CN117125833A - 一种紧凑型旋转式藻生物膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，菌藻生物膜反应器包括藻生物膜模块与导光模块，藻生物膜模块包括多个旋转构件和反应池，旋转构件中藻生物膜生长载体与动力传送带缠绕在主动轴与被动轴上，旋转构件顶端固定在固定架上，底端浸没在反应池中，由低速电机驱动旋转构件转动，导光模块包括可旋转式透镜支架，可旋转式透镜支架上端固定设有线性菲涅尔透镜，下端设有导光板，线性菲涅尔透透镜一侧设有步进电机，控制菲涅尔透镜随阳光角度转动，将阳光重定向并稳定聚焦于导光板入射端，为反应器内部提供稳定均匀的光照。本发明提高了阳光利用率，显著提高单位面积和空间的生物量，有利于处理效率提升，无需额外的曝气装置，增强了经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧凑型旋转式藻生物膜反应器，属于污水处理技术领域。
背景技术
目前主流污水处理工艺以活性污泥法为核心，存在能耗、药耗高的问题，有悖于污水处理行业低碳转型的发展方向。近年来，基于微藻的污水处理技术因其具有高效去除污染物(氮、磷、重金属、药物等)、固定CO2以及生产生物燃料等优势受到广泛关注，具有广阔应用前景。采用藻生物膜的形式进一步突破了悬浮式微藻处理技术生物质采收难的问题。然而，目前藻生物膜技术仍存在物质含量较低，导致单位面积负荷较低的问题。因此，开发更高效的紧凑型藻生物膜反应器势在必行。
N108163972A公开了一种基于除磷脱氮的菌藻旋转生物膜反应器***及应用，将先将预先挂好藻生物膜的柔性载体固定在传送带样式的可旋转装置上，旋转装置放置于活性污泥池上方，旋转件底部与废水和活性污泥接触，形成与活性污泥的耦合关系，用于去除污水中的有机物、氮、磷等物质；另一方面，旋转件上端暴露在阳光和空气中，使藻类通过光合作用产氧和生长。上述方法存在以下问题：(1)藻生物膜***中垂直放置的旋转构件之间需要预留较大的距离避免相互遮挡，为确保每个旋转构件上的藻生物膜都能受到充分的光照，这限制了单位面积上藻生物膜的量，间接增加了装置占地面积。(2)阳光照射角度随时间变化，容易出现光照不均匀导致处理效果不稳定的情况：一方面，在太阳入射角较大时(早、晚)，膜间容易互相遮挡；另一方面，在太阳入射角较小时，大量阳光直接照射在旋转构件间隙，导致阳光利用率低。(3)将藻生物膜与活性污泥耦合在一起，仍需要曝气消耗大量能量，未能充分利用藻生物膜减污降碳协同增效的优势，而且曝气容易导致藻生物膜脱落，且在接触过程活性污泥容易附着在藻生物膜上，也不利于藻生物膜的光合作用。
有部分发明采用导光板提高反应器内部光照，增加藻生物膜生长量。例如，CN111647501A公开了一种基于导光载体的多层堆叠吸附式微藻生物膜光生物反应器。该反应器由多层堆叠的固体导光板组成且每层固体导光板左侧安装LED灯条，导光板作为光源传输、转化介质和吸附式微藻生物膜载体，实现多层堆叠培养微藻细胞，提高单位占地面积微藻生物质产量。另外，CN112852588A公开了一种导光三维多孔生物膜基底反应器及培养微藻生物膜的方法。该反应器主体内放置具有三维多孔结构的导光生物膜载体，每层导光生物膜内均嵌设有侧导光光纤，并通过光纤收集器与光纤专用光源连接，导光生物膜内还均匀添加有导光纳米颗粒，导光纳米颗粒将侧导光光纤接收的光向四周均匀的散射。但这些方法受制于导光板需固定、且入光端较窄，无法有效利用角度持续变化的阳光，因此只能使用固定的人工光源(如LED灯带和光纤等)，这无疑增加了运行成本，不符合低碳的理念。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种紧凑型旋转式藻生物膜反应器，通过搭载导光模块提高阳光利用效率，允许垂直旋转的藻生物膜载体设置距离更紧密，且无需依赖活性污泥***，可显著提高单位面积生物质的量，从而提高污水处理和产藻效率，可实现污水的高效低碳处理。
技术方案：本发明所述的一种紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，所述紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器由藻生物膜模块与导光模块嵌合组成，其中，所述藻生物膜模块包括多个旋转构件和反应池，所述反应池上部设有固定架，所述旋转构件包括低速电机、藻生物膜生长载体和动力传送带，所述低速电机固定在固定架上部，所述低速电机一侧连接有主动轴，所述反应池中的液面以下设有被动轴，所述藻生物膜生长载体以动力传送带缠绕在主动轴和被动轴上，所述导光模块包括可旋转式透镜支架，所述可旋转式透镜支架上端固定设有线性菲涅尔透镜，所述可旋转式透镜支架下端设有导光板，所述线性菲涅尔透透镜一侧设有步进电机，所述步进电机设于固定架上。
进一步地，所述旋转构件的数量为2个以上。
进一步地，所述线性菲涅尔透透镜可由步进电机带动随阳光角度变化缓慢转动，使阳光始终线性聚焦在导光板的一侧，在导光板形成面光源，所述导光板平行固定在相邻的旋转构件之间。
更进一步地，所述线性菲涅尔透镜设于两个相邻的旋转构件的顶端，所述导光板垂直插在相邻的旋转构件中间，平行于藻生物膜生长载体表面。
进一步地，所述可旋转式透镜支架的底座呈“人”字型。
进一步地，所述藻生物膜生长载体为柔性材料。
更进一步地，所述柔性材料为硅胶薄膜、尼龙布、棉麻制品或柔性塑料。
进一步地，所述低速电机连接主动轴进行旋转，由动力传送带驱动浸没在反应池液面下的被动轴转动，可使藻生物膜生长载体随动力传送带在气-液介质中交替转动。
进一步地，所述步进电机和低速电机可同侧放置或异侧设于固定架上。
进一步地，所述反应池一侧底部设有进水口，相对于进水口的另一侧设有出水口。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)本发明通过重定向光照，充分利用菌藻生物膜反应器内部空间，采用相同的占地面积和垂直空间可设置更多的旋转构件，显著提高生物量，有利于处理效率提升。
(2)本发明提高了阳光利用率，减少了阳光入射角度改变及相邻藻生物膜间相互遮挡导致的光照不均匀问题，有利于提高反应器的稳定性。
(3)本发明生物***组成简单，避免了污泥附着在藻生物膜上造成遮挡，且无需额外的曝气装置，减少了曝气导致的藻生物膜脱落风险，同时节省了额外曝气带来的电力消耗，增强了经济性。
附图说明
图1为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器中藻生物膜模块正视图；
图2为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器中藻生物膜模块左视图；
图3为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器中藻生物膜模块俯视图；
图4为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器中导光模块正视图；
图5为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器中导光模块左视图；
图6为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器中导光模块俯视图；
图7为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器中导光模块原理图；
图8为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器正视图；
图9为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器左视图；
图10为本发明紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器俯视图；
图11为实例1中所述紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器正视图；
图12为实例1中所述紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器左视图；
图13为实例1中所述紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器俯视图；
图14为实施例2中所述紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器处理污水效果图；
图15为实施例3中拆除导光模块后菌藻生物膜反应器反应器处理污水效能及藻生物膜生长情况变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明所述一种紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，如图1-6所示，由藻生物膜模块与导光模块嵌合组成，其中，如图1-3所示，藻生物膜模块包括多个旋转构件和反应池5，反应池5上部设有固定架6，旋转构件包括低速电机1、藻生物膜生长载体2、主动轴3、被动轴4和动力传送带9，低速电机1固定在固定架6上部，低速电机1一侧连接有主动轴3，被动轴4设于反应池5中的液面以下，与主动轴3垂直设置。藻生物膜生长载体2以动力传送带9缠绕在主动轴3和被动轴4上，反应池5一侧底部设有进水口8，相对于进水口8的另一侧设有出水口7。
藻生物膜生长载体2为硅胶薄膜、尼龙布、棉麻制品、柔性塑料等柔性材料，具有调速功能的低速电机1连接主动轴3进行旋转，由动力传送带9驱动浸没在反应池5液面下的被动轴4转动，使负载的藻生物膜生长载体随动力传送带9在气-液介质中交替转动。
多个垂直于地面、平行排列的旋转构件与反应池5组成藻生物膜模块的主体部分。固定架6用于放置低速电机1并保持紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器整体结构的稳定。反应池5由其底部进水口8注入污水，由另一侧上部出水口7排出处理后的净化水。需要指出的是，为展示目的，附图1-3中的旋转构建模块间距离较远，在应用中应根据实际需要动态调整相邻旋转构件间的距离，以充分利用导光板分散后的光照。
如图4-6所示，导光模块包括步进电机10、可旋转式透镜支架11、线性菲涅尔透镜12、导光板13。线性菲涅尔透镜12固定在可旋转式透镜支架11上，可旋转式透镜支架11的底座呈“人”字型，导光板13设置于“人”字型底座下端，线性菲涅尔透透镜12一侧设有步进电机10。阳光由线性菲涅尔透镜12聚焦成线性窄光带，线性菲涅尔透透镜12由步进电机10带动随阳光角度变化缓慢转动，使阳光始终线性聚焦在导光板13的一侧，在导光板13形成面光源(光路原理如图7所示)。导光板13平行固定在相邻的藻生物膜旋转构件之间，为两侧的藻生物膜提供均匀稳定的光照。
将数个导光模块(数量为旋转构件的数量-1)置于藻生物膜反应器中，使线性菲涅尔透镜12处于两个相邻的旋转构件的顶端，导光板13垂直插在两个旋转构件中间，平行于藻生物膜生长载体2表面。步进电机10置于固定架6上，为展示方便，附图10中步进电机10与低速电机1分列藻生物膜反应器两侧固定架6，实际情况中可视步进电机10和低速电机1大小和放置空间大小选择同侧放置或异侧放置。综上所述形成了本发明所述的紧凑型旋转式藻生物膜反应器(如图8-10所示)。
实施例1
按照前述的形式搭建了一台包含7个旋转构件的藻生物膜模块和6套导光模块的紧凑型藻生物膜反应器，如图11-13所示，其中，主动轴3一端通过联轴器连接、凸缘连接及同轴连接的方式与低速电机1相连，另一端与固定架6上轴承相连。低速电机1搭载电控模块可调节驱动主动轴3的转速，转速范围为1RPM到300RPM。主动轴3与被动轴4通过齿轮与带齿的动力传送带9相连，主动轴3在上，被动轴4在下，主动轴3旋转时通过动力传送带9的力传导作用带动被动轴4同步运动。柔性藻生物膜生长载体2环绕在主动轴3与被动轴4上呈传送带形式转动。旋转构件与反应池5构成藻生物膜模块，实际运行时旋转构件底部浸没在反应池5液面下，被动轴4两端通过轴承固定在反应池5的液面下。柔性藻生物膜生长载体2呈传送带形式转动时使得负载在柔性藻生物膜生长载体2上的藻生物膜在气-液界面循环运动。出水口7安装在反应池5的液面处，进水口8安装在出水口7对侧的反应池5的壁底部。固定架6的底座与反应池5连接。固定架6上端的两个承重平台分别位于反应池5上方两侧，用于架设旋转构件及导光模块。步进电机10与可旋转式透镜支架11的底部转轴一端相连，另一端与“人”字型支架底座上的轴承连接。步进电机10内置可编程***以精确控制可旋转式透镜支架11的转动，使线性菲涅尔透镜12平面始终与入射阳光保持垂直。导光板13顶端两侧固定在固定架6上，垂直悬挂于相邻的藻生物膜旋转构件间隙中，与藻生物膜平面平行。线性菲涅尔透镜12汇聚阳光的聚焦处为导光板13入射端，聚集的入射光经导光板13均匀分散后为两侧的藻生物膜提供稳定光照。在本实例中6套导光模块分列在7个旋转构件间隙。
由此，在相同占地面积和藻生物膜垂直高度下，相比于常规旋转式藻生物膜反应器，本发明所述紧凑型旋转式藻生物膜反应器可多设置2-3倍数量的旋转构件，极大提高土地利用率及反应器容积负荷，进而降低藻生物膜处理污水的成本，提高处理效率。
实施例2
利用实施例1中所述的菌藻生物膜反应器进行污水处理，其步骤为：
1、从实际污水处理厂的二沉池壁获取藻生物膜群落，接种至藻生物膜生长载体2上，并浸入模拟典型市政污水水质(废水COD 180mg/L，总氮40mg/L，总磷3.5mg/L)的合成废水中进行挂膜。
2、将挂膜完成的柔性藻生物膜生长载体2搭载在旋转构件的主动轴3与被动轴4上，菌藻生物膜反应器以序批模式运行，每日早6点处理后的水由出水口7排出，新配置的合成废水由进水口8注入。相应的水力停留时间为24h，并设置收获间隔20d。
3、采用重铬酸钾法(HJ 828-2017)、碱性过硫酸钾紫外分光光度法(HJ 636-2017)、钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)分别测定出水样品中COD、总氮与总磷浓度，测样间隔为两天一次，共运行一年。结果如图14所示。由图14可以看出，采用本方法处理典型市政污水，可使出水COD稳定<30mg/L，总氮稳定<2mg/L，总磷稳定<0.5，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中规定的一级A标准限值。
对比例1
菌藻生物膜反应器与实施例1中的相比，仅是将菌藻生物膜反应器反应器中的导光模块拆除，实验步骤同实施例2，与实例2对比，比较拆除导光模块后的反应器处理效果及藻生物膜生长情况变化。藻生物膜生长情况用单位面积生物量(g VSS/m2)及叶绿素a含量(mg Chla/g VSS)表示。生物量采用称重法测定，叶绿素a含量采用分光光度法测定。结果如图15所示。由图15可见，对比例1拆除导光模块后，反应器出水COD、总氮和总磷的浓度均升高，而单位面积生物量及叶绿素a浓度显著下降。上述结果说明导光模块拆除后，光照不均匀导致藻生物膜生物量累积及藻类生长受到抑制，进而抑制了反应器的污水处理效能。因此，紧凑型反应器的优异处理效果仅能以本发明所述导光模块与反应器结合的方式实现。
Claims (10)
1.一种紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器由藻生物膜模块与导光模块嵌合组成，其中，所述藻生物膜模块包括多个旋转构件和反应池(5)，所述反应池(5)上部设有固定架(6)，所述旋转构件包括低速电机(1)、藻生物膜生长载体(2)和动力传送带(9)，所述低速电机(1)固定在固定架(6)上部，所述低速电机(1)一侧连接有主动轴(3)，所述反应池(5)中的液面以下设有被动轴(4)，所述藻生物膜生长载体(2)以动力传送带(9)缠绕在主动轴(3)和被动轴(4)上，所述导光模块包括可旋转式透镜支架(11)，所述可旋转式透镜支架(11)上端固定设有线性菲涅尔透镜(12)，所述可旋转式透镜支架(11)下端设有导光板(13)，所述线性菲涅尔透透镜(12)一侧设有步进电机(10)，所述步进电机(10)设于固定架(6)上。
2.据权利要求1所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述旋转构件的数量为2个以上。
3.根据权利要求2所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述线性菲涅尔透透镜(12)可由步进电机(10)带动随阳光角度变化缓慢转动，使阳光始终线性聚焦在导光板(13)的一侧，在导光板(13)形成面光源，所述导光板(13)平行固定在相邻的旋转构件之间。
4.根据权利要求3所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述线性菲涅尔透镜(12)设于两个相邻的旋转构件的顶端，所述导光板(13)垂直插在相邻的旋转构件中间，平行于藻生物膜生长载体(2)表面。
5.根据权利要求1所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述可旋转式透镜支架(11)的底座呈“人”字型。
6.根据权利要求1所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述藻生物膜生长载体(2)为柔性材料。
7.根据权利要求6所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述柔性材料为硅胶薄膜、尼龙布、棉麻制品或柔性塑料。
8.根据权利要求1所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述低速电机(1)连接主动轴(3)进行旋转，由动力传送带(9)驱动浸没在反应池(5)液面下的被动轴(4)转动，可使藻生物膜生长载体(2)随动力传送带(9)在气-液介质中交替转动。
9.根据权利要求1所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述步进电机(10)和低速电机(1)可同侧放置或异侧设于固定架(6)上。
10.根据权利要求1-9任一项所述的紧凑型旋转式菌藻生物膜反应器，其特征在于，所述反应池(5)一侧底部设有进水口(8)，相对于进水口(8)的另一侧设有出水口(7)。
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