猪场废水固液分离及其影响因素研究

猪场废水固液分离及其影响因素研究
杨迪;邓良伟;郑丹;刘刈;王兰;杨红男
【摘要】为了研究筛板孔隙、污水浓度、存放时间对猪场废水固液分离效果的影响,笔者进行了猪场废水固液分离实验室小试与生产性试验.结果表明,随着筛板孔径的增加,过滤速度增加.固液分离效率随着污水浓度的增加而增加,低浓度(COD 9734 mg·L-1)时,COD去除率只有9.26％,高浓度(COD 19051 mg·L-1)时,COD去除率可以达到23.2％;SS,TN,TP也表现出相同的趋势,去除率分别为25.9％～
63.2％,13.9％～31.4％,10.4％～18.7％.存放时间对固液分离也有明显影响,存放时间越长,固液分离的过滤速度越慢,而且固液分离的效率也有所下降,废水存放四天后,固液分离SS去除率大约下降89.09％.
【期刊名称】《中国沼气》
【年(卷),期】2014(032)006
【总页数】5页(P21-25)
【关键词】猪场废水;固液分离;污水浓度;筛板孔隙;存放时间
【作者】杨迪;邓良伟;郑丹;刘刈;王兰;杨红男
【作者单位】农业部沼气科学研究所,成都610041;农业部农村可再生能源开发利用重点实验室,成都610041;农业部沼气科学研究所,成都610041;农业部农村可再生能源开发利用重点实验室,成都610041;西南区生猪优质与安全协同创新中心,四川雅安625014;农业部沼气科学研究所,成都610041;农业部农村可再生能源开发利用重点实验室,成都610041;农业部沼气科学研究所,成都610041;农业部农村可再生能源开发利用重点实验室,成都610041;农业部沼气科学研究所,成都610041;
农业部农村可再生能源开发利用重点实验室,成都610041;农业部沼气科学研究所,
成都610041;农业部农村可再生能源开发利用重点实验室,成都610041
【正文语种】中文
【中图分类】X7;S216.4
近年来，由于集约化、规模化畜禽养殖业迅速发展带来的污染问题日益突出。

据调查，2010 年，全国畜禽养殖业的化学需氧量、氨氮排放量分别达到1184 万吨，65 万吨，占全国排放总量的比例分别为45%，25%，占农业源的95%，79%，
畜禽养殖污染已经成为我国环境污染的重要因素［1］，其中猪场粪便污染排放占的比重最多，污染情况最严重，已经成为影响规模化养猪业生存的关键因素［2］，迫切需要研究开发经济实用的处理利用技术。

固液分离是猪场粪污处理利用的重要环节，既可作为沼气发酵的一个后处理环节，也可以作为猪场废水的一个预处理步骤，能减轻后续处理负荷［3-4］。

固液分离在提高猪场废水处理效率和存放能力的同时，还能够减少还田以后营养元素的流失［5］。

国内外常用的固液分离方式有机械筛分法、过滤法、沉淀、离心分离法、螺旋挤压法［6］、生物法等，固液分离效率从高到低依次为离心分离法、沉淀法、常压过滤法(筛分)、加压过滤法［7］。

固液分离效率受分离方法、固液分离机效率的影响，同时也受物料本身多变的特性的影响［8-9］。

针对固液分离效果不高的现状，一些研究者通过加入絮凝剂来提高固液分离的效率［10-11］，虽然絮凝剂的加入可显著提高分离效果，但是絮凝剂成本较高，很难在猪场粪污处理工程中采用。

目前，我国猪场粪污固液分离采用设备主要是水力筛，对其分离效果和影响因素还不很清楚。

本研究的主要目的是弄清缝隙孔径、存放时间以及猪场废水浓度对猪场废水的固液分离的影响，为固液分离机选型提供依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料
试验废水取自成都市某养猪场，取回实验室后，配成不同浓度的废水，供固液分离影响试验用。

以该猪场废水为进水，在现场进行生产性试验。

1.2 试验装置
小试试验装置由三面均开孔的多孔筛板粘结而成，主要尺寸及孔隙参数见表1。

表1 固液分离试验装置参数/mm 1(大孔隙)编号尺寸/mm 有效容积/L 筛板孔径180 ×185 ×200 6.66 1.51 ±0.075 2(中孔隙) 180 ×185 ×200 6.66 1.20 ±0.109 3(小孔隙)180 ×185 ×200 6.66 0.933 ±0.137
生产性试验采用LK-120 型畜牧专用固液分离机，水力筛为水力切楔型网，间隙0.3～0.5 mm，挤压器马达2HP(1.5kW)，洗网加压泵2HP(1.5kW)，驱动喷嘴马达25 W×2，处理量40～80 m3·h-1。

1.3 试验方法
小试试验时，分别将不同浓度的猪场废水注入不同孔径的固液分离试验装置中，测定所有液体通过装置的时间，同时取分离前后的水样留作测试用。

生产性试验时，开启固液分离进料泵，运行5 分钟后，取集水池废水和固液分离后的废水作测试用。

1.4 分析方法
测定分离前后废水中悬浮物(SS)，COD，氨氮(NH3-N)，总氮(TN)，总磷(TP)。

COD 测定采用重铬酸钾法，NH+4 -N 测定采用纳氏试剂比色法，总氮测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，总磷测定采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法，SS 采用重量法［12］。

2 结果与分析
2.1 筛板孔径对固液分离性能的影响
由表2 可知，随着废水浓度增加，过滤速度降低，当进水COD 浓度从10086 mg·L-1 增加到19051 mg·L-1，浓度升高47.06%，过滤速度降低了69.57%～91.31%。

产生这一现象的主要原因是随着废水浓度升高，使得黏度增加，从而增
加了固液分离过程中的阻力，造成过滤速度下降。

在相同浓度条件下，随着筛板孔径增加，过滤速度增加，当筛孔孔径从0.93mm 增加到1.51 mm 时，过滤速度
从0.014 m3·m-2min-1增加到0.1 m3·m-2min-1，增加了86.00%。

主要原因
是筛板孔径增加，过滤阻力降低。

表2 筛板孔径对过滤速度的影响编号孔径过滤时间/min 过滤速度/m3·m -2min -1 mm 高浓度中浓度低浓度高浓度中浓度低浓度1(大)1.51 23 10 2 0.00869 0.02000 0.100 2(中) 1.20 42 23 10 0.00476 0.00869 0.020 3(小)0.93 47 27 14 0.00426 0.00741 0.014
表3 表明，固液分离对COD 去除范围在9.26%～23.2%之间。

在筛板孔径相同的条件下，废水浓度越高，固液分离对COD 去除率越高。

在高浓度(COD19000 mg·L-1)时，COD 去除率随筛板孔径的减少而增加。

而在中低浓度(COD13800 mg·L-1，COD9700 mg·L-1)的条件下，COD 去除率几乎不随筛板孔径的变化而
变化。

主要是因为在高浓度时，筛板截流的悬浮物比较多，截流悬浮层对废水有过滤作用。

而在较低浓度时，筛板截流的悬浮物比较少，对废水过滤作用弱。

并且在测定COD 时，主要测出来的是溶解性COD，因此，反映出来的差异不大。

从表
4 可以看出，固液分离对SS 去除范围在25.9%～63.2%之间，高于对COD 的去除。

废水SS 的去除率表现出来的趋势和COD 一样，在相同筛板孔径条件下，随
着废水的浓度的降低，去除率下降。

在相同进水浓度条件下，SS 去除率随筛板孔
径的减少而增加。

这些结果与其他的研究结果基本一致。

Zhu［13］等研究表明，在筛孔直径为2.0 mm 降低到1. 0 mm 时，TS 的去除率从0. 74% 增加到5.43%。

Vanotti［14］等利用筛分法处理猪场废水，COD 去除率5%，SS 去除15%。

但
是却低于Rico等通过筛分法和絮凝剂同时作用得到的结果，SS 去除76.1%，COD 去除60.7%［15］，主要是因为絮凝剂的加入显著提高了分离效率。

表3 筛板孔径对COD 去除率的影响孔径废水浓度1.51 mm 1.20 mm 0.93 mm 高浓度进水/mg·L -119051 19051 19051出水/mg·L -1 17285 15099 14622去除率/% 9.26 20.7 23.2中浓度进水/mg·L -1 16507 16507 16507出水/mg·L -1 13051 13349 13110去除率/% 20.93 19.1 20.57低浓度进水/mg·L -1 10086 10086 10086出水/mg·L -1 8437 8296 8399去除率/% 16.34 17.7 16.7 表4 筛板孔径对悬浮物(SS)去除率的影响孔径废水浓度1.51 mm 1.20 mm 0.93 mm高浓度进水/mg·L -129294 29294 29294出水/mg·L -1 15092 14472 10777去除率/% 48.5 50.6 63.2中浓度进水/mg·L -1 13833 13833 13833出水/mg·L -1 12819 10248 8784去除率/% 7.3 25.9 46.8低浓度进水/mg·L -1 9734 9734 9734出水/mg·L -1 6855 6620 5368去除率/% 29.6 32 44.9
从表5 可以看出固液分离对NH+4 -N 没有去除作用，因为NH+4 -N 主要是以溶解状态存在于液相中［16-17］，而且在中浓度污水的条件下还出现了氨氮浓度升高的现象，主要是因为在储存过程中有机氮发生了分解作用，使得氨氮的浓度增加［15］。

表5 筛板孔径对NH +4 -N 去除率的影响孔径废水浓度1.51 mm 1.20 mm 0.93 mm高浓度进水/mg·L -1528 528 528出水/mg·L -1 528 528 527去除率/% 0 0 0.2中浓度进水/mg·L -1 349 349 349出水/mg·L -1 350 346 345去除率/% -0.3 0.9 1.1低浓度进水/mg·L -1 250 250 250出水/mg·L -1 249 248 247去除率/% 0.4 0.8 1.2
由表6 可知，固液分离装置对总氮有一定的去除作用，废水浓度越高，TN 去除率越高。

主要是因为有机氮大多处于不易溶解的状态，因此总氮的去除主要是随固态物质的去除而去除，相比较氨氮而言，得到了较好的去除。

在废水浓度很高时
(COD19000 mg·L-1)，TN 去除率随筛板孔径的减少而增加，从13.9%增加到31.4%，而在中低浓度的条件下，三种孔径筛板的TN 去除率几乎没有多大差别。

表6 筛板孔径对TN 去除率的影响孔径废水浓度1.51 mm 1.20 mm 0.93 mm高浓度进水/mg·L -12350 2350 2350出水/mg·L -1 2023 1780 1612去除率/% 13.9 24.3 31.4中浓度进水/mg·L -1 1788 1788 1788出水/mg·L -1 1530 1578 1530去除率/% 14.4 16.8 14.4低浓度进水/mg·L -1 1367 1367 1367出水
/mg·L -1 1338 - 1275去除率/% 2.12 - 6.73
从表7 可以看出，固液分离装置对总磷有一定的去除作用，废水浓度越高，TP 去除率越高。

在废水浓度很高时(COD 19000 mg·L-1)，TP 去除率随筛板孔径的减少而增加，从10.4%增加到18.7%。

而在中低浓度的条件下，三种孔径筛板的TP 去除率几乎没有多大差别。

表7 筛板孔径对TP 去除率的影响孔径废水浓度1.51 mm 1.20 mm 0.93 mm高浓度进水/mg·L -1193 193 193出水/mg·L -1 173 169 157去除率/% 10.4 14.4 18.7中浓度进水/mg·L -1 145 145 145出水/mg·L -1 129 136 132去除率/% 11 6.2 8.97低浓度进水/mg·L -1 107 107 107出水/mg·L -1 93 92.3 93.8去除率/% 11.4 12.1 10.7
TP 的去除原理与TN 去除一样［11］，但是，最高去除率能达到18.7%，TN 的最高去除率为31.4%，从去除率来看TP 比TN 低。

这一结果与Cristina［18］等研究结果一致，TKN 去除40%，TP 去除34%。

可能是因为磷较多地存在于液相中，而大部分氮以有机氮的形式存在于固相中，因为溶解性氨氮只占总氮的
22.5%。

说明TN 的分离效率比较容易受进料的浓度的影响，TP 则不易受影响，这一点与Moller等人的研究结果一致［6，19］。

2.2 物料特性对分离效果的影响
采用中等孔径的固液分离试验装置对不同存放时间的废水进行了分离。

从表8 可
以看出，废水存放时间越长，过滤速度越慢，分离刚取回来的猪粪只需要11 分钟，但是存放时间逐渐增加的话，过滤时间已经慢慢增加到79 分钟，过滤速度降低了约86%，造成分离较困难且效率低。

产生这一现象主要是因为，存放时间过久，
原料中易降解的物质发生水解［13］，主要是颗粒状物质发生水解，导致水溶性
物质形成使料液黏度增加［20］，从而影响过滤速度。

表8 废水不同存放时间对过滤速度的影响存放时间过滤时间d min过滤速度
m3·m -2min -1 0 11 0.01370 1 18 0.00834 2 54 0.00278 3 79 0.00190
表9 中数据表明，存放0 天的废水，固液分离SS 去除率可以达到9.87%～18.8%，但是存放3 天以后再进行固液分离，SS 的去除率降低到了1.87%～2.05%，如果料液不及时分离，存放1 d 时间后，分离效果显著下降。

主要是因为在存放过程中，在厌氧细菌的作用下溶解性物质发生分解，悬浮颗粒物质发生水解作用，导致猪粪中SS 浓度降低［21］，而且大颗粒物质变成小颗粒，使得小颗粒物质浓度增加，从而使分离效率下降。

因此，为了避免存放过程中废水发生水解而影响分离效果，应尽快对猪场废水进行固液分离。

表9 不同存放时间对物料的分离效果的影响SS存放时间d去除过滤前mg·L去除率-1过滤后mg·L -1%18082 14725 18.80 0 18024 16245 9.87 1 16445 15080 8.30 1 17786 17757 0.16 2 13395 12255 8.51 2 16927 16037 5.26 3 11975 11750 1.87 0 3 15682 15360 2.05
2.3 固液分离机对污染物的去除效果
从表10 可以看出通过固液分离机之后，COD的去除率达到18.8%，SS 也去除了22.05%，TN 去除17.67%，TP 去除10.27%，其中氨氮的去除最不明显，这与
氨氮是大多是可溶态存在有关［22］。

有文献数据表明，养猪废水(COD 12000～18000 mg·L-1)经固液分离后可去除30%～40%的SS 和25% -30%的COD ［23］。

生产性实验所得各种污染物的去除率均低于小试实验数据和其他人的结
果，主要是生产性实验废水的COD 只有6375 mg·L-1，小试实验结果表明浓度
越低去除率越低。

表10 生产性固液分离机对猪场废水污染物的去除效果/%COD/mg·L -1项目固液分离前废水固液分离后废水去除率6375 5369 15.78 NH +4 -N/mg·L -1 355 434 -SS/mg·L -152****1622.05TN/mg·L-1 560 461 17.67 TP/mg·L -1 146 131 10.27
3 结论
(1)孔径0.93～1.51 mm 的筛板对进料浓度较高的猪场废水有较高的处理效率，基本能去除23.2%的COD，63.2%的SS，31.4%的TN，18.7%的TP，但是在处理浓度较低的废水时效率会偏低。

(2)孔隙0.3～0.5 mm 固液分离机对猪场废水COD 的去除率可达到18.8%，SS 去除22.05%，TN去除17.67%，TP 去除10.27%。

(3)固液分离机筛板孔径的大小和废水浓度对固液分离速度和分离效率都有较大影响，筛板孔径越大，废水浓度越低，固液分离过滤速度越高，也就是固液分离处理能力越强，但是分离效率却相反。

因此需要选择合适的筛板孔径，既有较高的处理能力，又保证分离效率。

(4)存放时间越长，对猪场废水的固液分离越不利，会降低固液分离的效率，因此需要进行固液分离的废水，存放时间应越短越好。

参考文献:
［1］李有志，张淑二，胡洪杰. 我国畜牧业污染现状，处理方法及应对措施［J］. 家畜生态学报，2013，34(4):76 -79.
［2］李洋，邓良伟，信欣，等.重力沉淀对猪场污水的分离效果及其对沼气发酵的影响［J］. 环境科学学报，2013，33(7):1912 -1917.
［3］许卓.猪场粪便污水固液分离预处理工艺研究［J］.吉林农业:学术版，2011(5):300 -301.
［4］ Deng L，et al. Biogas fermentation of swine slurry based on the separation of concentrated liquid and low content liquid［J］. Biomass and Bioenergy，2012，45:187 -194.
［5］ Fangueiro D，et al.Cattle slurry treatment by screw press separation and chemically enhanced settling:Effect on greenhouse gas emissions after land spreading and grass yield［J］. Bioresource technology，2008，
99(15):7132-7142.
［6］Mφller H B，S G Sommer，B K Ahring. Separation efficiency and particle size distribution in relation to manure type and storage conditions ［J］. Bioresource Technology，2002，85(2):189 -196.
［7］ Hjorth M，Christensen K ，V Christensen，M L Sommer S G. Solid-liquid separation of animal slurry in theory and practice. A review［J］. Agronomy for Sustainable Development，2010，30(1):153 -180.
［8］ Zhang R，P Westerman. Solid-liquid separation of animal manure for odor control and nutrient management［J］.Applied engineering in agriculture (USA)，1997.
［9］ Westerman P W，J R Bicudo. Tangential flow separation and chemical enhancement to recover swine manure solids，nutrients and metals［J］. Bioresource technology，2000，73(1):1 -11.
［10］Campos E，J Mtnez-Almela，X Flotats. Anaerobic digestion of solid fraction of pig slurry［G］//in Proceedings of the II International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste. Munich，2002. ［11］ Rico J，et al. Characterisation of solid and liquid fractions of dairy manure with regard to their component distribution and methane
production［J］. Bioresource Technology，2007，98(5):971 -979.
［12］复盛.水和废水监测分析方法［M］. 北京:中国环境科学出版社，2002. ［13］Zhu J，P Ndegwa，A Luo. Changes in swine manure solids during storage may affect separation efficiency［J］.Applied engineering in agriculture，2000，16(5):571 -580.
［14］Vanotti M，D Rashash，P Hunt. Solid-liquid separation of flushed swine manure with PAM:Effect of wastewater strength［J］. Transactions-American society of agricultural engineers，2002，45(6):1959 -1970. ［15］Rico C，et al. Solid-Liquid separation of dairy manure:Distribution of components and methane production［J］.Biomass and Bioenergy，2012，39:370 -377.
［16］Burton C.The potential contribution of separation technologies to the management of livestock manure［J］. Livestock Science，2007，
112(3):208 -216.
［17］Sommer S，S Husted. The chemical buffer system in raw and digested animal slurry［J］. The Journal of Agricultural Science，1995，
124(01):45 -53.
［18］González-Fernández C，et al. Solids and nutrients removals from
the liquid fraction of swine slurry through screening and flocculation treatment and influence of these processes on anaerobic biodegradability ［J］. Bioresource technology，2008，99(14):6233 -6239.
［19］Mφller H B，et al. Process performance of biogas digesters incorporating pre - separated manure［J］. Livestock Science，2007，
112(3):217 -223.
［20］Kunz A，et al. Effect of storage time on swine manure solid separation efficiency by screening［J］. Bioresource technology，2009，100(5):1815 -1818.
［21］Zhu J. Early separation of pig manure may enhance separation efficiency［G］//Engineering Notes，University of Minnesota，2000. ［22］ Riano B，M C Garcia-Gonzalez. On-farm treatment of swine manure based on solid-liquid separation and biological nitrification-denitrification of the liquid fraction［J］.Journal of Environment Management，2014，132:87 -93.
［23］杨朝晖，等. 固液分离-UASB-SBR 工艺处理养猪场废水的试验研究［J］. 湖南大学学报(自然科学版)，2002，29(6):95 -99.。