CN110902815B - 一种用于废水的好氧生物处理水平转鼓反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于废水的好氧生物处理水平转鼓反应器及其应用。该反应器包括水平转鼓(9)，水平转鼓(9)的鼓面设有孔眼，水平转鼓(9)的鼓面可填充固定化微生物或固定化酶(10)，水平转鼓(9)内部的中轴线位置设置转轴(5)，转轴(5)的一端连接电机(6)。该反应器适用于多种氧化酶及好氧微生物，能显著提高固定化微生物及固定化酶的热稳定性和重复使用效率，从而提高废水处理效率。

Description

一种用于废水的好氧生物处理水平转鼓反应器及其应用

技术领域

本发明属于废水处理反应器及其应用领域，特别涉及一种用于废水的好氧生物处理水平转鼓反应器及其应用。

背景技术

随着纺织工业的快速发展，染料的大量使用已成为世界各国的必然趋势。然而，高达50％的染料并没有固定在纺织纤维上，而是作为液相污染物残留下来。大多数染料具有毒性并致癌，会对天然水体资源造成破坏。染料废水的排放需要规范标准，否则将导致我国生态环境的恶化。因此，对工业废水中染料的脱色和降解是一个世界性的研究热点。传统的污水处理方法主要有吸附法、活性炭法、溶剂萃取法、化学氧化法等。但这些方法存在着成本高、条件难控、操作复杂等缺点。近年来，生物降解法因其工作条件温和、环境友好、效率高等优点，在工业废水处理中得到了广泛的研究。在众多的生物降解方法中，微生物***和酶***被证明是处理工业纺织废水的有效途径。许多微生物都被证实能有效用于染料废水的处理，如普通变形杆菌、北格力丝孢菌、粪肠球菌、白腐真菌、彩绒革盖菌等。而用于印染废水处理的生物酶包括木素过氧化物酶、漆酶、辣根过氧化物酶、大豆过氧化物酶、酪氨酸酶、多酚氧化酶、偶氮还原酶等。

在污水实际处理过程中，游离的微生物或酶蛋白由于制备成本较高且易失活，限制了其大规模应用。固定化技术为提高微生物或酶的重复使用率和稳定性提供了有利保障。多种材料可用作微生物和酶的固定化载体，如有机材料——细菌纳米纤维素、聚丙烯腈、海藻酸盐等，无机材料——二氧化硅、活性炭、碳纳米管和石墨烯等。为提高固定化微生物及固定化酶处理废水的进程，多种反应器被设计并开发用于废水处理，如膜生物反应器(CN209292066U)、双室生物反应器(CN105565586A)、曝气生物流化床反应器等(CN102583911A)。然而，这些反应器的设计大多针对于操作的便利性，而忽略了微生物及酶的生物特性。此外，这些反应器大多需要额外的曝气装置，并且稳定性差，易导致微生物及酶失活，废水处理效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于废水的好氧生物处理水平转鼓反应器及其应用，以克服现有技术中固定化微生物或固定化酶处理废水时效率低、稳定性差以及重复使用性差等缺陷。

本发明提供一种好氧生物处理水平转鼓反应器，所述反应器包括水平转鼓，所述水平转鼓的鼓面设有孔眼，所述水平转鼓的鼓面可填充固定化微生物或固定化酶，所述水平转鼓内部的中轴线位置设置转轴，所述转轴伸出水平转鼓的一端连接电机。

所述水平转鼓的鼓表面由网眼材料和/或者横辐条构成。

所述横幅条的个数至少3个。

所述水平转鼓为可更换式转鼓网仓。

所述水平转鼓的鼓表面的网眼尺寸根据固定化微生物或固定化酶的载体进行调整。

所述水平转鼓由电机带动进行转动。

所述水平转鼓的两端鼓面全封闭或者由辐条支撑。

所述水平转鼓内部可填充固定化微生物或固定化酶。

所述固定化微生物或固定化酶的形态包括膜状、条带、块状、颗粒中的至少一种。

所述固定化微生物或固定化酶通过磁性物质吸附在水平转鼓的鼓面。

所述固定化微生物或固定化酶的载体包括有机高分子聚合物、无机物、纳米纤维素或细菌纤维素。

所述固定化微生物或固定化酶的载体还包括磁性物质，以利于吸附在金属转鼓上。

所述反应器还包括横卧式罐体，所述横卧式罐体的顶部两侧分别设有进气口、出气口，所述横卧式罐体的一端设置进水口和出水口，所述水平转鼓设置在横卧式罐体内部。

所述转抽伸出横卧式罐体的一端连接电机。

所述进气口、出气口分别位于水平转鼓靠近两端的上边。

所述横卧式罐体可部分打开更换转鼓和去除污泥。

本发明中水平转鼓的两端鼓面由辐条支撑时，废水可以进入鼓内，鼓面的内表面和外表面均可同时安装固定化微生物和酶，可以增加反应面，进一步提高处理效率。

本发明反应器仅为水平转鼓时废水液面不应超过水平转鼓的中轴线，以保证始终有部分转鼓暴露于空气中。本发明反应器包括水平转鼓和横卧式罐体时水体积不应超过罐体体积的三分之二，以保证转鼓部分置于空气中。

本发明中水平转鼓的转速可依据实际情况进行设定，以满足最大脱色需求。

本发明还提供一种好氧生物处理水平转鼓反应器在废水处理中的应用。

本发明设计结构合理，充分利用废水处理过程需氧的特性，能有效解决固定化微生物及固定化酶处理废水时效率低、稳定性差以及重复使用性差等问题。

本发明涉及的水平转鼓的鼓表面由网眼材料和/或者横辐条构成，当鼓表面由网眼材料构成时，可以加入横辐条，也可以不加入横辐条，横辐条起到支撑作用，鼓表面可以填充各种形态的固定化微生物或固定化酶；当鼓表面由横辐条构成时，鼓表面可以缠绕固定化微生物或固定化酶膜或条。

有益效果

(1)本发明通过转鼓转动起到搅拌作用，既让更多空气中氧溶解于水体中，又在转鼓露出水体暴露于空气时，让固定化微生物和酶充分利用空气中氧，无需额外曝气装置，有效克服了废水处理过程中氧不足缺陷，有效提高了废水处理效率并削减了处理成本。

(2)本发明处理过程中总有部分转鼓暴露于空气中，有效避免了预热废水对微生物以及酶的灭活作用。

(3)本发明转鼓对固定化微生物及固定化酶进行了二次加固，避免了处理过程中固定化颗粒之间相互碰撞造成微生物以及酶活损失，有效提高了重复使用率。

(4)本发明利于更换固定化微生物和固定化酶，利于处理污泥。

(5)本发明适用于多种氧化酶及好氧微生物，能显著提高固定化微生物及固定化酶的热稳定性和重复使用效率，从而提高废水处理效率。

附图说明

图1是本发明废水处理反应器的透视结构示意图，其中8为废水。

图2是本发明废水处理反应器转鼓结构示意图。

图3是传统搅拌式废水处理反应器的透视结构图，其中，8为废水，10为固定化微生物或固定化酶，12为搅拌器，15为反应容器。

图4是本发明不同形态固定化微生物或固定化酶在反应器中的应用，其中13为条状固定化微生物或固定化酶；14为膜状固定化微生物或固定化酶。

图5是本发明实施例3所用黄胞原毛平革菌菌丝的SEM微观照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

活性艳蓝19和活性黑KN-B购自国药集团化学试剂有限公司；实际工厂废水取自上海某纺织印染厂，废水主要来源于漂炼(包括退浆、煮炼等)、染色、皂洗等生产工序，另外还有少量的生活污水；白腐真菌——彩绒革盖菌Trametes versicolor PRL572和Coriolusversicolor MTCC138购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)。废水脱色率通过检测处理前后废水最大吸收波长的变化值得出；微生物或酶蛋白的相对活力通过一定时间内对某一废水脱色率的差异值计算得出；BOD和COD值通过COD/TOC多参数测量仪(德国Lovibond，ET99731)测出。

细菌纤维素固定化漆酶(长条膜状)的制备方法根据中国专利CN101967471A，即为：

(1)从活化的斜面菌种(木醋杆菌)上挑取1环单菌落接种于100mL无菌的种子培养基中，30℃，100-200rpm条件下培养12h后作为种子液，种子培养基包含(质量百分比)：甘露醇2.5％，酵母粉0.5％，胰蛋白胨0.5％，pH5.0。以10％接种量将液体种子转接至发酵培养基中，发酵培养基包含(质量百分比)：甘露醇2.5％，酵母粉0.5％，胰蛋白胨0.3％，pH5.0；25-30℃，静置培养14d，倾滤，收集细菌纤维素膜。将发酵收集得到的细菌纤维素膜用0.1w/v％的NaOH水溶液在80℃水浴中处理至膜呈乳白色半透明，用去离子水漂洗4次，收集，用0.1％的醋酸中和膜内残留的碱液，静置过夜，用去离子水漂洗至中性，滤纸吸干膜表面水分，将膜切成边长30mm的膜长条，在液氮中速冻或在低温冰箱里冷冻，然后在冷冻干燥机中干燥，备用。膜的宽度和长度可以根据后期的应用进行调整。

(2)向50mL烧杯中加入pH5.0、酶活单位1000U/L的漆酶酶液10mL，加入0.2g冻干的细菌纤维素膜长条并使其浸没，轻微振荡5min，在4℃条件下吸附24h，取出细菌纤维素膜长条，用200mM、pH5.2的醋酸-醋酸钠缓冲溶液漂洗1次，吸干膜表面水分，4℃冰箱保存备用。

海藻酸钙固定化黄胞原毛平革菌NDM3-2(颗粒状)的制备方法为：先将黄胞原毛平革菌NDM3-2孢子接入PDA培养液中，30℃,150r/min培养出菌丝体悬液(浓度为30g/L)。将菌丝体悬液倒入5％的海藻酸钠水溶液中(菌丝体悬液与海藻酸钠水溶液的体积比为1:1)，搅拌均匀，将此混合液匀速滴入质量分数为5％的氯化钙溶液中常温下交联24h成颗粒状。

磁性颗粒固定化皮状丝孢酵母NCIM-3326的制备方法为：将皮状丝孢酵母NCIM-3326菌丝体悬液(50g/L)加入到壳聚糖溶液(10g/L)中，菌丝体悬液和壳聚糖溶液的体积比为1：1，向混合溶液中加入四氧化三铁颗粒(1L混合溶液加入50g四氧化三铁颗粒)，室温搅拌过夜，即得。

实施例1

本实施例提供一种好氧生物处理水平转鼓反应器，包括水平转鼓9，该水平转鼓9为可更换式转鼓网仓，该水平转鼓9的鼓表面由网眼材料构成(鼓表面可加横辐条11至少3个，也可不加横辐条11，横辐条11起到支撑作用)，该水平转鼓9的鼓面可填充固定化微生物或固定化酶10，该水平转鼓9内部的中轴线位置设置转轴5，该转轴5伸出水平转鼓9的一端连接电机6。

如网眼材料为柔性材料，则横幅条11起到支撑作用。如网眼材料为刚性材料，譬如金属网，则不需要横辐条11。如果水平转鼓9的鼓表面是由横幅条构成，则横幅条上可缠绕固定化微生物或固定化酶10的条13或者膜14(图4)。

该水平转鼓9由电机6带动进行转动。

该水平转鼓9的两端鼓面全封闭或者由辐条支撑。

该反应器还包括横卧式罐体7，该横卧式罐体7的顶部两侧分别设有进气口1、出气口2，该横卧式罐体7的一端设置进水口3和出水口4，水平转鼓9设置在横卧式罐体7内部，转轴5伸出横卧式罐体7的一端连接电机6。该进气口1、出气口2分别位于水平转鼓9靠近两端的上边。

实施例2

(1)配制浓度为50mg/L的活性艳蓝19水溶液为模拟废水。

(2)取250mL步骤(1)中的废水通过进水口3进入水平转鼓反应器内，使水平转鼓9部分置于废水中，部分置于空气中，其中，水平转鼓9的两端鼓面由辐条支撑，水平转鼓9的鼓面的外表面填充10g细菌纤维素固定化漆酶(膜状长条)，水平转鼓9的鼓表面的网眼尺寸为30目。

(3)将水平转鼓9的转速设置为25rpm，于室温在上述条件下处理5h，并根据前面统一给出的检测方法进行检测处理后废水的脱色率、COD去除率、BOD去除率。

(4)连续处理10次后根据前面的方法检测剩余固定化漆酶相对活力。

(5)取相同量的废水及固定化漆酶置于搅拌器12中进行同样的处理，用作对照。

实施例3

(1)配制浓度为50mg/L的活性黑KN-B水溶液为模拟废水。

(2)取250mL步骤(1)中的废水通过进水口3进入水平转鼓反应器内，使水平转鼓9部分置于废水中，部分置于空气中，其中水平转鼓9的鼓面的外表面填充60g海藻酸钙固定化黄胞原毛平革菌NDM3-2(颗粒状)，水平转鼓9的鼓表面的网眼尺寸为10目，水平转鼓9的两端鼓面由辐条支撑。

(3)将水平转鼓9的转速设置为30rpm，于室温在上述条件下处理24h，并检测处理后废水的脱色率、COD去除率、BOD去除率。

(4)连续处理10次后检测剩余固定化黄胞原毛平革菌NDM3-2相对活力。

(5)取相同量的废水及固定化黄胞原毛平革菌NDM3-2置于搅拌器12中进行同样的处理，用作对照。

实施例4

(1)取250mL实际工厂废水通过进水口3进入水平转鼓反应器内，使水平转鼓9部分置于废水中，部分置于空气中，其中水平转鼓9的鼓面的外表面吸附30g磁性颗粒固定化皮状丝孢酵母NCIM-3326，水平转鼓9的鼓表面的网眼尺寸为60-100目，水平转鼓9的两端鼓面由辐条支撑，。

(2)将水平转鼓9的转速设置为40rpm，于室温在上述条件下处理18h，并检测处理后废水的脱色率、COD去除率、BOD去除率。

(3)连续处理10次后检测剩余固定化皮状丝孢酵母NCIM-3326活力。

(4)取相同量的废水及固定化皮状丝孢酵母NCIM-3326置于搅拌反应器12中进行同样的处理，用作对照。

实施例5

(1)于液体培养基中培养彩绒革盖菌Trametes versicolor PRL572并形成菌丝悬液。

(2)以50目网眼网面转鼓缠绕培养基中的菌丝(干重20g)成膜，然后固定在水平转鼓9上，水平转鼓9的两端鼓面由辐条支撑，或者用含磁性的材料(膜、条块等)缠绕菌丝后，利用磁性吸附在水平转鼓9的金属网格里。

(3)取250mL来自于上海某纺织厂的实际工厂废水通过进水口3进入水平转鼓反应器内，使水平转鼓9部分置于废水中，部分置于空气中。

(4)将水平转鼓9的转速设置为50rpm。于室温在上述条件下处理24h，并检测处理后废水的脱色率、COD去除率、BOD去除率。

(5)连续处理10次后检测剩余固定化彩绒革盖菌的活力。

(6)取相同量的废水及固定化彩绒革盖菌置于搅拌反应器12中进行同样的处理，用作对照。

实施例2-5中处理后废水的脱色率、COD去除率、BOD去除率以及连续处理10次后的残余活力如表1所示。

或者采用Coriolus versicolor MTCC138形成菌丝悬液，通过以上类似的方法处理废水，得到的脱色率等实验数据和处理结果也类似。

表1

实施例6

本实施评估了水平转鼓生物反应器对提升固定化微生物及固定化酶的热稳定性效果。其具体步骤如下：

(1)将实施例2中的固定化漆酶、实施例3中的固定化黄胞原毛平革菌NDM3-2、实施例4中的固定化皮状丝孢酵母NCIM-3326以及实施例5中的固定化彩绒革盖菌PRL572分别于各实施例中的水平转鼓生物反应器中处理1小时，以PBS代替废水。

(2)设置处理温度为70℃，转速25rpm，并检测处理后残留菌活力及酶活力。

(3)将步骤(1)中固定化微生物及固定化酶在搅拌反应器中进行同样的处理作为对比。

本实施例中残留菌活力及酶活力如表2所示。

表2

对比例1

中国专利CN106976935A公开了回转式铁碳微电解反应器及废水处理方法。该反应器的设计主要是为了便于填料更换，而本发明则利用了转鼓在气液之间的转动为微生物或酶的生物处理反应提供充足的氧气。

专利CN106976935A“一种回转式铁碳微电解反应器及废水处理方法”中，该回转式铁碳微电解反应器包括带盖壳体、设置在带盖壳体两侧的进水管和出水管、设置在带盖壳体上的通气口、以及转鼓；转鼓上均匀开有孔眼，转鼓水平设置于带盖壳体内，且转鼓两端带有转轴，转轴伸出带盖壳体；一端转轴通过传动装置与电机相连；转鼓上设有能够掀开的盖体，转鼓内设有由筛网构成的筒体，筒体内装有铁碳填料。铁碳填料为铁精粉和焦煤以1:2.5的体积比在1000℃下烧结而成的球状体，铁碳填料的体积占筒体体积的2/3。试验废水经收集调节pH至2后，进入回转式铁碳微电解反应器，废水体积占带盖壳体体积的1/2，进入反应器前的进水水质指标如下：CODCr：90000mg/L；BOD5/COD：0.04；色度：8000。

最佳工艺条件如下：转鼓转速：1r/min；停留时间：10min；温度25℃。

经处理后出水水质指标如下：

COD去除率17％；BOD5/COD提高4倍；色度去除率75.2％。

由实施例和对比例的废水处理结果对比分析，可以看出废水经过本发明的水平转鼓生物反应器在一定工艺条件下处理后，COD去除率在79～90％，色度去除率在87～93％。与对比例1相比废水处理效果显著提升。此外，本发明使用微生物和酶作为废水处理活性物质，具有较好的环保性和可持续发展性。

Claims (6)

1.一种好氧生物处理水平转鼓反应器，其特征在于，所述反应器包括水平转鼓（9），所述水平转鼓（9）的鼓面设有孔眼，所述水平转鼓（9）的鼓面可填充固定化微生物或固定化酶（10），所述水平转鼓（9）内部的中轴线位置设置转轴（5），所述转轴（5）伸出水平转鼓（9）的一端连接电机（6）；

所述水平转鼓（9）内部可填充固定化微生物或固定化酶；

所述水平转鼓（9）的鼓表面由网眼材料和/或者横辐条（11）构成；

所述鼓表面横辐条（11）上可缠绕固定化微生物或固定化酶（10）的条（13）或者膜（14），或者所述固定化微生物或固定化酶（10）通过磁性物质吸附在水平转鼓（9）的鼓面；所述固定化酶为固定化漆酶，所述固定化微生物为固定化黄胞原毛平革菌NDM3-2或固定化彩绒革盖菌PRL572；

所述反应器还包括横卧式罐体（7），所述横卧式罐体（7）的顶部两侧分别设有进气口（1）、出气口（2），所述横卧式罐体（7）的一端设置进水口（3）和出水口（4），所述水平转鼓（9）设置在横卧式罐体（7）内部；

所述进气口（1）、出气口（2）分别位于水平转鼓（9）靠近两端的上边；

水体积不应超过罐体体积的三分之二，以保证转鼓部分置于空气中，有效避免了预热废水对微生物以及酶的灭活作用，所述水平转鼓（9）的转速为25rpm、30rpm、40rpm或50rpm，处理温度为70℃。

2.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述水平转鼓（9）为可更换式转鼓网仓；水平转鼓（9）的两端鼓面全封闭或者由辐条支撑。

3.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述固定化微生物或固定化酶（10）的形态包括膜状、条带、块状、颗粒中的至少一种。

4.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述固定化微生物或固定化酶（10）的载体包括有机高分子聚合物、无机物、纳米纤维素或细菌纤维素。

5.根据权利要求4所述反应器，其特征在于，所述固定化微生物或固定化酶（10）的载体还包括磁性物质。

6.一种如权利要求1所述反应器在废水处理中的应用。

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