仿生攜氧材料在豬場廢水處理上的應(yīng)用研究

陳少康，羅光建，秦澤榮，李 爽，薛振華，魏榮貴，邢 凱，云 鵬*

（1.北京市畜牧總站，北京 100107；2.北京普仁生態(tài)技術(shù)有限公司，北京 102299；3.北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 102206）

豬場廢水處理技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在好氧過程，而好氧過程中的關(guān)鍵技術(shù)在于曝氣，目前采用的曝氣方法氧氣利用率都較低，傳統(tǒng)的機(jī)械方法氧氣利用率一般不超過30%；納米微氣泡曝氣目前效率最高，但隨氣泡越小成本越高，高壓方法可以增加水的溶氧量，但高壓條件撤出后，氧氣會很快從水中溢出，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。水體的溶氧量受飽和溶氧量的限制，而飽和溶氧量又與溫度、壓力及水體的成分等因素相關(guān)。超飽和溶氧狀態(tài)在一定條件下存在，但不穩(wěn)定，很快回到飽和狀態(tài)這個(gè)“平衡點(diǎn)”，這是造成曝氣時(shí)氧氣利用率低的主要原因。

如何提高水中氧氣捕獲量，如何提高氧氣利用率是整個(gè)好氧曝氣過程研究的熱點(diǎn)。仿生攜氧材料是受自然界中血紅蛋白及水黽、水蜘蛛、熱帶蜥蜴等體表具有攜氧能力的啟發(fā)，研制而成。仿生攜氧材料本質(zhì)具有親氧特性，能夠瞬間將氧分子結(jié)合到材料表面，形成“富氧層”，增大氧與水的接觸面積，避免或減少氣泡上浮逃逸，提高水中氧氣捕獲量，進(jìn)而提高氧分子的利用率，具有傳統(tǒng)曝氣技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。本研究將自主研發(fā)的仿生攜氧材料應(yīng)用于好氧曝氣過程中，探討該材料對增加水中氧捕獲量、水中氧利用率以及廢水處理的效果，以期為豬場提供一種處理效果好、運(yùn)行成本低以及操作簡捷的廢水處理新技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 仿生攜氧載體制備 攜氧材料是由低表能表面活性材料和載體材料制成，低表能表面活性材料為氟碳或氟硅樹脂材料，載體材料為多孔陶粒、玻璃纖維棉、聚丙烯纖維棉、不銹鋼絲等，低表能表面活性材料可以完全包裹住載體材料的表面。制備方法：①將低表能材料制成30～60 nm 的微粒，攪拌分散在非極性溶劑中，得到含有仿生攜氧材料的噴涂材料；②對載體材料進(jìn)行表面噴涂；③將經(jīng)噴涂的載體材料進(jìn)行風(fēng)干、高溫固定處理，得到仿生攜氧載體材料；④處理后的不銹鋼絲放于生化池上方曝氣，處理后的材料制成生物載體球用于豬場廢水處理的生化池中。

1.2 仿生攜氧曝氣一體化工藝設(shè)計(jì) 在高出水面30～50 cm的水池上方，鋪放厚度為3～5 cm 的新型攜氧材料改性不銹鋼絲網(wǎng)，廢水由生化池底部通過軸流泵提升，再經(jīng)布水管澆淋在攜氧改性不銹鋼絲網(wǎng)上，形成循環(huán)，達(dá)到曝氣和脫氮的雙重效果。經(jīng)攜氧鋼絲網(wǎng)流下的水的溶氧量可以達(dá)到飽和。

1.3 試驗(yàn)豬場 試驗(yàn)豬場位于北京市平谷區(qū)，占地5萬m，其中生豬養(yǎng)殖占地2.8 萬m，果園占地2.2 萬m。能繁母豬300 頭，存欄3 500 頭，日排放廢水約40 m。處理前原水化學(xué)需氧量（CODcr）8 600～11 000 mg/L。

1.4 廢水處理工藝 豬場廢水經(jīng)過收集管道進(jìn)入調(diào)節(jié)池，再通過泥漿泵進(jìn)入黑膜沼氣池，在黑膜沼氣池中經(jīng)過厭氧發(fā)酵后，流入仿生攜氧曝氣一體化池，進(jìn)行一級生化、二級生化處理，在此過程中依靠研發(fā)的仿生攜氧材料以及攜氧曝氣一體化池的自循環(huán)系統(tǒng)，對廢水進(jìn)行高效的有氧發(fā)酵；然后將處理的廢水導(dǎo)流到植物復(fù)合濕地，進(jìn)行進(jìn)一步的脫氮和去除懸浮物；最后處理后的廢水用于灌溉果園、林地或經(jīng)消毒處理回舍利用。流程圖見圖1。

圖1 豬場廢水處理流程

1.5 厭氧、好氧池容量 根據(jù)試驗(yàn)豬場養(yǎng)殖規(guī)模及日產(chǎn)生廢水量來進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要在黑膜沼氣池與仿生攜氧曝氣一體化池的容量上，一定要滿足廢水處理凈化技術(shù)的參數(shù)要求。

1.6 采樣時(shí)間 整個(gè)廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，進(jìn)行采樣、水質(zhì)指標(biāo)檢測。

1.7 水質(zhì)指標(biāo)測定方法 懸浮物（SS）、化學(xué)需氧量（CODcr）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH-N）等水質(zhì)指標(biāo)均按照（GB18596—2001）《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的監(jiān)測方法及方法來源進(jìn)行測定。

2 結(jié)果

2.1 仿生攜氧材料攜氧量 經(jīng)測量，仿生攜氧曝氣一體化池中，加入仿生攜氧載體生化池的水溶氧量為8.7～12.9 mg/L，為飽和溶氧狀態(tài)。

2.2 廢水處理結(jié)果 水質(zhì)檢測指標(biāo)結(jié)果如表2 所示，廢水經(jīng)過處理后CODcr 達(dá)到40 mg/L 以下，水質(zhì)指標(biāo)基本達(dá)到一級b 標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)消毒處理后，完全實(shí)現(xiàn)場區(qū)內(nèi)部循環(huán)利用。

表2 廢水處理結(jié)果

2.3 運(yùn)行成本 該項(xiàng)目自設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行以來，對運(yùn)行成本進(jìn)行測算，主要包括電費(fèi)、人工費(fèi)及材料消耗費(fèi)。

表1 厭氧、好氧池容量

電費(fèi)：包括2 個(gè)水泵、2 個(gè)交替運(yùn)行可調(diào)頻曝氣用空壓機(jī)，實(shí)際運(yùn)行總功率6 500 W，該養(yǎng)殖場每度電0.5元，1 年共計(jì)電費(fèi)：6.5×24×365×0.5=28470 元。

人工費(fèi)：整個(gè)系統(tǒng)由1 名養(yǎng)豬工人兼職負(fù)責(zé)巡視管理，每天耗時(shí)按1 h 計(jì)算，計(jì)1/8 個(gè)工，每年人工費(fèi)用：4000/8×12=6 000 元。

材料消耗費(fèi)用：微生物菌種和水生植物種苗不定期投入，每年費(fèi)用約9 000 元。

年處理廢水量：每天處理廢水約40 m，1 年共處理廢水：40×365=14 600 m。

運(yùn)行費(fèi)用=（電費(fèi)+人工費(fèi)+材料消耗費(fèi)）/年處理廢水量=（28470+6000+9000）/14600=2.98 元/t。

根據(jù)實(shí)際測算得出廢水處理運(yùn)行成本不到3.0 元/t。而在整個(gè)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行過程中，到目前為止基本沒有產(chǎn)生維修成本，所以維修成本仍需要繼續(xù)觀察與測算。

3 討 論

3.1 仿生攜氧材料增加水中氧氣捕獲量 仿生攜氧材料是受哺乳動物體內(nèi)的血紅蛋白能夠快速結(jié)合與釋放氧分子的機(jī)理啟發(fā)，利用低表能親氧材料和固體載體材料復(fù)合研制而成，攜氧材料的目的是保障水中合適的溶氧濃度，為微生物的生長繁殖創(chuàng)造條件。因此，應(yīng)用攜氧材料可始終保持水溶氧達(dá)到飽和狀態(tài)，加之與好氧微生物耦合后，大大提高氧氣利用率，更加有利于微生物的生長繁殖，使用效果更加良好。

3.2 廢水處理運(yùn)行成本分析 目前國內(nèi)外廢水處理多用厭氧加活性污泥曝氣方法，其中曝氣所占成本達(dá)50%～70%，其缺點(diǎn)是基礎(chǔ)投資較高，占地面積較大，對周圍環(huán)境有一定影響，氧氣在水中的溶解度較低，氧氣利用率不高，導(dǎo)致單位廢水處理成本較高。由于廢水處理的本質(zhì)是以微生物降解為中心，因此，提高微生物的降解效能是降低廢水處理成本的關(guān)鍵，而曝氣過程中氧的利用率不僅關(guān)系到微生物的降解效率，同時(shí)也極大影響廢水凈化的成本。如何低成本的將氧氣充分溶解在水中是解決廢水凈化的關(guān)鍵之一。

目前市場所提供的都是化學(xué)性攜氧材料，都是一次性使用，使耗材成本持續(xù)增加。研發(fā)的仿生攜氧材料具有一次性投入的特點(diǎn)，避免后期反復(fù)投入，廢水進(jìn)入仿生攜氧一體化生化池，通過仿生攜氧材料與固定化微生物進(jìn)行需氧、厭氧、兼性厭氧反應(yīng)，從而達(dá)到凈化廢水的目的。而且曝氣池的曝氣是定量定時(shí)進(jìn)行的，可以大大節(jié)省曝氣所需的能源，達(dá)到節(jié)能與高效的目的。應(yīng)用仿生攜氧材料處理廢水技術(shù)運(yùn)行成本在3.0 元/t 以下，實(shí)現(xiàn)了廢水處理效果好、運(yùn)行成本低的目標(biāo)，具有較強(qiáng)的市場競爭力。

一體化攜氧曝氣將廢水處理的各個(gè)流程，即生物曝氣、除碳、脫氮、除磷以及沉淀等多個(gè)單元有機(jī)組合成一個(gè)單元，結(jié)構(gòu)緊湊，有效節(jié)省了占地面積，簡化了工藝流程。利用低揚(yáng)程池外曝氣技術(shù)凈化養(yǎng)豬廢水可以降低固定資產(chǎn)投資30%以上、運(yùn)行成本50%以上。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，仿生攜氧材料作為一種新型攜氧材料，可顯著提高水體中的溶氧量，降低豬場廢水處理成本，在豬場廢水處理中具有較強(qiáng)的市場競爭力和廣闊的應(yīng)用前景。廢水處理技術(shù)不是難題，難在后期高昂的運(yùn)行成本，養(yǎng)殖場應(yīng)采用符合自身?xiàng)l件的、最經(jīng)濟(jì)的廢水處理模式。若周邊無地可用，可選擇仿生攜氧一體化廢水處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)場內(nèi)小循環(huán)資源利用；周邊有林地、果園、菜園等可選擇種養(yǎng)結(jié)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)場外大循環(huán)資源利用。