离心微滤对猪场废水固液分离效果研究*

胡旭朝,董红敏,尹福斌,陈永杏

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 北京 100081)

随着人们对蛋、奶、肉类需求的不断增加,畜禽养殖业得以快速发展,同时也产生了大量畜禽废水。畜禽养殖废水主要包含畜禽粪尿、饲料残渣、少量漏洒的畜禽饮用水,具有高悬浮物、高有机物、高氨氮(ammonia nitrogen,NH-N)等特点,导致其处理难度大、处理效果稳定性差。大量的畜禽废水若不进行有效处理,不仅对环境造成污染,也造成粪便中有机肥和养分的损失。据《全国第二次污染源普查公报》结果显示,2017年畜禽养殖业排放化学需氧量(chemical oxygen demand,COD) 1000.53 万t、总氮(total nitrogen,TN) 59.63 万t,分别占农业污染排放的93.76%和42.14%。

现有的各种畜禽废水处理工艺,固液分离起关键作用: 一方面可去除畜禽废水中的悬浮性固体物质,降低后续处理负荷;另一方面,分离得到的固体可以堆肥制作有机肥等,实现资源化利用。目前,固液分离技术主要包括重力沉降和机械分离,重力沉降是利用颗粒物自身的重力实现固体和液体的分离,不添加絮凝剂的条件下对总固体(total solid,TS)、挥发性固体(volatile solid,VS)、TN、总磷(total phosphorus,TP)的去除率分别为55%、70%、20%和40%。重力沉降技术操作简单、运行成本低,早期被大量推广,但因其工作周期长,占地面积大,并伴有恶臭气体,逐渐被高效的机械分离所替代。机械分离包含筛分、压滤和离心。目前,螺旋挤压机在处理养殖废水过程的应用最为广泛。如Riaño 等研究了螺旋挤压机作为硝化反应前处理可行性,可实现TS 和COD 的去除率分别为33.4%和24.7%。关正军等研究表明,螺旋挤压机在处理牛粪尿过程中呈现较好的分离效果,固体去除率可达49.84%。螺旋挤压机分离后的固体含水率可以达到堆肥的要求,但是分离后的液体仍含有大量的悬浮性物质,不利于后续处理。离心分离机的产水效果优于螺旋挤压机,可使废水中总固体去除率为50%～65%,COD去除率约为45%～55%,氮、磷元素的去除率为30%～50%,但是存在投资和运行成本较高的问题。因此,开发一种高效固液分离技术有助于提升畜禽废水处理工艺。

离心微滤机是一种新型的固液分离设备,与传统的只利用单一技术设计的固液分离设备相比,离心微滤机是将离心和微滤技术相结合研制的新型固液分离机,可在一定程度上提高固液分离效率且节省能耗。其中离心的作用是为固液分离提供穿透微滤机筛网的作用力,筛网则是拦截大颗粒物实现固液分离的关键环节,尤其是筛网孔径可直接影响固液分离效果。在固液分离过程中物料种类(TS 浓度、粒径分布和黏度)和分离设备的运行参数(筛网孔径和电机转速)是影响固液分离效果的主要因素。本研究针对离心微滤机处理猪场废水过程中的效果不明确问题,以污水水质指标(TS、COD 等)去除率和处理效率为参考指标,探讨猪场废水TS 浓度和筛网孔径对离心微滤机固液分离效果的影响,优选离心微滤机的运行参数,为新型猪场污水高效固液分离技术提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 材料特性

试验地点为河北省某生猪养殖场,该养殖场存栏量4000 头,清粪工艺采用水泡粪,日产生量约50 m。试验时间在2020年10月至2021年4月,取样次数共计45 次,通过抽粪车抽取储存池中不同深度的废水,保证总固体浓度的不同,范围在0.5%～8.0%,其他水质指标如表1所示。

表1 原始猪场废水的特性Table 1 Properties of the raw pig farm wastewater

1.2 试验装置

图1为试验的工艺流程图,猪场废水通过抽粪车从养殖场运输到试验现场储水桶(4),然后打开搅拌泵(3)使物料得到充分搅拌,经过螺杆泵(6)进入离心微滤机(7)实现固液分离,分离后的固体和液体分别排放到固体储存池(8)和液体储存池(9)。

图1 离心微滤工艺流程图Fig.1 Flow chart of the centrifugal microfiltration process

图2为离心微滤机结构(左: 主视图;右: 左视图),主要由筛网(6)和驱动单元(7)组成,自动加油脂器(5)起到润滑电机的作用,使设备保持良好的运行状态。物料通过螺杆泵从下端口(1)进入,通过离心和螺旋挤压的作用实现固液分离,固体物质从上端端口(3)排出,分离液透过筛网从下端口(2)排出,微滤机运行过程无需清洗。离心微滤机3 种筛网孔径可供选择,分别为15 μm、25 μm 和50 μm,其他主要设备参数见表2所示。

表2 猪粪固液分离主要试验仪器的设备参数Table 2 Parameters of equipment used for the solid-liquid separation of pig farm wastewater

1.3 试验设计

设计不同TS 浓度(1%、2%、3%、4%和5%)与不同筛网孔径(15 μm、25 μm 和50 μm)的交叉试验,共15 个处理,每个处理设置3 个重复。猪场废水通过加水稀释调节合适TS 的浓度。记录储水桶体积变化,计算其单位时间内处理量。并对原废水、分离液和固体部分进行采样,采样点分别为图2中的点1、点2 和点3。在设备运行过程中每间隔5 min 采一次样,设置3 个平行,并检测水质指标,分析其去除率。

图2 离心微滤机的示意图Fig.2 Schematic diagram of centrifugal microfiltration

1.4 分析方法

TS 测定采用重量法(NY/T 302-1995);pH 和EC 的测定分别采用便携式pH 计(Five Go F2,梅特勒,瑞士)和便携式电导率仪(METTLER TOLEDO FE38);浊度测定采用哈希便携式浊度仪(2100Q,哈希,美国);COD 测定采用重铬酸钾快速消解分光光度法(DR 6000,哈希,美国,量程: 0～1500 mg·L);TN测定采用过硫酸盐氧化法(DR 6000,哈希,美国,量程: 0～150 mg·L);NH-N 测定采用水杨酸分光光度法(DR 6000,哈希,美国,量程: 0～50 mg·L);TP 测定采用钼酸铵分光光度法(DR 6000,哈希,美国,量程:0～100 mg·L)。

1.5 各项水质指标去除率计算方法

固液分离前后水质指标的变化用R表示去除率,其计算公式为:

式中:表示粪尿中去除化合物到固体馏分的效率,%;表示分离后液体中化合物的浓度,mg·L;表示原始粪尿中化合物的浓度,mg·L。

单位时间的处理量(,L·h)反映了工艺产水效率,其计算公式为:

式中:为批次处理体积,L;为批次处理时间,h。

采用Excel (Microsoft 2016)对试验结果进行数据整理记录,用Origin 2021b 软件统计分析(显著性和相关性分析)和作图,工艺流程图和设备结构示意图采用 AutoCAD 2021 绘画。

2 结果与分析

2.1 猪场废水总固体(TS)浓度与水质指标之间的关系

以该养殖场废水建立TS 浓度与各项水质指标(pH、EC、浊度、COD、TN、NH-N 和TP)间的线性关系方程,如图3所示。结果表明TS 与pH 和EC呈负相关,与COD、TN、NH-N 和TP 都是呈正相关。其中TS 浓度与pH、COD、TP 具有较好相关性,决定系数()分别为0.57、0.53 和0.66,与其他指标(浊度、EC、TN 和NH-N)的相关性较差,分别为0.33、0.02、0.10 和0.03。但Zhu 等研究表明妊娠猪粪便中TS 与TN 和TP 之间的相关性较强,其中决定系数分别为0.988 和0.994。本研究决定系数较差可能是因为试验物料为实际猪场废水,水质指标不稳定。因此建立线性方程的过程中,不能涵盖而论,要考虑多方面的因素,这样可以提高水质指标估计的准确性。

图3 猪场废水总固体浓度与酸碱度和电导率(a)、浊度和化学需氧量(b)、总氮和氨氮(c)及总磷(d)的关系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 猪场废水污染物的去除效果

离心微滤处理后液体部分水质指标如表3所示。其中对TS 的去除效果较好,去除率为17%～68%,对浊度、COD、TN、TP 和NH-N 的去除率分别为3%～39%、17%～59%、4%～43%、18%～54%和2%～17%。对COD 和TP 去除效果较好的原因在于养殖废水中90%的TP 和COD 存在于固相之中。对于TN 和NH-N 去除效果较差的原因为养殖废水中氮元素主要以无机盐、氨基酸及多肽等形式存在,含氮元素化合物的溶解速率较高、更易于溶解,从而转化为溶解态的 NH-N,该微滤机的筛网孔径为微米级别,因此不能对 NH-N 进行有效截留,并且出现分离液中 NH-N 浓度升高的现象。相关研究表明在储存过程中有机氮会发生分解,造成 NH-N 的浓度增加。表4所示,筛网孔径对TS、浊度、COD、TN 的去除率有显著影响(＜0.05);TS 浓度对TS、浊度、TN和TP 的去除率存在显著影响(＜0.05)。但筛网孔径和TS 浓度对各水质指标去除率无交互作用。

表3 离心微滤机进水和产水水质指标Table 3 Water quality indexes of inlet and produced water of centrifugal microfiltration machine

表4 猪场废水总固体浓度和离心微滤机筛网孔径对于水质指标去除率影响的显著性分析(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 浓度对固液分离效果的影响如图4所示,当筛网孔径一定时,不同TS 浓度下COD、TP 和NH-N的去除率均无显著性差异(＞0.05),TS、浊度和TN的去除率有显著性差异(＜0.05)。当筛网孔径为15 μm时,TS、COD 和TP 的去除率基本随着TS 浓度增加而增加。浊度的去除率随着TS 浓度的升高呈先减小后增加的趋势;TN 的去除率随着TS 浓度增加呈先增加后减小的趋势;NH-N 去除率呈无规则变化。当筛网孔径为25 μm 时,TS、TN 和NH-N 的去除率基本随着TS 浓度增加而增加;随着TS 浓度的增加TP 呈先增加后减小的趋势;而浊度、COD 和TP 的去除率呈不规律变化。当筛网孔径为50 μm 时,TS的去除率随着TS 浓度增加而增加;浊度、COD、TN、TP 和 NH-N 去除率呈不规则变化。综上所述,当筛网孔径一定时,TS 的去除率随着进料浓度增加而增加。这与相关研究结果一致,Sneath 等研究离心机处理猪场废水过程中,当TS 浓度从2%增加到8%时,TS 去除率从43%增加到61%。但其他水质指标呈现出不规则变化,这与相关研究的结论存在差异,如杨迪等选取3 种不同筛网孔径,研究不同浓度和筛网孔径对于分离率的影响,结果表明当筛网孔径一定时,随着污水浓度的升高,COD、TN和TP 的去除率均有升高的趋势。研究结论不一致的原因在于本试验采取有实际猪场的废水,物料特性存在差异,从而造成去除率的不规则变化。

筛网孔径对固液分离效果的影响如图4所示。当TS 浓度一定时,不同筛网孔径下TS、COD、TP和 NH-N 的去除率均无显著差异。当TS 浓度为1%时,TS、浊度、COD 和TN 的去除率随筛网孔径减小而增加;TP 和 NH-N 的去除率先减小后增加。当TS 浓度为2%时,TS、浊度、COD 和TN 的去除率均随筛网孔径减小而增加;TP 的去除率先减小后增加;NH-N 的去除率呈减小趋势。当TS 浓度为3%时,TS、浊度、COD 和TN 的去除率均随筛网孔径减小而增加;TP 的去除率先增加后减小;NH-N 的去除率先减小后增加。当TS 浓度为4%时,随着筛网孔径减小,TS、浊度、COD、TN 和TP 的去除率增加;NH-N 的去除率呈减小趋势。当TS 浓度为5%时,TS、浊度、COD 和TN 的去除率均随筛网孔径减小而增加;TP 和NH-N 的去除率先减小后增加。综上所述,当TS 浓度一定时,TS、浊度、COD 和TN 的去除率随着筛网孔径的减小而增加。因此筛网孔径对于各项水质指标的去除效果为15 μm 处理＞25 μm 处理＞50 μm 处理。这与杨迪等研究结果相同,当筛网孔径减小时,固液分离机对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结果,随筛网孔径减小分离效果提高,当筛网孔径从0.7 mm 减小到0.3 mm,对固体物质的去除率提高20%。其中TP 和 NH-N 出现不规则变化,主要原因在于物料间存在差异性和NH-N 的水溶性造成。综上所述,随着总固体浓度的升高和筛网孔径的减小,对于水质指标的去除率有升高的趋势。当废水浓度为5%和筛网孔径15 μm 时,对于TS、浊度、COD、TN 和TP 的去除率可达最大值,分别为68%、39%、59%、42%和54%。

图4 总固体浓度和筛网孔径下离心微滤机的猪场废水总固体(a)、浊度(b)、化学需氧量(c)、总氮(d)、总磷(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 离心微滤机猪场废水处理量和经济性能

TS 浓度和筛网孔径的变化对于离心微滤机处理量的影响如图5所示。当筛网孔径为15 μm 和50 μm时,随着TS 浓度升高,单位时间处理量呈升高趋势。筛网孔径越大,单位时间内的处理效率越高(＜0.01)。当筛网孔径为50 μm 时处理量为14～19 m·h;15 μm和25 μm 的处理量为2～7 m·h。杨迪等得到相同结果,筛网孔径越大,处理效率越高。

图5 猪场废水总固体浓度和筛网孔径对处理量的影响Fig.5 Effects of total solid concentration of pig farm wastewater and mesh size on treatment capacity

以万头猪场为例,该养殖场每天需处理废水量约150 m。离心微滤机的筛网孔径为15 μm 和25 μm时处理量按5 m·h,50 μm 的处理量按15 m·h;所以当处理相同的废水量时15 μm 和25 μm 需要购置3 台相同型号的设备。依据使用手册该设备每天运行10 h,使用年限为15年,因此每台设备的折旧费用约0.18 元·m。离心微滤机运行需人工1 人,人工费用按100 元·d,处理一方废水的人工费为0.67 元。通过调节变频器控制微滤机转速,当筛网孔径为15 μm、25 μm 和50 μm 时,转速的控制范围分别为1500 r·min、1050～1500 r·min和450～1200 r·min。运行过程中耗电设备为微滤机、螺杆泵和搅拌泵,处理1 m的废水能耗分别为1.46～3.38 kWh、1.36～1.95 kWh 和0.40～0.48 kWh。当地电费按0.50 元·kWh计算,筛网孔径为50 μm 时能耗成本最低,范围在0.20～0.26 元·m;当筛网孔径为15 μm 和25 μm 时能耗成本分别在0.73～1.69 元·m和0.68～0.98 元·m。离心微滤机的能耗成本选取中间值分别为1.21元·m、0.83 元·m和0.23 元·m。综合核算可知,离心微滤机筛网孔径为15 μm、25 μm 和50 μm 时,运行成本分别为2.44 元·m、2.06 元·m和1.08 元·m(表5)。

表5 不同筛网孔径的离心微滤机处理猪场废水的经济性分析Table 5 Economic analysis of solid-liquid separation of pig farm wastewater with centrifugal microfiltration with different size

综上所述,该离心微滤机最优的处理组为筛网孔径为50 μm 和TS 浓度为5%,此时水质指标TS、COD 和TP 的去除率分别为57%、29%和43%,处理量可以达到最大值19 m·h。该离心微滤机是一种将离心和微滤相结合的固液分离设备,对其进行研究的目的是为提高猪场废水固液分离效果的同时降低运行成本。与前人的研究结果相比(表6),该离心微滤机对TS 和COD 的去除率高于水力筛、滤网和螺旋挤压机等设备,与沉降离心机的去除效果相当,但其具有处理效率高且能耗低的优点,因此在处理猪场废水时具有较好的应用前景。

表6 不同固液分离技术的效果与能耗Table 6 Different solid-liquid separation of separation effect and energy consumption

3 结论

离心微滤机是将离心技术和微滤技术相结合设计研制的固液分离机,其中离心的作用是为固液分离提供穿透筛网的作用力,筛网则是拦截大颗粒物实现固液分离,将两者结合可在一定程度上提高固液分离效率且节省能耗。本研究明确了该离心微滤设备处理猪场废水的效果,具体结论如下:

1)猪场废水各指标之间可建立关系方程,从而使用一些简单易测的指标来评价其他水质指标,节约检测时间和降低检测成本,但在建立线性方程的过程中不能涵盖而论,要考虑多方面的因素,以提高水质指标估计的准确性。

2)该离心微滤机对TS、浊度、COD、TN、TP和 NH-N 各项指标的去除率范围分别在17%～68%、3%～39%、17%～59%、4%～43%、18%～54%和2%～17%。随着总固体浓度的升高和筛网孔径的减小,对于水质指标的去除率有升高的趋势。当TS 浓度为5%和筛网孔径为15 μm 时,TS、浊度、COD 和TP的去除率达到最大值,分别为68%、39%、59%和54%。但当筛网孔径为15 μm 时,处理效率下降、能耗增加。综合考虑,当总固体浓度为5%和筛网孔径为50 μm 时为最佳处理组,水质指标TS、COD 和TP 的去除率分别为57%、29%和43%,处理量可达19 m·h。离心微滤机与沉降离心机对水质指标的去除率相当,但可以提高处理效率和降低能耗,因此在处理猪场废水时具有较好的应用前景。