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研究文章
发展中国家新型厌氧生活污水处理回用系统的创新

佛罗伦萨丹尼斯Uzuh1 *Hideaki丰田章男2麻子松原2

1 国家冶金发展中心，尼日利亚乔斯
 2 Kansaikako有限公司。日本大阪

*通讯作者:Florence Dennis Uzuh，尼日利亚高原州乔斯国家冶金发展中心，电子邮件:florenceuzuh@ gmail.com


摘要

多年来，由于迅速的城市化、积极的经济发展和几何级数的人口增长，水污染在全球范围内已达到令人震惊的程度。这导致了淡水资源的严重短缺。必须采用适当和有效的处理技术，使出水质量符合可接受的标准。传统的污水处理技术不仅造价昂贵，而且存在着功能和维护相结合的问题。因此，迫切需要国内多重回收器(DMR)等具有成本效益的前瞻性创新技术，以恢复对发展中国家大多数人构成严重健康威胁的严重水污染，并改善水和废水回收系统的可靠性。还提高了废水处理方法从源头排放到城市的处理水的质量，无电厌氧和产生的污泥用作肥料。因为功能性废水收集和处理从环境和公共健康的角度来说都至关重要。本文的目的在于为实现可持续发展目标(SDGs)的目标6做出更大的贡献。“确保所有人都能获得和可持续地管理清洁水和卫生设施。”

关键字

创新;西班牙;DMR;厌氧;发展中国家;没有电

介绍

最近，在大多数发展中国家，社区污水管理和下水道系统产生的相对数量的废水没有得到处理。人类、工业和农业废水不断排放到环境中，大大减少了全球淡水资源的规模。家庭废水处理的目标是将排出的病原体数量减少到较低水平，从而广泛降低新发疾病在环境中进一步传播的风险。新的创新和适当的技术促进了目前为保护环境、人类和动物健康而接受的废水处理和再利用。

一般来说，未经处理的废水中有机物、有毒化合物、营养物和大量病原微生物的比例较高。为了减轻与废水有关的环境和公共健康危害，必须在处置前对其进行充分处理。水研究的进展导致了高效、多样化和环保的生活和工业废水处理方法。因此，如果要将水用于[3]灌溉目的，处理废水和选择废水处理工艺以减少病原体同时保留养分是非常重要的。

成本可能是一个主要的决定因素，特别是在发展中国家。水处理是昂贵的，而且这种成本随着工艺效率和出水质量的提高而增加。由于涉及大量的参数，而且这些参数通常在设计过程开始之前都是不清楚的，所以估计成本是很费力的，甚至本身就很昂贵。在家庭和工业废水的可能处理方法中，厌氧处理方法是潜在有效的选择。它们比传统的有氧运动有很多优势

  1. 低能源需求
  2. 降低污泥的形成
  3. 营养需求低
  4. 能量回收[5]

厌氧生物降解过程，当适当地与互补的生物和物理方法结合时，构成了可持续保护环境的理想途径[4]。

许多技术已经开发稳定生物反应器中厌氧生物,同时,防止微生物在污水水流损失,这可能降低利率过程,因此倾向于降低厌氧微生物的生长,它需要更长的时间比有氧治疗[6]。

使用厌氧工艺处理生活污水可减少曝气和产生甲烷，从而实现较低的碳足迹。在几种厌氧处理工艺中，高速率厌氧消化池因其高负荷能力和化学需氧量去除率而备受关注。上流式厌氧污泥床反应器(UASB)得到了广泛的应用。但其应用仍局限于工业废水处理。尽管UASB反应器在废水处理方面效率很高，但在发展中国家却没有得到认可。

上流式厌氧污泥床反应器(UASB)克服了传统化粪池[8]的固有缺陷，是一种很有前途的家庭现场处理生活污水的选择。最常用的生物反应器是混合反应器，例如UASB和生物过滤器的组合，其中颗粒污泥床与支持物质[6]颗粒上的菌落相关联。在工业规模上，由于污泥产量低、能量回收可能性大、水力停留时间短和固体停留时间长，它也得到了广泛的接受。它是目前工业废水处理中应用最广泛的厌氧反应器。

因此，对社区或个人家庭进行分散的厌氧处理现场应用可以提供污水管理、能源生产和营养回收的联合，因为厌氧处理稳定了处理过的废水，并使可再生能源(甲烷、氢气)的生产成为可能。有价值的资源(营养)[10]。由于建设、运行和维护成本低，占地面积小，产生的污泥少，产生的沼气少。高速率的厌氧系统代表了低成本和可持续的生活污水处理技术。

尽管在废水厌氧处理方面取得了成功，但UASB反应器在低至中温国家的效率并不高。在这样的温度下，化学需氧量(COD)的去除是有限的，并且一步系统需要很长的水力停留时间(HRT)来提供足够的水解颗粒有机物[11]。生活废水的化学需氧量(COD)一般较低，悬浮物浓度较高，比甲烷产率较低，悬浮物需要初始水解才能转化为可溶底物。水解往往是限制步骤，特别是在低温条件下[12]。

可持续发展目标6“确保所有人都能获得和可持续管理清洁水和环境卫生”的确立，反映了对与全球政治议程相关的水和环境卫生问题的调查增加。可持续发展目标6包括八个具有广泛相关性和客观性的全球目标。它们涵盖了整个水循环，包括:提供获得安全饮用水(具体目标6.1)和环境卫生和个人卫生服务(6.2)、废水的重复使用和处理以及改善环境水质(6.3)、用水效率和稀富性(6.4)、酌情通过跨界合作实施综合水资源管理(6.5);保护和恢复与水有关的生态系统(6.6)、国际合作和能力建设(6.a)以及参与水和卫生管理(6.b)。目标(6.3)废水回用和处理及改善环境水质包括收集、处理及回用来自家庭和工业的废水，减少弥漫性污染及改善水质是水务部门[13]面临的主要挑战。然而，要在有财政基础的发展中地区推广污水处理系统，仅仅转移日本现行的活性污泥法技术是不够的，但污水处理系统要能适应地区、社会和经济结构，自给自足，创造低成本，适合发展中国家实际情况要求的简化厌氧处理技术规范。

本研究的主要目标是创新新型厌氧生活污水处理回用系统，如家用多循环器(DMR)。DMR使用微生物处理废水而不使用电力。一种简易的厕所、浴室、厨房废水及社区污水的生活处理方法。处理后的水用于灌溉，厌氧处理产生的污泥进行堆肥，用作有机肥。DMR的优点和特点之一是它的回收过程。废水处理后，DMR产生的污泥与家庭、食品加工和农业废弃物的有机废物混合，与厌氧污水和其他垃圾混合，其中含有宝贵的植物营养，富含氮和磷，这种堆肥被农民用作有机肥料。除了提供植物营养外，堆肥中所含的有机物质还能提高土壤腐殖质含量。

日本废水处理与回用概况

日本、德国、荷兰、美国和印度在厌氧废水处理方面处于领先地位，分别有162、115、92、83和79个厌氧处理设施，分别为[14]。日本在膜技术方面仍然处于领先地位，这导致了现场废水处理装置的发展，能够回收水质出水[15]。目前，膜技术是节水、抗震、防漏的技术之一。因此，中国在水资源管理方面效率很高，并在水技术方面取得了全球领先地位。工业用水回收率提高到近80%，供水渗漏率保持在10%以下。日本的技术和经验构成了一种非凡的优势，它可以通过在国际上扩展与水有关的业务来为世界做出贡献。通过节水技术的进步建立高效的水管理系统，支持了日本的经济增长。

日语中的Johkasou是指现场污水处理;它是单词的组合jouka，意思是净化，还有苏，意思是水箱或浴缸。Johkasou主要用于两种情况:

  1. 当没有下水道的时候
  2. 在人口密集地区进行污水处理，包括水的再造。

在第二次世界大战之前，日本的经济基本上是建立在水稻农业的基础上的。当时最常见的废物处理方式是坑式厕所，粪便被收集起来用作土壤改良剂和土壤肥料。第二次世界大战之后，冲水马桶在日本迅速普及。第二次世界大战后迅速的工业化催生了大规模的城乡移民，给水和卫生带来了严峻的挑战。图1显示了家庭Johkasou的典型流程流。从拱顶厕所(坑式厕所)到Johkasou的改造促进了抽水马桶的引进。

图1:家用Johkasou[15]的典型工艺流程示意图。

鉴于此，下水道和Johkasou在2000年同时发展起来，日本71%的家庭废水得到了某种类型的处理，91%的日本居民拥有[15]抽水马桶。截至2017年，污水处理分布如图[16]下面的图2所示。

图2:日本污水处理分布，2017年。

日本在污水管网建设和发展方面具有重要经验，同时在短时间内对其进行了良好的维护。日本建设和维护了先进技术的污水处理设施，特别是先进处理、城市雨水控制(强化暴雨措施)、联合下水道溢流(CSO)控制、废水回用、污泥资源化(污泥碳化)、设施节能处理及康复/更新[17]。

材料和方法
介绍了DMR的结构和工作原理

DMR顾名思义是环保的。它可以被称为非电Johkasou。这是关西阁株式会社(Kansaikako Co.， Ltd.)最近的创新。日本的一种厌氧处理方法。DMR有厌氧过滤床槽，从图3中可以分离出两个或多个厌氧处理室，并串联连接，每个厌氧处理室都充满一种原始滤料。第一个房间大约是厌氧过滤床有效容量的二分之一到三分之二。厌氧过滤介质较粗，可去除废水中的悬浮物，厌氧微生物可净化污水中的污垢(有机物)，使其易于捕获，过滤固体物质，并因其耐用性而防止水在厌氧过滤床结构中流动故障。过滤介质的比表面积为107 m2/ m3.．第二个房间使用不同大小的过滤介质。其比表面积为208米2/ m3.．所以，更多的微生物会附着在上面。每个房间的有效水深不小于1.2米(收治人数超过10人的房间有效水深不小于1.5米)。污泥清洗孔有一个圆形的直径15厘米或更多镌刻在过滤材料,不可能阻止坦克,因此保持水箱的底部的距离适当和有效的提取浮动材料和污泥在每个房间。DMR的顶部空间是排到大气中，而不是完全密封的。

图3:国内多回收器(DMR)的流程图和典型结构。

DMR由厌氧滤床和去除废水中悬浮物质(固体物质)和厌氧微生物(细菌和原生动物生物)的滤料组成。污水从第一个房间转移到第二个房间进一步净化。Johkasou利用好氧微生物配合鼓风机进行曝气，而DMR不需要曝气，因此不需要电。在废水处理方法中，生物活性炭罐是一种装满活性炭用于过滤的罐，每年需要重新活化一次。固液分离池提高了废水的排放性能，使处理后的水流入生物活性炭池，絮体细小，污泥分离清晰。在第一和第二厌氧室，DMR去除约80%的生化需氧量(BOD)。剩下的10%用生物活性炭处理，活性炭吸收并去除可溶性BOD。

处理后的水作为固液分离池的上清液流入生物活性炭池，其中的BOD吸附在活性炭上。生物活性炭池排出的处理过的水经过氯剂，在那里进行卫生处理并排放到池外。最终处理水的BOD浓度在20 mg/L以下。

DMR标签符号说明
  1. 污水入口
  2. 厌氧过滤器坦克
  3. 固液分离罐
  4. 生物活性炭罐
  5. 消毒柜
  6. 处理水排出口(图3)

图4:污水系统、Johkasou和DMR示意图。
https://www.jeces.or.jp/en/technology/index.html

厌氧过滤槽

厌氧滤料由聚丙烯制成，可用于好氧/厌氧滤床、除臭填料、鱼礁等。由图5可知(左)第一厌氧池比表面的介质为Ø 100:107 m2/ m3.，(右)第二厌氧槽的浓介质比表面为Ø70:208 m2/ m3.．Ø70具有优异的固相截留和厌氧微生物维持能力。悬浮固体被去除，厌氧处理有效进行。

图5:厌氧过滤器媒体。

这些厌氧过滤介质可以半永久使用，不需要定期更换。用于堆肥的惰性固体的泵出频率是每年一次。它与Johkasou的频率相同。但DMR产生的污泥量比Johkasou少。Johkasou采用有氧处理方法。厌氧微生物产生的污泥量是好氧微生物产生的污泥量的10- 20%。污泥从DMR泵出后，在堆肥机中转化为有机肥料。在日本，从Johkasou排放的污泥被焚烧，成本高且不环保。

安装和测试

DMR安装在埃克拉拉(古吉拉特邦)村长的房子里。降雨量少，农业用水不足，平均气温超过20°C。图6显示外罐由混凝土结构制成，需要进行涂层，以防止其暴露在液体和顶部空间的酸性条件下。

图6:构建的DMR和烧杯1、2、3分别为进水、中间水和出水。

处理过的水被排放到城市用于灌溉。在埃克拉拉(古吉拉特邦)的村长所在的村庄安装DMR后，连续3次抽取处理过的废水样本，为期3个月。从表1中，样品在实验室中由印度标准局(BIS)采用以下方法进行分析。BOD根据IS 3025 (Part 44)确定。化学需氧量(COD) IS 3025(第58部分)。非过滤残留物(第17部分)。总悬浮固体(TSS)是3025(第34部分)。氮(34)部分。油脂是3025(第39部分)。

参数 影响mg / L 废水mg / L 州政府排水系统标准。印度mg / L DMR %去除率
(B.O.D.) @ 27°C 67±17 5.0±1.4 30. 92.5±3.8
(鳕鱼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
油和油脂 25±16 ND 10 100±0.1

表1:DMR性能结果。
ND:没有检测到

结果与讨论
DMR结果在印度

DMR处理后的水质参数获得了印度所有8个省级政府排水法规和标准的认证。表1描述了新型生活污水厌氧处理回用系统的主要水质参数示范试验结果。进水和出水的生化需氧量5分别为67±17和5.0±1.4 mg/L。废水的BOD5明显低于印度废水BOD 30mg/L的排放标准5．进、出水CODCr分别为202.3±28.3、22.0±9.4 mg/L。废水鳕鱼Cr显然低于印度废水排放标准250 mg/L的CODCr．进水TSS为1200±184 mg/L，出水TSS为8±4 mg/L。因为生活污水既有粪便又有灰水。废水的TSS明显低于印度废水排放标准100 mg/L的TSS。进水氨浓度为8±0 mg/L，出水氨浓度为5±0 mg/L。出水氨明显低于印度废水BOD 50mg /L的排放标准5．油脂进水25±16 mg/L未检出(ND)，油脂出水标准为10 mg/L。进水中正己烷浓度小于30 mg/L，这是由于厌氧微生物的生物降解作用造成的。

因此，排放水质(处理水)对流入水的浓度表现出较好的值，流量波动和标准差值变化也较小。的生化需氧量5前者为19.8 mg/L，后者为5.0 mg/L，而平面催化氧化过滤床处理的水和TSS的排放水均为8 mg/L。说明生物活性炭在后期滤池中对微生物的有机分解性能较好。试验表明，处理后的BOD水质在5 ~ 20 mg/L以下。这被认为是造成印度平均气温27°C的温和气候的原因。

本示范试验使用的处理槽具有国内处理槽的有效处理能力，处理深度在1.9 m左右3.．这大约是1米3.低于日本结构标准型五人紧凑消声器处理槽的有效容量，相比印度家庭的污水量和污水浓度的基本单位。

优化程序的验证

进水BOD: 183 mg/L±18 mg/L

·流入量:1.17米3.±0.26

·厌氧滤池容积:1.51 m3.

·BOD容积负荷:0.174 kg-BOD/m3./ d

·水力保持时间(HRT): 36小时

此HRT是日本厌氧罐结构标准。兼性厌氧微生物活性工作约36小时。甲烷在DMR中发酵不频繁，因此只产生少量甲烷气体。由于此类甲烷气体对温室气体排放和碳足迹没有影响，因此不需要收集和储存。

水温对厌氧处理的影响

DMR处理废水既采用厌氧处理，又采用生物活性炭处理。从上图7可以看出，水温、保留时间和微生物数量对处理效果影响很大。日本DMR的验证试验表明了水温与处理水之间的关系。进水BOD浓度为185 mg/L，进水容积为1.2 m3 /d，厌氧滤池容积为1.51 m3。

图7:气温、水温、BOD mg/L。

废水作为一种基本的替代水资源，可用于农业，以弥补水资源的不足。污水灌溉有着悠久的发展历史，在发达国家和发展中国家都经历了不同的发展阶段。废水是一种稳定可靠的水源，可以节约肥料成本。与清洁水相反，废水流量不随季节、气候条件或降水水平而变化，因此农民可以全年种植作物。此外，废水中含有能促进作物生长和减少化肥使用的营养物质。与清水灌溉相比，小麦的废水利用率可达45%，紫花苜蓿的废水利用率可达94%。在塞内加尔达喀尔，超过60%的蔬菜，尤其是生菜和洋葱，是利用地下水和未经处理的废水的混合物在城市地区种植的。在发展中国家，大约2000万公顷的土地用未经处理的污水或部分处理的污水灌溉。从图8和表2可以看出，处理后的废水中氮含量较高。厌氧污泥作为肥料使用时，特别影响叶状植物。

图8:原废水及处理水。

厌氧污泥 处理过的水
氮sn (DS %) 6．0 6．5
磷P2O5(DS %) 6．1 4．1
钾K2O (DS %) 0．8 2．1

表2:有效成分含量(参考值)。
由于废水中含有相对较多的氮，因此化肥特别影响叶状植物。

结论

个人生活废水的DMR装置出水BOD小于20 mg/L，表现出良好的BOD去除效果。排放水质(处理水质也显示良好值和标准差值)也较小。说明厌氧过滤床填料的处理是稳定的。这是一种节能的工艺，通常用于处理高强度废水，废水温度高，含有高浓度的可降解有机物(按BOD、COD和/或TSS测量)。日本的水处理技术(Johkasou)保持正常处理性能水平高，成本高，维护操作定期调整，必要时对其进行除泥，可能不适合一些发展中国家的当前经济水平，无法维持稳定的电力或自来水基础设施。DMR具有良好的性价比、灵活、创新的厌氧废水处理回收技术、可持续性和适应性安装，将通过协助提供解决方案，在2030年前实现可持续发展目标具体目标6.3，“通过消除倾倒来改善水质，最大限度地减少有害化学物质和材料的释放，将未经处理的废水减少到原来的一半，减少污染，并在全球范围内大幅增加回收和安全再利用，实现“[13]”。厌氧系统可用于抛光前的好氧工艺预处理，然后排放到城市污水处理厂。与好氧处理方案相比，厌氧处理只需很少或不需要能源，更少的化学物质，产生更低的污泥处理成本。


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条信息

文章类型:研究文章

引用:Uzuh FD, Toyoda H, Matsubara S(2019)发展中国家新型厌氧生活污水处理回收系统的创新。国际给水排水5(1):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.159

版权:©2019 Uzuh FD，等。这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可协议的条款下发布，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是注明原作者和来源。

出版的历史:

  • 收到日期:08年4月,2019

  • 接受日期:2019年5月29日

  • 发表日期:04 2019年6月,