申请日2020.09.16
公开（公告）日2021.04.13
IPC分类号C02F9/14
摘要
本实用新型提供了一种用于污水处理、具有至少两个纳米气泡发生器的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统(NB‑MBBR)，包括一个污水供给模块、一个污水处理模块、一个电子控制模块、一个沉淀模块以及一个臭氧消毒模块，它们根据一个处理程序进行连接，以使污水在自持系统中得到处理。系统会监控pH值、温度、氧化还原电位(ORP)、化学需氧量(COD)、氨氮、细菌总数和大肠杆菌等参数，以确保在排放到排水管之前，最终排放水中细菌总数和大肠杆菌去除率均超过99％、残留的氨氮少于1毫克/公升、COD残留量为80毫克/公升。对于相同量的污水，本系统的能耗仅为传统移动床生物膜反应器(T‑MBBR)系统能耗的79‑83％。另外还提供了使用本系统处理污水的相关方法。
权利要求书
1.一种连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，包括：
一个污水供给模块包括一个污水供给槽、一个蠕动泵和一个气泵；
一个污水处理模块包括一个纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)槽、第一个纳米气泡发生器及第一个水质检测单元；
一个电子控制模块包括一个控制箱，所述控制箱包括一个电源、多个继电器、至少两个空气流量计、至少一个气泵、至少两个自动阀及一个可编程逻辑控制器；
一个沉淀模块包括一个沉淀槽；以及
一个臭氧消毒模块包括一个消毒槽、第二个纳米气泡发生器、第二个水质检测单元及一个臭氧发生器,
其中，所述污水供给模块与所述污水处理模块连通，以将未经处理的污水，从所述污水供给模块的供给槽，输送至所述污水处理模块的NB-MBBR槽中，所述NB-MBBR槽中的部分空间填充了多个生物载体，预先培养的生物质在所述生物载体的表面上形成一个生物膜；
所述污水处理模块的第一个纳米气泡发生器与两个空气扩散器相连，产生包含纳米气泡、微米气泡和粗气泡的空气气泡，以增加氧气从空气溶解至污水内的能力，从而促进在所述生物载体上生物膜内之微生物的呼吸作用，并使生物载体在所述NB-MBBR槽中均匀地循环移动；
所述第一个纳米气泡发生器与所述电子控制模块的控制箱连通，以监测和控制从所述第一个纳米气泡发生器供应至所述污水处理模块内污水介质的空气流速及其供应时间，且所述第一个纳米气泡发生器能够在由所述控制箱控制的供气中断期间，根据自动并定期的清洁程序，通过空气进行自我清洁，从而防止在所述污水处理模块内污水介质中的未消化固体和/或悬浮的生物质，造成由所述第一个纳米气泡发生器经所述扩散器流出的气流发生阻塞；
所述污水处理模块的NB-MBBR槽通过一个污水管，与所述沉淀模块的沉淀槽连通，所述污水管被连接至所述沉淀槽的入口，用于将在所述污水处理模块内处理后的污水输送至所述沉淀槽内，以沉淀未消化固体和悬浮在污水介质中的生物质；
所述沉淀模块通过一个连接至所述消毒槽入口的污水管，与所述臭氧消毒模块连通，以便将已经把未消化固体和悬浮生物质沉淀出来的污水，输送至所述消毒槽，所述消毒槽内装有所述第二个纳米气泡发生器，与所述臭氧发生器相连，产生含臭氧的纳米气泡；
经消毒槽内含臭氧的纳米气泡处理后，超过99％以上的细菌包括大肠杆菌，可以从所述已经把未消化固体和悬浮生物质沉淀出来的污水中去除，并且在排放到排水管之前，所述已经过生物处理、沉淀和消毒的污水，其内残留的氨氮已少于1毫克/公升，化学需氧量(COD)已少于80毫克/公升。
2.根据权利要求1所述的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，所述污水处理模块中装有体积百分比10至45％所述的生物载体。
3.根据权利要求1所述的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，所述生物载体由聚乙烯或聚丙烯制成，形状为圆柱体，且每个生物载体的平均比表面积为500至800m2/m3，直径为10至25毫米，厚度为5至10毫米。
4.根据权利要求1所述的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，当向其中所述第一个纳米气泡发生器供应200至600毫升/分钟的空气时，就所产生含有空气的纳米气泡而言，每个气泡的平均直径为166至177纳米，浓度为1.3×107至2.9×107单位/毫升。
5.根据权利要求1所述的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，当向其中所述第二个纳米气泡发生器供应200至500毫升/分钟的臭氧时，就所产生含有臭氧的纳米气泡而言，每个气泡的平均直径为130至190纳米，浓度为3.4×107至6.4×107单位/毫升。
6.根据权利要求1所述的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，其中电晕放电臭氧发生器被选作所述臭氧发生器，由此产生的臭氧可以源自纯度超过99％的氧气、由氧气浓缩器产生的85至93％氧气、或干燥的环境空气。
7.根据权利要求1所述的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，所述系统每天能够处理38至44公升、初始COD为290至500毫克/公升及初始氨氮含量为25至40毫克/公升的污水，并且每天消耗0.57至0.60kWh或每立方米污水消耗13至16kWh的能量，从而导致当所述已经过生物处理、沉淀和消毒的污水排放到排水管时，被除去的细菌总数超过99％、氨氮少于1毫克/公升以及COD少于80毫克/公升。
8.根据权利要求1所述的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，其特征是，所述污水供给模块中的气泵被配置为向所述污水供给槽的底部供应空气，产生含有空气的粗气泡，从而使污水在所述污水供给槽中均匀地混合，并且防止悬浮固体从污水中沉降至所述污水供给槽的底部。
说明书
一种连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统
技术领域
本实用新型涉及一种高效的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)系统。更特别地，本实用新型的NB-MBBR系统包括至少五个模块，并具有两个不同的纳米气泡发生器，其中的元件被配置在不同模块之间以特定顺序操作，以便以低的能量消耗有效去除废水中的化学和微生物污染物。
背景技术
水是一种必要的资源，而淡水的供应是有限的。废水处理和回收利用对于商业和工业的重要性常常被低估。向环境排放工业废水，特别是排放来自化学和混合工艺过程的工业废水，会造成各种生态和健康危害。在工业中应用有效的废水处理和回收利用，具有减轻对水资源的需求和供水成本、并保护不同生命的健康和生态系统的潜力。每个行业都有责任尽量减少用水和处理废水，并尽可能有效地回收利用每一滴水。生物处理法是一种广泛用于水废水处理的技术，但普通的活性污泥法需要很大的空间及大量的能源，来向污水注入空气以供应足够氧气，并且需要填埋空间来处理过程中产生的污泥。移动床生物膜反应器(MBBR) 是一种附着的生长系统，与传统活性污泥法比较，在生物膜中具有较高浓度的微生物种群，从而提高了污水的处理效率1,2。在中试系统研究和实际的污水处理厂中，都有MBBR应用的例子，在50个不同的国家内，现已有600多个MBBR正在运行3。大量研究表明，MBBR 系统具有优于传统活性污泥工艺的优势，例如高负荷、稳定的处理性能、较短的水力停留时间、更少的污泥产生和更少的空间需求4,5。在好氧的MBBR系统中，气泡扩散器通常被应用来产生粗气泡和微细气泡，以混合污水和提供氧气；然而，超微细气泡具有更好的氧气传输效率，在提供氧气上应该有更好的效果。由于没有太多的研究将纳米气泡应用在MBBR系统上，因此还有空间研究如何借由使用纳米气泡来增加系统中的溶解氧以改良MBBR系统。
中国专利申请号CN106186558A6公开了一种高效的供氧纳米气泡悬浮载体流动生化床污水处理系统，其包含一个格栅、一个厌氧池、一个缺氧池、一个MBBR纳米气泡生物反应池和二沉池。MBBR纳米气泡生物反应池与使用氧气作为气源的纳米气泡机相连，负责生产并输送尺寸小于200纳米的纳米气泡，以形成高密度的纳米气泡水。然而，与空气纳米气泡相比，使用氧气作为气源将大大增加运营成本。高比表面积载体(填料)由密度稍小于水的聚乙烯改性制成，它们具有亲水性，因此可以促进生物膜的形成，并提高其对好氧环境和流体动力剪切力的适应能力。但该专利中公开的系统的最大处理能力和操作模式(间歇或连续)并未定义。在此现有技术中，气-水混合流是通过加速旋转的高压气穴作用，形成高浓度的含氧纳米气泡，而制造气-水混合流需要喷射器或水泵，可能要使用额外的能量。此外，当没有自动清洁装置时，污泥和微生物可能会附着在纳米气泡产生系统上，并影响其性能。另外在该现有技术中，在生物处理之后缺乏后处理消毒过程。
中国专利公开申请号CN102887589A7公开了一种连续模式纳米曝气固定床生物膜反应器，可以增加氧气传输能力和溶解氧浓度、节省五分之一的耗电量，以及在处理生活污水时，将COD和氨氮的去除效率提高至95-98％。纳米曝气生物膜反应器的主要结构如下：1)进水调节池通过水泵连接反应器的进水口；2)该反应器内填充有填料；3)生物膜生长在碳素纤维填料的表面；4)反应器的上部与纳米曝气机的进水管连接；5)反应器的下部与纳米曝气机的曝气管相连；6)反应器的出水口通过一个电磁阀与出水池连接。然而，作为一个固定膜生物介质，依靠水力的混合不充分时可能导致填料堵塞，从而降低了营养物的去除性能。
Gong等人(2016)8公开了一种实验室规模的四级处理系统，用于处理实际的纺织品染色废水。该系统由一个厌氧MBBR、一个一级好氧MBBR、一个臭氧氧化单元及一个二级好氧MBBR组成。该系统利用厌氧MBBR的酸化作用和臭氧氧化单元，提高织物染色废水的生物降解性，以便在随后的好氧MBBR中去除COD。通过酸化和臭氧氧化，BOD5/COD的比率分别增加到0.33和0.43。两级好氧MBBR的总有机负荷率为0.55公斤COD/m3/天，而总COD的去除率高达94.3％。然而，由于氨氮已经达到了印染废水的排放标准(GB 4287- 1992)，因此系统没有对氨的去除进行优化。即使如此，氨氮去除率仍达到85.3％，出水浓度为5.9毫克/公升。尽管该现有技术具有类似的工艺配置(好氧MBBR和臭氧氧化装置的组合)，但与本实用新型相比，可以找到明显的差异：1)未有将纳米气泡引入好氧MBBR 中，以增强氧气质传输来去除COD和氨气；和2)臭氧氧化是用于改善生物降解性，而不是消毒。
在过去十年中，由于微米气泡和纳米气泡的特殊性质，如较大的表面面积，以促进气体溶解、化学反应、气液界面处的物理吸附和质量传递、低上升速度、形成高温高压场以及生成羟基自由基，使得微米气泡和纳米气泡在不同废水处理中的应用研究持续地进行。当纳米气泡越小，气泡的表面面积和液体将气体溶解的能力就越大，这确实有助于依靠空气/ 氧气供应来促进微生物生长的生物废水处理。
发明内容
因此，本实用新型的目的是提供一种用于污水处理、具有至少两个纳米气泡发生器的高效连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统，该系统包括：
一个污水供给模块包括一个污水供给槽、一个蠕动泵和一个气泵；
一个污水处理模块包括一个纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)槽、第一个纳米气泡发生器及第一个水质检测单元；
一个电子控制模块包括一个控制箱，该控制箱包括一个电源、多个继电器、至少两个空气流量计、至少一个气泵、至少两个自动阀及一个可编程逻辑控制器；
一个沉淀模块包括一个沉淀槽；以及
一个臭氧消毒模块包括一个消毒槽、第二个纳米气泡发生器、第二个水质检测单元及一个臭氧发生器，
其中，污水供给模块与所述的污水处理模块连通，以将未经处理的污水从所述污水供给模块的供给槽，输送至污水处理模块的NB-MBBR槽中，该NB-MBBR槽中部分空间填充有多个生物载体，预先培养的生物质在生物载体的表面上形成一个生物膜；
污水处理模块的第一个纳米气泡发生器与两个空气扩散器相连，所述的两个扩散器会产生包含纳米气泡、微米气泡和粗气泡的空气气泡，以增加氧气从空气溶解至污水内的能力，从而促进所述生物载体上的生物膜内的微生物之呼吸作用，并使所述的生物载体在所述的NB-MBBR槽内能均匀地循环移动；
第一个纳米气泡发生器与电子控制模块的控制箱连通，以监测和控制从第一个纳米气泡发生器至污水处理模块内的污水介质，其内之空气气泡的流速及供应时间，且第一个纳米气泡发生器能够在由控制箱控制的供气中断期间，根据自动并定期的清洁程序，通过空气进行自我清洁，从而防止污水处理模块内、污水介质中的未消化固体和/或悬浮的生物质，引致由第一个纳米气泡发生器经所述扩散器流出的气流发生阻塞；
污水处理模块的NB-MBBR槽通过一个污水管与沉淀模块的沉淀槽连通，该污水管被连接至沉淀槽的入口，用于将在污水处理模块内、处理后的污水输送至沉淀槽内，以便沉淀未消化的固体和悬浮在污水介质中的生物质；
沉淀模块通过一个连接至消毒槽入口的污水管与臭氧消毒模块连通，以便将在所述沉淀槽的污水介质中，把未消化固体和悬浮生物质沉淀后的出水，输送至所述的消毒槽，消毒槽内装有所述的的第二个纳米气泡发生器，与臭氧发生器相连，产生含臭氧的纳米气泡；
超过99％以上的细菌，包括大肠杆菌，可从经消毒槽内的含臭氧纳米气泡处理的出水中去除，并且在将所述的出水排放到排水管之前，所述的出水中残留的氨氮少于1毫克/公升，化学需氧量(COD)少于80毫克/公升。
在一个实施方案中，污水处理模块中装有体积百分比10至45％的生物载体。
在另一个实施方案中，生物载体由聚乙烯或聚丙烯制成，形状为圆柱体，且每个生物载体的平均比表面积为500至800m2/m3，直径为10至25毫米，厚度为5至10毫米。
在其他实施方案中，当向第一个纳米气泡发生器供应200至600毫升/分钟的空气时，就所产生含有空气的纳米气泡而言，每个气泡的平均直径为166至177纳米，浓度为1.3×107至2.9×107单位/毫升。
在又一个实施方案中，当向第二个纳米气泡发生器供应200至500毫升/分钟的臭氧时，就所产生含有臭氧的纳米气泡而言，每个气泡的平均直径为130至190纳米，浓度为3.4×107至6.4×107单位/毫升。
在另一个实施例中，电晕放电臭氧发生器被选作所述的臭氧发生器，由此产生的臭氧可以源自纯度超过99％的氧气、由氧气浓缩器产生的85至93％氧气、或干燥的环境空气。
在一个示例性实施例中，本系统每天能够处理38至44公升、初始COD为290至500毫克/公升及初始氨氮含量为25至40毫克/公升的污水，并且每天消耗0.57至0.60kWh的能量，从而导致当所述的出水排放到排水管时，被除去的细菌总数超过99％、氨氮少于1毫克/公升以及COD少于80毫克/公升。因此，每处理1立方米废水，所需的能耗为13至16 kWh。
在其他实施方案中，污水供给模块的气泵被配置为向污水供给槽的底部供应空气，产生含有空气的粗气泡，从而使污水在污水供给槽中均匀地混合，并且防止悬浮固体从污水中沉降至污水供给槽的底部。
根据本实用新型所述系统，以下是一个应用所述系统处理污水的方法，该方法可以包括：
将污水输送至一个注入多个空气粗气泡的污水供给模块以使污水均匀混合，并防止悬浮固体从污水中沉降至污水供给模块的污水供给槽底部；
将污水从污水供给槽输送至一个污水处理模块的纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)槽，NB-MBBR槽中部分填充有多个生物载体，预先培养的生物质在该生物载体的表面上形成一个生物膜，且在200至600毫升/分钟的空气供应下，带有浓度为1.3×107至2.9×107单位/毫升、含空气的纳米气泡；
在第一段时间内在污水处理模块中处理污水；
将处理后的污水从污水处理模块输送至一个沉淀模块，使未消化和/或悬浮固体从污水中沉降至一个沉淀槽的底部，亦即是通过重力将未消化和/或悬浮固体从污水介质中分离出来；
从沉淀模块的沉淀槽中，将已经去除了未消化和/或悬浮固体后的污水介质，输送至一个臭氧消毒模块内的消毒槽中，臭氧消毒模块在200至500毫升/分钟的臭氧供应下，提供了浓度为3.4×107至6.4×107单位/毫升、含有臭氧的纳米气泡；
监控并记录在污水处理模块内的NB-MBBR槽中pH值、溶解氧(DO)及温度，与及在臭氧消毒模块内的消毒槽中已处理污水介质的pH值、氧化还原电位(ORP)及温度，以确保在将出水排放之前，系统中的出水的氨氮少于1毫克/公升、COD少于80毫克/公升，并且总细菌去除率超过99％；
在第二段时间内，或直到细菌总数低于门槛，处理所述消毒槽中的污水介质，并将处理后的污水介质排放至排水管。
其中，污水处理模块中装有体积百分比10至45％的生物载体。
其中，生物载体由聚乙烯或聚丙烯制成，形状为圆柱体，且每个生物载体的平均比表面积为500至800m2/m3，直径为10至25毫米，厚度为5至10毫米。
其中，每个含有空气的纳米气泡的平均直径为166至177纳米。
其中，每个含有臭氧的纳米气泡的平均直径为130至190纳米。
其中，第一段时间为13至16小时的水力停留时间。
其中，第二段时间为1.5小时的水力停留时间。
以上述方法为例，利用所述系统处理污水的能耗为13至16kWh/m3、可去除99％以上的总细菌、并使出水残留的氨氮少于1毫克/公升以及COD少于80毫克/公升。以下示例性实施方案，应当遵守本文所述本方法的步骤顺序，以实现本实用新型所证实的处理能力、处理效率及能量消耗。
（发明人：邓阳招;李彩霞;黄锦礼;何嘉仪）