一种生物载体传质性能检测装置及其使用方法

1.本发明涉及污水治理技术领域，更具体地说，涉及一种生物载体传质性能检测装置及其使用方法。


背景技术：

2.在污水生物膜法处理工艺中，生物载体(也称为填料)作为微生物附着生长形成生物膜的介质，是生物膜法的核心，其性能关系到生物膜结构及微生物数量、分布，影响污染物、氧气的传质效率，最终影响废水处理效率及运行费用，性能良好的生物载体对于提高生物膜反应器的处理效果、降低运行成本具有至关重要的现实意义。
3.经检索，对于附着生长在生物载体上生物膜的物理、化学以及生物特性已有一些检测方法公开，如中国专利：一种生物膜污水处理装置及生物膜原位测试方法(cn201510556183.x)，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，保持生物膜原有结构形态进行测试。又如中国专利：一种检测污水处理系统中生物膜老化状态的方法(cn201510593394.0)，直接采用腺苷酸能荷判断生物膜老化状态，操作简便、结果直观，适用于不同来源生物膜，能显著提高生物膜法污水处理运营监控效率。
4.虽然对于生物载体的基本特性已有了一些标准，如《环境保护产品技术要求悬挂式填料》(hj/t245-2006)、《环境保护产品技术要求悬浮式填料》(hj/t246-2006)、《生物接触氧化法污水处理工程技术规范》(hj2009-2011)，但这些标准只是从生物载体粒径、孔隙率、比表面积和堆积密度等方面规定了一些物理参数，这些参数均不能反映直接影响污水处理效果的传质性能。目前，对于生物载体的传质性能研究主要是采用数学模型进行描述，但模型中参数众多，准确测量难度大、准确性低，没有实际的工程价值。因此，需要发明出一种简单、直接检测生物载体传质性能的装置及使用方法。


技术实现要素：

5.1.发明要解决的技术问题
6.为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种简单、实用的生物载体传质性能检测装置及其使用方法，其结构简单，使用方便，能够对不同类型生物载体水力传送性能及挂膜生物载体的传质性能进行检测，为生物载体的评价、工程选型等提供技术指导。
7.2.技术方案
8.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
9.本发明的一种生物载体传质性能检测装置及其使用方法，包括配水箱，配水箱分别与高位水箱和整流箱相连，高位水箱的高位出水口与整流箱相连，整流箱的出水端与载体槽进口端相连，所述载体槽为两端开口的u型结构，载体槽用于装载生物载体，其中载体槽内靠近出口端设有活动式的网孔插板，且载体槽的出口端外设有与之相连通的收集箱。
10.作为本发明更进一步的改进，载体槽靠近出口端的一侧设有取水口，取水口位于
载体槽的出口端与网孔插板之间。
11.作为本发明更进一步的改进，收集箱内上部设有载体收集盒，载体收集盒的下方为储水箱，所述载体收集盒上与载体槽出口端相对应的两侧外壁上开设有相匹配的收集盒进口，且载体收集盒的底部为过滤底网。
12.作为本发明更进一步的改进，整流箱的出水端设有整流出水板，整流出水板的下部均匀间隔开设有多个整流出水孔，整流箱内部设有水平延伸的电动伸缩推杆，电动伸缩推杆的一端穿过整流出水板并与网孔推板相连，且网孔推板位于载体槽内。
13.作为本发明更进一步的改进，载体槽的材质为无色透明有机玻璃，且载体槽的两侧外壁上沿长度方向设有刻度线。
14.作为本发明更进一步的改进，还包括与配水箱相连的挂膜反应器，挂膜反应器的进口设有与配水箱相连的挂膜进水管，挂膜反应器的出口设有与收集箱相连接的挂膜排水管。
15.作为本发明更进一步的改进，配水箱通过上水管与高位水箱相连，上水管上设有变频提升泵和水箱进水阀，所述高位水箱上设有液位计，其中变频提升泵、水箱进水阀和液位计均与plc控制模块相连。
16.一种生物载体传质性能检测装置的使用方法，测量生物载体的水力传送性能，包括以下操作步骤：
17.s1：向配水箱内注入清水，关闭配水箱至整流箱和挂膜反应器的进水，打开配水箱至高位水箱的进水，并将高位水箱的水位控制在设定高度；
18.s2：将网孔插板插入载体槽内，根据待测生物载体的体积需求，确定载体槽两侧外壁上的刻度位置，启动电动伸缩推杆将网孔推板推送至该刻度位置，并记录待测生物载体的填充长度为l，再将待测生物载体装载于载体槽内；
19.s3：打开高位水箱至整流箱的高位进水，高速水流从整流出水板中均匀流出进入载体槽内，当水流从网孔推板进入待测的生物载体时，记录开始时间t1(s)，水流在待测的生物载体间隙中穿行，当网孔插板整个横截面上都有水流流出时，记录结束时间t2(s)，计算水流速度v(m/s)，其计算公式如下：v＝l/(t
2-t
1)
(1-1)；
20.s4：拔出网孔插板，开启电动伸缩推杆带动网孔推板将载体槽内完成检测的生物载体推送至载体收集盒内。
21.作为本发明更进一步的改进，检测挂膜生物载体的传质性能时，包括以下操作步骤：
22.s5：采用标准方法测定从污水厂取回的污水浓度cod1后，将污水注入到配水箱内；
23.s6：将s4步骤中载体收集盒内生物载体清洗干净后放入挂膜反应器内，将配水箱的污水通入挂膜反应器内对生物载体进行挂膜培养；
24.s7：将网孔插板插入载体槽内，根据挂膜生物载体体积需求，启动电动伸缩推杆将网孔推板推送至载体槽两侧外壁上的制定刻度位置，并记录待测生物载体的填充长度为lm，再将挂膜成功的生物载体从挂膜反应器中取出，并装载于载体槽内；
25.s8：打开高位水箱至整流箱的高位进水，高速水流从整流出水板中均匀流出进入载体槽内，当水流从网孔推板进入挂膜生物载体时，记录开始时间t
m1
(s)，水流在挂膜生物载体间隙中穿行，当网孔插板整个横截面上都有水流流出时，记录结束时间t
m2
(s)，并在取
样口处取水样，分析挂膜生物载体的出水浓度cod2；
26.s9：关闭高位进水，将配水箱内的污水慢速输送至整流箱内，污水慢速进入载体槽内，当网孔插板整个横截面上都有水流流出时，从取样口采集水样，分析挂膜生物载体的出水有机物污染指标cod3；
27.s10：计算挂膜生物载体的传质性能参数k(m
.
s)，其计算公式如下：k＝lm(t
m2-t
m1
)/((cod
3-cod2)/cod1)(1-2)；
28.s11：拔出网孔插板，开启电动伸缩推杆带动网孔推板将载体槽内完成检测的生物载体推送至载体收集盒内。
29.作为本发明更进一步的改进，在步骤s3和步骤s8中，当高位水箱向整流箱内高位进水时，液位计发送信号至plc控制模块，plc控制模块控制配水箱至高位水箱的进水，维持高位水箱的水位在设定高度。
30.3.有益效果
31.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
32.(1)本发明的一种生物载体传质性能检测装置，结构简单、操作方便、检测时间短，具有很强的工程应用价值；检测过程不需破坏生物载体的结构，不产生损伤无用的生物载体，为无损伤式的性能检测方法，有利于检测产品的保护。
33.(2)本发明的一种生物载体传质性能检测装置，适合于各种材质、各种形态的生物载体传质性能检测，在污水处理领域具有广泛的应用前景。
34.(3)本发明的一种生物载体传质性能检测装置的使用方法，可直接检测生物载体的传质性能，填补了现有生物载体性能检测缺乏的空白，拓宽了生物载体性能表征的范围。为污水处理工程的生物载体选型提供了新的技术方法，对新型生物载体的研发具有关键性指导意义。
35.(4)本发明的一种生物载体传质性能检测装置的使用方法，不仅能通过分析水流穿透生物载体的流速下降反映生物载体的基础水力传送性能，而且还能通过分析污水穿透生物膜载体的有机物浓度下降，反映挂膜生物载体的有机物传质性能。且能测定与消除生物膜对有机污染物的吸收吸附作用的影响，因此，具有较高的生物载体传质性能的准确性。
附图说明
36.图1是本发明的一种生物载体传质性能检测装置的结构平面示意图；
37.图2是本发明中检测装置主要结构剖面示意图；
38.图3是本发明中整流箱的结构透视示意图；
39.图4是本发明中网孔推板的结构示意图；
40.图5是本发明中载体收集盒的结构透视示意图。
41.示意图中的标号说明：
42.100、配水箱；110、上水管；111、变频提升泵；112、水箱进水阀；120、挂膜进水管；121、挂膜进水泵；122、挂膜进水阀；130、配水箱排空管；131、配水箱排空阀；140、超越管；141、超越阀；200、高位水箱；210、液位计；220、高位水箱出水管；230、整流箱进水管；231、冲水阀；240、高位水箱排空管；241、排水阀；300、挂膜反应器；310、挂膜排水管；311、挂膜排水阀；400、整流箱；410、推杆电机；420、电动伸缩推杆；430、整流出水板；440、整流出水孔；
500、载体槽；510、生物载体；520、网孔推板；521、推板网孔；530、网孔插板；540、取水口；600、收集箱；610、载体收集盒；611、收集盒进口；612、过滤底网；613、把手；620、储水箱；630、固定环。
具体实施方式
43.为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
45.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
46.实施例1
47.结合图1-图5所示，本实施例的一种生物载体传质性能检测装置，包括配水箱100，配水箱100分别通过上水管103和超越管140与高位水箱200和整流箱400相连，高位水箱200的高位出水口设有高位水箱出水管220，高位水箱出水管220分别通过整流箱进水管230和高位水箱排空管240与整流箱400进水端和收集箱600相连，高位水箱排空管240用于高位水箱200排空，且整流箱进水管230和高位水箱排空管240上分别设有冲水阀231和排水阀241，所述冲水阀231和排水阀241均与plc控制模块相连。高位水箱200的位置较高，能为整流箱400提供快速的水流，为后续检测生物载体510的传质性能提供水力势能。
48.如图1所示，本实施例中上水管103上设有变频提升泵111和水箱进水阀112，高位水箱200上设有液位计210，且变频提升泵111、水箱进水阀112和液位计210均与plc控制模块相连，plc控制模块控制液位计210实时监测高位水箱200内的水位变化情况，通过变频提升泵111和水箱进水阀112自动控制保持高位水箱200的水位稳定在一定高度，保持高位水箱中的水头势能。当高位水箱200内的水位低于设定值时，液位计210发送信号至plc控制模块，plc控制模块控制水箱进水阀112开启，并启动变频提升泵111向高位水箱200内供水，保持高位水箱200的水位始终为设定值，有效保证高位水箱200高位出水的稳定势能。本实施例中超越管140上设有超越阀141，超越阀141也由plc控制模块控制启动以及调节阀门开度，能够为整流箱400提供稳定、缓慢的水流，以此来检测与消除生物载体510对污水有机物的吸附吸收作用，从而有效提高挂膜生物载体510传质性能检测结果的准确性。
49.本实施例中整流箱400的出水端与载体槽500进口端相连，且整流箱400和载体槽500位于同一水平面上。所述整流箱400为四周封闭的箱体结构，整流箱400的出水端设有整流出水板430，整流出水板430的下部均匀间隔开设有多个整流出水孔440，经整流出水孔440整流后的出水均匀流入载体槽500内。整流箱400内部设有水平延伸的电动伸缩推杆420，电动伸缩推杆420的一端穿过整流箱400的进水端并与推杆电机410相连，由推杆电机410驱动，电动伸缩推杆420的另一端穿过整流出水板430并与网孔推板520相连，且网孔推板520位于载体槽500内。
50.所述网孔推板520后端为四棱锥结构，网孔推板520上均匀开设有多个推板网孔521，且电动伸缩推杆420与网孔推板520的椎顶相连，电动伸缩推杆420在推杆电机410的驱
动下，带动网孔推板520沿水平方向移动，一方面将网孔推板520推送至根据待测生物载体510所需的堆积体积而在载体槽500侧壁上确定的位置；另一方面在检测结束后，拔出网孔插板530后，在网孔推板520的推送作用下，将生物载体510推送至收集箱600内进行收集处理。
51.本实施例中载体槽500为两端开口的u型结构，载体槽500用于装载生物载体510，其中载体槽500靠近出口端设有活动式的网孔插板530，具体地，本实施例中载体槽500两侧外壁上对应开设有沿高度方向的插槽，网孔插板530的两端对应插入两侧的插槽内，方便安装和取出。载体槽500靠近出口端的一侧设有取水口540，取水口540位于载体槽500的出口端与网孔插板530之间。本实施例中载体槽500的材质为无色透明有机玻璃，且载体槽500的两侧外壁上沿长度方向设有刻度线，方便装载不同堆积体积的各种材质、各种形态的待测生物载体510，在污水处理领域具有广泛的应用前景。载体槽500的顶部设有活动式的槽体盖板，槽体盖板盖在载体槽500顶部时，盖板的四周固定有密封条，封住了载体槽500壁与盖板间的细微间隙，检测时，载体槽500内的水不会渗漏出来。
52.本实施例子载体槽500的出口端设有与之相连通的收集箱600，收集箱600内上部放置载体收集盒610，收集箱600的内侧壁上部设有固定环630，载体收集盒610通过固定环630固定在收集箱600内部上方。载体收集盒610的下方为储水箱620，所述载体收集盒610上与载体槽500出口端相对应的侧壁上开设有相匹配的收集盒进口611，载体槽500内被推送出来的生物载体510从收集盒进口611进入载体收集盒610内进行收集，且载体收集盒610的底部为过滤底网612，载体槽500内的水进入载体收集盒610后，又经过底部的过滤底网612进入储水箱620内，储水箱620上设有排污阀。
53.本实施例中还包括与配水箱100相连的挂膜反应器300，具体地，本实施例中配水箱100的出水口通过挂膜进水管120与挂膜反应器300相连，挂膜进水管120上设有挂膜进水泵121和挂膜进水阀122，其中挂膜进水泵121和挂膜进水阀122均与plc控制模块相连，挂膜反应器300内通入污水后对其装载的生物载体510进行挂膜培养，挂膜成功后的生物载体510被再次放入载体槽500内进行挂膜生物载体510的传质性能检测。其中挂膜反应器300上设有与储水箱620相连的挂膜排水管310，挂膜排水管310上设有挂膜排水阀311，挂膜排水阀311与plc控制模块相连。
54.一种生物载体传质性能检测装置的使用方法，测量生物载体510的水力传送性能，包括以下操作步骤：
55.s1：向配水箱100内注入清水，关闭配水箱100至整流箱400、挂膜反应器300的进水，打开配水箱100至高位水箱200的进水，并将高位水箱200的水位控制在设定高度，具体地，本实施例中关闭超越阀141与挂膜进水阀122，打开水箱进水阀112，变频提升泵111将配水箱100中的水通过上水管110输送至高位水箱200，通过高位水箱200上的液位计210对高位水箱200内的水位进行实时监测，当水位达到设定的位置后，plc控制模块自动控制停止变频提升泵111，同时关闭水箱进水阀112。
56.s2：将网孔插板530插入载体槽500内的插槽中，根据待测生物载体510体积需求，确定生物载体510的堆积体积与载体槽500两侧外壁上刻度位置，将清洗晾干的待测生物载体510装载于载体槽500内，盖上载体槽盖板。plc控制模块控制启动推杆电机410，并驱动电动伸缩推杆420将网孔推板520推送至载体槽500两侧外壁上的确定刻度位置，并记录待测
生物载体510的填充长度为l(单位为m)，再将待测生物载体510装载于载体槽500内，进入待测状态。
57.s3：打开高位水箱200至整流箱400的高位进水，高位水箱200内的水位下降后，高位水箱200上的液位计210与plc控制模块的自动控制联动，启动变频提升泵111和水箱进水阀112向高位水箱200内进行补水，保持高位水箱200内的水位不变，确保为生物载体510提供稳定的进水动能。关闭排水阀241，打开冲水阀231，在重力作用下，高位水箱200内的水快速下落进入整流箱400内，在整流箱400中由紊流转变为平流，并从出水端的整流出水板430中均匀流出进入载体槽500内。当水流从网孔推板520进入待测生物载体510时，记录开始时间t1(s)，水流从待测生物载体510的间隙中穿行，由于待测生物载体510的阻碍作用，水流的速度很快下降，水流水位慢慢上升到载体槽400的顶部，由于载体槽盖板的封闭作用，水流继续在待测生物载体510中前进，最后水流从网孔插板530中流出，当网孔插板530整个横截面上都有水流流出时，记录结束时间t2(s)。从网孔插板530中流出的水从收集盒进口611进入载体收集盒610内，再从底部的过滤底网612进入储水箱620中。计算载体内水流速度v(m/s)，v越大，则说明该生物载体的水力传送性能越好，水流速度v的计算公式如下：v＝l/(t
2-t
1)
(1-1)。
58.s4：拔出网孔插板530，开启电动伸缩推杆420带动网孔推板520将载体槽500内的生物载体510推送至载体收集盒610内。具体地，本实施例中检测结束后，通过plc控制模块关闭水箱进水阀112，停止运行变频提升泵111，关闭冲水阀231，拔出网孔插板530，开启推杆电机410驱动电动伸缩推杆420带动网孔推板520将载体槽400内的生物载体510推至载体收集盒610内，必要时，打开超越阀141将生物载体510进行清洗，再拉动载体收集盒610顶部的把手613将生物载体510倒出，最后打开排水阀241，通过高位水箱排空管240将高位水箱200内水排空。
59.检测挂膜生物载体510的传质性能时，包括以下操作步骤：
60.(1)采用标准方法(《水与废水检测分析方法》，国家环境保护总局编委会，第四版)测定从污水厂取回的污水浓度cod1后，将污水注入到配水箱100内；
61.(2)将s4步骤中载体收集盒610内生物载体510清洗干净后放入挂膜反应器300内，打开挂膜进水阀122，通过plc控制模块启动挂膜进水泵121，将配水箱100内的污水通入挂膜反应器300内对生物载体510进行挂膜培养，当生物载体510表面长满肉眼可见的生物膜，污水cod去除率稳定达到70％时，生物载体510挂膜成功。
62.(3)将网孔插板530插入载体槽500内，并将挂膜成功的生物载体510从挂膜反应器300中取出，并装载于载体槽500内盖上载体槽盖板。根据挂膜生物载体510体积需求，启动电动伸缩推杆420将网孔推板520推送至载体槽500两侧外壁上确定的刻度位置，并记录待测生物载体510的填充长度为lm(单位为m)。
63.(4)打开高位水箱200至整流箱400的高位进水，位水箱200内的水位下降后，高位水箱200上的液位计210与plc控制模块的自动控制联动，启动变频提升泵111和水箱进水阀112向高位水箱200内进行补水，保持高位水箱200内的水位不变，确保为生物载体510提供稳定的进水动能。关闭排水阀241，打开冲水阀231，在重力作用下，高位水箱200内的水快速下落进入整流箱400内，在整流箱400中由紊流转变为平流，并从出水端的整流出水板430中均匀流出进入载体槽500内。当水流从网孔推板520进入待测生物载体510时，记录开始时间
t
m1
，由于待测生物载体510的阻碍作用，水流速度很快降低，水流水位慢慢上升到载体槽400的顶部，由于载体槽盖板的封闭作用，水流继续在待测生物载体510中前进，最后水流从网孔插板530中流出，当网孔插板530整个横截面上都有水流流出时，记录结束时间t
m2
(s)，并在取样口540处取水样，分析挂膜生物载体510的出水浓度cod2。从网孔插板530中流出的污水从收集盒进口611进入载体收集盒610内，再从底部的过滤底网612进入储水箱620中。
64.(5)将配水箱100内污水慢速输送至整流箱400内，污水慢速进入载体槽500内，当网孔插板530整个横截面上都有水流流出时，从取样口540采集水样，分析挂膜生物载体510的出水浓度cod3，具体地，本实施例中，plc控制模块控制打开超越阀141，调节变频提升泵111，将配水箱100内的污水慢速输送至整流箱400内，再缓慢均匀地进入载体槽500内。
65.(6)计算挂膜生物载体510的传质性能参数k(m
.
s)，k值越大，则生物载体的传质性能越好。传质性能参数k的计算公式如下：k＝lm(t
m2-t
m1
)/((cod
3-cod2)/cod1)(1-2)。
66.(7)拔出网孔插板530，开启电动伸缩推杆420带动网孔推板520将载体槽500内的生物载体510推送至载体收集盒610内。具体地，本实施例中检测结束后，通过plc控制模块关闭水箱进水阀112，停止运行变频提升泵111，关闭冲水阀231，拔出网孔插板530，开启推杆电机410驱动电动伸缩推杆420带动网孔推板520将载体槽400内的生物载体510推至载体收集盒610内，再拉动载体收集盒610顶部的把手613将生物载体510倒出，最后打开排水阀241，通过高位水箱排空管240将高位水箱200内污水排空。
67.本实施例中当一定流速的水流通过生物载体510后，由于生物载体510的阻力导致流速下降，流速的变化反映生物载体510的基础水力传送性能；当一定流速的污水通过挂膜生物载体510后，由于生物膜对有机物的吸附吸收，不仅导致流速下降，还导致有机物浓度下降，通过有机物浓度变化可反映附着生物载体510的传质性能。因此，通过对挂膜生物载体510在不同流速下的检测，高速检测挂膜生物载体的吸附吸收与传质阻碍性能，慢速检测并消除吸附吸收性能影响，有效提高检测结果的准确性。利用生物载体对穿越水流的阻碍作用，分析检测生物载体的传质性能参数，填补了现有生物载体性能检测参数缺乏的空白，拓宽了生物载体检测的范围。为污水处理工程的生物载体选型提供了新的技术方法，对新型生物载体的研发具有关键性指导意义。同时本实施例的检测装置，其结构简单、操作方便、检测时间短，具有很强的工程应用价值；检测过程不需破坏生物载体510的结构，不产生损伤无用的生物载体510，为无损伤式的性能检测方法，有利于检测产品的保护。
68.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。