一种用于污水处理装置中填料表面生物膜削减清除的装置

1.本实用新型涉及一种用于污水处理装置中填料表面生物膜削减清除的装置，属于污水处理装置领域。


背景技术：

2.全球工农业的快速发展和城镇化进程的不断加快，已经严重破坏全球环境，使得水资源严重匮乏。为了满足全球不断增长的人口的用水需求，越来越多的污水处理厂和污水处理工艺被建造和开发，具体包括人工湿地、接触氧化污水处理装置、厌氧处理装置等。然而，在长时间运行的污水处理过程中，成分复杂的污水会造成污水处理装置的物理堵塞，化学堵塞和生物堵塞。
3.其中生物堵塞是造成污水处理系统堵塞的主要原因。生物堵塞主要是由于微生物及其在基质层中产生的胞外聚合物引起的。胞外聚合物是一种主要由多糖、蛋白质、核酸和脂质等组成的微生物代谢物，它们可以与污水处理装置中的无机或有机填料颗粒结合，在其表面形成粘稠的生物膜状物质，具有很高的附着力。适量的生物膜有利于污染物的去除，但过量的生物膜会使填料表面形成更多的粘性物质，可能会降低填料层的孔隙率，从而影响到污水处理装置的处理性能和使用寿命。因此，缓解或消除生物膜造成的堵塞是污水处理装置构建和运行中迫切需要解决的问题。
4.传统的预防和修复污水处理装置的生物堵塞技术包括添加絮凝剂或优化进水负荷和填料比等物化预处理方法，或者通过生物絮凝，物理接触氧化，微生物燃料电池等生物预处理方法，然而这些预处理方法没有从根本上解决生物堵塞的问题，还增加了污水处理装置的建造和运行成本，以及污水处理的占地面积。如何在不影响湿地的处理性能以及成本最优化的前提下，最大程度地削减填料表面生物膜是迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种用于污水处理装置中填料表面生物膜削减清除的装置。
6.一种用于污水处理装置中填料表面生物膜削减清除的装置，包括设置在污水处理装置两侧的超声波处理组件，用于处理填料表面的生物膜；设置于污水处理装置出水口一端的过滤组件；设置于过滤组件后的水质在线监测系统，用于实时监测出水口的水质和水流量；连接至超声波处理组件、过滤组件和水质在线监测系统的控制模块；所述超声波处理组件包括超声波发生器和与超声波发生器电连接的超声波换能器，所述超声波发生器控制超声波换能器产生空化效应使填料表面的生物膜被撞击脱落，设置超声波处理组件在过滤组件辅助下，能够在不影响污水处理装置性能的前提下，实现填料表面生物膜的高效清除和分离，减少污水处理装置的运行和维护成本，并且通过控制模块控制整个装置的运作，使过滤装置配合超声波处理组件灵活进行生物膜的分离过滤，增加了装置的实用性。
7.优选的，所述超声波换能器的数量至少为一个，所述超声波换能器为三明治式压
电换能器，三明治式换能器是最常见的一种结构形式，三明治式压电换能器可在外电场作用下产生各种振动变形并且能够产生强超声波辐射。
8.进一步的，所述超声波换能器由前盖板、压电陶瓷片、绝缘套筒、铜片电极、后盖板组成，通过预应力螺母、弹簧垫片和预应力螺栓固定，压电陶瓷片是由两片独立的、经过轴向极化处理的压电陶瓷组成，称之为“晶堆”，为换能器提供振动激励。
9.优选的，所述压电陶瓷片为钛酸铅压电陶瓷。
10.进一步的，所述超声波换能器的频率为20-100kw，可根据堵塞的严重程度调节换能器的频率。
11.进一步的，所述超声波发生器为它激式震荡电路结构，超声波放大电路包括线性放大电路和开关电源电路，较自激式震荡电路结构在输出功率增加10％以上。超声波放大电路形式采用线性放大电路和开关电源电路，具有转换效率高，不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化等优点。因此可以针对堵塞的轻重程度选择不同的工作频率。
12.进一步的，所述过滤组件包括可升降式架台和设置在可升降式架台上的过滤网组，所述过滤网组由保护层、阻挡过滤层和强度支撑层组成，其具体尺寸可根据污水处理装置出水口的尺寸进行设计和调整，保护层用于阻拦较大颗粒的砾石或杂质等，尺寸较大，阻挡过滤层可以由单层或多层扩张过滤网组成，强度支撑层是由不锈钢架组成，主要作用是防止过滤层的变形和损坏。
13.优选的，所述阻挡过滤层包括单层或多层扩张的过滤网，所述过滤网组的排列是由不同的孔径和密度的过滤网，按照从粗到细的顺序排列，使水流通过时多次改变流动方向，增大堵塞生物膜的分离效率。
14.优选的，所述过滤网的材质为不锈钢、高分子有机物、棉布或其他材料，可以根据污水处理装置中水质不同来进行组合搭配。
15.进一步的，所述控制模块包括动力设备控制电路模块和远程监控系统，所述远程监控系统用于实时监控各组件的运行状态，在某个组件出现故障时报警，提示及时进行故障维修，动力设备控制电路模块能够控制过滤组件中可升降式架台的上升和下降，以及超声波处理组件的开启和关闭处理。
16.本实用新型的有益效果如下：设置超声波处理组件在过滤组件辅助下，能够在不影响污水处理装置性能的前提下，实现填料表面生物膜的高效清除和分离，减少污水处理装置的运行和维护成本，并且通过控制模块控制整个装置的运作，使过滤装置配合超声波处理组件灵活进行生物膜的分离过滤，增加了装置的实用性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本实用新型的范畴。
18.图1为本实用新型的超声清除装置结构示意图；
19.图2为本实用新型中的换能器的结构示意图；
20.图3为本实用新型中的过滤网的结构示意图；
21.图4为本实用新型用于表面流潜流湿地的流程示意图；
22.图5为本实用新型用于水平流潜流湿地的流程示意图；
23.图6为本实用新型用于垂直流潜流湿地的流程示意图。
24.图中，1、进水口；2、污水处理装置；3、出水口；4、超声波发生器；
25.5、超声波换能器；51、前盖板；52、压电陶瓷片；53、绝缘套筒；54、铜片电极；55、后盖板；56、预应力螺母和弹簧垫片；57、预应力螺栓；6、过滤组件；61、保护层；62、阻挡过滤层；63、强度支撑层；7、水质在线监测系统；8、控制模块。
具体实施方式
26.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
27.需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
28.本实用新型所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本实用新型，而非对本实用新型保护范围的限制。
29.如图1-3所示，为本实用新型一种用于污水处理装置中填料表面生物膜削减清除的装置的实施例，包括设置在污水处理装置2两侧的超声波处理组件，用于处理填料表面的生物膜；设置于污水处理装置2出水口3一端的过滤组件6；设置于过滤组件6后的水质在线监测系统7，用于实时监测出水口3的水质和水流量；连接至超声波处理组件、过滤组件6和水质在线监测系统7的控制模块8；超声波处理组件包括超声波发生器4和与超声波发生器4电连接的超声波换能器5，超声波发生器4控制超声波换能器5产生空化效应使填料表面的生物膜被撞击脱落，设置超声波处理组件在过滤组件6辅助下，能够在不影响污水处理装置性能的前提下，实现填料表面生物膜的高效清除和分离，减少污水处理装置的运行和维护成本，并且通过控制模块8控制整个装置的运作，使过滤装置配合超声波处理组件灵活进行生物膜的分离过滤，增加了装置的实用性。
30.超声波换能器5的数量至少为一个，超声波换能器5为三明治式压电换能器，三明治式换能器是最常见的一种结构形式，三明治式压电换能器可在外电场作用下产生各种振动变形并且能够产生强超声波辐射。超声波换能器5由前盖板51、压电陶瓷片52、绝缘套筒53、铜片电极54、后盖板55组成，通过预应力螺母、弹簧垫片和预应力螺栓57固定，压电陶瓷片52是由两片独立的、经过轴向极化处理的压电陶瓷组成，称之为“晶堆”，为换能器提供振动激励。压电陶瓷片52为钛酸铅压电陶瓷。超声波换能器5的频率为20-100kw，可根据堵塞的严重程度调节换能器的频率。
31.前盖板51可以选用密度相对较小、声速较高的镁铝合金，后盖板55与预应力螺母相接触的端面设计有凸台，这样可改善接触质量。后盖板55可以选用密度相对较大的钢材，并且延轴线中心有孔洞，用以穿过预应力螺栓57，这种设计能最大限度减小后盖板55端面的能量辐射。铜片电极54的作用是将交变电场施加在压电体上，电极片通过导线与超声发生器连接，其尺寸与压电陶瓷片52基本相同，厚度为0.5mm。
32.超声波发生器4为它激式震荡电路结构，超声波放大电路包括线性放大电路和开关电源电路，较自激式震荡电路结构在输出功率增加10％以上。超声波放大电路形式采用线性放大电路和开关电源电路，具有转换效率高，不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化等优点。因此可以针对堵塞的轻重程度选择不同的工作频率。
33.控制模块8包括动力设备控制电路模块和远程监控系统，远程监控系统用于实时监控各组件的运行状态，在某个组件出现故障时报警，提示及时进行故障维修，动力设备控制电路模块能够控制过滤组件6中可升降式架台的上升和下降配合超声波处理组件的开启和关闭处理，在污水处理装置2的出水口3上也可以设置与动力设备控制电路模块相连接的出水阀，进一步增加动力设备控制电路模块的控制自动化程度。
34.远程监控系统可采用5g、以太网、或wifi等通讯方式进行连接，并采用vpn over p2p技术，结合rsa加密算法，确保通讯安全，动力设备控制电路模块采用plc控制模块8，对出水阀、超声波发生器4和过滤组件6进行控制，结合污水处理装置2中的污水实际情况控制开启和关闭。远程监控系统中采用的通讯方式和plc控制器是市场上的成熟技术，应用于多个领域，容易获取和使用，在此不多赘述。
35.如图1-3所示，为本实用新型一种用于污水处理装置中填料表面生物膜削减清除的装置的实施例，包括设置在污水处理装置2两侧的超声波处理组件，用于处理填料表面的生物膜；设置于污水处理装置2出水口3一端的过滤组件6；设置于过滤组件6后的水质在线监测系统7，用于实时监测出水口3的水质和水流量；连接至超声波处理组件、过滤组件6和水质在线监测系统7的控制模块8；超声波处理组件包括超声波发生器4和与超声波发生器4电连接的超声波换能器5，超声波发生器4控制超声波换能器5产生空化效应使填料表面的生物膜被撞击脱落，设置超声波处理组件在过滤组件6辅助下，能够在不影响污水处理装置性能的前提下，实现填料表面生物膜的高效清除和分离，减少污水处理装置的运行和维护成本，并且通过控制模块8控制整个装置的运作，使过滤装置配合超声波处理组件灵活进行生物膜的分离过滤，增加了装置的实用性。
36.本实施例与上述实施例不同的是，参阅图1-3，过滤组件6包括可升降式架台和设置在可升降式架台上的过滤网组，过滤网组由保护层61、阻挡过滤层62和强度支撑层63组成，其具体尺寸可根据污水处理装置2出水口3的尺寸进行设计和调整，保护层61用于阻拦较大颗粒的砾石或杂质等，尺寸较大，目数为10目；阻挡过滤层62可以由单层或多层扩张过滤网组成，强度支撑层63是由不锈钢架组成，主要作用是防止过滤层的变形和损坏。阻挡过滤层62包括单层或多层扩张的过滤网，过滤网组的排列是由不同的孔径和密度的过滤网，按照从粗到细的顺序排列，使水流通过时多次改变流动方向，增大堵塞生物膜的去除效率。过滤网的材质为不锈钢、高分子有机物、棉布或其他材料，可以根据污水处理装置2中水质不同来进行组合搭配，可以最大程度的分离胞外聚合物，减少超声清洗带来的二次污染。
37.过滤网也可以直接选用烧结金属过滤网，由单层或多层扩张不锈钢网组成，目数在100-300目之间，金属过滤网不仅过滤精度高、可靠性好，工艺流程稳定，同时具有承压强度高，操作压降小，耐腐蚀，适于进行反冲洗操作的特点，是一种非常理想的高效过滤材料，综合特性明显优于高效玻璃纤维滤纸和滤膜材料。
38.污水处理装置2包括人工湿地、接触氧化污水处理装置、厌氧处理装置等，设置有一个进水口1和一个出水口3，在污水处理装置2或装置长时间运行后，生物膜和微生物代谢
物会附着在填料或植物根系表面，形成粘稠的污泥状物质，降低污水处理装置的孔隙率和处理性能。
39.通过水质在线监测系统7定期监测出水口3的水流量和水质情况，在监测到水质和水流量降低到一定数值后，将信息传递给控制模块8，控制模块8可以控制超声波发生器4的电源和频率，产生的声能再通过换能器转换成机械振动。由于受到超声波的辐射，使污水处理装置2或装置中的液体微气泡能够在声波的作用下从而保持振动，使得液体不断产生气泡的同时破碎气泡，由于气泡破裂而产生的强烈冲击力可以将填料表面或植物根系表面的生物膜撞击下来，即空化效应。脱落的生物膜或其它胞外聚合物会随着水流从出水口3流出，此时可以通过控制模块8中的动力设备控制电路模块降下过滤组件6，用于收集清洗去除的生物膜或其它堵塞物。同时，进一步通过水质在线监测系统7检测水流量，在水流量较低时，启动连接的警示设备，提醒过滤组件6的清洗和更换的工作。水质在线监测系统7主要检测的水质指标包括溶解氧、cod以及氨氮等，在监测到出水口3的水质或水流量不达标时，启动超声波发生器4的同时降下过滤组件6，实现生物膜的同步去除和分离。同时在监测到出水口3的水质正常后，关闭超声波发生器4的同时升起过滤装置，正常出水。
40.在表面流潜流湿地系统中对生物膜进行超声波清洗时，如图1和图4，需要净化的水体从进水口1进入生态砾石床2后，再通过出水口3排出，长时间运行后，生物膜和微生物代谢物会附着在砾石和植物根系表面，形成粘稠的污泥状物质，降低人工湿地的孔隙率和处理性能。使用本实用新型中的装置，利用水质在线监测系统7定期监测出水口3的水流量和水质情况，在监测到水质和水流量降低到一定数值后，将信息传递给控制模块8，控制模块8开启超声波发生器4和超声波换能器5，调节匹配的超声波发生器4电源和频率，产生的声能再通过换能器转换成机械振动，由于受到超声波的辐射，生态砾石床中的液体微气泡能够在声波的作用下从而保持振动，产生空化效应使附着的生物膜脱落，脱落的生物膜或其它胞外聚合物会随着水流流出，通过控制模块8中的动力设备控制电路模块降下过滤组件6进行过滤，和水质在线监测系统7检测，水质达标后，过滤组件6上升，正常出水，并且检测在过滤组件6过滤后的水流量，在水流量较低时，启动警示装置，提醒过滤网的清洗和更换的工作。
41.同理还可以应用于水平流潜流湿地系统中，如图1和图5，需要净化的水体从进水口1进入生态砾石床2后，再通过出水口31排出。经水质检测模块7检测后，需要进行清除过滤时，控制模块8控制出水口31和32的开关，关闭出水口31的同时打开出水口32，经过超声波发生器4、超声波换能器5和过滤组件6净化过滤后，通过出水口32排出并分离，超声波换能器5的数量和规模可根据实际湿地规模进行调整，放置在湿地的底部可以自下而上的产生空化效应，更好地对污水进行净化。
42.进一步还可以应用于垂直流潜流湿地系统中，如图1和图6，需要净化的水体从进水口1进入生态砾石床2后，再通过出水口3排出。经水质检测模块7检测后，需要进行清除过滤时，控制模块8控制出水口3的开关，经过超声波发生器4、超声波换能器5和过滤组件6净化过滤后，通过出水口3排出并分离，超声波换能器5的数量和规模可根据实际湿地规模进行调整，放置在湿地的侧部更有利于生物膜和胞外聚合物的过滤和分离。
43.以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
44.虽然已经参考若干具体实施例描述了本实用新型，但是应当理解，本实用新型不限于所公开的具体实施例。本实用新型旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等效布置。