基于玉米秸秆滤料的养禽冲洗废水过滤技术

关正军，尹　恒，韩　威，章恬恬，吴应涛，陈科昭

基于玉米秸秆滤料的养禽冲洗废水过滤技术

关正军，尹恒，韩威，章恬恬，吴应涛，陈科昭

（西南大学工程技术学院，重庆 400715）

过滤预处理可以有效去除养禽冲洗废水中的悬浮性固体，提高废水处理效率。为了探究玉米秸秆作为滤料的过滤规律，研究了玉米秸秆粒度、压实度和滤料装填高度对养禽冲洗废水过滤预处理的影响，建立了养禽冲洗废水过滤装置的结构模型。通过正交试验和试验验证，结果表明，当玉米秸秆粒度为1cm、压实度为1.4倍密度（74.93 kg/m3）、滤料装填高度为50 cm时滤料有最佳过滤效果，此时过滤后的养禽冲洗废水总固体（TS，Total Solid）去除率为31.22%，挥发性固体（VS，Volatile Solid）去除率为44.51%，化学需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）去除率为24.07%，NH4+-N去除率为21.20%，达到了较好的过滤效果。对比过滤前后养禽冲洗废水厌氧发酵结果，过滤后废水厌氧发酵速率得到了明显提升，缩短了发酵周期，验证了过滤预处理对提高废水处理效率的可行性。试验结果为养殖冲洗废水过滤设备研发提供了理论依据。

过滤；厌氧发酵；养禽冲洗废水；玉米秸秆；预处理

0 引 言

据第二次全国污染源普查公报[1]数据显示，畜禽规模养殖场水污染物化学需氧量年排放量为604.83万t，氨氮年排放量为7.50万t，畜禽养殖废水的资源化利用成为制约中国规模化养殖可持续发展的瓶颈问题。畜禽废水直接进行厌氧发酵产气效率不高，而采用城市污水处理的方法成本又较高，所以强化畜禽养殖废水预处理环节是降低工程运行成本的重要途径，利用农业废弃物作为滤料进行畜禽冲洗废水过滤预处理能够有效地提高废水的处理效率，是一种以废治废经济有效的处理手段，也是实现畜禽冲洗废水资源化利用和无害化处理的重要环节。但在畜禽冲洗废水过滤预处理的研究中却发现过滤过程的滤料利用率低、过滤效果差、容易堵塞等现象。因此，探索一种过滤效率高、稳定可靠的过滤预处理方式显得格外重要。

畜禽冲洗废水的污染负荷较高[2-6]，含有大量的有机污染物以及病原微生物，如何经济有效地降低废水的污染负荷，是提高畜禽废水处理效率的关键问题[7-11]，对此，国内外学者对养殖废水过滤吸附的预处理方式进行了深入研究[12-16]。传统的过滤方式是利用网式过滤器[17-18]或叠式过滤器[19-20]进行，但均存在易堵塞和清洗困难的问题。钱锋等[21-22]利用稻草和沸石对养猪废水进行预处理，研究了不同滤料对养猪废水的处理效果，得到了最好处理效果时，养猪废水和滤料的参数。Vanotti等[23]通过向农场养猪废水中投加固体聚合物，增强了废水的固液分离速率。Beline等[24-25]采用生物处理的方法对养殖场的废弃物进行处理，较好地去除了养殖场废弃物中的有害污染物。张智烨等[26]利用玉米秸秆作为滤料来去除猪粪发酵沼液中的污染物，研究了玉米秸秆过滤猪粪发酵沼液的可行性。上述方式都可以有效地对畜禽冲洗废水进行预处理，但均存在处理成本过高或不宜工业化推广等问题[27-28]。对此，本文选用玉米秸秆作为滤料对畜禽冲洗废水进行过滤预处理，以期降低后续处理成本，并达到可工业化推广的目的。

为了探究玉米秸秆作为滤料对养禽冲洗废水过滤预处理的过滤效果，本文基于物理过滤的方式，搭建了过滤试验装置，并通过设计正交试验，探究了玉米秸秆颗粒大小、滤层厚度以及滤层压实度对过滤效果的影响，为有关养殖废水过滤设备研发[29]、降低养殖废水处理成本的研究提供了思路。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由水箱、水管、截流阀、滤料层和承托架组成，养禽冲洗废水经由截流阀调节，从水箱中通过重力的方式经水管流入滤料过滤；滤料层由直径15 cm、高65 cm的圆柱形筛网盛装，筛网的孔径略小于玉米秸秆滤料的颗粒大小；承托架主要承托水箱和管路，方便养禽冲洗废水流出和取样。结构如图1所示。

1.2 试验材料

1.2.1 供试废水

养禽冲洗废水取自重庆市家禽科研基地，该家禽科研基地为工厂化规模养殖，禽舍内的粪便采用干清粪模式，经刮板清粪和人工清粪后，再冲洗圈舍，冲洗废水经下水道集中后统一流入养殖场配套建设的处理场内。试验所使用的养禽冲洗废水，于2020年12月1日上午在基地取得，并在5 ℃的温度条件下冷藏，冲洗废水呈黑棕色，透明度低，且含有大量的固体颗粒物，黏稠并伴有恶臭。取样后测得养禽冲洗废水各指标见表1。

表1 养禽冲洗废水指标

1.2.2 供试滤料

经过预试验发现，当把玉米秸秆粉碎至5 mm以下的粉末状时，由于养禽废水含有大量的悬浮物等不溶颗粒物，秸秆滤料的过滤效率低且极易堵塞，因此，本试验主要以铡切后颗粒长度大于1 cm的玉米秸秆滤料作为过滤材料进行研究。供试滤料取自重庆原产地玉米秸秆，经30 d摊平自然晾晒后，使用铡刀将玉米秸秆粉碎至粒径为1、2、3、4 cm，分别装入密封袋中备用。如图2所示，图中玉米秸秆颗粒长度从左到右分别为1、2、3、4 cm。通过单因素试验确定试验因素的边界条件后，继续使用铡刀将玉米秸秆切碎至进行多因素正交试验时的所需粒径，装袋后备用。

1.3 试验指标

试验测量指标分别为：pH值（pH计测定）；化学需氧量（COD，重铬酸钾法测定）；总固体（TS，烘干法测定）；挥发性固体（VS，灼烧法测定）；氨氮（NH4+-N，纳氏试剂比色法测定）。

1.4 试验运行条件

为了探索玉米秸秆作为滤料对畜禽冲洗废水过滤预处理的过滤效果，并尽可能减少能源消耗，本试验采用重力自然过滤。首先通过预试验确定过滤系统所能处理的最大进水流量，以及过滤系统达到饱和时滤料需要再生的过滤运行状态，以确定正式试验的结束时间节点。预试验结果表明，玉米秸秆滤料在本试验过滤条件下所能达到的最大进水流量在2～3 L/min之间，当秸秆滤料出现堵塞，滤桶中滤液达到指定高度时，则表明滤料已无法高效地处理畜禽冲洗废水，过滤系统在当前过滤条件下已无法继续运行，试验结束。

2 单因素试验

2.1 单因素试验设计

滤料颗粒大小、滤层厚薄和滤料紧实度对养禽废水过滤效果的影响是不同的，为了得出具有较好过滤效果时，滤层厚度、滤料颗粒大小、滤层压实度的边界条件，为多因素正交过滤试验做铺垫，本文通过3组单因素试验，对比了在不同试验因素下玉米秸秆滤料对养禽废水的过滤效果，分别考察养禽废水过滤效果随试验条件变化的情况。通过预试验得到：当滤层厚度小于10 cm时，滤层对冲洗废水基本没有过滤效果；而当滤层厚度大于60 cm或者滤层压实度大于1.5倍密度时，滤层的过滤效率和滤料利用率均较低，由此单因素试验中厚度取值范围为10～50 cm，压实度取值范围为1～1.5倍密度，如表2，分别列出了单因素试验的试验因子和水平。

表2 单因素试验设计

2.2 结果与分析

将开始过滤至更换滤料前之间的时间作为养禽冲洗废水过滤的运行周期，确定出每组单因素试验在一个运行周期内的TS、VS和COD等试验指标。

2.2.1 不同滤料粒度对废水的截污效果

滤料粒度单因素试验中，养禽废水各初始指标分别为pH值6.94、TS 2.72%、VS 1.66%、COD浓度22 328.40 mg/L、NH4+-N浓度986.32 mg/L，通过设定滤层厚度为40 cm、滤层压实度为1.2倍密度进行过滤试验，考察玉米秸秆滤料不同粒度对养禽废水的过滤效果。不同粒度玉米秸秆滤料过滤养禽冲洗废水后，滤液中的TS、VS等污染物含量变化如图3所示。

由图3可知，玉米秸秆滤料对养禽冲洗废水中TS、VS等污染物的截污效果随着滤料颗粒长度的增加而减小。这是由于随着滤料颗粒长度的减小，玉米秸秆滤料的比表面积会增大，可容纳更多的污染物，具有更好的截污效果。当滤料粒度为1 cm时，过滤效果最佳，此时TS去除率为20.22%，VS去除率为33.73%，氨氮去除率为9.59%，COD去除率为20.13%。同时从图3a中发现冲洗废水过滤前后废水的pH值变化不大，主要原因是玉米秸秆具有多孔特性对废水有一定的吸附交换作用，导致 pH 值有轻微的波动。

2.2.2 不同滤层厚度对废水的截污效果

滤层厚度单因素试验中，养禽废水各初始指标分别为pH值7.03、TS 1.91%、VS 1.11%、COD浓度13 868.00 mg/L、NH4+-N浓度737.04 mg/L，通过设定滤料粒度为2 cm、滤层压实度为1.2倍密度进行过滤试验，考察玉米秸秆滤料不同滤层厚度对养禽废水的过滤效果。不同滤层厚度玉米秸秆滤料过滤养禽废水后，滤液中的TS、VS等污染物含量变化如图4所示。

如图4所示，玉米秸秆滤料对养禽废水中污染物的截污效果随着滤料滤层厚度的增大而增加。这是由于随着滤料滤层厚度的增大，玉米秸秆滤层具有更多的孔隙，可容纳更多的污染物，对养禽废水中污染物的截污效果更好。同时在滤层厚度单因素试验中发现，滤层厚度超过50 cm后，过滤速率会下降，且滤料容易堵塞，下层滤料未充分利用。当滤层厚度为50 cm时，玉米秸秆滤料有最佳过滤效果，此时TS去除率为21.45%，VS去除率为33.14%，氨氮去除率为2.15%，COD去除率为16.97%。由图4e可以看出养禽废水过滤前后氨氮去除率较低，主要原因是废水中的氨氮以水溶形式为主，物理过滤无法去除废水中溶解的氨氮。

2.2.3 不同滤层压实度对废水的截污效果

滤层压实度单因素试验中，养禽废水各初始指标分别为pH值6.94、TS 2.46%、VS 1.48%、COD浓度18 295.70 mg/L、NH4+-N浓度771.21 mg/L，通过设定滤层厚度为40 cm、滤料粒度为2 cm进行过滤试验，考察玉米秸秆滤料不同滤层压实度对养禽废水的过滤效果。不同压实度玉米秸秆滤料过滤养禽废水后，滤液中的TS、VS等污染物含量变化如图5所示。

从图5可知，玉米秸秆滤料对养禽废水的截污效果随着滤层压实度的增加而提升。这是由于随着滤料压实度的增加，玉米秸秆滤料间的间隙会减小，对养禽废水中不溶颗粒物的截留作用会增强，具有更好的截污效果。同时在试验中发现，当滤层压实度增加至1.5倍密度时，滤料极容易堵塞，过滤难度增加且过滤速率下降，不适合进行实际应用，因此当滤层压实度为1.4倍密度时，玉米秸秆滤料对养禽废水有最佳过滤效果，此时TS去除率为27.06%，VS去除率为29.71%，氨氮去除率为15.78%，COD去除率为14.93%。

2.2.4 单因素边界条件确定

由3组单因素试验可知，当玉米秸秆滤料粒度小于2 cm，滤层厚度大于30 cm，滤层压实度大于1.2倍密度时，滤料对养禽冲洗废水具有较好的过滤效果。同时，当滤料粒度小于5 mm，滤层厚度大于60 cm或者滤层压实度大于1.5倍密度时，玉米秸秆滤层易堵塞，过滤速率低且过滤难度增加。因此当污染物去除率较高时，玉米秸秆滤料粒度边界条件为1～2 cm，滤层厚度边界条件为30～50 cm，滤层压实度边界条件为1.2～1.4倍密度。

3 正交试验设计

3.1 试验方案设计

由单因素试验确定的因素边界条件可知，玉米秸秆粒度选择水平为1、1.5、2 cm，滤层厚度选择水平为30、40、50 cm，滤层压实度选择水平为1.2、1.3、1.4倍密度。正交试验中废水的各项指标如下：pH值为7.22，TS为2.66%，VS为1.65%，COD为18 301.25 mg/L，氨氮为1 032.70 mg/L。为了简化试验过程，减少试验时间，同时尽可能全面地反映养禽冲洗废水在不同因素影响下的过滤效果，试验采用四因素三水平正交试验，因素间无交互作用，并设计空白列做误差列，得到表3所示的9组试验安排。

3.2 试验结果与数据分析

由单因素试验可知，养禽冲洗废水过滤前后废水中pH值和氨氮含量变化不大，且物理过滤主要去除的是养禽废水中的不溶固体，因此在考察玉米秸秆滤料的截污效果时，以过滤后废水中的TS、VS和COD含量进行判断。

3.2.1 各因素对单指标的影响分析

试验因素对试验指标的影响一般根据极差分析表现，试验结果和各试验指标的极差分析如表4所示，表中、、分别代表对应因素和水平的试验指标和的均值。

表4 试验结果和单指标分析

TS含量的评价目标是：TS含量越低，玉米秸秆滤料的过滤效果越好，因此，对表4的TS含量试验数据进行极差分析可知，各试验因素对TS含量的影响程度主次顺序为：、、，最优组合为133。

VS含量的评价目标是：VS含量越低，玉米秸秆滤料的过滤效果越好，各试验因素对VS含量的影响程度主次顺序为：、、，最优组合为233。

COD含量的评价目标是：COD含量越低，玉米秸秆滤料的过滤效果越好，各试验因素对COD含量的影响程度主次顺序为：、、，最优组合为133。

综上，各试验因素对养禽废水过滤效果的影响程度主次顺序为：、、。

3.2.2 方差分析

由于试验置有空列，因此将空列作为误差项处理。查分布表可知：0.1(2，2)=9，0.05(2，2)=19，0.01(2，2)=99。利用设计专家软件对各试验指标进行方差分析得到数据如表5所示。

结合表4的试验数据，对试验指标TS含量进行方差分析，得到：0.01(2，2)＞F＞0.05(2，2)，0.01(2，2)＞F＞0.05(2，2)，0.05(2，2)＞F＞0.1(2，2)，、为显著因素，为较显著因素。试验模型总体上呈显著性。

对试验指标VS含量进行方差分析，得到：0.01(2，2)＞F＞0.05(2，2)，0.01(2，2)＞F＞0.05(2，2)，F0.05(2，2)＞FC＞0.1(2，2)，、为显著因素，为较显著因素。试验模型总体上呈显著性。

对试验指标COD含量进行方差分析得到：0.05(2，2)＞F＞0.1(2，2)，0.01(2，2)＞F＞0.05(2，2)，0.05(2，2)＞F＞0.1(2，2)，为显著因素，、为较显著因素。试验模型总体上呈显著性。

结合对试验结果数据的极差分析和方差分析，玉米秸秆滤层的厚度是影响养禽冲洗废水过滤效果的首要因素，在试验范围内，秸秆滤层的厚度越大，养禽冲洗废水中污染物的去除率均呈现出逐渐变大的趋势；同时玉米秸秆滤料粒度和滤层压实度是影响废水中污染物去除率和过滤效果的主要因素，玉米秸秆滤料粒度越小、滤层压实度越大，废水污染物去除率越高，过滤效果越好。

表5 方差分析

3.3 试验验证

通过对各因素的不同水平综合分析，结合设计专家软件，得到各因素最优水平组合是：滤料粒度为1 cm、滤层厚度为50 cm、滤层压实度为1.4倍密度（74.93 kg/m3），各指标的预测值分别为：TS 1.74%、VS 0.91%、COD浓度13 500.40 mg/L。对最优组合进行重复性检验，试验重复3次，结果如表6所示。TS、VS、COD的实测值与预测值之间的相对误差分别为4.68%、2.72%、4.62%，均小于5%，证明最优水平的组合是可信的，此时TS去除率为31.22 %，VS去除率为44.51 %，COD去除率为24.07 %，NH4+-N去除率为21.20 %，达到了较好的污染物去除效果。

表6 最优水平组合方案重复性检验结果

过滤后的固形物经过好氧堆肥后还田，可以进行资源的有效利用，而经过过滤后的废水再进行后期的生化处理，就能大幅度降低养禽废水的处理成本。养禽冲洗废水在过滤前后的实物对照如图6所示，可以发现过滤后废水中的悬浮性杂质明显降低，为后续厌氧结合好氧处理工艺高效、低成本运行提供可能。

4 沼气发酵对比

4.1 试验方法

为了对比过滤前后养禽冲洗废水在二级生化处理中的表现，本试验采用一次性接种投料，进行(35±2)℃恒温水浴槽中温厌氧发酵，运转周期内不添加新料液，每天人工振荡搅拌2次，并逐日记录累计产气量[30]。试验中污泥取自重庆市北碚区污水处理厂，并对污泥进行培养驯化，待污泥及微生物具有较强活性后，以质量分数为30%的接种物接种装罐发酵并每天记录产气情况，待基本停止产气时结束试验。

4.2 结果与分析

图7为过滤前后养禽冲洗废水厌氧发酵对比试验结果。从图7中可以看出，在整个发酵过程中，过滤后冲洗废水的日产气量均低于冲洗废水日产气量，且过滤后冲洗废水在发酵过程中产气高峰明显提前，产气周期在第9天基本结束；而冲洗废水发酵时间较长，后期产气较过滤后冲洗废水多，出现多次产气波动。

根据厌氧发酵前后废水的COD及VS值可计算出COD和VS的去除率，根据总产气量可以计算出单位TS、VS的产气率，结果如表7所示。

表7 厌氧发酵性能对比

试验结果表明，过滤冲洗废水经过厌氧发酵后COD、VS去除率更高，但其TS、VS产气率较未经过滤冲洗废水产气率低，其原因主要是过滤后废水黏度低、营养物质少，料液发酵速度快且发酵时间短，相同条件下，冲洗废水批式发酵22 d后稳定，过滤后冲洗废水11 d即达到稳定。

综上可知，经过过滤的养禽冲洗废水厌氧发酵效率更高，过滤后冲洗废水可以缩短大约50%的厌氧发酵时间，这对于减少沼气工程投入和降低工程运行成本具有重要意义。

5 结 论

1）利用玉米秸秆作为滤料过滤养禽冲洗废水，经过过滤后的废水不仅COD明显降低，且大部分悬浮性杂质也被吸附在秸秆吸附层中，使出水有机负荷显著降低，碳氮比趋于平衡，降低了养禽冲洗废水无害化处理的运行成本。

2）采用正交试验探究了玉米秸秆滤料粒度、滤层厚度、滤层压实度过滤养禽冲洗废水后废水中TS、VS和COD含量的变化。经过试验验证得到的优化过滤条件是：玉米秸秆滤料粒度为1 cm、滤层厚度为50 cm、滤层压实度为1.4倍密度（74.93 kg/m3），在此条件下，养禽冲洗废水可以实现最佳过滤效果，TS去除率为31.22%、VS去除率为44.51%、COD去除率为24.07%。

3）对比过滤前后养禽冲洗废水厌氧发酵的结果可知，经过过滤后的废水发酵速度快且发酵时间短，对降低工程运行成本，减少工程占地面积具有重要意义。

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Filtration technology of poultry washing wastewater based on maize stover filter media

Guan Zhengjun, Yin Heng, Han Wei, Zhang Tiantian, Wu Yingtao, Chen Kezhao

(,,400715,)

Treatment of livestock and poultry wastewater has brought tremendous pressure to the surrounding environment, particularly to the large-scale and intensive breeding and mechanized farming. Poultry washing wastewater generally contains complex components, a large amount of solid particle sludge, and high ammonia nitrogen content, leading to single pretreatment means and high treatment costs. Alternatively, easily accessible, low-cost corn stalks can be used as filter materials to pretreat the poultry washing wastewater for high efficiency of wastewater treatment. It is an economical and effective way to treat waste with waste, thereby realizing the resource utilization and harmless treatment of poultry washing wastewater. Filtration pretreatment can also effectively remove suspended solids in aquaculture wastewater. Since the filtered solids were subjected to composting treatment, where together returning to the field for effective use of resources. Post-biochemical treatment was performed on the filtered wastewater, and further greatly reduced the processing costs of aquaculture wastewater. This study aims to explore the filtering law of corn stalk as a filter material, and the effects of corn-stalk particle size, compaction, and filling height of filter material on the filtration pretreatment of poultry-washing wastewater. A structural model was also established for the poultry-washing wastewater filtration device. The filtration characteristics of main pollutants were investigated in poultry washing wastewater under different particle sizes, filter thicknesses, and compactions, where the boundary conditions of each factor were determined. A single factor test was carried out to determine the boundary condition of parameters. The three-factor three-level orthogonal test was designed to clarify the effect of corn stalk filter on the poultry-washing wastewater. The results show that the filter material presented the best filtering performance when the particle size of corn stalk was 1cm, the compaction degree was 1.4 times density (74.93kg/m3), and the filling height of filter material was 50cm. The Total Solids (TS) removal rate of poultry-washing wastewater was 31.22%, the Volatile Solid (VS) removal rate was 44.51%, the Chemical Oxygen Demand (COD) removal rate was 24.07%, and the NH4+-N removal rate was 21.20%, indicating an excellent filtration performance. The anaerobic fermentation efficiency of filtered poultry-washing wastewater was much higher than before and after filtration. Under the same conditions, the anaerobic fermentation time of filtered poultry-washing wastewater was shortened by about 50%, which was of great significance to reduce the operation cost and the floor area of the project. The structure model was built for the poultry-washing wastewater filtration device using experimental parameters. The finding can provide a promising theoretical basis to develop the straw filtration equipment for aquaculture wastewaters.

filtration; anaerobic fermentation; poultry washing wastewater; maize stover; pretreatment

关正军，尹恒，韩威，等. 基于玉米秸秆滤料的养禽冲洗废水过滤技术[J]. 农业工程学报，2021，37(13)：216-223.

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.025 http://www.tcsae.org

Guan Zhengjun, Yin Heng, Han Wei, et al. Filtration technology of poultry washing wastewater based on maize stover filter media[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 216-223. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.025 http://www.tcsae.org

2021-02-27

2021-05-28

重庆市科技局农高新专项项目《水禽养殖污水资源化利用关键技术研究与应用示范》（CSTC2019ngzx0017）

关正军，教授，博士生导师，研究方向为农业废弃物资源化利用。Email：zhjguan@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.025

S216.4

A

1002-6819(2021)-13-0216-08