猪场废水厌氧发酵前固液分离对总固体及污染物的去除效果

王 明，孔 威，晏水平，艾 平，张衍林



猪场废水厌氧发酵前固液分离对总固体及污染物的去除效果

王 明，孔 威，晏水平※，艾 平，张衍林

（华中农业大学工学院，农业部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430000）

养殖废水中高浓度污染物质主要来自于固态粪污的溶解或微生物的分解作用，在废水产生后立即进行固液分离，可以有效将废水中还未溶解的固态物质分离出去，从而降低废水中污染物的含量和减轻后续生化处理的压力。该研究以猪场废水为研究对象，采用离心分离方式对废水进行固液分离，主要考察废水中总固体、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）及氮磷化合物的去除效果。结果表明，离心分离可使废水中总固体去除50%~65%，COD去除效率在45%~55%，N、P元素的去除率在30%~50%之间。通过甲烷化潜力测试研究，发现离心分离可使废水中可厌氧生化物质去除50%以上，这可大幅节约生化处理池的建造体积和处理周期。以万头猪场日产100 t废水量为例，生化前离心处理较直接生化处理可节约45%的废水处理成本。该研究可为大中型养殖场就如何节约废水处理工程投资和处理成本上提供新的设计思路与参考依据。

粪污；离心作用；分离；厌氧发酵；生物降解性

0 引 言

随着中国畜禽养殖业不断向集中型和规模化养殖方式的转变，由养殖过程排放的大量粪污所引发的环境污染问题也愈发严重。据《第一次全国污染源普查公报显示》[1]，中国养殖污染物总排放化学需氧量（COD）为1268万t，占整个农业源排放COD总量的95%以上，约是生活源污染物排放COD总量的1.1倍。因此，养殖业已经成为中国有机污染物的主要来源之一。

养殖废水的处理一般是以城市生活污水厂工艺为基础进行开发的，即多以A/O或A/O/O等生化处理方式为主，通过厌氧与好氧或缺氧过程相结合的方式达到去除水中有机污染物及氮、磷等元素的目的[2-3]。无论采取哪种处理方式，其处理成本主要受污水中污染物浓度的影响，污水中污染物浓度越高，就需要越长的停留时间。因此，在进行生化处理前，尽可能多地去除水中的总固体含量，可以有效降低污水生化处理的时间和成本。最为常用的粪水固液分离设备为螺旋挤压式固液分离机，其具有构造简单、成本低和处理能力强等优点。在利用螺旋挤压式固液分离机对水冲粪或水泡粪工艺产的高浓度猪粪液进行固液分离时，可有效减少粪水中总固体含量[4-6]。然而，由于固液分离机的结构限制，对废水中的固体分离程度有限，尤其是对小于筛网孔径的微小易溶颗粒物质几乎不能起到分离作用，获得的分离液中干物质含量仍然较高，其生化处理周期仍然需要很长时间。

研究表明，采用更高级的固液分离设备可进一步降低废水中固体物质含量，常用的分离设备有卧螺旋离心机、蝶螺式脱水机和压滤机等[7-8]，其中卧螺旋离心技术为近些年逐渐发展起来的高级固液分离技术，被广泛用于石油化工、食品加工和生活污水处理等生产领域[9]。卧螺旋离心机具有可连续进出料的特点，较传统离心机的批式离心方式具有分离效率高和可连续运行等优势，更无需像压滤机等过滤式固液分离设备那样需要定期更换过滤膜具[10]。研究表明，在将卧螺旋离心机用于养殖粪水的固液分离时，也可获得较高的固液分离效率。高其双等[11]研究表明，卧螺旋离心分离机可使高浓度猪粪水中总固体含量降至0.5 g/L，而采用螺旋挤压式分离机获得的分离液，其总固体质量浓度则高达40.2 g/L。Rico等[12]采用螺旋挤压式分离与离心式分离相结合的方式对高浓度牛粪液进行固液分离，发现可获得几乎没有悬浮物质（suspend solid，SS）的分离液，生化处理的水力停留时间仅需1~2 d，COD去除效率可达80%以上。而对于离心后获得的固体部分，其干物质质量分数一般可达20%以上，风干后可与干粪污合并，用于其他途径的资源化利用，如堆肥[13]或用作固体燃料[14]。

目前，在中国离心分离技术一般仅被应用于生化处理后的废水处理，其主要目的是去除生化过程不能去除的悬浮固体颗粒及残存的活性污泥，如城市生活污水处理厂的污泥脱水[15-16]。然而将离心分离技术用于高浓度养殖废水生化处理前固液分离的研究和应用还比较少。本研究针对卧螺旋离心机在固液分离上的特点和优势，通过在实验室采用台式离心机模拟卧螺旋离心机工作参数的方式，考察离心作用对新鲜猪粪废水中总固体、厌氧可生化物质、COD及氮磷化合物的去除效果。并以万头猪场为例，对生化前离心处理废水的经济优势进行简要分析。该研究可为减轻养殖废水生化处理压力探索新的方法和途径。

1 材料与方法

1.1 材 料

猪粪从养猪场取回后挑拣出草秆等杂物后冰冻储存（−20 ℃）。根据调研获取的猪场废水一般特征，即干物质质量分数在0.5%～1.0%之间，COD在3 000～10 000 mg/L，将新鲜猪粪用自来水稀释至此范围来模拟猪场冲洗废水（见表1）。厌氧发酵接种物取自猪场废水厌氧处理池的底部污泥（经池体排泥管道排出），取回后储存于4 ℃冰箱备用。接种物悬浮固体（suspend solids，SS）和挥发性固体（volatile solid，VS）的质量浓度分别为(18.5±0.35)和(15.1±0.47) g/L；pH值为(7.56±0.09)；总氮（total nitrogen，TN）质量浓度为(859±28.9) mg/L。

1.2 离心分离试验

由于卧螺旋离心分离设备主要以中试和生产规模为主且体型庞大，在实验室模拟卧螺旋离心机的分离效果时，一般可采用台式离心机进行。本研究所用台式离心机规格为4孔×250 mL，最高转速为5 000 r/min。

离心转数与离心时间是影响离心过程物料沉降和离心成本的2个主要因素，其试验水平的设定参考生产中卧螺旋离心机的实际工作参数。以LW-400×1200型螺旋分离机（广州富一）为例，其转鼓最大转速为3 400 r/min；离心机转鼓有效体积约为0.08 m3，每小时对废水的处理能力平均可达10 m3。因此，本试验中离心转数选定为1 000、2 000和3 000 r/min共3个水平；而物料在离心机内的停留时间，即有效离心时间可根据公式（1）计算得出。

式中为物料在连续型卧螺旋离心机内的停留时间，min；h为卧螺旋离心机小时处理废水量，m3；转鼓为所用离心机转鼓有效体积，m3。

因此，将LW-400×1200型螺旋分离机的工作参数代入公式（1），可计算出物料在连续流离心机内的有效离心时间约为0.5 min。据此，本研究在台式离心机上的离心时间同样设置为0.5 min。

1.3 厌氧可生化物质去除率

研究废水中厌氧可生化物质，或称为生物可转化物质等，主要是指废水中可被厌氧微生物利用或转化的物质，其含量一般可通过测定废水生化甲烷潜力（biochemical methane potential，BMP）的方式而间接测定[17-18]。即离心后废水的BMP变化越大（减少），就可说明离心过程对猪粪废水中可生化物质的去除效率越大。由此，废水中厌氧可生化物质去除率（biodegradable solid removal rate，BSRR）可由公式2计算得出：

式中c为离心后废水的BMP，mL/L；raw为离心前原猪粪废水的BMP，mL/L。

1.4 生化甲烷潜力（BMP）测试

废水BMP测试采用瑞典AMPTS-II全自动甲烷潜力测试系统进行，反应器容积为500 mL。每个反应器中分别装入100 mL接种物和300 mL待测废水，发酵温度设定为(35±1) ℃，发酵时间为10 d。用未进行离心分离的新鲜猪粪废水作为对照。

研究表明，采用修正的Gompertz模型对实际试验获得的产气数据进行拟合并修正，可以获得更加接近于真实物料的产气潜力数据[19-21]。因此，本研究中利用修正的Gompertz模型对实际获取的废水产气数据进行拟合分析，并以模型预测值作为评价废水BMP的依据。该模型如式（3）所示。

式中为第天的累计产气量，mL/g；为发酵时间，d；为最大累计产气量，mL/g；m为最大产气速率，mL/(g·d)；为产气延迟时间，d；e为自然常数，2.718 282。

1.5 分析方法

干物质含量（TS）、挥发性物质含量（VS）采用电热鼓风干燥箱、箱式电阻炉，并根据标准方法测定[22]；pH值采用实验室用数显酸度计PHS-3C测定；总氮采用Foss Kjeltec 2300全自动凯式定氮分析仪根据仪器标准分析方法测定；总磷测定采用钼酸铵分光光度法进行[23]；采用SPSS19.0数据分析软件，对公式（3）所示模型进行累计甲烷产量模拟和对BMP进行预测。

2 结果与分析

2.1 离心分离后废水理化参数变化

离心过程对废水的处理作用，主要表现在对废水中还未溶解的总固体的去除上。表1所示，离心分离后，废水中污染物质的理化参数值较未离心废水均呈现显著变化（LSD,<0.05），这表明，离心分离过程对废水中主要污染物的去除效果显著，具有统计学意义。其中，总固体、挥发性固体和COD去除率均可达50%以上。

将各离心转数下废水污染物去除效率进行比较，发现随着离心转数的提高，废水中污染物的去除效率越大，但二者却不完全呈正比例关系。图1为废水中各理化参数在离心前后的去除率变化图，可以看出3 000 r/min较2 000 r/min对污染物去除率的增幅要小于2 000较1 000 r/min污染物去除率的增幅，且均小于1 000 r/min对原废水中污染物的去除率。这是由于离心作用主要表现在对废水中可沉降总固体的去除效率上，且在1 000 r/min的离心条件下，废水中大部分污染物已被分离出去。当继续增大离心转速时，虽然可显著提高沉降系数较低的微小颗粒分离效果，但对废水整体的理化参数改变幅度将减弱。在实际废水处理中，应根据分离要求来确定离心转数，以达到最大经济效益。

表1 离心分离后废水的理化参数

图1 不同离心转数下的污染物去除效率

从废水中主要污染物的离心去除率上看（以3000 r/min为例），总固体、挥发性固体及COD去除率均在50%以上，而总氮和总磷的去除效率则略低一些，在40%以上。这表明粪污中含N、P化合物的溶解速率要大于碳水化合物，因N、P元素主要以无机盐、氨基酸及多肽等形式存在，所以更易于溶解或被相关酶系所分解[24]。Hjorth等的报道中也有类似的结论，固液分离过程对总氮和NH4+-N的分离效率要小于对干物质和总磷的分离效率[25]。因此，在生产实践中，应尽可能缩短废水产生到离心分离的时间间隔，尽量降低粪污中营养物质的溶解或微生物分解作用。

2.2 产甲烷潜力测试

通过对未离心废水以及3个离心转数水平下获得的废水分别进行15 d的批式厌氧发酵测试，观察各组累计甲烷量与产气动力学的变化情况。如图2所示，离心分离后，猪粪废水的产甲烷能力大幅下降。3个离心处理组的累计产甲烷量均在850 mL/L以下，而对照组（0 r/min）则高于1 600 mL/L，这表明离心过程可效地去除废水中的可生化物质。当发酵进行至第4 天时，3个离心组均已完成90%以上的产气量，而对照组则不到70%，表明离心后废水生化过程需要的水力停留时间也大为缩短。

图2 实测累积产气与拟合产气曲线

通过修正Gompertz模型分别对4个试验组的实测累计产气量进行拟合，如图2所示，其拟合曲线（实线）与实测产气曲线趋势较为一致，且4组模型2均在0.99以上（表2），与文献报道的2值在0.9830~0.9998的范围内波动相一致[21,26]，表明模型拟合良好。

表2 废水的产甲烷动力学模拟结果

注：：最大累计产气量；m：最大产气速率；：延迟时间。

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

如表2所示，离心后废水的BMP在689.5～832.5 mL/L，约为未离心废水BMP的一半，表明离心过程有效去除了废水中的可生化物质；离心后废水的最大产气速率μ在280～303 mL/(L·d)，略小于对照组的324.1 mL/(L·d)，这主要是由于离心后废水中易溶颗粒大幅减少所致；4个试验组的延迟时间均不到1 d，表明猪场废水离心前后的可生化性均较强，能够较快进入产气阶段。

2.3 可生化物质去除效率

将表2中最大累计产气量代入公式（2），可分别计算出不同转数离心分离液的可生化物质去除效率（BSRR）。结果如表3所示，离心后废水的BSRR在48%~58%之间，且转数越高可生化物质去除效率就越大。离心分离对废水中可生化物质的去除效率，可作为调整厌氧生化池建造体积和水力停留时间的依据。如离心分离对粪水中可生化物质去除率为50%，则厌氧生化池建造体积和水力停留时间均可按这一比例缩小。

表3 离心后废水可生化物质去除效率

2.4 工程经济效益分析

虽然离心分离可大幅降低新鲜猪场废水中可生化物质的质量分数，而有利于减少生化处理池的建造体积。然而，离心分离设备价格相对较贵，离心过程需要一定能耗，这些因素也是影响废水处理成本的关键。因此，应用前需要对其进行相应的经济性分析。以存栏量为1万头的猪场为例，采用干清粪工艺每日产废水量约为100 t[27]。生化前离心与直接生化处理2种废水处理工艺的主要投资及运行成本如表4所示（仅评估到厌氧生化处理）。

表4中经济效益分析，以2 000 r/min获得的数据为参考依据，即BSRR按50%计，因此，如未离心废水的HRT需10 d，则离心后废水的HRT可设定为5 d。所需厌氧池体积根据日产废水总量与HRT的乘积进行测算。由于不同地区、不同材质的厌氧池，其建造成本变异性较大，一般在500～1 000元/m3之间，因此，表4中厌氧池建造费用按其平均数750元/m3计。国产LW-400×1200型卧螺旋离心分离机购置费用约为10万元，参照其工作参数，每小时处理废水能力约为10 t（每天工作10 h），每小时耗电量约为14 kW·h，固每吨废水离心电耗约为0.7 元；节省的投资利率按日利率为0.03%计；池体与设备折旧费用均按使用期限5 000 d计（约14 a）；沼气收益按1元/m3计；100 t废水经离心分离每天可得约1.5 t固体粪污（含固率>25%），其售价按40元/t计。

表4 万头猪场废水离心处理的经济性分析

注：日处理成本=离心电耗+厌氧池折旧费+离心机折旧费；相对处理成本=日处理成本-节省投资利息；综合经济效益=沼气收益+离心分离固体粪污收益-相对日处理成本。

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，通过对2种工艺中主要设施设备的购置、运行及折旧成本等进行对比，生化前离心的处理方式，废水日处理成本为165元/100 t，而直接生化处理费用为150元/100 t。前者多出的部分主要来自于离心分离设备的折旧费和用于离心分离的电耗成本。因此，单从每日废水处理成本上看，生化前离心的方式并无优势。然而，如果考虑固定资产的一次性投资费用，生化前离心方式较直接生化可以节省27.5万元的固定资产投资，由此节省的利息约为82.5元/d。扣除节省的投资利息，生化前离心方式的日废水处理成本则降至82.5元，较直接生化方式可节省45%的处理成本。

由此看来，生化前离心分离方式的最大成本优势在于节省厌氧生化池的建造体积。生化池的建造体积是由废水中可生化物质含量所决定的。养殖废水的干物质浓度一般在0.5%~6%之间变化[28]。废水中总固体含量越高，离心分离后总固体的去除比例也就越大[11]，可节约生化池的建造体积也就越大。因此，在对离心分离方式的经济效益评估中，应着重考察建池费用这一成本因素。

此外，从表4可以看出，如果产生的沼气按照1元/m3向周边居民供气，沼气获得的收益基本可以覆盖厌氧生化处理的费用。如再加上离心分离固体粪污的收益，扣除处理成本之后，2种工艺均可获得额外的收益，且离心分离+生化处理的综合经济效益要高于直接生化处理50%以上。然而，在实际调研中发现，受供气管网建设维护所需人力及物力成本的影响，大多数猪场废水产沼气均难以获得收益；此外，厌氧池季节性产气波动和农民使用意愿等问题也严重影响沼气的出售。固液分离虽然会使废水的沼气产量降低，但后续一系列生化及物理处理的周期和费用也会相应降低。这也是目前猪场粪水产生后均要立即进行固液分离的主要原因。同样受堆肥场地和农民使用有机肥意愿的影响，固体粪污的收益也不确定。因此，目前大多数养殖场主考虑的仍是如何最大化降低废水处理成本。

在养殖废水的一般处理流程中，厌氧池后常需要好氧池、缺氧池等脱氮除磷工序[23]，由于离心分离处理已经去除了新鲜废水中30%~50%还未溶解的氮、磷元素（3 000 r/min，图1），这样也可以减少这些环节的处理成本。此外，因生化前离心分离使所需生化池体积大幅减小，有利于节约低温时节的池体保温能耗，尤其对于中国北方地区则更为重要。廖建平[29]的研究也表明螺旋挤压分离机、离心固液分离机作为物理处理设备在去除粪渣及SS的同时大大降低了粪污COD，为保证中端厌氧发酵系统、后端沼液深化达标处理及利用系统的正常运行具有重要意义。Hjorth等研究也表明，粪水固液分离的意义更应该放在整个废水处理系统去评估[25]。此外，Paz等在粪水固液分离中加入絮凝剂，如聚丙烯酰胺，发现可以显著提高悬浮固体和COD的脱出效率[30]。因此，随着固液分离技术及设备的不断成熟，生化前进行更高级固液分离的可行性和实际意义也会越来越强，值得进一步探索和研究。

3 结 论

1）猪场废水产生后，立即进行1 000～3 000 r/min离心固液分离，可有效去除废水中还未溶解的有机污染物质。以干物质质量浓度为7.3 g/L的模拟废水为研究对象，离心后，干物质与挥发性物质去除效率在50%～65%；COD去除效率在45%～55%；N、P元素的去除率在30%～50%之间。

2）离心转数在2 000 r/min以上时，可使猪粪废水生化甲烷潜力降低50%以上。由此反映出，离心过程可大幅去除废水中厌氧可生化物质，这有利于减少后续废水的生化处理压力。

3）以日产100 t废水的万头猪场废水处理工程为例，生化前进行离心处理（2 000 r/min），约可节省50%的生化池容积，其综合厌氧处理成本可减少45%。

猪场废水厌氧前离心处理，对N、P化合物的脱出，同样也可减少厌氧处理后的生化脱氮除磷工序的压力和成本，其意义深远，值得进一步探索和研究。

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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

中央高校基本科研业务专项资金资助（2662015QD034）

王 明，博士，讲师，主要从事沼气工程技术研究。Email：mwang2016@163.com

晏水平，教授，博士导师，主要从事农业废弃物处理及沼气工程技术方面的研究。Email：yanshp@mail.hzau.edu.cn

王 明，孔 威，晏水平，艾 平，张衍林. 猪场废水厌氧发酵前固液分离对总固体及污染物的去除效果[J]. 农业工程学报，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