CN113087281A - 连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统及相关的污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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，本发明的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藉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)，但与本发明相比，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。
以下参考清单列出了本部分中提及的文献，通过引用整体并入本文：
1.S.Azizi,A.Valipour,T.Sithebe,Evaluation of Different WastewaterTreatment Processes and Development of a Modified Attached Growth Bioreactoras a Decentralized Approach for Small Communities 2013(2013)1-8.
2.V.V.Ranade,V.M.Bhandari,Industrial Wastewater Treatment,Recycling andReuse,Elsevier Science,2014.
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5.P.Boltz,B.F.Smets,B.E.Rittmann,van Loosdrecht,Mark C M,E.Morgenroth,G.T.Daigger,From biofilm ecology to reactors:a focused review,WaterSci.Technol.75(2017)1753-1760.
6.CN106186558A(公布日2016-12-07)申请人：百诺纳米科技(苏州)有限公司
7.CN102887589A(公布日2013-01-23)申请人：中国环境科学研究院
8.X.-B.Gong,Advanced treatment of textile dyeing wastewater through thecombination of moving bed biofilm reactors and ozonation,Separation Sci.andTechnol.51(2016)1589-1597.
发明内容
因此，本发明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內的污水介质，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、或干燥的環境空氣。
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，每處理1立方米廢水，所需的能耗為13至16kWh。
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。
本发明的另一个目的，是提供一种运用上述系统处理污水的方法，并满足以下条件：在第一段时间内处理污水、能耗为13至16kWh/m3、可去除99％以上的总细菌、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，所述的方法包括：
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；
在第一段時間內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門檻，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。
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製成，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。
在其它实施方案中，每个含有空气的纳米气泡的平均直径为166至177纳米。
在又另一个实施方案中，每个含有臭氧的纳米气泡的平均直径为130至190纳米。
在一个实施方案中，第一段时间为13至16小时的水力停留时间。
在另一个实施方案中，第二段时间为1.5小时的水力停留时间。
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，以实现本发明所证实的处理能力、处理效率及能量消耗。
附图说明
从以下参考附图中列举的示例性实施例的描述，将更容易理解本发明，其中：
图1出示了本发明的一个实施方案的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)系统的示意图。
图2出示了根据本发明的一个实施方案，由图1所示的纳米气泡发生器5所产生的纳米气泡的浓度分布和平均直径。
图3出示了根据本发明的一个实施方案，含有空气的纳米气泡水的采样点。
图4出示了根据本发明的一个实施方案，利用传统空气扩散器的移动床生物膜反应器(T-MBBR)系统之示意图，以用于能耗比较。
图5出示了根据本发明的一个实施方案，连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)系统和连续模式传统扩散器移动床生物膜反应器(T-MBBR)系统的生物载体照片。
具体实施方式
与传统的扩散器移动床生物膜反应器(T-MBBR)系统相比，本发明提供了一种具有更高处理效率和更低能耗的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)系统，用于处理污水，以将化学需氧量(COD)降低至少于80毫克/公升，将氨氮降低至少于1毫克/公升，并去除99％以上的大肠杆菌(E.coli)和总细菌。本发明连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器系统包括包括一个污水供给模块、一个污水处理模块、一个沉淀模块、一个臭氧消毒模块及一个电子控制模块。因此，本发明的系统可以应用在生物废水处理上。
在一个实施方案中，污水供给模块包括污水供给槽和蠕动泵，蠕动泵可将未经处理的污水从污水供给槽输送至污水处理模块内。
在另一个实施方案中，污水处理模块包括一个装有体积百分比10至45％生物载体的水槽，生物载体上有预先培养的生物质，水槽还有至少一个具有两个空气扩散器单元的纳米气泡发生器，其被连接至一个气泵，用于产生含空气的气泡，包括纳米气泡、微米气泡和粗气泡。
在其它实施方案中，沉淀模块包括一个水槽，其入口连接到污水处理槽的出水管，而其出口连接到之后的臭氧纳米气泡消毒模块。该臭氧纳米气泡消毒模块包括一个用于产生臭氧纳米气泡的纳米气泡发生器以及一个消毒槽，消毒槽的入口连接到沉淀槽的出口，而它的出口则连接至排水管。
在又一个实施方案中，电子控制模块包括一个电源、多个继电器、两个空气流量计、一个气泵、两个自动阀及一个可编程逻辑控制器(PLC)，用于控制纳米气泡发生器的供气和运行时间，以定期控制纳米气泡的产生及暂停，并在暂停期间利用空气，自动清洁在污水处理槽内、纳米气泡发生器中的扩散器。
现在，透过如下参考附图进一步说明本发明的某些实施方案。合成污水被用来证明本发明的应用性，本发明也可以用于处理生活和市政污水以及其他废水。
参照图1所示的连续模式纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)系统的示意图，污水供給模块101包括一个污水供给槽1来储存未经处理的污水，一个蠕动泵2用于以特定的流量，将未处理的合成污水，从污水供给槽1泵送到污水处理模块中的NB-MBBR槽4，一个外置气泵3，用于将空气输送至在污水供给槽1底部的空气扩散器，以产生含有空气的粗气泡，从而使污水均匀混合，并防止污水供给槽1的悬浮固体沉淀在底部。利用本系统来处理的污水之pH值为7至9，COD为290-550毫克/公升，氨氮含量为25-40毫克/公升。
污水处理模块102包括一个NB-MBBR槽4、第一个纳米气泡发生器5及第一个水质检测单元6。NB-MBBR槽4中，填充有体积百分比10至45％、并预先培养了生物质的生物载体，该生物载体可以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。第一个纳米气泡发生器5具有两个空气扩散器单元(分别在发生器的进水口和出水口，未在图1中显示)，并连接至NB-MBBR槽4，以产生含有空气的纳米气泡、微米气泡及粗气泡，以提供溶解氧(DO)来让微生物进行呼吸作用，与及使污水处理模块中的生物载体能均匀地循环移动。第一个水质检测单元6被插入至NB-MBBR槽4中，以监测NB-MBBR槽4中的污水之pH值、DO和温度。
第一个纳米气泡发生器5连接至电子控制模块103，该电子控制模块103包含一个控制箱7，该控制箱包含一个电源、多个继电器、两个空气流量计8和9、一个气泵10、两个自动阀及一个可编程逻辑控制器11，它们被用于控制空气供应和纳米气泡发生器的操作时间，以定期控制纳米气泡的产生及暂停，。如此可以在纳米气泡暂停期间，通过空气自动并定期清洁纳米气泡发生器内的扩散器，防止任何未消化的固体和悬浮生物质阻塞通过扩散器的气流。
沉淀模块104包含一个用于沉淀任何未消化固体和悬浮生物质的沉淀槽12，其中沉淀槽入口连接至NB-MBBR槽4的出水管，而其出口连接至臭氧消毒模块105的消毒槽13。
臭氧消毒模块105包含一个消毒槽13、第二个纳米气泡发生器14、第二个水质检测单元15及一个臭氧发生器16。来自沉淀槽12的出水被引导流入消毒槽13，而连接到臭氧发生器16的第二个纳米气泡发生器14，产生含臭氧的纳米气泡，注入消毒槽13内。含臭氧的纳米气泡显示出消毒效果，消毒槽13内处理后的出水流出前，水中的大肠杆菌(E.coli)和总细菌已减少。第二个水质检测单元15被插入至消毒槽13中，以测量并记录消毒槽13内的出水的pH值、氧化还原电位(ORP)和温度。臭氧发生器16可以通过使用纯度超过99％的氧气、或来自氧气浓缩器的85至93％氧气、或干燥的環境空氣，基于电晕放电方法来产生臭氧。
在本发明中使用的第一个和第二个纳米气泡发生器(5、14)类似于之前的美国临时专利申请案号62/764,986中报导的纳米气泡发生器，其公开内容通过引用并入本文。生成的含有空气的纳米气泡特点在于经MalvernTM NanoSightTM NS300测量，当向第一个纳米气泡发生器和/或第二纳米气泡发生器(5、14)供应200至600毫升/分钟的空气时，纳米气泡的平均直径为130至190纳米，浓度为1.3×107至6.4×107单位/毫升。图2出示了由第一个纳米气泡发生器5产生的纳米气泡浓度随其平均直径变化的曲线的示例。参照图1，在本发明的某些实施例中，在NB-MBBR槽4内产生、含有空气的纳米气泡的平均直径为166至177纳米。在本发明的一些示例中，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，在NB-MBBR槽4内产生的纳米空气气泡浓度为1.3×107至2.9×107单位/毫升。在本发明的某些实施例中，在消毒槽13内产生、含有臭氧的纳米气泡的平均直径为130至190纳米。在本发明的一些示例中，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，在消毒槽13内产生的纳米臭氧气泡浓度为3.4×107至6.4×107单位/毫升。
以下实施例用以详细说明本发明，但这些实施例并非详尽无遗。它们仅用于说明而不是用于限制本发明的范围。
实施例
实施例1
平均气泡直径、浓度及含空气的纳米气泡的分布可以通过将如图1所示的纳米气泡发生器5放入一个注入25至30公升超纯水、未用、完全洁净的污水处理槽4而确定，并在水面以下2至5厘米处进行采样。在纳米气泡发生器5运行至少2小时后，可以使用MalvernTMNanoSightTM NS300测量含有空气的纳米气泡的平均直径和浓度。當空气流速分别为200、400和600毫升/分钟時，所述的纳米气泡发生器5产生的纳米空气气泡，平均直径为166纳米、177纳米和168纳米，而平均纳米气泡浓度为每毫升2.9×107个气泡、每毫升1.3×107个气泡及每毫升1.4×107个气泡。
为了评估含有空气的纳米气泡的分散性，如图3所示，在超纯水的表面以下2至5厘米处的六个不同位置进行采样。表一出示了通过使用纳米气泡发生器5以400毫升/分钟的气流，向位于进水口31内部的扩散器，产生的平均气泡直径和浓度的结果。
表1:
实施例2
如图1所示的连续模式NB-MBBR系统，用于与图4所示的连续模式T-MBBR系统进行效率和能量消耗的比较。
参照图4，在该示例中使用的T-MBBR系统，包括一个蠕动泵17、一个T-MBBR槽18、传统空气扩散器19、一个气泵20、一个空气流量计21、一个水质检测单元22與一个沉淀槽23。与本发明的连续模式NB-MBBR系统在污水处理效率(就COD和氨氮含量的降低程度)及能源消耗方面进行比较。蠕动泵17将未处理的合成污水以特定的流速，自污水供给槽1泵送至T-MBBR槽18中，该T-MBBR槽18内填充有与NB-MBBR槽4相同种类、相同数量、并预先培养了生物质的生物载体。供应着特定流速之空气的传统空气扩散器19，配置在T-MBBR槽18的底部，以产生气泡来提供溶解氧供微生物进行呼吸作用，并实现T-MBBR槽18内生物载体的均匀循环。气泵20被用来向传统空气扩散器19供应空气，而空气流量计21被用来调节空气流速。水质检测单元22被插入T-MBBR槽18内，以监控污水的pH值、溶解氧和温度。经过T-MBBR槽18，处理后的出水被导引入沉淀槽23，以沉淀任何未消化的固体和悬浮的生物质。然后将沉淀槽23处理后的出水引至排水管。在系统的运行试验中，每天收集沉淀槽23处理后的出水水样品，测量其COD和氨氮含量。同时，每天收集如图1所示来自连续模式NB-MBBR系统的沉淀槽12处理后的出水水样品，以测量其COD和氨氮含量，并与连续模式T-MBBR系统进行比较。
在该示例中，向位于NB-MBBR槽4内的第一个纳米气泡发生器5之进水口31内的扩散器供应600毫升/分钟的空气(如图3所示)，同时向位于T-MBBR槽18内的传统空气扩散器19供应8.2升/分钟的空气(如图4所示)，两个系统的其他实验条件均相同。在此示例中，使用合成污水作原水，其初始pH值为7.0至8.5，COD为290-550毫克/公升，氨氮含量为25-40毫克/公升。NB-MBBR槽4和T-MBBR槽18均填充有体积百分比30％、具有预先培养生物质的模拟K5 AnoxKaldnes生物载体。以在出水COD和氨氮含量为基准，定义这两个系统的最大处理能力，并进行了比较，同时亦比较了在这些运行条件下的能耗。将相同起始流量25公升/天的合成污水送入两个系统，然后连续多天不停运行。往后，如果连续两天出水的氨氮少于1毫克/公升且出水的COD少于80毫克/公升，则将流量增加10％；相反地，如果流出的氨氮高于5毫克/公升，流速会被降低。结果表明，连续模式NB-MBBR系统每天可处理38至44公升的合成污水，并使出水氨氮含量少于1毫克/公升。另一方面，连续模式T-MBBR系统要令出水氨氮含量少于1毫克/公升，则每天只能处理16至17公升的合成污水。换句话说，连续模式NB-MBBR的除氨效率比连续模式T-MBBR系统高至少2.2倍，而两个系统的出水COD均已达到每天都少于80毫克/公升的目标值。T-MBBR槽18和NB-MBBR槽4中的DO分别介于7.8至8.8毫克/公升以及5.5至7.0毫克/公升的范围内。在T-MBBR槽18中观察到DO较高的原因，是由于提供给此系统的空气流量较高，以保证系统内的生物载体在槽中均匀地循环移动。尽管如此，因高效去除氨氮的生物处理工艺只要求DO高于5毫克/公升，因此两个系统都具有足够的DO，DO的差别对处理效果没有影响。另外，两个槽中的pH值均在7.0至8.0的正常范围内。
将连续模式NB-MBBR的污水处理模块的能耗与连续模式T-MBBR的能耗进行了比较。连续模式NB-MBBR消耗的能量为0.57至0.60kWh/天，高于连续模式T-MBBR系统消耗的能量(0.26至0.28kWh/天)。然而，由于连续模式NB-MBBR系统的废水处理能力远高于连续模式T-MBBR系统，通过比较用于处理单位体积的合成污水的能耗，结果表明连续模式NB-MBBR系统处理每立方米污水平均利用14.0kWh，仅占T-MBBR系统处理等量合成污水所需能耗(16.9kWh/m3)的83％。
实施例3
另一个例子比較了图1所示的连续模式NB-MBBR的另一个运行模式和图4所示的连续模式T-MBBR，该示例通过向NB-MBBR槽4中第一个纳米气泡发生器5的进水口31内的扩散器供应流速400毫升/分钟的空气，并向出水口32的扩散器供应4升/分钟的空气(如图3所示)。另一方面，按图4所示，向T-MBBR槽18中的传统空气扩散器19供应流速8.2升/分钟的空气,在与实施例2相同的条件下，将这两个系统的最大处理能力和能耗进行了比较。
结果表明，连续模式NB-MBBR系统每天可处理44至47公升的合成污水，且出水氨氮少于1毫克/公升。另一方面,连续模式T-MBBR系统每天只能处理15公升的合成污水，其中氨氮含量只能低于5毫克/公升。换句话说，连续模式NB-MBBR系统的氨氮去除率比T-MBBR系统高至少三倍。两个系统的出水COD均已每天达到低于80毫克/公升的目标值。T-MBBR槽18和NB-MBBR槽4中的DO分别介于7.5至8.5毫克/公升以及6.7至7.6毫克/公升的范围内。另外，两个槽中的pH值均在7.0至8.0的正常范围内。
将NB-MBBR槽4和T-MBBR槽18中，生物载体表面上的生物质生长情况进行了比较,结果显示于图5。从图中可以观察到，在NB-MBBR槽4的生物载体上有较厚的生物膜层，此现象可以增强连续模式NB-MBBR的处理能力。另一方面，如图5所示，只有一层非常薄的生物质薄膜生长在T-MBBR槽18的生物载体上。这些结果显示，系统中纳米气泡的存在可以促进生物载体上的生物质更好更快地生长，并有利于提高处理能力。
在该示例中，连续模式NB-MBBR系统每天需要消耗0.72至0.74kWh的能量，高于连续模式T-MBBR系统(0.26 to 0.28kWh/天)。通过比较用于处理单位体积的合成污水的能耗，结果表明连续模式NB-MBBR系统使用的平均能耗为15.8kWh/m3,仅占T-MBBR系统(20.0kWh/m3)处理等量合成污水所需能耗的79％。
实施例4
在该示例中，如图1所示，使用连续模式NB-MBBR对两种不同的生物载体(具有不同的比表面积、直径和圆盘厚度的模拟K1和K5 AnoxKaldnes生物载体)进行了一个月的比较。系统中生物载体的使用量(以总比表面积计)和其他实验条件皆与于实施例3中的连续模式NB-MBBR类似。结果表明，具有K1和K5 AnoxKaldnes生物载体的两个NB-MBBR分别可处理32公升/天和33公升/天的合成污水，其中出水氨氮含量少于1毫克/公升。两个系统的出水COD均已每天达到低于80毫克/公升的目标值。结果表明，该系统並不仅限于使用一种类型的生物载体。
实施例5
在该示例中，透过在与实施例3相同的条件下，操作连续模式NB-MBBR来显示臭氧消毒模块105的消毒效率。将200毫升/分钟的空气供应给图1所示的臭氧发生器16，产生浓度为4.7至5.5克/立方米的臭氧。消毒模块的合成污水处理能力设置为32公升/天。在试验期间，定期收集沉淀槽12的出水样品及消毒槽13的出水样品，以便用于分析大肠杆菌和总细菌含量。
在整个采样时间内，消毒槽13中处理后的出水ORP值保持稳定并超过700mV。处理后的出水pH值在7.5至8.5的范围内。结果表明，消毒前所有样品中的大肠杆菌含量都未能检测，而处理前的总细菌含量为7,000至290,000CFU/毫升。在整个采样期间，经过臭氧消毒处理后，总细菌去除率超过99.7％，所需的臭氧剂量为每公升合成污水46至51毫克臭氧。
应当理解的是，本文所描述的示例和实施例仅用于说明本文目的。有鉴于此，本领域技术人员将可提出各种修改或变化，这些修改或变化都包括在本申请的精神和范围之内。因此，除了本公开的內容之外，本发明的主题不受限制。此外，在解释本公开内容时，应以与上下文一致的、尽可能广泛的方式解释所有术语。特别是术语“包含”应解释为以非排他性的方式指代元件、模块或步骤，代表可能存在或使用所引用的元件、模块或步骤，或与其它未明确引用的其他元件、模块或步骤之组合。
Claims (15)
1.一种用于污水处理、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，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的生物膜内之微生物的呼吸作用，并使生物载体在所述的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至所述污水处理模块內的污水介质，其内之空气气泡的空气流速及供应时间，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；
所述的污水处理模块的NB-MBBR槽通过一个污水管与所述沉淀模块的沉淀槽连通，所述的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的沉淀槽内，以沉淀未消化固体和悬浮在污水介质中的生物质；
所述的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的臭氧消毒模块连通，以将在所述沉淀槽的污水介质中，将已经把未消化固体和悬浮生物质沉淀出来的出水，输送至所述的消毒槽，所述的消毒槽内装有所述的的第二个纳米气泡发生器，与所述的臭氧发生器相连，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从所述的出水中去除，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。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述的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所述的系统，其中所述的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所述的系统，当向其中所述的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所述的系统，当向其中所述的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所述的系统，其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、或干燥的環境空氣。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述的系统每天能够处理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。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述的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，从而使污水在所述的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。
9.一种利用权利要求1、能耗为13至16kWh/m3、可去除99％以上的总细菌、使出水残留的氨氮少于1毫克/公升以及COD少于80毫克/公升的处理污水的方法，所述的方法包括：
将污水输送至一个注入多个含有空气的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所述污水供给模块内的污水供给槽底部；
将污水从所述的污水供给槽输送至一个污水处理模块中的纳米气泡移动床生物膜反应器(NB-MBBR)槽，所述的NB-MBBR槽中部分填充有多个生物载体，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，且在200至600毫升/分钟的空气流速下，带有浓度为1.3×107至2.9×107单位/毫升、含空气的纳米气泡；
在第一段時間內在所述的污水处理模块中处理污水；
将处理后的污水从所述的污水处理模块输送至一个沉淀模块，使未消化和/或悬浮固体从处理后的污水中沉降至一个沉淀槽的底部，以便通过重力将未消化和/或悬浮固体从污水介质中分离出来；
从所述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，所述的臭氧消毒模块在200至500毫升/分钟的臭氧流速下，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，在所述的系统中，出水的氨氮少于1毫克/公升、COD少于80毫克/公升，并且总细菌的去除率超过99％；
在第二段时间内，或直到细菌总数低于門檻，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。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述的污水处理模块中装有体积百分比10至45％所述的生物载体。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述的生物载体由聚乙烯或聚丙烯製成，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。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述含有空气的纳米气泡，每个平均直径为166至177纳米。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述含有臭氧的纳米气泡，每个平均直径为130至190纳米。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述的第一段时间为13至16小时的水力停留时间。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述的第二段时间为约1.5小时的水力停留时间。
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