一种可切换档位的高效水体修复装置的制作方法

本发明涉及河湖污染治理领域，特别是一种可切换档位的高效水体修复装置。

背景技术：

在水体修复过程中，高效微生物能够强化有机物降解，加快水体修复效率并降低能耗。然而高效微生物需要与之对应的温度条件才可以发挥其活力。嗜热微生物对有机物的降解效率极强，其酶活力一般高于常温微生物，这正是可以利用的高效微生物，然而嗜热微生物需要50℃以上的温度环境才可以发挥其高效性，而水体温度一般不会超过40℃，如果采用人工加热需要体积巨大的加热装置并消耗大量的电能，因此目前国内外还没有人采用嗜热微生物对水体进行修复。

太阳能是一种清洁环保的免费能源，太阳能热水器是世界范围内被广泛使用的热水器，节能效果优异，目前，市场上出售的家用热水器正常情况下每天可以提供100~300L热水，大型酒店及企业使用的热水器每日可产生约50吨热水（50立方米）。利用太阳能为污水加热是降低能耗的最佳选择。然而日照强度随时都会发生变化，例如夏季的日照强度要高于冬季，晴天的日照强度要高于阴雨天，白天的日照强度大大高于夜晚的日照强度，正午的日照强度高于白天任何时刻的日照强度。环境温度也会对污水加热造成影响，环境温度越低，污水加热越困难，风速、气候、日照强度等因素都会影响环境温度，给污水加热过程带来诸多变数。特定的微生物必须在特定的温度环境中才能良好地生长与繁殖，若日照强度突然发生变化就会导致污水温度发生变化，若污水温度变化幅度过大（例如白天和夜晚）就会导致特定的微生物失去活力，降解污水的能力就会大大降低。例如嗜热菌喜欢生长在50~60℃的温度环境中，若将其放在20℃的温度环境中，其生长代谢速度就会大大减慢，甚至停止，酶活力也迅速降低；嗜温菌喜欢生长在20~30℃的温度环境中，若将其放在60℃的温度环境中，其生长代谢速度也会大大减慢，甚至死亡，酶活力也迅速降低。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种可切换档位的高效水体修复装置，这种用于水体修复的高效水处理装置能够根据污水温度变化情况迅速切换至合适的档位，继续进行污水快速修复。首次设计出可搭载嗜热菌的水体修复装置，首次设计出可切换档位的水体修复装置。

本发明的技术方案：一种可切换档位的高效水体修复装置，主要结构包括：水泵、太阳能热水器、轨道车、微生物菌床、多孔曝气管、微生物载体、风机。如图1所示，污水泵1通过水管连接着热水器水箱2，穿出来的水管连接着轨道车3，轨道车由车体3-1、车架3-2、车轮3-3组成，其中车体3-1固定在车架3-2上，车架3-2固定在车轮3-3上，车轮固定于两根轨道4-1和4-2的内侧，两根轨道4-1和4-2固定在三角支架5上。水管从轨道车中穿出来后的出水口6垂直向下。在出水口的下方正对着五个并列相同的微生物菌床7-1、7-2、7-3、7-4、7-5。在五个微生物菌床内分别固定有相同的多孔曝气管8-1、8-2、8-3、8-4、8-5，五根多孔曝气管分别被相同的微生物载体9-1、9-2、9-3、9-4、9-5包裹，多孔曝气管8的一端封闭，另一端连接着风机10。在微生物菌床7的右端设置有出水口11。五个微生物菌床之间被隔板12-1、12-2、12-3、12-4分开。装置工作时黑臭水在水泵1的作用下以一定的流速通过多台串联的太阳能热水器水箱2（图1中标识了两台热水器仅作为原理示意图），黑臭水经过水箱2的过程中与水箱2中的热水发生热交换而升温，加热后的水流入轨道车3，在轨道车3的内部设置有水温传感器可以连续监测入水温度，轨道车3内设置有固定程序，该程序可以根据水温度决定轨道车3的位置，轨道车3的出水口6垂直向下对准微生物菌床7的最前端。当水温等于或大于50℃时，轨道车3自动移动至微生物菌床7-1的前端；当水温介于40~50℃时，轨道车3自动移动至微生物菌床7-2的前端；当水温介于30~40℃时，轨道车3自动移动至微生物菌床7-3的前端；当水温介于20~30℃时，轨道车3自动移动至微生物菌床7-4的前端；当水温低于20℃时，轨道车3自动移动至微生物菌床7-5的前端。微生物载体9-1、9-2、9-3、9-4、9-5上分别接种有能够在50℃以上、40℃~50℃、30℃~40℃、20℃~30℃、20℃以下良好生长的微生物。特定温度的污水会流向固定有特定微生物的微生物菌床，例如夏季正午12点~14点，出水温度能持续保持50℃以上，此时污水自动会流向微生物菌床1，微生物菌床1上的嗜热菌会将污水中的有机物迅速降解，当夜幕降临热水器停止工作，导致水温缓慢下降，轨道车会自动根据水温变化依次从微生物菌床7-1移动至微生物菌床7-5。第二天太阳再次升起时，热水器重新进入工作状态，使污水水温逐渐上升，轨道车会自动根据水温升高程度依次从微生物菌床7-5移动至微生物菌床7-1，如此反复左右运行。空气在风机10的作用下流进多孔曝气管8，随后从微生物载体9的间隙中流出，为微生物载体9上的微生物提供氧气。随着污水向着出水口11的方向流动，热量会逐渐被空气带走导致污水温度逐渐降低，因此在每一个微生物菌床内会存在着一个温度梯度，而每一个温度区间会分别对应着适应这一温度区间的不同微生物菌群，由于每一个微生物都处于最佳的温度环境中，因此微生物降解污水的能力会接近极限状态。处理后的污水从出水口11排入黑臭水体。

本发明的工作原理：垂直于水流方向上的曝气会带走污水中的部分能量导致污水降温，因此当水流过特定的距离后就会在微生物载体上形成一段由高到低的温度梯度，不同的微生物会选择适合于自己生长的温度段在载体上繁殖定居下来，形成稳定的生物膜，由于每种微生物都处于最佳温度条件下，因此生物膜的处理效率会接近极限。

本发明的优点和有益效果是：

（1）首次实现了嗜热菌在黑臭水体治理中的应用，大大提高了水体的修复效率；

（2）采用滤料负载微生物避免了高效微生物流失与杂菌污染；

（3）将曝气管包埋于微生物滤料中强化了曝气效率；

（4）利用太阳能为污水加热，大大减少了黑臭水治理的能源消耗；

（5）可以自动根据日照强度和环境温度的变化让污水随时切换至合适的微生物菌床上进行处理；

（6）操作简易、处理效率极高、生态环保。

附图说明

图1 可切换档位的高效水体修复装置示意图。

图2 五个并列的微生物菌床俯视图。

图3 热水器与水管连接部位侧视图。

图4 微生物菌床对污水的降解效果。

图中：1.污水泵 2.热水器水箱 3.流向转换器 4.出水管 5.微生物菌床 6.多孔曝气管 7.微生物载体 8.风机 9.出水口 10.隔板。

具体实施方式

本发明通过以下实施例进一步详述,但本实施例所叙述的技术内容是说明性的,而不是限定性的,不应依此来局限本发明的保护范围。

一种可切换档位的高效水体修复装置，主要结构包括：水泵、太阳能热水器、轨道车、微生物菌床、多孔曝气管、微生物载体、风机。如图1所示，污水泵1通过水管连接着热水器水箱2，穿出来的水管连接着轨道车3，轨道车由车体3-1、车架3-2、车轮3-3组成，其中车体3-1固定在车架3-2上，车架3-2固定在车轮3-3上，车轮固定于两根轨道4-1和4-2的内侧，两根轨道4-1和4-2固定在三角支架5上。水管从轨道车中穿出来后的出水口6垂直向下。在出水口的下方正对着五个并列相同的微生物菌床7-1、7-2、7-3、7-4、7-5。在五个微生物菌床内分别固定有相同的多孔曝气管8-1、8-2、8-3、8-4、8-5，五根多孔曝气管分别被相同的微生物载体9-1、9-2、9-3、9-4、9-5包裹，多孔曝气管8的一端封闭，另一端连接着风机10。在微生物菌床7的右端设置有出水口11。五个微生物菌床之间被隔板12-1、12-2、12-3、12-4分开。

上述实施例中污水泵1的型号为：LX-155，额定功率为85w。水管内径30mm。三十台太阳能热水器2均选用型号为Q-B-J-1-300/4.52/0.05的太阳能热水器。轨道车3为天津奥为环保科技（天津）有限公司与北京普世圣华科技有限公司联合设计研发，轨道车内设置有温度传感器与电子芯片，可以根据水温自动移动位置。5个并列的微生物菌床7尺寸均为：8m*0.2m*0.2m（长*宽*高）,微生物菌床由有机玻璃制作而成，由于装置较长，为了便于运输，每个微生物菌床均由8块尺寸为：1m*0.2m*0.2m（长*宽*高）的模块组装而成，模块的连接部位用玻璃胶密封。多孔曝气管8也是由8个尺寸为1m*0.05m*0.06m(长*内径*外径)的模块拼接而成，多孔曝气管由不锈钢材料制作而成。微生物载体9为粒径介于4~6mm的陶粒滤料，陶粒滤料被孔径为3mm的不锈钢钢丝网包裹并固定在曝气管上。风机10选用型号为ACO-016的曝气机。

微生物菌床7-1中接种的微生物为天津市奥为环保科技（天津）有限公司所保藏的嗜热菌，经过鉴定分别为Bacillus sp. MN-07，Bacillus coagulans，Bacillus coagulans strain KM-1，Bacillus coagulans 36D1，Bacillus licheniformis strain Pb-WC09009，Bacillus tequilensis strain CGX5-1，Bacillus licheniformis strain TS-11。使用前先将七种微生物置于LB培养基中活化，其中，LB培养基的配方为：蛋白胨10g，酵母粉5g，氯化钠5g，pH值7.4，培养温度为50~55℃。将活化后的微生物，接种于LB培养基中制作成嗜热菌菌液，将陶粒滤料放置于装有嗜热菌菌液的容器中，采用人工加热维持菌液温度介于50~60℃，高强度曝气约一周，期间适时更换菌液，直至陶粒上生长出稳定的嗜热菌菌落再将其包裹于微生物菌床7-1的曝气管8-1的外侧。其余四个微生物菌床不接种任何微生物，让污水中的微生物在微生物载体上自然生长繁殖。

实验场位于天津市津南区北闸口镇一处黑臭水体治理示范现场，系统预运行30天。第31天开始从各个出水口取样，检测水样COD。图4显示了各水样的检测结果，从图中可以看出，入水口水样的COD值介于155 mg/L~164 mg/L之间，经过微生物菌床7-1、7-2、7-3、7-4、7-5的处理后COD值均明显下降，其中微生物菌床7-1对COD的降解效率最高，出水水样的COD值下降至78 mg/L左右。微生物菌床7-5对COD的降解效率最低，出水水样的COD值下降至135 mg/L左右。这一实验结果证明嗜热菌能够高效降解污水COD，其效果远远高于其他微生物，太阳能产生的热量全部用于给各种类型的微生物升温，强化了各种微生物的酶活力和生命活动。证明了这种水体修复装置是一种高效水体修复装置。