噴淋條件下打捆秸稈吸附養(yǎng)殖污水物理特征

吳華山 趙慧 黃紅英

摘要：實際生產中，在噴淋條件下打捆秸稈吸附污水的操作方法主要是打捆秸稈的堆放方式和污水噴淋方法，如何使秸稈快速、高效地吸附養(yǎng)殖廢水。研究結果表明，為使污水/秸稈質量比達到2 ∶ 1，單層噴淋情況下，水稻秸稈單位面積最小噴淋量為18.4 L/（m2·h），平均吸水速度約為5.90 L/h，需要連續(xù)噴淋至少4 h;小麥秸稈單位面積最小噴淋量約為12.9 L/（m2·h），平均吸水速度約為4.13 L/h，噴淋至少5 h。水稻打捆秸稈的通透性相對較小麥秸稈差，且大部分污水會在邊緣滲漏;在多層秸稈捆堆砌時，應采取交錯堆砌方式，或每堆放1層需要噴淋1次，確保底層秸稈吸附污水。

關鍵詞：噴淋;打捆秸稈;吸附;養(yǎng)殖廢水

中圖分類號： X703 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0273-04

秸稈是種植業(yè)生產中的一大廢棄物源頭，每年的“秸稈焚燒”問題困擾著中國很多地區(qū)。隨著養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化和集約化不斷提高，畜禽糞污已成為主要的污染源，嚴重影響著生態(tài)環(huán)境安全。秸稈吸收污水后，利用秸稈自身的生物能蒸發(fā)污水，秸稈最終轉化為肥料，也是一種行之有效的方法。秸稈木質纖維素含量高，具有較強吸水能力，生物質瞬間完全燃燒釋放約15 000 kJ/kg熱能，如果緩慢氧化也會釋放相同的能量，利用堆肥過程產生的生物緩釋熱可以實現其生物干燥。相關學者已有大量研究，湯國輝提出，利用秸稈生物質熱能加熱地溫構建生物熱溫室[1]，陳立平等利用生物緩釋熱處理糖蜜乙醇廢液[2]。Papadimitriou等開發(fā)了利用廁所黑水添加有機物的液態(tài)堆肥裝置[3]。鄧良偉等以玉米稈、稻草、麥稈為載體吸收豬場廢水的堆肥發(fā)酵試驗，結果表明，秸稈與豬場廢水聯合堆肥發(fā)酵可以有效地處理利用豬場廢水，秸稈吸收利用糞水的比例為1 ∶ 5.94～1 ∶ 6.65[4]。此后，鄧良偉等又進一步優(yōu)化其堆肥工藝，在夏季可使玉米稈吸收豬場廢水達到1 ∶ 9.43，即1 t玉米秸稈可處理污水9.43 t，堆肥處理后，其產品完全符合國家有機肥料質量標準[5]，表明通過秸稈吸附污水，不僅可以大量吸附污水，也能得到優(yōu)質有機肥，是一種一舉兩得的方法。

在生產實際中，秸稈和污水產生量非常大，根據已有研究計算，一個萬頭豬場（存欄），每天的污水排放量會超過 100 m3，大約需要15 t的秸稈才能充分消納。怎樣使秸稈更簡單快速吸附養(yǎng)殖廢水，如何進行相應的工程建設和人工操作，還沒有相應的研究。常規(guī)操作中，秸稈吸附污水主要采用2種方案：一是利用污水池浸泡秸稈，充分吸附污水后再打撈靜止;二是將秸稈堆放后進行污水噴淋，在一定頻率和流量的噴淋下，秸稈也會充分吸收污水。由于秸稈密度遠低于水，因此浸泡法在實際應用中困難較大，選用第2種方法可以更為簡便地使秸稈吸收養(yǎng)殖廢水后續(xù)發(fā)酵，但在噴淋條件下秸稈的吸水情況還沒有相關資料可供參考，本研究獲得打捆秸稈在噴淋條件下的各種參數，期待開發(fā)出操作更簡單、成本更低的秸稈吸附養(yǎng)殖糞污水與資源化技術體系。

1 材料與方法

1.1 材料

用打捆的小麥和水稻秸稈，打捆麥秸和稻秸的體積為長80 cm、寬40 cm、高40 cm，密度分別為80.7、92.2 kg/m3。為接近吸附污水效果，污水采用調制的豬糞水，用紗布濾去雜質后，供霧化噴淋使用，化學需氧量（COD）含量約為400 mg/L。試驗時間為2016年8月，試驗地點在江蘇省農業(yè)科學院院內。

1.2 試驗方法

1.2.1 秸稈噴淋流量確定 利用單捆水稻和小麥秸稈，采用霧化噴淋的方法進行試驗。用帶流量控制的小水泵控制噴淋速度，噴淋水滴平均直徑大約為1 mm?？刂茋娏茴^的高度，噴淋直徑約為90 cm，噴淋面積為0.636 m2。秸稈置于噴淋范圍內，秸稈上表面面積為0.32 m2，為使噴淋到秸稈表面的流速控制在10、20、30、40 L/h，噴淋頭實際流速大約為秸稈吸收流速的2倍，共噴淋2 h，計算不同處理秸稈的污水/秸稈比，得到合理的噴淋速度。

1.2.2 秸稈噴淋時間確定 利用單捆秸稈進行噴淋試驗，同樣采用霧化噴淋的方法，為符合實際操作需要，選用一定的噴淋速度，以確保有足夠的滲漏水進入下一層秸稈。測試單個秸稈捆吸水速度，即在將秸稈捆放在鏤空板上，確保將未經吸附的水滲濾出去，上方用噴淋頭噴淋，每隔一段時間測試秸稈的重量，計算污水/秸稈比，即秸稈的吸水速度。

1.2.3 秸稈滲漏試驗 在秸稈下面墊上9×5=45個方盒，每個方盒外徑的長、寬均為9.5 cm，高6.0 cm，容積（去掉厚度 2 mm），約為0.52 L，盒子排布見圖1，用以收集噴淋后的污水，分析在不同噴淋量的情況下秸稈的污水滲透率。秸稈上面用可以調控流速的小型霧化噴淋頭進行噴淋。排布的盒子總長約為85.5 cm，總寬為47.5 cm，正好能將1捆秸稈放置在上面。利用收集盒，對秸稈吸附污水的滲漏總量和分布點進行分析，得到秸稈的滲漏及滲漏點分布情況。

2 結果與分析

2.1 秸稈噴淋養(yǎng)殖廢水過程中的吸附特征

2.1.1 秸稈吸水量隨噴淋流量動態(tài)變化 以打捆麥、稻秸稈為材料，將秸稈放在鏤空板上，采用噴淋方法，水滴平均直徑大約為1 mm，以單捆秸稈面積計算，將噴淋到秸稈上的流量分別控制在10、20、30、40 L/h，噴淋2 h，分析不同秸稈污水吸附量動態(tài)變化結果見圖2。

從圖2可以看出，秸稈吸附養(yǎng)殖污水量隨著噴淋量增加而提高，5 L/h處理噴淋2 h條件下，秸稈污水吸附量最少，當噴淋速率為10 L/h時，秸稈污水吸附量明顯增加，隨著進一步提高噴淋速率，秸稈污水吸附量呈緩慢增加趨勢，表明秸稈吸附污水的能力不會隨著噴淋流量增加而成倍增加。單捆秸稈選用10 L/h的噴淋流量較為適宜，即噴淋通量為 31.25 L/（m2·h）;實際操作中，秸稈要堆砌2 m高以上，即至少堆砌5層打捆秸稈，為確保5層秸稈的需水量，應采用5倍噴淋通量，即為156.25 L/（m2·h）。

2.1.2 秸稈吸水量隨噴淋時間動態(tài)變化 將打捆秸稈放在鏤空板上，確保滲濾水能及時排出，采用噴淋頭噴淋，噴淋通量設置為156.25 L/（m2·h），每隔一段時間測量1次秸稈質量，計算污水/秸稈質量比，觀察秸稈吸水速度（圖3）。

從圖3可以看出，稻麥秸稈吸附污水量隨著噴淋時間延長而增加，噴淋開始5 h內，秸稈吸附污水速度較快，5 h時污水/秸稈質量比達到2以上，此后增加速度降低，逐漸趨入平衡。稻麥秸稈比較，噴淋前5 h，稻秸的吸水速率大于小麥秸稈，可能原因是水稻秸稈捆的密度大于小麥秸稈，稻草之間的空隙相對較小，容易吸持污水;由于小麥秸稈表面有臘質，污水吸附效果較差。單捆秸稈進行噴淋吸附時，若以秸稈吸附污水量達到其自身質量2倍為目標，水稻秸稈需要連續(xù)噴淋4 h，小麥秸稈需要噴淋5 h以上。

2.2 秸稈噴淋養(yǎng)殖廢水過程中的滲透特征

在實際應用中，秸稈需要多層堆放，下層的秸稈吸附的污水是通過上層秸稈滲透而來。因此，需要確保一定的滲透率才能使下層秸稈充分吸附水分。為探明養(yǎng)殖污水滲濾特征與動態(tài)變化，在秸稈捆下面墊上9×5=45個方盒，每個方盒外徑長、寬均為9.5 cm，高6.0 cm，有效容積為0.52 L，通過觀察方盒內收集水量來判斷污水在秸稈捆中的滲透特征。

2.2.1 稻秸的滲透特征 以稻秸為材料，采用噴淋方式，噴淋通量為156.25 L/（m2·h），連續(xù)運行4 h，收集每1 h最后6 min的滲濾水，分析秸稈吸附污水質量及滲濾水量（表1）。

從表1可以看出，稻秸吸水量隨噴淋時間延長而增加，這與上述結果相同，而吸水速度則隨噴淋時間延長而下降，與此相對應的是污水滲濾量逐漸增加。為進一步分析污水滲濾平面分布情況，將每個盒子的收集水量0～0.5 L分為10個等級，每0.05一個等級，用不同灰度進行區(qū)分，結果見圖4。

從圖4可以看出，秸稈滲濾水并未呈現平均分布，而是相對集中在3個區(qū)域，且均靠近秸稈捆邊緣，同時，秸稈兩端區(qū)域的下滲點也不在同一側，在不同縱剖面上，其滲濾點位置存在差異。表明污水在下滲過程中，基本是垂直向下，較少橫向滲濾，即便是同一捆秸稈，污水向下滲濾的路徑也不完全相同，這可能是受秸稈打捆工作方式影響。秸稈打捆時，是通過打捆機逐層數次沖壓而成，秸稈捆內部秸稈呈現片狀，且秸稈中心的密度相對于周邊較高，因而造成了滲濾水路徑呈不規(guī)律特征。

通過對不同時間段滲濾水收集量及分布情況觀察，隨著噴淋時間延長，橫切面上水分向下滲濾范圍逐步擴大，噴淋 4 h 后，底部每個方盒內均收到了滲濾水，且秸稈捆邊緣滲濾水量逐步增加，在3 h結束時，從邊緣24個方盒中收集的滲濾水量占總滲濾水量的81%。

2.2.2 小麥秸稈污水的滲漏特征 用水稻秸稈的分析方法同樣對小麥秸稈進行污水吸附和滲漏分析（表2）。

與水稻秸稈相反，初始1個小時吸水量最少，后期逐漸升高，第3個小時吸水能力最強，每個小時的滲漏水分布情況見圖5。

通過分析，小麥秸稈的污水滲透與水稻秸稈不同，水稻秸稈開始主要分布在周邊幾個點，而小麥秸稈整個區(qū)域都有滲透，但起始1 h，滲透水主要集中在一側。一方面因為小麥秸稈相對比水稻秸稈平滑，且由于小麥秸稈表面有蠟質層，容易導致污水順著所有空隙滲透;另一方面由于小麥秸稈在打捆的時候不一定垂直，呈一定的斜角，水流順著秸稈走向流動，導致水流主要流向一側。4 h內，小麥秸稈滲漏點的分布總體上沒有太大的變化，說明小麥秸稈滲漏相對水稻秸稈較為穩(wěn)定。與水稻秸稈不同，小麥秸稈不僅僅邊緣有大量滲漏，中間也有一定滲漏，第4小時內，除去邊緣24個盒子，中間21個盒子的污水收集占總滲漏量的27%，遠遠超過水稻秸稈的19%，表明小麥秸稈對于污水的通透性要比水稻秸稈強。

2.3 打捆秸稈吸收污水堆放設計

通過前面的研究，秸稈吸附污水是可行的，但多層秸稈吸附，一定要注意堆放的問題。據研究單層秸稈噴淋的時候，大部分水都是通過邊緣滲漏，如果堆放秸稈按照常規(guī)順序堆放，大部分污水會直接因為“短路”從秸稈邊緣縫隙處流出，因此該堆放方法不管噴淋多久，只要下方沒有積水，最下面幾層很難吸收到污水（圖6），相對比較理想的是交錯堆放方式（圖7），一定程度上能緩解秸稈的滲漏。

根據前面的試驗，水稻秸稈的通透性相對較差，且大部分滲漏水會在邊緣滲漏，為確保水稻秸稈能充分吸水，可以每鋪設1層就噴淋4 h污水，待秸稈含水量的污水/秸稈比達到 2 ∶ 1 時，再向上鋪設，這樣可以保持每1層秸稈有一定的含水量，保證底層秸稈也能更快地吸附污水。小麥秸稈的通透性相對于水稻秸稈要好得多，可以每2層噴淋4～5 h污水，能確保小麥秸稈有一定的含水量。秸稈堆放宜采用交錯堆放方式，可以截留更多的水分以便吸收。

3 結論

（1）單層水稻秸稈和小麥秸稈單位面積吸附污水的最小噴淋量分別為18.4、12.9 L/（m2·h）;單捆水稻秸稈和小麥秸稈平均吸水速度分別約為5.90、4.13 L/h，水稻秸稈需要4 h污水/秸稈比例達到2 ∶ 1;小麥秸稈需要5 h污水/秸稈比例達到2 ∶ 1。（2）水稻秸稈的通透性相對較差，大部分污水是通過邊緣滲漏，最下面幾層很難吸收到污水。可以每鋪設1層就噴淋4 h污水，再往上鋪設。小麥秸稈的通透性相對于水稻秸稈要好得多，可以每2層噴淋4～5 h污水。（3）常規(guī)堆放方法容易導致大量污水從邊緣滲漏，下方的秸稈很難吸附到污水，建議采取交錯堆放方式，能一定程度上阻止污水從邊緣滲漏。

參考文獻：

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[3]Papadimitriou E K，Chatipavlidis I，Balis C. Application of composting to olive mill wastewater treatment[J]. Environmental Technology，1997，18（1）：101-107.

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