豬場(chǎng)廢水厭氧發(fā)酵前固液分離對(duì)總固體及污染物的去除效果

王 明，孔 威，晏水平，艾 平，張衍林

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豬場(chǎng)廢水厭氧發(fā)酵前固液分離對(duì)總固體及污染物的去除效果

王 明，孔 威，晏水平※，艾 平，張衍林

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430000）

養(yǎng)殖廢水中高濃度污染物質(zhì)主要來自于固態(tài)糞污的溶解或微生物的分解作用，在廢水產(chǎn)生后立即進(jìn)行固液分離，可以有效將廢水中還未溶解的固態(tài)物質(zhì)分離出去，從而降低廢水中污染物的含量和減輕后續(xù)生化處理的壓力。該研究以豬場(chǎng)廢水為研究對(duì)象，采用離心分離方式對(duì)廢水進(jìn)行固液分離，主要考察廢水中總固體、化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）及氮磷化合物的去除效果。結(jié)果表明，離心分離可使廢水中總固體去除50%~65%，COD去除效率在45%~55%，N、P元素的去除率在30%~50%之間。通過甲烷化潛力測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)離心分離可使廢水中可厭氧生化物質(zhì)去除50%以上，這可大幅節(jié)約生化處理池的建造體積和處理周期。以萬頭豬場(chǎng)日產(chǎn)100 t廢水量為例，生化前離心處理較直接生化處理可節(jié)約45%的廢水處理成本。該研究可為大中型養(yǎng)殖場(chǎng)就如何節(jié)約廢水處理工程投資和處理成本上提供新的設(shè)計(jì)思路與參考依據(jù)。

糞污；離心作用；分離；厭氧發(fā)酵；生物降解性

0 引 言

隨著中國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)不斷向集中型和規(guī)?；B(yǎng)殖方式的轉(zhuǎn)變，由養(yǎng)殖過程排放的大量糞污所引發(fā)的環(huán)境污染問題也愈發(fā)嚴(yán)重。據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)顯示》[1]，中國(guó)養(yǎng)殖污染物總排放化學(xué)需氧量（COD）為1268萬t，占整個(gè)農(nóng)業(yè)源排放COD總量的95%以上，約是生活源污染物排放COD總量的1.1倍。因此，養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為中國(guó)有機(jī)污染物的主要來源之一。

養(yǎng)殖廢水的處理一般是以城市生活污水廠工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)的，即多以A/O或A/O/O等生化處理方式為主，通過厭氧與好氧或缺氧過程相結(jié)合的方式達(dá)到去除水中有機(jī)污染物及氮、磷等元素的目的[2-3]。無論采取哪種處理方式，其處理成本主要受污水中污染物濃度的影響，污水中污染物濃度越高，就需要越長(zhǎng)的停留時(shí)間。因此，在進(jìn)行生化處理前，盡可能多地去除水中的總固體含量，可以有效降低污水生化處理的時(shí)間和成本。最為常用的糞水固液分離設(shè)備為螺旋擠壓式固液分離機(jī)，其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低和處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在利用螺旋擠壓式固液分離機(jī)對(duì)水沖糞或水泡糞工藝產(chǎn)的高濃度豬糞液進(jìn)行固液分離時(shí)，可有效減少糞水中總固體含量[4-6]。然而，由于固液分離機(jī)的結(jié)構(gòu)限制，對(duì)廢水中的固體分離程度有限，尤其是對(duì)小于篩網(wǎng)孔徑的微小易溶顆粒物質(zhì)幾乎不能起到分離作用，獲得的分離液中干物質(zhì)含量仍然較高，其生化處理周期仍然需要很長(zhǎng)時(shí)間。

研究表明，采用更高級(jí)的固液分離設(shè)備可進(jìn)一步降低廢水中固體物質(zhì)含量，常用的分離設(shè)備有臥螺旋離心機(jī)、蝶螺式脫水機(jī)和壓濾機(jī)等[7-8]，其中臥螺旋離心技術(shù)為近些年逐漸發(fā)展起來的高級(jí)固液分離技術(shù)，被廣泛用于石油化工、食品加工和生活污水處理等生產(chǎn)領(lǐng)域[9]。臥螺旋離心機(jī)具有可連續(xù)進(jìn)出料的特點(diǎn)，較傳統(tǒng)離心機(jī)的批式離心方式具有分離效率高和可連續(xù)運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)，更無需像壓濾機(jī)等過濾式固液分離設(shè)備那樣需要定期更換過濾膜具[10]。研究表明，在將臥螺旋離心機(jī)用于養(yǎng)殖糞水的固液分離時(shí)，也可獲得較高的固液分離效率。高其雙等[11]研究表明，臥螺旋離心分離機(jī)可使高濃度豬糞水中總固體含量降至0.5 g/L，而采用螺旋擠壓式分離機(jī)獲得的分離液，其總固體質(zhì)量濃度則高達(dá)40.2 g/L。Rico等[12]采用螺旋擠壓式分離與離心式分離相結(jié)合的方式對(duì)高濃度牛糞液進(jìn)行固液分離，發(fā)現(xiàn)可獲得幾乎沒有懸浮物質(zhì)（suspend solid，SS）的分離液，生化處理的水力停留時(shí)間僅需1~2 d，COD去除效率可達(dá)80%以上。而對(duì)于離心后獲得的固體部分，其干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般可達(dá)20%以上，風(fēng)干后可與干糞污合并，用于其他途徑的資源化利用，如堆肥[13]或用作固體燃料[14]。

目前，在中國(guó)離心分離技術(shù)一般僅被應(yīng)用于生化處理后的廢水處理，其主要目的是去除生化過程不能去除的懸浮固體顆粒及殘存的活性污泥，如城市生活污水處理廠的污泥脫水[15-16]。然而將離心分離技術(shù)用于高濃度養(yǎng)殖廢水生化處理前固液分離的研究和應(yīng)用還比較少。本研究針對(duì)臥螺旋離心機(jī)在固液分離上的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過在實(shí)驗(yàn)室采用臺(tái)式離心機(jī)模擬臥螺旋離心機(jī)工作參數(shù)的方式，考察離心作用對(duì)新鮮豬糞廢水中總固體、厭氧可生化物質(zhì)、COD及氮磷化合物的去除效果。并以萬頭豬場(chǎng)為例，對(duì)生化前離心處理廢水的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。該研究可為減輕養(yǎng)殖廢水生化處理壓力探索新的方法和途徑。

1 材料與方法

1.1 材 料

豬糞從養(yǎng)豬場(chǎng)取回后挑揀出草稈等雜物后冰凍儲(chǔ)存（?20 ℃）。根據(jù)調(diào)研獲取的豬場(chǎng)廢水一般特征，即干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～1.0%之間，COD在3 000～10 000 mg/L，將新鮮豬糞用自來水稀釋至此范圍來模擬豬場(chǎng)沖洗廢水（見表1）。厭氧發(fā)酵接種物取自豬場(chǎng)廢水厭氧處理池的底部污泥（經(jīng)池體排泥管道排出），取回后儲(chǔ)存于4 ℃冰箱備用。接種物懸浮固體（suspend solids，SS）和揮發(fā)性固體（volatile solid，VS）的質(zhì)量濃度分別為(18.5±0.35)和(15.1±0.47) g/L；pH值為(7.56±0.09)；總氮（total nitrogen，TN）質(zhì)量濃度為(859±28.9) mg/L。

1.2 離心分離試驗(yàn)

由于臥螺旋離心分離設(shè)備主要以中試和生產(chǎn)規(guī)模為主且體型龐大，在實(shí)驗(yàn)室模擬臥螺旋離心機(jī)的分離效果時(shí)，一般可采用臺(tái)式離心機(jī)進(jìn)行。本研究所用臺(tái)式離心機(jī)規(guī)格為4孔×250 mL，最高轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

離心轉(zhuǎn)數(shù)與離心時(shí)間是影響離心過程物料沉降和離心成本的2個(gè)主要因素，其試驗(yàn)水平的設(shè)定參考生產(chǎn)中臥螺旋離心機(jī)的實(shí)際工作參數(shù)。以LW-400×1200型螺旋分離機(jī)（廣州富一）為例，其轉(zhuǎn)鼓最大轉(zhuǎn)速為3 400 r/min；離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓有效體積約為0.08 m3，每小時(shí)對(duì)廢水的處理能力平均可達(dá)10 m3。因此，本試驗(yàn)中離心轉(zhuǎn)數(shù)選定為1 000、2 000和3 000 r/min共3個(gè)水平；而物料在離心機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間，即有效離心時(shí)間可根據(jù)公式（1）計(jì)算得出。

式中為物料在連續(xù)型臥螺旋離心機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間，min；h為臥螺旋離心機(jī)小時(shí)處理廢水量，m3；轉(zhuǎn)鼓為所用離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓有效體積，m3。

因此，將LW-400×1200型螺旋分離機(jī)的工作參數(shù)代入公式（1），可計(jì)算出物料在連續(xù)流離心機(jī)內(nèi)的有效離心時(shí)間約為0.5 min。據(jù)此，本研究在臺(tái)式離心機(jī)上的離心時(shí)間同樣設(shè)置為0.5 min。

1.3 厭氧可生化物質(zhì)去除率

研究廢水中厭氧可生化物質(zhì)，或稱為生物可轉(zhuǎn)化物質(zhì)等，主要是指廢水中可被厭氧微生物利用或轉(zhuǎn)化的物質(zhì)，其含量一般可通過測(cè)定廢水生化甲烷潛力（biochemical methane potential，BMP）的方式而間接測(cè)定[17-18]。即離心后廢水的BMP變化越大（減少），就可說明離心過程對(duì)豬糞廢水中可生化物質(zhì)的去除效率越大。由此，廢水中厭氧可生化物質(zhì)去除率（biodegradable solid removal rate，BSRR）可由公式2計(jì)算得出：

式中c為離心后廢水的BMP，mL/L；raw為離心前原豬糞廢水的BMP，mL/L。

1.4 生化甲烷潛力（BMP）測(cè)試

廢水BMP測(cè)試采用瑞典AMPTS-II全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，反應(yīng)器容積為500 mL。每個(gè)反應(yīng)器中分別裝入100 mL接種物和300 mL待測(cè)廢水，發(fā)酵溫度設(shè)定為(35±1) ℃，發(fā)酵時(shí)間為10 d。用未進(jìn)行離心分離的新鮮豬糞廢水作為對(duì)照。

研究表明，采用修正的Gompertz模型對(duì)實(shí)際試驗(yàn)獲得的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并修正，可以獲得更加接近于真實(shí)物料的產(chǎn)氣潛力數(shù)據(jù)[19-21]。因此，本研究中利用修正的Gompertz模型對(duì)實(shí)際獲取的廢水產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，并以模型預(yù)測(cè)值作為評(píng)價(jià)廢水BMP的依據(jù)。該模型如式（3）所示。

式中為第天的累計(jì)產(chǎn)氣量，mL/g；為發(fā)酵時(shí)間，d；為最大累計(jì)產(chǎn)氣量，mL/g；m為最大產(chǎn)氣速率，mL/(g·d)；為產(chǎn)氣延遲時(shí)間，d；e為自然常數(shù)，2.718 282。

1.5 分析方法

干物質(zhì)含量（TS）、揮發(fā)性物質(zhì)含量（VS）采用電熱鼓風(fēng)干燥箱、箱式電阻爐，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[22]；pH值采用實(shí)驗(yàn)室用數(shù)顯酸度計(jì)PHS-3C測(cè)定；總氮采用Foss Kjeltec 2300全自動(dòng)凱式定氮分析儀根據(jù)儀器標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定；總磷測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法進(jìn)行[23]；采用SPSS19.0數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)公式（3）所示模型進(jìn)行累計(jì)甲烷產(chǎn)量模擬和對(duì)BMP進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 離心分離后廢水理化參數(shù)變化

離心過程對(duì)廢水的處理作用，主要表現(xiàn)在對(duì)廢水中還未溶解的總固體的去除上。表1所示，離心分離后，廢水中污染物質(zhì)的理化參數(shù)值較未離心廢水均呈現(xiàn)顯著變化（LSD,<0.05），這表明，離心分離過程對(duì)廢水中主要污染物的去除效果顯著，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其中，總固體、揮發(fā)性固體和COD去除率均可達(dá)50%以上。

將各離心轉(zhuǎn)數(shù)下廢水污染物去除效率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著離心轉(zhuǎn)數(shù)的提高，廢水中污染物的去除效率越大，但二者卻不完全呈正比例關(guān)系。圖1為廢水中各理化參數(shù)在離心前后的去除率變化圖，可以看出3 000 r/min較2 000 r/min對(duì)污染物去除率的增幅要小于2 000較1 000 r/min污染物去除率的增幅，且均小于1 000 r/min對(duì)原廢水中污染物的去除率。這是由于離心作用主要表現(xiàn)在對(duì)廢水中可沉降總固體的去除效率上，且在1 000 r/min的離心條件下，廢水中大部分污染物已被分離出去。當(dāng)繼續(xù)增大離心轉(zhuǎn)速時(shí)，雖然可顯著提高沉降系數(shù)較低的微小顆粒分離效果，但對(duì)廢水整體的理化參數(shù)改變幅度將減弱。在實(shí)際廢水處理中，應(yīng)根據(jù)分離要求來確定離心轉(zhuǎn)數(shù)，以達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。

表1 離心分離后廢水的理化參數(shù)

圖1 不同離心轉(zhuǎn)數(shù)下的污染物去除效率

從廢水中主要污染物的離心去除率上看（以3000 r/min為例），總固體、揮發(fā)性固體及COD去除率均在50%以上，而總氮和總磷的去除效率則略低一些，在40%以上。這表明糞污中含N、P化合物的溶解速率要大于碳水化合物，因N、P元素主要以無機(jī)鹽、氨基酸及多肽等形式存在，所以更易于溶解或被相關(guān)酶系所分解[24]。Hjorth等的報(bào)道中也有類似的結(jié)論，固液分離過程對(duì)總氮和NH4+-N的分離效率要小于對(duì)干物質(zhì)和總磷的分離效率[25]。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)盡可能縮短廢水產(chǎn)生到離心分離的時(shí)間間隔，盡量降低糞污中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶解或微生物分解作用。

2.2 產(chǎn)甲烷潛力測(cè)試

通過對(duì)未離心廢水以及3個(gè)離心轉(zhuǎn)數(shù)水平下獲得的廢水分別進(jìn)行15 d的批式厭氧發(fā)酵測(cè)試，觀察各組累計(jì)甲烷量與產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)的變化情況。如圖2所示，離心分離后，豬糞廢水的產(chǎn)甲烷能力大幅下降。3個(gè)離心處理組的累計(jì)產(chǎn)甲烷量均在850 mL/L以下，而對(duì)照組（0 r/min）則高于1 600 mL/L，這表明離心過程可效地去除廢水中的可生化物質(zhì)。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至第4 天時(shí)，3個(gè)離心組均已完成90%以上的產(chǎn)氣量，而對(duì)照組則不到70%，表明離心后廢水生化過程需要的水力停留時(shí)間也大為縮短。

圖2 實(shí)測(cè)累積產(chǎn)氣與擬合產(chǎn)氣曲線

通過修正Gompertz模型分別對(duì)4個(gè)試驗(yàn)組的實(shí)測(cè)累計(jì)產(chǎn)氣量進(jìn)行擬合，如圖2所示，其擬合曲線（實(shí)線）與實(shí)測(cè)產(chǎn)氣曲線趨勢(shì)較為一致，且4組模型2均在0.99以上（表2），與文獻(xiàn)報(bào)道的2值在0.9830~0.9998的范圍內(nèi)波動(dòng)相一致[21,26]，表明模型擬合良好。

表2 廢水的產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

注：：最大累計(jì)產(chǎn)氣量；m：最大產(chǎn)氣速率；：延遲時(shí)間。

Note:: Maximum cumulative methane yield;m: Maximum gas production rate;: delay time.

如表2所示，離心后廢水的BMP在689.5～832.5 mL/L，約為未離心廢水BMP的一半，表明離心過程有效去除了廢水中的可生化物質(zhì)；離心后廢水的最大產(chǎn)氣速率μ在280～303 mL/(L·d)，略小于對(duì)照組的324.1 mL/(L·d)，這主要是由于離心后廢水中易溶顆粒大幅減少所致；4個(gè)試驗(yàn)組的延遲時(shí)間均不到1 d，表明豬場(chǎng)廢水離心前后的可生化性均較強(qiáng)，能夠較快進(jìn)入產(chǎn)氣階段。

2.3 可生化物質(zhì)去除效率

將表2中最大累計(jì)產(chǎn)氣量代入公式（2），可分別計(jì)算出不同轉(zhuǎn)數(shù)離心分離液的可生化物質(zhì)去除效率（BSRR）。結(jié)果如表3所示，離心后廢水的BSRR在48%~58%之間，且轉(zhuǎn)數(shù)越高可生化物質(zhì)去除效率就越大。離心分離對(duì)廢水中可生化物質(zhì)的去除效率，可作為調(diào)整厭氧生化池建造體積和水力停留時(shí)間的依據(jù)。如離心分離對(duì)糞水中可生化物質(zhì)去除率為50%，則厭氧生化池建造體積和水力停留時(shí)間均可按這一比例縮小。

表3 離心后廢水可生化物質(zhì)去除效率

2.4 工程經(jīng)濟(jì)效益分析

雖然離心分離可大幅降低新鮮豬場(chǎng)廢水中可生化物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而有利于減少生化處理池的建造體積。然而，離心分離設(shè)備價(jià)格相對(duì)較貴，離心過程需要一定能耗，這些因素也是影響廢水處理成本的關(guān)鍵。因此，應(yīng)用前需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析。以存欄量為1萬頭的豬場(chǎng)為例，采用干清糞工藝每日產(chǎn)廢水量約為100 t[27]。生化前離心與直接生化處理2種廢水處理工藝的主要投資及運(yùn)行成本如表4所示（僅評(píng)估到厭氧生化處理）。

表4中經(jīng)濟(jì)效益分析，以2 000 r/min獲得的數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，即BSRR按50%計(jì)，因此，如未離心廢水的HRT需10 d，則離心后廢水的HRT可設(shè)定為5 d。所需厭氧池體積根據(jù)日產(chǎn)廢水總量與HRT的乘積進(jìn)行測(cè)算。由于不同地區(qū)、不同材質(zhì)的厭氧池，其建造成本變異性較大，一般在500～1 000元/m3之間，因此，表4中厭氧池建造費(fèi)用按其平均數(shù)750元/m3計(jì)。國(guó)產(chǎn)LW-400×1200型臥螺旋離心分離機(jī)購(gòu)置費(fèi)用約為10萬元，參照其工作參數(shù)，每小時(shí)處理廢水能力約為10 t（每天工作10 h），每小時(shí)耗電量約為14 kW·h，固每噸廢水離心電耗約為0.7 元；節(jié)省的投資利率按日利率為0.03%計(jì)；池體與設(shè)備折舊費(fèi)用均按使用期限5 000 d計(jì)（約14 a）；沼氣收益按1元/m3計(jì)；100 t廢水經(jīng)離心分離每天可得約1.5 t固體糞污（含固率>25%），其售價(jià)按40元/t計(jì)。

表4 萬頭豬場(chǎng)廢水離心處理的經(jīng)濟(jì)性分析

注：日處理成本=離心電耗+厭氧池折舊費(fèi)+離心機(jī)折舊費(fèi)；相對(duì)處理成本=日處理成本-節(jié)省投資利息；綜合經(jīng)濟(jì)效益=沼氣收益+離心分離固體糞污收益-相對(duì)日處理成本。

Note:Daily treatment cost = centrifugal electricity consumption + depreciation cost of anaerobic pool and centrifuge; Relative daily treatment cost = daily treatment cost ? interest of saved investment; Ecomomic benefits = biogas income + separated solid income? relative daily treatment cost.

如表4所示，通過對(duì)2種工藝中主要設(shè)施設(shè)備的購(gòu)置、運(yùn)行及折舊成本等進(jìn)行對(duì)比，生化前離心的處理方式，廢水日處理成本為165元/100 t，而直接生化處理費(fèi)用為150元/100 t。前者多出的部分主要來自于離心分離設(shè)備的折舊費(fèi)和用于離心分離的電耗成本。因此，單從每日廢水處理成本上看，生化前離心的方式并無優(yōu)勢(shì)。然而，如果考慮固定資產(chǎn)的一次性投資費(fèi)用，生化前離心方式較直接生化可以節(jié)省27.5萬元的固定資產(chǎn)投資，由此節(jié)省的利息約為82.5元/d?？鄢?jié)省的投資利息，生化前離心方式的日廢水處理成本則降至82.5元，較直接生化方式可節(jié)省45%的處理成本。

由此看來，生化前離心分離方式的最大成本優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省厭氧生化池的建造體積。生化池的建造體積是由廢水中可生化物質(zhì)含量所決定的。養(yǎng)殖廢水的干物質(zhì)濃度一般在0.5%~6%之間變化[28]。廢水中總固體含量越高，離心分離后總固體的去除比例也就越大[11]，可節(jié)約生化池的建造體積也就越大。因此，在對(duì)離心分離方式的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估中，應(yīng)著重考察建池費(fèi)用這一成本因素。

此外，從表4可以看出，如果產(chǎn)生的沼氣按照1元/m3向周邊居民供氣，沼氣獲得的收益基本可以覆蓋厭氧生化處理的費(fèi)用。如再加上離心分離固體糞污的收益，扣除處理成本之后，2種工藝均可獲得額外的收益，且離心分離+生化處理的綜合經(jīng)濟(jì)效益要高于直接生化處理50%以上。然而，在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，受供氣管網(wǎng)建設(shè)維護(hù)所需人力及物力成本的影響，大多數(shù)豬場(chǎng)廢水產(chǎn)沼氣均難以獲得收益；此外，厭氧池季節(jié)性產(chǎn)氣波動(dòng)和農(nóng)民使用意愿等問題也嚴(yán)重影響沼氣的出售。固液分離雖然會(huì)使廢水的沼氣產(chǎn)量降低，但后續(xù)一系列生化及物理處理的周期和費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)降低。這也是目前豬場(chǎng)糞水產(chǎn)生后均要立即進(jìn)行固液分離的主要原因。同樣受堆肥場(chǎng)地和農(nóng)民使用有機(jī)肥意愿的影響，固體糞污的收益也不確定。因此，目前大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)主考慮的仍是如何最大化降低廢水處理成本。

在養(yǎng)殖廢水的一般處理流程中，厭氧池后常需要好氧池、缺氧池等脫氮除磷工序[23]，由于離心分離處理已經(jīng)去除了新鮮廢水中30%~50%還未溶解的氮、磷元素（3 000 r/min，圖1），這樣也可以減少這些環(huán)節(jié)的處理成本。此外，因生化前離心分離使所需生化池體積大幅減小，有利于節(jié)約低溫時(shí)節(jié)的池體保溫能耗，尤其對(duì)于中國(guó)北方地區(qū)則更為重要。廖建平[29]的研究也表明螺旋擠壓分離機(jī)、離心固液分離機(jī)作為物理處理設(shè)備在去除糞渣及SS的同時(shí)大大降低了糞污COD，為保證中端厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、后端沼液深化達(dá)標(biāo)處理及利用系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義。Hjorth等研究也表明，糞水固液分離的意義更應(yīng)該放在整個(gè)廢水處理系統(tǒng)去評(píng)估[25]。此外，Paz等在糞水固液分離中加入絮凝劑，如聚丙烯酰胺，發(fā)現(xiàn)可以顯著提高懸浮固體和COD的脫出效率[30]。因此，隨著固液分離技術(shù)及設(shè)備的不斷成熟，生化前進(jìn)行更高級(jí)固液分離的可行性和實(shí)際意義也會(huì)越來越強(qiáng)，值得進(jìn)一步探索和研究。

3 結(jié) 論

1）豬場(chǎng)廢水產(chǎn)生后，立即進(jìn)行1 000～3 000 r/min離心固液分離，可有效去除廢水中還未溶解的有機(jī)污染物質(zhì)。以干物質(zhì)質(zhì)量濃度為7.3 g/L的模擬廢水為研究對(duì)象，離心后，干物質(zhì)與揮發(fā)性物質(zhì)去除效率在50%～65%；COD去除效率在45%～55%；N、P元素的去除率在30%～50%之間。

2）離心轉(zhuǎn)數(shù)在2 000 r/min以上時(shí)，可使豬糞廢水生化甲烷潛力降低50%以上。由此反映出，離心過程可大幅去除廢水中厭氧可生化物質(zhì)，這有利于減少后續(xù)廢水的生化處理壓力。

3）以日產(chǎn)100 t廢水的萬頭豬場(chǎng)廢水處理工程為例，生化前進(jìn)行離心處理（2 000 r/min），約可節(jié)省50%的生化池容積，其綜合厭氧處理成本可減少45%。

豬場(chǎng)廢水厭氧前離心處理，對(duì)N、P化合物的脫出，同樣也可減少厭氧處理后的生化脫氮除磷工序的壓力和成本，其意義深遠(yuǎn)，值得進(jìn)一步探索和研究。

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Effect of solid-liquid separation on removal of total solid and pollutants from pig manure wastewater before anaerobic digestion

Wang Ming, Kong Wei, Yan Shuiping※, Ai Ping, Zhang Yanlin

(430000)

The content of contaminants in manures wastewater is much higher than urban domestic sewage, which leads to a high and sophistic biochemical treatment and a high cost of wastewater treatment. The high concentration of pollutants in manures wastewater mainly comes from the dissolution or decomposition of solid feces. Therefore, a solid-liquid separation is used immediately after the production of manures wastewater, which can effectively separate the solid substances from the wastewater. As a result, the content of pollutants in the wastewater also can be effectively reduced. In this study, a solid-liquid separation test was carried out to investigated the ability of centrifugation in removal of the total solid (TS), and reduction of chemical oxygen demand (COD) and the elements of nitrogen (N) and phosphorus (P) from pig manure wastewater. Besides, the economic benefits of centrifugation before anaerobic digestion (AD) treatment were also analyzed. The result showed that the centrifuge separation carried out at 1 000-3 000 r/min for 0.5 minute can effectively remove the TS, COD and N, P elements from pig manure wastewater (TS=7.3 g/L), and the removal rates of them were 50%-65%, 45%-55% and 30%-50%, respectively, and the removal rate increased as the increase of centrifugal speed from 1 000 to 3 000 r/min In addition, the separation efficiency of N and P compounds were lower than that for dry matter, which was similar to the previous reports. This was mainly because the N and P compounds were easier to dissolve in water or be decomposed by microbes than carbohydrate, the major component of solid. The biodegradable solid reduction rate (BSRR) was defined as the reduced percentage of methane potential of manure wastewater after centrifugation, which can be calculated by subtracting the ratio of waste water methane potential before and after centrifugation. The BSRR can be used as the instruction for the adjustment to the construction volume of anaerobic tank and the hydraulic retention time (HRT) in anaerobic digestion (AD) process. According to the result of biochemical methane potential (BMP) test, it was found that the content of biodegradable materials can be reduced significantly by centrifugal separation, the maximum BSRR of 57.6% was observed with 3 000 r/min, which would be able to greatly save the construction volume and HRT in AD process. For a pig farm with ten thousand pigs, the amount of wastewater produced per day was about one hundred ton, the combined treatment of centrifugation and AD can save 45% of the wastewater treatment cost compared with the sole AD mode. If the incomes of biogas and separated solid manure were taken into consideration, the total overall comprehensive income of centrifugation followed AD and the sole AD mode was positive, and the former was 50% higher than the later. However, in practice, the biogas and solid manure are hard to get a profit due to many complex factors. Therefore, the meaning of solid-liquid separation before biochemical treatment would be more important. Moreover, the costs of other treatments after AD process and energy consumption for heat preservation of pool body also can be greatly reduced due to the partial reduction of N, and P contaminants in the centrifugation process and the smaller biochemical pools matched with the centrifugal wastewater. This study can provide new design ideas and references for large and medium-sized farms to save the treatment cost of wastewater and construction investment.

manures; centrifugation; separation; anaerobic digestion; biodegradability

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.031

S210.3

A

1002-6819(2018)-17-0235-06

2018-04-24

2018-06-25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助（2662015QD034）

王 明，博士，講師，主要從事沼氣工程技術(shù)研究。Email：mwang2016@163.com

晏水平，教授，博士導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理及沼氣工程技術(shù)方面的研究。Email：yanshp@mail.hzau.edu.cn

王 明，孔 威，晏水平，艾 平，張衍林. 豬場(chǎng)廢水厭氧發(fā)酵前固液分離對(duì)總固體及污染物的去除效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(17)：235－240. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.031 http://www.tcsae.org

Wang Ming, Kong Wei, Yan Shuiping, Ai Ping, Zhang Yanlin. Effect of solid-liquid separation on removal of total solid and pollutants from pig manure wastewater before anaerobic digestion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 235－240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.031 http://www.tcsae.org