碳素纤维加曝气处理养猪场废水试验

姚 辉，郭荣军，金树权，陈若霞，潘庚华

(1.浙江省象山县水利局，浙江 宁波 315700;2.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040;3.核工业二三0 研究所，湖南 长沙 410007)

目前，规模化养猪场产生的猪粪尿和清洗废水虽然经过沼气池厌氧处理，但是最终排放的废水中有机物、氮、磷浓度仍然较高［1-2］。如果不对养猪场排放废水作进一步处理，直接排放进入河流、水库和湖泊等地表水体将产生水环境污染，导致水体富营养［3-4］。生物膜法是利用某些附着生长在固体表面的微生物进行污水处理的方法，由于该方法成本低、维护简单、效果显著，在污水处理中较为常用［5-6］。本研究用生物膜材料碳素纤维并结合曝气处理进行养猪场废水净化试验，现将有关试验结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 材料

碳素纤维规格为长× 宽60 cm×40 cm (产地日本)，碳素纤维织带两边纤维束各长15 cm，每束1 200 根纤维丝，纤维直径7 μm，比表面积为1 500～2 000 m2·g-1。小型曝气机1 台。试验用塑料桶长宽高为50 cm×40 cm×50 cm。

试验用水利用养殖场排放废水 (约占总量20%)加入葡萄糖、(NH4)2SO4和KH2PO4与自来水配制而成，配制完成后的试验用水水质化学需氧量(COD)149.05 mg·L-1，总氮(TN)34.06 mg·L-1，氨态氮(-N)23.91 mg·L-1，硝态氮(-N)2.12 mg·L-1，总磷 (TP)5.90 mg·L-1，可溶性磷 (DRP)4.58 mg·L-1。

1.2 处理设计

试验设4个处理:处理1 为空白对照 (CK)，处理2 用碳素纤维净化，处理3 用小型曝气机曝气净化，处理4 用碳素纤维加小型曝气机曝气组合净化。试验在实验室用塑料桶进行，重复3 次。试验区域保证阳光充足、空气流通。碳素纤维首先在天然河道内进行挂膜，挂膜成熟后送至实验室进行试验，相应的处理1个试验桶悬挂1 条。为模拟自然水体环境，在各处理的桶内底部铺设约1 cm 的河道底泥。

1.3 检测项目及方法

试验在第1，3，6，9，14 天的9:00 取样，每桶多点取样后混合，立即进行各项水质指标分析。其中TN，TP 和COD 直接采用采集水样进行测定，和DRP 用经0.45 μm 微孔滤膜过滤后的水样进行测定。各指标均采用国家标准方法［7］进行检测，其中-N 用紫外分光光度法，-N 用纳氏试剂比色法，TN 用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，DRP 和TP 采用钼酸铵分光光度法，COD 用重铬酸钾法。

2 结果与分析

2.1 COD 浓度

从图1 可以看出，试验开始后处理2，3，4 的COD 浓度在1～3 d 内迅速下降，其中组合利用碳素纤维和曝气的处理4 在试验开始1 d 就从148.05 mg·L-1下降到46.40 mg·L-1。经14 d 处理后，4个处理的COD 分别下降68.9%，81.5%，82.4%和83.7%。

图1 各处理COD 浓度的变化

2.2 氮浓度

图2 各处理的-N 浓度的变化

2.3 磷浓度

从图5 和图6 可以看出，试验开始后TP 和DRP 浓度不断降低，但是各处理降低幅度存在差异，空白对照处理下降幅度最小，处理4 下降幅度较大。经过14 d 处理后，4个处理TP 的下降率分别为9.8%，15.4%，13.9%和20.8%。

从以上各处理的有机物和各态氮磷浓度变化可以看出，组合利用碳素纤维和曝气处理的COD、-N、TN、TP 下降率均最高，单独利用碳素纤维或曝气处理的下降效果居中，空白处理的下降率最低。其原因可能是碳素纤维具有良好的吸附性和微生物亲和性，一方面碳素纤维能有效吸附水体中的颗粒态物质，另一方面碳素纤维能使微生物进行挂膜生长，大量生长繁殖的微生物通过同化作用和异化作用有效提高了污染水体的净化能力［8］。进行曝气处理可以有效提高水体的溶解氧浓度，而溶解氧浓度的提高能增强微生物的活性［9］，加速了水体微生物的生长繁殖和新陈代谢速度，从而进一步增强了水体净化能力。碳素纤维加曝气两者结合处理污水的方法效果更好。

图3 各处理

图4 各处理TN 浓度的变化

图5 各处理TP 浓度的变化

图6 各处理DRP 浓度的变化-N 浓度的变化

3 小结与讨论

组合利用碳素纤维和曝气进行养猪场废水处理的效果最佳，显著高于空白处理和单独利用碳素纤维或曝气处理，经过14 d 处理后，水体中的COD，NH+4-N，TN，TP 分别下降83.7%，84.1%，32.0% 和20.8%。组合利用碳素纤维和曝气进行水质处理，一方面碳素纤维由于具有高吸附性和生物亲和性，能有效吸附水体中悬浮污染物，同时大量生长繁殖的微生物具有高效的富集作用和净化作用;另一方面曝气处理能提高水体溶解氧含量，加快了微生物的生长繁殖和新陈代谢速度，从而进一步提高水体净化能力。

组合利用碳素纤维和曝气处理能够有效降低养猪场排放废水的有机物、氮和磷等污染物浓度，因而可以直接利用碳素纤维加曝气进行养猪场废水处理，或者作为人工湿地等其他处理手段的前处理。

［1］高威，陆冬梅，缪翠云，等.规模化养猪场处理废水对水稻产量形成和稻米品质的影响［J］.农业环境科学学报，2012，31 (11):2256-2264.

［2］杨朝晖，曾光明，陈信常，等.规模化养猪场废水处理工艺的研究［J］.环境工程，2002，20 (6):19-22.

［3］Howarth R W，Marino R.Nitrogen as the limiting nutrient for eutrophication in coastal marine ecosystems:evolving views over three decades ［J］.Limnology and Oceanography，2006，51(1):364-376.

［4］虎陈霞，周立军，黄祖庆，等.苕溪流域农业面源污染的综合评价［J］.浙江农业学报，2011，23 (6):1199-1202.

［5］姚理为，余辉，田学达，等.碳素纤维对富营养化水体的水质改善与对藻类群落结构的影响［J］.环境科学研究，2012，25 (8):890-896.

［6］张寒冰，黄凤莲，周艳红，等.生物膜法处理养猪废水的研究［J］.生态环境，2005，14 (1):26-29.

［7］国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］.4 版.北京:中国环境科学出版社，2002.

［8］任翱，郭文艳，史家樑.应用微生物组合技术治理富营养化水体的研究［J］.上海环境科学，1999，18 (11):490-493.

［9］秦宇，郭劲松，方芳，等.溶解氧及曝停比对单级自养脱氮系统微生物群落结构的影响［J］.环境科学，2009，30(2):493-498.