胡旭朝,董紅敏,尹福斌,陳永杏

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室 北京 100081)

隨著人們對蛋、奶、肉類需求的不斷增加,畜禽養(yǎng)殖業(yè)得以快速發(fā)展,同時也產(chǎn)生了大量畜禽廢水。畜禽養(yǎng)殖廢水主要包含畜禽糞尿、飼料殘渣、少量漏灑的畜禽飲用水,具有高懸浮物、高有機物、高氨氮(ammonia nitrogen,NH-N)等特點,導(dǎo)致其處理難度大、處理效果穩(wěn)定性差。大量的畜禽廢水若不進行有效處理,不僅對環(huán)境造成污染,也造成糞便中有機肥和養(yǎng)分的損失。據(jù)《全國第二次污染源普查公報》結(jié)果顯示,2017年畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD) 1000.53 萬t、總氮(total nitrogen,TN) 59.63 萬t,分別占農(nóng)業(yè)污染排放的93.76%和42.14%。

現(xiàn)有的各種畜禽廢水處理工藝,固液分離起關(guān)鍵作用: 一方面可去除畜禽廢水中的懸浮性固體物質(zhì),降低后續(xù)處理負荷;另一方面,分離得到的固體可以堆肥制作有機肥等,實現(xiàn)資源化利用。目前,固液分離技術(shù)主要包括重力沉降和機械分離,重力沉降是利用顆粒物自身的重力實現(xiàn)固體和液體的分離,不添加絮凝劑的條件下對總固體(total solid,TS)、揮發(fā)性固體(volatile solid,VS)、TN、總磷(total phosphorus,TP)的去除率分別為55%、70%、20%和40%。重力沉降技術(shù)操作簡單、運行成本低,早期被大量推廣,但因其工作周期長,占地面積大,并伴有惡臭氣體,逐漸被高效的機械分離所替代。機械分離包含篩分、壓濾和離心。目前,螺旋擠壓機在處理養(yǎng)殖廢水過程的應(yīng)用最為廣泛。如Ria?o 等研究了螺旋擠壓機作為硝化反應(yīng)前處理可行性,可實現(xiàn)TS 和COD 的去除率分別為33.4%和24.7%。關(guān)正軍等研究表明,螺旋擠壓機在處理牛糞尿過程中呈現(xiàn)較好的分離效果,固體去除率可達49.84%。螺旋擠壓機分離后的固體含水率可以達到堆肥的要求,但是分離后的液體仍含有大量的懸浮性物質(zhì),不利于后續(xù)處理。離心分離機的產(chǎn)水效果優(yōu)于螺旋擠壓機,可使廢水中總固體去除率為50%～65%,COD去除率約為45%～55%,氮、磷元素的去除率為30%～50%,但是存在投資和運行成本較高的問題。因此,開發(fā)一種高效固液分離技術(shù)有助于提升畜禽廢水處理工藝。

離心微濾機是一種新型的固液分離設(shè)備,與傳統(tǒng)的只利用單一技術(shù)設(shè)計的固液分離設(shè)備相比,離心微濾機是將離心和微濾技術(shù)相結(jié)合研制的新型固液分離機,可在一定程度上提高固液分離效率且節(jié)省能耗。其中離心的作用是為固液分離提供穿透微濾機篩網(wǎng)的作用力,篩網(wǎng)則是攔截大顆粒物實現(xiàn)固液分離的關(guān)鍵環(huán)節(jié),尤其是篩網(wǎng)孔徑可直接影響固液分離效果。在固液分離過程中物料種類(TS 濃度、粒徑分布和黏度)和分離設(shè)備的運行參數(shù)(篩網(wǎng)孔徑和電機轉(zhuǎn)速)是影響固液分離效果的主要因素。本研究針對離心微濾機處理豬場廢水過程中的效果不明確問題,以污水水質(zhì)指標(biāo)(TS、COD 等)去除率和處理效率為參考指標(biāo),探討豬場廢水TS 濃度和篩網(wǎng)孔徑對離心微濾機固液分離效果的影響,優(yōu)選離心微濾機的運行參數(shù),為新型豬場污水高效固液分離技術(shù)提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料特性

試驗地點為河北省某生豬養(yǎng)殖場,該養(yǎng)殖場存欄量4000 頭,清糞工藝采用水泡糞,日產(chǎn)生量約50 m。試驗時間在2020年10月至2021年4月,取樣次數(shù)共計45 次,通過抽糞車抽取儲存池中不同深度的廢水,保證總固體濃度的不同,范圍在0.5%～8.0%,其他水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 原始豬場廢水的特性Table 1 Properties of the raw pig farm wastewater

1.2 試驗裝置

圖1為試驗的工藝流程圖,豬場廢水通過抽糞車從養(yǎng)殖場運輸?shù)皆囼灛F(xiàn)場儲水桶(4),然后打開攪拌泵(3)使物料得到充分?jǐn)嚢?經(jīng)過螺桿泵(6)進入離心微濾機(7)實現(xiàn)固液分離,分離后的固體和液體分別排放到固體儲存池(8)和液體儲存池(9)。

圖1 離心微濾工藝流程圖Fig.1 Flow chart of the centrifugal microfiltration process

圖2為離心微濾機結(jié)構(gòu)(左: 主視圖;右: 左視圖),主要由篩網(wǎng)(6)和驅(qū)動單元(7)組成,自動加油脂器(5)起到潤滑電機的作用,使設(shè)備保持良好的運行狀態(tài)。物料通過螺桿泵從下端口(1)進入,通過離心和螺旋擠壓的作用實現(xiàn)固液分離,固體物質(zhì)從上端端口(3)排出,分離液透過篩網(wǎng)從下端口(2)排出,微濾機運行過程無需清洗。離心微濾機3 種篩網(wǎng)孔徑可供選擇,分別為15 μm、25 μm 和50 μm,其他主要設(shè)備參數(shù)見表2所示。

表2 豬糞固液分離主要試驗儀器的設(shè)備參數(shù)Table 2 Parameters of equipment used for the solid-liquid separation of pig farm wastewater

1.3 試驗設(shè)計

設(shè)計不同TS 濃度(1%、2%、3%、4%和5%)與不同篩網(wǎng)孔徑(15 μm、25 μm 和50 μm)的交叉試驗,共15 個處理,每個處理設(shè)置3 個重復(fù)。豬場廢水通過加水稀釋調(diào)節(jié)合適TS 的濃度。記錄儲水桶體積變化,計算其單位時間內(nèi)處理量。并對原廢水、分離液和固體部分進行采樣,采樣點分別為圖2中的點1、點2 和點3。在設(shè)備運行過程中每間隔5 min 采一次樣,設(shè)置3 個平行,并檢測水質(zhì)指標(biāo),分析其去除率。

圖2 離心微濾機的示意圖Fig.2 Schematic diagram of centrifugal microfiltration

1.4 分析方法

TS 測定采用重量法(NY/T 302-1995);pH 和EC 的測定分別采用便攜式pH 計(Five Go F2,梅特勒,瑞士)和便攜式電導(dǎo)率儀(METTLER TOLEDO FE38);濁度測定采用哈希便攜式濁度儀(2100Q,哈希,美國);COD 測定采用重鉻酸鉀快速消解分光光度法(DR 6000,哈希,美國,量程: 0～1500 mg·L);TN測定采用過硫酸鹽氧化法(DR 6000,哈希,美國,量程: 0～150 mg·L);NH-N 測定采用水楊酸分光光度法(DR 6000,哈希,美國,量程: 0～50 mg·L);TP 測定采用鉬酸銨分光光度法(DR 6000,哈希,美國,量程:0～100 mg·L)。

1.5 各項水質(zhì)指標(biāo)去除率計算方法

固液分離前后水質(zhì)指標(biāo)的變化用R表示去除率,其計算公式為:

式中:表示糞尿中去除化合物到固體餾分的效率,%;表示分離后液體中化合物的濃度,mg·L;表示原始糞尿中化合物的濃度,mg·L。

單位時間的處理量(,L·h)反映了工藝產(chǎn)水效率,其計算公式為:

式中:為批次處理體積,L;為批次處理時間,h。

采用Excel (Microsoft 2016)對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)整理記錄,用Origin 2021b 軟件統(tǒng)計分析(顯著性和相關(guān)性分析)和作圖,工藝流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖采用 AutoCAD 2021 繪畫。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬場廢水總固體(TS)濃度與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系

以該養(yǎng)殖場廢水建立TS 濃度與各項水質(zhì)指標(biāo)(pH、EC、濁度、COD、TN、NH-N 和TP)間的線性關(guān)系方程,如圖3所示。結(jié)果表明TS 與pH 和EC呈負相關(guān),與COD、TN、NH-N 和TP 都是呈正相關(guān)。其中TS 濃度與pH、COD、TP 具有較好相關(guān)性,決定系數(shù)()分別為0.57、0.53 和0.66,與其他指標(biāo)(濁度、EC、TN 和NH-N)的相關(guān)性較差,分別為0.33、0.02、0.10 和0.03。但Zhu 等研究表明妊娠豬糞便中TS 與TN 和TP 之間的相關(guān)性較強,其中決定系數(shù)分別為0.988 和0.994。本研究決定系數(shù)較差可能是因為試驗物料為實際豬場廢水,水質(zhì)指標(biāo)不穩(wěn)定。因此建立線性方程的過程中,不能涵蓋而論,要考慮多方面的因素,這樣可以提高水質(zhì)指標(biāo)估計的準(zhǔn)確性。

圖3 豬場廢水總固體濃度與酸堿度和電導(dǎo)率(a)、濁度和化學(xué)需氧量(b)、總氮和氨氮(c)及總磷(d)的關(guān)系Fig.3 Correlations between total solid concentration with pH and electrical conductivity (a),turbidity and chemical oxygen demand(b),total nitrogen and ammonia nitrogen contents (c) and total phosphorus content (d)

2.2 豬場廢水污染物的去除效果

離心微濾處理后液體部分水質(zhì)指標(biāo)如表3所示。其中對TS 的去除效果較好,去除率為17%～68%,對濁度、COD、TN、TP 和NH-N 的去除率分別為3%～39%、17%～59%、4%～43%、18%～54%和2%～17%。對COD 和TP 去除效果較好的原因在于養(yǎng)殖廢水中90%的TP 和COD 存在于固相之中。對于TN 和NH-N 去除效果較差的原因為養(yǎng)殖廢水中氮元素主要以無機鹽、氨基酸及多肽等形式存在,含氮元素化合物的溶解速率較高、更易于溶解,從而轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的 NH-N,該微濾機的篩網(wǎng)孔徑為微米級別,因此不能對 NH-N 進行有效截留,并且出現(xiàn)分離液中 NH-N 濃度升高的現(xiàn)象。相關(guān)研究表明在儲存過程中有機氮會發(fā)生分解,造成 NH-N 的濃度增加。表4所示,篩網(wǎng)孔徑對TS、濁度、COD、TN 的去除率有顯著影響(＜0.05);TS 濃度對TS、濁度、TN和TP 的去除率存在顯著影響(＜0.05)。但篩網(wǎng)孔徑和TS 濃度對各水質(zhì)指標(biāo)去除率無交互作用。

表3 離心微濾機進水和產(chǎn)水水質(zhì)指標(biāo)Table 3 Water quality indexes of inlet and produced water of centrifugal microfiltration machine

表4 豬場廢水總固體濃度和離心微濾機篩網(wǎng)孔徑對于水質(zhì)指標(biāo)去除率影響的顯著性分析(P 值)Table 4 Significance analysis of total solid concentration and mesh size on wastewater characters (removal rates of wastewater indexes) of pig farm wastewater after solid-liquid separation (P value)

TS 濃度對固液分離效果的影響如圖4所示,當(dāng)篩網(wǎng)孔徑一定時,不同TS 濃度下COD、TP 和NH-N的去除率均無顯著性差異(＞0.05),TS、濁度和TN的去除率有顯著性差異(＜0.05)。當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為15 μm時,TS、COD 和TP 的去除率基本隨著TS 濃度增加而增加。濁度的去除率隨著TS 濃度的升高呈先減小后增加的趨勢;TN 的去除率隨著TS 濃度增加呈先增加后減小的趨勢;NH-N 去除率呈無規(guī)則變化。當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為25 μm 時,TS、TN 和NH-N 的去除率基本隨著TS 濃度增加而增加;隨著TS 濃度的增加TP 呈先增加后減小的趨勢;而濁度、COD 和TP 的去除率呈不規(guī)律變化。當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為50 μm 時,TS的去除率隨著TS 濃度增加而增加;濁度、COD、TN、TP 和 NH-N 去除率呈不規(guī)則變化。綜上所述,當(dāng)篩網(wǎng)孔徑一定時,TS 的去除率隨著進料濃度增加而增加。這與相關(guān)研究結(jié)果一致,Sneath 等研究離心機處理豬場廢水過程中,當(dāng)TS 濃度從2%增加到8%時,TS 去除率從43%增加到61%。但其他水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)出不規(guī)則變化,這與相關(guān)研究的結(jié)論存在差異,如楊迪等選取3 種不同篩網(wǎng)孔徑,研究不同濃度和篩網(wǎng)孔徑對于分離率的影響,結(jié)果表明當(dāng)篩網(wǎng)孔徑一定時,隨著污水濃度的升高,COD、TN和TP 的去除率均有升高的趨勢。研究結(jié)論不一致的原因在于本試驗采取有實際豬場的廢水,物料特性存在差異,從而造成去除率的不規(guī)則變化。

篩網(wǎng)孔徑對固液分離效果的影響如圖4所示。當(dāng)TS 濃度一定時,不同篩網(wǎng)孔徑下TS、COD、TP和 NH-N 的去除率均無顯著差異。當(dāng)TS 濃度為1%時,TS、濁度、COD 和TN 的去除率隨篩網(wǎng)孔徑減小而增加;TP 和 NH-N 的去除率先減小后增加。當(dāng)TS 濃度為2%時,TS、濁度、COD 和TN 的去除率均隨篩網(wǎng)孔徑減小而增加;TP 的去除率先減小后增加;NH-N 的去除率呈減小趨勢。當(dāng)TS 濃度為3%時,TS、濁度、COD 和TN 的去除率均隨篩網(wǎng)孔徑減小而增加;TP 的去除率先增加后減小;NH-N 的去除率先減小后增加。當(dāng)TS 濃度為4%時,隨著篩網(wǎng)孔徑減小,TS、濁度、COD、TN 和TP 的去除率增加;NH-N 的去除率呈減小趨勢。當(dāng)TS 濃度為5%時,TS、濁度、COD 和TN 的去除率均隨篩網(wǎng)孔徑減小而增加;TP 和NH-N 的去除率先減小后增加。綜上所述,當(dāng)TS 濃度一定時,TS、濁度、COD 和TN 的去除率隨著篩網(wǎng)孔徑的減小而增加。因此篩網(wǎng)孔徑對于各項水質(zhì)指標(biāo)的去除效果為15 μm 處理＞25 μm 處理＞50 μm 處理。這與楊迪等研究結(jié)果相同,當(dāng)篩網(wǎng)孔徑減小時,固液分離機對污染物的去除率得到提高,其中 TN 去除率由13.9%增加到31.4%;TP 去除率由10.4%增加到18.7%。王明等得到相同的研究結(jié)果,隨篩網(wǎng)孔徑減小分離效果提高,當(dāng)篩網(wǎng)孔徑從0.7 mm 減小到0.3 mm,對固體物質(zhì)的去除率提高20%。其中TP 和 NH-N 出現(xiàn)不規(guī)則變化,主要原因在于物料間存在差異性和NH-N 的水溶性造成。綜上所述,隨著總固體濃度的升高和篩網(wǎng)孔徑的減小,對于水質(zhì)指標(biāo)的去除率有升高的趨勢。當(dāng)廢水濃度為5%和篩網(wǎng)孔徑15 μm 時,對于TS、濁度、COD、TN 和TP 的去除率可達最大值,分別為68%、39%、59%、42%和54%。

圖4 總固體濃度和篩網(wǎng)孔徑下離心微濾機的豬場廢水總固體(a)、濁度(b)、化學(xué)需氧量(c)、總氮(d)、總磷(e)和氨氮(f)的去除效果Fig.4 Separation efficiencies of total solid (a),turbidity (b),chemical oxygen demand (c),total nitrogen (d),total phosphorus (e),and ammonia nitrogen (f) of centrifugal microfiltration with different sizes under different total solid concentration of pig farm wastewater

2.3 離心微濾機豬場廢水處理量和經(jīng)濟性能

TS 濃度和篩網(wǎng)孔徑的變化對于離心微濾機處理量的影響如圖5所示。當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為15 μm 和50 μm時,隨著TS 濃度升高,單位時間處理量呈升高趨勢。篩網(wǎng)孔徑越大,單位時間內(nèi)的處理效率越高(＜0.01)。當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為50 μm 時處理量為14～19 m·h;15 μm和25 μm 的處理量為2～7 m·h。楊迪等得到相同結(jié)果,篩網(wǎng)孔徑越大,處理效率越高。

圖5 豬場廢水總固體濃度和篩網(wǎng)孔徑對處理量的影響Fig.5 Effects of total solid concentration of pig farm wastewater and mesh size on treatment capacity

以萬頭豬場為例,該養(yǎng)殖場每天需處理廢水量約150 m。離心微濾機的篩網(wǎng)孔徑為15 μm 和25 μm時處理量按5 m·h,50 μm 的處理量按15 m·h;所以當(dāng)處理相同的廢水量時15 μm 和25 μm 需要購置3 臺相同型號的設(shè)備。依據(jù)使用手冊該設(shè)備每天運行10 h,使用年限為15年,因此每臺設(shè)備的折舊費用約0.18 元·m。離心微濾機運行需人工1 人,人工費用按100 元·d,處理一方廢水的人工費為0.67 元。通過調(diào)節(jié)變頻器控制微濾機轉(zhuǎn)速,當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為15 μm、25 μm 和50 μm 時,轉(zhuǎn)速的控制范圍分別為1500 r·min、1050～1500 r·min和450～1200 r·min。運行過程中耗電設(shè)備為微濾機、螺桿泵和攪拌泵,處理1 m的廢水能耗分別為1.46～3.38 kWh、1.36～1.95 kWh 和0.40～0.48 kWh。當(dāng)?shù)仉娰M按0.50 元·kWh計算,篩網(wǎng)孔徑為50 μm 時能耗成本最低,范圍在0.20～0.26 元·m;當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為15 μm 和25 μm 時能耗成本分別在0.73～1.69 元·m和0.68～0.98 元·m。離心微濾機的能耗成本選取中間值分別為1.21元·m、0.83 元·m和0.23 元·m。綜合核算可知,離心微濾機篩網(wǎng)孔徑為15 μm、25 μm 和50 μm 時,運行成本分別為2.44 元·m、2.06 元·m和1.08 元·m(表5)。

表5 不同篩網(wǎng)孔徑的離心微濾機處理豬場廢水的經(jīng)濟性分析Table 5 Economic analysis of solid-liquid separation of pig farm wastewater with centrifugal microfiltration with different size

綜上所述,該離心微濾機最優(yōu)的處理組為篩網(wǎng)孔徑為50 μm 和TS 濃度為5%,此時水質(zhì)指標(biāo)TS、COD 和TP 的去除率分別為57%、29%和43%,處理量可以達到最大值19 m·h。該離心微濾機是一種將離心和微濾相結(jié)合的固液分離設(shè)備,對其進行研究的目的是為提高豬場廢水固液分離效果的同時降低運行成本。與前人的研究結(jié)果相比(表6),該離心微濾機對TS 和COD 的去除率高于水力篩、濾網(wǎng)和螺旋擠壓機等設(shè)備,與沉降離心機的去除效果相當(dāng),但其具有處理效率高且能耗低的優(yōu)點,因此在處理豬場廢水時具有較好的應(yīng)用前景。

表6 不同固液分離技術(shù)的效果與能耗Table 6 Different solid-liquid separation of separation effect and energy consumption

3 結(jié)論

離心微濾機是將離心技術(shù)和微濾技術(shù)相結(jié)合設(shè)計研制的固液分離機,其中離心的作用是為固液分離提供穿透篩網(wǎng)的作用力,篩網(wǎng)則是攔截大顆粒物實現(xiàn)固液分離,將兩者結(jié)合可在一定程度上提高固液分離效率且節(jié)省能耗。本研究明確了該離心微濾設(shè)備處理豬場廢水的效果,具體結(jié)論如下:

1)豬場廢水各指標(biāo)之間可建立關(guān)系方程,從而使用一些簡單易測的指標(biāo)來評價其他水質(zhì)指標(biāo),節(jié)約檢測時間和降低檢測成本,但在建立線性方程的過程中不能涵蓋而論,要考慮多方面的因素,以提高水質(zhì)指標(biāo)估計的準(zhǔn)確性。

2)該離心微濾機對TS、濁度、COD、TN、TP和 NH-N 各項指標(biāo)的去除率范圍分別在17%～68%、3%～39%、17%～59%、4%～43%、18%～54%和2%～17%。隨著總固體濃度的升高和篩網(wǎng)孔徑的減小,對于水質(zhì)指標(biāo)的去除率有升高的趨勢。當(dāng)TS 濃度為5%和篩網(wǎng)孔徑為15 μm 時,TS、濁度、COD 和TP的去除率達到最大值,分別為68%、39%、59%和54%。但當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為15 μm 時,處理效率下降、能耗增加。綜合考慮,當(dāng)總固體濃度為5%和篩網(wǎng)孔徑為50 μm 時為最佳處理組,水質(zhì)指標(biāo)TS、COD 和TP 的去除率分別為57%、29%和43%,處理量可達19 m·h。離心微濾機與沉降離心機對水質(zhì)指標(biāo)的去除率相當(dāng),但可以提高處理效率和降低能耗,因此在處理豬場廢水時具有較好的應(yīng)用前景。