CN106186558A - 一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，包括格栅、厌氧池、缺氧池、MBBR纳米气泡生物反应池和二沉池，MBBR纳米气泡生物反应池内投放有适合微生物菌种附着繁衍的高比表面积悬浮载体，且MBBR纳米气泡生物反应池与一气源为氧气的纳米气泡机连接，负责向MBBR纳米气泡生物反应池内输送纳米气泡，形成高密度的纳米气泡水体。本发明原创地将纳米气泡技术与悬浮载体流动生化床技术进行结合，形成了一个全新的污水处理系统及工艺，不但摒除了现有的活性污泥污水处理系统中存在的频繁添加污泥、高能耗地鼓风曝气、回流污泥、每日处理老化污泥等缺点，并且具有操作简单、运行稳定、处理水量大等优点。

Description

一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体而言，涉及一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统。

背景技术

溶解氧含量是反映水体污染状态的一个重要指标，污染水体溶解氧浓度的变化过程反映水体的自净过程。溶解氧在水体自净过程中起着非常重要作用，并且水体的自净能力直接与曝气能力有关。

目前污水处理厂大多采用100多年前（1912）英国的克拉克（Clark）和盖奇（Gage）发明的活性污泥法A²O工艺进行厌氧，缺氧，好氧生化处理。活性污泥法在二十世纪初应用于污水处理以来得到很大的发展，主要是由于其系统相对简单，处理效果在系统运行稳定情况下比较好。

但活性污泥法A²O工艺同时具有出水水质不稳定，占地面积较大，每日污泥处理量大等缺点，而且该工艺用于鼓风和曝气的费用巨大，大约可以占到污水处理总费用的70%-80%。尤其是长期以来，活性污泥经受负荷冲击，温度变化(特别是低温)，毒性影响，污泥膨胀的脆弱性困扰。因此，污泥流失和系统效率低下是目前许多污水处理厂经常需要面对的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的以上问题，本发明旨在提供一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，包括依次连接的格栅、厌氧池、缺氧池、MBBR纳米气泡生物反应池和二沉池，所述MBBR纳米气泡生物反应池内投放有一定数量的适合微生物菌种附着繁衍的高比表面积悬浮载体，且所述MBBR纳米气泡生物反应池与一纳米气泡机连接，所述纳米气泡机的气源为氧气，所述纳米气泡机负责向所述MBBR纳米气泡生物反应池内输送纳米气泡，形成高密度的纳米气泡水体。

进一步的，所述纳米气泡机所产生的纳米气泡的直径小于200nm。

进一步的，所述纳米气泡水体的整体密度为0.988g/cc。

纳米气泡直径小于200nm，具有区别于传统气泡的行为特性。本发明MBBR纳米气泡生物反应池中的气-水混合流是通过加速旋转的高压气穴作用形成高浓度含氧纳米气泡，激活污水厂中的微生物群体生态系统，培养驯化了污水中自有的或由外源供应的优势菌种群体，使污水水质得到提升，将死水转化为活水，进行污水的有效处理。这种纳米气泡增氧发生系统具有操作简单、运行稳定、处理水量大等优点。相对于传统大气泡在液体中迅速上升（30秒左右）并在液面破裂的行为，微米气泡（5微米左右）上升缓慢（5分钟，甚至更久），且尺寸逐渐减小，气泡收缩甚至消失；纳米气泡（小于200 纳米）表面带负电荷，上升更加缓慢（几小时，甚至更久）气泡间不会互相融合，其行为特性与传统气泡差异很大。这种行为特性使得微纳米气泡在液体中的停留时间较长，也成为微纳米气泡能够强化气-液传输的重要原因之一。

进一步的，所述悬浮载体为MBBR生物膜填料。

进一步的，所述MBBR生物膜填料由密度比水略小的聚乙烯改性制成。

MBBR工艺的核心是生物膜填料，它是由比水密度略小的聚乙烯改性制成。生物膜附着性的因素与填料表面粗糙程度、比表面积、亲水性、构造等因素有很大关系。生物膜表面粗糙度大，微生物较易在填料表面附着生长，挂膜速度较快；生物膜填料的比表面积越大，微生物越容易附着，生物膜生长越快；微生物本身属于亲水性粒子，因此具有亲水性的填料较易促进生物膜的形成；生物膜填料本身的构造决定其对好氧环境中水力剪切力的适应能力。生物膜填料的构造，在挂膜初期形成的生物膜能更好的抗击水力冲刷。

本发明的有益效果如下:

本发明原创地将纳米气泡技术与悬浮载体流动生化床技术进行结合，形成了一个全新的污水处理系统及工艺，不但摒除了现有的活性污泥污水处理系统中存在的频繁添加污泥、高能耗地鼓风曝气、回流污泥、每日处理老化污泥等缺点，并且具有以下几个优点：

1、容积负荷高，紧凑省地：容积负荷取决于生物膜填料的有效比表面积。不同填料的比表面积相差很大。目前填料比表面积可以从200平方米/立方米到1200平方米/立方米填料体积的范围内变化，以适应不同的预处理要求和应用情况。

2、耐冲击性强，性能稳定，运行可靠：冲击负荷以及温度变化对流动床工艺的影响要远远小于对活性污泥法的影响。当污水成分发生变化，或污水毒性增加时，生物膜对此的耐受力很强。

3、搅拌和曝气系统操作方便，维护简单：曝气系统采用穿孔曝气管系统，不易堵塞。搅拌器采用具有香蕉型搅拌叶片，外形轮廓线条柔和，不损坏填料。整个搅拌和曝气系统很容易维护管理。

4、生物池无堵塞，生物池容积得到充分利用，没有死角：由于生物膜填料和水流在生物池的整个容积内都能得到混合，从根本上杜绝了生物池的堵塞可能，因此，池容得到完全利用。

5、灵活方便,更少的剩余污泥产量：工艺的灵活性体现在两方面。一方面，可以采用各种池型(深浅方圆都可)，而不影响工艺的处理效果。另一方面，可以很灵活地选择不同的填料填充率，达到兼顾高效和远期扩大处理规模而无需增大池容的要求。对于原有活性污泥法处理厂的改造和升级，流动床生物膜工艺可以很方便地与原有的工艺有机结合起来。

6、使用寿命长：优质耐用的生物膜填料，曝气系统和出水装置可以保证整个系统长期使用而不需要更换，折旧率较低。填料寿命可以使用20年以上。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明污水处理系统的工艺流程图；

图2为本发明的生物膜填料的结构示意图；

图3为本发明的生物膜填料的截面图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，包括依次连接的格栅1、厌氧池2、缺氧池3、MBBR纳米气泡生物反应池4和二沉池5，所述MBBR纳米气泡生物反应池4内投放有一定数量的适合微生物菌种附着繁衍的高比表面积悬浮载体，且所述MBBR纳米气泡生物反应池4与一纳米气泡机6连接，所述纳米气泡机6的气源为氧气，所述纳米气泡机6负责向所述MBBR纳米气泡生物反应池4内输送纳米气泡，形成高密度的纳米气泡水体。

进一步的，所述纳米气泡机6所产生的纳米气泡的直径小于200nm。

进一步的，所述纳米气泡水体的整体密度为0.988g/cc。

进一步的，参见图2所示，所述悬浮载体为MBBR生物膜填料。

进一步的，所述MBBR生物膜填料由密度比水略小的聚乙烯改性制成。

本发明的MBBR纳米气包工艺的技术介绍：

1、纳米气泡技术

纳米气泡高效供氧水体透析修复技术原理说明：纳米气泡直径小于200nm,具有区别于传统气泡的行为特性,在环境污染治理领域中表现出一些潜在的应用优势,日益受到关注。本发明MBBR纳米气泡生物反应池中的气-水混合流，是采用本公司在先申请的纳米气泡水体透析专利技术及设备（专利号：ZL201220491314.2；ZL201220491313.8；ZL201220491245.5；ZL201220491315.7）通过加速旋转的高压气穴作用形成高浓度含氧纳米气泡，激活污水厂中的微生物群体生态系统，培养优势菌种群体，使污水水质得到提升，将死水转化为活水，进行污水的有效处理。

这种纳米气泡增氧发生系统具有操作简单、运行稳定、处理水量大等优点。相对于传统大气泡在液体中迅速上升（30秒左右）并在液面破裂的行为，微米气泡（5微米左右）上升缓慢（5分钟，甚至更久），且尺寸逐渐减小，气泡收缩甚至消失；纳米气泡（小于200 纳米）表面带负电荷，上升更加缓慢（几小时，甚至更久）气泡间不会互相融合，其行为特性与传统气泡差异很大。这种行为特性使得微纳米气泡在液体中的停留时间较长，也成为微纳米气泡能够强化气-液传输的重要原因之一。

纳米气泡表面是由带负电荷的气体分子状态形成，由于水分子是带双极性分子，其正电荷便会附在负电荷的纳米气泡周围，形成正负两层的静电效应，亦即电容效应。这种正负的静电分子力，使得纳米气泡能在水中遵循布朗运动长时效扩散进行生化反应，驯化微生物降解污水。纳米气泡高效供氧给微生物进行繁殖，代谢，对污水中的有机物氧化后，水体达到氨化与硝化反应：

（1）氨化反应

有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮，这一过程称为氨化反应。以氨基酸为例，在好氧条件与厌氧条件下其反应式如下：

；

。

（2）亚硝化反应和硝化反应

在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，就此分两个阶段进行。首先在亚硝酸菌的作用下，氨（）转化为亚硝酸氮（亚硝化反应）;然后亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮（硝化反应）。这两项反应均需在有氧的条件下进行。常以、、和为碳源，反应式为:

；

。

硝化总反应为：

。

纳米气泡特性：纳米气泡具有物理性、化学性和生物性，可清淤除臭，提高水体透明度。

①纳米气泡物理性：纳米气泡的高表面能和携带负电荷等独特的物理特性，能对水中污染物、悬浮物和蓝藻等有效吸附，并形成浮渣收集。

②纳米气泡化学性：纳米气泡产生的过程，能释放大量氢氧自由基，具有增强氧化能力的效果。可针对溶解性物质氧化。达到纳米级的气泡，其氧化能力和吸附能力显著，降解污染物的速度也更快。

③纳米气泡生物性：治理期间水体含氧量丰富，有效培养优势微生物，进行消化、降解久积富集的污染物，提高水体透明度、降低底泥有机物含量，进而进一步优化水体生态。

采用纳米气泡水体增氧技术可以改变底泥的供氧环境，通过寄宿在底泥里的微生物逐渐降解底泥，这种方式虽然底泥降解需要较长的时间，但工程实施简单，且运行成本最低。

2、MBBR（流动床生物膜反应器）技术

MBBR（MBBR:moving bed bio-reactor）技术原理是通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体，提高反应器中的生物量及生物种类，从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水，所以在使用本发明的微纳米曝气的时候，与水呈完全混合状态，微生物生长的环境为气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用，使空气气泡更加细小，增加了氧气的利用率。另外，每个载体内外均具有不同的生物种类，内部生长一些厌氧菌或兼氧菌，外部为好养菌，这样每个载体都为一个微型反应器，使硝化反应和反硝化反应同时存在，从而提高了处理效果。与以往的填料不同的是，悬浮填料能与污水频繁多次接触因而被称为“移动的生物膜”。

在自然界的生物膜和固定式生物膜反应器中，被处理的污染物不容易扩散到生物膜的内部，在好氧状态，氧分子也不容易均匀扩散到生物膜内。同时，老化的生物膜和生物降解产物也不易于传送到生物膜外。这样，固定式生物膜反应器在理论上的优越性并没有得到充分的发挥。加上采用的挂膜材料(生物膜填料)可能易于变形和垮塌，使固定式生物膜反应器的应用受到很大的影响。

生物流化床工艺利用流化的颗粒填料，很好地解决了脱落的生物膜堵塞反应器的问题。粒径小的颗粒填料虽易于流化，也易于被水流带走，颗粒大的填料不易于流化，需要很高的流化速度。为使填料保留在反应器中，适当的结构措施(如斜板)是必要的。为达到流化的目的，流化床反应器的结构设计必然较为复杂。当流化速度大时，生物膜不易于附着在颗粒填料表面，所以，颗粒填料的巨大表面积并没有得到充分利用。多孔型轻质填料虽然使有效表面积增加，但并不能根本改变这一局面。此外，当采用好氧生物流化床时，曝气充氧不易于与流化过程结合起来。

活性污泥法在二十世纪初应用于污水处理以来得到很大的发展，主要是由于其系统相对简单，处理效果在系统运行稳定情况下比较好。但长期以来，活性污泥经受负荷冲击，温度变化(特别是低温)，毒性影响，污泥膨胀的脆弱性困扰。污泥流失和系统效率低下是许多污水处理厂经常面对的问题，本发明的MBBR纳米气泡工艺很好地反映了这样的要求。

MBBR工艺的核心是生物膜填料，它是由比水密度略小的聚乙烯改性制成。生物膜附着性的因素与填料表面粗糙程度、比表面积、亲水性、构造等因素有很大关系。表面粗糙度大，微生物较易在填料表面附着生长，挂膜速度较快；填料的比表面积越大，微生物越容易附着，生物膜生长越快；微生物本身属于亲水性粒子，因此具有亲水性的填料较易促进生物膜的形成；填料本身的构造决定其对好氧环境中水力剪切力的适应能力。生物膜填料的构造，在挂膜初期形成的生物膜能更好的抗击水力冲刷。

3、MBBR纳米气泡工艺

大量的纳米气泡充入MBBR纳米气泡生物反应池中，以增加溶氧量，一可给MBBR中形成生物膜的载体提供氧气，使微生物生长迅速，提高生化效率；二是依靠纳米气泡本身的特性降解水中各项指标。纳米体积小、表面积大其表面具有较强的张力,当纳米气泡逐渐缩小,其内部必然产生很高的压力,气泡崩溃的瞬间会在其周围极小的空间范围内产生高温和高压并伴有强烈的冲击波和微射流等现象,产生类似于空化气泡的空化效应而产生H O· ,并且使得气泡表面层的水分子形成超临界水,有利于化学反应速率的增加,从而达到快速、高效降低CODcr 、NH₄-N、TP、异味物质浓度和降低水体色度和浊度的效果。

MBBR纳米气泡工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点，是一种新型高效的污水处理方法，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的微生物菌群附着生长的载体生物膜，这就使得移动床生物膜使用了整个反应器空间，充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性，使之扬长避短，相互补充。

本发明的技术关键在于研究和开发了比重接近于水，轻微搅拌下易于随水自由运动的生物膜填料，以及高效供氧的纳米气泡系统。生物膜填料具有有效表面积大，适合微生物吸附生长的特点。参见图2和图3所示，生物膜填料的结构以具有受保护的可供微生物生长的内表面积为特征。当曝气充氧时，空气泡的上升浮力推动填料和周围的水体流动起来，当气流穿过水流和填料的空隙时又被填料阻滞，在这样的过程中，填料被充分地搅拌并与水流混合，增加了生物膜与氧气的接触和传氧效率。参见图3所示，在好氧/兼氧条件下，水流和填料在潜水搅拌器的作用下充分流动起来，达到生物膜和被处理的污染物充分接触而生物分解的目的，流动床生物膜反应器工艺由此而得名。因此，MBBR流动床生物膜工艺突破了传统生物膜法(固定床生物膜工艺的堵塞和配水不均，以及生物流化床工艺的流化局限)的限制，为生物膜法更广泛地应用于污水的生物处理奠定了较好的基础。

本发明的MBBR纳米气泡技术及其污水处理系统具有以下特点：

（1）容积负荷高，紧凑省地：容积负荷取决于生物膜填料的有效比表面积。不同填料的比表面积相差很大。目前填料比表面积可以从200平方米/立方米到1200平方米/立方米填料体积的范围内变化，以适应不同的预处理要求和应用情况。

（2）耐冲击性强，性能稳定，运行可靠：冲击负荷以及温度变化对流动床工艺的影响要远远小于对活性污泥法的影响。当污水成分发生变化，或污水毒性增加时，生物膜对此的耐受力很强。

（3）搅拌和曝气系统操作方便，维护简单：曝气系统采用穿孔曝气管系统，不易堵塞。搅拌器采用具有香蕉型搅拌叶片，外形轮廓线条柔和，不损坏填料。整个搅拌和曝气系统很容易维护管理。

（4）生物池无堵塞，生物池容积得到充分利用，没有死角：由于填料和水流在生物池的整个容积内都能得到混合，从根本上杜绝了生物池的堵塞可能，因此，池容得到完全利用。

（5）灵活方便,更少的剩余污泥产量：工艺的灵活性体现在两方面。一方面，可以采用各种池型(深浅方圆都可)，而不影响工艺的处理效果。另一方面，可以很灵活地选择不同的填料填充率，达到兼顾高效和远期扩大处理规模而无需增大池容的要求。对于原有活性污泥法处理厂的改造和升级，流动床生物膜工艺可以很方便地与原有的工艺有机结合起来。

（6）使用寿命长：优质耐用的生物膜填料，曝气系统和出水装置可以保证整个系统长期使用而不需要更换，折旧率较低。填料寿命可以使用20年以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，其特征在于：包括依次连接的格栅（1）、厌氧池（2）、缺氧池（3）、MBBR纳米气泡生物反应池（4）和二沉池（5），所述MBBR纳米气泡生物反应池（4）内投放有一定数量的适合微生物菌种附着繁衍的高比表面积悬浮载体，且所述MBBR纳米气泡生物反应池（4）与一纳米气泡机（6）连接，所述纳米气泡机（6）的气源为氧气，所述纳米气泡机（6）负责向所述MBBR纳米气泡生物反应池（4）内输送纳米气泡，形成高密度的纳米气泡水体。

2.根据权利要求1所述的纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，其特征在于：所述纳米气泡机（6）所产生的纳米气泡的直径小于200nm。

3.根据权利要求1所述的纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，其特征在于：所述纳米气泡水体的整体密度为0.988g/cc。

4.根据权利要求1所述的纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，其特征在于：所述悬浮载体为MBBR生物膜填料。

5.根据权利要求4所述的纳米气泡高效供氧悬浮载体流动生化床污水处理系统，其特征在于：所述MBBR生物膜填料由密度比水略小的聚乙烯改性制成。