多级处理模式下粪污中氮、磷削减规律及其农田可消纳量——以苏南水网地区规模猪场为例

针对规模养殖场粪污多级处理模式下氮、磷削减规律及土地承载力不清等问题,以苏南水网地区一规模猪场为研究对象,系统分析了污水经二级厌氧消化、三级沉淀池和水生植物塘逐级处理后氮、磷的去除特征,进一步核算了此模式下粪污实际农田可消纳量。结果表明:猪场全年粪、尿总产生量分别约为4 086.9 t和10 995.8 t,粪便收集率约为90.5%。收集的粪污中可利用的总氮(TN)和总磷(TP)量分别为183.12 t和148.97 t。粪污经过厌氧消化后TN和TP去除率小于25.3%和57.2%,进一步通过三级沉淀池处理后二者可去除80%以上,最终通过水生植物生态处理后二者去除率均达95%以上。养殖废水经过多级处理工艺,可大幅提高其农田消纳量,降低粪污处理成本,特别适用于集约化程度高、经济发达、土地资源有限地区的畜禽养殖场。     

秸秆批式和半连续式发酵物料浓度对沼气产率的影响

为比较秸秆批式发酵和半连续发酵工艺的产沼气效果,以水稻秸秆为单一发酵底物,开展了室内中温批式发酵和半连续发酵对比试验,以容积产气率和原料产气率为特征指标,研究不同料液浓度对秸秆批式和半连续发酵产沼气的影响,以期获得秸秆沼气工程适宜的运行参数。结果表明,批式发酵容积产气率随着TS浓度的增加而增加,但增幅逐渐减少;与静态批式发酵相比,间歇搅拌有助于提高批式发酵容积产气率,特别对高TS浓度处理容积产气率的提升效果更加明显;而半连续进料条件下更有利于高TS浓度处理容积产气率的提高,但各处理原料产气率均随着固物滞留时间(solid retention time,SRT)缩短而逐渐降低。综合考虑产气情况及工程应用实际,建议秸秆批式发酵底物质量分数不超过8%,而半连续发酵TS质量分数8%时SRT设计为20 d(容积产气率1.00 m3/(m3·d)),若发酵TS质量分数6%时,SRT设计为15 d,容积产气率0.75 m3/(m3·d),该运行参数为秸秆沼气工程发展提供了理论依据。     

pH与曝气耦合调控厌氧发酵相分离技术研究

为验证pH调节与曝气处理对两相厌氧发酵相分离的影响,文章研究了以葡萄糖为底物,不同起始pH值(5.5,6.5,7.5)、不同间隔时间(8h,12h,16h)通入不同量的空气(3 L,5L,8 L),对厌氧发酵产甲烷的影响,并进一步研究了pH调节与曝气处理对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响.结果表明:通过连续曝气处理可以降低反应器料液的pH、升高反应器料液的氧化还原电位,起始pH、曝气间隔时间及曝气量分别为6.0,8h和5L对厌氧发酵的产气量和产甲烷量的抑制有明显效果.将秸秆两相厌氧发酵系统中水解产酸相初始pH调到6.5以下,结合每天曝气3次(间隔8小时),每次曝气量≥1L空气·L-1反应器(等于或大于容器体积),不用产甲烷相沼液作水解相消化液补充回流条件下,可以有效地抑制甲烷产生,基本实现两相有效分离.     

堆肥预处理温度控制促进麦秸厌氧发酵产沼气

为阐释温度在堆肥预处理影响秸秆厌氧发酵产沼气中的作用,以麦秸为原料,研究堆肥不同升温阶段麦秸的厌氧发酵产气特性,并以麦秸堆肥的温度数据为基础,以灭菌后的麦秸为原料进行模拟堆肥（不同温度处理）,模拟堆肥后的麦秸进行厌氧发酵产沼气。结果表明,在堆温升至55℃前,麦秸干物质（TS）损失率为4.06%,当堆温升至55℃后麦秸TS损失率迅速增加,堆肥10 d后麦秸TS损失率达22.45%;堆肥后麦秸厌氧发酵产气速率并无明显提高,TS产气量随堆肥时间先增加后降低,以堆温升至55℃时麦秸TS产气量最大,为349.92 mL/g,较开始堆肥增加了7.56%,扣除堆肥造成麦秸有机物损失,堆肥预处理对麦秸产气量并无明显促进;当堆温超过55℃以上9 d的麦秸产气量仅为开始堆肥的66.58%。模拟堆肥的结果表明,不同温度处理对麦秸有机物损失、物质组成均有较大影响,模拟堆肥后麦秸半纤维素大幅降低了28.10%,TS产气量随处理温度、处理时间的增加先增加后降低,当处理温度为55℃时获得最大TS产气量,为342.36 mL/g,较未处理提高了8.35%;随着处理温度的提高和处理时间的延长,麦秸TS产气量逐渐降低。以上结果表明,堆肥预处理产生的高温对破坏秸秆物质结构、提高其厌氧生物转化性能有较大影响,当秸秆堆体温度升至55℃时应停止堆肥,进行厌氧发酵产沼气。该文可为堆肥预处理在秸秆沼气工程中应用提供参考。     

发酵周期、贮存时间和过滤对沼液养分和理化性状变化的影响

针对实际生产中中小型养殖场不规范和粗放式厌氧发酵模式以及沼液需要长时间贮存的问题,为实现沼液养分有效利用与管理,根据沼液厌氧发酵实际生产状况,进行模拟发酵实验。设置2、4、6、8、10 d等5个不同的发酵周期处理并分别在该时间点进料出料,研究出料沼液在贮存过程中COD、pH、TN、TP和TK 等养分和理化特性变化以及网筛过滤对养分和理化性状的影响。结果表明：随着发酵周期与贮存时间的延长,28 d后5种沼液中TN 和TP 含量分别减少了40.9%～46.31%、35.62%～53.61%;TK 的含量呈现随时间延长有小幅增加的趋势,基本维持稳定。贮存期内铵态氮含量逐渐降低,贮存14 d各降幅接近62%;与之相反,硝态氮的含量则呈现逐渐增高的趋势。所有处理沼液在贮存过程中COD 下降了69.97%～85.86%,pH 值变化均呈现逐渐升高的趋势,从7.6~7.9变为8.2~8.7。经过不同孔径网筛过滤后,沼液的养分含量、COD和pH值变化不具有显著性差异,因此过滤不会对沼液的养分存储造成影响。     

猪粪沼渣水热炭中重金属浸出特征研究

水热炭化(HTC)是处理沼渣等高含水率废弃物的有效途径,为明确猪粪沼渣(M-R)经HTC后其中重金属的浸出特征,以190℃和250℃制备的猪粪沼渣水热炭(M-190、M-250)为研究对象,探讨其中Zn、Cu、As、Pb和Cd的总量及其在不同pH条件下的浸出特征。结果表明:M-190、M-250与M-R相比,Zn分别增加4.12%、18.99%,Cu分别增加7.00%、14.00%,As分别增加26.57%、289.70%,但Pb和Cd的总量经HTC后有所降低。猪粪沼渣水热炭中溶解态重金属含量显著(P0.001)低于M-R,且M-250显著(P0.001)低于M-190,其中M-250中溶解态Zn、Cu、Pb和Cd的含量较M-190降低了50.99%、95.50%、66.47%、100.00%。pH值为2时,水热炭中重金属浸出量最大,但随着pH的增加浸出量急剧下降,当pH在4~10范围内时,各重金属浸出量维持在相近水平。研究表明,HTC对M-R中的Zn、Cu和As有浓缩作用,适当提高HTC温度可降低猪粪沼渣水热炭中溶解态重金属含量。此研究不仅有利于猪粪沼渣水热炭的安全性评价,而且HTC技术为粪污的无害化处理提供有效途径。     

规模猪场污水多级处理系统中重金属总量及其形态变化特征

为探明畜禽养殖场污水处理过程中重金属总量及其形态变化特征,以苏南地区一规模猪场的污水处理工程为研究对象,系统分析了夏、冬两季各处理环节(厌氧消化、多级沉淀、水生植物处理)出水中Cu,Zn,As,Pb,Cr浓度变化。结果表明:夏季污水中Cu,Zn,As,Pb,Cr总体积浓度分别为4 024.9,6 656.0,22.9,193.8,319.6μg/L,冬季分别为6 490.3,1 1687.9,89.3,152.0,351.7μg/L。除夏季总As外,其他均高于国家农田灌溉水质标准。经多级沉淀和水生植物处理后,出水中各重金属总量显著降低(P0.05),均符合国家农田灌溉水质标准。夏季Cu,Zn,As,Pb,Cr的去除率分别达99.5%,99.2%,62.2%,88.7%,91.6%,冬季分别达99.8%,99.0%,91.0%,90.1%,87.9%。溶解态重金属含量变化复杂,总体上看,多级沉淀联合水生植物处理对污水中溶解态重金属有降低的作用,但夏季效果低于冬季。除夏季总As外,污水中其他重金属总量及其溶解态含量变化与p H值呈负相关,所有重金属总量与溶解态含量均与EC呈正相关。采用厌氧消化-多级沉淀-水生植物联合处理技术可有效降低猪场污水中重金属总量及其溶解态含量,提高养殖污水农田利用的安全性。     

秸秆高固厌氧发酵回流液剖面渗滤特性

探明秸秆高固厌氧发酵回流液剖面渗滤特征,对提高秸秆高固厌氧发酵产气效率十分重要.该研究以搓揉麦秸为底物,在(37±1)℃、TS为14%的发酵条件下,通过隔板将发酵罐中物料均分成3层(T1)、2层(T2)与不分层(T3)3个处理,以氯化锂为示踪剂,分析了剖面上物料残留锂离子、物料胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)含量、各处理产气以及发酵前后物料湿容重的变化.结果表明:各处理总产气量、累积总固体产气量与甲烷含量差异不显著;不同处理纵剖面各层物料湿容重,呈现上低下高的趋势,其中T3处理物料湿容重随高度的降低先增加后基本稳定,稳定在0.6 g/cm3左右,大于初始发酵物料湿容重0.58 g/cm3;T1、T2、T3剖面残留锂离子质量分数低于2 mg/kg的区域面积占比为2.32%、12.69%、20.66%,表明3个处理回流液淋滤存在着"回流液死区",EPS等值线图与物料残留锂离子等值线图相互印证,表明秸秆高固厌氧发酵中,回流液的淋滤在剖面上表现出非均态性特性.该研究为改善秸秆高固厌氧发酵回流液回流技术提供了科学依据.     

超高温预处理装置及其促进鸡粪稻秸好氧堆肥腐熟效果

为提高畜禽粪便堆肥效率和质量,设计了一种超高温预处理好氧堆肥工艺,并以鸡粪和稻秸为原料,进行了为期62 d的堆肥试验。设置了3个处理,即:高温好氧堆肥(CK);超高温(85℃)预处理4 h+高温好氧堆肥(HPC);超高温(85℃)预处理4 h+接种0.5%新鲜鸡粪+高温好氧堆肥(I-HPC)。监测了堆体的温度、含水率、pH值等参数的变化情况,并以C/N、可溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)、铵态氮、硝态氮、腐殖化指数(humification index,HI)、种子发芽指数(germination index,GI)为指标评价了堆肥腐熟度和质量。结果表明,与CK相比,超高温预处理可以提高后续堆料升温速率和最高温度、延长高温期天数、缩短堆肥周期,I-HPC、HPC的最高温度比CK分别高出13.6、12.8℃,≥50℃的天数分别比CK多3、2 d。但与HPC相比,接种新鲜鸡粪并没有加快后续堆肥进程。超高温预处理后,物料容重由0.81 g/cm~3下降为0.72 g/cm~3、pH值下降了1~2;而DOC质量分数由106 g/kg上升到124 g/kg;总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acids,TVFAs)、NH_4~+-N质量分数分别为预处理前的3.2倍、2.45倍。HPC、I-HPC堆体有机质降解速率常数分别为0.0501、0.0534 d-1,比CK(0.00143 d-1)大,因此,HPC、I-HPC堆肥产品的TOC质量分数(182.1、192.1 g/kg)分别比CK(205.3 g/kg)低;TN质量分数(19.70、21.28 g/kg)比CK(17.96 g/kg)高;腐殖化指数(0.77、0.71)比CK(0.64)高。但HPC、I-HPC堆肥产品之间TN质量分数、腐殖化指数无显著差异。因此,超高温预处理好氧堆肥法能明显缩短堆肥周期、提高堆肥产品质量,具有较大的应用潜力。     

秸秆床厌氧发酵产沼气系统优化试验

针对前期研究中发现秸秆床反应器内秸秆在发酵后期上浮、进水短流等问题,采取在秸秆床反应器内增加导气管、在秸秆捆底部预留缓冲空间以及2种方式组合的方式,研究改进措施对秸秆床反应器及整个发酵系统产气、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除等的效果。结果表明:直接以打捆秸秆为固定相,以猪粪废水为流动相的处理在猪粪废水有机负荷为2.13 kg/(m3/d)条件下出现轻度酸化,产气受到明显抑制,日产气量明显低于其它处理,继续提高猪粪废水有机负荷后各处理间无明显差别;采用增加导气管、增加缓冲空间以及导气管+缓冲空间的方式改善了秸秆床反应器内发酵环境,未出现酸化现象,日产气量稳定性明显提高。试验结束时,各处理秸秆床反应器累积产气量较对照分别提高了18.90%、9.05%和22.48%,累积产甲烷量较对照分别提高了23.02%、9.34%和25.21%;采用该研究提出的改进措施对二级反应器产气组成无明显影响,各处理平均甲烷含量均在68%左右,对整个秸秆床发酵系统累积产气量、平均甲烷体积分数以及COD去除率无明显影响。以上结果表明,在秸秆床反应器内增加导气管对提高反应器产气量、甲烷含量及产气稳定性有较好的效果,在条件允许的情况下可以考虑在反应器底部增加缓冲空间。