水和廢水處理- Forschen科學

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研究文章
發展中國家新型厭氧生活汙水處理循環係統的創新

弗洛倫斯·丹尼斯·烏祖1 *Hideaki豐田章男2麻子鬆原2

1 國家冶金發展中心，尼日利亞喬斯
 2 關西閣株式會社日本大阪

*通訊作者:Florence Dennis Uzuh，尼日利亞高原州喬斯國家冶金發展中心，電子郵件:florenceuzuh@ gmail.com


摘要

多年來，由於快速的城市化、積極的經濟發展和幾何級數的人口增長，全球範圍內的水汙染問題已經達到了令人擔憂的程度。這造成了淡水資源的嚴重短缺。必須采用適當和有效的處理技術，以達到符合可接受標準的出水質量，這已成為當務之急。傳統的汙水處理技術不僅造價昂貴，而且存在功能和維護問題。因此，迫切需要具有前瞻性和成本效益的創新技術，如國內多回收器(DMR)，以恢複嚴重威脅發展中國家大多數人健康的嚴重水汙染，並改善水和廢水循環係統的穩定性。同時，采用無電厭氧汙水處理方法，提高了從源頭排放到城市的處理水的質量，產生的汙泥被用作肥料。從環境和公共健康的角度來看，功能性廢水收集和處理至關重要。在本文中，該技術的應用旨在為實現可持續發展目標(SDGs)的目標6做出巨大貢獻。“確保所有人都能獲得和可持續管理清潔水和衛生設施。”

關鍵字

創新;西班牙;DMR;厭氧;發展中國家;沒有電

簡介

最近，在大多數發展中國家，社區汙水管理和下水道係統產生的廢水的相對數量沒有得到處理。人類、工業和農業廢水不斷排放到環境中，大大減少了全球淡水資源的規模。生活汙水處理的目標是將排出的病原體數量減少到較低水平，從而大大降低新出現疾病在環境中進一步傳播的風險。為了保護環境、人類和動物健康，新的創新和適當技術促進了目前被接受的廢水處理和回用[1]。

一般情況下，未經處理的廢水中有機物、有毒化合物的比例很高，同時也含有大量的營養物質和致病微生物。為了減輕與廢水有關的環境和公共健康危害，廢水在處置前必須經過充分處理。隨著水研究的進展，高效、多樣、環保的生活和工業廢水處理方法層出不窮。因此，如果水要用於灌溉，既要處理廢水，又要選擇廢水處理工藝，既要減少病原體，又要保留養分，這是非常重要的。

費用可能是主要的決定因素，特別是在發展中國家。水處理是昂貴的，這一成本隨著過程的效率和出水的質量而增加。成本估算本身是艱巨的，甚至是昂貴的，因為涉及到大量的參數，而且這些參數在設計過程進行之前通常是不清楚的。在家庭和工業廢水的可能處理方案中，厭氧過程是一個潛在的有效選擇。與傳統有氧運動相比，它們有許多優點

  1. 低能源需求
  2. 減少汙泥形成
  3. 營養需求低及
  4. 能量回收[5]

厭氧生物降解過程與互補的生物和物理方法適當結合，是實現環境可持續保護的理想途徑[4]。

已經開發了許多技術來穩定生物反應器內的厭氧生物量，同時防止出水流中微生物的流失，這可能會降低工藝速率，因此往往會降低厭氧微生物的生長，這需要比好氧處理更長時間[6]。

使用厭氧工藝處理生活汙水可以減少碳足跡，因為它消除了曝氣並產生甲烷。在幾種厭氧處理工藝中，高速率厭氧消化器因其具有較高的承載能力和化學需氧量去除率而備受關注。上流式厭氧汙泥毯反應器(UASB)得到了廣泛的認可。但其應用仍局限於工業廢水的處理。盡管UASB反應器在廢水處理方麵效率很高，但它還沒有在發展中國家得到接受。

上流式厭氧汙泥毯(UASB)反應器是一種有前途的家庭現場處理生活汙水的替代方案，旨在克服傳統化糞池[8]固有的弱點。為此目的最常用的生物反應器是混合反應器，如UASB和生物過濾器的組合，其中顆粒汙泥床與支撐材料[6]顆粒上的細菌菌落有關。在工業規模上，它還因為汙泥產量低、能量回收可能性大、水力停留時間(HRT)和固體停留時間短而得到廣泛接受。[9]是目前應用最廣泛的工業廢水厭氧反應器。

因此，對社區或個人家庭進行分散的現場應用厭氧處理可以提供綜合廢水管理、能源生產和營養物質回收，因為厭氧處理可以穩定處理後的廢水，並能夠生產可再生能源(甲烷、氫)，並保存有價值的資源(營養物質)[10]。由於建設、運行和維護成本低，占地麵積小，產生的汙泥和沼氣產量低。高速率厭氧係統是低成本和可持續的生活汙水處理技術。

盡管在廢水厭氧處理方麵取得了成功，但UASB反應器在中低溫國家的效率並不高。在這樣的溫度下，化學需氧量(COD)的去除是有限的，一步係統需要很長的水力停留時間(HRT)來提供足夠的顆粒有機物[11]水解。生活汙水的化學需氧量(COD)一般較低，懸浮物濃度較高，甲烷比產率較低，需要初步水解將懸浮物轉化為可溶基質。水解通常是極限步驟，特別是在低溫條件下[12]。

可持續發展目標6“確保所有人獲得和可持續管理清潔水和衛生設施”的確立反映了對與全球政治議程相關的水和衛生問題的更多調查。可持續發展目標6包括八個廣泛相關和客觀的全球目標。它們覆蓋整個水循環，包括:提供安全飲用水(目標6.1)和環境衛生和個人衛生服務(6.2)，廢水的再利用和處理，改善環境水質(6.3)，水的利用效率和稀缺性(6.4)，酌情通過跨界合作實施綜合水資源管理(6.5)，保護和恢複與水有關的生態係統(6.6)，國際合作和能力建設(6.a)，以及參與水和環境衛生管理(6.b)。目標(6.3)廢水回用和處理以及改善環境水質，包括收集、處理和回用來自家庭和工業的廢水，減少擴散汙染和改善水質是供水部門[13]的主要挑戰。然而，要在發展中國家有財政基礎的地區推廣汙水處理係統，僅僅轉讓日本活性汙泥法的現有技術是不夠的，而是要使汙水處理係統能夠適應該地區、社會和經濟結構，自我可持續，創造低成本、適合發展中國家實際情況的簡易厭氧處理技術規範所要求的。

本研究的主要目的是創新新型厭氧生活汙水處理循環係統，如家用多循環裝置(DMR)。DMR利用微生物處理廢水而不用電。一種簡易的家用衛生間、浴室、廚房汙水及小區汙水處理方法。處理後的水用於灌溉，厭氧處理產生的汙泥被製成堆肥，用作有機肥。DMR的優點和特點之一是它的回收過程。廢水處理後，DMR產生的汙泥與家庭、食品加工、農業垃圾等有機垃圾進行堆肥，與厭氧汙水和其他垃圾混合，其中含有寶貴的植物營養物質，富含氮和磷，這樣的堆肥被農民用作有機肥料。堆肥中所含的有機物除了提供植物營養外，還能提高土壤腐殖質含量。

日本廢水處理和回用概況

日本、德國、荷蘭、美國和印度在厭氧廢水處理方麵處於領先地位，厭氧處理設施分別為162、115、92、83和79個。日本在膜技術方麵仍然處於領先地位，這導致了能夠實現水回收質量出水[15]的現場廢水處理裝置的開發。膜技術是目前節水、抗震、防泄漏的技術之一。因此，該國在水資源管理方麵效率很高，在水技術方麵處於全球領先地位。工業用水回收率提高到近80%，供水滲漏率保持在10%以下。日本的技術和經驗構成了一個顯著的優勢，它可以通過在國際上擴大其與水相關的業務為世界做出貢獻。通過節水技術的進步建立了高效的水管理係統，支持了日本的經濟增長。

Johkasou在日語中是現場廢水處理的意思;它是兩個詞的組合jouka，意思是淨化蘇意思是水箱或浴缸。Johkasou主要用於兩種情況:

  1. 當無法進入下水道和
  2. 在人口密度高的地區進行廢水處理，包括水回收。

第二次世界大戰之前，日本的經濟主要以水稻農業為基礎。當時最常見的廢物處理方式是拱頂廁所(坑式廁所)，夜間收集的土壤用作土壤調節劑和土壤肥料。第二次世界大戰後，日本各地迅速引進了抽水馬桶。第二次世界大戰後的快速工業化促進了大規模的城鄉移徙，造成了與水和衛生有關的嚴重挑戰。圖1顯示了家庭Johkasou的典型流程。從拱頂廁所(坑式廁所)到Johkasou的轉變促進了抽水馬桶的引入。

圖1:家用Johkasou[15]典型工藝流程示意圖。

鑒於此，截至2000年，下水道和Johkasou並排發展，日本71%的家庭廢水接受了某種類型的處理，91%的日本居民有抽水馬桶[15]。截至2017年，廢水處理分布如[16]下麵的圖2所示。

圖2:2017年日本廢水處理分布。

日本在汙水管網建設和發展方麵具有重要的經驗，同時在短時間內具有良好的維護能力。日本使用最先進的技術建造和維護汙水設施，特別是高級處理、城市暴雨水控製(加強暴雨的措施)、汙水溢流綜合控製(CSO)、廢水回用、汙泥作為資源的循環利用(汙泥碳化)、節能處理和設施的恢複/更新[17]。

材料與方法
DMR的結構和工作原理

DMR顧名思義就是環保的。它可以被稱為非電Johkasou。這是關西閣株式會社最近的一項創新。日本的厭氧處理方法。DMR有厭氧過濾床槽，它們被分隔成兩個或更多的厭氧處理室，並從圖3中串聯起來，每個室都充滿了原始的過濾材料。第一個房間大約是厭氧過濾床有效容量的一半到三分之二。厭氧過濾介質是粗的，去除懸浮物和厭氧微生物淨化廢水中的汙垢(有機物)，這使廢水易於捕獲，過濾固體物質，並防止厭氧過濾床結構中的水流因其持久性而發生故障。濾料比表麵積為107 m2/ m3.．第二個房間使用不同尺寸的過濾介質。比表麵積為208米2/ m3.．所以，更多的微生物會附著在它上麵。每個房間的有效水深不小於1.2米(治療人數10人以上為1.5米)。在濾料上刻有直徑15厘米或以上的圓形汙泥清理孔，不太可能堵塞在罐內，這樣可以適當地保持罐底的距離，有效地提取每個房間的浮物和汙泥。DMR的頂空是向大氣通風的，並不是完全密封的。

圖3:國產多回收裝置(DMR)流程圖及典型結構。

DMR有一個厭氧過濾床，過濾材料可以去除廢水中的懸浮物質(固體物質)和厭氧微生物(細菌和原生動物)。汙水從第一間轉移到第二間進行進一步淨化。Johkasou是利用好氧微生物輔助鼓風機進行曝氣，而DMR不需要曝氣，因此不需要電。在汙水處理方法中，生物活性炭槽是一種裝滿活性炭進行過濾的槽，每年需要重新活化一次。固液分離槽提高了廢水的排放性能，將處理後的水流入絮粒細、汙泥分離明顯的生物活性炭槽。DMR去除第一和第二厭氧室約80%的生化需氧量(BOD)。剩下的10%用生物活性炭處理，活性炭吸收並去除可溶性BOD。

固液分離槽上清的處理水流入生物活性炭槽，其中所含的BOD吸附在活性炭上。從生物活性炭槽排出的處理水經過氯劑，經衛生處理後排出槽外。最終處理水BOD濃度在20mg /L以下。

DMR標簽符號說明
  1. 汙水入口
  2. 厭氧濾池
  3. 固液分離罐
  4. 生物活性炭槽
  5. 消毒櫃
  6. 處理水排出口(圖3)

圖4:汙水收集係統，Johkasou和DMR的示意圖。
https://www.jeces.or.jp/en/technology/index.html

厭氧濾池

厭氧濾料采用聚丙烯，也可用於好氧/厭氧濾床、除臭填料和魚礁。從圖5可以看出(左)第一個厭氧槽比表麵的介質為Ø 100:107 m2/ m3.，(右)第二厭氧池比表麵積的致密介質為Ø70:208 m2/ m3.．Ø70有突出的能力捕獲固體和維持厭氧微生物。懸浮物被去除，進行了有效的厭氧處理。

圖5:厭氧過濾介質。

這些厭氧過濾介質可以半永久使用，不需要定期更換。每年泵出惰性固體的頻率用於堆肥。這和Johkasou的頻率是一樣的。但是，DMR產生的汙泥量比Johkasou要少。Johkasou使用有氧療法。厭氧微生物產生的汙泥量是好氧微生物產生的汙泥量的10- 20%。汙泥從DMR泵出後，在堆肥器中轉化為有機肥料。在日本，Johkasou的汙泥被焚燒，成本高，不環保。

安裝和測試

DMR安裝在埃克拉拉(古吉拉特邦)村長的家裏。降雨少，農業用水不足，該地區平均氣溫超過20°C。圖6顯示，外部罐由混凝土結構製成，需要塗覆，以防止其暴露在液體和頂空的酸性條件下。

圖6:構造的DMR和燒杯1、2、3分別為進水口、中間水和出水口。

處理後的水排入城市用於灌溉。DMR安裝在Eklara(古吉拉特邦)的headman村後，在三個月內連續三次提取處理過的廢水樣本。從表1中，樣品在實驗室中采用印度標準局(BIS)的以下方法進行分析。按IS 3025(第44部分)確定BOD。化學需氧量(COD)是3025(第58部分)。不可過濾的殘留物(第17部分)。總懸浮物(TSS) IS 3025(第34部分)。氮(第34部分)。油脂IS 3025(第39部分)。

參數 影響mg / L 廢水mg / L 州政府排水標準。印度mg / L 去除效率%
(b.o.d.) @ 27°c 67±17 5.0±1.4 30. 92.5±3.8
(鱈魚Cr） 202.3±28.4 22.0±9.4 250 89.1±5.6
(TSS) 1200±184 8.0±4.0 One hundred. 99.3±0.6
氨(NH4- n) 18±10 5.0±2.8 50 72±11
油脂 25±16 ND 10 100±0.1

表1:DMR性能結果。
ND:未檢測到

結果與討論
DMR在印度的結果

DMR處理後的水質參數通過了印度所有8個省級政府排水法規和標準的認證。表1給出了新型厭氧生活汙水處理循環係統的主要水質參數示範試驗結果。進水和出水需氧量5分別為67±17和5.0±1.4 mg/L。汙水按需氧量5明顯低於30mg/L的印度BOD排放標準5．進水和出水CODCr分別為202.3±28.3和22.0±9.4 mg/L。廢水CODCr是否明顯低於印度汙水排放標準250毫克/升的CODCr．進水和出水TSS分別為1200±184和8±4 mg/L。由於生活汙水既包括夜土，也包括灰水。流出的TSS明顯低於印度的TSS排放標準100毫克/升。進水和出水氨氮分別為8±0和5±0 mg/L。出水氨明顯低於印度BOD排放標準50 mg/L5．油和潤滑脂進水25±16 mg/L未檢測到出水(ND)，油和潤滑脂出水排放標準為10 mg/L。進水中正己烷濃度小於30 mg/L，這是厭氧微生物生物降解的結果。

因此，出水水質(處理水)對入滲水濃度有較好的取值，流量波動和標準差值變化也較小。的生化需氧量5前者的中間濃度為19.8 mg/L，後者為5.0 mg/L，平麵催化氧化濾床處理水和TSS的排放水均為8 mg/L。說明生物活性炭在後期濾池中對微生物的有機分解性能較好。試驗結果表明，BOD處理後水質在5 ~ 20mg /L以下。這被認為是由於印度的溫帶氣候，平均溫度為27°C。

本次示範試驗所使用的處理槽具有有效處理能力，而國產處理槽的處理能力約為1.9 m3.．這大概是1米3.小於日本結構標準型五人壓實消聲器處理槽的有效容量，與印度家庭汙水處理量和汙水濃度的基本單位相比。

優化後程序的驗證

進水BOD: 183 mg/L±18 mg/L

·入流:1.17 m3.±0.26

·厭氧濾池容積:1.51 m3.

·BOD體積加載:0.174 kg-BOD/m3./ d

·液壓保持時間(HRT): 36小時

該HRT是日本厭氧罐結構標準。兼性厭氧微生物活動持續約36小時。甲烷發酵在DMR中並不多發生，因此隻產生少量甲烷氣體。由於甲烷氣體對溫室氣體排放和碳足跡沒有影響，因此不需要收集和儲存。

水溫對厭氧處理的影響

DMR廢水處理采用厭氧處理和生物活性炭處理兩種方法。由上圖7可知，水溫、停留時間和微生物數量對處理性能影響較大。日本DMR的驗證試驗表明了水溫與處理水之間的關係。進水BOD濃度為185 mg/L，進水容積1.2 m3 /d，厭氧濾池容積1.51 m3。

圖7:空氣溫度、水溫和BOD mg/L。

廢水作為一種基本的替代水資源，可以用於農業，以彌補短缺。汙水灌溉有著悠久的發展曆史，在發展中國家和發達國家都經曆了不同的階段。廢水是一種穩定可靠的水源，可以節約化肥成本。與潔淨水相反，廢水流量不隨季節、氣候條件或降水水平而變化，因此農民可以全年種植作物。此外，廢水中含有的營養物質可以促進作物生長，減少化肥的使用。與清水灌溉相比，廢水灌溉可節約小麥45%的化肥用量，苜蓿[19]可節約94%的化肥用量。在塞內加爾達喀爾，超過60%的蔬菜，特別是生菜和洋蔥是在城市地區使用地下水和未經處理的廢水的混合物種植的。在發展中國家，約有2000萬公頃土地是用未經處理的汙水或部分處理的汙水灌溉的。從圖8和表2可以看出，處理後的廢水含有較多的氮。厭氧汙泥用作肥料時，對葉類植物的影響特別明顯。

圖8:原廢水和處理水。

厭氧汙泥 處理過的水
氮T-N (DS%) 6．0 6.5
磷P2O5(DS %) 6.1 4．1
鉀K2O (DS %) 0.8 2.1

表2:有效成分含量(參考值)。
由於廢水含有相對較多的氮，化肥對葉類植物的影響特別大。

結論

DMR裝置對個人生活汙水的BOD去除效果良好，出水BOD小於20 mg/L。出水水質(處理後水質也顯示出良好值，標準差值也較小)。說明厭氧濾床中填充的濾料處理是穩定的。這是一種高效節能的工藝，通常用於處理高強度的廢水，這些廢水溫度高，含有高濃度的生物可降解有機物(以BOD、COD和/或TSS來衡量)。日本的水處理技術(Johkasou)在正常的處理性能下具有較高的水平和維護成本，維護操作需要定期調整，必要時清除它們可能不適合發展中國家目前的經濟水平，因此無法保持穩定的電力或自來水基礎設施。DMR具有良好的性價比、靈活、創新的厭氧廢水處理回收技術，具有可持續性和適應性安裝，將通過協助提供解決方案，在2030年前實現可持續發展目標6.3，“通過消除傾倒、最大限度減少危險化學品和材料的排放，改善水質，將未經處理廢水的比例減少到一半，減少汙染，在全球範圍內大幅增加回收和安全再利用，實現“[13]”。在向城市汙水處理廠排放之前，可在好氧過程中進行預處理的拋光前使用厭氧係統。與好氧處理方案相比，無氧處理隻需要很少或不需要能源，較少的化學物質，產生更低的汙泥處理成本。


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文章類型:研究文章

引用:Uzuh FD, Toyoda H, Matsubara S(2019)發展中國家新型厭氧生活汙水處理循環係統的創新。國際J水廢水處理5(1):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.159

版權:©2019 Uzuh FD，等。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

  • 收到日期:2019年4月8日

  • 接受日期:2019年5月29日

  • 發表日期:2019年6月04日