一种带自清洁填料的变径螺旋导流生物膜反应器的制作方法

本发明涉及生物膜反应器，特别涉及一种带自清洁填料的变径螺旋导流生物膜反应器。

背景技术：

1、现有移动床生物膜反应器通常在反应池中投加密度接近水的悬浮生物填料，并通过曝气或者机械搅拌使填料在反应池内循环运动，使微生物附着于填料表面形成生物膜，从而利用生物膜中的好氧微生物、兼氧微生物或者硝化微生物降解污水中的有机污染物和含氮污染物。

2、现有技术通常通过增加曝气强度、提高填料随机碰撞频率或者定期停止生化处理并进行反冲洗的方式控制生物膜厚度，但是正常填料的流动性通常优于附膜过厚和内部孔道积泥的老化填料，因此整体提高曝气强度时，受到充分扰动和碰撞的往往是质量较轻且随流性较好的正常填料，而真正需要清洗的老化填料可能仍滞留于反应器外周低速带或者结构死角，形成越需要清洗的填料越难获得有效清洗的对象错配现象。

3、然而在实际的使用过程中，普通生物填料一般采用固定刚性结构或者仅具有简单弹性翅片，其清洗过程主要依赖填料之间的碰撞摩擦或者填料与反应器内壁之间的接触摩擦，该类作用难以进入填料内部受保护孔道，也难以同时实现老化外层膜脱除和基础种膜保留，当清洗强度较小时，填料内部的黏性胞外聚合物、胶体颗粒和纤维性杂质不能被有效排出；当清洗强度较大时，又可能使全部生物膜整体脱落，使填料重新进入较长的挂膜恢复阶段，普通清洗方式不能针对填料不同区域形成差异化应变和定向液体置换，因而难以同时满足强化清洗和保留活性种膜两个相互制约的要求。

4、因此，本发明提出一种带自清洁填料的变径螺旋导流生物膜反应器来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种带自清洁填料的变径螺旋导流生物膜反应器，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带自清洁填料的变径螺旋导流生物膜反应器，包括竖向设置的反应器，所述反应器外侧匹配安装有自清洁器，所述反应器外侧壁下部安装有切向进水管，反应器内腔底部安装有曝气组件，所述反应器内同轴设置有变径导流芯体，所述变径导流芯体与反应器的内壁之间设置有连续的螺旋导流板，由变径导流芯体、螺旋导流板和反应器的内壁共同限定形成由下向上延伸的螺旋反应通道，所述螺旋反应通道内设置有能够随气液流循环运动的填料本体，所述反应器底部设置有排泥管，所述反应器内腔顶部设置有集气腔，所述集气腔连接有排气管，且排气管通过分支气管和自清洁器连接；

3、所述反应器的外侧壁下侧设置有与螺旋反应通道连通且处于螺旋导流板切线方向的附膜状态分选窗口，所述自清洁器包括老化填料计量触发组件、气液蓄能组件和清洗组件，附膜状态分选窗口与老化填料计量触发组件连通，且老化填料计量触发组件的出口与清洗组件连接，所述气液蓄能组件的输出端和清洗组件连接，且清洗组件上安装有控制气液蓄能组件启闭的脉冲释放阀；

4、所述填料本体在清洁状态下的等效密度小于螺旋反应通道内反应混合液的密度，并且在填料本体上的沉积物达到预设清洗阈值的老化状态下，填料本体的等效密度大于反应混合液的密度，以使清洁状态下的填料本体随螺旋上升流通过螺旋导流板，并使老化状态下的填料本体在螺旋反应通道内产生相对于螺旋上升流向外且向下的滑移并沿着螺旋导流板外缘从附膜状态分选窗口进入老化填料计量触发组件。

5、优选地，所述变径导流芯体由多个结构相同的导流单元组成，由下至上依次为第一导流单元、第二导流单元、第三导流单元第四导流单元，每组导流单元沿螺旋反应通道的流动方向依次设置有扩容生物反应段、渐缩加速段、剪切更新段、渐扩分选段和稳流恢复段，所述渐缩加速段的外径沿流动方向增大，以使螺旋反应通道的有效流通面积逐渐减小，所述渐扩分选段的外径沿流动方向减小，以使螺旋反应通道的有效流通面积逐渐增大，且附膜状态分选窗口设置在渐扩分选段处。

6、优选地，所述剪切更新段的有效流通面积为扩容生物反应段的有效流通面积的50%-75%，所述渐缩加速段的轴向长度为填料本体自由状态下最大外径的3-10倍，所述渐扩分选段的轴向长度为填料本体自由状态下最大外径的4-12倍，且所述变径导流芯体在相邻各段之间通过连续圆弧面或连续样条曲面过渡，所述螺旋导流板在渐扩分选段的外周边缘设置有沿流动方向延伸的弧形减速唇，且弧形减速唇与反应器的内壁之间形成附膜状态分选窗口，且附膜状态分选窗口的入口方向与渐扩分选段内局部螺旋流的切线方向之间的夹角为0-30°。

7、优选地，所述填料本体包括刚性承力骨架、沿刚性承力骨架的周向间隔设置的多个弹性螺旋附膜片、连接弹性螺旋附膜片与刚性承力骨架的减薄弹性铰接部、设置于刚性承力骨架内部的封闭浮力腔以及设置于刚性承力骨架底端的平衡配重件，相邻的弹性螺旋附膜片的螺旋起点沿填料本体的周向相互错开，并在填料本体内部形成相互连通的弯曲过水孔道，所述弹性螺旋附膜片的外缘均和弹性保护环连接，所述刚性承力骨架的内部设置有种膜保护肋，且种膜保护肋与弹性螺旋附膜片的根部之间形成种膜保护槽，所述弹性螺旋附膜片远离减薄弹性铰接部的外侧表面设置为粗化附膜面。

8、优选地，所述老化填料计量触发组件沿填料本体的移动方向依次设置有导入段、收纳罐和脉冲出口段，且导入段和附膜状态分选窗口连通，所述收纳罐内固定有倾斜设置的透水承托栅，所述透水承托栅的一端和导入段对应，另一端和脉冲出口段对应，且所述收纳罐底部安装有并联设置的校准过流管和防堵旁通管，且校准过流管和防堵旁通管均通过回流管和反应器连通。

9、优选地，所述老化填料计量触发组件还包括安装在收纳罐侧壁顶部的溢流返回口，且溢流返回口通过溢流管和螺旋反应通道连通，所述透水承托栅的上游设置有第一取压口，所述透水承托栅的下游设置有第二取压口，且第一取压口和第二取压口分别与弹性突跳式先导膜片的两侧连通。

10、优选地，所述气液蓄能组件包括储气罐，所述储气罐内设置有用于分隔气体容积和液体容积的柔性隔膜，所述柔性隔膜的上方设置为储气室，所述柔性隔膜的下方设置有储液室，所述储气罐底部连接有脉冲释放管，且脉冲释放管上安装有由弹性突跳式先导膜片控制的脉冲释放阀。

11、优选地，所述清洗组件包括安装在脉冲出口段外端的气液混合段，气液混合段和脉冲出口段之间通过进料口连通，所述脉冲释放阀固定安装在气液混合段顶端，所述气液混合段底端连接有旋转定向段，所述旋转定向段内沿着圆周方向均匀设置有偏心螺旋导流肋，所述旋转定向段底端设置有脱落物分离段，所述脱落物分离段内固定有弧形填料截留栅，所述脱落物分离段底部通过排料管和反应器底部连通，所述脱落物分离段侧壁连接有和弧形填料截留栅对应的回收箱。

12、优选地，弹性突跳式先导膜片具有用于保持脉冲释放阀关闭的第一稳定位置和用于使脉冲释放阀开启的第二稳定位置，第一取压口位于收纳罐的入口侧，第二取压口位于校准过流管的下游侧，弹性突跳式先导膜片的触发压差大于老化填料计量触发组件在无填料暂存状态下最大运行压差的1.2倍，且弹性突跳式先导膜片的复位压差小于其触发压差，以使收纳罐内的填料本体被脉冲排出后，弹性突跳式先导膜片自动复位并关闭脉冲释放阀。

13、优选地，所述脉冲释放管与气液混合段连通，且所述脉冲释放管的出口方向相对于气液混合段的轴线切向设置，以使气液蓄能组件释放的气体推动液体形成具有轴向推进分量和切向旋转分量的脉冲液塞，所述旋转定向段的最小内接尺寸为填料本体自由状态下最大外径的78%-92%，并且大于刚性承力骨架最大外径的1.05倍，各偏心螺旋导流肋的最大凸起位置沿轴向相互错开填料本体自由状态下最大外径的0.5-1.5倍，各偏心螺旋导流肋在旋转定向段全长范围内形成360°的总周向相位变化。

14、本发明的技术效果和优点：

15、1、本发明首先在反应器内形成螺旋上升流，填料本体在各变径导流单元中进行生物反应和传质更新，达到清洗阈值的老化填料在渐扩分选段被动偏离主流并进入附膜状态分选窗口，老化填料在收纳罐内定量暂存并使压差逐渐升高，达到触发值后弹性突跳式先导膜片使脉冲释放阀快速开启，气液蓄能组件释放受压液体并将老化填料逐个卷吸至清洗组件，填料在旋转定向段内发生旋转和行波式弹性变形，老化生物膜被剥离后在脱落物分离段与填料分离，清洁填料经回收箱重新进入螺旋反应通道，脱落物经排料管进入反应器底部并最终由排泥管排出，填料排空后压差下降，脉冲释放阀自动关闭，气液蓄能组件重新补液和蓄气，将生物膜老化程度、填料运动状态、暂存数量、触发压力、脉冲能量和清洗变形依次关联，并在清洗完成后利用状态恢复自动终止清洗，实现了无需外部检测、无需电控定时和无需停机拆卸的连续选择性自清洁运行。

16、2、本发明利用填料附膜状态变化所引起的等效密度变化建立完整的无源自反馈控制链，填料本体既是微生物附着载体，又是老化程度的直接响应元件，变径导流芯体和螺旋导流板形成的渐扩分选流场将等效密度差异转换为填料运动轨迹差异，老化填料计量触发组件将填料数量转换为过流面积变化和压差变化，弹性突跳式先导膜片将缓慢变化的压差信号转换为脉冲释放阀的快速开启动作，气液蓄能组件将连续曝气过程中产生的低强度余气能量转换为间歇式高动量液体脉冲，气液混合段和旋转定向段进一步将脉冲能量转换为填料的轴向推进、周向旋转和弹性螺旋附膜片的行波式变形，脱落物分离段则将清洁填料与老化生物膜碎片分离并分别回送和排出，前一结构产生的状态或者能量直接构成后一结构的输入条件，且清洗完成后填料等效密度降低、压差消失并使系统自动复位，形成具有明确因果关系的闭环技术体系，克服传统生物膜反应器需要定时曝气冲洗、外部电控检测或者停机取出填料清洗的问题。

17、3、本发明清洗组件内的旋转定向段的最小内接尺寸大于刚性承力骨架的最大外径而小于填料本体自由状态下的最大外径，并且多个偏心螺旋导流肋的最大凸起位置沿轴向和周向错开，该尺寸和相位关系使刚性承力骨架能够安全通过，同时使弹性螺旋附膜片和弹性保护环发生受控、可恢复的局部变形，不同周向位置的弹性螺旋附膜片不是同时受到整体压缩，而是沿填料前进方向依次受到压缩和释放，与此同时，种膜保护槽设置于弹性螺旋附膜片的根部内侧，使外层老化膜被剥离时仍能保留内层活性种膜，将传统依赖随机碰撞的填料清洗方式转变为由空间相位连续变化所形成的行波式弹性清洗，使清洗作用能够深入弯曲过水孔道内部，并对填料不同区域施加差异化清洗强度，提高老化生物膜去除率，降低填料破损概率，并缩短清洗后生物处理能力的恢复时间。