CN109384318B - 一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置及其使用方法，包括组合框、若干个生物填料柱、旋转托盘、旋转轴和底座；组合框包括组合框骨架，组合框骨架的顶面可以打开和关闭；生物填料柱包括碳棒、套筒、纤维层和若干个叶片；碳棒装在套筒内，套筒的表面镂空；纤维层包覆在套筒外，套筒可从纤维层中抽出；叶片位于纤维层的外侧面，竖直设置；生物填料柱可拆卸地安装在组合框内；旋转轴竖直设置在底座上，可以旋转；旋转托盘固定套在旋转轴上，组合框置于旋转托盘上；旋转轴旋转，旋转托盘随之旋转，并带动组合框和其内部的生物填料柱转动。本发明具有高效、可再生、环保等优点。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，涉及一种低碳源污水的处理装置，尤其涉及一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置及其使用方法。
背景技术
我国各地地下水以及地表水污染中,硝酸盐均是主要的污染指标,并且有逐年加重的趋势。硝酸盐和亚硝酸盐可以在人体内转化为有“致癌、致变、致畸”的亚硝胺。因此，必须降低污水处理厂尾水与污染水体中硝酸盐浓度，使水体达到水功能区的水质标准。
近几年来，低碳源废水的排放量越来越多，且废水的处理难以达到传统脱氮工艺中反硝化对有机碳源的需求,导致脱氮效率低下。此外,面对能源危机、水资源紧缺等问题,污水资源化利用已经成为社会发展的趋势。因此对于含有较高有机碳源的废水,更趋于将其中的有机物通过厌氧发酵转化为能源性气体甲烷进行利用。这样的处理方式并不能有效的去除氮素,所以经过厌氧预处理的污水成为了含低量有机物和高量氮素的低碳氮比废水。综上,无论是一些废水中有机碳源的客观缺乏,还是厌氧产能对有机碳源的进一步消耗,都需要投加碳源为微生物生长提供碳源和能源,反硝化菌利用该能源进行反硝化反应,降低水中所含有的硝酸盐。现有的外加碳源大体上可以分为三大类:以液态有机物为主的传统碳源、可生物降解高分子聚合物及天然纤维素物质。传统生物脱氮后置反硝化工艺中,主要是外加甲醇或乙醇等液体有机物作为碳源,液体碳源存在投加量较难控制,反应速度较快,投加过量和未完全反应的问题，且可能进一步造成二次污染。人工合成高分子聚合物具有释碳稳定,脱氮效率较高的优点,但较高的成本价格影响了其在实际工程中的广泛应用。天然纤维素材料一直以其产量大,价格低,易获取,处理效果佳的特性被广大学者所认可。
现有应用于低碳源污水的生物处理技术不多。中国专利文献CN102515359A公开的一种用于生物反硝化脱氮的天然中空网状植物固体碳源的制备方法，是将包覆缠绕后的丝瓜络放入有机纤维制成的空心填料球中得到用于生物反硝化脱氮的天然中空网状植物固体碳源。该生物挂膜填料对气泡和水流不能提供很好的切割作用，从而不能有效提高氧转移速率和氧利用率，除此之外，该生物膜填料布气布水不均匀，不能使得生物膜与污水中的污染物质充分接触，使用一段时间后容易出现堵塞、结团等问题，影响处理效果。有学者提出将PAN-基活性碳纤维毡作为内芯包裹在一层透水透气性好、机械强度高的超细有机纤维外夹层内，制成了“毛圈+外夹层+内芯”的三明治夹芯结构的束状纤维丝复合填料。并将纤维丝复合填料固定在不锈钢支架上，形成悬挂式固定床，用于生活污水处理中试研究。活性碳纤维制作成本较高，工艺繁琐，且不能重复利用，限制了其在实际工程中的广泛应用。
发明内容
本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置及其使用方法，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，包括组合框、若干个生物填料柱、旋转托盘、旋转轴和底座；组合框包括组合框骨架，组合框骨架的顶面可以打开和关闭；生物填料柱包括碳棒、套筒、纤维层和若干个叶片；碳棒装在套筒内，套筒的表面镂空；纤维层包覆在套筒外，套筒可从纤维层中抽出；叶片位于纤维层的外侧面，竖直设置；生物填料柱可拆卸地安装在组合框内；旋转轴竖直设置在底座上，可以旋转；旋转托盘固定套在旋转轴上，组合框置于旋转托盘上；旋转轴旋转，旋转托盘随之旋转，并带动组合框和其内部的生物填料柱转动。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：其中，组合框的底面具有若干个组合框钩环，顶面具有若干个组合框挂钩；组合框钩环和组合框挂钩的数量，均与生物填料柱的数量相等，并一一对应；生物填料柱的底端具有填料柱挂钩，顶端具有填料柱钩环；生物填料柱底端的填料柱挂钩钩在组合框底面的组合框钩环上，顶端的填料柱钩环挂在组合框顶面的组合框挂钩上。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：其中，生物填料柱还包括填料柱骨架；套筒可拆卸地固定在填料柱骨架的中心；纤维层固定在填料柱骨架内、包覆在套筒外；填料柱骨架的外侧具有叶片框，叶片覆在叶片框上。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：其中，每三个叶片构成叶片组；叶片组中，位于中间的叶片垂直于纤维层，两侧的叶片倾斜、并相互对称设置；若干组叶片组在纤维层外均匀分布。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：其中，组合框底面的中心具有朝向组合框内部凸起的轴帽；轴帽为开口朝下的盖体，具有内螺纹；旋转轴的顶端具有外螺纹；轴帽与旋转轴的顶端螺纹连接，固定组合框与旋转托盘的相对位置。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：其中，组合框还包括菱形网，菱形网覆盖在组合框骨架的侧面；菱形网的材料为聚乙烯。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：其中，碳棒的制作方法为：燃烧农作物废弃物成为碳固体，然后将碳固体浸泡在H2SO4-KMnO4溶液中，浸泡后经后处理压缩成型。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：碳棒的具体制作步骤为：步骤一、将农作物废弃物粉碎；步骤二、将粉碎的农作物废弃物在碳化机中加热至800℃，使之燃烧成炭固体；步骤三、将炭固体浸泡在H2SO4-KMnO4溶液中，炭固体与H2SO4-KMnO4溶液的质量比为4:1，浸泡时间为24h；H2SO4-KMnO4溶液由1mol/L的KMnO4与1.84mg/L的H2SO4按体积比为50:1混合而成；浸泡结束后，用去离子水洗涤，并烘干；步骤四、将炭固体与天然橡胶按体积比为4:1混合，然后用压缩机压缩成型。
进一步，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，还可以具有这样的特征：其中，纤维层由若干条纤维相互交织而成，纤维层的纤维为增强型聚丙烯腈中空纤维；碳棒和纤维层的各纤维表面均覆有生物膜；生物膜通过将生物填料柱进行挂膜处理而形成。
本发明还提供该低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置的使用方法，将装置置于污水中，开启驱动装置，使其驱动旋转轴旋转，转速为3r/min；装置运行周期为3个月，每3个月，将其从污水中取出，打开组合框的顶面，取出生物填料柱，对其进行再利用处理，处理后重新装入组合框内，继续下一个周期的运行；再利用处理的过程为：抽出生物填料柱的套筒，更换新制作的碳棒，对纤维层进行清洗并进行挂膜处理。
本发明的有益效果在于：(1)生物膜载体多样化：增强型聚丙烯腈中空纤维是性能优良的生物膜载体，比表面积大，同时天然纤维素碳源填料既可以作为挂膜载体又可以补充碳源。该技术提供的碳源是天然植物纤维材料，其具有优良的生物亲和性,微生物直接在可生物降解天然纤维材料上生长繁殖。(2)微生物充分利用性：在旋转作用下，所有微生物可充分的与来水方向污水充分接触，增大了生物膜与污水的接触面积，且提高了脱氮效率。(3)良好的生物可降解性：装置中的碳源是天然纤维素碳源，比如：秸秆、芦苇、丝瓜。在处理污水的过程中降解后,可为反硝化反应提供内碳源,不会造成二次污染。(4)该项技术具有实用性、灵活性：整个装置是组装固定的，生物填料柱可以拆解、清洗，当装置内的碳棒消耗完毕，可以重新承载新的碳棒，十分方便。将套筒抽出，装入足够量碳源，再将其推入纤维层内，构成能不断提供碳源的加芯式生物填料柱。(5)该项技术装置简单易行、成本低廉，而且纤维素材料固定碳源属天然可再生资源、产量大、价格低、易获取。因此该项技术装置可以规模化应用于低碳源城市污水的处理及河道、湖泊、池塘的水质净化和水环境养护。本发明具有高效、可再生、环保等优点。
附图说明
图1是低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置的结构示意图；
图2是生物填料柱2的去除填料柱钩环的结构示意图；
图3是生物填料柱2的套筒22的结构示意图；
图4是生物填料柱2的套筒22的打开状态示意图；
图5是组合框底面的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，包括组合框1、十二个生物填料柱2、旋转托盘3、旋转轴和底座4。
如图1所示，组合框1包括组合框骨架11和菱形网12。组合框骨架11为由若干个棱柱固定组合而成的镂空框架。组合框骨架11呈圆柱形，顶面可以打开和关闭。菱形网12覆盖在组合框骨架11的侧面。
组合框骨架11的材料为不锈钢，菱形网12的材料为聚乙烯。
组合框1的直径为60cm，高度为80cm。组合框骨架11的不锈钢棱柱的直径为1cm。
如图2-4所示，生物填料柱2包括填料柱骨架21、套筒22、碳棒23、纤维层24和若干个叶片25。
填料柱骨架21为由若干个棱柱固定组合而成的镂空框架，用于固定组装其他结构。填料柱骨架21的材料为ABS塑料。
如图3和4所示，套筒22可以从侧面打开，碳棒23装在套筒22内。套筒22的表面镂空。套筒22可拆卸地固定在填料柱骨架21的中心，可以抽出，以更换碳棒23。
碳棒23的具体制作方法为：步骤一、将农作物废弃物粉碎。农作物废弃物可以为秸秆、稻壳和丝瓜络等。步骤二、将粉碎的农作物废弃物在碳化机中加热至800℃，使之燃烧成炭固体。步骤三、将炭固体浸泡在H2SO4-KMnO4溶液中，炭固体与H2SO4-KMnO4溶液的质量比为4:1，浸泡时间为24h。其中，H2SO4-KMnO4溶液由1mol/L的KMnO4与1.84mg/L的H2SO4按体积比为50:1混合而成。浸泡结束后，用去离子水洗涤，并烘干。步骤四、将炭固体与天然橡胶按体积比为4:1混合，然后用压缩机压缩成型。
碳棒23的直径为5cm，高度小于组合框1的高度。
纤维层24由若干条纤维相互交织而成。纤维层24固定在填料柱骨架21内，包覆在套筒22外。纤维层24的纤维为增强型聚丙烯腈中空纤维。
填料柱骨架21的外侧具有竖直设置的叶片框211，叶片25覆在叶片框211上。其中，每三个叶片25构成叶片组。叶片组中，位于中间的叶片25垂直于纤维层24，两侧的叶片25倾斜、并相互对称设置。六组叶片组在纤维层24外均匀分布。
其中，碳棒23和纤维层24的各纤维表面均覆有生物膜。该生物膜通过将生物填料柱2进行挂膜处理而形成。
挂膜处理的具体过程为：使用大型生物膜反应器作为容器，在室温、氧浓度为0.1mg/L的环境下，选择城市污水处理厂中厌氧滤池中的活性污泥作为接种污泥，将活性污泥与自制的厌氧培养液以1:2的体积比混合，加入已制作完好的加芯式生物填料柱，静置24h，取出容器中部分上清液，并补加等量活性污泥，再静置24h。然后，以0.5m3/h的流量连续进水方式流入低碳源城镇废水，连续进水7天后，停止进水，让该生物膜反应器以无进出水流动的封闭状态运行24h，后以0.5m3/h的小流量不断加大到2m3/h的进水流量，每天检测进出水的总氮和COD，并观察微生物的生长情况，当总氮的去除率达到20％，COD去除率达到50％，且能装置能稳定运行一周后，表明挂膜完成。
如图1和5所示，组合框1的底面具有十二个组合框钩环13，顶面具有十二个组合框挂钩14。组合框钩环13和组合框挂钩14的数量，均与生物填料柱2的数量相等，并一一对应。
生物填料柱2的套筒22的底端具有填料柱挂钩，套筒22的顶端具有填料柱钩环26。
生物填料柱2底端的填料柱挂钩钩在组合框1底面的组合框钩环13上，顶端的填料柱钩环26挂在组合框1顶面的组合框挂钩14上，从而使生物填料柱2安装在组合框1内。安装时，先将填料柱挂钩钩在组合框钩环13上，再关闭组合框1的顶面，由于组合框1的顶面是镂空的骨架，因此，可以手动或通过工具穿过组合框1顶面的空隙，将组合框1内的生物填料柱2顶端的填料柱钩环26挂在组合框挂钩14上。
旋转轴竖直设置在底座4的中心位置，可以通过电机等驱动装置驱动其旋转。旋转轴的顶端具有外螺纹。旋转托盘3的中心固定套在旋转轴上。
如图5所示，组合框1底面的中心具有朝向组合框1内部凸起的轴帽15。轴帽15为开口朝下的盖体，具有内螺纹。
组合框1置于旋转托盘3上，轴帽15与旋转轴的顶端螺纹连接，固定组合框1与旋转托盘3的相对位置。
旋转轴旋转，旋转托盘3随之旋转，并带动组合框1和其内部的生物填料柱2转动。
低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置的使用方法为：
将装置置于污水中，开启驱动装置，使其驱动旋转轴旋转，转速为3r/min。
装置运行周期为3个月，每3个月，将其从污水中取出，打开组合框1的顶面，取出生物填料柱2，对其进行再利用处理，处理后重新装入组合框内，继续下一个周期的运行。
生物填料柱2再利用处理的过程为：抽出生物填料柱2的套筒22，更换新制作的碳棒23，对纤维层24进行清洗并进行挂膜处理。
运行过程中，碳棒23源源不断的给挂膜在纤维层24上的微生物提供生长碳源，使得微生物均匀在纤维柱上面附着生长，形成稳定的生物膜结构，提高微生物的脱氮速率。同时，组合框1的不停旋转使得碳棒23和纤维层24上的微生物得到充分的利用。碳棒23和纤维层24上的生物膜均匀、充分的与污水接触，对污水净化效果显著。此外，叶片25可以对污水中的大颗粒物、动植物残体进行拦截，防止其随水流的迁移对纤维层24上的生物膜造成损害，影响生物膜净化的效果。同时，在装置的旋转下，叶片25可切割水流和气泡，为提高气相、液相的湍流创造条件，促进气液、固液和气固之间的传质。
利用本装置对污水处理厂中的低碳源城市污水进行处理，连续运行3个月，每周对处理中的污水进行监测，以确定本装置稳定运行，且保持较高的处理率。监测结果为下表所示：
| 检测指标 | COD(mg/L) | TN(mg/L) | 氨氮(mg/L) | 硝态氮(mg/L) | PH |
| 处理前 | 90.5-150 | 24.2-31.2 | 22.9-30.2 | 0.2-0.9 | 7.0-7.5 |
| 处理后 | 19.67±6.04 | 10.93±3,5 | 5±3.42 | 0.5±0.2 | 7.2±0.2 |
由表可知，低碳源城市污水经本装置处理后，总氮、氨氮都达到了较高的去除效果，总氮和氨氮的去除率都达到了80％左右，其他水质指标也保持了较高的去除率。
Claims (10)
1.一种低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
包括组合框、若干个生物填料柱、旋转托盘、旋转轴和底座；
所述组合框包括组合框骨架，所述组合框骨架的顶面可以打开和关闭；
所述生物填料柱包括碳棒、套筒、纤维层和若干个叶片；
所述碳棒装在所述套筒内，所述套筒的表面镂空；
所述纤维层包覆在所述套筒外，套筒可从纤维层中抽出；
所述叶片位于所述纤维层的外侧面，竖直设置；
所述生物填料柱可拆卸地安装在所述组合框内；
所述旋转轴竖直设置在所述底座上，可以旋转；
所述旋转托盘固定套在所述旋转轴上，所述组合框置于所述旋转托盘上；
所述旋转轴旋转，所述旋转托盘随之旋转，并带动所述组合框和其内部的生物填料柱转动。
2.根据权利要求1所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
其中，所述组合框的底面具有若干个组合框钩环，顶面具有若干个组合框挂钩；
所述组合框钩环和组合框挂钩的数量，均与所述生物填料柱的数量相等，并一一对应；
所述生物填料柱的底端具有填料柱挂钩，顶端具有填料柱钩环；
所述生物填料柱底端的填料柱挂钩钩在所述组合框底面的组合框钩环上，顶端的填料柱钩环挂在组合框顶面的组合框挂钩上。
3.根据权利要求1所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
其中，所述生物填料柱还包括填料柱骨架；
所述套筒可拆卸地固定在填料柱骨架的中心；
所述纤维层固定在填料柱骨架内、包覆在所述套筒外；
所述填料柱骨架的外侧具有叶片框，所述叶片覆在所述叶片框上。
4.根据权利要求1所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
其中，每三个所述叶片构成叶片组；
所述叶片组中，位于中间的叶片垂直于所述纤维层，两侧的叶片倾斜、并相互对称设置；
若干组所述叶片组在所述纤维层外均匀分布。
5.根据权利要求1所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
其中，所述组合框底面的中心具有朝向组合框内部凸起的轴帽；
所述轴帽为开口朝下的盖体，具有内螺纹；
所述旋转轴的顶端具有外螺纹；
所述轴帽与所述旋转轴的顶端螺纹连接，固定所述组合框与所述旋转托盘的相对位置。
6.根据权利要求1所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
其中，所述组合框还包括菱形网，所述菱形网覆盖在组合框骨架的侧面；
所述菱形网的材料为聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
其中，所述碳棒的制作方法为：燃烧农作物废弃物成为炭固体，然后将炭固体浸泡在H2SO4-KMnO4溶液中，浸泡后经后处理压缩成型。
8.根据权利要求6所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
所述碳棒的具体制作步骤为：
步骤一、将农作物废弃物粉碎；
步骤二、将粉碎的农作物废弃物在碳化机中加热至800℃，使之燃烧成炭固体；
步骤三、将炭固体浸泡在H2SO4-KMnO4溶液中，炭固体与H2SO4-KMnO4溶液的质量比为4:1，浸泡时间为24h；
所述H2SO4-KMnO4溶液由1mol/L的KMnO4与1.84mg/L的H2SO4按体积比为50:1混合而成；
浸泡结束后，用去离子水洗涤，并烘干；
步骤四、将炭固体与天然橡胶按体积比为4:1混合，然后用压缩机压缩成型。
9.根据权利要求1所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置，其特征在于：
其中，所述纤维层由若干条纤维相互交织而成，所述纤维层的纤维为增强型聚丙烯腈中空纤维；
所述碳棒和纤维层的各纤维表面均覆有生物膜；
所述生物膜通过将所述生物填料柱进行挂膜处理而形成。
10.如权利要求1-9任意一项所述的低碳源污水的旋转加芯式生物处理装置的使用方法，其特征在于：
将装置置于污水中，开启驱动装置，使其驱动所述旋转轴旋转，转速为3r/min；
装置运行周期为3个月，每3个月，将其从污水中取出，打开所述组合框的顶面，取出所述生物填料柱，对其进行再利用处理，处理后重新装入组合框内，继续下一个周期的运行；
所述再利用处理的过程为：抽出所述生物填料柱的套筒，更换新制作的所述碳棒，对所述纤维层进行清洗并进行挂膜处理。
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