寒区村镇水凹凸棒土/稻壳净化技术
一、成果简介
“十三五”期间，村镇水问题被列为我国面临的八大“水问题”之一，针对寒区特有地理气候条件及村镇地下水铁锰超标、面源污染分布广且分散、水处理设施不健全、常规工艺低温处理效果不佳等制约当前村镇建设与发展的典型问题，以建设绿色低碳、节能环保村镇为目标，选取凹凸棒土或稻壳为基质，制备适于不同类型水处理的载体吸附剂，耦合微生物、膜、稳定塘工艺，攻关寒区村镇水净化关键技术，优化运行控制，探求低温净化效果与机制，拓展完善村镇水安全保障技术体系，该研究成果的推广应用具有重要的学术价值。
1.自主研发碱化凹凸棒土/稻壳预涂膜一体化微污染水源水净化系统，以改性凹凸棒土或稻壳为预涂剂，调控装置充液-涂膜-过滤-反冲洗阶段的指标条件，构建自控平台，探索动态膜形成因素及其优化条件，考察动态膜清洗条件与预涂剂再生能力。
2.自主研发有机凹凸棒土/稻壳-超滤膜生物反应一体化微污染水源水净化系统，考察系统除污效能与膜污染控制的影响，探究系统污泥混合液性能的变化，明确减缓膜污染的作用。
3.自主研发凹凸棒土/稻壳生物过滤-载银活性炭除菌高铁锰地下水净化系统，优化滤料、铁锰氧化细菌接菌量、滤速、反冲洗强度等运行参数，基于物理吸附法与生物法，研究滤层快速启动方法与长期运行的稳定性，探索低温高效活性滤膜的结构形成机制，研究低温活性滤膜中溶解氧消耗规律、铁锰氧化还原顺序关系。
4.自主研发凹凸棒土/稻壳-稳定塘一体化生活污水净化系统，明确低温最优运行参数，分析载体填料对低温生活污水的净化效能。
二、成果创新点
1.基于提纯、有机化、碱化处理，制备凹凸棒土或稻壳低温絮凝（吸附）剂。填补了凹凸棒土或稻壳在有机物-氨氮微污染水源水、高铁锰地下水、生活污水净化领域的空白，推进了环境友好材料在饮用水与生活污水处理中的应用。
2.预涂膜技术解决了预涂铺膜不均匀致使过滤器压差增大、滤元受污染、运行周期短、出水水质恶化问题。采用流量分配阀门与布水系统控制铺膜流量，铺膜过程稳定膜覆盖率高，厚度均匀；采用补充预涂剂的方法，形成复杂微细孔道，通过离子交换吸附与膜滤截留的综合作用，去除出水氨氮、有机物、细菌等污染物，并用其疏松滤饼层提高过滤速率，延缓过滤器压差增大趋势，延长过滤周期。
3.生物膜技术解决了膜通量低、不可逆膜污染技术难题。投加高浓度有机凹凸棒土/稻壳，形成滤饼层，降低膜污染，延长膜使用寿命，进而降低单位处理水量的成本。设置污泥回流系统，利用污泥回流降低载体絮凝含量，减缓对生物的抑制；避免过量载体絮凝剂进入膜生物反应器造成生物抑制性而降低活性污泥对氨氮的去除效果。共用水泵，出水和反冲时出水-反冲洗共用水泵连续运行，降低时开时关对水泵的损耗。可确定氨氮去除周期、活性污泥更换时间并合理配置。
4.过滤技术解决了生物滤池对水体中污染物质净化效率低下及微生物容易脱落、堵塞、性能不稳定等问题。优化了生物滤池的快速启动条件与后续工艺出水菌浓度控制条件。
5.稳定塘技术实现了寒区村镇生活污水分散式的生态、高效处理，填补了凹凸棒土/稻壳作为微生物附着生长载体的空白。兼性塘反应器置于好氧塘反应器中，节省占地面积；兼性塘反应器与好氧塘反应器设计成圆柱形，避免反应器内死区的出现，延长反应器使用寿命；PLC自控技术提高了系统的自动化、生产效率及系统的稳定性。
三、应用推广及效益
1.可为稻壳、凹凸棒土的市场开发拓展新方向，提升同类产品的市场竞争力；并将带动严寒村镇水净化技术的成套化装置的开发，形成规模产业，创造若干就业机会，实现绿色村镇构建与社会经济发展的双赢。
2.预涂剂成本价格约2300元/吨，远远低于市场售价（6000~8000元/吨）；预涂膜净水系统长期运行稳定，仅需半年更换一次滤芯，投入低于10元/吨。生物膜净水系统每日运行费用为0.5元/吨，占地面积约15m2，占地面积小，膜装置制水快捷，可满足村镇用水时间不集中、即产即用的特点；用水回收率较高，减少水源水的浪费。铁锰过滤净水系统每日运行费用为0.56元/吨，相比目前村镇每吨地下水处理成本而言，节约了0.04元（村镇地下水处理按照0.6元/吨计算），经济效益显著，具有广阔的应用前景。因常规水厂建设面积较大、运行维护较繁琐，不利于其在村镇推广，上述技术凭借能耗低、过滤性能优良、占地面积小、运行维护简单等特点，可在村镇饮水工程中广泛推广。
3.吸收大量氨氮、有机物的改性凹凸棒土或稻壳可作为肥料，利用可再生资源是当前环境绿色高新技术的发展趋势；黑龙江省农村每年产生的6500万吨秸秆与8000万吨畜禽粪（造成高色高氨氮水质重要原因）有待得到有效处理。
技术领域：生态环境
合作方式：技术转让；实施许可；技术服务
项目负责人简介
孙楠，东北农业大学水利与土木工程学院教授，博士生导师，黑龙江省青年教学名师，黑龙江省优秀青年科学基金获得者，哈尔滨市科技创新人才。现任中国农业工程学会高级会员、中国环境科学学会高级会员、黑龙江省青年科技者协会会员、黑龙江省水利学会水力学专委会委员、黑龙江省重点企业用地调查专家、黑龙江省生态修复专家。主持国家自然科学基金、国家“十二五”科技支撑计划子课题、黑龙江省科技攻关等科研项目10余项；发表学术论文 50余篇，SCI/EI 收录25篇，总引用次数400余次；获省部级科技奖10余项；申请专利17项，其中授权发明专利8项，实用新型4项；出版学术专著2部。孙楠紧密联系农村生态热点问题，主要从事寒区村镇净水关键技术研发，为推进我国绿色村镇建设进程提供技术保障，在该领域取得了可喜的研究成果，2014年入选“黑龙江省环境规划省级领军人才”梯队成员，2017年荣获黑龙江省科学技术三等奖（排名第1）、2018年获批东北农业大学“东农学者”学术骨干支持计划，2019年入围黑龙江省青年科技奖候选人、荣获东北农业大学“优秀党务工作者”表彰，2020年荣获国家环境保护科学技术二等奖（排名第1）、黑龙江省科学技术二等奖（排名第1），2021年荣获中国农业工程学会青年科技奖。自2018年以来先后注册黑龙江科碧涵科技有限公司、黑龙江金稻生物科技有限公司，自主研发的10余种凹凸棒土/稻壳载体吸附剂与4套装置，已与省内外相关企业建立合作关系，致力改善寒区村镇生态环境。
