絮凝沉淀预处理养猪废水影响因素研究

2020-11-30陆健刚

当代化工 2020年9期

陆健刚

摘要：以江西省鹰潭市某养猪场沼液废水为研究对象，分别通过添加质量浓度为150 g·L-1的聚合氯化铝（PAC）、50 g·L-1的聚合硫酸铝（PFS）以及5 g·L-1的聚丙烯酰胺（PAM），探讨了沉淀时间和pH对絮凝沉淀影响。结果表明：①PAC为絮凝剂时，污染物去除率随静置时间增加而逐渐增大，当添加PFS和PAM为絮凝劑时，综合考虑时间成本以及去除率，建议控制沉淀时间为25 min和20 min。②当添加PAC为絮凝剂时，酸性条件下有利于氨氮和COD的去除，碱性条件下有利于TP的去除，SS在中性条件下去除效果最好。③添加PFS为絮凝剂时，酸性条件下有利于COD和氨氮的去除，中性条件下有利于TP的去除，碱性条件下有利于SS的去除。④添加PAM为絮凝剂时，酸性条件下有利于SS的去除，碱性条件下有利于氨氮和TP的去除，COD在中性环境中去除效果最好。

关键词：沼液废水;混凝剂;去除率;沉淀时间;pH

中图分类号：TD163+.1 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）09-1867-04

Abstract： Taking the biogas wastewater of a pig farm in Yingtan city， Jiangxi province as the research object， by respectively adding 150 g·L-1 polyaluminum chloride（PAC） and 50 g·L-1 polyaluminum sulfate（PFS） and 5 g·L-1 polyacrylamide（PAM），the effect of sedimentation time and pH on flocculation sedimentation was investigated. The results showed that：（1） When PAC was used as flocculant，the removal rate of pollutants increased with gradual increase of the sedimentation time; when adding PFS and PAM as flocculants; considering the time cost and removal rate， it was recommended to control the sedimentation time in 25 min and 20 min. （2） When PAC was added as flocculant， acidic condition was beneficial to ammonia nitrogen and COD removal， alkaline condition was beneficial to the removal of TP， and the removal effect of SS was the best under neutral conditions. （3） When PFS as flocculating agent was added， COD and ammonia nitrogen were easy removed under acidic condition， TP was easy removed under neutral condition， and SS was easy removed under alkaline condition.（4）When PAM was added as flocculant， acidic condition was beneficial to SS removal， alkaline condition was beneficial to ammonia nitrogen and TP removal， and COD had the best removal effect in neutral environment.

Key words： Biogas slurry wastewater; Coagulant; Removal rate; Sedimentation time; pH

1 引言

我国是世界上最大的产猪大国，虽然近年来我国养猪产业发展迅速，但由于企业污水处理设施投入的不足、以及企业环保意识的不足，特别是在落后城市，养猪产生的污染物远未得到有效利用，养猪业对当地环境所造成的环境影响仍是广大学者研究的热点问题[1-2]。养猪企业所产生的废水主要来源于生猪排泄的尿液、粪便、猪栏冲洗废水，还有少部分工作人员为维护猪场运转所产生的生产、生活废水，猪场所产生废水量的多少与生猪品种、清粪方式、气候条件、圈养规模、饲料类型等有关，甚至管理方式、生产方式以及养殖设备等因素与废水产生量也有密切关系[3]。养猪废水是典型的“三高”废水，常常具有发黑发臭、水质复杂、悬浮物质量浓度高、有机物质量浓度高等特征[4]。一般而言，对于上万头规模的猪场，其废水中COD质量浓度一般在 2 000 ～15 000 mg·L-1，BOD质量浓度一般在2 000～10 000 mg·L-1，氨氮质量浓度高达 600～1 000 mg·L-1，悬浮物质量浓度也超标数十倍甚至百倍。养猪废水未经处理或仅经简单的预处理无法满足排放标准，养猪废水若未经有效处理直接排放到河流，有毒物质会在浮游植物、动物、水生生物、鱼类等体内聚集，最终引起生物圈中整个食物链中毒;废水中有毒物质直接进入地下后也会造成土壤自净能力下降，应用价值降低，如果用于灌溉可引发农作物减产或者死亡。据报道[5]，养猪废水中还含有酚类、酸类、多环含氮化合物、硫酸氢等无机物质，这些物质释放到环境中会严重危害附近居民身体健康，还会对生猪的生长发育造成不利影响。养猪废水中由于含有大量的细菌，排放到河流中还会严重破坏水环境。

目前养猪废水主要有自然处理和工业化处理两种方式[6]。相对而言，自然处理投资少、能耗少、管理成本低且处理效果尚可等优点而广为应用，尤其是人工湿地。据报道，养猪废水经过人工湿地处理后COD和BOD的去除率分别可高达90%和80%，对氨氮和TP的去除率也可达到80%以上，但自然处理一般对场地面积要求较高[7]。自然处理主要是通过水体自净或土壤自净两种方式实现，其中曝气法、厌氧发酵、人工湿地、土壤渗滤等是自然处理的主要方式。由于养猪废水水质复杂、波动大、常常伴随有恶臭气体产生，对于上了一定规模的养殖场，由于没有足够的空间停留大量的废水，因此工业处理法应用较多。工业处理法具有占地面积小、处理效果较好、处理时受外界环境因素影响小、适应性强等优点也广为应用，如杨树润[8]等采用经过镧改性的红藻、海带、浒苔和石莼4种干粉末材料，用于养猪废水处理中，结果表明这4种材料对废水中磷元素的去除均有较好的使用功能;李莉[9]等发现”UASB+SBR”工艺耦合使用能使养殖废水中COD去除率达到90%以上;曾东[10]等 “水力筛网+沸石吸附+连续流砂滤池+活性炭吸附”组合工艺稳定运行后对养殖业废水污染物去除效果较好，经该工艺处理后出水能达到行业标准中的一级标准。

厌氧发酵是当前养殖场废物再利用的主要途径之一，对于上一定规模的养殖场均要求配有沼气池，而混凝沉淀技术是一种经济又简便的污染物去除技术，本文拟研究养猪废水中添加不同絮凝剂后废水的絮凝效果，并探讨废水絮凝时沉淀时间以及废水pH的影响，研究结论可为进一步了解絮凝沉淀机理提供理论参考。

2 材料与方法

选取江西省鹰潭市某规模化养猪场的沼液废水为研究对象，该猪场现有生猪3 000余头，夏季废水排放量约70 m3·d-1，猪场废水主要来自生猪粪便、尿液、猪栏冲洗废水以及少量的生活废水。该猪场采用“固液分离+沼气池厌氧发酵+SBR”工艺处理废水。试验时检测了沼气池中出水以及混凝沉淀后废水中COD、氨氮、悬浮物及TP质量浓度，检测水质时严格按相关规范中操作步骤进行，该猪场排放的废水执行《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001），工艺进、出水的水质状况见表1。

实验所需使用到的装置有：搅拌器、1 000 mL烧杯、1 000 mL量筒。试验共分3组进行，试验前提前配置好质量浓度为150 g·L-1的聚合氯化铝（PAC）、50 g·L-1的聚合硫酸铝（PFS）以及5 g·L-1的聚丙烯酰胺（PAM）。采用单一变量法，每个烧杯中添加的混凝剂均为25 mL，试验一组一组进行，先进行PAC试验，试验步骤如下：①首先各盛取1 000 mL沼液废水于烧杯中，烧杯置于搅拌台上，设置搅拌条件为：200 r·min-1搅拌5 min，50 r·min-1搅拌15 min;②搅拌完成后采取经1、5、10、15、20、25、30、35 min后沉淀的水质并检测，随后进行PFS和PAM试验;③为探究pH对混凝效果的影响，每组试验又分为9个小烧杯试验，搅拌前加入酸或碱调节废水的pH分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0和11.0，随后添加10 mL PAC溶液开始搅拌，所有量筒中废水全部沉淀30 min后测定对应的水质指标，计算去除率，接着在同种情况下进行PAM和PFS试验。

污染物去除率计算公式如下：

3 结果与分析

对于一些污染物质量浓度较高的废水，絮凝沉淀技术经常作为工艺预处理步骤，经絮凝沉淀后废水色度、悬浮物等指标会明显下降，沉淀后水质质量浓度大小与沉淀时间、溶液pH值、絮凝剂种类以及添加量等因素都有关。正常而言，絮凝剂添加得越多沉淀效果越好，但当絮凝剂超过一定量后可能还会起反作用，下文对沉淀时间以及溶液pH对混凝效果的影响进行分析。

3.1 沉淀时间对混凝效果的影响

废水中加入絮凝剂经搅拌后一般需静置一段时间，时间稍微越长沉淀效果越好，但时间过长一方面会增加时间成本，另一方面可能会影响混凝效果，添加PAC、PFS、PAM 3种絮凝剂的3组试验在经历不同沉淀时间后，污染物去除效果分别见图1、图2和图3。

由图1分析可知，TP去除率随沉淀时间延长逐渐增加，沉淀时间从第1 min至35 min，TP去除率由27.3%增加至53.4%;COD去除率也是逐渐上升，从19.2%逐渐增加至39.6%;从第1 min至第25 min，SS去除率先是几乎呈线性增长，随后保持平缓甚至有降低的趋势;氨氮去除率虽然变化不大，但总体还是呈上升趋势，由11.3%增至23.6%。综上说明在添加絮凝剂PAC后，在35 min内，静置时间越长，絮凝效果越好。

由图2分析可知，添加絮凝剂PFS后氨氮去除效果不明显，在时间段内氨氮去除率主要保持在4.5%～6.8%范围内波动;沉淀时间从1 min至25 min，COD去除率由33.5%逐渐增至49.2%，随后当沉淀时间继续延长，COD去除率虽略有上升，但上升幅度不大;SS去除率从1 min至第25 min由27.8%增加至50.4%，随后SS去除率由下降趋势;TP去除率随沉淀时间增加逐渐增加，由45.6%增至64.1%，当沉淀时间为25 min时，去除率为61.4%，与最大值仅相差2.7%。综上，从时间成本方面考虑，当采用PFS为絮凝剂时，应控制沉淀时间为25 min。

由图3分析可知，当添加PAM絮凝剂后，氨氮去除率随静置时间增加变化不大，在试验时间段内主要在17.2%～21.4%范圍内波动，未见明显规律;COD去除率由第1 min的21.4%增至35 min的45.8%，但第20 min时COD去除率为41.6%;从第1 min至第20 min，SS去除率由13.8%逐渐增至49.2%，当沉淀时间继续增加时，SS去除率开始降低;TP去除率由第1 min的25.4%逐渐增至第35 min的58.2%，但第20 min TP去除率已达55.8%，随后15 min去除率仅增加2.4%。

综合图1至图3分析可知，当添加PAC为絮凝剂时，沉淀时间在35 min内，污染物去除率随静置时间增加而逐渐增大，当添加PFS和PAM为絮凝剂时，综合考虑时间成本以及去除率两种因素，建议控制沉淀时间为25 min和20 min。

3.2 废水pH大小对混凝效果的影響

pH值是影响废水絮凝沉淀的重要因子之一，当废水中投入絮凝剂后会发生一系列反应生成氢离子，氢离子的存在可阻碍水解反应的正常进行，因此需加入中性物质或偏碱性物质进行中和，当pH过高时，水解酸化产生的沉淀物又可能重新溶解形成新的络合物。因此，为探究pH对絮凝沉淀效果的影响，笔者根据之前确定的每种絮凝剂最佳沉淀时间进行了3组试验，测定了废水中各污染指标值，计算出了污染物去除率，结果如图4至图6所示。

由图4分析可知，添加PAC絮凝剂后，随碱性的增强，氨氮去除率变化不明显，仍然维持在13.4%～17.2%范围内波动，但整体呈下降趋势;COD去除率逐渐下降，由pH为3时的41.3%降至pH为11时的18.2;SS去除率先增大后减小，当pH为7时，去除率达到最大值54.2%;TP去除率逐渐增大，由51.3%增至70.1%。综上说明，酸性条件下有利于氨氮和COD的去除，碱性条件下有利于TP的去除，SS在中性条件下去除效果最好。

由图5分析可知，添加PFS絮凝剂后，随碱性增强，氨氮去除率变化曲线与PAC条件下类似，虽变化不大但均表现为逐渐下降;COD去除率由pH为3时的52.6%降低至33.5%;SS去除率逐渐增大;TP去除率先增大后减小，当pH为7时去除率达到最大值49.1%。综上说明，酸性条件下有利于COD和氨氮的去除，中性条件下有利于TP的去除，碱性条件下有利于SS的去除。

由图6分析可知，添加PAM絮凝剂后，随碱性增强，氨氮去除率逐渐增大，COD去除率先增大后减小，SS去除率逐渐减小，TP去除率逐渐增大。综上说明，酸性条件下有利于SS的去除，碱性条件下有利于氨氮和TP的去除，COD在中性环境中去除效果最好。

4 结论

本文以养猪废水中的沼液废水为研究对象，设计了3组试验，每组试验分别添加PAC、PFS、PAM絮凝剂，探讨了沉淀时间和溶液pH对絮凝沉淀效果的影响，结果表明：

1）当添加PAC为絮凝剂时，沉淀时间在35 min内，污染物去除率随沉淀时间增加而逐渐增大，当添加PFS和PAM为絮凝剂时，综合考虑时间成本以及去除率两种因素，建议控制沉淀时间为25 min和20 min。

2）当添加PAC为絮凝剂时，酸性条件下有利于氨氮和COD的去除，碱性条件下有利于TP的去除，SS在中性条件下去除效果最好。

3）添加PFS为絮凝剂时，酸性条件下有利于COD和氨氮的去除，中性条件下有利于TP的去除，碱性条件下有利于SS的去除。

4）添加PAM为絮凝剂时，酸性条件下有利于SS的去除，碱性条件下有利于氨氮和TP的去除，COD在中性环境中去除效果最好。

参考文献：

[1]刘志超，史晓燕，李艳根，等.镧改性粉煤灰及其脱氮除磷效果研究[J].化工新型材料，2018，46（2）：205-208.

[2]林丽丹，王哲，顾伟，等. 沸石/水合氧化锆吸附水中的磷[J].环境工程学报，2017，11（2）：702-708.

[3]刘盼盼，邱立平.规模化海水养殖废水处理技术研究进展[J].工业用水与废水，2016，47（ 2）：1- 4.

[4]李志伟，代明月，高孟春，等.好氧时间与缺氧时间变化对 O/A -SBR处理海水养殖废水性能影响[J].中国海洋大学学报：自然科学版，2016，46（5）：104 -110.