[发明专利]基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置及应用

说明书

本发明基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，包括生物膜载体和自曝气生物反应装置，自曝气生物反应装置包括筒盖、不锈钢轴、填充体和自曝气设备，自曝气生物反应装置顶部盖有筒盖，筒盖上设置用于带动不锈钢轴转动的电动机，自曝气生物反应装置中部为网筒状的填充体，沿填充体边沿排布若干个生物膜载体，自曝气设备包括设置于填充体底部的混气室和纵向贯穿于填充体内的曝气管，曝气管与填充体相通，不锈钢轴由上至下依次贯穿填充体和混气室，混气室内且位于不锈钢轴底部设置若干个叶轮，电动机带动不锈钢轴和叶轮同步运动。本发明提供的基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置，使用芦苇秸秆制成生物膜载体，可广泛应用于治理黑臭河道，降低环境污染。

技术领域

本发明涉及污水处理生态工程技术领域，具体涉及基于芦苇秸秆生物膜的自曝气装置及应用。

背景技术

城市黑臭河道整治是国家“水十条”部署的明确任务，也是广大群众期盼改善城市人居环境的攻坚之战。高TOC（TOC≥150mg/L）、高氨氮含量（8 mg/L）、低DO含量（2 mg/L）为黑臭水体的主要特征。实际治理过程中采用曝气的方法，提高水体溶解氧供应量和污染物质的氧化能力，进而达到恢复水体水质的目的。然而，在上述条件下氨氮通常较难以去除，究其原因主要是好氧条件下氮的去除需要好氧微生物和充足的碳源。在黑臭水体中水体内的C/N（TN≥50 mg/L）较高（通常为3:1-4:1），而在通常情况下，氮去除过程中需要的比例为20:1。因而，研发低成本碳源、高效去除水体氨氮（总氮）对提高水体污染治理效率有重要意义。

黑臭水体处理方法原理上可概括为物理、化学和生物方法，其中生物膜法是应用最广、最具发展前景的代表性工艺之一。生物膜内有硝化菌等功能微生物能将氮、磷等有机污染物质转化为自身营养物质，通过硝化和反硝化作用去除水体内的氨态氮和硝态氮等污染物质，从而净化水体。相较于传统的处理方式，该技术低成本、高效、生态友好等特征。

生物膜载体是生物膜法处理污水工艺中的重要组成部分，一般可分为无机类、有机类和天然可降解类三大类，其中无机类包括砾石、陶粒等，虽然机械强度高但比表面积较小，有机类包括聚丙烯等，但大多有毒有害、难降解、亲水性差、挂膜速度慢，需改性处理，废弃后易产生二次污染，天然可降解类包括秸秆、稻草等，这些材料成本低、取材方便，无二次污染，同时还对废物进行了资源化利用，可谓一举多得，但目前常用的天然可降解类材料大多存在机械强度低、使用寿命短的缺点。

芦苇生于江河湖泽、池塘沟渠沿岸和低湿地等，为全球广泛分布的多型种，其叶、叶鞘、茎、根状茎和不定根都具有通气组织，在净化污水中起到重要的作用。研究表明，芦苇秸秆以纤维素、半纤维素等组分为主，具有较强的释碳能力，可被微生物降解成溶于水的有机质，进一步为微生物提供电子和反硝化所需要的能量。从微观上，芦苇秸秆的分子链上有大量如氨基、羧基和羟基等活性官能团，对污染物有很好的络合吸附作用，同时可以与微生物表面的化学键结合，快速固定微生物，极大提高载体和微生物之间的结合强度，在对再力花、香蒲、芦苇和香根草残体简单处理后用作脱氮外加碳源的对比实验中，芦苇秸秆性能最优，前期释放量为114.4mg/L，后期保持在5-10mg/L，同时芦苇秸秆密度小于水，有很好的悬浮性能。

生物能够生存和发展的最基本条件是：平衡地心吸力，防御一切外力，适应自然环境，在长期的进化过程中自然而然地形成最合理、最稳定、最经济的结构形态。结构仿生就是从自然界物象的力学特性、结构关系、材料性能等汲取灵感并应用于现实结构设计中，如蜂房结构、蜻蜓翅膀结构。对于蜂房结构，高功效是其主要优点，体现在其可大大减少各种合力作用与结构自重，从受力的角度看，六边形网格单元可以有效地将质量从中心点散布开来，从而具有抵抗多源及多向侧力的强度和能力，其斜构件在抗侧力的同时也承担重力，蜂房结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构，在相同数量材料的条件下，可以使结构面积、跨度更大，重量更轻。对于蜻蜓翅膀结构，蜻蜓翅膀是具有优越性能和高度优化的受力结构，从翅膀结构中分离出四边形和六边形基本网格单元，其中，四边形网格刚度大，六边形网格所围的面积大，合理搭配四边形和六边形网格，可以使结构刚度和材料利用率得到优化，以达到加强结构从而抵抗因外界动力或压力等产生的弯矩的目的。