絮凝沉淀預處理養豬廢水影響因素研究

陸健剛

摘? ? ? 要：以江西省鷹潭市某養豬場沼液廢水為研究對象，分別通過添加質量濃度為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在中性環境中去除效果最好。

關? 鍵? 詞：沼液廢水;混凝劑;去除率;沉淀時間;pH

中圖分類號：TD163+.1? ? ? ?文獻標識碼： 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豬大國，雖然近年來我國養豬產業發展迅速，但由于企業污水處理設施投入的不足、以及企業環保意識的不足，特別是在落后城市，養豬產生的污染物遠未得到有效利用，養豬業對當地環境所造成的環境影響仍是廣大學者研究的熱點問題[1-2]。養豬企業所產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豬場運轉所產生的生產、生活廢水，豬場所產生廢水量的多少與生豬品種、清糞方式、氣候條件、圈養規模、飼料類型等有關，甚至管理方式、生產方式以及養殖設備等因素與廢水產生量也有密切關系[3]。養豬廢水是典型的“三高”廢水，常常具有發黑發臭、水質復雜、懸浮物質量濃度高、有機物質量濃度高等特征[4]。一般而言，對于上萬頭規模的豬場，其廢水中COD質量濃度一般在 2 000 ～15 000 mg·L-1，BOD質量濃度一般在2 000～10 000 mg·L-1，氨氮質量濃度高達? ? ?600～1 000 mg·L-1，懸浮物質量濃度也超標數十倍甚至百倍。養豬廢水未經處理或僅經簡單的預處理無法滿足排放標準，養豬廢水若未經有效處理直接排放到河流，有毒物質會在浮游植物、動物、水生生物、魚類等體內聚集，最終引起生物圈中整個食物鏈中毒;廢水中有毒物質直接進入地下后也會造成土壤自凈能力下降，應用價值降低，如果用于灌溉可引發農作物減產或者死亡。據報道[5]，養豬廢水中還含有酚類、酸類、多環含氮化合物、硫酸氫等無機物質，這些物質釋放到環境中會嚴重危害附近居民身體健康，還會對生豬的生長發育造成不利影響。養豬廢水中由于含有大量的細菌，排放到河流中還會嚴重破壞水環境。

目前養豬廢水主要有自然處理和工業化處理兩種方式[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點而廣為應用，尤其是人工濕地。據報道，養豬廢水經過人工濕地處理后COD和BOD的去除率分別可高達90%和80%，對氨氮和TP的去除率也可達到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，其中曝氣法、厭氧發酵、人工濕地、土壤滲濾等是自然處理的主要方式。由于養豬廢水水質復雜、波動大、常常伴隨有惡臭氣體產生，對于上了一定規模的養殖場，由于沒有足夠的空間停留大量的廢水，因此工業處理法應用較多。工業處理法具有占地面積小、處理效果較好、處理時受外界環境因素影響小、適應性強等優點也廣為應用，如楊樹潤[8]等采用經過鑭改性的紅藻、海帶、滸苔和石莼4種干粉末材料，用于養豬廢水處理中，結果表明這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]等發現”UASB+SBR”工藝耦合使用能使養殖廢水中COD去除率達到90%以上;曾東[10]等 “水力篩網+沸石吸附+連續流砂濾池+活性炭吸附”組合工藝穩定運行后對養殖業廢水污染物去除效果較好，經該工藝處理后出水能達到行業標準中的一級標準。

厭氧發酵是當前養殖場廢物再利用的主要途徑之一，對于上一定規模的養殖場均要求配有沼氣池，而混凝沉淀技術是一種經濟又簡便的污染物去除技術，本文擬研究養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，研究結論可為進一步了解絮凝沉淀機理提供理論參考。

2? 材料與方法

選取江西省鷹潭市某規模化養豬場的沼液廢水為研究對象，該豬場現有生豬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質量濃度，檢測水質時嚴格按相關規范中操作步驟進行，該豬場排放的廢水執行《畜禽養殖業污染物排放標準》? ?（GB 18596—2001），工藝進、出水的水質狀況見表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組進行，試驗前提前配置好質量濃度為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，試驗一組一組進行，先進行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1、5、10、15、20、25、30、35 min后沉淀的水質并檢測，隨后進行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節廢水的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后測定對應的水質指標，計算去除率，接著在同種情況下進行PAM和PFS試驗。

污染物去除率計算公式如下：

3? 結果與分析

對于一些污染物質量濃度較高的廢水，絮凝沉淀技術經常作為工藝預處理步驟，經絮凝沉淀后廢水色度、懸浮物等指標會明顯下降，沉淀后水質質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。正常而言，絮凝劑添加得越多沉淀效果越好，但當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，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，在時間段內氨氮去除率主要保持在4.5%～6.8%范圍內波動;沉淀時間從1 min至25 min，COD去除率由33.5%逐漸增至49.2%，隨后當沉淀時間繼續延長，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，當采用PFS為絮凝劑時，應控制沉淀時間為25 min。

由圖3分析可知，當添加PAM絮凝劑后，氨氮去除率隨靜置時間增加變化不大，在試驗時間段內主要在17.2%～21.4%范圍內波動，未見明顯規律;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%，當沉淀時間繼續增加時，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，當添加PAC為絮凝劑時，沉淀時間在35 min內，污染物去除率隨靜置時間增加而逐漸增大，當添加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，當廢水中投入絮凝劑后會發生一系列反應生成氫離子，氫離子的存在可阻礙水解反應的正常進行，因此需加入中性物質或偏堿性物質進行中和，當pH過高時，水解酸化產生的沉淀物又可能重新溶解形成新的絡合物。因此，為探究pH對絮凝沉淀效果的影響，筆者根據之前確定的每種絮凝劑最佳沉淀時間進行了3組試驗，測定了廢水中各污染指標值，計算出了污染物去除率，結果如圖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，氨氮去除率變化不明顯，仍然維持在13.4%～17.2%范圍內波動，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pH為7時，去除率達到最大值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，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pH為7時去除率達到最大值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，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在中性環境中去除效果最好。

4? 結 論

本文以養豬廢水中的沼液廢水為研究對象，設計了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，結果表明：

1）當添加PAC為絮凝劑時，沉淀時間在35 min內，污染物去除率隨沉淀時間增加而逐漸增大，當添加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在中性環境中去除效果最好。

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