适用于农村生活污水的反应器装置及污水处理方法

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体提供一种适用于农村生活污水的反应器装置处污水处理方法。

背景技术

农村生活污水的随意排放将会影响到农村的生态环境，威胁到人们的生存环境，需要利用技术手段，实现对农村生活污水的有效处理。但是农村生活污水往往存在着以下特征，水量上：农村生活污水量较小、变化系数大、污水分布分散，随机性强、夜间污水容易断流；水质上：污水浓度低，可生化强、一般不含有毒物质。很多地方盲目套用城市污水处理工艺和技术，往往成本高、能耗高使得农村居民难以承受。相比之下，菌藻共生反应器工艺绿色低碳、适用性好、处理水可以回用灌溉、操作灵活方便，更适合进行农村生活污水的处理。然而，普通的菌藻共生处理工艺又存在能耗高和运行费用高等方面的短板。

一般来讲，菌藻共生体系的最佳运行条件一般为：温度20～25℃、光源通常为人工光源(光照强度为8000lux左右)，无光照时即夜间8:00至次日8:00需要辅助曝气，另外摇床定时摇动，均消耗能源，而阴天和夜间则更需外部供给光能维持藻类生命活动。即使相关研究人员会使用太阳能电池板将光能储存成为电能，然后进一步转化为光能，可以在阳光不足的阴天和夜间进行使用。但是太阳能的光电转化效率最高也只能达到约24％左右。除此之外，间歇性工作、受气候环境因素影响大等缺点都会在一定程度上影响光伏发电的使用效率。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于农村生活污水的反应器装置，可以解决现有菌藻共生技术能源消耗大，运行成本昂贵的问题，实现菌藻共生反应器的高效节能和稳定运行，以实现其稳定的处理效果和出水水质。经本发明装置处理后的出水，可进行道路清洁、农田灌溉等。

本发明进一步的技术任务是提供一种污水处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：适用于农村生活污水的反应器装置，包括生物处理区、光源充放百叶窗式盖板区、太阳能收集区，

所述光源充放百叶窗式盖板区设置在生物处理区敞口处，包括控制单元、百叶窗叶片、盘管及发光薄膜，

所述盘管设置在百叶窗叶片下表面；

所述发光薄膜为紧密堆积的纳米管组成的高度对齐的晶圆级薄膜，设置在盘管下表面；

所述控制单元用于控制并驱动百叶窗叶片翻转；

所述太阳能收集区包括集热器，以及与集热器连接的介质储箱，介质储箱通过循环管路与盘管连通，循环管路上设置有循环泵，所述循环泵与控制单元电连接，所述介质储箱中注有降冰片二烯衍生物液体。

太阳光照充足时(光照强度高于5000lux)，通过调整百叶窗叶片张开角度，使生物处理区处于适当光照强度(5000lux-8000lux左右)及温度(20～25℃)。同时，太阳能收集区利用降冰片二烯衍生物液体可以将光能储存为热能的特性，将白天的光能转化成为热能，储存于衍生物液体中，并利用太阳能保温性能保存住转化的热能。

阳光不足和阴天时(光照不足5000lux)，衍生物液体进入盘管，其热量被发光薄膜吸收并转化为光能。

作为优选，所述盘管为透明盘管。

作为优选，发光薄膜下侧设置有猫眼石材料涂层和/或透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层。

作为优选，可以采用物理气相沉积法(PVD)在发光薄膜表面设置猫眼石材料涂层，涂层厚度优选为3-10mm，特别优选为4-7mm。在热能和光能转化的过程中，所述猫眼石材料涂层可以加强光线的反射，使得内部的光源强烈且均匀。

作为优选，可采用物理气相沉积工艺(PVD)在发光薄膜表面或猫眼石材料涂层表面设置透明纳米ATO锑掺杂氧化锡隔热涂层，涂层厚度优选为3-10mm，特别优选为4-7mm。所述透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层能够降低生物反应区的温度，保证反应区内的生化反应维持在合适的温度范围(20-25℃)进行。

作为优选，降冰片二烯衍生物液体负载有UV-B辐射后的别藻蓝蛋白。

作为优选，将计量的精双环戊二烯(DCPD)溶解在500mL的丙酮中，用泵将溶液送入高压釜内，用氮气吹扫；再将钢瓶中的乙炔通入丙酮溶液，搅拌下使得计量的乙炔溶解于丙酮内；控制加料比为：n(乙炔)：n(DCPD)＝1.18～1.70，加料结束后升到反应温度175～185℃并保持4.0～5.0h的反应时间进行反应。当高压釜内压力基本不变时。反应结束，降至室温，即可得到降冰片二烯衍生物液体；

作为优选，别藻蓝蛋白负载降冰片二烯衍生物液体的负载方法是：将别蓝藻蛋白溶解于丙三醇中，在UV-B辐射条件下充分搅拌20～30min，然后在30～50kHz超声条件下加入到降冰片二烯衍生物中，即可得到别藻蓝蛋白(APC)负载降冰片二烯衍生物液体。别蓝藻蛋白与降冰片二烯衍生物的质量体积比为3～5mg/L。

作为优选，所述生物处理区包括菌藻颗粒、处理池、备用曝气系统、中心进水设备、出水堰及辅助加温系统；

菌藻颗粒生长在处理池内壁；

备用曝气系统的曝气盘片安装在处理池底部，并与进气管连接；

中间进水设备包括中心管道，中心管道垂直设置在处理池中央，并与污水管连接，中心管道上部配水区设置有周边消能口和挡板；

出水堰内侧设置有均匀分布的若干个堰板，堰板与出水堰之间形成集水槽，

辅助加温系统设置在处理池处，在温度无法达到处理适温时用于加热处理池内液体；

备用曝气系统、辅助加温系统均与控制单元电连接。

作为优选，处理池内壁为半椭球形；

作为优选，反应器装置还包括沉淀区、过滤区及处理水出水管，

处理池的出水进入沉淀区，沉淀区底部设置有斗形储泥池，斗形储泥池与污泥管连接，沉淀区的出水水堰的高度低于沉淀区其他侧壁；

沉淀区的出水进入过滤区，沉淀区与过滤区之间设置有过滤板；

处理水出水管设置在过滤区侧壁中部。

作为优选，所述过滤区由一级过滤区、二级过滤区组成，

一级过滤区与沉淀区之间设置有多孔过滤板，用于拦截较大的菌藻颗粒；

二级过滤区与一级过滤区之间设置有陶瓷过滤板，用于进一步对出水进行微滤。

作为优选，控制单元包括翻转驱动组件、温度传感器、光敏传感器及控制器，控制器根据温度传感器、光敏传感器探测到的温度及光照强度，通过翻转驱动组件控制百叶窗叶片的展开角度。

所述翻转驱动组件可以是现有任意一种可带动叶片翻转的传动结构，如空调/风机出风口导风叶片的翻转传动结构等。

本发明的农村生活污水处理方法，包括：

步骤S1.在生物处理区对农业生活原水进行生物处理

所述生物处理区的敞口处设置光源充放百叶窗式盖板区，

所述光源充放百叶窗式盖板区包括控制单元、百叶窗叶片、盘管及发光薄膜，

所述盘管设置在百叶窗叶片下表面；

所述发光薄膜为紧密堆积的纳米管组成的高度对齐的晶圆级薄膜，设置在盘管下表面；

所述控制单元用于控制并驱动百叶窗叶片翻转；

在生物处理区一侧设置太阳能收集区，

所述太阳能收集区包括集热器，以及与集热器连接的介质储箱，介质储箱通过循环管路与盘管连通，循环管路上设置有循环泵，所述循环泵与光源充放百叶窗式盖板区的控制单元电连接，所述介质储箱中注有降冰片二烯衍生物液体；

S2.沉淀

生物处理区的出水进入沉淀区，并在沉淀区去除相对比重较大的悬浮污泥和杂质；

S3.过滤

沉淀区的出水进入过滤区，利用至少一级过滤板完成过滤处理。

作为优选，农村生活污水处理方法具体包括以下步骤：

S01)、水处理：

农村生活原水通过中间进水装置进入到生物处理区，处理水经处理区的上端出水堰出水，完成反应过程。在生物处理区中，污水中的有机污染物，由需氧细菌进行氧化分解，产生的气体NH

S02)、沉淀阶段：

由菌藻共生反应器处理后的出水经过出水堰进入沉淀池中，去除相对比重较大的悬浮污泥和杂质。

S03)、多孔板初级拦污阶段：

由菌藻共生反应器的出水流出时会经过设置的多孔板，多孔板会对出水中所携带的一些菌藻颗粒和其他较大的漂浮物进行初级过滤和拦截。

S04)、陶瓷板二级拦污阶段：

初级拦污的出水进入下一阶段——陶瓷板二级拦污进行微滤，进一步提高出水水质。

本发明的适用于农村生活污水的反应器装置和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：

(一)在生物处理区设置可灵活调节叶片角度的光能可充放百叶窗式盖板，利用光能储存为热能的液体材料(降冰片二烯衍生物液体，特别是UV-B辐射后的别藻蓝蛋白(APC)负载的降冰片二烯衍生物液体)和热能转化为光能的材料(紧密堆积的纳米管组成的高度对齐的晶圆级薄膜、猫眼石材料涂层和透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层)，能源转化效率达70％以上，能够充分合理地利用太阳能。不仅保证菌藻共生体系得到充分的光照，从而保证农村生活污水的处理效果和出水水质，还解决了净化农村生活污水长久存在的价格昂贵的难题；

(二)利用温度传感器、光敏传感器的检测信号调节叶片倾角以及光能的储存和充放，灵敏度高，可进一步保证处理池内光照及温度的均匀性、稳定性；

(三)采用半卵形内壁的处理池，可以保证菌藻均可接受到光照，从而进一步提高了污水净化效率；

(四)以猫眼石材料加强光线的反射，可以增强处理池内部的光源强度及均匀性；

(五)透明纳米ATO锑掺杂氧化锡隔热涂层，在热能和光能转化的过程中，能够降低生物反应区的温度，保证反应区内的生化反应维持在比较合适的温度范围进行。

(六)生物处理区特定结构的中心进水设备及出水堰(包括堰板、集水槽)结构，使进出水更加平稳，保证菌藻颗粒长时间附着于处理池内，增加水处理的稳定性。

附图说明

附图1是实施例一光能可充放生物反应器装置的结构示意图(百叶窗叶片闭合状态)；

附图2是实施例一光能可充放生物反应器装置的结构示意图(百叶窗叶片打开状态)；

附图3是实施例一光能可充放生物反应器装置各处理区布局图(不含光源充放百叶窗式盖板区及太阳能收集区)；

附图4是实施例一光能可充放生物反应器装置各处理区布局立体图(不含光源充放百叶窗式盖板区及太阳能收集区)；

附图5是图1所示光能可充放生物反应器装置A处结构放大示意图；

附图6是实施例一光能可充放生物反应器装置控制原理图；

附图7是光能可充放生物反应器装置翻转驱动组件传动关系示意图。

附图中的标记分别表示：

1、生物处理区，11、处理池，12、菌藻颗粒，131、曝气盘片，132、进气管，141、中心管道，142、周边消能口，143、挡板，144、污水管，15、出水堰，151、堰板，152、集水槽，2、光源充放百叶窗式盖板区，21、百叶窗叶片，22、透明盘管，23、发光薄膜，24、猫眼石材料涂层、25、透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层，261、翻转驱动组件，262、温度传感器，263、光敏传感器，264、控制器，3、沉淀区，31、进水渠，32、斗形储泥池，33、污泥管，34、出水堰，4、一级过滤区，41、多孔过滤板，5、二级过滤区，51、陶瓷过滤板，6、处理水出水管，7、太阳能收集区，71、集热器，72、介质储箱，73、循环泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例一：

【反应器结构】

如图1-4所示，本实施例的生物反应器装置主要由生物处理区1、光源充放百叶窗式盖板区2、沉淀区3、一级过滤区4、二级过滤区5、处理水出水管6及太阳能收集区7组成。

光源充放百叶窗式盖板区2安装在生物处理区1敞口处的上部且将其覆盖，沉淀区3位于生物处理区1后侧，一级过滤区4以及二级过滤区5依次设置在沉淀区3的后侧，处理水出水管6与二级过滤区5连通。太阳能收集区7单独设置在生物处理区1外侧前端。

所述生物处理区1由处理池11、菌藻颗粒12、备用曝气系统、中心进水设备、出水堰15及辅助加温系统组成。

菌藻颗粒12生长在处理池11的半卵形内壁上。

备用曝气系统的曝气盘片131安装在处理池11底部，并与进气管132连接。

中心进水设备由中心管道141、周边消能口142和挡板143组成，中心管道141垂直固定在处理池11中央，并与污水管144连接。中心管道141上部配水区加工有周边消能口142并安装有挡板143。

圆周式出水堰15内侧固定有若干均匀分布的堰板151，堰板151与出水堰15顶端之间形成集水槽152。

如附图5所示，所述的光源充放百叶窗式盖板区2由百叶窗叶片21、透明盘管22、发光薄膜(紧密堆积的纳米管组成的高度对齐的晶圆级薄膜)23、猫眼石材料涂层24、透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层25及控制单元组成。

透明盘管22固定在百叶窗叶片21的下表面。发光薄膜23、猫眼石材料涂层24、透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层25自上而下依次固定在透明盘管22下侧。其中，采用在常压等离子下进行化学气相沉积将紧密堆积的纳米管组成的高度对齐的晶圆级薄膜固定在透明盘管22下表面；猫眼石材料涂层24、透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层25则采用物理气相沉积工艺(PVD)完成涂装操作。

控制单元由翻转驱动组件261、温度传感器262、光敏传感器263及控制器264组成。控制器264根据温度传感器262、光敏传感器263探测到的温度及光照强度，通过翻转驱动组件261控制百叶窗叶片21的展开角度。

沉淀区3通过进水渠31、集水槽152与处理池11连通。在沉淀区3底部设有斗形储泥池32。斗形储泥池32与污泥管33连接。沉淀区3的出水堰34的高度低于沉淀区3其他侧壁的高度。

沉淀区3出水堰34的顶部可拆卸安装多孔过滤板41，出水堰34后侧可拆卸安装陶瓷过滤板51。多孔过滤板41与陶瓷过滤板51形成一级过滤区4，陶瓷过滤板51后侧形成二级过滤区5。

处理水出水管6固定在二级过滤区5一侧壁的中部。

太阳能收集区7包括集热器71，以及与集热器71连接的介质储箱72。介质储箱72通过循环管路与透明盘管22连通。循环管路上安装有循环泵73。所述循环泵73与控制器254电连接。所述介质储箱72中注有UV-B辐射后的别藻蓝蛋白负载的降冰片二烯衍生物液体。

UV-B辐射后的别藻蓝蛋白负载的降冰片二烯衍生物液体的制备方法如下：

(一)将计量的精双环戊二烯(DCPD)溶解在500mL的丙酮中，用泵将溶液送入高压釜内，用氮气吹扫；再将钢瓶中的乙炔通入丙酮溶液，搅拌下使得计量的乙炔溶解于丙酮内；控制加料比为：n(乙炔):n(DCPD)＝1.5，加料结束后升到反应温度180℃并保持4.5h的反应时间进行反应。当高压釜内压力基本不变时。反应结束，降至室温，即可得到降冰片二烯衍生物液体；

(二)将别蓝藻蛋白(增强降冰片二烯衍生物液体光能向热能的转化效率)10mg溶解于100ml丙三醇中，在UV-B辐射条件下(UV-B辐射后的衍生物液体中的降冰片二烯形成了相应的高能异构体，即使分子冷却到室温也能保持高能态异构体)充分搅拌25min，然后将该混合液在40kHz超声条件下加入到35℃的恒温水浴中的3L降冰片二烯衍生物中，即得到别藻蓝蛋白(APC)负载降冰片二烯衍生物液体。

【原理及控制】

如附图6所示本实施例的光能可充放生物反应器装置中，温度传感器26、光敏传感器263、翻转驱动组件261、循环泵73、备用曝气系统、辅助加温系统均与控制器264连接。

可通过调节叶片角度和开闭，使进入生物处理区的阳光强度始终维持在比较合适的范围和实现全天候的光照以维持菌藻良好的生长以便达到更好的处理效果，具体调节方式如下：

光照强度高于5000lux时，生物处理区中的菌藻系统可以得到充足的阳光，但为了维持光照强度和温度在合理的范围(温度20～25℃，光照强度为5000lux-8000lux左右)内，控制器264会根据光敏传感器263的探测数据调整百叶窗式叶片21的开合和角度，以保证菌藻共生体系可以处于最佳的生长条件下。与此同时，太阳能收集区将白天的光能储存于别藻蓝蛋白负载的降冰片二烯衍生物液体中，转化成为热能并保存，待光照强度低于5000lux的情况进行利用；

在光照强度不足5000lux时，百叶窗式叶片21全部闭合，在介质储箱72中的衍生物液体经循环泵73提升进入到透明盘管通道，利用发光薄膜(紧密堆积的纳米管组成的高度对齐的晶圆级薄膜)23吸收高热并可以将其转化为光能的特性，将衍生物液体所储存的高热为菌藻共生体系提供光照维持其正常的生命活动来净化污水。释放完热量的衍生物液体由透明盘管流入介质储箱72中，在进行下一阶段的储能和释放。

以华北地区为例，根据华北地区的气候条件和相关数据，翻转具体设置为：5-10月(此种情况无需考虑温度)：光敏传感器感应光照强度在5000lux之下，叶片闭合(此种情况视为光照不足)；光照强度在5000-8000lux的范围时，叶片全部展开，即角度为90°；在光照强度高于8000lux时，叶片展开角度会随着光照强度的升高，展开角度逐渐变小，设置光照强度每增高5000lux角度闭合15°，直至开放至15°为止，使得照射到生物反应区的光照强度始终维持在较为合适的光照强度范围内。11月-第二年4月，利用备用曝气系统、辅助加温系统对生物反应区进行人工加温和辅助曝气，通过温度传感器感应使反应区温度控制在20℃-30℃，光照强度控制叶片翻转设置同5-10月。

【流程】

本实施例的光能可充放生物反应器装置的工作流程如下：

农村生活污水通过中心管道141，经过上部配水区消能口142和挡板143的缓冲进入到生物处理区1，进入到生物处理区的污水经过菌藻共生系统的协同作用，即污水中的有机污染物，由需氧细菌进行氧化分解，产生的气体NH

实施例二：

与实施一不同的是：衍生物液体制备过程未负载别蓝藻蛋白。

实施例三：

与实施一不同的是：透明盘管下方仅加工有发光薄膜23。

实施例四：

与实施一不同的是：透明盘管下方仅加工有发光薄膜23和猫眼石材料涂层24。

实施例五：

与实施一不同的是：透明盘管下方仅加工有发光薄膜23和透明纳米ATO锑掺杂氧化锡涂层25。

实施例六：

与实施例一不同的是：在光照强度达不到5000lux，此时叶片全部收拢，开启底部备用曝气系统进行微曝气，用电由蓄电池供给。

实施例七：

本实施例与实施例一不同的是：处理池11采用方形池体，菌藻生物生长在方形池内壁上。

实施例八：

本实施例公开了一种翻转驱动组件，主要由电机a、传动件b、主动轴c、联动杆e组成。

控制器264向电机a发送动作指令后，通过传动件b(变速器等常规机械传动)带动主动轴c旋转及主动叶片d翻转，进而由联动杆e带动其它叶片f翻转(如附图7所示)。

试验例：

【试验一】

以实施例一反应器处理华北地区农村小流量生活污水。

1.处理工艺：

(一)水处理：

COD为150～300mg/L、氨氮为15～35mg/L、总磷为0.5～1.5mg/L、SS为50～150mg/L的原水通过中心进水管道141，经过上部配水区消能口142和挡板143的缓冲进入到处理池11。处理池11内光照条件稳定在强度(8000～8500lux)下。

(二)、沉淀阶段：

经过生物处理后的水会经过堰板151间的空隙进入到集水槽152中，经进水渠31进入沉淀区3，污水中比重较大的污泥杂质会进行沉淀到储泥池32，经排泥管33排除。

(三)一级过滤阶段：

沉淀出水经过多孔过滤板41过滤掉较大的漂浮杂质和菌藻颗粒。

(四)二级过滤阶段：

经过一级过滤出水到陶瓷过滤板15进一步进行微滤，提高出水水质。

(五)处理水收集排放阶段：

经过微滤的水经出水管6送至农村灌溉用生态塘、蓄水池等处。

2.效果分析

2.1水质净化方面：

处理前农村生活污水水质如表1-1所示。

表1-1华北地区农村居民生活污水水质

经上述处理工艺(在不同的光照强度下)处理后，处理结果见表1-2。

表1-2不同光照强度下光能可充放反应器装置去除效果

采用国标法检测处理水出水管6处的出水指标：COD为50mg/L、氨氮小于5mg/L、TP<0.5mg/L、SS小于10mg/L，符合农村灌溉水质标准(GB5084-2005)，可以进一步作为农村灌溉用水。并在水质冲击(进水COD较高水平，如进水COD增加到300mg/L，去除率仍然保持在约70％)情况下，去除率波动较小，且去除效果仍保持在较高水平。

2.2能耗费用方面：

①华北地区多为平原地区，村落较为集中，部分山区村落沿河流分散。取排水系数为0.4，按表1-3中户内有给水排水卫生设备和淋浴设备情况可得日处理污水量为10m

②华北地区为三类地区，取日照小时数3000h；

表1-3华北地区农村居民生活用水量参考取值

结合本设备冬季加热能耗、循环泵能耗、电机旋转能耗和底部曝气能耗可得：能耗小于0.05kwh/L，仅为传统菌藻共生反应器的5％以下。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。