基于低速离心分离技术的水禽粪污预处理装置研发

关正军 ，吴应涛 ，陈科昭 ，韩 威 ，贾兴江 ，王秋雁 ，王述昆

（西南大学工程技术学院，重庆，400715）

0 引 言

近年来，水禽养殖业向规模化、集约化方向发展，为大众带来丰富的蛋类和肉质类产品的同时，养殖粪污产量激增，阻碍了产业的可持续性发展[1-3]。粪污中含较多的营养物质以及污染物，有效的处理既能够解决粪污的污染问题，又能够实现资源的回收利用[4-5]。在粪污生化处理前，进行预处理可提高处理工艺的效率[6-8]。水禽粪污的物理特性与沼液相似，水体黏稠且固体颗粒粒径细小，采用螺旋挤压难于分离。

沼液的处理方式有曝气、混凝絮凝、沉淀与过滤以及机械分离。曝气处理以注入空气的方式，使水体中的微生物获得充足的氧气，促进微生物对污染物的分解作用，实现固形物的去除[9-10]。混凝絮凝利用絮凝剂可使污水中细微颗粒发生脱稳、絮凝、沉淀，实现固形物高效去除，但常用的无机、有机絮凝剂在使用过程中过量的添加会导致水体二次污染[11-13]；微生物絮凝剂是一种绿色无毒的试剂，但因制备条件苛刻，规模化生产受到限制[14-16]。自然沉淀能耗低，操作简便，但占地面积大，沉淀时间长，固液分离效率低[17-18]；杜静等[19]研究发现，最佳自然沉淀时间为1 d，悬浮性固体去除率达到33.8%。过滤就是利用过滤材料的吸附性或细小网孔截留水体中的固体颗粒实现固形物的去除，李刚等[20]使用生物质灰渣净化沼液，发现灰渣粒径对沼液净化效果影响显著，粒径小于0.5 mm时，COD和TS的去除率能够达到最大值，分别为94.07%和87.16%；但过滤过程中易出现堵塞情况，整体处理效率较低，且存在部分滤料无法二次利用问题[21-24]。针对这类固体含量低、固体颗粒粒径小的污水，离心机械因占地面积小，处理效率高而成为固液分离机械设备中的最优选择[25-27]；BACHMANN等[28]测定了离心分离前后污水的各项指标变化，结果表明污水体积减少近10%，固形物去除率达到50%，同时50%以上的营养物质保留在分离液相中。由此可见，机械分离方式具有处理效率高，无污染物引入，能够保留较多营养物质的优点。

本研究依据水禽粪污特点并综合考虑各种污水处理手段的优缺点，采用离心技术分离水禽粪污。为了实现高效低耗，研究采用二次通用旋转组合设计分析筛网目数、离心转速、分离时间对分离效果的影响，并以优化参数为依据对研发的低速离心分离装置进行试验，为解决黏稠小颗粒水禽粪污分离提供技术与装备支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水禽粪污原样取自重庆市荣昌区家禽科研基地，该基地养殖的水禽为鹅。舍内的粪污处理采用干清粪方式，残留粪污在水冲洗后，混合粪液输送至处理设备中进行处理。采集的污水被保存在塑料桶中并置于5 °C的条件下冷藏。粪污颜色呈褐色，水体浑浊黏稠，含有大量悬浮性固体，同时散发着刺激性气味。经过对原样的测定，水禽粪污的各指标如表1所示。

表1 水禽粪污指标Table 1 Waterfowl manure indicators

1.2 试验方案

预处理试验平台的组成部分有高速离心机、筛网和离心管。高速离心机型号为Thermo ST16R，筛网为市售国标尼龙筛网，离心管为15 mL尖锥离心管。尼龙筛网经过裁剪与粘合操作后，被制作成尺寸为12 mm×11 mm×65 mm、外形呈长条状的滤袋，离心管上半部内置滤袋，作为装载粪污的容器。

单因素试验是在筛网目数、离心转速和分离时间3个因素中，分别固定其中两个因素，研究其中一个因素对离心分离效果的影响规律。依据文献[29-31]和预试验结果，当筛网目数小于40目(＞0.43 mm)时，粪污分离前后体积变化不明显且水体依旧浑浊；当筛网目数大于200目(<0.08 mm)时，分离液相体积减小，滤袋中含有较多液体；当分离时间大于6 min或离心转速大于1000 r/min时，筛网堵塞严重，分离固相难以清理。因此，单因素试验中筛网目数选用40、80、120、160、200目，其对应的孔径大小分别为0.42、0.18、0.13、0.09、0.08 mm，分离时间选用1、2、3、4、5 min，离心转速选用500、600、700、800、900 r/min。

离心机运行时，内部温度统一设定为室温（25 °C）。在同一个试验条件下， 6支离心管中分别注入8 mL的污水，离心机的运行参数依照相应的试验条件设定后进行离心分离；经过分离后，离心管中的分离液相取出混合在一起进行污染物指标的测定。重复上述步骤3次，测定3组样品中的各污染物指标数据后，数据平均值作为当次试验最终结果。

单因素试验数据采用Excel 2016和Origin 2021进行分析。根据单因素试验结果设计优化试验，优化试验结果由Design Expert 12分析获得。

1.3 测定方法

总固体（TS）采用烘干法测定；挥发性固体（VS）采用灼烧法测定；化学需氧量（COD）采用重铬酸钾法测定；氨氮（NH4+-N）采用蒸馏中和滴定法（凯式定氮仪）测定；总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 单因素变化对污水分离效果的影响

按照上述单因素试验方法，得到各单因素对水禽污水离心分离效果的影响规律。

2.1.1 筛网目数对分离效果的影响

在筛网目数单因素试验中，水禽粪污原样中的COD、TS、VS、NH4+-N、TP分别为9 894.50 mg/L、5.14%、3.56%、714.12 mg/L、38.61 mg/L。设定离心转速700 r/min，分离时间3 min，考察不同筛网目数对污水分离效果的影响。经过不同筛网目数离心分离后，分离液相中TS、VS、COD等污染物含量的变化如图1所示。

图1 各指标含量随筛网目数变化曲线Fig.1 Variation curve of each index content after treated with different mesh size

根据图1中各曲线可知，水禽粪污中各污染物含量随着筛网目数的增加呈现一种逐渐降低的趋势。原因在于随着筛网目数的增加，不断减小的筛网孔径使得水禽粪污中较大粒径的固体颗粒难以通过，被截留在滤袋中。当筛网目数为120目（孔径为0.13 mm）时，筛网堵塞情况较轻，污水分离效果较好，此时TS去除率为52.33%，VS去除率为62.08%，COD去除率为9.97%，NH4+-N去除率为7.41%，TP去除率为9.69%。COD、NH4+-N、TP的去除率变化幅度均小于5%，去除效果提升不明显，这是由于养殖粪污中氨氮、还原性物质主要以水溶形式存在，物理分离方式无法有效去除水体中的氨氮和还原性物质；90%的含磷固体颗粒粒径小于0.15 mm[30]，因此存在污水装填以及分离过程中含磷固体颗粒穿过滤袋进入分离液相中，导致液相中的总磷未见明显去除。

2.1.2 离心转速对分离效果的影响

离心转速单因素试验中，水禽粪污原样中的COD、TS、VS、NH4+-N、TP分别为10 075.50 mg/L、5.21%、3.45%、723.72 mg/L、37.85 mg/L。设定筛网目数为120目（0.13 mm），分离时间为3 min，考察不同离心转速对污水分离效果的影响。经过不同转速离心分离后，分离液相中TS、VS、COD等污染物含量的变化如图2所示。

图2 各指标含量随离心转速变化曲线Fig.2 Variation curve of each index content after treated with different centrifugal speed

根据图2中各曲线可知，污水中各污染物含量随着离心转速的增加呈现逐渐降低的趋势。原因在于随着离心转速的增加，污水所受离心力增强，由于筛网的截留作用，水禽粪污的固液分离取得了较好的效果。当离心转速为900 r/min时，污水中TS、VS的去除率达到最佳，此时TS去除率为54.32%，VS去除率为65.51%，COD去除率为8.56%，NH4+-N去除率为7.09%，TP去除率为13.76%。当离心转速继续增加后，固形物的质量分数变化不明显，这是由于在低速离心作用下，主要实现了自由水的分离，吸附水脱离颗粒间吸附作用能力不强，脱水效果提升不明显。

2.1.3 分离时间对分离效果的影响

分离时间单因素试验中，水禽粪污原样中的COD、TS、VS、NH4+-N、TP分别为10 334.50 mg/L、 5.38%、3.74%、748.47 mg/L、40.12 mg/L。设定筛网目数为120目（0.13mm），离心转速为700 r/min，考察不同分离时间对污水分离效果的影响。经过离心分离后，分离液相中TS、VS、COD等污染物含量的变化如图3所示。

图3 各指标含量随分离时间变化曲线Fig.3 Variation curve of each index content after treated with different separation time

根据图3中各曲线可知，污水中各污染物含量随着分离时间的增加呈现一种逐渐降低的趋势。原因在于随着分离时间的增加，滤袋中滤饼层的厚度逐渐增加，固体颗粒被截留下来，同时液体也有了充足的时间穿过滤饼层分离出来。但是过长的分离时间导致筛孔的堵塞情况加重，液体难以穿过滤饼层；同时由于固体颗粒的不规则形状，颗粒能够利用窄边穿过筛网[31]，进而使得分离液相中的固形物含量增加。当分离时间为3 min时，污水中TS、VS的去除率达到最佳，此时TS去除率为54.46%，VS去除率为63.10%，COD去除率为11.76%，NH4

+-N去除率为5.17%， TP去除率为14.88%。

2.2 二次通用旋转组合设计

由上述单因素试验结果可知，在筛网目数、离心转速、分离时间这3个因素的作用下，水禽粪污中的TS和VS的去除效果明显。因此，选取这3个因素作为影响因子，分别用A、B、C表示，以TS和VS为试验指标，进行二次通用旋转组合设计，其因素水平及编码表如表2所示。其中筛网目数80、100、120、140、160目对应的孔径大小分别为0.18、0.15、0.13、0.11、0.09 mm。试验使用的污水原样指标：COD为10 013.50 mg/L，TS为5.10%，VS为3.45%，NH4+-N为713.61 mg/L，TP为36.08 mg/L。

表2 因素水平及编码表Table 2 Factors and code levels

表3为响应面试验设计方案与试验数据，在20组试验数据中，TS的质量分数在2.41%～2.67%之间，VS的质量分数在1.35%～1.61%之间。TS的去除率在47.65%～52.75%之间，VS的去除率在53.33%～60.58%之间。

表3 响应面试验设计及结果Table 3 Response surface test design and results

从以TS的质量分数为指标的方差分析表4中的F值可知，筛网目数对TS含量的影响最为显著，离心转速次之，分离时间的影响不显著。由试验结果计算得出编码方程见式（1）。

表4 二次模型方差分析表 (TS)Table 4 Analysis variance for quadratic model (TS)

根据分析结果可知，模型F=11.31，P=0.000 4，表明筛网目数、离心转速、分离时间与TS含量间的回归关系达到显著水平；失拟项P=0.056 9＞0.05，影响不显著，表明该模型拟合程度较好，试验中未知因素干扰能力小，可以用于模型分析。

在交互项中，所有交互项的P值均大于0.05。因此，以TS为指标时筛网目数、离心转速和分离时间三因素间的相互作用均不显著。

由以VS的质量分数为指标的方差分析表5中F值可知，筛网目数对VS含量的影响最为显著，离心转速次之，分离时间的影响不显著。由试验结果计算得出编码方程见式（2）。

表5 二次模型方差分析表 (VS)Table 5 Analysis variance (ANOVA) for quadratic model (VS)

根据分析结果可知，模型的F=14.63，P=0.000 1，表明筛网目数、离心转速、分离时间与VS含量间的回归关系达到显著水平；失拟项P=0.229 6＞0.05，影响不显著，表明该模型拟合程度较好，试验中未知因素的干扰能力小，可以用于模型分析。

在交互项中，BC的P=0.046<0.05，达到显著水平，AB和AC交互项均不显著。离心转速和分离时间的交互作用显著，交互项对应响应值的影响如图4所示。由图可知，离心转速和分离时间的交互作用显著，随着离心转速和分离时间的增加，水禽粪污中VS含量逐渐减少，当分离时间增加到一定程度时，污水中VS的含量略有升高。

图4 离心转速和分离时间对分离效果影响的等高线及响应面Fig.4 Contour line plots and response surface of effect of speed and time on separation

2.3 试验验证

根据软件Design Expert 12对试验数据的分析结果，并考虑实际运行时筛网堵塞、装置运行能耗，得出低速离心分离的优化参数为：筛网目数120目，离心转速700 r/min，分离时间3 min；该条件下TS与VS的软件预测值分别为2.50%，1.43%。

根据离心分离优化参数进行重复性试验验证，水禽粪污原样指标：COD为8 118.00 mg/L，TS为4.96%，VS为3.49%，NH4+-N 为728.85 mg/L，TP为36.08 mg/L。试验结果如表6所示，TS、VS的实测值与预测值之间的相对误差分别为1.20%，3.50%，均小于5%，证明了优化参数可信。在优化参数组合条件下，COD平均去除率为5.39%，TS平均去除率为50.20%，VS平均去除率为57.59%，NH4+-N平均去除率为4.39%，TP平均去除率为5.76%，与其他预处理技术相比，低速离心分离技术固形物去除率效果显著。

表6 最优水平组合方案重复性检验结果Table 6 Results of replicate test in combination scheme with optimal factors

离心分离前后的实物对照如图5所示，经过离心分离后，固相含水率降低至85%以下，便于后续处理。与原样相比，分离后的水体透明度明显提高，悬浮性固体去除明显，可为后续生化工艺减轻运行负荷、提高工作效率、降低运行成本。

图5 水禽粪污预处理前后对比Fig.5 Comparison before and after the pretreatment of waterfowl manure

3 样机试验

为了验证低速差速离心分离技术的实际应用效果，根据优化试验所得最优工况条件和预计的单次粪污处理量设计了如图6所示的离心分离装置。

图6 低速差速离心分离装置Fig.6 Low-speed differential centrifuge equipment

装置整体结构简单，中间轴上等距的布水孔确保进水能够均匀分布在筛筒表面；外壳体下侧设有排水口排放分离后的污水；右端的丝杆升降平台用于分离后固相的倾斜卸料，分离固相由尾部设有的挡料板辅助排放；上方设有喷水嘴可实现对筛筒的清洗。

逻辑控制器和变频器作为该装置的控制核心，实现如下的离心分离工艺：进料时离心加速度略大于重力加速度，实现均匀布料，达到批次进料量后停止进料，筛网转速提升至分离工况的离心转速进行离心分离，分离完成后离心加速度降至在0.5～0.8倍的重力加速度范围，丝杠升降平台升起右端，实现倾斜卸料，完成卸料后再恢复水平进料状态，不断循环工作，从而达到低速离心分离和差速卸料的目的。整体控制系统具备电机调速，筛筒堵漏预警以及筛筒冲洗功能。

依据离心加速度计算式（3）得出最优工况条件下的离心加速度为269.41 m/s2，结合研发装置筛筒尺寸计算出样机作业时离心转速为313 r/min。考虑到实际运行过程中一次分离批量的影响，分离污水需要透过污泥层然后再通过筛网，阻力有所增加，离心机的离心转速选取为330 r/min。

式中a为离心加速度，m/s2；n为转速，r/min；r为离心半径，m。

样机处理的水禽粪污原样中COD、TS、VS、NH4+-N、TP的指标分别为9 682.00 mg/L，8.42%，4.88%，2 047.29 mg/L，41.55 mg/L，污水预处理后的各指标含量如表7所示。

表7 预处理后各指标含量Table 7 The content of each index after treated

由试验结果可知，样机运行TS、VS、COD、NH4+-N和TP的去除率分别为53.21%、58.61%、4.45%、11.44%和10.97%。分离后水样静沉1 h后，分层现象明显，水层呈透明状，离心分离破坏了胶体的稳定性，固体沉降速率提高，取得了较好的固形物去除效果，样机配套动力1.5 kW，每吨水禽粪污或沼液分离运行能耗为0.96 kW·h，每吨污水处理成本为0.48元，相比于高速卧式螺旋离心机，处理成本降低了近22%[32]。水禽粪污经过低速差速离心分离后，污水中挥发性固体含量显著降低，减轻了后续生化处理工艺运行负荷。

4 结 论

1）利用优化试验考察了筛网目数、离心转速、分离时间对水禽粪污中TS、VS含量的变化。低速差速离心分离工艺的最优参数组合为：筛网目数为120目（0.13 mm），离心转速为700 r/min，分离时间为3 min，在此条件下，水禽粪污的分离效果达到最佳，TS去除率为50.20%，VS去除率为57.59%。

2）根据优化参数研发了低速差速离心分离样机，水禽粪污分离效果为TS去除率53.21%，VS去除率58.61%。样机能够实现自动高效低耗作业，对水禽粪污和沼液类黏稠、固形物颗粒小的物料固液分离具有应用价值。