一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置及其使用方法与流程

本发明涉及厌氧反应器装置，具体涉及利用水体土著反硝化细菌去除富营养化水体中重金属和硝态氮的一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置及其使用方法。

背景技术：

天然水体富营养化和重金属污染一直是当前最常见的复合污染。富营养化是当前常规污染中的重要表现，随着人类对环境资源开发利用活动日益增加，特别是工农业生产的大规模发展，大量含有氮、磷营养元素的污水排入附近的天然水体，增加了这些水体的营养物质负荷量，其本质问题是水体生物多样性的破坏，由此造成系统丧失自我维持、自我调节的能力与系统平衡失稳，加速了水体富营养化的速度。而且在污水的排放过程中，污染物重金属在水体水体中的存留也日益增多，重金属在水体中的存留、积累及迁移性等特点增加了水体重金属净化的难度。同时，由于重金属有来源广、残留时间长、具有积累性、不可降解、能沿食物链转移等特点，不仅危害着渔业水环境和水生生物，也危害人类健康。因此迫切需要对硝态氮和重金属复合污染的水体水体进行治理和修复。

现有的对于受污染水体的治理方法，可以分为物理法、化学法、生物法、生态修复四大类，并且很多水处理方法工艺流程已经很成熟，但对于水体、河流等开放水体的治理存在着很大的局限性。因此，从经济成本及资源化等角度出发，探索经济高效、节能环保的水体重金属净化方法及装置是当前水体重金属污染治理的难点。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置及其使用方法。

一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置，包括进水干管、出水干管、内回流管、泵、蓄电池、光电控制器、逆变器和发电机；所述的厌氧反应器包括反应釜、电加热组件和太阳能光伏组件，厌氧反应器顶部设置有单向排气阀；所述反应釜为竖直设置的密闭罐体，反应釜分为反应釜上部、反应釜中部和反应釜下部，反应釜上部内设置三相分离器，反应釜上部设置有出水口，所述的出水口与所述的出水干管连接；所述的反应釜中部内设有填充格，填充格充满反硝化细菌活化填充料，所述的反硝化细菌活化填充料以无机搭载体、无机絮凝物、无机金属盐、活性炭为原料制备而成，四种原料的质量比依次为(1～8)：(0～0.5)：(0～0.5)：(2～4)，其中无机絮凝物和无机金属盐的质量比取值范围为大于0并且小于等于0.5，四种所述原料充分混合均匀分散于60～80℃水中，冷却后加入反硝化细菌激活剂，然后在充分搅拌下以3～4ml/min的速度滴入溶解于水中的有机高分子聚合物，有机高分子聚合物用于将反硝化细菌激活剂固定于无机搭载体表面，冷却沉淀后，下部沉积物即为所述反硝化细菌活化填充料，所述无机搭载体为硅胶、蒙脱石或者硅藻土中的一种，所述无机絮凝物为聚合氯化铝(pac)、聚合硫酸铝(pas)、聚合硫酸铁(pfs)或者聚合氯化铁(pfc)中的一种，所述无机金属盐为氯化钠、氯化钾中的一种，所述的反硝化细菌激活剂成分为氯化亚铁、醋酸钠、蛋白胨、酵母膏、葡萄糖、氯化钠、琼脂、硝酸钾，添加时质量比依次为(1～1.5)：(2～2.5)：(15～16)：(3～3.5)：(1～1.5)：(6～6.5)：(12～13)：(2～2.5)；反应釜下部内设置有布水器，布水器通过所述的泵与所述的进水干管连接，所述的进水干管与出水干管之间设置有所述的内回流管；所述的厌氧反应器侧壁内设置有空心夹层，所述的电加热组件设置在空心夹层内并均匀分布在厌氧反应器侧壁上；所述太阳能光伏组件与所述的蓄电池连接，蓄电池与所述的光电控制器连接，光电控制器与逆变器连接，逆变器与所述的发电机的控制系统连接，发电机与电加热组件和泵连接。

而且，加入所述的反硝化细菌激活剂时体系须冷却至30～40℃，并且控制其与无机搭载体的比例为(0.3～8)：1，优选(3～5)：1；所述有机高分子聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或纤维素中的一种，所述的有机高分子聚合物均匀分散在95～97℃的水中，所述的有机高分子聚合物与无机搭载体的最终质量比为(0.5～0.6)：(7～8)。

而且，所述的出水干管上设置有出水调节阀，出水干管的另一端连接待深度处理池入口；所述的进水干管上设置有进水调节阀，进水干管的另一端连接待好氧池出口；所述的内回流管上设置有回流调节阀。

而且，所述的反应釜上部和反应釜下部的外表面是圆弧形，反应釜上部和反应釜下部高0.2～0.4m，底部高0.2～0.4m；反应釜中部为圆柱形，直径为0.5～1m，高1～3m。

而且，所述的反硝化细菌活化填充料采用分格填充的办法填充在反应釜中部内，密填总高度为反应釜总高度的75％～90％，反硝化细菌活化填料与反应釜顶部的距离为反应釜总高度的10％～25％，工艺起始阶段一次性投加量1000～4000mg/l。。

而且，所述的电加热组件由n组并联的电热丝构成，10≤n≤40，电热丝在竖直方向上呈s型，并且电热丝整体沿反应釜轴向环绕呈环状。

一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，将所述的由太阳能驱动的厌氧反应器装置与好氧池和深度处理池连接，利用荧光定量pcr的方法测得土著反硝化细菌的数量；

步骤2，运行该设备，打开进水调节阀和回流调节阀，关闭出水调节阀，利用太阳能光伏组件产生的能量控制泵从好氧池引入进水，实现工艺起始阶段系统内部的自循环，在此阶段反硝化细菌微生物进行挂膜培养，通过荧光定量pcr的方法测得加入水体后反硝化细菌活化填充料中的反硝化细菌数量，实现土著反硝化细菌的数量增长的倍数大于等于10；

步骤3，保持进水调节阀和回流调节阀打开，再打开出水调节阀，控制正常运行时进水流量，控制水力停留时间，通过调节进水调节阀、出水调节阀和回流调节阀控制进出水比例和内循环比；

步骤4，厌氧反应器装置内的出水依靠自身重力流入深度处理池；

在步骤2和步骤3中，太阳能光伏组件将太阳能转化为电能储存在太阳能蓄电池内，再通过光电控支器转化为直流电能信号，直流电信号进入逆变器在转化为交流负载去供应交流电器，再通过发电机控制系统为太阳能光伏组件下层的电加热组件提供电能，电加热组件将电能转化为热能，电加热组件在罐体表面全部覆盖，有效地做到厌氧反应器内液体受热均匀；同时，发电机控制系统为泵提供电能，以实现该装置的自循环和正常运行时的稳定状态。

而且，在上述使用方法中，所述的工艺起始阶段系统内部自循环时间为24～26h，正常运行时进水流量0.1～0.9m³/h，所述的控制水力停留时间为6～10h，所述的内循环比例为400％～500％。

本发明的有益效果：

(1)一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置利用富营养化水体的生态净化方法，通过激活水体本土的反硝化细菌，使得反硝化细菌数量呈几何级数增值，并且用水体本身代替传统的有限生物反应器，大大释放了反硝化细菌生长空间，充分发挥反硝化细菌大量繁殖过程中对硝态氮产生的强大的分解能力，提高反硝化细菌的有效生物量和功能性，重组、完善和优化水体微生物生态系统，进而强化建立微生物中心枢纽作用，促进水体恢复自我调节能力，从而高效去除诱发藻类过度生长的n、p等相关污染物，有效降低水体中的悬浮藻类、悬浮颗粒含量，降低浊度，增加透明度，提升水体溶解氧水平，从根本上改善水质和水体生态系统的物料平衡状态，最终达到并保持水体自净的生态修复目的。

(2)本发明工艺简单，占地面积小，运行管理方便，投资和运行费用低，适应条件范围广，可在各种天然水体甚至人工水体的生态修复中广泛应用。

(3)本技术中涉及的一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置，最外层为太阳能光伏组件，主要用于将太阳能转化为电能储存在太阳能蓄电池内，再通过光电控支器转化为直流电能信号，直流电信号可直接利用于直流电器，也可以进入逆变器在转化为交流负载去供应交流电器，再通过发电机控制系统为太阳能光伏组件下层的电加热组件提供电能，电加热组件将电能转化为热能，电加热组件在罐体表面全部覆盖，可以有效地做到厌氧反应器内液体受热均匀，为微生物提供适宜的温度，便于微生物的生长，微生物的活性和菌群数得到保障，罐体内的生物活性污泥就能具有较好的吞噬水中有机物进行分解的作用，对水体进行稳定的厌氧净化，同时，发电机控制系统为泵提供电能，以实现该装置的自循环和正常运行时的稳定状态。对于现存在的其他形式的保温方法，所安装的太阳能光伏组件和电加热组件有着明显的优势，无需能耗、无污染、无运行成本、通用性好，不仅绿色环保，且不破坏某些水体具有的景观功能。因此，该装置使用条件很广，除了寒冷地带常年不见阳光的地方不能使用，免维护使用后不造成二次污染，是真正的清洁能源，能源质量高，获得能源的时间短。系统一次性投资可保持连续供电20年。

(4)反硝化细菌增殖的过程中，fe²⁺在此过程中起到明显促进作用的同时，被氧化生成的三价铁氧化物有可以大量的吸附水体中的重金属，有效去除水体中的重金属。

附图说明

图1为本发明的示意图。

其中：1为厌氧反应器，2为出水口，3为出水干管，4为反应釜上部，5为反应釜中部，6为反应釜下部，7为出水调节阀，8为深度处理池，8-1为深度处理池入口，9为好氧池，9-1为好氧池出口，10为进水调节阀，11为进水干管，12为回流调节阀，13为内回流管，14为泵，15为填充格，16为布水器，17为三价铁氧化物及重金属排出口，18为蓄电池，19为光电控制器，20为发电机，21为逆变器，22为反应釜，23为太阳能光伏组件，24为空心夹层，25为反应釜，26为三相分离器，27为单向排气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制。

一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置，包括厌氧反应器1、进水干管11、出水干管3、内回流管13、泵14、蓄电池18、光电控制器19、逆变器21和发电机20；所述的厌氧反应器包括反应釜25、电加热组件23和太阳能光伏组件22，厌氧反应器顶部设置有单向排气阀27；所述反应釜为竖直设置的密闭罐体，反应釜分为反应釜上部4、反应釜中部5和反应釜下部6，反应釜上部内设置三相分离器26，反应釜上部设置有出水口2，所述的出水口与所述的出水干管3连接，所述的反应釜中部内设有填充格15，填充格充满反硝化细菌活化填充料，反应釜下部内设置有布水器16，布水器通过所述的泵14与所述的进水干管11连接，所述的进水干管与出水干管之间设置有所述的内回流管13；所述的厌氧反应器侧壁内设置有空心夹层24，所述的电加热组件设置在空心夹层24内并均匀分布在厌氧反应器侧壁上；所述太阳能光伏组件与所述的蓄电池18连接，蓄电池与所述的光电控制器19连接，光电控制器与逆变器21连接，逆变器与所述的发电机20的控制系统连接，发电机与电加热组件和泵连接。

而且，所述的出水干管上设置有出水调节阀7，出水干管的另一端连接深度处理池入口8-1；所述的进水干管上设置有进水调节阀10，进水干管的另一端连接好氧池出口9-1；所述的内回流管上设置有回流调节阀12。

而且，所述的反应釜上部和反应釜下部的外表面是圆弧形，反应釜上部和反应釜下部高0.2m，底部高0.2m；反应釜中部为圆柱形，直径为0.8m，高3m。

而且，所述的反硝化细菌活化填充料采用分格填充的办法填充在反应釜中部内，密填总高度为反应装置总高度的85％，反硝化细菌活化填料与反应釜顶部的距离为反应装置总高度的15％，工艺起始阶段一次性投加量3000mg/l。

而且，所述的电加热组件由35组并联的电热丝构成，电热丝在竖直方向上呈s型，并且电热丝整体沿反应釜轴向环绕呈环状。

将按照以下制备方法制备的反硝化细菌活化填充料填充在上述一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置中：将质量比为3：0.5：0.5：4的无机搭载体硅胶、无机絮凝物聚合氧化铝、无机金属盐氯化钠、活性炭，将其充分混合分散于70℃水中，待上述悬浊液冷却至40℃，加入反硝化细菌激活剂(激活剂由氯化亚铁、醋酸钠、蛋白胨、酵母膏、葡萄糖、氯化钠、琼脂、硝酸钾组成，各成分添加时质量比依次为1：2：15：3：1：6：12：2；加入所述的反硝化细菌激活剂时体系须冷却至30℃)，控制其与无机搭载体的比例为3，然后在充分搅拌的同时以3ml/min的速度滴入溶解于95℃水中的有机高分子聚合物聚乙烯醇，用于固定反硝化细菌激活剂于无机搭载体表面，最终实现有机高分子聚合物与无机搭载体的质量比为0.5：8，待混合液冷却至室温沉淀后，弃去上清液，下部沉积物制得的特异性反硝化细菌活化填充料；填充料装填完毕后，将该装置与好氧池和深度处理池连接，运行该装置，打开进水调节阀和回流调节阀，关闭出水调节阀，利用太阳能产生的动力从好氧池引入进水(利用荧光定量pcr的方法测得好氧池进水中土著反硝化细菌的数量为10⁶-10⁷copies/l)，实现工艺起始阶段系统内部的自循环，时间为24小时，在此阶段反硝化细菌微生物进行挂膜培养，控制水利停留时间为8小时，通过荧光定量pcr的方法，得到加入好氧池进水反应24h后反硝化细菌活化填充料中的反硝化细菌数量约为10⁷-10⁸copies/g(即土著反硝化细菌的数量实现10倍增长)；最后，保持进水调节阀和回流调节阀打开，再打开出水调节阀，控制正常运行时进水流量0.9m³/h，控制水力停留时间为9小时，通过调节进水调节阀、出水调节阀和回流调节阀控制进出水比例和内循环比例为400％。反硝化细菌在这个过程中不断去除好氧池进水中的硝态氮，并且氧化fe²⁺形成fe³⁺以无定形fe³⁺矿物为主，菌体沉积物中无机组成以fe为主，含有少量重金属as⁵⁺，在fe²⁺氧化殆尽的情况下no3^-的平均去除率可达40～60％，as的平均去除率可达40～70％。

将按照以下制备方法制备的反硝化细菌活化填充料填充在上述一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置中：将质量比为4：0.5：0.5：4的无机搭载体蒙脱石、无机絮凝物聚合氯化铁、无机金属盐氯化钠、活性炭，将其充分混合分散于70℃水中，待上述悬浊液冷却至40℃，加入反硝化细菌激活剂(激活剂由氯化亚铁、醋酸钠、蛋白胨、酵母膏、葡萄糖、氯化钠、琼脂、硝酸钾组成，各成分添加时质量比依次为1.2：2：16：3：1.5：6：13：2；加入所述的反硝化细菌激活剂时体系须冷却至35℃)，控制其与无机搭载体的比例为4，然后在充分搅拌的同时以3ml/min的速度滴入溶解于95℃水中的有机高分子聚合物聚乙烯醇，用于固定反硝化细菌激活剂于无机搭载体表面，最终实现有机高分子聚合物与无机搭载体的质量比为0.6：7，待混合液冷却至室温沉淀后，弃去上清液，下部沉积物制得的特异性反硝化细菌活化填充料；填充料装填完毕后，将该装置与好氧池和深度处理池连接，运行该装置，打开进水调节阀和回流调节阀，关闭出水调节阀，利用太阳能产生的动力从好氧池引入进水(利用荧光定量pcr的方法测得好氧池进水中土著反硝化细菌的数量为10⁵-10⁶copies/l)，实现工艺起始阶段系统内部的自循环，时间为24小时，在此阶段反硝化细菌微生物进行挂膜培养，控制水利停留时间为8小时，通过荧光定量pcr的方法，得到加入好氧池进水反应24h后反硝化细菌活化填充料中的反硝化细菌数量约为10⁶-10⁷copies/g(即土著反硝化细菌的数量实现10倍增长)；最后，保持进水调节阀和回流调节阀打开，再打开出水调节阀，控制正常运行时进水流量0.9m³/h，控制水力停留时间为9小时，通过调节进水调节阀、出水调节阀和回流调节阀控制进出水比例和内循环比例为400％。反硝化细菌在这个过程中不断去除好氧池进水中的硝态氮，并且氧化fe²⁺形成fe³⁺以无定形fe³⁺矿物为主，菌体沉积物中无机组成以fe为主，含有少量重金属as⁵⁺，在fe²⁺氧化殆尽的情况下no3^-的去除率达30～40％，as的去除率达30～40％。

将按照以下制备方法制备的反硝化细菌活化填充料填充在上述一种应用在处理单元中的太阳能厌氧反应器装置中：将质量比为3：0.5：0.5：3的无机搭载体硅胶、无机絮凝物聚合硫酸铁、无机金属盐氯化钾、活性炭，将其充分混合分散于80℃水中，待上述悬浊液冷却至40℃，加入反硝化细菌激活剂(激活剂由氯化亚铁、醋酸钠、蛋白胨、酵母膏、葡萄糖、氯化钠、琼脂、硝酸钾组成，各成分添加时质量比依次为1.2：2.5：16：3.5：1.5：6：13：2；加入所述的反硝化细菌激活剂时体系须冷却至40℃)，控制其与无机搭载体的比例为1，然后在充分搅拌的同时以3ml/min的速度滴入溶解于95℃水中的有机高分子聚合物聚乙烯醇，用于固定反硝化细菌激活剂于无机搭载体表面，最终实现有机高分子聚合物与无机搭载体的质量比为0.5：8，待混合液冷却至室温沉淀后，弃去上清液，下部沉积物制得的特异性反硝化细菌活化填充料；填充料装填完毕后，将该装置与好氧池和深度处理池连接，运行该装置，打开进水调节阀和回流调节阀，关闭出水调节阀，利用太阳能产生的动力从好氧池引入进水(利用荧光定量pcr的方法测得好氧池进水中土著反硝化细菌的数量为10⁶-10⁷copies/l)，实现工艺起始阶段系统内部的自循环，时间为24小时，在此阶段反硝化细菌微生物进行挂膜培养，控制水利停留时间为8小时，通过荧光定量pcr的方法，得到加入水体反应24h后反硝化细菌活化填充料中的反硝化细菌数量约为10⁷-10⁸copies/g(即土著反硝化细菌的数量实现10倍增长)；最后，保持进水调节阀和回流调节阀打开，再打开出水调节阀，控制正常运行时进水流量0.9m³/h，控制水力停留时间为9小时，通过调节进水调节阀、出水调节阀和回流调节阀控制进出水比例和内循环比例为400％。反硝化细菌在这个过程中不断去除好氧池进水中的硝态氮，并且氧化fe²⁺形成fe³⁺以无定形fe³⁺矿物为主，菌体沉积物中无机组成以fe为主，含有少量重金属pb⁵⁺，在fe²⁺氧化殆尽的情况下no3^-的去除率达50～60％，pb的去除率达40～50％。

利用本发明内容公开的技术方案进行调整制备不同的填充料，在进行污水处理时表现出与实施例基本一致的性质。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。