申请日2015.09.02
公开(公告)日2015.11.18
IPC分类号C02F3/08; C02F3/02
摘要
本发明公开了一种生物膜污水处理装置及生物膜原位测试方法，该装置包括凹形水槽、生物膜载体盘片、转轴、转轴驱动装置、进水系统和出水收集系统。本发明提供的装置具备污水处理与生物膜原位样品采集测试两种功能;拆卸生物膜载体盘片上的生物膜试条进行载体盘片表面生物膜原位测试，攻克传统生物膜污水处理装置普遍存在的保持生物膜原有结构形态进行测试过程中生物膜样品采集困难的难题;脉冲电源驱动同步电机带动生物膜载体盘片定轴转动，实现定轴转速实时连续调整，为维持生物膜结构维持完整、生物膜表面剪切力量化模拟提供必要保障，解决传统齿轮箱调速转速实时调整困难，节约装置经济成本，减少装置占地面积。
摘要附图
权利要求书
1.一种生物膜污水处理装置，其特征在于，包括凹形水槽(1)、进水系统、出水收集系统和计算机(19);
所述的凹形水槽(1)由横置的半圆筒及分别固定于半圆筒两端的矩形板组成，矩形板上边缘与半圆筒的开口位于同一平面，矩形板的高大于半圆筒的半径，在半圆筒的轴线位置设有转轴(3)，转轴(3)的两端分别通过轴承(14)与两块矩形板连接，转轴(3)的一端与固定于该端矩形板上的同步电机(18)的输出轴相连，同步电机(18)由脉冲电源(17)驱动，在转轴(3)上同轴线地固定有若干圆形的生物膜载体盘片(2)，生物膜载体盘片(2)的正反盘面上沿径向随机地开有3-5条矩形凹槽(15)，在矩形凹槽(15)内无缝嵌有与生物膜载体盘片相同材质的生物膜试条(16)，生物膜试条(16)外表面与生物膜载体盘片(2)的盘面处于同一平面;
在凹形水槽(1)的两块矩形板中一块上开有进水孔(6)，另一块上开有出水孔(7)，凹形水槽(1)底部开有污水排空口(8);
所述的进水系统包括进水管路(10)、进水泵(11)和用于盛放待处理污水的集水池(9)，所述的出水收集系统包括出水泵(12)、出水管路(13)和用于盛放处理后污水的贮存池(20);进水泵(11)的进水口通过进水管路(10)连接集水池(9)，进水泵(11)的出水口连接凹形水槽(1)的进水孔(6)，凹形水槽(1)的出水孔(7)与出水泵(12)的进水口连接，出水泵(12)的出水口通过出水管路(13)连接贮存池(20)，在集水池(9)与贮存池(20)中均设有氨氮在线测试装置(4)和COD在线测试装置(5)，氨氮在线测试装置(4)和COD在线测试装置(5)分别与计算机(19)连接。
2.根据权利要求1所述的生物膜污水处理装置，其特征在于，所述的生物膜载体盘片(2)厚度为0.5~2cm，所述的矩形凹槽(15)深度为1~3mm。
3.根据权利要求1所述的生物膜污水处理装置，其特征在于，所述的矩形凹槽(15)的长度为生物膜载体盘片(2)半径的85%~100%，长宽比10：1~10：2。
4.根据权利要求1所述的生物膜污水处理装置，其特征在于，所述的生物膜载体盘片(2)半径为凹形水槽半径90%~95%。
5.根据权利要求1所述的生物膜污水处理装置，其特征在于，所述的进水孔(6)和出水孔(7)位于同一高度，且对称分设于凹形水槽(1)半圆筒的轴向对称面两侧。
6.根据权利要求1所述的生物膜污水处理装置，其特征在于，所述的转轴(3)的转速在1-300rpm范围内实时连续可调。
7.应用如权利要求1-6任一项所述的装置进行生物膜原位测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)开启进水泵(11)，将污水由集水池(9)连续泵入凹形水槽(1)，开启脉冲电源(17)驱动同步电机，带动转轴(3)以1~25rpm定轴转动，开启出水泵(12)，将处理后的污水由凹形水槽(1)泵入贮存池(20);
2)使凹形水槽(1)内液面高度浸没生物膜载体盘片面积的35%~40%;集水池(9)和贮存池(20)内的氨氮在线测试装置(4)与COD在线测试装置(5)均每24小时测试进水及出水氨氮及COD浓度，每次测试完后，排尽贮存池中的废水;当连续3~5天的出水氨氮及COD浓度标准差分别在±5%范围内时，装置处理污水效果达到稳定，关闭进水泵(11)、出水泵(12)及脉冲电源(17)，使生物膜载体盘片(2)停止转动，拆卸下满足测试需求数量的生物膜试条(16)，进行四组生物膜原位测试：
第一组：进行生物膜胞外多聚物内含的多糖、蛋白质荧光染料染色-共聚焦显微镜观测，获得生物膜内部不同厚度处微生物胞外多聚物空间分布影像照片;
第二组：置于原子力显微镜下通过探针头轻敲生物膜试条表面生物膜获得生物膜力学特征数据并分析生物膜微生物黏附力;
第三组：将生物膜试条表面生物膜经过荧光原位杂交-共聚焦显微镜观察，获得生物膜不同厚度处氨氧化菌、亚硝酸盐氮氧化菌及总细菌影像照片，计算氨氧化菌、亚硝酸盐氮氧化菌占总细菌的比例进行丰度分析;
第四组：置于微电极测试系统，获得氨氮、溶解氧、硝酸盐氮的在生物膜内部传质系数及传质动力学数学模型;
3)将生物膜载体盘片复位，重新开启进水泵(11)、出水泵(12)及脉冲电源(17)，改变进水水量或改变转轴转速，继续步骤2);
4)重复步骤3)直至实验设计的不同进水量和不同转速参数条件的测试均完成;
5)将每次生物膜原位测试的结果与该次生物膜污水处理装置中污水去除氨氮及COD浓度进行比对，获得生物膜结构及微生物学特征与污水处理效果的相关关系。
说明书
一种生物膜污水处理装置及生物膜原位测试方法
技术领域
本发明涉及一种生物膜污水处理装置及生物膜原位测试方法，属 于生物膜污水处理及载体表面生物膜原位测试技术领域。
背景技术
生物膜是由微生物及其表面分泌物，及其它杂质组成的膜状物 质。生物膜用于污水，主要是利用附着生长在固体表面的生物膜中微 生物代谢转化污水中生物利用的有机物、氨氮、磷等物质，实现污水 净化。生物膜法是污水处理的一种常规工艺，具有剩余污泥产生量少， 水质适应能力强，特别适用于处理低浓度污水，如地表水、水产养殖 养殖污水等。由于生物膜是污水处理系统的核心，有必要深入了解生 物膜特性与污水处理效果的相关关系，为提高生物膜污水处理系统的 处理效果提供理论依据。
目前，关于处理污水生物膜研究的一般步骤是在污水处理系统中 采用颗粒固体料、软性毛刷填料或者半软性复合塑料等填料，为微生 物附着生长形成生物膜提供附着表面，待生物膜形成后，改变污水处 理系统工艺参数，并在不同工艺参数条件下收集不同位置的填料，显 微镜下观察生物膜厚度，并刮取填料表面生物膜进行破坏性采样，进 行微生物种群多样性、功能微生物数量测试分析，探索生物膜特征与 污水处理效果的相关关系，为污水生物膜处理系统的工艺设计及运行 管理提供理论依据。然而，这种传统的研究方案，不能反映填料表面 生物膜真实条件下，生物膜内部质地结构、膜内外传质过程、生物膜 在填料表面的黏附力及生物膜脱落、微生物及其分泌物空间分布特 征、微生物菌落结构。另外，将生物膜填料表面面积小，显微镜观察 其表面生物膜难度极高、准确度难以保障。
生物膜内部质地结构直接影响污水中污染物在生物膜内部传质 过程，而膜内外传质效率影响膜内外微生物的生存和生长，从而影响 其对污染物的吸附和降解，这对污水中污染物去除有直接影响作用。 另外，生物膜在填料表面的黏附力与生物膜脱落之间存在密切的相关 关系。黏附力较强的情况下，生物膜不易脱落，可以持续在污水污染 物去除中发挥较大的作用。再有，微生物及其分泌物空间分布特征将 影响其对细胞的粘附和凝聚，从而决定生物膜整体结构的稳定性。因 此，有必要在维持生物膜结构的条件，对生物膜结构及微生物特征进 行深入探究。
发明内容
本发明为解决污水生物膜处理系统中生物膜样品原位分析取样 难题，提供一种生物膜污水处理装置及生物膜原位测试方法，研究原 位条件下生物膜微生物胞外多聚物空间分布、生物膜在载体表面的粘 附力、生物脱氮功能微生物丰度及空间分布特征等，为污水生物膜处 理系统设计及运行管理提供理论依据。
生物膜污水处理装置包括凹形水槽、进水系统、出水收集系统和 计算机;
其中，凹形水槽由横置的半圆筒及分别固定于半圆筒两端的矩形 板组成，矩形板上边缘与半圆筒的开口位于同一平面，矩形板的高大 于半圆筒的半径，在半圆筒的轴线位置设有转轴，转轴的两端分别通 过轴承与两块矩形板连接，转轴的一端与固定于该端矩形板上的同步 电机的输出轴相连，同步电机由脉冲电源驱动，带动转轴使其转速在 1-300rpm范围内实时连续可调。在转轴上同轴线地固定有若干圆形 的生物膜载体盘片，生物膜载体盘片的正反盘面上沿径向随机地各开 有3-5条矩形凹槽，在矩形凹槽内无缝嵌有与生物膜载体盘片相同材 质的生物膜试条，生物膜试条外表面与生物膜载体盘片的盘面处于同 一平面。凹形水槽的两块矩形板中一块上开有进水孔，另一块上开有 出水孔，底部开有污水排空口。进水孔与出水孔位于同一高度，且对 称分设于凹形水槽半圆筒的轴向对称面两侧。
进水系统包括进水管路、进水泵和用于盛放待处理污水的集水 池;出水收集系统包括出水泵、出水管路和用于盛放处理后污水的贮 存池。进水泵的进水口通过进水管路连接集水池，进水泵的出水口连 接凹形水槽的进水孔;凹形水槽的出水孔与出水泵的进水口连接，出 水泵的出水口通过出水管路连接贮存池。在集水池与贮存池中均设有 氨氮在线测试装置和COD在线测试装置，并且分别与计算机连接。
上述技术方案中，优选地，生物膜载体盘片厚度为0.5～2cm，生 物膜载体盘片半径为凹形水槽半径90%～95%。盘片上的矩形凹槽的 长度为生物膜载体盘片半径的85%～100%，长宽比10：1～10：2，深 度为1～3mm。
生物膜原位测试的方法包括如下步骤：
1)开启进水泵，将污水由集水池泵入凹形水槽，开启脉冲电源 驱动同步电机，带动转轴以1～25rpm定轴转动，开启出水泵，将处 理后的污水由凹形水槽泵入贮存池;
2)使凹形水槽内液面高度浸没生物膜载体盘片面积的 35%～40%;集水池和贮存池内的氨氮在线测试装置与COD在线测试 装置均每24小时测试进水及出水氨氮及COD浓度，每完成24h浓度 测量后，排尽贮存池中的废水。当连续3～5天的出水氨氮及COD浓 度标准差分别在±5%范围内时，装置处理污水效果达到稳定，关闭 进水泵、出水泵及脉冲电源，使生物膜载体盘片停止转动，拆卸下满 足测试需求数量的生物膜试条，进行四组生物膜原位测试：
第一组：进行生物膜胞外多聚物内含的多糖、蛋白质荧光染料染 色-共聚焦显微镜观测，获得生物膜内部不同厚度处微生物胞外多聚 物空间分布影像照片;
第二组：置于原子力显微镜下通过探针头轻敲生物膜试条表面生 物膜获得生物膜力学特征数据并分析生物膜微生物黏附力;
第三组：将生物膜试条表面生物膜经过荧光原位杂交-共聚焦显 微镜观察，获得生物膜不同厚度处氨氧化菌、亚硝酸盐氮氧化菌及总 细菌影像照片，计算氨氧化菌、亚硝酸盐氮氧化菌占总细菌的比例进 行丰度分析;
第四组：置于微电极测试系统，获得氨氮、溶解氧、硝酸盐氮的 在生物膜内部传质系数及传质动力学数学模型;
3)将生物膜载体盘片复位，重新开启进水泵、出水泵及脉冲电 源，改变进水水量或改变转轴转速，继续步骤2);
4)重复步骤3)直至实验设计的不同进水量和不同转速参数条 件的测试均完成;
5)将每次生物膜原位测试的结果与该次生物膜污水处理装置中 污水去除氨氮及COD浓度进行比对，获得生物膜结构及微生物学特 征与污水处理效果的相关关系。
本发明的有益效果是：
(1)部分生物膜载体盘片交替浸没在污水中，载体盘片表面上 的生物膜交替暴露在空气和污水中，生物膜微生物在有氧及缺氧环境 中生存并进行代谢活动，污水中污染物可被生物膜表面微生物吸附、 降解、转化分解，装置具有污水处理功能，同时装置生物膜载体盘片 上的可拆卸生物膜试条，可用于生物膜原位样品采集测试，装置具备 污水处理与生物膜原位样品采集测试两种功能，克服传统生物膜污水 处理装置普遍存在的生物膜原位分析困难，解决纯培养生物膜测试系 统不具备污水处理功能的问题。
(2)装置污水进水孔与出水孔斜对角布置、污水处理装置采用 凹形水槽及部分浸没在污水中的生物膜载体盘片转动的方式，减少污 水生物膜处理装置内部水流死区，提高装置污水处理效率，促进生物 膜在生物膜载体盘片上均匀生长，生物膜载体盘片表面随机设置矩形 凹槽，矩形凹槽内嵌可拆卸的生物膜试条，生物膜试条与载体盘片材 质及粗糙度相同，生物膜试条表面生物膜与生物膜载体盘片上生物膜 特征相同，通过拆卸生物膜试条，将黏附有生物膜的生物膜试条置于 测试仪器上进行微生物胞外多聚物染色-共聚焦显微镜图像测试、原 子力显微镜生物膜黏附力测试、荧光原位杂交-共聚焦显微镜脱氮功 能微生物测试、微电极生物膜内部氨氮、溶解氧、硝酸盐氮传质过程 测试，攻克传统生物膜污水处理装置普遍存在的保持生物膜原有结构 形态进行测试中生物膜样品采集困难的难题，将上述生物膜原位测试 数据结果与生物膜污水处理装置污水去除氨氮及COD效果进行比 对，较传统方法，为进一步明确生物膜原位结构及微生物学特征与污 水处理效果的相关关系，为生物膜污水处理装置设计及运行管理提供 可靠的微生物学理论依据。
(3)本发明提供的脉冲电源驱动同步电机带动生物膜载体盘片 定轴转动，与传统的电机与齿轮箱的组合控制系统相比，该脉冲电源 与同步电机组合可实现定轴转动速度实时连续微调，实时小幅变化转 轴转速为维持生物膜结构维持完整、生物膜表面剪切力量化模拟提供 必要保障，另外，与电机与齿轮箱传统组合方式相比，采用脉冲电源 与同步电机的组合方式驱动转轴的方式，无需中多个不同半径的齿轮 调速的形式，不仅节约装置经济成本，也可大幅减少装置占地面积。
