絮凝沉淀預(yù)處理養(yǎng)豬廢水影響因素研究

陸健剛

摘? ? ? 要：以江西省鷹潭市某養(yǎng)豬場沼液廢水為研究對象，分別通過添加質(zhì)量濃度為150 g·L-1的聚合氯化鋁（PAC）、50 g·L-1的聚合硫酸鋁（PFS）以及5 g·L-1的聚丙烯酰胺（PAM），探討了沉淀時間和pH對絮凝沉淀影響。結(jié)果表明：①PAC為絮凝劑時，污染物去除率隨靜置時間增加而逐漸增大，當(dāng)添加PFS和PAM為絮凝劑時，綜合考慮時間成本以及去除率，建議控制沉淀時間為25 min和20 min。②當(dāng)添加PAC為絮凝劑時，酸性條件下有利于氨氮和COD的去除，堿性條件下有利于TP的去除，SS在中性條件下去除效果最好。③添加PFS為絮凝劑時，酸性條件下有利于COD和氨氮的去除，中性條件下有利于TP的去除，堿性條件下有利于SS的去除。④添加PAM為絮凝劑時，酸性條件下有利于SS的去除，堿性條件下有利于氨氮和TP的去除，COD在中性環(huán)境中去除效果最好。

關(guān)? 鍵? 詞：沼液廢水;混凝劑;去除率;沉淀時間;pH

中圖分類號：TD163+.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-1867-04

Abstract： Taking the biogas wastewater of a pig farm in Yingtan city， Jiangxi province as the research object， by respectively adding 150 g·L-1 polyaluminum chloride（PAC） and 50 g·L-1 polyaluminum sulfate（PFS） and 5 g·L-1 polyacrylamide（PAM），the effect of sedimentation time and pH on flocculation sedimentation was investigated. The results showed that： （1） When PAC was used as flocculant，the removal rate of pollutants increased with gradual increase of the sedimentation time; when adding PFS and PAM as flocculants; considering the time cost and removal rate， it was recommended to control the sedimentation time in 25 min and 20 min. （2） When PAC was added as flocculant， acidic condition was beneficial to ammonia nitrogen and COD removal， alkaline condition was beneficial to the removal of TP， and the removal effect of SS was the best under neutral conditions. （3） When PFS as flocculating agent was added， COD and ammonia nitrogen were easy removed under acidic condition， TP was easy removed under neutral condition， and SS was easy removed under alkaline condition.（4）When PAM was added as flocculant， acidic condition was beneficial to SS removal， alkaline condition was beneficial to ammonia nitrogen and TP removal， and COD had the best removal effect in neutral environment.

Key words： Biogas slurry wastewater; Coagulant; Removal rate; Sedimentation time; pH

1? 引 言

我國是世界上最大的產(chǎn)豬大國，雖然近年來我國養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但由于企業(yè)污水處理設(shè)施投入的不足、以及企業(yè)環(huán)保意識的不足，特別是在落后城市，養(yǎng)豬產(chǎn)生的污染物遠(yuǎn)未得到有效利用，養(yǎng)豬業(yè)對當(dāng)?shù)丨h(huán)境所造成的環(huán)境影響仍是廣大學(xué)者研究的熱點問題[1-2]。養(yǎng)豬企業(yè)所產(chǎn)生的廢水主要來源于生豬排泄的尿液、糞便、豬欄沖洗廢水，還有少部分工作人員為維護(hù)豬場運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的生產(chǎn)、生活廢水，豬場所產(chǎn)生廢水量的多少與生豬品種、清糞方式、氣候條件、圈養(yǎng)規(guī)模、飼料類型等有關(guān)，甚至管理方式、生產(chǎn)方式以及養(yǎng)殖設(shè)備等因素與廢水產(chǎn)生量也有密切關(guān)系[3]。養(yǎng)豬廢水是典型的“三高”廢水，常常具有發(fā)黑發(fā)臭、水質(zhì)復(fù)雜、懸浮物質(zhì)量濃度高、有機(jī)物質(zhì)量濃度高等特征[4]。一般而言，對于上萬頭規(guī)模的豬場，其廢水中COD質(zhì)量濃度一般在 2 000 ～15 000 mg·L-1，BOD質(zhì)量濃度一般在2 000～10 000 mg·L-1，氨氮質(zhì)量濃度高達(dá)? ? ?600～1 000 mg·L-1，懸浮物質(zhì)量濃度也超標(biāo)數(shù)十倍甚至百倍。養(yǎng)豬廢水未經(jīng)處理或僅經(jīng)簡單的預(yù)處理無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)豬廢水若未經(jīng)有效處理直接排放到河流，有毒物質(zhì)會在浮游植物、動物、水生生物、魚類等體內(nèi)聚集，最終引起生物圈中整個食物鏈中毒;廢水中有毒物質(zhì)直接進(jìn)入地下后也會造成土壤自凈能力下降，應(yīng)用價值降低，如果用于灌溉可引發(fā)農(nóng)作物減產(chǎn)或者死亡。據(jù)報道[5]，養(yǎng)豬廢水中還含有酚類、酸類、多環(huán)含氮化合物、硫酸氫等無機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)釋放到環(huán)境中會嚴(yán)重危害附近居民身體健康，還會對生豬的生長發(fā)育造成不利影響。養(yǎng)豬廢水中由于含有大量的細(xì)菌，排放到河流中還會嚴(yán)重破壞水環(huán)境。

目前養(yǎng)豬廢水主要有自然處理和工業(yè)化處理兩種方式[6]。相對而言，自然處理投資少、能耗少、管理成本低且處理效果尚可等優(yōu)點而廣為應(yīng)用，尤其是人工濕地。據(jù)報道，養(yǎng)豬廢水經(jīng)過人工濕地處理后COD和BOD的去除率分別可高達(dá)90%和80%，對氨氮和TP的去除率也可達(dá)到80%以上，但自然處理一般對場地面積要求較高[7]。自然處理主要是通過水體自凈或土壤自凈兩種方式實現(xiàn)，其中曝氣法、厭氧發(fā)酵、人工濕地、土壤滲濾等是自然處理的主要方式。由于養(yǎng)豬廢水水質(zhì)復(fù)雜、波動大、常常伴隨有惡臭氣體產(chǎn)生，對于上了一定規(guī)模的養(yǎng)殖場，由于沒有足夠的空間停留大量的廢水，因此工業(yè)處理法應(yīng)用較多。工業(yè)處理法具有占地面積小、處理效果較好、處理時受外界環(huán)境因素影響小、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點也廣為應(yīng)用，如楊樹潤[8]等采用經(jīng)過鑭改性的紅藻、海帶、滸苔和石莼4種干粉末材料，用于養(yǎng)豬廢水處理中，結(jié)果表明這4種材料對廢水中磷元素的去除均有較好的使用功能;李莉[9]等發(fā)現(xiàn)”UASB+SBR”工藝耦合使用能使養(yǎng)殖廢水中COD去除率達(dá)到90%以上;曾東[10]等 “水力篩網(wǎng)+沸石吸附+連續(xù)流砂濾池+活性炭吸附”組合工藝穩(wěn)定運行后對養(yǎng)殖業(yè)廢水污染物去除效果較好，經(jīng)該工藝處理后出水能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的一級標(biāo)準(zhǔn)。

厭氧發(fā)酵是當(dāng)前養(yǎng)殖場廢物再利用的主要途徑之一，對于上一定規(guī)模的養(yǎng)殖場均要求配有沼氣池，而混凝沉淀技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)又簡便的污染物去除技術(shù)，本文擬研究養(yǎng)豬廢水中添加不同絮凝劑后廢水的絮凝效果，并探討廢水絮凝時沉淀時間以及廢水pH的影響，研究結(jié)論可為進(jìn)一步了解絮凝沉淀機(jī)理提供理論參考。

2? 材料與方法

選取江西省鷹潭市某規(guī)?；B(yǎng)豬場的沼液廢水為研究對象，該豬場現(xiàn)有生豬3 000余頭，夏季廢水排放量約70 m3·d-1，豬場廢水主要來自生豬糞便、尿液、豬欄沖洗廢水以及少量的生活廢水。該豬場采用“固液分離+沼氣池厭氧發(fā)酵+SBR”工藝處理廢水。試驗時檢測了沼氣池中出水以及混凝沉淀后廢水中COD、氨氮、懸浮物及TP質(zhì)量濃度，檢測水質(zhì)時嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范中操作步驟進(jìn)行，該豬場排放的廢水執(zhí)行《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》? ?（GB 18596—2001），工藝進(jìn)、出水的水質(zhì)狀況見表1。

實驗所需使用到的裝置有：攪拌器、1 000 mL燒杯、1 000 mL量筒。試驗共分3組進(jìn)行，試驗前提前配置好質(zhì)量濃度為150 g·L-1的聚合氯化鋁（PAC）、50 g·L-1的聚合硫酸鋁（PFS）以及5 g·L-1的聚丙烯酰胺（PAM）。采用單一變量法，每個燒杯中添加的混凝劑均為25 mL，試驗一組一組進(jìn)行，先進(jìn)行PAC試驗，試驗步驟如下：①首先各盛取1 000 mL沼液廢水于燒杯中，燒杯置于攪拌臺上，設(shè)置攪拌條件為：200 r·min-1攪拌5 min，50 r·min-1攪拌15 min;②攪拌完成后采取經(jīng)1、5、10、15、20、25、30、35 min后沉淀的水質(zhì)并檢測，隨后進(jìn)行PFS和PAM試驗;③為探究pH對混凝效果的影響，每組試驗又分為9個小燒杯試驗，攪拌前加入酸或堿調(diào)節(jié)廢水的pH分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0和11.0，隨后添加10 mL PAC溶液開始攪拌，所有量筒中廢水全部沉淀30 min后測定對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)，計算去除率，接著在同種情況下進(jìn)行PAM和PFS試驗。

污染物去除率計算公式如下：

3? 結(jié)果與分析

對于一些污染物質(zhì)量濃度較高的廢水，絮凝沉淀技術(shù)經(jīng)常作為工藝預(yù)處理步驟，經(jīng)絮凝沉淀后廢水色度、懸浮物等指標(biāo)會明顯下降，沉淀后水質(zhì)質(zhì)量濃度大小與沉淀時間、溶液pH值、絮凝劑種類以及添加量等因素都有關(guān)。正常而言，絮凝劑添加得越多沉淀效果越好，但當(dāng)絮凝劑超過一定量后可能還會起反作用，下文對沉淀時間以及溶液pH對混凝效果的影響進(jìn)行分析。

3.1? 沉淀時間對混凝效果的影響

廢水中加入絮凝劑經(jīng)攪拌后一般需靜置一段時間，時間稍微越長沉淀效果越好，但時間過長一方面會增加時間成本，另一方面可能會影響混凝效果，添加PAC、PFS、PAM 3種絮凝劑的3組試驗在經(jīng)歷不同沉淀時間后，污染物去除效果分別見圖1、圖2和圖3。

由圖1分析可知，TP去除率隨沉淀時間延長逐漸增加，沉淀時間從第1 min至35 min，TP去除率由27.3%增加至53.4%;COD去除率也是逐漸上升，從19.2%逐漸增加至39.6%;從第1 min至第25 min，SS去除率先是幾乎呈線性增長，隨后保持平緩甚至有降低的趨勢;氨氮去除率雖然變化不大，但總體還是呈上升趨勢，由11.3%增至23.6%。綜上說明在添加絮凝劑PAC后，在35 min內(nèi)，靜置時間越長，絮凝效果越好。

由圖2分析可知，添加絮凝劑PFS后氨氮去除效果不明顯，在時間段內(nèi)氨氮去除率主要保持在4.5%～6.8%范圍內(nèi)波動;沉淀時間從1 min至25 min，COD去除率由33.5%逐漸增至49.2%，隨后當(dāng)沉淀時間繼續(xù)延長，COD去除率雖略有上升，但上升幅度不大;SS去除率從1 min至第25 min由27.8%增加至50.4%，隨后SS去除率由下降趨勢;TP去除率隨沉淀時間增加逐漸增加，由45.6%增至64.1%，當(dāng)沉淀時間為25 min時，去除率為61.4%，與最大值僅相差2.7%。綜上，從時間成本方面考慮，當(dāng)采用PFS為絮凝劑時，應(yīng)控制沉淀時間為25 min。

由圖3分析可知，當(dāng)添加PAM絮凝劑后，氨氮去除率隨靜置時間增加變化不大，在試驗時間段內(nèi)主要在17.2%～21.4%范圍內(nèi)波動，未見明顯規(guī)律;COD去除率由第1 min的21.4%增至35 min的45.8%，但第20 min時COD去除率為41.6%;從第1 min至第20 min，SS去除率由13.8%逐漸增至49.2%，當(dāng)沉淀時間繼續(xù)增加時，SS去除率開始降低;TP去除率由第1 min的25.4%逐漸增至第35 min的58.2%，但第20 min TP去除率已達(dá)55.8%，隨后15 min去除率僅增加2.4%。

綜合圖1至圖3分析可知，當(dāng)添加PAC為絮凝劑時，沉淀時間在35 min內(nèi)，污染物去除率隨靜置時間增加而逐漸增大，當(dāng)添加PFS和PAM為絮凝劑時，綜合考慮時間成本以及去除率兩種因素，建議控制沉淀時間為25 min和20 min。

3.2? 廢水pH大小對混凝效果的影響

pH值是影響廢水絮凝沉淀的重要因子之一，當(dāng)廢水中投入絮凝劑后會發(fā)生一系列反應(yīng)生成氫離子，氫離子的存在可阻礙水解反應(yīng)的正常進(jìn)行，因此需加入中性物質(zhì)或偏堿性物質(zhì)進(jìn)行中和，當(dāng)pH過高時，水解酸化產(chǎn)生的沉淀物又可能重新溶解形成新的絡(luò)合物。因此，為探究pH對絮凝沉淀效果的影響，筆者根據(jù)之前確定的每種絮凝劑最佳沉淀時間進(jìn)行了3組試驗，測定了廢水中各污染指標(biāo)值，計算出了污染物去除率，結(jié)果如圖4至圖6所示。

由圖4分析可知，添加PAC絮凝劑后，隨堿性的增強(qiáng)，氨氮去除率變化不明顯，仍然維持在13.4%～17.2%范圍內(nèi)波動，但整體呈下降趨勢;COD去除率逐漸下降，由pH為3時的41.3%降至pH為11時的18.2;SS去除率先增大后減小，當(dāng)pH為7時，去除率達(dá)到最大值54.2%;TP去除率逐漸增大，由51.3%增至70.1%。綜上說明，酸性條件下有利于氨氮和COD的去除，堿性條件下有利于TP的去除，SS在中性條件下去除效果最好。

由圖5分析可知，添加PFS絮凝劑后，隨堿性增強(qiáng)，氨氮去除率變化曲線與PAC條件下類似，雖變化不大但均表現(xiàn)為逐漸下降;COD去除率由pH為3時的52.6%降低至33.5%;SS去除率逐漸增大;TP去除率先增大后減小，當(dāng)pH為7時去除率達(dá)到最大值49.1%。綜上說明，酸性條件下有利于COD和氨氮的去除，中性條件下有利于TP的去除，堿性條件下有利于SS的去除。

由圖6分析可知，添加PAM絮凝劑后，隨堿性增強(qiáng)，氨氮去除率逐漸增大，COD去除率先增大后減小，SS去除率逐漸減小，TP去除率逐漸增大。綜上說明，酸性條件下有利于SS的去除，堿性條件下有利于氨氮和TP的去除，COD在中性環(huán)境中去除效果最好。

4? 結(jié) 論

本文以養(yǎng)豬廢水中的沼液廢水為研究對象，設(shè)計了3組試驗，每組試驗分別添加PAC、PFS、PAM絮凝劑，探討了沉淀時間和溶液pH對絮凝沉淀效果的影響，結(jié)果表明：

1）當(dāng)添加PAC為絮凝劑時，沉淀時間在35 min內(nèi)，污染物去除率隨沉淀時間增加而逐漸增大，當(dāng)添加PFS和PAM為絮凝劑時，綜合考慮時間成本以及去除率兩種因素，建議控制沉淀時間為25 min和20 min。

2）當(dāng)添加PAC為絮凝劑時，酸性條件下有利于氨氮和COD的去除，堿性條件下有利于TP的去除，SS在中性條件下去除效果最好。

3）添加PFS為絮凝劑時，酸性條件下有利于COD和氨氮的去除，中性條件下有利于TP的去除，堿性條件下有利于SS的去除。

4）添加PAM為絮凝劑時，酸性條件下有利于SS的去除，堿性條件下有利于氨氮和TP的去除，COD在中性環(huán)境中去除效果最好。

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