仿生携氧材料在猪场废水处理上的应用研究

陈少康，罗光建，秦泽荣，李 爽，薛振华，魏荣贵，邢 凯，云 鹏*

（1.北京市畜牧总站，北京 100107；2.北京普仁生态技术有限公司，北京 102299；3.北京农学院动物科学技术学院，北京 102206）

猪场废水处理技术的关键环节在好氧过程，而好氧过程中的关键技术在于曝气，目前采用的曝气方法氧气利用率都较低，传统的机械方法氧气利用率一般不超过30%；纳米微气泡曝气目前效率最高，但随气泡越小成本越高，高压方法可以增加水的溶氧量，但高压条件撤出后，氧气会很快从水中溢出，能源浪费严重。水体的溶氧量受饱和溶氧量的限制，而饱和溶氧量又与温度、压力及水体的成分等因素相关。超饱和溶氧状态在一定条件下存在，但不稳定，很快回到饱和状态这个“平衡点”，这是造成曝气时氧气利用率低的主要原因。

如何提高水中氧气捕获量，如何提高氧气利用率是整个好氧曝气过程研究的热点。仿生携氧材料是受自然界中血红蛋白及水黾、水蜘蛛、热带蜥蜴等体表具有携氧能力的启发，研制而成。仿生携氧材料本质具有亲氧特性，能够瞬间将氧分子结合到材料表面，形成“富氧层”，增大氧与水的接触面积，避免或减少气泡上浮逃逸，提高水中氧气捕获量，进而提高氧分子的利用率，具有传统曝气技术无法比拟的优势。本研究将自主研发的仿生携氧材料应用于好氧曝气过程中，探讨该材料对增加水中氧捕获量、水中氧利用率以及废水处理的效果，以期为猪场提供一种处理效果好、运行成本低以及操作简捷的废水处理新技术。

1 材料与方法

1.1 仿生携氧载体制备 携氧材料是由低表能表面活性材料和载体材料制成，低表能表面活性材料为氟碳或氟硅树脂材料，载体材料为多孔陶粒、玻璃纤维棉、聚丙烯纤维棉、不锈钢丝等，低表能表面活性材料可以完全包裹住载体材料的表面。制备方法：①将低表能材料制成30～60 nm 的微粒，搅拌分散在非极性溶剂中，得到含有仿生携氧材料的喷涂材料；②对载体材料进行表面喷涂；③将经喷涂的载体材料进行风干、高温固定处理，得到仿生携氧载体材料；④处理后的不锈钢丝放于生化池上方曝气，处理后的材料制成生物载体球用于猪场废水处理的生化池中。

1.2 仿生携氧曝气一体化工艺设计 在高出水面30～50 cm的水池上方，铺放厚度为3～5 cm 的新型携氧材料改性不锈钢丝网，废水由生化池底部通过轴流泵提升，再经布水管浇淋在携氧改性不锈钢丝网上，形成循环，达到曝气和脱氮的双重效果。经携氧钢丝网流下的水的溶氧量可以达到饱和。

1.3 试验猪场 试验猪场位于北京市平谷区，占地5万m，其中生猪养殖占地2.8 万m，果园占地2.2 万m。能繁母猪300 头，存栏3 500 头，日排放废水约40 m。处理前原水化学需氧量（CODcr）8 600～11 000 mg/L。

1.4 废水处理工艺 猪场废水经过收集管道进入调节池，再通过泥浆泵进入黑膜沼气池，在黑膜沼气池中经过厌氧发酵后，流入仿生携氧曝气一体化池，进行一级生化、二级生化处理，在此过程中依靠研发的仿生携氧材料以及携氧曝气一体化池的自循环系统，对废水进行高效的有氧发酵；然后将处理的废水导流到植物复合湿地，进行进一步的脱氮和去除悬浮物；最后处理后的废水用于灌溉果园、林地或经消毒处理回舍利用。流程图见图1。

图1 猪场废水处理流程

1.5 厌氧、好氧池容量 根据试验猪场养殖规模及日产生废水量来进行设计，主要在黑膜沼气池与仿生携氧曝气一体化池的容量上，一定要满足废水处理净化技术的参数要求。

1.6 采样时间 整个废水处理系统运行稳定后，进行采样、水质指标检测。

1.7 水质指标测定方法 悬浮物（SS）、化学需氧量（CODcr）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH-N）等水质指标均按照（GB18596—2001）《畜禽养殖业污染物排放标准》中规定的监测方法及方法来源进行测定。

2 结果

2.1 仿生携氧材料携氧量 经测量，仿生携氧曝气一体化池中，加入仿生携氧载体生化池的水溶氧量为8.7～12.9 mg/L，为饱和溶氧状态。

2.2 废水处理结果 水质检测指标结果如表2 所示，废水经过处理后CODcr 达到40 mg/L 以下，水质指标基本达到一级b 标准，经消毒处理后，完全实现场区内部循环利用。

表2 废水处理结果

2.3 运行成本 该项目自设计、建设与运行以来，对运行成本进行测算，主要包括电费、人工费及材料消耗费。

表1 厌氧、好氧池容量

电费：包括2 个水泵、2 个交替运行可调频曝气用空压机，实际运行总功率6 500 W，该养殖场每度电0.5元，1 年共计电费：6.5×24×365×0.5=28470 元。

人工费：整个系统由1 名养猪工人兼职负责巡视管理，每天耗时按1 h 计算，计1/8 个工，每年人工费用：4000/8×12=6 000 元。

材料消耗费用：微生物菌种和水生植物种苗不定期投入，每年费用约9 000 元。

年处理废水量：每天处理废水约40 m，1 年共处理废水：40×365=14 600 m。

运行费用=（电费+人工费+材料消耗费）/年处理废水量=（28470+6000+9000）/14600=2.98 元/t。

根据实际测算得出废水处理运行成本不到3.0 元/t。而在整个设施设备运行过程中，到目前为止基本没有产生维修成本，所以维修成本仍需要继续观察与测算。

3 讨 论

3.1 仿生携氧材料增加水中氧气捕获量 仿生携氧材料是受哺乳动物体内的血红蛋白能够快速结合与释放氧分子的机理启发，利用低表能亲氧材料和固体载体材料复合研制而成，携氧材料的目的是保障水中合适的溶氧浓度，为微生物的生长繁殖创造条件。因此，应用携氧材料可始终保持水溶氧达到饱和状态，加之与好氧微生物耦合后，大大提高氧气利用率，更加有利于微生物的生长繁殖，使用效果更加良好。

3.2 废水处理运行成本分析 目前国内外废水处理多用厌氧加活性污泥曝气方法，其中曝气所占成本达50%～70%，其缺点是基础投资较高，占地面积较大，对周围环境有一定影响，氧气在水中的溶解度较低，氧气利用率不高，导致单位废水处理成本较高。由于废水处理的本质是以微生物降解为中心，因此，提高微生物的降解效能是降低废水处理成本的关键，而曝气过程中氧的利用率不仅关系到微生物的降解效率，同时也极大影响废水净化的成本。如何低成本的将氧气充分溶解在水中是解决废水净化的关键之一。

目前市场所提供的都是化学性携氧材料，都是一次性使用，使耗材成本持续增加。研发的仿生携氧材料具有一次性投入的特点，避免后期反复投入，废水进入仿生携氧一体化生化池，通过仿生携氧材料与固定化微生物进行需氧、厌氧、兼性厌氧反应，从而达到净化废水的目的。而且曝气池的曝气是定量定时进行的，可以大大节省曝气所需的能源，达到节能与高效的目的。应用仿生携氧材料处理废水技术运行成本在3.0 元/t 以下，实现了废水处理效果好、运行成本低的目标，具有较强的市场竞争力。

一体化携氧曝气将废水处理的各个流程，即生物曝气、除碳、脱氮、除磷以及沉淀等多个单元有机组合成一个单元，结构紧凑，有效节省了占地面积，简化了工艺流程。利用低扬程池外曝气技术净化养猪废水可以降低固定资产投资30%以上、运行成本50%以上。

4 结 论

本试验结果显示，仿生携氧材料作为一种新型携氧材料，可显著提高水体中的溶氧量，降低猪场废水处理成本，在猪场废水处理中具有较强的市场竞争力和广阔的应用前景。废水处理技术不是难题，难在后期高昂的运行成本，养殖场应采用符合自身条件的、最经济的废水处理模式。若周边无地可用，可选择仿生携氧一体化废水处理技术实现场内小循环资源利用；周边有林地、果园、菜园等可选择种养结合技术，实现场外大循环资源利用。