板框式固定化细胞膜生物反应器及其应用制造技术

本发明专利技术公开一种板框式固定化细胞膜生物反应器，最外层为盖板，中间部分由框与平板状固定化细胞依次排列组装而成，所述框包括W框和C框，W框代表供地下水流通的框，C框代表供乙醇水溶液流通的框，其中盖板、框和平板状固定化细胞的排列顺序为，盖板—W框—平板状固定化细胞—C框—平板状固定化细胞—W框—盖板，其中W框和C框下端和上端分别开设入口和出口，盖板和框的四周均开有螺栓孔。本发明专利技术避免了空气中的氧气溶入反应器内的地下水和乙醇水溶液中，减小了溶解氧对反硝化脱氮产生的不利影响。同时，显著提高了单位体积内固定化胞的有效反应面积和单位体积的处理能力。此外，还实现了反硝化碳源的循环使用，减少了反硝化碳源的浪费。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及饮用水安全保障
，具体的说，涉及一种板框式固定化细胞膜生物反应器及其在地下水生物反硝化脱氮技术中的应用。
技术介绍
地下水是许多国家和地区的主要饮用水源，如美国超过一半的人口以地下水作为饮用水；荷兰饮用水2/3源于地下水。我国对21个省市和27个主要城市的统计表明，有一半以上的城市以地下水为主要水源。然而，由于不合理的使用化肥、污水灌溉及污水渗漏等原因，导致地下水中的硝酸盐浓度持续上升。硝酸盐被摄入人体后，在肠胃中被还原为亚硝酸盐，后者可以把血红蛋白中的狗2+氧化成狗3+，减少血液的载氧容量，从而具有引发各种疾病的危险，如高铁血红蛋白症、肝损害以及癌症等。为防止受硝酸盐污染的地下水危害人体健康，世界上许多国家和国际组织都对饮用水中硝酸盐的含量设定了最高限值。如世界卫生组织(WHO)在2004年出版的《饮用水水质准则》(第3版)中推荐的饮用水硝酸盐限值为50mg N03_/L;美国EPA和加拿大环境组织规定了饮用水中硝酸盐氮浓度的最高极限值为10mgN03_-N/L。欧盟提出了饮用水中硝酸盐最高允许浓度为50 mgN03_/L，推荐硝酸盐氮的允许水平5.6mgN03_-N/L。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定的硝酸盐限值为10mg/L(以Ν03__Ν计)。把地下水中硝酸盐浓度降至标准值以下的方法主要有离子交换、反渗透和生物反硝化等。离子交换和反渗透具有相似的缺点，两者都会副产浓盐水，需要进一步处理或处置。生物反硝化是相对廉价的脱氮方法，即在缺氧或厌氧环境下，反硝化细菌以有机物作为电子供体、硝酸盐分子中的氧作为最终电子受体，把硝酸盐还原成氮气。生物反硝化过程不会副产盐水。最近几十年来，生物反硝化技术在地下水脱硝酸盐方面得到广泛研究，但该技术的工程应用却很少，原因是常规的生物反硝化无法避免微生物和电子供体对处理水的污染。因此，相关研究聚焦于生物过程与膜分离技术相结合形成的膜生物反应器(MBR)。MBR 可以完全避免地下水受微生物污染，但仍无法解决残留电子供体对地下水的污染问题。中国专利(CN101786763A)公开了一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，即把细胞固定化技术与膜分离技术有机地结合在一起，构建了一种间歇操作的新型膜生物反应器，利用该新型膜生物反应器进行地下水反硝化脱氮，可以克服常规生物反硝化及普通MBR反硝化脱氮过程中存在的缺点。但是，由于这种新型膜生物反应器是一种敞开体系，特别是该反应器在运行时需要不断搅拌反应器内的地下水和乙醇水溶液，从而消除外扩散对反硝化反应的影响。不过，持续的搅拌也使得地下水和乙醇水溶液的表面不断更新，这就不可避免地增加了大气中氧气在地下水和乙醇水溶液中的溶解。地下水和乙醇水溶液中溶解氧的增加，又会提高溶解氧从两侧液体中向膜状固定化细胞中扩散的速率，使膜状固定化细胞靠近地下水或乙醇水溶液的表层区域溶解氧浓度偏高(处于好氧状态)，或者说在整个膜状固定化细胞的厚度上，只有中间区域处于兼氧或厌氧状态，满足生物反硝化的条件。也就是说，溶解氧的增加缩小了膜状固定化细胞的反硝化区域，因此，这种间歇式地下水反硝化脱氮方法的脱氮速率比较慢，不利于这一地下水反硝化脱氮方法的工程应用，并且空气中的氧气不断溶入乙醇水溶液中，还会促进微生物对乙醇的降解，增加乙醇的消耗。此外，这种间歇式地下水反硝化脱氮技术单位反应器体积内膜状固定化细胞的有效面积比较小，与一般的MBR相比，达到相同处理能力所需的反应器体积会大得多。若不彻底改变反应器的结构，很难提高单位反应器体积的处理能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种连续、密闭的，板框式固定化细胞膜生物反应器。本专利技术的第二个目的在于提供一种地下水连续式反硝化脱氮的方法，并实现电子供体反硝化碳源的循环利用。为实现以上目的，本专利技术公开以下技术方案一种板框式固定化细胞膜生物反应器，其特征在于，最外层为两片盖板，中间部分由框与平板状固定化细胞依次排列组装而成，所述平板状固定化细胞由富集培养的反硝化细菌与聚乙烯醇溶液共混制得，所述框呈长方形，包括W框和C框，W框代表供地下水流通的框，C框代表供乙醇水溶液流通的框，所述中间部分至少包括两片平板状固定化细胞、两片W框和一片C框，其中盖板、框和平板状固定化细胞的排列顺序为，盖板一W框一平板状固定化细胞一C框一平板状固定化细胞一 W框一盖板，其中W框和C框下端和上端分别开设入口和出口，盖板和框的四周均开有螺栓孔。本反应器模拟地下水以串联方式依次通过W框；乙醇水溶液则以串联方式依次通过C框。第一个W框上端出口至第二个W框下端入口之间通过导管连接，更多W框之间的连接以此类推；同理，第一个C框上端出口至第二个C框下端入口之间通过导管连接，更多 C框之间的连接以此类推。简单地说，就是用一根管子把两个W框或C框的出口和入口连接起来。作为一个优选方案，面向W框的平板状固定化细胞表面还覆盖有微孔滤膜，用于防止从平板状固定化细胞中脱落下来的微生物污染地下水。为实现以上第二个目的，本专利技术公开以下技术方案，一种地下水连续式反硝化脱氮的方法，其特征在于，把地下水从其贮槽输送至上述板框式固定化细胞膜生物反应器第一个W框下端的入口，地下水在W框内向上流动，从该W框另一侧上端的出口经导管流入下一个W框下端的入口，处理完的地下水从最后一个W框上端的出口排出；同时把乙醇水溶液从其贮槽输送到第一个C框下端的入口，乙醇水溶液在C框内向上流动，从该C框另一侧上端出口经导管流入下一个C框下端的入口，并从最后一个C框上端的出口返回乙醇水溶液贮槽，循环使用。当地下水在W框内向上流动时，硝酸盐从水相扩散进入平板状固定化细胞中，固定于其中的反硝化菌利用从另一侧C框中扩散来的乙醇作为电子供体把硝酸盐还原成氮气，实现反硝化脱氮的目的。本专利技术的优点在于(1)板框式固定化细胞膜生物反应器是一个连续、密闭的反应器，地下水和乙醇水溶液在不同的框内连续流动，控制合适的流速，可以使框内流体达到较高的扰动程度，从而消除外扩散对板框式膜生物反应器反硝化脱氮过程的影响；(2)可以避免空气中的氧气不断地溶入反应器内的地下水和乙醇水溶液中，减少了溶解氧对反硝化脱氮产生的不利影响；(3)由于框的厚度要比间歇搅拌反应器内搅拌室小得多，因此板框式固定化细胞膜生物反应器单位体积内固定化胞的有效反应面积要大得多，从而大大提高了单位反应器体积的处理能力；(4)板框式固定化细胞膜生物反应器可以实现反硝化碳源乙醇水溶液的循环使用，减少了反硝化碳源的浪费。附图说明图1为板框式固定化细胞膜生物反应器及其反硝化脱氮流程示意图。图2为板框式固定化细胞膜生物反应器中的盖板、框、微孔滤膜、平板状固定化细胞的结构示意图。图3为板框式固定化细胞膜生物反应器连续反硝化脱氮效果。图4为板框式固定化细胞膜生物反应器连续运行过程中进水硝酸盐氮负荷及出水CODsfa的变化。其中，图1、图2中的标号分别为1.地下水贮槽；2.输送地下水的泵；3.乙醇水溶液贮槽；4.输送乙醇水溶液的泵；5.盖板；6.供地下水流通的框(简称W框)；7.微孔滤膜；8.平板状固定化细胞；9.供乙醇水溶液流通的框(简称C框);10.螺栓孔；11. W 框的入口；12. W框的出口；13. C框的入口；14. C框的出本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种板框式固定化细胞膜生物反应器，其特征在于，最外层为两片盖板，中间部分由框与平板状固定化细胞依次排列组装而成，所述平板状固定化细胞由富集培养的反硝化细菌与聚乙烯醇溶液共混制得，所述框呈长方形，包括Ｗ框和Ｃ框，Ｗ框代表供地下水流通的框，Ｃ框代表供乙醇水溶液流通的框，所述中间部分至少包括两片平板状固定化细胞、两片Ｗ框和一片Ｃ框，其中盖板、框和平板状固定化细胞的排列顺序为，盖板—Ｗ框—平板状固定化细胞—Ｃ框—平板状固定化细胞—Ｗ框—盖板，其中Ｗ框和Ｃ框下端和上端分别开设入口和出口，盖板和框的四周均开有螺栓孔。

【技术特征摘要】
1.一种板框式固定化细胞膜生物反应器，其特征在于，最外层为两片盖板，中间部分由框与平板状固定化细胞依次排列组装而成，所述平板状固定化细胞由富集培养的反硝化细菌与聚乙烯醇溶液共混制得，所述框呈长方形，包括W框和C框，W框代表供地下水流通的框，C框代表供乙醇水溶液流通的框，所述中间部分至少包括两片平板状固定化细胞、两片 W框和一片C框，其中盖板、框和平板状固定化细胞的排列顺序为，盖板一W框一平板状固定化细胞一C框一平板状固定化细胞一W框一盖板，其中W框和C框下端和上端分别开设入口和出口，盖板和框的四周均开有螺栓孔。2.根据权利要求1所述的板...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹国民，张立辉，盛梅，俞益峰，史伟伟，孟科伟，刘勇弟，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31