目录

1经济、技术可行性分析2

1.1项目概况2

1.2技术概况3

1.3悬浮填料生产可行性分析4

1.4高氨氮废水处理成本分析5

2知识产权和成果应用7

2.1知识产权（包括专利、论文等）7

2.2成果应用情况8

3研究建议8

3.1技术推广8

3.2建议8

1经济、技术可行性分析

1.1项目概况

聚氨酯是由异氰酸酯与多元醇反应而制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。聚氨酯制品种类众多、性能优异，常分为发泡制品和非发泡制品两大类，其中尤以聚氨酯泡沫塑料应用最为广泛。目前我国已经成为世界第一聚氨酯生产和消费大国，随着聚氨酯工业的迅速发展，产生大量的聚氨酯废弃物。仅废旧聚氨酯泡沫就包括生产厂的边角料、模具溢出料，报废汽车、冰箱中的聚氨酯泡沫，家具、靠垫、床垫、服装、鞋帽衬里，包装等。聚氨酯泡沫类废弃物的回收利用日益受到人们的重视。

聚氨酯泡沫超过使用期报废后，传统处理方法主要是简单焚烧和填埋。而当前研究的回收利用技术主要有物理法、化学法、能源法3种：(1)物理法：材料回收是废聚氨酯直接再生利用的方法，一般是通过先清理粉碎再二次成型加工，如热压成型、粘合加压成型等，实现材料回收。物理法已有许多报道和实用技术，如用于制作如挡泥板、轻质骨料及缓冲材料等；(2)化学回收技术：是指聚氨酯树脂在化学降解剂的作用下，降解成低相对分子质量的成分，主要有醇解法、氨解法、热解法、碱解法、磷酸酯法等；(3)能量回收：研究聚氨酯与其他废塑料或煤混合燃烧的方法，实现最佳化的燃烧条件，以尽可能地减少有害于环境的废气排放及废渣生成。对于聚氨酯泡沫废料的利用，从最终产品的使用性能看，化学回收法中的醇解、碱解和水解较好；能量回收法是通过将废料焚烧来回收热量，这种方式易造成二次污染。从产前投入的经济角度看，以直接回收利用好，但是，制品目前的利用方法，主要作低档用品使用。顺应聚氨酯技术“十二五”发展趋势，本研究提出聚氨酯泡沫回收应用新思路，开发软质泡沫作为污水处理用生物载体材料，以获得较好的投入产出比。

悬浮填料生物膜工艺得到迅猛的发展，在生活污水、工业废水、微污染源水等处理领域几乎都有悬浮填料的身影，可以说污水生物处理工艺中引入生物载体材料的应用将会越来越广泛。研究者们开发了各种材质、结构、形状、大小的悬浮填料，如陶粒、活性炭等无机载体，还有聚乙烯等塑料填料。目前，国内市场采用载体的材质以聚乙烯、聚丙烯为主，适当添加辅助成分，密度一般控制为1.0g/cm3左右。国外很多成熟的塑料悬浮填料均采用聚氨酯材质，污水处理效果较好。在国外较成熟的悬浮载体系统中，德国LINDE公司的“LINPORPROCESS”、由德国拜耳公司研发的LEVAPOR®用于LINPOR改进工艺和英国SimonHartley公司开发的CAPTOR系统所用的填料材质都是聚氨酯。国内经营聚氨酯泡沫微生物固定化载体的公司有桂林德态环保科技有限公司LEVAPOR®悬浮填料、北京思清源生物科技有限公司、杭州天宇环保工程实业有限公司和兰州捷晖生物环境工程有限公司等。早期的有大连生源水处理发展有限公司、大连兰大生物环境技术有限公司等。但是，作为性能较好的填料产品，聚氨酯生物载体因其价格昂贵，一般的中小型污水处理厂很难承受，在国内的应用受到很大的限制。

当前，悬浮填料存在的主要问题是挂膜问题，挂膜困难或挂膜不牢。内置式填料则存在挂膜堵塞问题，由于填料的挂膜堵塞，进而降低生物膜的活性，从而影响整个系统的处理效率。解决办法要结合选择填料的不同实际情况，具体问题具体分析。而针对聚氨酯悬浮填料存在的挂膜问题、挂膜堵塞等问题，研究工作主要侧重于大孔径网状聚氨酯泡沫、复合改性聚氨酯泡沫如活性炭的开发。另外，价格的问题仍是目前影响悬浮填料应用的主要因素，造价高低将直接影响到悬浮填料的推广应用。本项目根据污水处理用生物载体的要求，开发利用聚氨酯开孔软泡资源，进行聚氨酯泡沫回收改性为作污水处理用生物载体的生产，降低高效率载体成本。

1.2技术概况

废弃聚氨酯泡沫塑料来源主要有两个方面：一是在生产与制备聚酯泡沫塑料过程中产生的废品与边角料，另外是使用多年之后，老化报废的各种聚氨酯泡沫塑料。据统计，聚氨酯软泡在制备过程中大约产生10%左右废料。软泡边废料的利用一般是将其破碎，然后用粘合剂固化成块状泡沫做家具及汽车衬里等低档部件，应用面窄。本项目尝试开发经济价值较高的应用途径，原料选择组成较单一的加工厂边角料。

聚氨酯软泡沫废料主要有家具、靠垫、床垫、服装、鞋帽衬里，包装等，大多是密度为10～30kg/m3的聚醚型聚氨酯。而选择加工企业边角料回收利用比较简单。进行聚氨酯软泡回收料的处理过程：请指定加工企业按一定形状（根据现有生物载体常规尺寸，设计为10mm´10mm´10mm小立方体）切割成块，清洗碎泡沫并加以干燥待用。

高效生物膜载体应具有孔隙大、易挂膜、无堵塞、生物活性高、处理效果好、性价比高等优点。经系统研究，优选聚氨酯泡沫改性技术：硅烷偶联剂处理剂改性聚氨酯泡沫塑料，γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)浓度为1%。

硅烷偶联剂的使用方法主要用表面预处理法。硅烷偶联剂配成溶液，有利于硅烷偶联剂在材料表面的分散。因硅烷水解速度与pH值有关，中性最慢，偏酸、偏碱都较快，因此一般需用酸、碱调节溶液的pH值。

研究引入的处理剂与填料表面进行化学反应，也可以引入亲水基团提高表面的极性，从而使润湿性能得以改善。亲水性能和生物相容性的增加，有利于微生物在填料表面的附着，提高挂膜速度。另外，处理剂体系中使用一定量的乙醇，在改性同时实现扩孔。大孔径聚氨酯泡沫由于具有空间网络结构，同时结合有效的表面改性，可与微生物、酶形成价键结合，有效固定微生物，提高生物负载量。优选的综合改性处理载体具有高空隙率，在污水中具有良好的稳定性和物化性能，固定化微生物后的密度接近于水的密度，在水中呈悬浮状。

参考网上公布悬浮填料产品信息，与市场上同类载体材料相比，在孔隙率、表观密度、亲水性、强度、生物负载量等方面性能测试结果相近。此类产品的主要技术指标：比表面积：≥20m2/g（改性产品通过比表面仪测定已达到，测定值为22m2/g）；孔隙率：≥90%（改性产品符合要求）；固定化微生物后载体平均湿密度：~1.00g/cm3（改性产品符合要求）；载体微生物的负载量：10-25g/L（优选改性工艺的产品符合要求）；容积负荷：0.4~0.7kgNH3-N/m3·d（根据水处理工艺不同，改性产品可满足要求）。

1.3悬浮填料生产可行性分析

回收改性聚氨酯悬浮填料生产拟在某合作企业进行。该企业位于苏州相城区，是一个历史较久的聚氨酯泡沫 塑料生产企业。

本项目产品为回收改性聚氨酯悬浮填料。

生产所需的主要原材料聚氨酯泡沫塑料由某回收加工企业供给。

本项目所需物料量不多，该厂现有车辆能满足运输需要。

该厂现有水、电、汽的供应能力能满足生产需要。

本生产工艺为：回收聚氨酯泡沫塑料为原料经切割、硅烷偶联剂浸泡处理、压滤、干燥获得悬浮填料产品(图1.1)。

本项目生产中硅烷偶联剂处理剂密闭循环使用，过程中无废水排放，产生的少量挥发废气经回收装置处理，不会造成环境污染。

原料、产品属于易燃品，储运过程中要符合国家有关消防安全要求。考虑到生产是定单加工，属间歇生产，环境风险较小。

图1.1　生产工艺流程示意图

该项技术具有工艺单元少、操作管理简单、占地小等优点，并且利用废旧回收聚氨酯泡沫塑料为原料，大大降低了原料成本。按聚氨酯泡沫塑料每立方米100元的回收价格，结合处理试剂原料成本（乙醇：150元，偶联剂：275元），考虑切压机、压滤机、干燥器的设备投入成本，结合人工成本、能耗。根据初步的成本核算，产品初步定价为1200元/立方米。目前，市场销售的同类聚氨酯悬浮填料产品的一般为3000~4000元/立方米。相比较，改性填料具有一定的价格优势，市场前景广阔。

1.4高氨氮废水处理成本分析

以高氨氮废水为例，分析悬浮填料在废水处理领域的应用前景。

根据高效、低能耗污水处理及再生技术开发及设备制造行业2015年发展预测报告。“十一五”期间，我国污水处理率大幅提升，2010年城市污水处理率达到77.40%。《十二五规划纲要》中提出了城市污水处理率达到85%的总体目标，预计未来五年污水处理设施建设将延续高速发展，处理技术将不断更新换代，工业和城镇生活污水的治理总投资有望达到4300亿以上。“十二五”期间，污水处理基础设施建设行业将延续“十一五”期间的高速发展趋势，城镇污水处理设施建设资金总需约为1539.69亿元。污水量会随着人口总量的增加而增加。按照一般预测，中国人口要在2020年至2025年间达到顶峰，污水量也将在2020年左右达到最高峰。
　　对于我国这样一个污染严重、资源短缺的不发达国家，先进的水处理工艺开发的标准应该是适合我国国情、高效、低耗和低成本的污水处理技术。各类效率高、投入低、可达到一定治理深度的城市污水处理新技术，对经济尚不够发达而污染亟待治理的我国，尤其是绝大多数没有污水处理设施的17000多个建制镇，在一段时期内都将具有重要意义。以厌氧－好氧生物处理工艺、水解-好氧处理工艺、流化床和曝气生物滤池等为代表的低耗、高效工艺有希望满足这一需求。

曝气生物滤池（BAF－BiologicalAeratedFilters）是在普通生物滤池、高负荷生物滤池、生物滤塔、生物接触氧化法等生物膜法的基础上发展而来的，被称为第三代生物滤池。其工艺原理为，在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着高活性的生物膜，滤池内部曝气。污水流经时，利用滤料的高比表面积带来的高浓度生物膜的氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，此为截留作用；运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物以及更新生物膜，此为反冲洗过程。

一般说来，曝气生物滤池具有以下特征：
（1）用粒状填料作为生物载体，如陶粒、石英砂、活性炭等。
（2）区别于一般生物滤池及生物滤塔，在去除BOD、氨氮时需进行曝气。
（3）高水力负荷、高容积负荷及高的生物膜活性。
（4）具有生物氧化降解和截留SS的双重功能，生物处理单元之后不需再设二次沉淀池。
（5）需定期进行反冲洗，清洗滤池中截留的SS以及更新生物膜。

图1.2　曝气生物滤池装置

本项目开发的改性聚氨酯悬浮填料，可推广在以好氧过程为主的生物滤池工艺污（废）水处理工程的工艺应用，用作曝气生物滤池填料。对比传统陶粒滤料700.00元/立方米的价格，改性填料没有价格优势。但作为曝气生物滤池工艺改造中滤料的替代产品，改性聚氨酯悬浮填料在工艺运行上具有以下优势（图1.2）：填料用量小（投放量占装置体积的30%~40%）；挂膜周期短；不需定期进行反冲洗；密堆体积小，水力压头损失小；能耗较低，能一定程度上降低整体的运行成本（有研究者曾预估吨水处理成本8角）。

2知识产权和成果应用

2.1知识产权（包括专利、论文等）

本课题已申请专利2项，参见表4.1。

表4.1已申请专利一览表

本课题已发表及录用论文4篇，参见表4.2。

表4.2已发表论文一览表

2.2成果应用情况

本研究成果可以广泛应用于各种污水处理工程中,改性悬浮填料与生物固定结合后，使污水处理效果显著，具有广泛的应用前景。在具体的推广方式上可以采取灵活的市场手段，依托有关环境工程公司，工程总承包、设计咨询、设备授权生产以及专利技术转让的方式均可以采用。

3研究建议

3.1技术推广

本课题研究得到了苏州市环境保护局及苏州科特环保公司的大力支持，同时在课题经费落实、课题协调等方面给与了极大的帮助。

在改性填料的产品化、规模化生产等方面还需要与相关企业合作，做系统规划和综合考量。本课题尚需更继续进行改性悬浮填料在污水处理工程应用的研究工作，从而获得更具有推广意义和价值的总体方案。

3.2建议

1、功能悬浮填料的深入开发研究。

a、市场上的聚氨酯悬浮填料主要分为两类：大孔径网状聚氨酯泡沫、复合活性炭改性聚氨酯泡沫。目前开发工作侧重于大孔径表面改性填料，未来将进行活性炭复合改性悬浮填料的开发。另外对的固定能力和固定化细胞的酶活性的研究仍处于现象描述阶段，其机理及其相关仍有待深入研究同时，不断引入最新的生物技术和研究方法，更深入了解相关机理，将对相关载体的研究具有借鉴意义和应用价值。

b、继续深入开展废旧聚氨酯的利用及其在各类废水处理中的应用开发，我们以回收聚氨酯泡沫为再生资源材料，结合表面引入的功能基团和亲水性物质，改善微生物的附着、提高生物负载性能、以及重金属螯合吸附性能。将有利于开发回收聚氨酯泡沫作为优势生物载体应用于重金属处理。

（部分文献调研资料：改性后的聚氨酯可以固定在反应柱内作为微生物负载填料或者作为离子螯合材料用以吸附、螯合的方式去除水中的放射性及重金属离子及其他离子，在国内外的研究广泛[14-17]。Ahmad等研究发现可以以聚氨酯作为基体，浸润N-苯甲酰基-N-苯基羟胺(N-Benzoyl-N-Phenylhydroxylamine，BPHA)从而吸附废水中的锌离子、Ce(III)、Al(III)、Pb(II)和Hg(II)，EDTA可以显著降低吸附效果，而草酸根离子可以提高吸附效果。Anjaneyulu等研制了一种新型硫化高弹性聚氨酯泡沫，它对于污水中的重金属汞有很好的去除效果，它是一种高选择性的吸附剂，可以从含有1000ppmCu、Mg、Ca、Zn和10ppm的Hg中将Hg提取出来。其吸附具有高效性，有很好的商业利用价值。Anjaneyulu等用吡咯二硫代氨基甲酸铵(Ammoniumpyrrolidinedithiocarbamate，APDC)改性处理聚氨酯泡沫，制得的新泡沫可以用于去除污水中的重金属Hg、Cd和Pb，在水流速率为3.58L/m2·s的下流式固定填料反应柱中，几种重金属的去除效果分别可以达到Hg(II)：400mg/L和Pb(II)：60mg/L。

生物吸附是对于经过一系列生物化学作用使重金属离子被微生物细胞吸附的概括理解，这些作用包括络合、鳌合、离子交换、吸附等。这些微生物从溶液中分离金属离子的机理有胞外富集、沉淀；细胞表面吸附或络合；胞内富集。其中细胞表面吸附或络合对死活微生物都存在，而胞内和胞外的大量富集则往往要求微生物具有活性。许多研究表明活的微生物和死的微生物对重金属离子都有较大的吸附能力，作为生物吸附剂的生物源能够从低浓度的含重金属离子的水溶液中吸附重金属，且有实用价值的微生物容易获得。例如：发酵过程中的酵母菌是生物吸附剂很好的生物源，大量来自海洋中的藻类也是便宜的生物源。赵玲等用海洋赤潮生物原甲藻(Prorocentrummicans)的活体和甲醛杀死的藻体对Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2+、Ag1+、Cd2+的吸附能力进行研究，实验证明，金属离子混合液经原甲藻吸附30min后，各离子的浓度显著下降且达到平衡，原甲藻的活体和死体对这六种金属离子具有相似的吸附能力。

利用载体通过物理或化学方法将微生物吸附剂经预处理固定后，吸附剂吸附机械强度和化学稳定性增强、使用周期延长、可以提高废水处理的深度和效率、减少吸附—解吸循环中的损耗。近年来，国内外很多学者开展了固定化细胞处理含重金属有毒废水的研究工作。生物吸附剂具有来源广、价格低、吸附能力强、易于分离回收重金属等特点，而且使用死的微生物作为生物源具有容易固定化，并可根据需要制成特殊的生物吸附剂并反复使用。因此，生物吸附法有很好的工业应用前景。现阶段我国的污水处理厂大多数采用活性污泥处理法，因此可以考虑在需进行重金属去除的地域，通过对活性污泥的驯化（在此过程中应注意避免过量重金属使活性污泥中毒），以及生物接种法接种相应的菌种，达到对低浓度含重金属污水的处理。）

2、工程应用方面将结合工程水处理公司的应用扩宽悬浮填料的应用市场。

a、在改性悬浮填料用于原水闷曝气、工程改造实现冬季氨氮达标排放、厌氧处理等方面探索的综合改性处理技术，新技术研发要符合高效低耗，运行可靠、管理相对简单、适应性强等原则。研究简化氨氮去除的硝化过程，将推动此项污水处理技术的发展壮大，应用于市政设施、生化性废水处理、废水深度处理和工程提升改造等。

b、继续进行改性悬浮填料在污水处理工程应用的研究，扩大规模，对推广应用的方案继续深入。在污水生物脱氮的稳定运行、水质指标的长期变化及成本的准确估算等方面进一步进行考察，以期获得更有价值的研究与开发成果。

项目验收结论：

2012年12月22日苏州市环保局在苏州科技学院主持召开了2011年苏州市环保科技项目——“改性聚氨酯泡沫用于高氨氮污水处理的研究”项目验收会。会议邀请了五位专家组成专家组（名单附后），与会代表听取了项目组的工作汇报并审阅了相关资料，经质询、讨论，形成如下专家意见：

1、项目组提供的资料较齐全，基本完成了合同规定的各项任务，符合验收要求。

2、项目利用回收聚氨酯制备污水处理用悬浮填料，降低了生物载体的造价，同时实现“以废治废”，绿色环保，开发出的聚氨酯污水处理用生物载体，具有孔隙率大、表面亲水性、易挂膜、性价比高等优势，作为高效、廉价的功能性悬浮填料可广泛应用于废水生物处理。

3、本项目已发表论文4篇、申请发明专利2项。

专家组一致同意通过验收，建议完善改性聚氨酯泡沫实际应用于工业化高浓度氨氮废水处理的效果数据，并评估其经济技术可行性。

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