溢流堰，17.排水管，18.主流槽箱，19.隔板， 20.主流槽蓋板，21.直管熒光燈，22.調(diào)光旋鈕，23.電子鎮(zhèn)流器，24.透射光照度探頭 (TLS)，25.入射光照度探頭(ILS)，26.壓塊，27.蓋板把手。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1至3所示，應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，由有機(jī)玻璃加工粘合而成，包括主流槽箱18和回流水箱7，回流水箱7獨(dú)立設(shè)置，四周外設(shè)置加熱裝置并連接至溫控裝置，主流槽箱18包括四條平行且相互獨(dú)立的流槽，相鄰的流槽之間用不透光的隔板19 分隔，隔板兩側(cè)壁各安裝一壓塊緊固聚碳酸酯板，降低其對(duì)主流槽內(nèi)流態(tài)的干擾，聚碳酸酯板平鋪在主流槽箱底部作為生物膜載體，便于生物膜方便取樣，進(jìn)行生物膜理化分析，減少了對(duì)裝置中生物膜樣本的干擾。每個(gè)流槽均包括進(jìn)水區(qū)1、反應(yīng)區(qū)2、出水區(qū)3，且分區(qū)位置一致。出水區(qū)和回流槽箱通過(guò)設(shè)置在兩者底部的U型軟管連接，通過(guò)控制回流水箱7內(nèi)水位高度可調(diào)節(jié)主流槽箱18內(nèi)水位。在回流水箱和進(jìn)水區(qū)之間設(shè)置回流管8，回流管上設(shè)有回流泵9、回流閥10、回流流量計(jì)11，水的回流比可通過(guò)回流閥控制。主流槽箱下面設(shè)置墊片，可以通過(guò)控制墊片的高度對(duì)流槽水力坡降進(jìn)行微調(diào)。滿足生物膜培養(yǎng)和水處理試驗(yàn)研究對(duì)水力條件控制的需要。主流槽箱各區(qū)均設(shè)有蓋板20，以減少外界光源的干擾。反應(yīng)區(qū)蓋板朝內(nèi)的一面安裝直管熒光燈21，為光能自養(yǎng)生物膜生長(zhǎng)提供光照。蓋板朝外的一側(cè)安裝電子鎮(zhèn)流器及調(diào)光旋鈕，并在連接電源線上安裝電子時(shí)鐘。光源照度通過(guò)調(diào)光旋鈕22調(diào)節(jié)電子鎮(zhèn)流器23輸出，結(jié)合照度計(jì)顯示ILS值可改變光源照度。通過(guò)電子時(shí)鐘控制光源開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)間控制光暗比。各反應(yīng)區(qū)3內(nèi)的兩端以及中間位置的聚碳酸酯板4下各安裝一個(gè)透射光照度探頭 (TLS) 24，并連接至照度計(jì)，可監(jiān)測(cè)透射光照度值變化；在反應(yīng)區(qū)3內(nèi)壓塊沈上安裝一個(gè)光源照度探頭(ILS) 25，并連接至照度計(jì)，可檢測(cè)光源照度值變化。本裝置的光源照度、光暗比可控，能夠滿足試驗(yàn)對(duì)光照條件控制要求?；亓魉?內(nèi)的水溫通過(guò)溫控裝置控制，適用于冬季氣溫寒冷下的正常試驗(yàn)。應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置的運(yùn)行狀態(tài)1)靜態(tài)循環(huán)水流從進(jìn)水區(qū)1經(jīng)進(jìn)水溢流堰2流入反應(yīng)區(qū)3，水流流經(jīng)底面平鋪的聚碳酸酯板4后自由出水至出水區(qū)5，經(jīng)出水管6流入回流水箱7，循環(huán)水經(jīng)回流管8由回流泵9泵送經(jīng)回流閥10和回流流量計(jì)11后返回進(jìn)水區(qū)。此時(shí)，回流閥10關(guān)閉，回流水箱 7內(nèi)無(wú)排水溢流。2)動(dòng)態(tài)連續(xù)進(jìn)水由進(jìn)水泵12經(jīng)進(jìn)水閥13、進(jìn)水流量計(jì)14和進(jìn)水管15流入進(jìn)水區(qū)1，和回流水混合后經(jīng)進(jìn)水溢流堰2均勻溢流至反應(yīng)區(qū)3，水流流經(jīng)底面平鋪的聚碳酸酯板4后自由出水至出水區(qū)5，經(jīng)出水管6流入回流水箱7，部分回流水經(jīng)回流管路返回進(jìn)水區(qū)；出水經(jīng)排水溢流堰16溢流至排水管17排出。此時(shí)，回流閥10和進(jìn)水閥13開(kāi)啟，開(kāi)啟度由回流比決定。[0026]通過(guò)靜態(tài)循環(huán)試驗(yàn)或者動(dòng)態(tài)連續(xù)流試驗(yàn)為研究光能自養(yǎng)生物膜凈化機(jī)理和效果提供了條件。沿流槽流向生長(zhǎng)的生物膜生長(zhǎng)狀態(tài)可以監(jiān)測(cè)，采用原位監(jiān)測(cè)在不破壞生物膜的前提下對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性進(jìn)行定性定量研究。實(shí)施例1采用靜態(tài)循環(huán)方式，以BGll改進(jìn)型培養(yǎng)液培養(yǎng)光能自養(yǎng)生物膜。生物膜樣本(取自南京江心洲污水處理廠姊二沉池池壁)接種于試驗(yàn)裝置中三個(gè)流槽的聚碳酸酯載體板上，初期2-3天靜態(tài)培養(yǎng)。待微生物附著后逐步提高水流速度至0. 05m/s，水位0. 5cm，光暗比為Wh/8h，水溫25-30°C，培養(yǎng)期間水力坡降0. 1%。反應(yīng)區(qū)各流槽的光照強(qiáng)度分別為 45001x，30001x和15001x。培養(yǎng)期間培養(yǎng)液每周更換兩次。培養(yǎng)期間監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度、生物膜質(zhì)量密度。試驗(yàn)表明，透明聚碳酸酯板上附著的生物量與IL/TL (IL為光源照度，TL為透射光源照度)存在線性關(guān)系，即光強(qiáng)的衰減與生物膜質(zhì)量密度存在線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2=O. 9117。試驗(yàn)獲得的生物膜相對(duì)生長(zhǎng)曲線與Gompertz生長(zhǎng)模型擬合良好，在光照強(qiáng)度為45001x，35001x, 15001x條件下擬合系數(shù)分別為0. 998，0. 992，0. 994。在光照強(qiáng)度為45001x，35001x, 15001x條件下，光能自養(yǎng)生物膜的最大相對(duì)生長(zhǎng)速率分別為13. 96%， 9. 65%，6. 37%;初始沉降期分別為4. 37d，8. 15d, 8. 22d。同一流槽延流向三個(gè)TLS獲得的生物膜生長(zhǎng)參數(shù)無(wú)明顯差異。這表明該裝置可以用于對(duì)不同環(huán)境中的光能自養(yǎng)生物膜生長(zhǎng)過(guò)程和特性進(jìn)行定性定量的研究，裝置保證了生物膜延流向生長(zhǎng)的均勻性，為生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究提供了保證。實(shí)施例2采用靜態(tài)循環(huán)方式，以人工配水為處理對(duì)象進(jìn)行水處理試驗(yàn)。在光照強(qiáng)度為 30001x時(shí)，裝置循環(huán)3d，對(duì)模擬微污染水源水(表1)的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷的去除率分別為70%、85%、50%和90% ；出水滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)，見(jiàn)表1。表1模擬微污染水源水水質(zhì)指標(biāo)
指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)氨氮總氮總磷濃度(mg/L)7. 50 ±0. 54°mg/L0. 98 ±0. 07mg/L7. 55 ±0. 26mg/L0. 20 ±0. 03mg/L 注3標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3). 應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實(shí)施方式
可以使本領(lǐng)域的科研技術(shù)人員更全面的理解本實(shí)用新型，但不以放任何方式限制本實(shí)用新型。因此，盡管本說(shuō)明書(shū)參照附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但是本領(lǐng)域科研技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)， 其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，其特征在于包括水流循環(huán)系統(tǒng)、光源及調(diào)光組件、生物膜載體組件、光照感測(cè)組件、溫控組件，水流循環(huán)系統(tǒng)包括主流槽箱和回流水箱；主流槽箱依次包括進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)、出水區(qū)，三個(gè)區(qū)域鄰接并且在相鄰區(qū)域之間設(shè)置隔板，各區(qū)域的頂部均設(shè)有蓋板，在反應(yīng)區(qū)的蓋板下方安裝光源，蓋板上方安裝調(diào)光組件，反應(yīng)區(qū)的底部設(shè)置生物膜載體板，在生物膜載體板上接種生物膜；出水區(qū)與回流槽通過(guò)設(shè)置在兩者底部的U型管連接，進(jìn)水區(qū)與出水區(qū)之間安裝回流管，回流管上安裝回流閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，其特征在于所述的主流槽箱和回流水箱分別分隔為一個(gè)以上的流槽，相鄰的流槽之間用避光隔板分隔，并在隔板兩面?zhèn)缺谏细靼惭b一塊壓塊緊固生物膜載體板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，其特征在于所述的回流水箱外圍設(shè)置加熱裝置，并連接至溫控裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，其特征在于所述的光照感測(cè)組件包括光源照度探頭，透射光照度探頭以及照度計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，其特征在于所述的調(diào)光組件包括調(diào)光旋鈕和鎮(zhèn)流器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，其特征在于在主流槽箱箱體的底部設(shè)置高度調(diào)節(jié)墊片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用光能自養(yǎng)生物膜的水處理裝置，其特征在于包括水流循環(huán)系統(tǒng)、光源及調(diào)光組件、生物膜載體組件、光照感測(cè)組件、溫控組件，水流循環(huán)系統(tǒng)包括主流槽箱和回流水箱；主流槽箱依次包括進(jìn)水區(qū)、反應(yīng)區(qū)、出水區(qū)，三個(gè)區(qū)域鄰接并且在相鄰區(qū)域之間設(shè)置隔板，各區(qū)域的頂部均設(shè)有蓋板，在反應(yīng)區(qū)的蓋板下方安裝光源，蓋板上方安裝調(diào)光組件，反應(yīng)區(qū)的底部設(shè)置生物膜載體板，在生物膜載體板上接種生物膜；出水區(qū)與回流槽箱通過(guò)設(shè)置在兩者底部的U型管連接，進(jìn)水區(qū)與出水區(qū)之間安裝回流管，回流管上安裝回流閥。本實(shí)用新型可以在不破壞生物膜的前提下采用原位監(jiān)測(cè)對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性進(jìn)行定性定量研究，為研究光能自養(yǎng)生物膜凈化機(jī)理和效果提供了條件。
文檔編號(hào)C02F3/32GK201952285SQ20102069003
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者馮騫, 操家順, 方芳, 王超, 薛朝霞, 陸文濤 申請(qǐng)人:南京河海科技有限公司, 河海大學(xué)