餐厨废水处理方法范文

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篇1

关键词：生物材料;有机废水;COD去除率

中图分类号：X701文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2011）08-0168-03

收稿日期：2011-07-13

作者简介：王 棚（1981―），男，四川人，工程师，主要从事环境监测工作。

1 引言

在高浓度有机废水的处理过程中,通常采用物理或化学方法进行预处理,以去除水中部分难生物降解的高分子有机污染物,从而减轻后续生物处理工艺的负荷［1］。对于选用吸附剂做预处理介质的情况,预处理选择吸附材料尤为重要。有的材料吸附效果好,但价格昂贵（如活性炭）,难以推广应用,因此,开发高效低成本的吸附剂是吸附处理技术推广应用的关键［2～5］。废弃有机物经过生物发酵后,可转化成大量腐植酸,对废水中难分解的有机物有较好的去除效果［6］。如枯枝落叶等材料经生物发酵得到的产物,含有大量的纤维素、木质素等成分,对水中难生物降解有机物具有较好的滞留作用［7］。本试验利用有机废弃物的生物发酵制取生物吸附材料,设置不同的实验条件,对高浓度有机废水进行预处理,以期降低COD浓度,增加废水的可生化性,提高后续处理效果,为探索高浓度有机废水处理工艺提供理论参考。

2 材料与方法

2.1 试验材料

（1）生物吸附材料。由泥炭土、餐厨垃圾、垃圾衍生燃料（由垃圾焚烧产物制得）、树皮、菇渣、枯枝落叶等,其中,餐厨垃圾、菇渣通及枯枝落叶均为经过生物发酵工艺制得的产物。

（2）高浓度有机废水。取自城市垃圾压缩站的高浓度有机废水。由于原废水COD很高,本实验将其稀释数倍作为进水进行处理,处理前用纱布过滤掉悬浮物。稀释后的废水pH值为4～5,CODcr为1 198.4～3 326.40mg/L。

2.2 实验仪器与试剂

JB90-D型强力电动搅拌器;pHS-25型pH计;XJ-Ⅲ型COD消解炉;PB2002-N型电子天平;KXB-250A型生化培养箱;硫酸;硫酸亚铁（AR）;重铬酸钾;硫代硫酸钠（AR）。

2.3 试验方法

在室温下（20℃）,移取500mL水样于1L烧杯中,投加一定量的生物吸附材料,在一定pH条件下,用机械搅拌机在180r/min的转速下搅拌15min,静止一定时间,取液过滤,对滤液进行COD、BOD5的测定。

2.4 实验测定方法

COD:催化消解密封法;pH:pH计;BOD5:5日培养碘量法。

3 实验结果分析

3.1 生物吸附材料的选择

原水COD为1340mg/l,PH值为4.92,取4g过2mm筛的生物吸附材料泥炭土（c1）、餐厨垃圾（c2）、生活垃圾湿法分选系统有机物（c3）、椰壳树皮（c4）、菇渣（c5）、枯枝落叶（c6）,加入到500mL废水中,处理结果见图1。

由图1可知,在相同条件下,各种生物吸附材料对废水COD的去除率不同,其中,以菇渣材料去除效果最好,去除率达到了30.85%。枯枝落叶材料对COD的去除率也有26.87%。泥炭土材料和树皮材料的COD去除率相当。生活垃圾湿法分选系统有机物生物吸附材料对COD的去除率最低,只有3.98%。故选择菇渣作为废水处理的生物吸附材料。

同时,对处理后的废水进行BOD5测定,结果如图2。从图2可以看出,废水经生物吸附材料处理后,BOD5/COD较处理前都有不同程度的增加,其中以椰壳树皮生物吸附材料处理后废水的BOD5/COD变化最大,其值为0.43,较原水提高了0.15。这主要是因为生物吸附材料中小分子有机物溶解到废水中,使得水中BOD5/COD的相对含量增加了。这说明废水经生物吸附材料处理后,可生化性增强,有利于废水的后续生化处理。

3.2 生物吸附材料用量对COD去除率的影响

原水COD为2448.00mg/l,在原水pH条件下,分别称取3、4、5、6、7g过2mm筛的菇渣吸附材料,加入到500mL废水中,处理结果见图3。

本试验采用的吸附材料本身是一种有机物,对增加废水COD浓度有一定的贡献。由图2可以看出,COD的去除率随着吸附材料用量的增加而增大,当用量大于5g时,COD的去除率有所下降,说明在用量为5g时,吸附材料的吸附能力已接近饱和,因此生物吸附材料的投加量以1%为宜。

3.3 不同粒径的生物吸附材料对COD去除率的影响

将菇渣分别过0.45mm、2mm、3mm的筛子,得到3种不同粒径的生物吸附材料对废水进行吸附试验,原水COD为2 544mg/l,在原水pH条件下,分别取5g 3种不同粒径吸附材料,加入到500mL废水中进行处理,结果表明粒径为0.45mm的COD去除率为9.43%;粒径为2mm时去除率为5.66%;粒径为3mm时去除率为3.77%。可以看出,粒径越小,对COD的去除效果越好,但实际处理中,为了便于吸附剂的沉淀分离以及操作方便,推荐以2mm粒径为宜。试验结果与上述结果相差较大,这可能是由于处理水样的COD浓度及pH值不一样造成的。

3.4 不同pH值对COD去除率的影响

取4份500mL的废水,用石灰分别将pH调节至原水、5、7、9,投加5g菇渣进行处理。吸附结果如图4所示。由图4可知,随着pH值的上升,COD的去除率有所下降,这可能是由于水中溶液中的氢离子影响了废水中难降解有机物的离子化和生物吸附材料表面的性能［8］,从而有利于COD的去除。在原水pH值下,COD的去除率最高,为12.54%。

3.5 不同废水浓度对COD去除率的影响

将原废水稀释不同的比例,在不调节pH的情况下（pH值在4～5之间）,投加5g过2mm的菇渣进行处理。测定COD。结果如图5所示。由图5可知,生物吸附材料对COD的去除率随原废水COD浓度的不同而有很大的变化。当原废水COD浓度在1 515.7mg/L时,COD去除率最高,达32.02%。

3.6 废水处理效果

选用上述最佳试验条件,即将废水稀释到1 500mg/L左右,移取500mL的废水,投加5g过2mm的菇渣,处理废水的结果如下表1所示。由表1可知,经试验条件优化,COD的去除率可达35.98%,处理后废水pH为6.42。

表1 优化条件下废水处理结果

4 结语

生物吸附材料由有机废弃物经过发酵工艺制得,来源广,处理废水成本低廉,且能做到以废治废。对生物吸附材料处理废水的研究表明:菇渣材料对废水中COD的去除效果较其他几种生物吸附材料要好。在粒径为2mm,投加量为5g,处理COD浓度为1 478.40mg/L,pH值为4.92的废水,其COD去除率可达35.98%。生物吸附材料处理高浓度有机废水,能够提高废水可生化,有利于废水的后续生化处理。

参考文献：

［1］ 张自杰.排水工程［M］.北京:中国建筑工业出版社,1996.

［2］ 王 芳,王增长,侯安清.高浓度有机废水处理技术的应用研究［J］.科技情报开发与经济,2005,15（23）:139～141.

［3］ 杨 超,柯丽霞,龚仁敏,等.花生壳粉作为生物吸附剂去除水溶液中偶氮染料的研究［J］.生物学杂志,2005,22（2）:45～48.

［4］ 张 俊,王宏勋.菌糠过滤处理染料溶液研究［J］.环境科学与技术,2006,29（1）:77～78.

［5］ Gaballah I,Kibertus G.Recovery of heavy metal ionsthrough decontamination of synthetic solutions and industrialeffluents using modified barks［J］.J Geochem.Explor,1998（62）:241～286.

［6］ 周 桂,邓光辉,何子平.腐植酸在糖蜜酒精废液处理中的应用研究［J］.广西轻工业,2001（4）:28～30.

［7］ 张 俊,王宏勋,罗 莉.菌糠过滤处理染料溶液研究［J］.环境科学与技术,2006,29（1）:77～78.

［8］ 郎咸明.炉渣吸附法处理硝基废水的研究［J］.环境保护科学,2001,27（105）:18～41.

Experiment Study on Treating High Concentrations of Organic Wastewater

by Adsorption of Biological Materials

Wang Peng1，Li Junfei2

（1.Foshan Environmental Monitoring Station,Guangdong,Foshan 528000,China;

2.PanYu Enviroment Research Institue.Guangdong,Guangzhou 511400,China）

篇2

关键词 应用技术型高校；环境管理；废弃物；循环经济

中图分类号 G717 文献标识码 A 文章编号 1008-3219（2013）32-0071-03

收稿日期：2013-10-06

作者简介：吴春芳（1964- ），女，江苏溧阳人，江苏理工学院后勤服务总公司品质部经理，助理研究员。

一、问题提出的背景

改革开放35年来，我国高等教育的办学思路、格局和规模发生了根本性变化。进入新世纪后，我国高等教育逐渐由精英化向大众化转变，迈入了快速发展时期，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出，高等教育应当优化结构、办出特色且增强社会服务能力。在此背景下，应用技术型大学得到了蓬勃发展，到2010年底，全国共有本科高校1114所，改革开放以来新建的应用技术型大学有700多所，在校生近千万人，占本科院校总数的近70%。这些应用技术型高校承载着人才培养、科学研究、社会服务和文化传承创新等重任，但广大师生在日常工作、学习和生活中所产生的各类废弃物（包括餐厨废弃物、实验室废弃物、办公废弃物和其他废弃物）的数量同样是惊人的。2012年，中央提出全社会要厉行勤俭节约、反对铺张浪费。为深入贯彻这一精神，教育部印发了《关于勤俭节约办教育建设节约型校园的通知》，要求各级各类学校要在广大师生员工中大力开展艰苦奋斗、勤俭节约的宣传教育活动，使师生员工牢固树立节约光荣、浪费可耻的思想观念，自觉做到艰苦朴素、勤俭节约，自觉抵制奢侈浪费行为，努力形成“崇尚节约、摒弃浪费”的校园文化风尚。

教育资源是社会资源的重要组成部分，应用技术型高校对自身产生的各类废弃物进行科学合理的处置，制定好相应的校园环境规划并进行环境管理，建设节约型校园，不仅是学校自身发展的需要，更是学校培养合格人才，提高学生综合素质，履行高校社会责任的需要。

二、节约型校园管理面临的环境问题

一是校园的环境规划和管理问题。相对于学校校园面临的校内外治安问题、网络安全问题、学生心理问题等，校园环境规划和管理问题往往被高校管理层所忽视。大部分学校所采用的校园环境管理方式是将校园内的环境规划和废弃物处理处置交由后勤服务部门处理，对如何处理和处理的效果关心较少。当前，许多学校已经意识到校园环境管理的重要性，已逐步从自办后勤服务向后勤服务社会化转变，正逐步引入ISO9000系列的质量管理体系和ISO14000系列的环境管理体系对校园环境进行管理[1]。二是废弃物的处理处置问题。各校由于学科和专业门类不同，所产生的废弃物种类和数量差异较大，其中，餐厨废弃物、办公废弃物是各类学校面临的共性废弃物。尽管各校均在采用“提倡节约，反对浪费”的方式进行废弃物的减量化，但是在后续的无害化处置和资源化利用方面做得不够。对于化学类、材料类等学科和专业所产生的危险废弃物，往往与生活垃圾混在一起，运出校园就算处理处置完毕，存有一定隐患和危害。三是大学管理中的环保和资源意识问题。高等教育的理念和管理模式与保护环境和节约资源之间往往是矛盾的，而且往往不是单个高校自身能够解决的。以考试用纸的浪费问题为例，考试的目的是为了检查和督促学生学习，是否需要用纸质考试，各高校均在探索，收效甚微。原因在于传统的课程考试模式就是出卷考试，而且需要将学生考试卷保存到学生毕业后一年以上，教育行政主管部门和第三方评估机构对高校的评估中将此看得很重要，机考和网络考试在许多高校难以实行。

三、节约型校园环境管理的特殊性

尽管各应用技术型高校对校园环境管理重要性的认识有所差异，但是渴望校园整洁美丽是相同的，所采用的管理部门和管理手段也是类似的。在应用技术型高校环境管理上，引入ISO14000系列的环境管理体系是行之有效的做法。ISO14000系列环境管理体系是由ISO/TC207（国际环境管理技术委员会）负责制定的一个国际通行的环境管理体系标准，包括环境管理体系、环境审核、环境标志、生命周期分析等国际环境管理领域内的许多焦点问题，目的是指导各类组织（企业、公司、学校等）实施正确的环境行为[2]。ISO14000系列环境管理体系不仅适用于制造业和加工业，而且适用于包括应用技术型高校后勤服务企业在内的服务业。

对应用技术型高校而言，校园内的环境质量管理主要由后勤服务部门负责，主要原因在于生活后勤服务过程等所产生的废弃物是学校废弃物的主要产生源，同时，为师生提供良好的环境和服务是后勤服务部门义不容辞的职责。对照ISO14000系列环境管理体系，应用技术型高校后勤服务过程中应该制定和实施的内容可以归纳为五个方面：后勤服务的环境方针、后勤服务的环境规划（策划）、环境方针和规划的实施与运行、生活后勤服务和条件后勤服务中的环境检查与纠正措施、环境管理评审等。这五个方面在逻辑上连贯一致、步骤上相辅相承，共同保证了应用技术型高校环境管理体系的有效建立和实施，并持续改进，呈现螺旋上升之势。

应用技术型高校育人环境的特殊性，决定了其后勤服务部门在制定环境管理方针时必须考虑以下几点：一是制定环境质量管理的指导原则和实施宗旨时，除了要得到后勤服务部门最高管理者的承诺和认可外，还必须得到学校最高管理部门（校务会或党委会）的承诺和认可，成为师生的共识；二是环境管理的重点领域，不仅包括后勤服务企业本身，还包括校园内师生工作、学习和生活的各个角落；三是环境目标和指标的实现，不仅依靠后勤服务企业员工，更应该紧紧依靠广大师生。应用技术型高校后勤服务企业在确定贯彻落实企业的环境方针和环境目标时，应充分考虑师生工作学习时间的特殊性，然后确定实施方法和操作规程，确保重大的环境因素处于受控状态。同时，为保证体系的适用和有效，应建立监督、检测和纠正机制。应用技术型高校后勤服务企业在ISO14000系列环境管理体系的审核与评审中，更应该将师生的反映和满意度作为促进体系进一步完善和改进提高的依据。

四、节约型校园建设中废弃物处理处置对策

（一）餐厨废弃物

餐厨废弃物是校园内产生量最大的废弃物种类之一，对其减量化是处理处置的第一要务。除了进行有效宣传，开展类似“光盘行动”的活动外，后勤服务部门必须在饭菜质量上多下功夫，让师生买之则吃之。其次是对餐厨废弃物的无害化处置和资源化利用问题。由于高校后勤社会化已经普遍推行，一个校园内从事餐饮服务的企业和个体工商户数量众多，如何保证所有经营者均能够按照无害化和资源化的要求处理处置好餐厨废弃物，是应用技术型高校后勤服务部门应该重点关注的问题。

（二）办公废弃物

高校办公废弃物数量最多的是各类废纸和电子废弃物。对于各类废纸的处理处置，最有效的办法是由后勤服务部门进行分类收集，然后交给相关机构进行资源化利用。容易被忽视的是，各类办公用电器及其配件，一般的做法是集中存放和集中报废。这里的集中报废仅仅是一个报废手续，而不是真正意义上的电子废弃物处理处置。事实上，单个的废旧办公用电器及其配件并不属于危险废弃物，但是一旦集中存放并集中处置时，必须作为危险废物进行管理。应用技术型高校集中报废的电脑、电池、打印机和油墨等，必须按照有关环境保护规定交由具备相关资质的企业处理。一个可借鉴的案例是，江苏省常州市政府，考虑到政府用办公电器的危险废物属性和保密性，专门出台了相关文件，规定相关设备报废时必须交由环保部定点拆解回收企业进行处理处置，否则不得使用财政经费购买新的办公用电器。

（三）实验室废弃物

应用技术型高校各类实验室均会产生大量的废弃物，包括纸质废弃物、机电类废弃物、化工类废弃物等。纸质废弃物和机电类废弃物可以参照办公废弃物进行处理，化工类废弃物必须按照有关危险废弃物的管理规定进行处置。一是对于化学化工和材料类实验室的各类废液的处理处置，必须遵循分类收集、源头处置与集中处置相结合的方式进行，严禁将实验室废液排入生活污水或雨水系统。对于没有条件将实验室废液接入工业污水处理管网的应用技术型高校，应该建设独立的化学化工实验室废水处理系统。二是对于实验室废气的处理处置，必须遵循源头处置和达标排放的原则。三是对于各类试剂的包装容器、报废的化学试剂、易燃易爆剧毒类化学品的管理，各应用技术型高校没有给予高度重视，各类试剂的包装容器进入生活垃圾箱、报废的化学试剂随意处置和易燃易爆剧毒类化学品管理不善等现象普遍存在，对此高校环境管理部门应给予高度重视。

参考文献：

[1]吴春芳.ISO质量管理体系与应用技术型高校后勤服务企业文化建设[J].现代企业教育，2012（18）：54-55.

[2]祖赤，文建林，赵红艳.IS014000环境管理体系在我国企业中的建立及实施[J].湖南林业科技，2005（2）：76-77.

Discussion on Conservation-oriented Campus Management of Applied Technology-typed Colleges and Universities under the Perspective of Cyclic Economy

WU Chun-fang

（Logistics Service Head Corporation， Jiangsu College of Science and Technology， Changzhou Jiangsu 213001， China）

篇3

关键词 生态循环系统；沼气工程；生态农业；土地恢复；节能减排；矿区

中图分类号 X75 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）09-0189-04

Abstract This paper designed a set of ecological circulation system for restoration of mining area land based on biogas engineering technology. Through the anaerobic digestion process，the biogas produced by municipal waste could be used as life gas，and redundant biogas could be used for electricity generation. The biogas residue could be used to make solid organic fertilizer for the development of the ecological agriculture. In addition，the biogas slurry could be used to make liquid organic fertilizer，and the redundant liquid fertilizer could be purified through the purification system and used for irrigation water，thus achieved zero emission.The organic agricultural products could serve the residents in this area，to establish a sustainable agricultural ecological circulation system. This paper introduced the design scheme，theoretical design and calculation method of the system，and analyzed the benefits of the system，in order to provide references for the land restoration in the mining area.

Key words ecological circulation system；biogas engineering technology；eco-agriculture；land restoration；energy saving and emission reduction；mining area

由于矿产资源开采会带来许多生态问题，开采以后的矿区多数变成废地等难以利用的土地，因而如何恢复和利用这些因矿变废的土地是目前需要解决的问题[1-2]。世界上发达国家矿区治理的土地面积基本上可以达到因开矿变废土地的1/2以上，甚至有的国家可以达到3/4。我国在这方面的工作远远落后于发达国家，但近年来也有了较大的进步，自恢复2%达到2012年复垦15%，但依然远远落后于发达国家的复垦率，特别是近年来矿区荒废地的面积依然在持续增加，总面积达到200万hm2 [3-6]。

在矿区荒废地持续增加的同时，我国的人口也在持续增加，人均耕地面积仅0.1 hm2 [7]，特别是近年来，全国耕地面积逐年减少，逼近1.2亿hm2耕地红线[8]。因此，矿区废弃土地的治理与改善，能够补充当地农耕地的不足，保障粮食安全[9]。

同时，随着城镇化的不断推进，城市废弃物处理的问题呈现两大特点，即数量庞大和处理效果不佳。如果建立以沼气工程为纽带的矿区土地恢复生态循环系统，实现城市废弃物的资源化利用，利用所产生的沼肥替代化肥农药，发展现代化的可持续农业，实现矿区土地的恢复是非常有必要的，不但恢复了矿区土地，解决了粮食危机和食品安全，而且解决了城区的环境问题[10-11]。

1 设计方案

将城市居民所产生的废弃物（如公厕粪便、餐厨垃圾、生活污水）收集到预混加热池，通过以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统加热后，把废弃物加入自行设计的气液联合搅拌新型CSTR反应器。经过厌氧消化后，所产生的沼气一部分用作矿区土地恢复园区的生活燃气，多余沼气用于发电，为园区提供电能，并对发电余热进行回收；将产生的沼渣制作成固态有机肥，用作园区发展生态农业所需肥料；将产生的沼液，一部分制作成液态有机肥，用作园区发展生态农业所需液肥，剩余部分利用光伏水泵打入到高位水池，依次通过自流的方式进入自行设计的软硬双床AF和双填料好氧净化器，实现达标排放，用作园区的灌溉用水。园区可以建设采摘园、发展休闲农业和旅游观光，为居民提供有机食品，实现了物质循环和能量流动，建立了一套完整的矿区土地恢复生态循环系统（图1）。

2 理论设计及计算

本作品设计400 hm2的矿区恢复土地，其中66.67 hm2用于屋舍的建立，主要包括4层多功能综合楼（一层展示厅、二楼会议室、三楼办公室、四楼研发实验室）、冷库、接待宾馆、小型休闲娱乐公园、特色餐厅、产品交易大厅、园工宿舍、露天活动场所、道路景观等；剩余333.33 hm2用于发展现代化生态有机农业。

2.1 矿区土地恢复工艺设计

本作品设计用于发展农业的有效土地面积为333.33 hm2，以平均1 hm2土地每年约需150 t沼肥计算，每年需要沼肥5万t。本作品拟建立5 000 m3的气液联合搅拌CSTR反应器，采用中温30 ℃发酵，水力滞留时间为15 d，每天可处理大约300 t的城市废弃物，年产沼渣约5 000 t（15 t/d），用于农业发展所需基肥，年产沼液约10万t（285 t/d），其中5万t用于农业发展所需追肥，剩余5万t通过软硬双床AF和双填料好氧净化器处理（其中软硬双床AF为300 m3，HRT=2 d；双填料好氧净化器为150 m3，HRT=1 d），实现达标排放，用于发展农业及其园区绿化的灌溉用水，年产沼气约120万m3（3 500 m3/d），每天平均约1 500 m3的沼气用于生活燃气（餐厅和有机肥加工所用），2 000 m3的沼气用于发电，为园区设施提供电能。

2.2 矿区土地恢复热电联产加热系统的设计

本作品设计以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统，由于云南当地有较好的光照条件，所以选择以太阳能与沼气发电余热回收加热为主、热泵为辅的加热方式。每天加热约300 m3的物料，配备循环水箱为60 m3，对于沼气工程，由能量守恒定律可知，输出（损失）的能量和输入（获得）的能量应相等，才能保证整个系统的温度恒定。沼气工程每天损失的能量主要是厌氧消化罐及管道散热和每天新增投料所需热量，发酵产生的生物化学热量相对于外加热量小得多，故忽略不计[12]。

2.2.1 每天沼气发酵所需热量的计算。

（1）厌氧消化罐投料损失的热量[12]。厌氧消化罐投料损失的热量计算公式：

Q1=cm（TD-TS）

式中：c―料液的比热容（新鲜料液质量分数为4%～6%，可近似取水的比热容），为4.2 kJ/（kg・℃）；m―每天进入沼气池的新鲜料液量，为300 t；TD―沼气发酵罐内料液的温度，为30 ℃；TS―新鲜料液的温度，为5 ℃。经计算，Q1=315 000 00 kJ。

（2）厌氧消化罐散热损失的热量。氧消化罐散热损失的热量计算公式：

Q2=24×（TD-TA）/[∑bi/（λi×Si）+1/（α×S0）]

式中：Q2―罐内向罐外散发的热量，即罐体散热损失，单位为kJ；Si―罐顶、罐壁和罐底散热面积分别为314、1 256、314 m2；S0―罐顶和罐壁散热总面积，为1 570 m2；TA―罐外介质温度，10 ℃；α―罐外壁热转移系数，为10 W/（m2・℃）；bi―罐体各部结构层，保温板厚度为100 mm，罐底基础为钢筋砼，厚度为1 000 mm；λi―罐体各部结构层，保温板导热系数为0.042 W/（m・℃），钢筋砼导热系数为1.3 W/（m・℃）。经计算，Q2=240 000 kJ。

（3）循环水箱及其管道散热损失的热量。循环水箱散热损失的热量计算公式：

Q3=24×（TN-TA）/[∑bx /（λi×Sx）]

式中：Q3―箱内向箱外散发的热量，即箱体散热损失，单位为kJ；Sx―箱顶、箱壁和箱底散热面积，分别为12、63、12 m2；TN―箱内水体温度，为35 ℃；TA―箱外介质温度，为10 ℃；bx―箱体保温板厚度，为100 mm；λi―箱体保温板导热系数，为0.042 W/（m・℃）。经计算，Q3=22 000 kJ。

水管的热量损失较小，可忽略不计。因此，每天沼气发酵罐总的热损失为Q=Q1+Q2+Q3=31 762 MJ。

2.2.2 以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统的设计。

（1）沼气发电余热回收的计算[13-14]。沼气发电余热利用是指在沼气热电联产过程中，通过回收发电余热中的热量来加热发酵料液。本作品设计每天大约有2 000 m3的沼气用于发电，如果采用国产沼气发电机组，1 m3沼气大约可发电1.5 kW・h，则每天可产生电能3 000 kW・h，按55% CH4含量计算，1 m3沼气燃烧放热为20 MJ，则沼气燃烧可产生热量Q热=40 000 MJ，沼气发电与烟气回收所产生的余热利用率为50%左右，则每天发电余热回收为Q余=0.45×Q热=20 000 MJ。

（2）太阳能加热循环水的计算[15-17]。每天沼气发酵罐所需热量为31 762 MJ，沼气发电余热回收热量为20 000 MJ，所以还需太阳能提供11 762 MJ的热量，本作品设计利用太阳能加热时间为4 h。太阳能热管加热系统日均集热量公式：

式中：A―集热器采光面积（m2）；I―集热面上日平均辐射强度，为22 MJ/（m2・d）；ηj―集热器全日集热效率，取0.55；ηs―管路及储水箱热损失率，取0.1。经计算，A=2 200 m2。

（3）空气源热泵加热循环水的计算[18-19]。由于太阳能热水系统受平均日辐射量、日照时间、气温、气象特点、气候等因素影响较大，不能全天候工作，须设置其他热源联合或辅助加热装置。本作品采用空气源热泵辅助加热，实现高效节能的新型热水系统。一旦太阳能热水器受到天气影响，则空气源热泵启动，代替太阳能热水器工作，需要输出11 762 MJ的热量，即3 293 kW・h。一般情况下，2 200～2 600 W都可称为1匹。本作品拟设定空气源热泵的工作时间为5 h，2.2 kW为1匹，由以下公式计算：

N=Q/（T・W）

可得N=300。故空气源热泵应匹配300匹。

2.3 以沼气发电和光伏水泵为基础的联合进料泵系统的设计

本系统拟设计软硬双床AF的日进料量为150 t，每天的有效光照时间为8 h。因此，在内至少要抽水150 m3，拟配备8 h内抽水200 m3的泵系统，即每小时25 m3，总扬程为8 m，以预防天气影响，需有150 m3的蓄水池，拟建高位蓄水池为180 m3，如果出现连续阴天或低温天气，则利用沼气发电系统辅助。

提水系统水功率的计算公式[20-21]：

式中：Npf―提水系统水功率（W）；Q―水泵所需流量（m3/h）；H―系统总扬程（m）；g―重力加速度（m/s2）；ρ―水密度（kg/m3）；k1―流量修正系数；k2―提水机具形式修正系数；k3―电力传动形式修正系数。经计算，得Npf=968 W≈1 kW。

光伏阵列容量计算公式：

N=k4k5Npf

式中：N―光伏阵列的容量（W）；k2―太阳能资源修正系数；k3―光伏阵列跟踪太阳方式修正系数。经计算，得N=800 W。

相关工艺模型见图2。

3 效益分析

3.1 矿区土地恢复工艺系统的效益分析

本作品拟建立气液联合搅拌新型CSTR反应器5 000 m3，软硬双床AF 300 m3，双填料好氧净化器150 m3，年产沼气约120万m3，年产沼渣约5 000 t，年产沼液约10万t，其中5万t用于农业发展所需追肥，剩余5万t通过软硬双床AF和双填料好氧净化器处理，实现达标排放，用作发展农业及其园区绿化的灌溉用水。

本作品采用自行研发的气液联合搅拌新型CSTR反应器，避免了传统的CSTR反应器叶轮易腐蚀、维修费用高、气密性差等问题，在沼液的净化上采用自行设计的软硬双床AF和双填料好氧折流沟，利用高位差，实现自流净化，可达到二级排放标准。具体工艺处理效率见表1。

厌氧消化工艺减排符合清洁发展机制CDM“可再生能源替代化石燃料”和“甲烷回收”2个规定项目[22]。其减排量是“替代煤炭的减排”“回收甲烷的减排”和“燃用沼气的排放”三者之和，即CDM减排量计算公式：E1+E2-E3=E。计算如下[23]：

（1）替代煤炭的减排E1。本作品年产沼气约120万m3，沼气的折标煤系数为0.714 kg/m3，即相当于856.8 t的标煤。根据《京都议定书的三机制及其方法学》标煤―2.658二氧化碳排放系数计算：标煤856.8t×2.658=2 277 t二氧化碳。

（2）回收粪便自然分解释放甲烷而形成的减排E2。以厌氧消化工艺的产气量直接计算甲烷的回收量。厌氧消化工艺总产气量为120万m3，其中甲烷含量为60%，即72万m3、518 t（甲烷密度0.72 kg/m3），按甲烷21倍碳当量计算，本作品回收甲烷每年减排二氧化碳10 878 t。

（3）燃用沼气产生的二氧化碳排放E3。燃烧72万m3甲烷产生72万m3、1 420 t二氧化碳（二氧化碳密度1.972 kg/m3）；另外，120万m3沼气中还含35%、42万m3、830 t的CO2。因此，燃烧120 m3沼气共排放二氧化碳1 420 t+830 t=2 250 t/年。

由此，每台沼气池每年形成的二氧化碳减排量：2 277+10 878-2 250≈1万t。

本作品设计年产沼肥5.5万t，可供333.33 hm2土地施肥1年，可以替代333.33 hm2土地1年所用的化肥、农药，有效解决了食品安全问题。本作品年产灌溉用水5万t，节约园区5万t的水资源。

3.2 矿区土地恢复热电联产加热系统的效益分析

本作品设计以太阳能、空气源热泵、沼气发电余热为基础的热电联产加热系统，其中沼气发电余热回收热量为20 000 MJ/d，以空气源热泵辅助的太阳能加热系统产生的热量为11 762 MJ/d。

蒲小东等[24]通过一个猪场废水处理沼气工程，研究3种不同加热方式的经济效益，发现沼气发电余热利用加热方式明显优于其他加热方式。因此，本作品优先采用沼气发电余热回收的热量对沼气工程系统进行加热。因为云南具有得天独厚的太阳能资源，所以剩余所需热量由以空气源热泵辅助的太阳能加热系统进行加热。本文对刘荣向等[25]统计的加热系统的效益数据进行了分析总结，所得具体参数见表2。

由表2可知，从运行费用上看，使用燃煤热水锅炉和空气源热泵热水+太阳能两者运行费用很接近，最为经济，但是从环保角度考虑使用空气源热泵热水+太阳能最为环保。综合考虑，以空气源热泵热水辅助太阳能加热系统最为经济、环保。

3.3 以沼气发电和光伏水泵为基础的联合进料泵系统的效益分析

本系y以光伏水泵进料为主，在出现连续阴天或低温天气，并导致辐射强度较弱时，采用沼气发电辅助进料。光伏水泵系统一般由光伏阵列、控制逆变器和水泵3个部分组成，其中光伏阵列由多个光伏组件串并联而成，其作用是将太阳光辐射能转换成直流电；控制逆变器的作用则是将直流电变为交流电，并对水泵进行自动化控制；而水泵的作用是将水从低处提到高处，它一般为三相交流水泵[26]。

光伏水泵系统与传统的柴油机水泵系统和交流电水泵系统相比具有较大的经济优势[27]。本作品采用水泵额定功率为1 kW的提水系统，采用不同的发电系统，建造成本也不相同，其中光伏水泵系统最高，为1.47万元；交流电水泵系统最低，为0.04万元。但运行25年的费用，光伏水泵系统最低，为0元；而柴油机水泵系统最高，为11.68万元。因此，虽然光伏水泵系统建造成本最高，但运行和维护成本都最低，25年运行下来，光伏水泵系统最为经济适用。光伏水泵系统相对于柴油机水泵系统和交流电水泵系统的这种经济优势在一些无电的山区更为明显[28]。