新型高效反应器组合系统处理奶牛养殖场废水试验研究

选择一种新型高效反应器系统对奶牛养殖场废水进行处理试验研究,这种反应器系统主要包括两级组合生物巢厌氧反应器和砂式沼液处理池。试验结果表明,该系统处理奶牛养殖废水速度快,两级组合生物巢厌氧反应器水力停留时间（HRT）仅为15h,处理效率高,砂式沼液处理池结构简单,对生物巢厌氧反应器出水处理效果好。该新型高效反应器组合系统对化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH3-N）和总固体悬浮物（TSS）的平均去除率分别为97.6%、98.2%、81.3%和98.1%,出水体积质量平均值分别为89.0、27.1、15.7mg·L^-1和64.9mg·L^-1,满足国家二级排放标准。     

固定床厌氧反应器处理高浓度糖蜜废水

为开发高效处理高浓度有机废水的厌氧沼气发酵技术,以活性炭纤维作为生物膜载体,在实验室规模上对固定床厌氧反应器处理高浓度糖蜜废水的运行性能进行了研究。初始进水COD为5 000 mg/L,水力停留时间（HRT）保持在2 d左右。在进水COD为47 000 mg/L以内时,相应的有机容积负荷（OLR,COD含量）达到21.38 kg/(m3×d),COD去除率保持在86%以上,沼气容积产气率为9.51 L /(L×d),甲烷容积产气率为6.46 L /(L×d);当OLR进一步从21.38 kg/(m3×d) 逐步升高到35.13、39.06、44.88 kg/(m3×d) 时,COD去除率从86.48%分别降低到74.40%,67.02% 和63.50%,相应的沼气容积产气率为13.71,13.98和11.44 L/(L×d),甲烷容积产气率为8.84,8.67和5.89 L/(L×d)。进水的pH值通常在3.5～5.6之间,OLR低于35.13 kg/(m3×d) 时,无需对pH值进行中和调节,出水的pH值自然维持在6.8～7.6的良好状态,超出此范围,则需加碱对进水的pH值作适当调节。最终进水COD高达78 600 mg/L,相应的OLR为44.88 kg/(m3×d)。在165 d的运行过程中污泥形成量小,没有发生堵塞现象,固定床厌氧反应器表现出高效的处理酸性高浓度有机废水和较强的抗负荷冲击的能力。     

覆膜槽沼气规模化干法发酵技术与装备研究

研制了以覆膜槽生物反应器(MCT)为核心的沼气规模化干法发酵系统。该系统采用"软管充气膨胀压力密封联接装置",实现了反应器厌氧―好氧状态的快捷转换,解决了大规模快速进出料的问题,并可直观判断反应器中沼气的存留量,操作简便、安全;利用固态有机物料好氧发酵产生的生物能获得中温厌氧发酵所需温度,并辅以高效的保温措施,无需外加热源,即可维持厌氧发酵的中温(35～42℃)运行;采用单元化设计,通过增减启动厌氧反应器的数量,可满足不同用气量的要求。建设了生物反应器容积为180 m3的沼气干法发酵中试工程。该中试工程容积产气率为0.598 m3/(m3.d),沼气甲烷含量55%～60%。     

基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性

为同时解决农业秸秆和分散式畜禽养殖废水的资源化问题,以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相,构筑秸秆床厌氧反应器,并在反应器后部连接废水二级厌氧反应器,研究秸秆床发酵系统的产气特性及可行性。结果表明:秸秆床发酵系统可同时处理打捆秸秆和猪粪废水,且不影响各发酵原料的厌氧生物转化率,秸秆床发酵系统中秸秆干物质产气量为394.96 mL/g,略高于秸秆单独发酵(382.11 mL/g);秸秆床发酵系统产气稳定性大幅提高,避免了单一发酵原料日产气量波动较大的问题,对产气中平均甲烷体积分数影响明显,秸秆床发酵系统、纯猪粪废水和纯秸秆发酵产气中平均甲烷体积分数分别为57.40%、60.37%和47.32%;与各物料单独发酵相比,秸秆床发酵系统平均容积产气率大幅提高,纯秸秆和猪粪废水单独发酵容积产气率仅为秸秆床发酵系统的69.42%和66.94%;试验35 d后,秸秆机械强度和孔隙度明显降低,秸秆互相粘结导气性下降,造成秸秆上浮严重及进水短流,反应器出水化学需氧量浓度快速增加并稳定在较高浓度,故在秸秆床反应器后部必须连接废水二级厌氧反应器以进一步处理秸秆床反应器出水。综合以上结果,采用秸秆床发酵系统同时处理打捆秸秆和猪粪废水是可行的,但需解决发酵后期秸秆上浮、导向性下降和进水短流等问题。     

分段组合式厌氧反应器的运行性能

为研发高效厌氧生物反应器,采用模拟有机废水,对分段组合式厌氧反应器的运行性能进行了研究。试验结果表明：该反应器具有很高容积效能,容积负荷可达110.97?g/(L·d),容积负荷去除率可达84.35?g/(L·d),容积产气率可达57.00?L/(L·d)。该反应器内的基质浓度及中间产物浓度较高,平均化学需氧量和挥发性有机酸浓度分别是常效反应器相应值的18.49倍与37.52倍,可提供较大的反应推动力。该反应器具有良好的运行性能,但趋近满负荷时性能参数波动较大,易导致反应器工况失稳。     

玉米酒精糟液综合利用的研究

论述了玉米酒精糟液的综合利用。以通过分离获得的干糟作为饲料,利用上流式过滤器与厌氧污泥床相结合的发酵罐处理余下的高悬浮物、高浓度废液来制取沼气,供居民生活用气或生产发电。发酵后排出的残液经三级氧化塘处理后引水上山浇灌果树,不仅增加土壤养分,而且果树不生腻虫。研究结果表明:上流式过滤器与厌氧污泥床相结合的发酵罐对于处理高浓度废液具有良好的效果,作好保温,发酵系统在冬天正常稳定运行,全系统达到了消除污染,废物多层次利用的目的。     

秸秆过滤养猪废水UASB厌氧发酵及微生物群落分析

养猪废水成分复杂,所含悬浮性固体对其生物发酵过程影响显著;利用经过粉碎压实后的玉米秸秆对养猪废水进行负压抽滤,吸附截留废水中的悬浮性固体。再利用上流式厌氧污泥床（UASB,up-flow anaerobic sludge bed/blanket）反应器对过滤后的养猪废水进厌氧发酵,探究发酵过程中随着有机负荷的增加,化学需氧量（COD,chemical oxygen demand）去除率、pH值、产气量的变化规律,并采用高通量测序技术分析最优负荷时厌氧消化污泥中的细菌与古菌群落组成。过滤试验表明,在过滤压差为40kPa、滤层厚度为15cm、滤料压实度为1.6倍密度（148.8kg/m³）时有较好的过滤效果,此时总固体（TS,total solid）、挥发性固体（VS,volatile solid）、COD的去除率分别为33.08%、28.05%、23.01%。厌氧发酵试验结果表明,在温度为(35±1)℃时反应器稳定运行的最高负荷为11 kg/(m³·d);反应器处理效果最优的负荷为10 kg/(m³·d）,此时进水COD浓度为5 000 mg/L、COD去除率为76.46%、容积产气率为1.51m³/(m³·d)。高通量测序结果表明,厌氧发酵过程由多种微生物菌群协同作用,主要的细菌群类是Firmicutes、Bacteroidota,主要古菌群类为Halobacterota,且高效产甲烷菌分布丰富。试验结果为利用作物秸秆过滤养猪废水进行以废治废的技术应用提供了依据。     

废水厌氧处理反应器功能拓展研究进展

废水厌氧处理技术自从1860年左右开始得到快速发展,尤其是高效厌氧反应器的研发,使得其应用范围逐步由传统温和的环境和水质条件转向各种极端条件。然而,一般认为厌氧反应器的目标主要还停留在实现废水中有机污染物的甲烷化与高效去除层面,功能比较单一。在实际厌氧反应器中,其他污染物如氮、硫等同样得到不同程度的去除;此外,厌氧反应器的其他新型功能拓展研究也逐步受到关注。然而,目前这些研究大多数围绕着某一个特定研究点展开,相对独立,其研究现状和应用效果缺乏系统的汇总与梳理。该文一方面对厌氧处理技术的发展和厌氧反应器传统功能研究现状进行归纳;另一方面着重对其实现脱硫、脱氮、除磷、除钙软化以及原位沼气提纯等拓展功能的作用原理和过程特点进行综述,以达到系统解析厌氧反应器在废水处理中多重功能作用的目的。同时,该文在综述过程中发现目前多功能厌氧反应器在构型、运行参数、耦合模型构建与调控等方面的研究存在严重不足,难以保证反应器整体性能最优化。通过综述废水厌氧处理反应器功能拓展研究进展可能会对厌氧处理技术进一步发展以及新型多功能厌氧反应器研发有着一定的借鉴意义。     

直接种间电子传递对缓解厌氧消化抑制效应的研究进展

厌氧消化是将生物质废弃物进行资源化利用的有效途径之一。然而，复杂的原料性质以及反应器高负荷的运行条件会使厌氧消化过程产生多种抑制效应，易导致反应器运行不稳定，产气效率低等问题。因此，提升厌氧消化反应器运行性能、减缓抑制效应成为当前的研究热点。区别于以氢气和甲酸为媒介的间接种间电子传递（Mediated Interspecies Electron Transfer，MIET）过程，微生物间的直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer，DIET）能够在菌群间直接进行电子转移，传递效率更高。DIET的建立有助于强化厌氧反应的稳定性，提高反应效率，减缓抑制效应。基于此，本论文总结了DIET的研究进展，分析了主要的种间电子传递机制，探讨了DIET对不同类型抑制效应的缓解作用，归纳了DIET潜在微生物的富集效果；在此基础上展望了DIET在减缓厌氧消化抑制效应方面的重点研究方向和应用前景。     

脉冲循环式渠槽厌氧反应器处理太湖腐熟蓝藻性能

为实现太湖腐熟蓝藻的资源化处理,研究新型厌氧反应器——脉冲循环式渠槽厌氧反应器处理太湖腐熟蓝藻的效能及其运行特点。以城市污水处理厂剩余污泥为种泥,污泥接种量混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)为20g/L,进水化学需氧量(COD)质量浓度2000mg/L,水力停留时间(HRT)为5d,中温(30～35℃)厌氧条件下,反应器可在30d内成功启动并达到初步稳定运行,COD去除率达到60%左右,产气率为0.08L/(L·d);当进水COD容积负荷3.5kg/(m3·d)时,仍能实现安全稳定运行,COD去除率可以稳定在80%左右,产气率在1.2L/(L·d),表明反应器抗冲击负荷能力较强,同时沼液中藻毒素(TMC-LR、EMC-LR)去除率为90%以上。稳定运行期间反应器厌氧颗粒污泥对腐熟蓝藻甲烷化的最大比基质降解速率为1.253mg/(mg·d),半饱和常数为11770mg/L,甲烷产率系数为0.256mL/mg;电镜观测发现稳定运行期颗粒污泥以产甲烷的八叠球菌为主,伴有丝状菌和杆菌等,同时发现其蛋白酶、TTC-脱氢酶和辅酶F420活性相对较高。研究发现脉冲循环式渠槽厌氧反应器能够有效地处理太湖蓝藻,这对其资源化利用具有一定的指导意义。     

农村垃圾厌氧-准好氧时空联合生物反应器中微生物群落分析

生物反应器是处理农村中小型固体废物的有效技术，该研究以时空联合型厌氧-准好氧生物反应器（STASAB）为研究对象，利用16S rRNA高通量测序分析了STASAB中的微生物群落，以期为该反应器的高效运行提供理论依据。结果表明，各生物反应器处理单元中的优势菌门为Proteobacteria(18.5%~26.6%)、Firmicutes(14.9%~26.6%)、Chloroflexi(6.6%~25.2%)、Bacteroidetes(8.2%~24.0%)、Actinobacteria(6.9%~13.8%)。C3处理单元在厌氧阶段中的优势菌属为Lentimicrobiume、vadinBC27_wastewater-sludge_group、Treponema_2、norank_f_Synergistaceae（产甲烷菌）等。在STASAB各处理单元（C1、C2、C3）中发现了硝化细菌Deinococcus-Thermus以及大量的反硝化细菌norank_f_Anaerolineaceae、unclassified_o_Rhizobiales、Hyphomicrobiu、AKYG587、Bacillus、norank_f_Caldilineaceae等。Venn图与PCA分析显示C1、C2具有相似的微生物群落结构，C3中的特有菌属显著高于其它反应器；RDA分析表明C1、C2（STASAB）中的微生物群落具有更高的稳定性，不易受到外界环境因素的影响。因此，STASAB的空间布局和运行方式能够有效发挥厌氧和准好氧生物反应器的优势，高效促进产甲烷菌、硝化菌和反硝化菌的共存和生长代谢，实现农村生活垃圾的快速降解。     

糖厂酒精生产废液施用对蔗地水分、铜和氯利用及流失的影响

为促进甘蔗酒精生产废液的资源化利用,为农作物提供有效的肥料资源及相关水肥管理模式,对比研究了甘蔗地上施用甘蔗酒精生产废液、化肥及不施肥等处理对水分、铜和氯养分吸收及流失的影响,并对施用甘蔗酒精生产废液的食品安全性和对地表水环境污染的影响进行了评价.结果表明,与化肥处理CK_2相比,甘蔗酒精生产废液的施用提高了土壤的水分利用率,降低了甘蔗中铜的含量及铜的径流流失,提高了甘蔗中氯的含量,但各处理蔗汁或径流水中的铜、氯含量或浓度远低于国家标准值.认为在该试验条件下富含有机质的甘蔗酒精生产废液在蔗地上施用,对蔗糖及地表水环境质量没有不良影响,值得推广应用.     

用于污泥厌氧消化的温室-太阳能热水器组合增温系统

利用温室-太阳能热水器组合增温工艺提高和保持厌氧消化反应器的消化温度,实现厌氧消化反应器在中温（春、秋、冬季）和高温（夏季）条件下高效稳定运行。以剩余污泥为原料,考察了该组合工艺一年四季的保温效果和污泥厌氧消化产气性能,并对各季节的能源产出和消耗情况进行对比分析。结果表明：与自然环境下的反应器I相比,温室内反应器II的温度在春夏秋三季分别提高了13.0～28.5℃、15.0～26.5℃和10.7～12.2℃,具有良好的增温和保温效果。春夏秋三季污泥厌氧消化的累积产气量分别提高了176.1%、98.8%和109.9%;总固体（TS）和挥发性固体（VS）去除率分别提高了6.8%～27.1%和7.5%～24.1%。通过能源产出和消耗情况分析,发现反应器II在春夏秋三季度的能源转化效率比反应器I提高了21.0%、38.5%和30.3%,冬季的耗能大于产能,但能保证厌氧消化的持续高效运行。     

厌氧—好氧串联系统对慢速可生物降解COD的去除（Ⅰ）—对不同基质COD的去除能力

利用高温（55℃）升流式厌氧污泥床和好氧移动床生物膜反应器串联系统，研究了淀粉，纤维素和降乙烯醇（PVA）这3种在食品加工，造纸和印染工业废水中常见的慢速可生物降解COD基质的去除过程。淀粉－COD能够完全被生物降解，纤维素－COD在厌氧反应器中通过污泥床的截留和纤维物的沉降作用可以从水中完全去除，单一的PVA基质难于被生物降解，但是，PVA－COD在淀粉和PVA的双组分溶液中可以得到一定的去除率。     

双污泥反硝化除磷系统中氨氮容积负荷的优化

农村生活污水具有处理量小,分散,日变化系数大等特点,分散处理成为农村污水处理的首要选择。该研究采用AAO工艺与BAF组成的双污泥反硝化除磷系统（anaerobic anoxic oxic-biological aerated filter,AAO-BAF）处理农村生活污水,探讨了氨氮容积负荷对该系统BAF单元硝化性能及出水悬浮物（SS）的影响。通过改变水力负荷和有效滤料容积（即方式1和方式）2种方式,氨氮容积负荷在0.43～1.21 kg/(m3·d)之间变化。试验结果表明,随着氨氮容积负荷的增加,氨氮去除率呈现先缓慢降低后急剧减小的趋势,不同的是,出水SS对方式1（即水力负荷的变化）更敏感。当氨氮容积负荷在0.43～1.12 kg/(m3·d)时,氨氮去除率大于81%;当氨氮容积负荷大于1.12 kg/(m3·d),氨氮去除率急剧降低,氨氮容积负荷为1.21 kg/(m3·d),2种运行方式的氨氮去除率分别为65%和68%。当氨氮容积负荷小于0.74 kg/(m3·d)时,出水SS小于10 mg/L;当氨氮容积负荷大于0.74 kg/(m3·d)时,出水SS急剧增加,但方式1增加得更快,氨氮容积负荷增加到1.21 kg/(m3·d)时,方式1和方式2的出水SS分别为21.8和14.2 mg/L。所以,为保证BAF出水水质达到国家一级A排放标准,其氨氮容积负荷应小于0.74 kg/(m3·d)。     

固态厌氧消化过程中有机质、有机酸和产气量空间异质性

研究反应器内发酵物料中有机质、有机酸和产气量在反应器中的空间差异对于有效提高混合物料的厌氧产气效率具有关键作用。该文以猪粪和秸秆混合物料为发酵原料,接种活性污泥,采用中温（35℃）筒式两相厌氧发酵工艺,对混合固态物料厌氧消化过程中不同区域料液的有机质、有机酸和产气速率进行监测,并主要分析其纵向的空间异质性变化。结果表明：固态厌氧发酵过程中,TS、VS、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的质量分数随着物料距反应器底面高度的增加而增大,越接近料液顶端,纵向差异越强,反之浓度降低越快,这5种关键物质在料液底部浓度较为均一,异质性明显降低;产气速率和单位VS累计产气量随着物料距反应器底面高度的增大而增加,皆为底层最低而顶层最高;反应过程中存在核心厌氧区,厌氧系统累计产气量和料液高度具有明显的幂增函数（R2=0.9754）关系,该研究为固态厌氧高效发酵提供了数据参考。     

畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析

为推进畜禽养殖场沼气工程高效运行,提高其厌氧消化效率,该文选择了3座沼气工程,对其厌氧消化工艺、工程运行管理和投入产出情况进行分析探讨。在此基础上,提出中国畜禽养殖场沼气工程建设厌氧消化技术的优化运行方案：完全混合式厌氧反应器、升流式固体反应器和高浓度推流式反应器适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程;与厌氧消化工艺相匹配的要素是沼气工程日常调控的重点;热电肥联产能够实现沼气工程效益的最大化;利用太阳能加热、沼液回用发酵可以节约能源,降低工程运行成本。     

硫酸废液机械蒸汽再压缩减压膜蒸馏特性分析

为了高效回收处理工农业生产过程中产生的硫酸废液，该研究提出了一种机械蒸汽再压缩减压膜蒸馏系统。首先，基于质量和能量守恒定律建立数学模型，并设计搭建了系统试验装置，初步以自来水为测试对象开展了可行性验证试验；然后以硫酸溶液为研究对象，借助Matlab软件进行迭代求解计算，模拟分析操作参数对系统热力特性的影响规律。试验结果表明系统膜通量和电导率分别为1.6 kg/(m2·h)和48 μS/cm，单位加热能耗Shec和Cop分别为71.88 kWh/t和8.88，比常规蒸汽加热的减压膜蒸馏系统节能74.7%。模拟结果表明进料浓度增加，压缩机功耗增加，但性能系数Cop减小；进料温度、进料流速以及渗透侧压力增加，压缩机功耗减小，Cop增加。因此，该系统具有良好的节能性、经济性和环境效益，应用前景广阔。     

厌氧流化床净化畜禽废水与产电性能

为实现从畜禽废水处理中回收能源,先后以厌氧沼液、低浓度畜禽原水及高浓度畜禽原水作为进水,利用厌氧流化床双室微生物燃料电池(anaerobic fluidized bed microbial fuel cell,AFB-MFC)进行微生物产电及有机物去除研究,重点考察氨态氮质量浓度及COD(化学需氧量)容积负荷对系统COD去除率及产电性能的影响。结果表明:以稀释后的沼液作为进水时,当氨态氮质量浓度达到387.6mg/L时,氨态氮对产电微生物产生明显的短期抑制,产电量下降7.0%,但经过5d的适应期后,系统产电恢复到原来的水平。以畜禽原水作为进水时,系统COD容积负荷在12d内由2.3kg/(m3·d)提升至14.9kg/(m3·d)时,COD去除率保持在74.5%～88.1%;随着容积负荷的提升,系统产电量上升,但上升幅度较小,最高输出电压为379.3mV,相应的面积功率密度为74.9mW/m2;由于进水pH值的差异,高浓度畜禽原水最高输出电压较低浓度畜禽原水低21.4mV;AFB-MFC系统内阻较低,仅为48.5Ω,此时功率密度为75.6mW/m2。本装置实现了畜禽废水的高效处理,同时获得电能,为其资源化处理提供新途径。     

猪场废水灌溉对地下水中钾、钙、钠、镁含量的影响

应用猪场废水处理工程中产出的厌氧水不同灌溉量和3个处理阶段出水与地下水按体积比1∶5混合对冬小麦-夏玉米轮作系统进行3年的小区灌溉试验,监测地下水的总矿化度及钾、钙、钠、镁等含量的变化。结果表明：（1）地下水中钾含量在厌氧水不同灌溉量条件下呈现高量厌氧水（Ha）〉中量厌氧水（Ma）〉低量厌氧水（La）的变化趋势,在混水灌溉处理地下水中钾含量均呈厌氧水与地下水1∶5混合（Tag）〉原水与地下水1∶5混合（Tog）〉仿生态塘水与地下水1∶5混合（Teg）的变化趋势;（2）地下水中钠、钙、镁含量大致呈现低量厌氧水（La）〉中量厌氧水（Ma）〉高量厌氧水（Ha）,仿生态塘水与地下水1∶5混合（Teg）〉原水与地下水1∶5混合（Tog）〉厌氧水与地下水1∶5混合（Tag）的变化趋势。