復合強化生物膜裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種復合強化生物膜裝置，包括生物膜組件和連接于生物膜組件上的光催化反應器組件，生物膜組件包括配重物和若干個條狀人工水草生物膜，條狀人工水草生物膜上附著設有降解水體中無機營養鹽和部分有機污染物的微生物，所有條狀人工水草生物膜底部固定連接有配重物，所有條狀人工水草生物膜頂部與光催化反應器組件連接；光催化反應器組件包括泡沫塑料載體、鋁片和納米二氧化鈦，泡沫塑料載體與條狀人工水草生物膜頂部固定連接，泡沫塑料載體上設有鋁片，鋁片上設有納米二氧化鈦。本實用新型將生物膜組件和光催化反應器組件結合，可布設于河道、湖泊等環境，用于降解水體有機污染物，治理水體富營養化，促進水生態系統的恢復。
【專利說明】
復合強化生物膜裝置
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及污水凈化領域，尤其涉及一種復合強化生物膜裝置，其是一種利用人工水草-藻菌生物膜和納米二氧化鈦去除水體污染物的原位水體凈化的裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國工業化、城鎮化的發展，出現了江河湖泊水庫水體富營養化、難降解有機物增加、低溶解氧、低透明度等問題，導致水質惡化，水生態系統遭到破壞，因此以改善水環境質量、恢復水生態原狀、提高水體自凈能力為目的的河道原位修復技術越來越得到重視。
[0003]目前，水體原位修復技術可以分為物理技術、化學技術和生物技術。物理技術主要通過打撈、疏浚等方法處理水體內的大型藻類、枯枝落葉、底泥等可見污染物，或通過曝氣增加水體內溶解氧濃度，為水生微生物好氧分解有機污染物提供條件，幫助河流生態系統恢復正常。例如浙江省在“十五”期間對全省1.11萬km河道進行了疏浚，總工程量近5億m3有效解決了浙江省內河道排澇不暢、黑臭、水環境狀況差等問題;在河道曝氣方面，上海蘇州河支流新徑港經過純氧曝氣后，新徑港黑臭河水得到改善，DO顯著升高；美國在Chesapeake海的Ham ewood運河河口安裝曝氣設備為水體充氧，使得河道內水質明顯凈化，生物量大量增加;上海張家浜河道通過曝氣復氧船的方式對黑臭河流進行水質恢復，取得顯著效果，且無二次污染。物理修復技術具有技術含量低、見效快等優點，但只是一種應急措施，很難從根本上解決水質污染問題。
[0004]水體化學處理技術是指通過添加化學試劑，析出水體中的有機污染物、改變水體中氧化還原電位、或者將水體中的懸浮物絮凝沉淀，使水體中污染物得以去除，如利用鐵鹽和石灰去除氮磷、利用除藻劑去除藻類等。王曙光等對深圳4條污染河水進行處理，處理后的河水水質達到國家地表水Π類標準;在日本，Sekine等將一種新型有機聚合凝結劑應用于Imou河水利丁程，也取得了明顯凈化效果。由于化學處理技術能迅速凈化污水，故在許多緊急事故處理中不可缺少。但化學處理技術容易造成二次污染，甚至可能會破壞原有生態系統。
[0005]生物處理技術是指通過利用水生動植物、微生物的正常生命活動，吸附、吸收、轉化水體中的污染物，從而達到水體水質凈化、生態恢復的目的，主要是水生植物治理技術，污染水體中種植適宜的水生植物，吸收、富集、轉化水體中的污染物，同時又可以為水生動物和微生物提供氧氣、食物和棲息環境，進而建立完善的生物網，達到水生態恢復的目的。
【實用新型內容】
[0006]針對現有技術存在的不足之處，本實用新型的目的在于提高生物膜法凈化水體的效率，同時促進對難降解有機污染物的去除，并提供一種復合強化生物膜裝置，將生物膜組件和光催化反應器組件結合，可布設于河道、湖泊及水庫等環境，用于降解水體有機污染物，治理水體富營養化，促進水生態系統的恢復。
[0007]本實用新型的目的通過下述技術方案實現:
[0008]—種復合強化生物膜裝置，包括生物膜組件和連接于生物膜組件上的光催化反應器組件，所述生物膜組件包括配重物和若干個條狀人工水草生物膜，所述條狀人工水草生物膜上附著設有降解水體中無機營養鹽和部分有機污染物的微生物，所有條狀人工水草生物膜底部固定連接有配重物，所有條狀人工水草生物膜頂部與光催化反應器組件連接;所述光催化反應器組件包括泡沫塑料載體、鋁片和納米二氧化鈦，所述泡沫塑料載體與條狀人工水草生物膜頂部固定連接，泡沫塑料載體上設有鋁片，所述鋁片上設有納米二氧化鈦，所述納米二氧化鈦納米材料的粒徑范圍為20nm?30nm，例如CAS編號為13463-67-7的納米二氧化鈦。
[0009]為了更好地實現本實用新型，所述納米二氧化鈦通過高溫燒結方法以低熔點玻璃粉為固定劑負載于鋁片頂部;所述高溫燒結方法的溫度為590°C?640°C，所述低熔點玻璃粉為熔融溫度為600°C ±10°C的玻璃粉。
[0010]進一步的技術方案是:所述條狀人工水草生物膜上附著的微生物為細菌、真菌、藻類、原生動物或后生動物的一種或多種;本實用新型優選的細菌為聚磷菌硝化菌，本實用新型優選的真菌為子囊菌，本實用新型優選的藻類為綠藻硅藻，本實用新型優選的原生動物為針形蟲，本實用新型優選的后生動物為輪蟲類或線蟲類。
[0011]作為優選，所述泡沫塑料載體由聚氨酯材料制成的硬質泡沫塑料制造而成。
[0012]作為優選，所述配重物的比重大于2。
[0013]本實用新型較現有技術相比，具有以下優點及有益效果:
[0014](I)本實用新型的條狀人工水草生物膜下端連接配重物，配重物使得條狀人工水草生物膜在水中網狀鋪展開，條狀人工水草生物膜下上端連接泡沫塑料載體，泡沫塑料載體之上放置固載了納米二氧化鈦的鋁片。本裝置將生物技術與光催化氧化技術結合，去除水中過量的營養鹽的同時降解多種高分子有機污染物，可布設于河道、湖泊及水庫等環境，用于降解水體有機污染物，治理水體富營養化，抑制水華的爆發，提高水體的透明度，促進水生態系統的恢復，制作簡單，本裝置是一種清潔的環保型水體凈化裝置。
[0015](2)本實用新型對富營養化的水體具有較好的治理效果，生物膜組件通過微生物的生長代謝和吸附作用，對無機營養鹽和生物可降解有機物具有良好的去除效果。另外，光催化反應器組件的光催化氧化作用，能同時去除難降解高分子有機物，進一步增強效果，從而能夠有效治理富營養化水體。
[0016](3)本實用新型通過條狀人工水草生物膜上附著的細菌、真菌、藻類、原生動物和后生動物等微生物自身的新陳代謝，吸收水體中的無機營養鹽，分解利用水中的有機污染物，光催化反應器在太陽光的照射下通過納米二氧化鈦催化高分子有機污染物的分解，微生物代謝與光催化氧化結合，不僅凈化效率高，而且沒有二次污染。
[0017](4)與物理法和化學法相比，本實用新型還具有如下有益效果:第一、可長期使用，持久發揮水體凈化的作用;第二、成本低，本裝置生產材料來源廣泛，價格廉價，運行不需要任何動力和能源，經濟節能;第三、裝置簡單，本裝置由配重物、條狀人工水草生物膜、泡沫塑料載體、鋁片和納米二氧化鈦構成，組成和結構簡單，便于生產和應用；第四，操作簡單，便于管理，本裝置只需放置于水體中便可工作數月，維護簡單，節省人力物力;第五，應用范圍廣，可用于河道、湖泊、水庫、魚塘、噴泉等，具有良好的市場前景和推廣應用價值;第六，本實用新型具有景觀效果，形成系列化產品后，可以結合其他一些人工輔助設施，增強水體景觀效果。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0019]其中，附圖中的附圖標記所對應的名稱為:
[0020]I 一生物膜組件，2 —光催化反應器組件，3—配重物，4 一條狀人工水草生物膜，5 —泡沫塑料載體，6 —鋁片，7 —納米二氧化鈦。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合實施例對本實用新型作進一步地詳細說明:
[0022]實施例
[0023]如圖1所示，一種復合強化生物膜裝置，包括生物膜組件I和連接于生物膜組件I上的光催化反應器組件2，生物膜組件I包括配重物3和若干個條狀人工水草生物膜4，條狀人工水草生物膜4上附著設有降解水體中無機營養鹽和部分有機污染物的微生物，本實用新型優選的條狀人工水草生物膜4上附著的微生物為細菌、真菌、藻類、原生動物或后生動物的一種或多種，本實施例優選的細菌為聚磷菌硝化菌，本實施例優選的真菌為子囊菌，本實施例優選的藻類為綠藻硅藻，本實施例優選的原生動物為針形蟲，本實施例優選的后生動物為輪蟲類或線蟲類。這些微生物以水體中的無機營養鹽和部分有機污染物為養分，進行生長和新陳代謝，從而去除水體中的營養物和污染物。本實用新型利用生物膜法來分解水中的無機營養鹽和部分有機污染物，在條狀人工水草生物膜4上附著生長各種水體微生物，吸附、吸收、分解污染水體中的營養鹽和污染物，提高水體透明度，抑制水華的發生，起到污水凈化作用。相比于傳統的物理技術和化學技術，本實用新型具有自然高效、簡單靈活、便于管理、效果持久、不產生二次污染等優勢，它依靠生態學原理遵循自然生態規律，體現了人與自然的和諧發展。本實用新型的條狀人工水草生物膜4可以是由塑料材質制造的膜，然后放入自然水體中后，自行生長而成的人工水草生物膜。
[0024]如圖1所示，所有條狀人工水草生物膜4底部固定連接有配重物3，配重物3的比重大于2，配重物3由比重大于2的材料制成，比重又稱相對密度，固體(本實施例為配重物3)和液體(本實施例為水)的比重是該物質(完全密實狀態)的密度與在標準大氣壓，在3.98°C時純H2O下的密度(999.972kg/m3)的比值;配重物3的重量能夠平衡配重之外的裝置(本實用新型除了配重物3之外的部件，具體為:條狀人工水草生物膜4、泡沫塑料載體5、鋁片6、納米二氧化鈦7)在水中的浮力。
[0025]如圖1所示，所有條狀人工水草生物膜4頂部與光催化反應器組件2連接。光催化反應器組件2包括泡沫塑料載體5、鋁片6和納米二氧化鈦7，泡沫塑料載體5與條狀人工水草生物膜4頂部固定連接，泡沫塑料載體5上設有鋁片6，鋁片6上設有納米二氧化鈦7。納米二氧化鈦7作為一種光敏反應的催化劑，在太陽光的照射下，納米二氧化鈦7吸收能量大于帶隙能的光子后，產生光生電子-空穴，電子-空穴在空間電荷層的作用下發生有效分離，空穴迀移到表面后與表面的羥基作用生成氫氧自由基，而氫氧自由基具有極強的氧化性，可以將絕大部分有機污染物完全降解，并且空穴也可能會與吸附在納米二氧化鈦7表面的有機污染物直接作用，將其降解，通過這種非均相催化光氧化，降解高分子有機污染物;高分子有機污染物通過納米二氧化鈦7的光催化氧化反應變為能被微生物吸收利用與分解的物質，進一步被條狀人工水草生物膜4上的微生物利用而分解。納米二氧化鈦7利用的是光催化氧化法，光催化氧化法使光敏半導體(本實施例為納米二氧化鈦7)在光的照射下激發產生電子-空穴對，吸附在半導體(本實施例為納米二氧化鈦7)上的溶解氧、水分子等與電子-空穴作用，產生.HO等氧化性極強的自由基，再通過與污染物之間的羥基加和、取代、電子轉移等式污染物全部或接近全部礦化，同時空穴本身也可奪取吸附在半導體(本實施例為納米二氧化鈦7)表面的有機物質中的電子，使原本不吸收光的物質被直接氧化分解。
[0026]本實用新型的納米二氧化鈦7通過高溫燒結方法以低熔點玻璃粉為固定劑負載于鋁片6頂部;本實施例的納米二氧化鈦7粒徑優選范圍為20nm?30nm，例如CAS編號為13463-67-7的納米二氧化鈦。納米二氧化鈦7在溫度為590°C?640 °C燒結負載于鋁片6頂部，在上述燒結過程中采用低熔點玻璃粉為固定劑進行輔助固定，其中低熔點玻璃粉為熔融溫度為600°C±10°C的玻璃粉(S卩SHBF160)。低熔點玻璃粉的密度3.1g/cm3，平均粒徑5?6um，轉變溫度為400 °C 土 10°C，軟化溫度為460°C ± 10°C，熔融溫度為600 °C ± 10°C
[0027]本實用新型優選的泡沫塑料載體5由聚氨酯材料制成的硬質泡沫塑料制造而成。
[0028]本實用新型的工作原理如下:
[0029]使用時，將本實用新型布設于水體中，一般3米左右高度，具體長度依據水體環境的水深、光照和、流速等因素而定。具體布設操作如下:將配重物3、條狀人工水草生物膜4淹沒于水體中，泡沫塑料載體5提供的浮力使得整個裝置依靠懸浮于水面上，泡沫塑料載體5之上的鋁片6、納米二氧化鈦7均懸浮于水面之上，配重物3使得條狀人工水草生物膜4舒展開在水體中形成一個一定高度的網狀生物膜，本實施例優選的條狀人工水草生物膜4在配重物3拉扯下形成高度為3米的網狀生物膜。在條狀人工水草生物膜4上附著的微生物為細菌、真菌、藻類、原生動物或后生動物的一種或多種，這些微生物以水體中的無機營養鹽和部分有機污染物為養分，進行生長和新陳代謝，從而去除水體中的營養物和污染物。納米二氧化鈦7在太陽光的照射下，納米二氧化鈦7吸收能量大于帶隙能的光子后，產生光生電子-空穴，電子-空穴在空間電荷層的作用下發生有效分離，空穴迀移到表面后與表面的羥基作用生成氫氧自由基，而氫氧自由基具有極強的氧化性，可以將水體中的絕大部分有機污染物完全降解，并且空穴也可能會與吸附在納米二氧化鈦7表面的有機污染物直接作用，將其降解，通過這種非均相催化光氧化，降解高分子有機污染物;高分子有機污染物通過光催化氧化反應變為能被微生物吸收利用與分解的物質，進一步被條狀人工水草生物膜4上的微生物利用而分解。本實用新型通過納米二氧化鈦7的光催化氧化反應使得水體中的高分子有機污染物氧化反應變成能被條狀人工水草生物膜4上的微生物利用與分解的物質；同時條狀人工水草生物膜4上的微生物以水體中的無機營養鹽和部分有機污染物為養分，進行生長和新陳代謝，從而去除水體中的營養物和污染物。這樣，水體中的無機營養鹽和部分有機污染物通過條狀人工水草生物膜4上的微生物直接分解，水體中的高分子有機污染物經過納米二氧化鈦7的光催化氧化反應之后再被條狀人工水草生物膜4上的微生物直接分解，實現了對水體中的各種污染物的有效充分分解。本實用新型在使用過程中，可以定期更換光催化反應器組件2，條狀人工水草生物膜4在使用2?3年后，取出清洗后再次投放使用。
[0030]上述實施方式只是本實用新型的一個優選實施例，并不是用來限制本實用新型的實施與權利范圍的，凡依據本實用新型申請專利保護范圍所述的內容做出的等效變化和近似替換，均應落在本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.一種復合強化生物膜裝置，其特征在于:包括生物膜組件(I)和連接于生物膜組件(I)上的光催化反應器組件(2)，所述生物膜組件(I)包括配重物(3)和若干個條狀人工水草生物膜(4)，所述條狀人工水草生物膜(4)上附著設有降解水體中無機營養鹽和部分有機污染物的微生物，所有條狀人工水草生物膜(4)底部固定連接有配重物(3)，所有條狀人工水草生物膜(4)頂部與光催化反應器組件(2)連接;所述光催化反應器組件(2)包括泡沫塑料載體(5)、鋁片(6)和納米二氧化鈦(7)，所述泡沫塑料載體(5)與條狀人工水草生物膜(4)頂部固定連接，泡沫塑料載體(5)上設有鋁片(6)，所述鋁片(6)上設有納米二氧化鈦(7)。2.按照權利要求1所述的復合強化生物膜裝置，其特征在于:所述納米二氧化鈦(7)通過高溫燒結方法以低熔點玻璃粉為固定劑負載于鋁片(6)頂部，所述高溫燒結方法的溫度為590°C?640°C，所述低熔點玻璃粉為熔融溫度為600°C ±10°C的玻璃粉。3.按照權利要求1所述的復合強化生物膜裝置，其特征在于:所述條狀人工水草生物膜(4)上附著的微生物為細菌、真菌、藻類、原生動物或后生動物的一種或多種。4.按照權利要求1所述的復合強化生物膜裝置，其特征在于:所述泡沫塑料載體(5)由聚氨酯材料制成的硬質泡沫塑料制造而成。5.按照權利要求1所述的復合強化生物膜裝置，其特征在于:所述配重物(3)的比重大于2。
【文檔編號】C02F3/34GK205527955SQ201620318301
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】敖鴻毅, 宋超峰, 伍良雨, 吳辰熙, 劉劍彤
【申請人】中國科學院水生生物研究所