豬場廢水厭氧發酵前固液分離對總固體及污染物的去除效果

王 明，孔 威，晏水平，艾 平，張衍林

?

豬場廢水厭氧發酵前固液分離對總固體及污染物的去除效果

王 明，孔 威，晏水平※，艾 平，張衍林

（華中農業大學工學院，農業部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430000）

養殖廢水中高濃度污染物質主要來自于固態糞污的溶解或微生物的分解作用，在廢水產生后立即進行固液分離，可以有效將廢水中還未溶解的固態物質分離出去，從而降低廢水中污染物的含量和減輕后續生化處理的壓力。該研究以豬場廢水為研究對象，采用離心分離方式對廢水進行固液分離，主要考察廢水中總固體、化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）及氮磷化合物的去除效果。結果表明，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。通過甲烷化潛力測試研究，發現離心分離可使廢水中可厭氧生化物質去除50%以上，這可大幅節約生化處理池的建造體積和處理周期。以萬頭豬場日產100 t廢水量為例，生化前離心處理較直接生化處理可節約45%的廢水處理成本。該研究可為大中型養殖場就如何節約廢水處理工程投資和處理成本上提供新的設計思路與參考依據。

糞污；離心作用；分離；厭氧發酵；生物降解性

0 引 言

隨著中國畜禽養殖業不斷向集中型和規模化養殖方式的轉變，由養殖過程排放的大量糞污所引發的環境污染問題也愈發嚴重。據《第一次全國污染源普查公報顯示》[1]，中國養殖污染物總排放化學需氧量（COD）為1268萬t，占整個農業源排放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，養殖業已經成為中國有機污染物的主要來源之一。

養殖廢水的處理一般是以城市生活污水廠工藝為基礎進行開發的，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合的方式達到去除水中有機污染物及氮、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，就需要越長的停留時間。因此，在進行生化處理前，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間和成本。最為常用的糞水固液分離設備為螺旋擠壓式固液分離機，其具有構造簡單、成本低和處理能力強等優點。在利用螺旋擠壓式固液分離機對水沖糞或水泡糞工藝產的高濃度豬糞液進行固液分離時，可有效減少糞水中總固體含量[4-6]。然而，由于固液分離機的結構限制，對廢水中的固體分離程度有限，尤其是對小于篩網孔徑的微小易溶顆粒物質幾乎不能起到分離作用，獲得的分離液中干物質含量仍然較高，其生化處理周期仍然需要很長時間。

研究表明，采用更高級的固液分離設備可進一步降低廢水中固體物質含量，常用的分離設備有臥螺旋離心機、蝶螺式脫水機和壓濾機等[7-8]，其中臥螺旋離心技術為近些年逐漸發展起來的高級固液分離技術，被廣泛用于石油化工、食品加工和生活污水處理等生產領域[9]。臥螺旋離心機具有可連續進出料的特點，較傳統離心機的批式離心方式具有分離效率高和可連續運行等優勢，更無需像壓濾機等過濾式固液分離設備那樣需要定期更換過濾膜具[10]。研究表明，在將臥螺旋離心機用于養殖糞水的固液分離時，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獲得的分離液，其總固體質量濃度則高達40.2 g/L。Rico等[12]采用螺旋擠壓式分離與離心式分離相結合的方式對高濃度牛糞液進行固液分離，發現可獲得幾乎沒有懸浮物質（suspend solid，SS）的分離液，生化處理的水力停留時間僅需1~2 d，COD去除效率可達80%以上。而對于離心后獲得的固體部分，其干物質質量分數一般可達20%以上，風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，在中國離心分離技術一般僅被應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用于高濃度養殖廢水生化處理前固液分離的研究和應用還比較少。本研究針對臥螺旋離心機在固液分離上的特點和優勢，通過在實驗室采用臺式離心機模擬臥螺旋離心機工作參數的方式，考察離心作用對新鮮豬糞廢水中總固體、厭氧可生化物質、COD及氮磷化合物的去除效果。并以萬頭豬場為例，對生化前離心處理廢水的經濟優勢進行簡要分析。該研究可為減輕養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

豬糞從養豬場取回后挑揀出草稈等雜物后冰凍儲存（?20 ℃）。根據調研獲取的豬場廢水一般特征，即干物質質量分數在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沖洗廢水（見表1）。厭氧發酵接種物取自豬場廢水厭氧處理池的底部污泥（經池體排泥管道排出），取回后儲存于4 ℃冰箱備用。接種物懸浮固體（suspend solids，SS）和揮發性固體（volatile solid，VS）的質量濃度分別為(18.5±0.35)和(15.1±0.47) g/L；pH值為(7.56±0.09)；總氮（total nitrogen，TN）質量濃度為(859±28.9) mg/L。

1.2 離心分離試驗

由于臥螺旋離心分離設備主要以中試和生產規模為主且體型龐大，在實驗室模擬臥螺旋離心機的分離效果時，一般可采用臺式離心機進行。本研究所用臺式離心機規格為4孔×250 mL，最高轉速為5 000 r/min。

離心轉數與離心時間是影響離心過程物料沉降和離心成本的2個主要因素，其試驗水平的設定參考生產中臥螺旋離心機的實際工作參數。以LW-400×1200型螺旋分離機（廣州富一）為例，其轉鼓最大轉速為3 400 r/min；離心機轉鼓有效體積約為0.08 m3，每小時對廢水的處理能力平均可達10 m3。因此，本試驗中離心轉數選定為1 000、2 000和3 000 r/min共3個水平；而物料在離心機內的停留時間，即有效離心時間可根據公式（1）計算得出。

式中為物料在連續型臥螺旋離心機內的停留時間，min；h為臥螺旋離心機小時處理廢水量，m3；轉鼓為所用離心機轉鼓有效體積，m3。

因此，將LW-400×1200型螺旋分離機的工作參數代入公式（1），可計算出物料在連續流離心機內的有效離心時間約為0.5 min。據此，本研究在臺式離心機上的離心時間同樣設置為0.5 min。

1.3 厭氧可生化物質去除率

研究廢水中厭氧可生化物質，或稱為生物可轉化物質等，主要是指廢水中可被厭氧微生物利用或轉化的物質，其含量一般可通過測定廢水生化甲烷潛力（biochemical methane potential，BMP）的方式而間接測定[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豬糞廢水中可生化物質的去除效率越大。由此，廢水中厭氧可生化物質去除率（biodegradable solid removal rate，BSRR）可由公式2計算得出：

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）測試

廢水BMP測試采用瑞典AMPTS-II全自動甲烷潛力測試系統進行，反應器容積為500 mL。每個反應器中分別裝入100 mL接種物和300 mL待測廢水，發酵溫度設定為(35±1) ℃，發酵時間為10 d。用未進行離心分離的新鮮豬糞廢水作為對照。

研究表明，采用修正的Gompertz模型對實際試驗獲得的產氣數據進行擬合并修正，可以獲得更加接近于真實物料的產氣潛力數據[19-21]。因此，本研究中利用修正的Gompertz模型對實際獲取的廢水產氣數據進行擬合分析，并以模型預測值作為評價廢水BMP的依據。該模型如式（3）所示。

式中為第天的累計產氣量，mL/g；為發酵時間，d；為最大累計產氣量，mL/g；m為最大產氣速率，mL/(g·d)；為產氣延遲時間，d；e為自然常數，2.718 282。

1.5 分析方法

干物質含量（TS）、揮發性物質含量（VS）采用電熱鼓風干燥箱、箱式電阻爐，并根據標準方法測定[22]；pH值采用實驗室用數顯酸度計PHS-3C測定；總氮采用Foss Kjeltec 2300全自動凱式定氮分析儀根據儀器標準分析方法測定；總磷測定采用鉬酸銨分光光度法進行[23]；采用SPSS19.0數據分析軟件，對公式（3）所示模型進行累計甲烷產量模擬和對BMP進行預測。

2 結果與分析

2.1 離心分離后廢水理化參數變化

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

將各離心轉數下廢水污染物去除效率進行比較，發現隨著離心轉數的提高，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系。圖1為廢水中各理化參數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對原廢水中污染物的去除率。這是由于離心作用主要表現在對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。當繼續增大離心轉速時，雖然可顯著提高沉降系數較低的微小顆粒分離效果，但對廢水整體的理化參數改變幅度將減弱。在實際廢水處理中，應根據分離要求來確定離心轉數，以達到最大經濟效益。

表1 離心分離后廢水的理化參數

圖1 不同離心轉數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元素主要以無機鹽、氨基酸及多肽等形式存在，所以更易于溶解或被相關酶系所分解[24]。Hjorth等的報道中也有類似的結論，固液分離過程對總氮和NH4+-N的分離效率要小于對干物質和總磷的分離效率[25]。因此，在生產實踐中，應盡可能縮短廢水產生到離心分離的時間間隔，盡量降低糞污中營養物質的溶解或微生物分解作用。

2.2 產甲烷潛力測試

通過對未離心廢水以及3個離心轉數水平下獲得的廢水分別進行15 d的批式厭氧發酵測試，觀察各組累計甲烷量與產氣動力學的變化情況。如圖2所示，離心分離后，豬糞廢水的產甲烷能力大幅下降。3個離心處理組的累計產甲烷量均在850 mL/L以下，而對照組（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。當發酵進行至第4 天時，3個離心組均已完成90%以上的產氣量，而對照組則不到70%，表明離心后廢水生化過程需要的水力停留時間也大為縮短。

圖2 實測累積產氣與擬合產氣曲線

通過修正Gompertz模型分別對4個試驗組的實測累計產氣量進行擬合，如圖2所示，其擬合曲線（實線）與實測產氣曲線趨勢較為一致，且4組模型2均在0.99以上（表2），與文獻報道的2值在0.9830~0.9998的范圍內波動相一致[21,26]，表明模型擬合良好。

表2 廢水的產甲烷動力學模擬結果

注：：最大累計產氣量；m：最大產氣速率；：延遲時間。

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；離心后廢水的最大產氣速率μ在280～303 mL/(L·d)，略小于對照組的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個試驗組的延遲時間均不到1 d，表明豬場廢水離心前后的可生化性均較強，能夠較快進入產氣階段。

2.3 可生化物質去除效率

將表2中最大累計產氣量代入公式（2），可分別計算出不同轉數離心分離液的可生化物質去除效率（BSRR）。結果如表3所示，離心后廢水的BSRR在48%~58%之間，且轉數越高可生化物質去除效率就越大。離心分離對廢水中可生化物質的去除效率，可作為調整厭氧生化池建造體積和水力停留時間的依據。如離心分離對糞水中可生化物質去除率為50%，則厭氧生化池建造體積和水力停留時間均可按這一比例縮小。

表3 離心后廢水可生化物質去除效率

2.4 工程經濟效益分析

雖然離心分離可大幅降低新鮮豬場廢水中可生化物質的質量分數，而有利于減少生化處理池的建造體積。然而，離心分離設備價格相對較貴，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鍵。因此，應用前需要對其進行相應的經濟性分析。以存欄量為1萬頭的豬場為例，采用干清糞工藝每日產廢水量約為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行成本如表4所示（僅評估到厭氧生化處理）。

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

表4 萬頭豬場廢水離心處理的經濟性分析

注：日處理成本=離心電耗+厭氧池折舊費+離心機折舊費；相對處理成本=日處理成本-節省投資利息；綜合經濟效益=沼氣收益+離心分離固體糞污收益-相對日處理成本。

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2種工藝中主要設施設備的購置、運行及折舊成本等進行對比，生化前離心的處理方式，廢水日處理成本為165元/100 t，而直接生化處理費用為150元/100 t。前者多出的部分主要來自于離心分離設備的折舊費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勢。然而，如果考慮固定資產的一次性投資費用，生化前離心方式較直接生化可以節省27.5萬元的固定資產投資，由此節省的利息約為82.5元/d。扣除節省的投資利息，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勢在于節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含量所決定的。養殖廢水的干物質濃度一般在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]，可節約生化池的建造體積也就越大。因此，在對離心分離方式的經濟效益評估中，應著重考察建池費用這一成本因素。

此外，從表4可以看出，如果產生的沼氣按照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+生化處理的綜合經濟效益要高于直接生化處理50%以上。然而，在實際調研中發現，受供氣管網建設維護所需人力及物力成本的影響，大多數豬場廢水產沼氣均難以獲得收益；此外，厭氧池季節性產氣波動和農民使用意愿等問題也嚴重影響沼氣的出售。固液分離雖然會使廢水的沼氣產量降低，但后續一系列生化及物理處理的周期和費用也會相應降低。這也是目前豬場糞水產生后均要立即進行固液分離的主要原因。同樣受堆肥場地和農民使用有機肥意愿的影響，固體糞污的收益也不確定。因此，目前大多數養殖場主考慮的仍是如何最大化降低廢水處理成本。

在養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節的處理成本。此外，因生化前離心分離使所需生化池體積大幅減小，有利于節約低溫時節的池體保溫能耗，尤其對于中國北方地區則更為重要。廖建平[29]的研究也表明螺旋擠壓分離機、離心固液分離機作為物理處理設備在去除糞渣及SS的同時大大降低了糞污COD，為保證中端厭氧發酵系統、后端沼液深化達標處理及利用系統的正常運行具有重要意義。Hjorth等研究也表明，糞水固液分離的意義更應該放在整個廢水處理系統去評估[25]。此外，Paz等在糞水固液分離中加入絮凝劑，如聚丙烯酰胺，發現可以顯著提高懸浮固體和COD的脫出效率[30]。因此，隨著固液分離技術及設備的不斷成熟，生化前進行更高級固液分離的可行性和實際意義也會越來越強，值得進一步探索和研究。

3 結 論

1）豬場廢水產生后，立即進行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污染物質。以干物質質量濃度為7.3 g/L的模擬廢水為研究對象，離心后，干物質與揮發性物質去除效率在50%～65%；COD去除效率在45%～55%；N、P元素的去除率在30%～50%之間。

2）離心轉數在2 000 r/min以上時，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，這有利于減少后續廢水的生化處理壓力。

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

豬場廢水厭氧前離心處理，對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，值得進一步探索和研究。

[1] 第一次全國污染源普查資料編纂委員會．污染源普查技術報告[M]．北京：中國環境科學出版社，2011．

[2] 姚惠嬌，董紅敏，陶秀萍，等．浸沒式膜生物反應器處理豬場污水運行參數優化[J]．農業工程學報，2015，31(15)：223―230． Yao Huijiao, Dong Hongmin, Tao Xiuxiu, et al. Operation parameter optimization of wastewater from swine farms using submerged membrane bioreactor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(15): 223－230. (in Chinese with English abstract)

[3] Santos A C D, Oliveira R A D. Swine waste water treatment in horizontal anaerobic reactor followed by aerobic sequencing batch reactor[J]. Engenharia Agrícola, 2011, 31(4): 781―794.

[4] Ria?o B, Garcíagonzález M C. On-farm treatment of swine manure based on solid-liquid separation and biological nitrification-denitrification of the liquid fraction[J]. Journal of Environmental Management, 2014, 132: 87―93.

[5] 孔凡克，邵蕾，楊守軍，等．固液分離技術在畜禽養殖糞水處理與資源化利用中的應用[J]．豬業科學，2017，34(4)：96―98．

[6] Chastain J P. Removal of solids and major plant nutrients from swine manure using a screw press separator[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2001, 17(3): 355―363.

[7] 鄭文鑫，方文熙，張德暉，等．幾種常見的畜禽糞便固液分離設備[J]．福建農機，2011(4)：37―39．

[8] 江滔，溫志國，馬旭光，等．畜禽糞便固液分離技術特點及效率評估[J]．農業工程學報，2016，32(增刊2)：218―225． Jiang Tao, Wen Zhiguo, Ma Xuguang, et al. Characteristics and efficiency evaluation of livestock slurry separation technologies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(supp.2): 218―225. (in Chinese with English abstract)

[9] 江君，徐高宗．臥螺離心機在城市湖泊污泥脫水中的應用[J]．環境工程學報，2015，9(1)：453―458． Jiang Jun, Xu Gaozong. Application of decanter centrifuges on sludge dewatering in urban lakes [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2015, 9(1): 453―458. (in Chinese with English abstract)

[10] 譚蔚，鐘偉良，閆浩，等．臥式螺旋卸料離心機研究的回顧與展望[J]．化工進展，2016，35(b11)：46―50． Tan Wei, Zhong Weiliang, Yan Hao, et al. Review and prospect on the research of horizontal screw discharging centrifuge[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35(b11): 46―50. (in Chinese with English abstract)

[11] 高其雙，彭霞，盧順，等．三種固液分離設備處理豬場糞污的效果及成本比較[J]．湖北農業科學，2016，55(22)：5879―5881． Gao Qishuang, Peng Xia, Lu Shun, et al. Effect of three kinds of the solid-liquid separation equipment on piggery wastes and its cost comparison[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2016, 55(22): 5879―5881. (in Chinese with English abstract)

[12] Rico C, Rico J L, Lasa C. Anaerobic digestion of the liquid fraction of dairy manure separated by screw pressing and centrifugation in a upflow anaerobic sludge blanket reactor at 25 ℃[J]. Biosystems Engineering, 2012, 112(4): 344―351.

[13] 臧冰，李恕艷，李國學．風干預處理對堆肥腐熟度及臭氣排放量的影響[J]．農業工程學報，2016，32(增刊2)：247―253． Zang Bing, Li Shuyan, Li Guoxue. Effects of air-dry pretreatment on maturity and odors during composting of pig manure and corn stalks[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.2): 247―253. (in Chinese with English abstract)

[14] Park M H, Kumar S, Ra C. Solid waste from Swine wastewater as a fuel source for heat production[J]. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 2012, 25(11): 1627.

[15] 陳劍，劉露瑩．污泥脫水用離心機的絮凝劑耗用量調試研究[J]．中國給水排水，2012，28(9)：97―100． Chen Jian, Liu Luying. Flocculant consumption of centrifuge for sludge dewatering[J]. China Water & Wastewater, 2012, 28(9): 97―100. (in Chinese with English abstract)

[16] Deng X Y, Gao K, Zhang R C, et al. Growing Chlorella vulgaris on thermophilic anaerobic digestion swine manure for nutrient removal and biomass production[J]. Bioresource Technology, 2017, 243: 417―425.

[17] Giuseppe D G, Marco G, Lorenzo B, et al. Effects of hydrothermal pre-treatments on Giant reed () methane yield[J]. Bioresource Technology, 2013, 147C(8): 152―159.

[18] 杜連柱，梁軍鋒，楊鵬，等．豬糞固體含量對厭氧消化產氣性能影響及動力學分析[J]．農業工程學報，2014，30(24)：246―251． Du Lianzhu, Liang Junfeng, Yang Peng, et al. Influence of total solid content on anaerobic digestion of swine manure and kinetic analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(24): 246―251. (in Chinese with English abstract)

[19] Alta? L. Inhibitory effect of heavy metals on methane-producing anaerobic granular sludge[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 162(2): 1551－1556.

[20] 張毅，孔曉英，李連華，等．能源草厭氧發酵產氣性能與動力學分析[J]．農業機械學報，2016，47(5)：191―196． Zhang Yi, Kong Xiaoying, Li Lianhua, et al. Biogas production performance and dynamics of anaerobic digestion of different energy grasses[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 191―196.(in Chinese with English abstract)

[21] Lo H M, Kurniawan T A, Sillanp?? M E T, et al. Modeling biogas production from organic fraction of MSW co-digested with MSWI ashes in anaerobic bioreactors[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(16): 6329―6335.

[22] 國家環境保護總局，水和廢水監測分析方法編委會．水和廢水監測分析方法[M]．北京：中國環境科學出版社，2002．

[23] 封悅科，史箴，何鴻治．鉬酸銨分光光度法測定廢水中的元素磷[J]．中國環境監測，2005，21(2)：29―30． Feng Yueke, Shi Jian, He Hongzhi. Ammonium molybdate spectrophotometric method determination of element phosphorus in waste water[J]. Environmental Monitoring in China, 2005, 21(2): 29―30. (in Chinese with English abstract)

[24] Sommer S G, Zhang G Q, Bannink A, et al. Algorithms determining ammonia emission from buildings housing cattle and pigs and from manure stores[J]. Advances in Agronomy, 2006, 89(5): 261―335.

[25] Hjorth M, Christensen K V, Christensen M L, et al. Solid-liquid separation of animal slurry in theory and practice: A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2010, 30(1): 153―180.

[26] 王明，趙勝雪，李旭榮，等．豬糞中溫半干法連續厭氧發酵產氣性能[J]．農業工程學報，2018，34(1)：204―209．Wang Ming, Zhao Shengxue, Li Xurong, et al. Biogas production performance of swine manure by mesophilic semi-dry continuous anaerobic digestion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(1): 204―209. (in Chinese with English abstract)

[27] 祝其麗，李清，胡啟春，等．豬場清糞方式調查與沼氣工程適用性分析[J]．中國沼氣，2011，29(1)：26―28．

Zhu Qili, Li Qing, Hu Qichun, et al. Investigation and analysis of animal manure collection methods on pig farms and their applicability to the anaerobic digestion[J]. China Biogas, 2011, 29(1): 26―28. (in Chinese with English abstract)

[28] 鄭葦，劉淑玲，靳俊平．不同清糞工藝下豬、牛、雞養殖場糞水和污水厭氧消化技術探討[J]．環境衛生工程，2017，25(5)：58―60． Zheng Wei, Liu Shuling, Jin Junping. Anaerobic digestion technology of fecal water and wastewater from pig, cattle and chicken farms with different manure collection[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2017, 25(5): 58―60. (in Chinese with English abstract)

[29] 廖建平．規模化奶牛養殖糞污綜合治理及資源化利用應用研究[D]．重慶：重慶大學，2015．

[30] Paz P M, Cristina L M, Acítores-Benavente M, et al. Solids and nutrient removal from flushed swine manure using polyacrylamides[J]. Journal of Environmental Management, 2012, 93(1): 67―70.

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

中央高校基本科研業務專項資金資助（2662015QD034）

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

晏水平，教授，博士導師，主要從事農業廢棄物處理及沼氣工程技術方面的研究。Email：yanshp@mail.hzau.edu.cn

王 明，孔 威，晏水平，艾 平，張衍林. 豬場廢水厭氧發酵前固液分離對總固體及污染物的去除效果[J]. 農業工程學報，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