基于低速離心分離技術(shù)的水禽糞污預(yù)處理裝置研發(fā)

關(guān)正軍 ，吳應(yīng)濤 ，陳科昭 ，韓 威 ，賈興江 ，王秋雁 ，王述昆

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶，400715）

0 引 言

近年來，水禽養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)?；⒓s化方向發(fā)展，為大眾帶來豐富的蛋類和肉質(zhì)類產(chǎn)品的同時(shí)，養(yǎng)殖糞污產(chǎn)量激增，阻礙了產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[1-3]。糞污中含較多的營養(yǎng)物質(zhì)以及污染物，有效的處理既能夠解決糞污的污染問題，又能夠?qū)崿F(xiàn)資源的回收利用[4-5]。在糞污生化處理前，進(jìn)行預(yù)處理可提高處理工藝的效率[6-8]。水禽糞污的物理特性與沼液相似，水體黏稠且固體顆粒粒徑細(xì)小，采用螺旋擠壓難于分離。

沼液的處理方式有曝氣、混凝絮凝、沉淀與過濾以及機(jī)械分離。曝氣處理以注入空氣的方式，使水體中的微生物獲得充足的氧氣，促進(jìn)微生物對(duì)污染物的分解作用，實(shí)現(xiàn)固形物的去除[9-10]?；炷跄眯跄齽┛墒刮鬯屑?xì)微顆粒發(fā)生脫穩(wěn)、絮凝、沉淀，實(shí)現(xiàn)固形物高效去除，但常用的無機(jī)、有機(jī)絮凝劑在使用過程中過量的添加會(huì)導(dǎo)致水體二次污染[11-13]；微生物絮凝劑是一種綠色無毒的試劑，但因制備條件苛刻，規(guī)?；a(chǎn)受到限制[14-16]。自然沉淀能耗低，操作簡便，但占地面積大，沉淀時(shí)間長，固液分離效率低[17-18]；杜靜等[19]研究發(fā)現(xiàn)，最佳自然沉淀時(shí)間為1 d，懸浮性固體去除率達(dá)到33.8%。過濾就是利用過濾材料的吸附性或細(xì)小網(wǎng)孔截留水體中的固體顆粒實(shí)現(xiàn)固形物的去除，李剛等[20]使用生物質(zhì)灰渣凈化沼液，發(fā)現(xiàn)灰渣粒徑對(duì)沼液凈化效果影響顯著，粒徑小于0.5 mm時(shí)，COD和TS的去除率能夠達(dá)到最大值，分別為94.07%和87.16%；但過濾過程中易出現(xiàn)堵塞情況，整體處理效率較低，且存在部分濾料無法二次利用問題[21-24]。針對(duì)這類固體含量低、固體顆粒粒徑小的污水，離心機(jī)械因占地面積小，處理效率高而成為固液分離機(jī)械設(shè)備中的最優(yōu)選擇[25-27]；BACHMANN等[28]測定了離心分離前后污水的各項(xiàng)指標(biāo)變化，結(jié)果表明污水體積減少近10%，固形物去除率達(dá)到50%，同時(shí)50%以上的營養(yǎng)物質(zhì)保留在分離液相中。由此可見，機(jī)械分離方式具有處理效率高，無污染物引入，能夠保留較多營養(yǎng)物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。

本研究依據(jù)水禽糞污特點(diǎn)并綜合考慮各種污水處理手段的優(yōu)缺點(diǎn)，采用離心技術(shù)分離水禽糞污。為了實(shí)現(xiàn)高效低耗，研究采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)分析篩網(wǎng)目數(shù)、離心轉(zhuǎn)速、分離時(shí)間對(duì)分離效果的影響，并以優(yōu)化參數(shù)為依據(jù)對(duì)研發(fā)的低速離心分離裝置進(jìn)行試驗(yàn)，為解決黏稠小顆粒水禽糞污分離提供技術(shù)與裝備支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水禽糞污原樣取自重慶市榮昌區(qū)家禽科研基地，該基地養(yǎng)殖的水禽為鵝。舍內(nèi)的糞污處理采用干清糞方式，殘留糞污在水沖洗后，混合糞液輸送至處理設(shè)備中進(jìn)行處理。采集的污水被保存在塑料桶中并置于5 °C的條件下冷藏。糞污顏色呈褐色，水體渾濁黏稠，含有大量懸浮性固體，同時(shí)散發(fā)著刺激性氣味。經(jīng)過對(duì)原樣的測定，水禽糞污的各指標(biāo)如表1所示。

表1 水禽糞污指標(biāo)Table 1 Waterfowl manure indicators

1.2 試驗(yàn)方案

預(yù)處理試驗(yàn)平臺(tái)的組成部分有高速離心機(jī)、篩網(wǎng)和離心管。高速離心機(jī)型號(hào)為Thermo ST16R，篩網(wǎng)為市售國標(biāo)尼龍篩網(wǎng)，離心管為15 mL尖錐離心管。尼龍篩網(wǎng)經(jīng)過裁剪與粘合操作后，被制作成尺寸為12 mm×11 mm×65 mm、外形呈長條狀的濾袋，離心管上半部內(nèi)置濾袋，作為裝載糞污的容器。

單因素試驗(yàn)是在篩網(wǎng)目數(shù)、離心轉(zhuǎn)速和分離時(shí)間3個(gè)因素中，分別固定其中兩個(gè)因素，研究其中一個(gè)因素對(duì)離心分離效果的影響規(guī)律。依據(jù)文獻(xiàn)[29-31]和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)篩網(wǎng)目數(shù)小于40目(＞0.43 mm)時(shí)，糞污分離前后體積變化不明顯且水體依舊渾濁；當(dāng)篩網(wǎng)目數(shù)大于200目(<0.08 mm)時(shí)，分離液相體積減小，濾袋中含有較多液體；當(dāng)分離時(shí)間大于6 min或離心轉(zhuǎn)速大于1000 r/min時(shí)，篩網(wǎng)堵塞嚴(yán)重，分離固相難以清理。因此，單因素試驗(yàn)中篩網(wǎng)目數(shù)選用40、80、120、160、200目，其對(duì)應(yīng)的孔徑大小分別為0.42、0.18、0.13、0.09、0.08 mm，分離時(shí)間選用1、2、3、4、5 min，離心轉(zhuǎn)速選用500、600、700、800、900 r/min。

離心機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部溫度統(tǒng)一設(shè)定為室溫（25 °C）。在同一個(gè)試驗(yàn)條件下， 6支離心管中分別注入8 mL的污水，離心機(jī)的運(yùn)行參數(shù)依照相應(yīng)的試驗(yàn)條件設(shè)定后進(jìn)行離心分離；經(jīng)過分離后，離心管中的分離液相取出混合在一起進(jìn)行污染物指標(biāo)的測定。重復(fù)上述步驟3次，測定3組樣品中的各污染物指標(biāo)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)平均值作為當(dāng)次試驗(yàn)最終結(jié)果。

單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和Origin 2021進(jìn)行分析。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)，優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果由Design Expert 12分析獲得。

1.3 測定方法

總固體（TS）采用烘干法測定；揮發(fā)性固體（VS）采用灼燒法測定；化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定；氨氮（NH4+-N）采用蒸餾中和滴定法（凱式定氮儀）測定；總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素變化對(duì)污水分離效果的影響

按照上述單因素試驗(yàn)方法，得到各單因素對(duì)水禽污水離心分離效果的影響規(guī)律。

2.1.1 篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)分離效果的影響

在篩網(wǎng)目數(shù)單因素試驗(yàn)中，水禽糞污原樣中的COD、TS、VS、NH4+-N、TP分別為9 894.50 mg/L、5.14%、3.56%、714.12 mg/L、38.61 mg/L。設(shè)定離心轉(zhuǎn)速700 r/min，分離時(shí)間3 min，考察不同篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)污水分離效果的影響。經(jīng)過不同篩網(wǎng)目數(shù)離心分離后，分離液相中TS、VS、COD等污染物含量的變化如圖1所示。

圖1 各指標(biāo)含量隨篩網(wǎng)目數(shù)變化曲線Fig.1 Variation curve of each index content after treated with different mesh size

根據(jù)圖1中各曲線可知，水禽糞污中各污染物含量隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加呈現(xiàn)一種逐漸降低的趨勢。原因在于隨著篩網(wǎng)目數(shù)的增加，不斷減小的篩網(wǎng)孔徑使得水禽糞污中較大粒徑的固體顆粒難以通過，被截留在濾袋中。當(dāng)篩網(wǎng)目數(shù)為120目（孔徑為0.13 mm）時(shí)，篩網(wǎng)堵塞情況較輕，污水分離效果較好，此時(shí)TS去除率為52.33%，VS去除率為62.08%，COD去除率為9.97%，NH4+-N去除率為7.41%，TP去除率為9.69%。COD、NH4+-N、TP的去除率變化幅度均小于5%，去除效果提升不明顯，這是由于養(yǎng)殖糞污中氨氮、還原性物質(zhì)主要以水溶形式存在，物理分離方式無法有效去除水體中的氨氮和還原性物質(zhì)；90%的含磷固體顆粒粒徑小于0.15 mm[30]，因此存在污水裝填以及分離過程中含磷固體顆粒穿過濾袋進(jìn)入分離液相中，導(dǎo)致液相中的總磷未見明顯去除。

2.1.2 離心轉(zhuǎn)速對(duì)分離效果的影響

離心轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)中，水禽糞污原樣中的COD、TS、VS、NH4+-N、TP分別為10 075.50 mg/L、5.21%、3.45%、723.72 mg/L、37.85 mg/L。設(shè)定篩網(wǎng)目數(shù)為120目（0.13 mm），分離時(shí)間為3 min，考察不同離心轉(zhuǎn)速對(duì)污水分離效果的影響。經(jīng)過不同轉(zhuǎn)速離心分離后，分離液相中TS、VS、COD等污染物含量的變化如圖2所示。

圖2 各指標(biāo)含量隨離心轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.2 Variation curve of each index content after treated with different centrifugal speed

根據(jù)圖2中各曲線可知，污水中各污染物含量隨著離心轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。原因在于隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，污水所受離心力增強(qiáng)，由于篩網(wǎng)的截留作用，水禽糞污的固液分離取得了較好的效果。當(dāng)離心轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，污水中TS、VS的去除率達(dá)到最佳，此時(shí)TS去除率為54.32%，VS去除率為65.51%，COD去除率為8.56%，NH4+-N去除率為7.09%，TP去除率為13.76%。當(dāng)離心轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加后，固形物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯，這是由于在低速離心作用下，主要實(shí)現(xiàn)了自由水的分離，吸附水脫離顆粒間吸附作用能力不強(qiáng)，脫水效果提升不明顯。

2.1.3 分離時(shí)間對(duì)分離效果的影響

分離時(shí)間單因素試驗(yàn)中，水禽糞污原樣中的COD、TS、VS、NH4+-N、TP分別為10 334.50 mg/L、 5.38%、3.74%、748.47 mg/L、40.12 mg/L。設(shè)定篩網(wǎng)目數(shù)為120目（0.13mm），離心轉(zhuǎn)速為700 r/min，考察不同分離時(shí)間對(duì)污水分離效果的影響。經(jīng)過離心分離后，分離液相中TS、VS、COD等污染物含量的變化如圖3所示。

圖3 各指標(biāo)含量隨分離時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation curve of each index content after treated with different separation time

根據(jù)圖3中各曲線可知，污水中各污染物含量隨著分離時(shí)間的增加呈現(xiàn)一種逐漸降低的趨勢。原因在于隨著分離時(shí)間的增加，濾袋中濾餅層的厚度逐漸增加，固體顆粒被截留下來，同時(shí)液體也有了充足的時(shí)間穿過濾餅層分離出來。但是過長的分離時(shí)間導(dǎo)致篩孔的堵塞情況加重，液體難以穿過濾餅層；同時(shí)由于固體顆粒的不規(guī)則形狀，顆粒能夠利用窄邊穿過篩網(wǎng)[31]，進(jìn)而使得分離液相中的固形物含量增加。當(dāng)分離時(shí)間為3 min時(shí)，污水中TS、VS的去除率達(dá)到最佳，此時(shí)TS去除率為54.46%，VS去除率為63.10%，COD去除率為11.76%，NH4

+-N去除率為5.17%， TP去除率為14.88%。

2.2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)

由上述單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，在篩網(wǎng)目數(shù)、離心轉(zhuǎn)速、分離時(shí)間這3個(gè)因素的作用下，水禽糞污中的TS和VS的去除效果明顯。因此，選取這3個(gè)因素作為影響因子，分別用A、B、C表示，以TS和VS為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，其因素水平及編碼表如表2所示。其中篩網(wǎng)目數(shù)80、100、120、140、160目對(duì)應(yīng)的孔徑大小分別為0.18、0.15、0.13、0.11、0.09 mm。試驗(yàn)使用的污水原樣指標(biāo)：COD為10 013.50 mg/L，TS為5.10%，VS為3.45%，NH4+-N為713.61 mg/L，TP為36.08 mg/L。

表2 因素水平及編碼表Table 2 Factors and code levels

表3為響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在20組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，TS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.41%～2.67%之間，VS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.35%～1.61%之間。TS的去除率在47.65%～52.75%之間，VS的去除率在53.33%～60.58%之間。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Response surface test design and results

從以TS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為指標(biāo)的方差分析表4中的F值可知，篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)TS含量的影響最為顯著，離心轉(zhuǎn)速次之，分離時(shí)間的影響不顯著。由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出編碼方程見式（1）。

表4 二次模型方差分析表 (TS)Table 4 Analysis variance for quadratic model (TS)

根據(jù)分析結(jié)果可知，模型F=11.31，P=0.000 4，表明篩網(wǎng)目數(shù)、離心轉(zhuǎn)速、分離時(shí)間與TS含量間的回歸關(guān)系達(dá)到顯著水平；失擬項(xiàng)P=0.056 9＞0.05，影響不顯著，表明該模型擬合程度較好，試驗(yàn)中未知因素干擾能力小，可以用于模型分析。

在交互項(xiàng)中，所有交互項(xiàng)的P值均大于0.05。因此，以TS為指標(biāo)時(shí)篩網(wǎng)目數(shù)、離心轉(zhuǎn)速和分離時(shí)間三因素間的相互作用均不顯著。

由以VS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為指標(biāo)的方差分析表5中F值可知，篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)VS含量的影響最為顯著，離心轉(zhuǎn)速次之，分離時(shí)間的影響不顯著。由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出編碼方程見式（2）。

表5 二次模型方差分析表 (VS)Table 5 Analysis variance (ANOVA) for quadratic model (VS)

根據(jù)分析結(jié)果可知，模型的F=14.63，P=0.000 1，表明篩網(wǎng)目數(shù)、離心轉(zhuǎn)速、分離時(shí)間與VS含量間的回歸關(guān)系達(dá)到顯著水平；失擬項(xiàng)P=0.229 6＞0.05，影響不顯著，表明該模型擬合程度較好，試驗(yàn)中未知因素的干擾能力小，可以用于模型分析。

在交互項(xiàng)中，BC的P=0.046<0.05，達(dá)到顯著水平，AB和AC交互項(xiàng)均不顯著。離心轉(zhuǎn)速和分離時(shí)間的交互作用顯著，交互項(xiàng)對(duì)應(yīng)響應(yīng)值的影響如圖4所示。由圖可知，離心轉(zhuǎn)速和分離時(shí)間的交互作用顯著，隨著離心轉(zhuǎn)速和分離時(shí)間的增加，水禽糞污中VS含量逐漸減少，當(dāng)分離時(shí)間增加到一定程度時(shí)，污水中VS的含量略有升高。

圖4 離心轉(zhuǎn)速和分離時(shí)間對(duì)分離效果影響的等高線及響應(yīng)面Fig.4 Contour line plots and response surface of effect of speed and time on separation

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)軟件Design Expert 12對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，并考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)篩網(wǎng)堵塞、裝置運(yùn)行能耗，得出低速離心分離的優(yōu)化參數(shù)為：篩網(wǎng)目數(shù)120目，離心轉(zhuǎn)速700 r/min，分離時(shí)間3 min；該條件下TS與VS的軟件預(yù)測值分別為2.50%，1.43%。

根據(jù)離心分離優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證，水禽糞污原樣指標(biāo)：COD為8 118.00 mg/L，TS為4.96%，VS為3.49%，NH4+-N 為728.85 mg/L，TP為36.08 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，TS、VS的實(shí)測值與預(yù)測值之間的相對(duì)誤差分別為1.20%，3.50%，均小于5%，證明了優(yōu)化參數(shù)可信。在優(yōu)化參數(shù)組合條件下，COD平均去除率為5.39%，TS平均去除率為50.20%，VS平均去除率為57.59%，NH4+-N平均去除率為4.39%，TP平均去除率為5.76%，與其他預(yù)處理技術(shù)相比，低速離心分離技術(shù)固形物去除率效果顯著。

表6 最優(yōu)水平組合方案重復(fù)性檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of replicate test in combination scheme with optimal factors

離心分離前后的實(shí)物對(duì)照如圖5所示，經(jīng)過離心分離后，固相含水率降低至85%以下，便于后續(xù)處理。與原樣相比，分離后的水體透明度明顯提高，懸浮性固體去除明顯，可為后續(xù)生化工藝減輕運(yùn)行負(fù)荷、提高工作效率、降低運(yùn)行成本。

圖5 水禽糞污預(yù)處理前后對(duì)比Fig.5 Comparison before and after the pretreatment of waterfowl manure

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證低速差速離心分離技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)所得最優(yōu)工況條件和預(yù)計(jì)的單次糞污處理量設(shè)計(jì)了如圖6所示的離心分離裝置。

圖6 低速差速離心分離裝置Fig.6 Low-speed differential centrifuge equipment

裝置整體結(jié)構(gòu)簡單，中間軸上等距的布水孔確保進(jìn)水能夠均勻分布在篩筒表面；外殼體下側(cè)設(shè)有排水口排放分離后的污水；右端的絲桿升降平臺(tái)用于分離后固相的傾斜卸料，分離固相由尾部設(shè)有的擋料板輔助排放；上方設(shè)有噴水嘴可實(shí)現(xiàn)對(duì)篩筒的清洗。

邏輯控制器和變頻器作為該裝置的控制核心，實(shí)現(xiàn)如下的離心分離工藝：進(jìn)料時(shí)離心加速度略大于重力加速度，實(shí)現(xiàn)均勻布料，達(dá)到批次進(jìn)料量后停止進(jìn)料，篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速提升至分離工況的離心轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心分離，分離完成后離心加速度降至在0.5～0.8倍的重力加速度范圍，絲杠升降平臺(tái)升起右端，實(shí)現(xiàn)傾斜卸料，完成卸料后再恢復(fù)水平進(jìn)料狀態(tài)，不斷循環(huán)工作，從而達(dá)到低速離心分離和差速卸料的目的。整體控制系統(tǒng)具備電機(jī)調(diào)速，篩筒堵漏預(yù)警以及篩筒沖洗功能。

依據(jù)離心加速度計(jì)算式（3）得出最優(yōu)工況條件下的離心加速度為269.41 m/s2，結(jié)合研發(fā)裝置篩筒尺寸計(jì)算出樣機(jī)作業(yè)時(shí)離心轉(zhuǎn)速為313 r/min?？紤]到實(shí)際運(yùn)行過程中一次分離批量的影響，分離污水需要透過污泥層然后再通過篩網(wǎng)，阻力有所增加，離心機(jī)的離心轉(zhuǎn)速選取為330 r/min。

式中a為離心加速度，m/s2；n為轉(zhuǎn)速，r/min；r為離心半徑，m。

樣機(jī)處理的水禽糞污原樣中COD、TS、VS、NH4+-N、TP的指標(biāo)分別為9 682.00 mg/L，8.42%，4.88%，2 047.29 mg/L，41.55 mg/L，污水預(yù)處理后的各指標(biāo)含量如表7所示。

表7 預(yù)處理后各指標(biāo)含量Table 7 The content of each index after treated

由試驗(yàn)結(jié)果可知，樣機(jī)運(yùn)行TS、VS、COD、NH4+-N和TP的去除率分別為53.21%、58.61%、4.45%、11.44%和10.97%。分離后水樣靜沉1 h后，分層現(xiàn)象明顯，水層呈透明狀，離心分離破壞了膠體的穩(wěn)定性，固體沉降速率提高，取得了較好的固形物去除效果，樣機(jī)配套動(dòng)力1.5 kW，每噸水禽糞污或沼液分離運(yùn)行能耗為0.96 kW·h，每噸污水處理成本為0.48元，相比于高速臥式螺旋離心機(jī)，處理成本降低了近22%[32]。水禽糞污經(jīng)過低速差速離心分離后，污水中揮發(fā)性固體含量顯著降低，減輕了后續(xù)生化處理工藝運(yùn)行負(fù)荷。

4 結(jié) 論

1）利用優(yōu)化試驗(yàn)考察了篩網(wǎng)目數(shù)、離心轉(zhuǎn)速、分離時(shí)間對(duì)水禽糞污中TS、VS含量的變化。低速差速離心分離工藝的最優(yōu)參數(shù)組合為：篩網(wǎng)目數(shù)為120目（0.13 mm），離心轉(zhuǎn)速為700 r/min，分離時(shí)間為3 min，在此條件下，水禽糞污的分離效果達(dá)到最佳，TS去除率為50.20%，VS去除率為57.59%。

2）根據(jù)優(yōu)化參數(shù)研發(fā)了低速差速離心分離樣機(jī)，水禽糞污分離效果為TS去除率53.21%，VS去除率58.61%。樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)高效低耗作業(yè)，對(duì)水禽糞污和沼液類黏稠、固形物顆粒小的物料固液分離具有應(yīng)用價(jià)值。