一种微生物膜反应器及其构建方法

技术领域

本发明涉及微生物反应器技术领域，特别是涉及一种微生物膜反应器及其构建方法。

背景技术

微生物膜是微生物附着在载体表面上形成微生物的聚集体，它在污水处理、生物检测等相关领域发挥重要作用。然而，微生物膜在载体表面的聚集成膜是一个长期过程，现有技术普遍采用无序填充的技术路线构建微生物膜反应器。作为微生物膜载体的填料互相堆叠，微生物膜与水样污染物交互的空隙通道往往受微生物增殖或水样中悬浮物堵塞，导致反应器生化反应效率降低。控制反应器腔体的水流扰动虽然可以一定程度上清理堵塞的通道及控制微生物膜的过度增殖，但又会造成填料间的机械摩擦撞击，导致微生物膜脱落。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在实际应用测试过程中微生物膜孔隙堵塞或脱落。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微生物膜反应器，包括反应器主体、两个固定盘、第一固定帽、第二固定帽以及多个线状载体；所述反应器主体呈管状，其具有进水端以及出水端；一所述固定盘通过所述第一固定帽与所述进水端密封连接，另一所述固定盘通过所述第二固定帽与所述出水端密封连接，所述第一固定帽以及所述第二固定帽均与所述反应器主体密封连接，所述线状载体用于微生物附着，以构筑线状微生物膜；

所述固定盘上具有通水口与固定孔，第一固定帽具有进水口，第二固定帽具有出水口，各所述线状载体分别依次穿过一所述固定孔、所述反应器主体以及另一所述固定孔，且所述线状载体的两端分别与对应的所述固定盘连接，以使得多个所述线状载体间隔且平行于所述反应器主体的轴线方向设置于所述反应器主体内。

在一些实施例中，相邻所述线状载体之间的间距为1-4mm。

在一些实施例中，所述线状载体的直径为0.05-1mm，长度为20-220cm。

在一些实施例中，所述线状载体采用碳纤维、棉或纱材料中的至少一种制成。

在一些实施例中，所述固定盘具有多个所述固定孔，多个所述固定孔绕所述固定盘的轴心间隔设置，相邻两个所述固定孔之间的间距为1-4mm。

在一些实施例中，所述通水口、所述进水口以及所述出水口的孔径均为1-4mm。

在一些实施例中，所述反应器主体的进水端与所述反应器主体的出水端均具有凹槽部，所述固定盘具有与所述凹槽部相适配的装配部。

在一些实施例中，所述反应器主体的直径为3-30mm，长度为20-200cm。

本发明还提供了一种微生物膜反应器的构建方法，包括以下步骤：

将线状载体浸没于含有微生物的水样中，构筑线状微生物膜，其中，所述水样含有有机物和/或无机物，所述水样的COD浓度范围为10-1000mg/L，电导率为50μS/cm-500mS/cm；

将线状微生物膜依次穿过一固定盘的固定孔、反应器主体以及另一所述固定盘的固定孔，并将所述线状微生物膜的两端分别固定于对应的所述固定盘上，随后将所述固定盘固定于所述反应器主体上；

将所述第一固定帽、所述第二固定帽与所述反应器主体密封连接，以挤压所述固定盘并使得所述固定盘与所述反应器主体密封连接；

多个所述线状微生物膜以平行于所述反应器主体的轴线方向间隔设置于所述反应器主体内，以构建微生物膜反应器；

将所述微生物膜反应器固定，且所述进水口朝下，所述出水口朝上设置。

在一些实施例中，所述水样的温度为5-45℃，并维持溶解氧浓度不低于2mg/L。

本发明实施例一种微生物膜反应器与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例的线状载体依次穿过第一固定帽、固定盘、反应器主体、另一固定盘以及第二固定帽，线状载体的两端分别与对应的固定盘连接，且平行设置在反应器主体内，以构筑微生物膜反应器；使用时，水流从第一固定帽的进水口流入，并依次经过一通水口、反应器主体与另一通水口，并从出水口流出，该微生物膜反应器不仅利用了反应器主体内壁作为微生物成膜的载体，更是有效增加了线状载体作为微生物膜成膜的载体，增加了微生物的附着位点，使得流经反应器主体内壁以及线状载体的微生物可以附着其表面，显著提高了单位体积内微生物数量，增强了生化反应效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微生物膜反应器的爆炸示意图；

图2是本发明实施例图1圈示的A方向的局部放大图；

图3是本发明实施例提供的固定盘的第一角度的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的固定盘的第二角度的结构示意图；

图中，1、反应器主体；11、进水端；12、出水端；13、凹槽部；2、第一固定帽；21、进水口；3、第二固定帽；31、出水口；4、固定盘；41、通水口；42、固定孔；43、装配部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种微生物膜反应器，应用于污水处理，该微生物膜反应器包括反应器主体1、第一固定帽2、第二固定帽3、两个固定盘4以及多个线状载体。该反应器主体1呈管状，其具有进水端11以及出水端12，用于容置多个线状载体的同时为微生物提供附着的位点，一固定盘4通过第一固定帽2与进水端11密封连接，另一固定盘4通过第二固定帽3与出水端12密封连接，第一固定帽2以及第二固定帽3均与反应器主体1之间密封连接，以防止水样泄漏；线状载体用于微生物附着，以构筑线状微生物膜；固定盘4上具有通水口41与固定孔42，第一固定帽2具有进水口21，第二固定帽3具有出水口31，各线状载体分别依次穿过一固定孔42、反应器主体1以及另一固定孔42，且线状载体的两端分别与对应的固定盘4连接，以使得多个线状载体间隔且平行于反应器主体1的轴线方向设置于反应器主体1内。

本实施例通过在反应器主体1内平行布置线状载体，以构筑微生物膜反应器，使用时，水流从第一固定帽2的进水口21流入，并依次经过一通水口41、反应器主体1与另一通水口41，并从出水口31流出，该微生物膜反应器不仅利用了反应器主体1内壁作为微生物成膜的载体，更是有效增加了线状载体作为微生物膜成膜的载体，微生物附着的位点的数量大大增加，使得可附着的微生物多，形成的微生物膜的微生物多。另一方面，利用线状载体结构，在水流过时会震动，一些附着在细线上的沙砾、悬浮物等物质会被振落到水中，振落的沙砾、悬浮物等物质会被排出反应器主体1外，剩下附着于载体位点的主要为稳定的微生物，且因少了非微生物物质占据位点，微生物在载体上分布的更均匀，形成的微生物膜更稳定，本实施例显著提高了单位体积内微生物数量，增强了生化反应效率。可以理解地，水流也会从固定孔42通过，在此不对其进行特别限定。

在一些实施例中，线状载体的设置方向都一致，具有引导水流的功能，起到疏导作用，振落的沙砾、悬浮物等物质会被线状载体引导排出反应器主体1外，由于过多的物质会被疏导至反应器主体1外，反应器主体1不易堆积物质，避免发生堵塞现象。

在本实施例中，相邻线状载体之间的间距为1-4mm，可以最大程度地为微生物的附着提供位点，若线状载体之间的间距太小，会导致线状载体布置太密，使得线状载体之间发生粘连，造成反应器主体1内堵塞；若线状载体之间的间距过大，会导致线状载体布置太稀松，难以形成较好的疏导和附着效果。

在一些实施例中，线状载体的直径为0.05-1mm，若线状载体低于上述直径，则不利于微生物富集，若线状载体的直径过大，则在有限的空间内能布置的载体数量更少，使得单位体积内微生物增值的位点更少。

本实施例中，线状载体的长度为20-220cm，由于本实施例中的线状载体依靠其两端固定在固定盘4上，若线状载体超出上述长度，不利于装配和操作，若线状载体的长度太短，则会降低线状载体能固定的微生物数量。

在一些实施例中，线状载体采用碳纤维、棉或纱材料中的至少一种制成。本实施例中，碳纤维、棉或纱材料具有亲水性，便于微生物定植生长，且上述材料具有良好的机械强度，不易损坏。

在一些实施例中，固定盘4具有多个固定孔42，多个固定孔42绕固定盘4的轴心间隔设置，相邻两个固定孔42之间的间距为1-4mm，该数值范围与相邻线状载体之间的间距相匹配，以便于线状载体的安装以及相邻线状载体之间的间距控制。可以理解地，本实施例中的固定孔42均匀分布于通水口41的周侧。

在一些实施例中，通水口41、进水口21以及出水口31的孔径均为1-4mm。以控制进水以及出水速度，避免进水过快或者出水过快，导致微生物附着率低。

一同参阅图4，反应器主体1的进水端11与反应器主体1的出水端12均具有凹槽部13，固定盘4为凸字形，以使得固定盘4形成有与凹槽部13相适配的装配部43，本实施例通过凹槽部13与装配部43之间的配合，使得第一固定帽2以及第二固定帽3安装在反应器主体1两端时挤压固定盘4，使得固定盘4与反应器主体1之间密封连接。

在一些实施例中，反应器主体1的材质包括碳纤维、石墨烯、玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯、尼龙、石英、硅胶中的至少一种，通过上述材质制备的反应器主体1稳定性高。

由于本实施例中的反应器主体1与线状载体相互配合设置，本实施例中的反应器主体1的直径为3-30mm，若反应器主体1低于上述直径，不利于微生物富集，若反应器主体1的直径过大，则在有限的空间内能布置的载体数量更少，使得单位体积内微生物增值的位点更少。此外，本实施例中的反应器主体1的长度为20-200cm，若反应器主体1的长度超出上述长度，不利于线状载体的装配和操作，若反应器主体1的长度太短，则使得能与之配合的线状载体的长度更短，会降低反应器主体1的内壁面以及线状载体上固定的微生物数量。

本发明还提供了一种微生物膜反应器的构建方法，包括以下步骤：

S110、将线状载体浸没于含有微生物的水样中，构筑线状微生物膜，其中，水样含有有机物和/或无机物，水样的COD浓度范围为10-1000mg/L，电导率为50μS/cm-500mS/cm；

该步骤中，水样中的有机物或者无机物，是用来提供微生物生长的必要营养元素，如果希望培养的是降解有机物的微生物，那么要求COD浓度在10-1000mg/L范围内，如果培养的是降解无机氨的微生物，要求铵离子浓度为0.1-5.0mg/L，碳酸盐浓度为0.1-10.0mg/L。如果含有微生物的水样中营养不足，上述营养物质也可以通过人工补充的方式。

需要说明的是，营养物质浓度过低，则容易导致微生物生长慢，若营养过剩，容易导致线状载体上生长微生物膜的同时，营养物质也过度的吸附，反而不利于微生物的生长。

S120、将线状微生物膜依次穿过一固定盘4的固定孔42、反应器主体1以及另一固定盘4的固定孔42，并将线状微生物膜的两端分别固定于对应的固定盘4上，随后将固定盘4固定于反应器主体1上；

该步骤中，线状微生物膜两两打结并固定在对应的固定盘4，使得线状微生物膜可以平行于反应器主体1的轴线方向设置的同时不会脱落。可以理解地，本实施例中的线状微生物膜不局限于上述打结的固定方式，只要保证通过线状微生物膜与固定盘4，使得线状微生物膜可以平行于反应器主体1的轴线方向设置的同时不会脱落即可。

S130、将第一固定帽2、第二固定帽3与反应器主体1密封连接，以挤压固定盘4并使得固定盘4与反应器主体1密封连接；

该步骤中，将露出进水口21及出水口31的线状微生物膜均匀布置在进水口21及出水口31的外壁边缘，并以内径与进水口21及出水口31外径相当的软管连接进水口21及出水口31，以供水流流通。

可以理解地，当线状微生物膜两两打结并固定在对应的固定盘4时，位于固定盘4背离反应器主体1的一侧的线状微生物膜(也即是打结处的线状微生物膜)可以从进水口21或出水口31引出。

S140、多个线状微生物膜以平行于反应器主体1的轴线方向间隔设置于反应器主体1内，以构建微生物膜反应器；

S150、将微生物膜反应器固定，且进水口21朝下，出水口31朝上设置。

该步骤中，水流从下端进入，上端流出。载体平行于反应器内壁，水流中的颗粒物，污染物，在水流作用下就容易流出反应器不容易造成堵塞。

在一些实施例中，水样的温度为5-45℃，并维持溶解氧浓度不低于2mg/L。

本实施例中，若水样的温度过高或过低，都不利于微生物的生长。此外，本实施例中的微生物是靠溶解氧维持活性和代谢的，所以水样的溶解氧浓度不能太低，太低则会导致微生物无法维持活性和代谢，降低降解能力。

实施例1

线状微生物膜的制备：将18根长度为70cm，直径为0.05mm的碳纤维的线状载体沉没于天沙河实际水样(化学需氧量浓度为11.9mg/L)中，控制水样温度为30℃，并采用空气泵每隔5h对天沙河水样进行空气饱和20min，溶解氧浓度波动范围为5.6-7.2mg/L，天沙河水样电导率为452μS/cm，连续浸没566h。

微生物膜反应器制备：选取一段长度为50cm，直径为1.0cm直通硬质聚乙烯管作为反应器主体1，其中反应器主体1的上下接口截面(即进水端11以及出水端12)留有凹槽部13；制作两块直径为1.1cm，厚度为0.2cm的固定盘4，该固定盘4可以采用硅胶制成的；固定盘4分正，背两面，其正面与第一固定帽2或第二固定帽3抵接，背面与反应器主体1的进水端11以及出水端12抵接。其中固定盘4的背面边缘有装配部43，用于与反应器主体1的进水端11以及出水端12处的凹槽部13密封；固定盘4内均匀分布有多个固定孔42，固定孔42的直径为0.5mm，平均间距为2mm。固定盘4的中心为通水口41，其直径为2.0mm，用于输送溶液至反应器主体1内，并将溶液从反应器主体1中输出。制作第一固定帽2与第二固定帽3，分别具有进水口21和出水口31，进水口21、出水口31的内径均为2.0mm。第一固定帽2与第二固定帽3可分别与管式反应器的进水端11以及出水端12处密封。

线状微生物膜反应器装配：将各线状微生物膜的一端分别从固定盘4的背面穿过固定盘4的固定孔42中，并将全部18根线状微生物膜的另一端穿过反应器主体1，并将其从另一固定盘4的背面一一对应地穿过固定盘4的固定孔42中，将两个固定盘4的背面与反应器主体1的凹槽部13密封。

将线状微生物膜的两端伸直，从而实现反应器主体1内的线状微生物膜平行于反应器主体1的目的。将固定盘4正面露出的18根线状微生物膜两两打结并固定在固定盘4正面，同理，将另一固定盘4正面露出的18根线状微生物膜两两打结并固定在该固定盘4正面；将第二固定帽3安装在反应器主体1上端并密封，并将第一固定帽2安装在反应器主体1下端并密封。

线状微生物膜反应器应用：将线状微生物膜反应器置于30℃的恒温环境中，控制某生活污水水样以0.1cm/s的线速度从第一固定帽2的进水口21进入管式反应器，并最终从第二固定帽3的出水口31流出。取进水口21、出水口31水样进行BOD分析，测量结果分别为125mg/L和22mg/L，这说明，在给定的条件下，线状微生物膜反应器的BOD去除率为82.4％。

实施例2

与实施例1对比，本实施例的区别在于反应器主体1的直径为3.0mm以及线状载体为4根直径为1.0mm的棉纱。取进水口21、出水口31水样进行BOD分析，测量结果分别为124mg/L和7mg/L，这说明，在给定的条件下，线状微生物膜反应器的BOD去除率为94.4％。

实施例3

与实施例1对比，本实施例的区别在于反应器主体1的直径为30mm以及线状载体为64根直径为0.2mm的棉纱。取进水口21、出水口31水样进行BOD分析，测量结果分别为128mg/L和35mg/L，这说明，在给定的条件下，线状微生物膜反应器的BOD去除率为72.7％。

对比例

本对比例以长度为50cm、直径为2mm的聚乙烯管为管状反应器，将实施例1中的天沙河河水连续流通反应器内部，经340小时的培养，管状反应器内壁基底定植丰富的环境微生物。

将上述反应器至于30℃的恒温环境中，控制某生活污水水样以0.1cm/s的线速度从下进水口21进入管式反应器，并最终从上出水口31流出。取进水口21、出水口31水样进行BOD分析，测量结果分别为123mg/L和47mg/L，这说明，在给定的条件下，上述反应器对BOD的去除率为61.8％。

由上述对比可以看出，本对比例的BOD去除率低于实施例1，这与定植的微生物的生物接触效率有关。仅以管式反应器内壁为基底，有机物向基底微生物膜的扩散行为不如实施例1中，水样中的有机物可以360°接触定植在碳纤维载体上的微生物膜。

需要说明的是，本对比例采用的是直径为2mm的聚乙烯管，微生物定植表面与腔体体积比已经是极限的最大化，效率也仅仅为61.8％。若反应器主体1的直径增加，显然此效率会进一步降低。而实施例一、实施例二以及实施例三的反应器主体1的直径均高于对比例，效率也明显均高于对比例，由此可以看出，本发明提供的生物膜反应器的效果明显优于对比例。

此外，实施例1中预先制备的碳纤维载体微生物膜，可以实现装配即使用，而本对比例需要340h的微生物膜培养过程，而一旦培养完毕的微生物膜，在各种不利的测试应用条件下发生脱落，将显著影响利用微生物膜开展相关研究。

综上，本发明提供的微生物膜反应器及其构建方法，其主要在于构建一个有限空间内具有丰富的微生物定植位点的管状反应器，以增强生物降解效率，便于开展污水处理，污水检测分析，环境微生物代谢动力学等相关科学研究。此外，构建的平行于反应器内壁的线状载体填料，提高了微生物的单位密度，同时避免了填料间的机械撞击。因填料悬浮于反应器水体中，反应器的水流扰动可有效的清除载体表面的污染物，获得稳定的生物反应效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。