专利名称：应用光能自养生物膜的水处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水处理领域，具体地讲是涉及应用光能自养生物膜的水处理装置，可以通过光照强度控制和监测辅助研究光能自养生物膜生长特性以及应用于水处理时的机理和效果。
背景技术：
光能自养生物膜是一种以光能为能量来源，CO2为主要无机碳源，由藻类(绿藻， 蓝藻和硅藻等)和细菌所组成的附着生长的复杂微生物群落。光能自养生物膜中的初级生产者一藻类在光照条件下进行光合作用，利用水中溶解的CO2 (来源大气，细菌有氧呼吸产物)作为无机碳源，通过磷酸戊糖还原途经或者c4_二羧酸还原途经固定CO2,同时产生的 O2提高的水中的溶解氧浓度，有效促进生物膜系统中的好氧菌，兼性菌的新陈代谢，提高细菌对水中有机物污染物的降解效果以及对氨氮、硝氮、磷等生长必需元素的吸收。藻类自身对N，P的摄取亦对净化效果有明显贡献。在应用于传统污水处理的异养生物膜当中，O2扩散运输的速率一般被限制在20nmol/cm ·π η，但是在光密度1000 μ mol photons /m2 · s条件下，光能自养生物膜单位面积氧气净产生率达到40 nmol/cm· min0因此，光能自养生物膜可吸收(X)2并且不需要通过增加人工曝气来增加装置内的溶解氧浓度，具有低碳低能耗的特点。藻类呼吸作用产生的高溶解氧环境同时也为硝化提供了反应条件，水中的氨氮可以通过硝化反应被转化为硝态氮而被去除。N的去除机理除了生物膜内藻类和细菌因生长需要摄取外，还有反硝化的作用。由于生物膜内部形成的垂向氧浓度梯度，特别是在夜间， 在生物膜的内部底层可以形成缺氧条件，为反硝化创造了条件。同时藻类利用CO2作为无机碳源通过自身合成产生的胞外聚合物(EPS)以及水中的有机物可以作为生物膜内反硝化菌的有机碳源，生物膜可通过反硝化实现对TN的去除，因此光能自养生物膜特别适用于低碳条件下的脱氮处理。由于光能自养生物膜将大量的N、P摄取后贮存在微生物体内，并且生物膜有机质含量高，对应用于无重金属污染的生活污水和水源水净化的光能自养生物膜可进行定期的收割，并用于农业施肥和渔业养殖。光能自养生物膜没有传统活性污泥法污泥处置的难题， 并且可以产生经济效益。目前研究认为，影响光能自养生物膜的生长和对污染物降解能力的因素主要包括光照强度、基质类型、营养水平、水温以及流速等。光能作为光能自养生物膜系统的驱动力与其他常规能源不同，因为光子无法和水混合。研究光能自养生物膜生长特性以及应用于水处理时的机理和效果对于该技术的开发与应用是十分必要的。国内对光能自养生物膜技术的研究鲜见报道，尚无系统研究光能自养生物膜生长特性及应用于水处理时的机理和效果的试验装置。
实用新型内容为了克服现有技术的不足，有效地培养光能自养生物膜及将之用于水处理领域， 通过同时控制光照强度、水温、流速、水位等多个影响因素，实现原位监测生物膜生长状态、 减小取样时对生物膜样本的干扰的目的，本实用新型提供了一种培养光能自养生物膜及用于水处理的装置。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是应用光能自养生物膜的水处理装置，包括水流循环系统、光源及调光组件、生物膜载体组件、光照感测组件、温控组件，水流循环系统包括主流槽箱和回流水箱；主流槽箱依次包括进水区、反应区、出水区，三个区域邻接并且在相邻区域之间设置隔板，各区域的顶部均设有盖板，在反应区的盖板下方安装光源，盖板上方安装调光组件，反应区的底部设置生物膜载体板，在生物膜载体板上接种生物膜；出水区与回流槽通过设置在两者底部的U 型管连接，进水区与出水区之间安装回流管，回流管上安装回流阀。前述的应用光能自养生物膜的水处理装置，所述的主流槽箱和回流水箱分别分隔为一个以上的流槽，相邻的流槽之间用避光隔板分隔，并在隔板两面侧壁上各安装一块压块紧固生物膜载体板。前述的应用光能自养生物膜的水处理装置，所述的回流水箱外围设置加热装置， 并连接至温控装置。前述的应用光能自养生物膜的水处理装置，所述的光照感测组件包括光源照度探头，透射光照度探头以及照度计。前述的应用光能自养生物膜的水处理装置，所述的调光组件包括调光旋钮和镇流器。前述的应用光能自养生物膜的水处理装置，在主流槽箱箱体的底部设置垫片。本实用新型的有益效果是装置中主流槽箱和回流水箱通过回流管路连接形成闭合系统，回流比由回流阀开启度决定。主流槽箱内多个平行且相互独立的流槽由不透光的隔板分隔，满足不同试验工况及调节参数的要求；主流槽箱上设置盖板可在装置运行时以减少外界光源的干扰。回水箱独立设置，出水管与回水箱采用软管连接，控制回流水箱与主流槽的相对高差从而调节主流槽内水位。进水区箱体底部设置垫片，可对流槽水力坡降进行微调，满足生物膜培养和水处理试验研究对水力条件控制的需要。利用荧光灯为光能自养生物膜生长提供光照，盖板顶部安装电子镇流器及调光旋钮，并通过在连接电源线上安装电子时钟控制光源开启、关闭的时间。光源照度可控，光暗比可变，满足试验对光照条件控制要求，在不破坏生物膜的前提下原位监测生物膜生长状况，结果可用于定性定量分析生物膜生长特性。采用透明聚碳酸酯板为生物膜载体板平铺于主流槽箱反应区底部，实现生物膜方便取样，便于生物膜理化分析，减少了对装置中生物膜样本的干扰。自动化程度高。安装在线监测设备提高了装置运行的效果，便于对科研数据的搜集和记录。照度计可连接电脑，自动记录光源照度变化及透射光照度变化。在水槽内安装溶氧仪探头和PH计探头可在线监测装置内水温、DO、pH。
图1为本实用新型实施例纵剖面图示意图。图2为本实用新型实施例主流槽盖板平面布置图。[0017]图3为图1的A-A剖面图。图4为图1的B-B剖面图。图中1进水区，2.进水溢流堰，3.反应区，4.聚碳酸酯板，5.出水区，6.出水管，7.回流水箱，8.回流管，9.回流泵，10.回流阀，11.回流流量计，12.进水泵，13.进水阀，14.进水流量计，15.进水管，16.排水溢流堰，17.排水管，18.主流槽箱，19.隔板， 20.主流槽盖板，21.直管荧光灯，22.调光旋钮，23.电子镇流器，24.透射光照度探头 (TLS)，25.入射光照度探头(ILS)，26.压块，27.盖板把手。
具体实施方式
参照图1至3所示，应用光能自养生物膜的水处理装置，由有机玻璃加工粘合而成，包括主流槽箱18和回流水箱7，回流水箱7独立设置，四周外设置加热装置并连接至温控装置，主流槽箱18包括四条平行且相互独立的流槽，相邻的流槽之间用不透光的隔板19 分隔，隔板两侧壁各安装一压块紧固聚碳酸酯板，降低其对主流槽内流态的干扰，聚碳酸酯板平铺在主流槽箱底部作为生物膜载体，便于生物膜方便取样，进行生物膜理化分析，减少了对装置中生物膜样本的干扰。每个流槽均包括进水区1、反应区2、出水区3，且分区位置一致。出水区和回流槽箱通过设置在两者底部的U型软管连接，通过控制回流水箱7内水位高度可调节主流槽箱18内水位。在回流水箱和进水区之间设置回流管8，回流管上设有回流泵9、回流阀10、回流流量计11，水的回流比可通过回流阀控制。主流槽箱下面设置垫片，可以通过控制垫片的高度对流槽水力坡降进行微调。满足生物膜培养和水处理试验研究对水力条件控制的需要。主流槽箱各区均设有盖板20，以减少外界光源的干扰。反应区盖板朝内的一面安装直管荧光灯21，为光能自养生物膜生长提供光照。盖板朝外的一侧安装电子镇流器及调光旋钮，并在连接电源线上安装电子时钟。光源照度通过调光旋钮22调节电子镇流器23输出，结合照度计显示ILS值可改变光源照度。通过电子时钟控制光源开启、关闭的时间控制光暗比。各反应区3内的两端以及中间位置的聚碳酸酯板4下各安装一个透射光照度探头 (TLS) 24，并连接至照度计，可监测透射光照度值变化；在反应区3内压块沈上安装一个光源照度探头(ILS) 25，并连接至照度计，可检测光源照度值变化。本装置的光源照度、光暗比可控，能够满足试验对光照条件控制要求。回流水箱7内的水温通过温控装置控制，适用于冬季气温寒冷下的正常试验。应用光能自养生物膜的水处理装置的运行状态1)静态循环水流从进水区1经进水溢流堰2流入反应区3，水流流经底面平铺的聚碳酸酯板4后自由出水至出水区5，经出水管6流入回流水箱7，循环水经回流管8由回流泵9泵送经回流阀10和回流流量计11后返回进水区。此时，回流阀10关闭，回流水箱 7内无排水溢流。2)动态连续进水由进水泵12经进水阀13、进水流量计14和进水管15流入进水区1，和回流水混合后经进水溢流堰2均勻溢流至反应区3，水流流经底面平铺的聚碳酸酯板4后自由出水至出水区5，经出水管6流入回流水箱7，部分回流水经回流管路返回进水区；出水经排水溢流堰16溢流至排水管17排出。此时，回流阀10和进水阀13开启，开启度由回流比决定。[0026]通过静态循环试验或者动态连续流试验为研究光能自养生物膜净化机理和效果提供了条件。沿流槽流向生长的生物膜生长状态可以监测，采用原位监测在不破坏生物膜的前提下对生物膜生长特性进行定性定量研究。实施例1采用静态循环方式，以BGll改进型培养液培养光能自养生物膜。生物膜样本(取自南京江心洲污水处理厂姊二沉池池壁)接种于试验装置中三个流槽的聚碳酸酯载体板上，初期2-3天静态培养。待微生物附着后逐步提高水流速度至0. 05m/s，水位0. 5cm，光暗比为Wh/8h，水温25-30°C，培养期间水力坡降0. 1%。反应区各流槽的光照强度分别为 45001x，30001x和15001x。培养期间培养液每周更换两次。培养期间监测光照强度、生物膜质量密度。试验表明，透明聚碳酸酯板上附着的生物量与IL/TL (IL为光源照度，TL为透射光源照度)存在线性关系，即光强的衰减与生物膜质量密度存在线性关系，线性相关系数R2=O. 9117。试验获得的生物膜相对生长曲线与Gompertz生长模型拟合良好，在光照强度为45001x，35001x, 15001x条件下拟合系数分别为0. 998，0. 992，0. 994。在光照强度为45001x，35001x, 15001x条件下，光能自养生物膜的最大相对生长速率分别为13. 96%， 9. 65%，6. 37%;初始沉降期分别为4. 37d，8. 15d, 8. 22d。同一流槽延流向三个TLS获得的生物膜生长参数无明显差异。这表明该装置可以用于对不同环境中的光能自养生物膜生长过程和特性进行定性定量的研究，装置保证了生物膜延流向生长的均勻性，为生长动力学研究提供了保证。实施例2采用静态循环方式，以人工配水为处理对象进行水处理试验。在光照强度为 30001x时，装置循环3d，对模拟微污染水源水(表1)的高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为70%、85%、50%和90% ；出水满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，见表1。表1模拟微污染水源水水质指标
指标高锰酸盐指数氨氮总氮总磷浓度(mg/L)7. 50 ±0. 54°mg/L0. 98 ±0. 07mg/L7. 55 ±0. 26mg/L0. 20 ±0. 03mg/L 注3标准偏差(n=3). 应当指出，以上所述具体实施方式
可以使本领域的科研技术人员更全面的理解本实用新型，但不以放任何方式限制本实用新型。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是本领域科研技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进， 其均应涵盖在本实用新型专利的保护范围当中。
权利要求1.应用光能自养生物膜的水处理装置，其特征在于包括水流循环系统、光源及调光组件、生物膜载体组件、光照感测组件、温控组件，水流循环系统包括主流槽箱和回流水箱；主流槽箱依次包括进水区、反应区、出水区，三个区域邻接并且在相邻区域之间设置隔板，各区域的顶部均设有盖板，在反应区的盖板下方安装光源，盖板上方安装调光组件，反应区的底部设置生物膜载体板，在生物膜载体板上接种生物膜；出水区与回流槽通过设置在两者底部的U型管连接，进水区与出水区之间安装回流管，回流管上安装回流阀。
2.根据权利要求1所述的应用光能自养生物膜的水处理装置，其特征在于所述的主流槽箱和回流水箱分别分隔为一个以上的流槽，相邻的流槽之间用避光隔板分隔，并在隔板两面侧壁上各安装一块压块紧固生物膜载体板。
3.根据权利要求1所述的应用光能自养生物膜的水处理装置，其特征在于所述的回流水箱外围设置加热装置，并连接至温控装置。
4.根据权利要求1所述的应用光能自养生物膜的水处理装置，其特征在于所述的光照感测组件包括光源照度探头，透射光照度探头以及照度计。
5.根据权利要求1所述的应用光能自养生物膜的水处理装置，其特征在于所述的调光组件包括调光旋钮和镇流器。
6.根据权利要求1所述的应用光能自养生物膜的水处理装置，其特征在于在主流槽箱箱体的底部设置高度调节垫片。
专利摘要本实用新型涉及一种应用光能自养生物膜的水处理装置，其特征在于包括水流循环系统、光源及调光组件、生物膜载体组件、光照感测组件、温控组件，水流循环系统包括主流槽箱和回流水箱；主流槽箱依次包括进水区、反应区、出水区，三个区域邻接并且在相邻区域之间设置隔板，各区域的顶部均设有盖板，在反应区的盖板下方安装光源，盖板上方安装调光组件，反应区的底部设置生物膜载体板，在生物膜载体板上接种生物膜；出水区与回流槽箱通过设置在两者底部的U型管连接，进水区与出水区之间安装回流管，回流管上安装回流阀。本实用新型可以在不破坏生物膜的前提下采用原位监测对生物膜生长特性进行定性定量研究，为研究光能自养生物膜净化机理和效果提供了条件。
文档编号C02F3/32GK201952285SQ20102069003
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者冯骞, 操家顺, 方芳, 王超, 薛朝霞, 陆文涛 申请人:南京河海科技有限公司, 河海大学