低耗高效生活污水处理技术研究
项目名称：低耗高效生活污水处理技术研究
项目概要：
(1) 项目来源
本项目被列为郑州市 2006 年度攻关课题，课题编号为 064SGYS36243 ， 2008 年又受到河南省财政预算支持。
(2) 项目意义
当前，环境污染已严重影响到人类的生存和发展，成为举世瞩目的大问题，水污染也已引起全世界的共同关注。要解决水污染问题，除了节约和合理利用水资源外，更需要对污水进行处理。污水处理需要强有力的技术支持，尽管随着研究的不断深入，污水处理技术也得到不断地发展。但污水处理的高成本仍然使人类为解决水污染问题付出了巨大的代价。高效率低成本的污水处理技术无疑是当前和未来的研发目标，是未来彻底解决水污染问题的关键所在。
(3) 创新性
在理论上 ,通过实验证实，生物在进行厌氧硝化过程中产生有影响自身代谢和生存的有害气体或有害物质，及时分离和消除这些有害成分有助于生物膜的形成和积累，提高生物膜活性。
在方法上 ,利用半透膜或防水透气膜有助于生物代谢过程的气体交换 .消除有害物质 ,避免有害物质积累 ,改善微生物的生存环境，大幅度提高生物膜附着能力和代谢活性，提高处理能力。
(4) 实用性
该成果可用于生活污水的处理 ,尤其适用于生活污水的分散式处理 ,能提高生活污水的处理效率 ,降低处理成本 .
除臭是污水处理的比不可少的环节，特别是厌氧处理更容易产生恶臭，本成果所建立的生物处理方法不仅不产生臭味，而且有很好的除臭功能，可以非常有效地去除生活污水中的臭味。
该成果所建立的方法对生活污水中的 BOD和 COD及氮的去除率高，其出水的 BOD和 COD和氨氮可一次分别达到和接近国家城市污水处理厂出水标准的一级标准。
(5) 社会经济效益
该成果建立污水处理方法，在处理时间 60min左右即可达到较好的处理效果状态，而且不再回流，设备利用率极高，可节约设备投资和污水处理设施的占地面积。而且水头损失小，不需要曝气，处理效率和处理成本都非常低。
完成单位：河南省科学院地理研究所
完成人员：侯怀恩、赵风兰、武雪芬、李合平、孟庆法、苗玉芳、郑燕平、侯益民、刘荷芬、袁国强、邓晓菲、高红莉、郑伟萍、周文宗、阎万伏
项目所属领域： 环境科学、污水处理
项目背景：
当前，我国水资源、水环境、水生态和水灾害四大水问题相互作用，彼此叠加，形成了影响未来发展和安全的多重水危机，其中水污染的威胁尤为突出，防治水污染已迫在眉睫。水污染的防治首先应从水污染的根源做起，污水的达标排放可谓是防治水污染的关键之关键。从目前的污水处理技术水平来看，做到污水的达标排放已不成问题，然而污水处理的高成本和经济发展的相对落后却极大地限制了污水处理技术的应用。尽管我国各级政府对污水处理技术的应用都非常重视，县级以上城市都建立了污水处理厂，但这些污水处理厂都给地方政府带来了巨大的经济负担，致使许多地方的污水处理厂因为经费原因而无法正常运行，甚至有些已成为晒太阳工程。即使对发达国家而言，尽管经济相对富裕，但污水处理仍然是一项重要的经济负担。所以，降低污水处理成本是全世界的共同期盼。
我国对生活污水的处理越来越倾向于集中处理，其处理的目标是达到国家有关的排放标准，或处理后作中水回用。对大部分污水处理厂而言，这些都不存在技术上的问题，但成本偏高是普遍现象，而且所有的污水处理厂对降低成本已显得无计可施。
污水处理的成本包括污水处理设施（污水处理厂）的建设成本和运行成本。其中建设成本主要是建造污水处理厂或设施及辅助的集水、排水管网所需要的所有投资的相应信贷利息与设备的折旧。运行成本主要包括、人员工资及其附加、管理费、车辆费、动力费、维修费、药剂费等等。动力费尤其电费，是污水处理的主要成本。
污水处理成本的高低取决于相应的工艺及其管理水平，尤其工艺是决定因素。目前的污水处理工艺以好氧处理为主要手段，厌氧处理占次要地位，仅作为辅助手段或用来提高脱氮除磷效果。例如在比较先进的 A-A-O工艺中， hrt厌氧段为 1— 2 h，缺氧段为 1.5— 2h，而好氧段则需要 6h，这意味着需要 6h的曝气，这样降低成本的空间就十分有限。因为长时间的曝气，需要长时间的动力供应。
相比之下厌氧处理在降低成本方面有较大的潜力，这是因为：厌氧处理不需要为曝气提供动力，可以节约大量电能；厌氧处理可产生沼气并生产能量；厌氧处理时有机物转化成污泥的比例远小于好氧处理的比例，因此污泥处理和处置的费用大为降低；许多在好氧条件下难于处理的卤素有机物在厌氧时可以被生物降解；厌氧处理的有机负荷高，占地面积比较小。
然而厌氧处理在生活污水处理方面并没有能够充分发挥作用，其主要原因是以往的厌氧处理工艺还不能满足生活污水处理的低成本和出水的高标准要求。尽管早期的厌氧生物滤池不需要消耗太多动力，甚至利用自然推流就可以运行，但是 hrt较长、水力分布不均、易堵塞、效率低、效果差，这是主要的限制因素。当前， IC反应器和 EGSB反应器被认为是世界上最先进的厌氧反应器，但是 IC反应器仅适用于高浓度有机废水，对生活污水的处理并不理想，不好推广。 EGSB反应器在处理生活污水方面的研究已有不少报道，处理效果比较令人满意，但是在生活污水的处理应用方面不具备太多优势。其主要原因是 EGSB和 IC反应器一样具有较高的设备成本和运行成本。
EGSB 和 IC反应器结构相对复杂，而且有很大的高径比，设备高度一般 15— 20m，尤其 IC反应器，甚至高达 25m，所以建造成本非常高，设备比较昂贵。在设备运行方面， IC和 EGSB反应器都是靠污水和沼气的向上流动来带动活性污泥运动，从而使活性污泥处于悬浮状态，但生活污水有机物浓度低，产生的沼气量小，不足以带动污泥流动，所以，活性污泥的悬浮要靠较高流速的污水带动，还要达到 20— 25m的高度，并有大量出水回流，这些必然要消耗一定的能量，使处理成本增加。
尽管目前的厌氧处理技术还不能满足生活污水处理的需求，但从降低运行成本和厌氧处理所具有的潜力来说，开展提高厌氧处理技术，降低厌氧处理成本的研究无疑是降低生活污水处理成本和提高生活污水处理效率的一条非常重要的途径。
本研究在对现有的污水处理技术进行认真分析的基础上，认为污水的厌氧处理还有很大的发展潜力，是实现污水低成本处理的重要途径。并通过对厌氧生物滤池和厌氧折流板反应器的长期运行观察，发现影响固定膜反应器的主要因素是微生物着膜难，而影响微生物着膜的主要因素是微生物代谢过程中有害物质的积累。为了消除微生物代谢过程中有害物质，我们经过大量的试验探索，最终找到了利用半透膜或称防水透气材料做填料来及时分离和消除有害物质，从而使微生物的栖息环境得到改善，实现了微生物的快速着膜，而且生物膜活性很高，不易脱落，这使反应器的效率有了巨大的提升，能够使大幅度降低生活污水处理成本的愿望成为现实。
技术原理：
生物厌氧处理利用生物的代谢来分解污水中的有机污染物，其代谢过程是通过一系列的生化反应完成的，是在生物酶的作用下进行的，是一系列的酶促反应。尽管酶促反应的速度非常快，但是由于受多种因素限制，污水的降解速度仍然非常缓慢。其限制因素除了影响生物膜消长和微生物活性如温度、有机污染物的成分等因素外，还有生产生物酶的微生物的数量和其分布，另外，微生物群落表面的附着水层对生物与有机污染物的接触有一定的阻断作用，这些都影响到微生物同有机污染物的有效接触。微生物能否同有机污染物有效接触是酶促反应能否继续的关键。目前较先进的高效厌氧反应器如生物流化床、内循环厌氧反应器等是靠活性污泥的高速流动来保持微生物同有机污染物的有效接触，这需要消耗较多的能量。所以要降低能耗，还得从固定膜反应器做起。选择适宜的载体（填料）材料，并使其具有使生物膜均匀分布的填料结构是保证生物膜快速形成并均匀分布的重要条件。微生物的栖息环境对生物膜的形成极为重要，有毒物质对微生物会产生毁灭性的危害，特别是微生物自身的代谢活动也会产生一定的有毒物质，这些有毒物质能否被消除或被有效分离，对生物膜的形成有至关重要的影响。另外还需要一定的水力条件即靠水流的剪切力使生物膜的形成和脱落保持平衡，从而使生物膜不断更新以维持较高的代谢活性。只有这样才能保证厌氧反应器的高效和低成本。
根据上述原理，本成果通过大量实验观测，最后采用有半透膜性质的材料，制成气体通道和水流通道相结合的反应器，实现了水流的均匀分配，生物膜产生的有害气体可通过半透膜进入气体通道并与外界空气交换，使微量氧气参与生化反应，更使具有高强处理能力的兼性微生物发挥作用。
试验证明，该成果制作的反应器达到了高效低耗的处理效果，水力停留时间 1小时左右即可将 COD350mg/l左右的生活污水污水处理到 70mg/l一下。除磷之外，其它指标均能达到污水处理厂排放标准的国家一级标准，而且有极好的除臭效果。水头损失仅 50cm左右。使生物膜的消长在适宜的流速下达到平衡，保证能长期发挥作用，而且可在 3 -5 ℃ 的条件下正常运行 。
鉴定及应用：
本成果与 2010年底通过省科技厅委托河南省科学院组织的专家鉴定，其鉴定意见如下：
2010 年 12月 21日 ，受河南省科技厅委托，河南省科学院组织有关专家对 "高效低耗生活污水处理技术研究 "项目进行了鉴定。鉴定委员会专家听取了项目组的汇报 ,认真审阅了有关材料，经质疑和讨论 ,形成如下鉴定意见：
(1)项目组提供鉴定的资料基本齐全，符合鉴定条件。
(2)该研究使用透气性材料制成的新型生物膜载体，具有分离和除去微生物代谢产物及有害气体的能力，有利于微生物附着和处理能力的提高，为废水处理新型载体填料的研制提供了新途径。
(3)研究成果适用于分散型生活污水处理，具有启动快、水力停留时间短、无需回流等特点，处理水质和脱臭效果较好。在分散型生活污水厌氧处理技术研究方面达到了国内先进水平。
建议：进一步开展相关研究和必要的应用化完善，尽快服务于社会。
该成果已在某小区家属院、洛阳市某塑料制品厂和郑州市兴豫环境生态研究所得到初步小规模应用，实践证明，该处理技术处理速度快，效率高，除了提供水流所需要的东例外，不需消耗其它能源，处理成本非常低。