关键词: 絮凝调理;电渗透;猪粪;脱水

                    随着国民经济的快速发展，我国畜禽养殖业得到空前的发展，随之而来的环境压力越来越大。2016年以来畜禽养殖业“环保风暴”席卷全国，很多猪场因地处禁养区或因污染防治工艺、模式的选择存在问题导致不能满足环保要求而被关停或搬迁。粪污能否有效处理或合理利用将直接影响猪场的生存和发展。我国规模化养殖场粪污处理有固液分离—厌氧处理—好氧处理—人工湿地等工艺流程，经过固液分离一方面形成干粪，用于堆肥发酵制作优质有机复合肥的原料，另一方面可降低污水中COD、BOD、TS 的含量，为高效的厌氧工艺创造条件.固体堆肥起始堆料的最佳含水率为 55%～65%，而粪污经一般的固液分离工序后含水量仍高达 75% 左右，因此降低粪污固液分离后的干粪含水率以满足堆肥需要至关重要。

                      畜禽粪便中的水分分为重力水、结合水、毛细管水与吸附水。其中重力水去除比较容易，在自然状态下会缓慢渗出或蒸发；结合水所占比例最小，属于结合态，需加热才能去除；占主要部分的吸附水、毛细管水较难除去。絮凝是一种常用的废水处理方法。目前应用较多的絮凝剂主要有无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂等.硫酸铝（AS）是常用的无机低分子盐类絮凝剂，其腐蚀性低、价格低、处理效果好等优点用来处理各种废水。聚合氯化铝（PAC）是一种新型无机高分子絮凝剂，具有用量少、效率高、絮体大、沉降快、净水性能好等优点，目前迅速推广和应用各种类型的废水处理。阴离子聚丙烯酰胺（APAM）是广泛使用的有机合成高分子絮凝剂之一，具有澄清净化、沉降促进、过滤促进、增稠等作用，广泛应用于废液处理、污泥浓缩脱水、选矿、洗 煤、造纸等方面，能够满足各种领域的要求。已有的研究多集中在絮凝剂对粪水中悬浮固体、色度、浊度和 COD等的去除效果评价,而有关絮凝剂对禽畜粪污脱水性能的影响的研究鲜有报道。

                      电渗透脱水是指固体颗粒在与极性水相接触的表面上，由于发生电离或离子吸附等作用，使其表面携带电荷，带电质点与液体中的反离子形成双电层，在电场的作用下，处于扩散层的反离子携带水分向电极运动，达到脱水的目的.一直以来，电渗透技术在污泥脱水领域研究和应用较多，电渗透作用于颗粒间的毛细孔道内，可将污泥中的自由水、空隙水和邻位水部分脱出，已有研究证明机械加压的电渗透脱水比没有机械加压的电渗透脱水效果好。粪便中的胶体等大量微小颗粒表面携带负电荷，因此电渗透脱水工艺用于粪污脱水在理论上是可行的。但是，有关电渗透脱水工艺禽畜粪污脱水方面的应用也未见报道。

                       本研究采用电渗透-絮凝调理的协同作用对猪粪进行深度脱水，通过絮凝剂种类、絮凝剂投入量、机械压力、电压选择等实验参数的选择和优化，探究电渗透协同絮凝调理猪粪脱水的影响因素。

                       1 材料与方法

                       1.1 实验材料

                      实验用新鲜猪粪采自西南科技大学农学院龙山教学科研实践基地。选用市场上常用 3 种絮凝剂，硫酸铝（AS）由成都市科龙化工试剂厂供应，聚合氯化铝（PAC）由郑州亿升化工有限公司供应，阴离子聚丙烯酰胺（APAM）由成都市科龙化工试剂厂供应。

                         1.2 实验装置

                         LQ-A6002电子天平秤（瑞安市安特称重设备有限公司）；万用电炉（北京科伟永兴仪器有限公司）。自制电渗透脱水装置如图1所示。该装置由机械加压装置、圆形尼龙反应器、数字万用表（型号VC890C+）和可调稳压电源（型号 MS-305D）构成。反应器内径为 54 mm，外径为 66 mm，高度为 56mm。将50 g猪粪用100目滤布包裹，然后置于反应器中（粪便外依次是尼龙滤板、工业滤布和电极），通过可调稳压电源设置电渗透电压，并通过配重调整挤压压强。电渗透过程中通过数字万用表观察电压、电流的变化情况。

                      1.3 实验方法

                      测定新鲜猪粪含水率。分别称取20 g新鲜猪粪至坩埚，并置于万用电炉，干燥 10 h，根据干燥试验前后的两次重量，计算新鲜猪粪的含水率ω，计算出新鲜畜禽粪便含水率，见式（1）：

                       式中，m0为坩埚重量，m1为新鲜粪便和坩埚总重量，m2为干粪便和坩埚总重量。

                     优选适用于猪粪脱水的絮凝剂。将 1～4 g 的AS、PAC、和 APAM 分别与 20 g新鲜猪粪混和，混和过程中加入清水 将混合物稀释至 50 mL，然后快速搅拌 2 min 后慢速搅拌 3 min，最后静置 10 h。絮凝沉淀效果最好的絮凝剂为最佳絮凝剂。猪粪挤压脱水实验。将优选出的絮凝剂与50 g新鲜猪粪均匀混和后置于自制的挤压脱水装置进行挤压脱水，在每个压强值下保压 30 min。研究挤压压强与猪粪脱水率之间的关系。猪粪电渗透脱水实验。将优选出的絮凝剂与50 g新鲜猪粪均匀混和后置于自制的电渗透脱水装置，打开可调稳压电源，并在挤压脱水实验选定的同样压强进行相应的电渗透实验，各组电渗透的实验均为30 min。改变电压和电场方向研究电渗透脱水参数与脱水率之间的关系。经挤压或电渗透脱水后猪粪饼含水率按式（2）计算：

                      式中，ω1为脱水后猪粪饼含水率，m3为猪粪饼脱除的水质量，m4为粪饼的初始质量。 

                     2 结果与讨论

                     2.1 絮凝剂对猪粪的絮凝脱水效果的影响

                      在本次絮凝剂对猪粪的絮凝脱水实验中，当AS添加量为 1～4 g（AS 的添加量依次递增 1 g）时，AS添加量对猪粪的沉积物体积影响不大，但粪水浊度随 AS添加量的增加而先降低后增加，可见 AS添加量不宜超过2 g。为进一步精确AS添加量，当AS添加量为 0.6～1.4 g（AS 的添加量依次递增 0.2 g）时，粪水的浊度随 AS添加量增加明显降低，AS添加量为 1.4 g（70 mg/g DS）时絮凝沉积效果最好；同样操作条件下，当 PAC 添加量为 1～4 g 时，随着 PAC 添加量的增加沉积物体积逐渐减少，同时粪水的浊度增加，当 PAC添加量 1 g时沉积物体积最大，浊度最小。进一步精确 PAC 添加量，当 PAC 添加量为 0.6 ～1.4 g时，粪水的沉积物体积随PAC添加量的增加而先增加后降低，PAC添加量为 0.8 g（40 mg/g DS）时絮凝沉积效果最佳；在同样的操作条件下，当APAM 添加量为 1～4 g 时，APAM 对猪粪基本上没有絮凝沉积作用。

                     由此可见，3 种絮凝剂对猪粪的絮凝沉积效率由大到小的顺序依次为 PAC、AS、APAM，且 APAM对猪粪几乎没有絮凝沉降效果。加入带正电荷的AS 和阳离子型的 PAC 絮凝剂会改变粪便表面胶体颗粒物的物理化学性质及电中和粪便颗粒表面的带电性，克服粒子间的斥力，破坏粪便原有的絮体结构，使胶体脱稳并形成细小均匀的絮体沉淀下来，同时减小粪便与水的亲和力，改变粪便中水分的存在形式，从而改善粪污脱水性能，而PAC的絮凝脱水效率更高是因为其水解后会形成一系列的多核络合物 AIn (OH )(3n - m) + m （n>1，m≤3n），除了会对猪粪液中胶体颗粒产生静电中和作用，还会借助氢键力、静电引力和范德华力等同时吸附猪粪表面的胶体颗粒，同时在颗粒间产生架桥作用，使得 PAC对粪液中的部分有机物和悬浮物发挥更好的吸附与卷扫作用形成较大的颗粒状絮体而快速沉降，提高附着水的脱离。APAM 是高分子的吸附架桥作用，在水中吸附胶体、颗粒的表面，并通过架桥的方式，将大量的粒子聚集在一起而产生絮体沉淀，但粪水中加入APAM，无法发生吸附作用，悬浮物处于稳定性。其原因是粪水中加入阴离子 PAM 会与带负电的粪污颗粒之间形成排斥力，所以絮凝沉淀效果很差。因此，对猪粪污进行絮凝沉淀时优先选用聚合氯化铝（PAC），添加量为40 mg/g DS时效果最佳。

                         2.2 机械压力对猪粪脱水效果的影响

                        将50 g新鲜猪粪用100目滤布包裹置于自制的挤压脱水装置进行挤压脱水，挤压压强的范围为100～740 kPa，猪粪脱水过程中，挤压压强每次增加80 kPa，在每个压强值下保压 30 min，得出机械压力对猪粪脱水效果见图2。

                         由图 2 可看出，新鲜猪粪的含水率为 71.5%，当机械压滤压强递增时，粪样脱水后的含水率逐渐降低，各组试验在 25 min 后脱水基本结束。500 kPa下粪样含水率 64.3%，基本达到堆肥发酵的含水率要求。逐渐增加压强，挤压脱水后的滤饼出现内湿外干的情况，但压强的一味升高不仅会给挤压设备的设计带来困难，还会造成运行成本高。综上考虑选择500 kPa的压强比较好。

                       2.3 电渗透-机械压滤对猪粪脱水效果的影响

                       称取 50 g 新鲜猪粪，控制机械压力为 500 kPa，通过机械压滤30 min后用100目滤布将猪粪包裹置于自制的电渗透脱水装置进行电渗透脱水，在不同的电压（10、15、20、25、30 V）下脱水 30 min，验证电渗透脱水是否起效果。通电过程中记录实时脱水量，并计算出粪样含水率，试验结果如图3所示。

                        从图 3 中可以看出，在机械压滤 30 min 后的基础上，利用电渗透技术可使猪粪进行深度脱水，且粪样含水率随着电压的增加而降低，原因是粪便颗粒表面的胞外聚合物中含带有负电的官能团，如SO42-、NO3-、PO43-、－COOH 等，为了满足电荷平衡，会吸附一些带有相反电荷的离子，由此形成了粪污双电层系统，当施加外加电场时，带有负电荷的粪便颗粒向阳极移动，而水分因为带有部分正电荷，在电场驱动下受到电场力后向阴极移动形成电渗透现象，同时电渗透脱水时在阴，阳极形成的 OH-与 H+可以破坏粪污中细胞结构，促使粪污中的束缚水转化为自由水。因此，附着在粪渣颗粒上的毛细水、吸附水，粪渣颗粒内部水及颗粒之间的空隙水，在电场力的影响下，密集到粪便表面，并通过电极板过滤孔析出，降低了粪便含水率。 在 20 min之前各梯度电压脱水效果都较好，之后脱水效果下降趋于平稳，最终猪粪电渗透脱水后含水率从64.3%降低到56.84%，粪样含水率降低5% ～8%。由于电压的升高会造成脱水初期的电驱动力增加，从而使粪样中的水分由阳极加速向阴极移动后增强了脱水效果，这种现象与电渗透中的Helmholtz-Smoluchowski（H-S）方程相契合。

                          2.4 电渗透-絮凝-机械压滤对猪粪脱水效果的影响

                          称取50 g新鲜猪粪与40 mg/gDS的PAC絮凝剂混和均匀，在机械压力为500 kPa条件下置于自制的电渗透脱水装置进行电渗透脱水，将电压调整为10、15、20、25、30 V，分别脱水 30 min。为了更好的分析电渗透与絮凝协同脱水效果，将加了絮凝剂与未加絮凝剂的电渗透脱水实验结果如图4所示。

                          从图 4 可看出，电渗透联合 PAC 调理粪便能使猪粪滤饼含水率会进一步的降低，在未加絮凝剂未通电的情况下粪样的含水率为 64.3%，当加入 PAC调理粪样后进行电压为10～30 V的电渗透脱水，粪便的含水率随电压的增加而减小，脱水后粪便含水率从 10 V时的 54%减小到 30 V时的 52.3%，最终含水率减少10%～12%。电渗透与絮凝协同对粪便脱水具有明显作用，其原因是絮凝剂与粪便发生作用后，可使粪饼的均匀性更好，不仅促进粪便絮凝脱水，更是增加了畜禽粪便颗粒之间的孔道，保障并提高了电渗透脱水时粪便内水分的畅通，因此在外加直流电场作用下粪便的脱水能力得到了提高。当电压从25 V增大到30 V时，粪便含水率从52.5%减小到52.3%，但为了保证脱水效率高，适当降低电压从而降低能耗，电压选择25 V最佳。

                       同时，在电渗透协同 PAC絮凝剂调理强化猪粪深度脱水期间，发现电流会随着电渗透时间的改变而变化，从而影响脱水效率。在5 min前的电渗透脱水中电流先快速增加，达到峰值之后缓慢降低，且电压越大，电流的峰值越大。由于电渗脱水初期猪粪饼的电阻一定，在电场力的作用下，离子迁移速率慢慢加快，此时电阻减小，电流快速升高达到峰值，粪饼孔隙中的水分迅速向阴极运动而脱水。随着电渗透继续进行，阳极附近脱水后会使粪样出现不饱和层，导致电阻增大，而电流减小，脱水效率降低。一方面电化学反应产生的气体在阴阳两极会形成气膜，使水分的迁移阻力加大；另一方面温度逐渐上升，粪饼水分不断脱除导致阳极区粪便局部干裂，使粪饼与阳极的接触面积变小，电渗流在粪饼内部发生局部停止，电渗脱水达到极限，此时脱水基本结束。

                        3 结 论

                        1）在研究不同絮凝剂对猪粪的絮凝脱水效果时，结果表明相同条件下聚合氯化铝（PAC）的絮凝脱水效果更好，其投入量40 mg/g DS为最佳。

                        2）电渗透在机械挤压脱水基础上能使滤饼含水率有一定量的降低，因此电渗透法对猪粪脱水是有效果的，当增加电压梯度时，粪饼含水率有所下降，粪样含水率减少5%～8%。 

                        3）同等脱水条件下，电渗透联合 PAC调理粪便能提高猪粪的脱水性能，滤饼含水率会进一步的降低，最终粪样含水率减少10%～12%，同时为了保证脱水效率较高，适当降低电压从而降低能耗，电压选择25 V最佳。

                        原标题：电渗透－絮凝调理协同强化猪粪深度脱水研究

                        原作者：李 刚，龚 伟，李 华，唐 龙，胡 鹏，廖俊富