臭氧曝氣對(duì)豬場廢水磷素形態(tài)和質(zhì)量濃度的作用,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

臭氧曝氣對(duì)豬場廢水磷素形態(tài)和質(zhì)量濃度的作用,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文近年來我們國家畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，隨之產(chǎn)生的大量糞污成為制約養(yǎng)殖業(yè)健康生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。因糞污中營養(yǎng)鹽及有機(jī)物含量較高，直接排放勢必造成水環(huán)境的污染。針對(duì)我們國家畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，將養(yǎng)殖廢水進(jìn)行簡易處理后，以水肥耦合的方式進(jìn)行農(nóng)田灌溉是最佳的處理和利用處徑。但養(yǎng)殖廢水中含有大量的病原微生物，直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會(huì)降低糧食和蔬菜品質(zhì)，甚至威脅人類健康，因而養(yǎng)殖廢水農(nóng)用之前必須進(jìn)行消毒處理。當(dāng)前臭氧曝氣是我們國家應(yīng)用較多的消毒方式方法，其通過毀壞細(xì)菌細(xì)胞膜，使細(xì)菌內(nèi)含物外溢而死亡，對(duì)殺滅細(xì)菌具有顯著的效果，優(yōu)于氯、二氧化氯等其它殺菌劑，且產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物少，同時(shí)還能降低廢水的COD、濁度、色度等，是一種環(huán)境友好型殺菌劑。但臭氧消毒經(jīng)過可能會(huì)改變養(yǎng)分形態(tài)進(jìn)而影響?zhàn)B分利用效率，對(duì)后期廢水的農(nóng)田利用造成影響。本文通過自行設(shè)計(jì)的臭氧曝氣裝置對(duì)厭氧處理豬場廢水進(jìn)行處理，討論曝氣時(shí)間對(duì)豬場廢水磷素形態(tài)和質(zhì)量濃度作用特征，為后續(xù)農(nóng)業(yè)高效利用提供實(shí)踐指導(dǎo)。1、試驗(yàn)1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)用豬場廢水取自天津市益利來養(yǎng)殖有限公司厭氧消化池。主要水處理工藝流程包括固液分離過濾和勻漿厭氧消化等。消化池類型為改進(jìn)塞流式厭氧池，容積100m3，日處理豬場廢水20m3，水力滯留期為5d。豬場廢水厭氧處理后出水水質(zhì)見表1(表中TKN為總凱氏氮，COD為化學(xué)需氧量，TP為總磷，DTP為可溶性總磷，DIP為可溶性無機(jī)磷，DOP為可溶性有機(jī)磷，PTP為顆粒態(tài)總磷，PIP為顆粒態(tài)無機(jī)磷，POP為顆粒態(tài)有機(jī)磷)。1.2試驗(yàn)裝置試驗(yàn)用臭氧曝氣裝置見圖1。臭氧接觸反響器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，直徑為12cm，高50cm，氣體流量為3～3.5L/min，臭氧質(zhì)量濃度為38～60mg/L。以10mol/L的濃HNO3為氣態(tài)磷吸收液，臭氧尾氣由碘化鉀溶液吸收，并參加少量可溶性淀粉，啟動(dòng)臭氧發(fā)生器后淀粉碘化鉀試劑開場變藍(lán)時(shí)開場計(jì)時(shí)。臭氧制造原料為氧氣，由空氣濾膜在常溫常壓下將氧氣與空氣中的其他成分分離獲得;通過高壓放電發(fā)生器制造的高壓電流構(gòu)成高壓電暈電場，使電場內(nèi)或電場周圍的氧氣分子發(fā)生電化學(xué)反響而制備臭氧。1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)前用蒸餾水沖洗曝氣裝置內(nèi)壁，并將1L厭氧處理豬場廢水倒入曝氣裝置內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)室測得的臭氧消毒數(shù)據(jù)可知，在本臭氧曝氣裝置中處理1L水，曝氣60min時(shí)殺菌效果最好，因而分別在曝氣0、10、20、40、60min時(shí)將樣品混合均勻后取樣60mL，取樣時(shí)段分別記作t0、t10、t20、t40、t60。1.4測定指標(biāo)與方式方法測定指標(biāo)包括TP、DTP、DIP、DOP、PTP、PIP、POP以及PH3。不同形態(tài)磷素提取方式方法和步驟如下:TP采用過硫酸鉀消煮后比色測定;DTP是將通過0.45m濾膜后的水樣用過硫酸鉀消煮后比色測定;DIP是將過0.45m濾膜后的水樣比色測定;DOP為DTP與DIP之差;PTP是將濾過10mL廢水的0.45m濾膜置于馬弗爐中，550℃灼燒2h后用1mol/L的HCl浸提16h，離心，比色測定;PIP是將濾過廢水的濾膜用1mol/L的HCl浸提16h后，離心，比色測定;POP為PTP與PIP之差;總有機(jī)磷TOP為DOP與POP之和;氣態(tài)PH3采用10mol/L濃HNO3吸收比色測定。以上詳細(xì)提取步驟參照Aspila的方式方法。所有形態(tài)磷素均采用鉬銻抗分光光度法比色測定。1.5數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)采用SASv8.0進(jìn)行差異顯著性分析，用Duncan新復(fù)極差法在0.05水平上檢測。圖表繪制在Excel2003中完成。2、結(jié)果與分析2.1臭氧不同曝氣時(shí)間對(duì)廢水中TP、DTP和DIP質(zhì)量濃度的影響不同處理時(shí)間豬場廢水中TP、DTP和DIP的變化趨勢見圖2。從圖中能夠看出，廢水體系中(液相+固相)TP質(zhì)量濃度基本保持穩(wěn)定不變，方差分析結(jié)果表示清楚隨臭氧曝氣時(shí)間延長廢水體系中總磷質(zhì)量濃度差異不顯著(P＞0.05);隨臭氧曝氣時(shí)間延長廢水體系中DTP和DIP質(zhì)量濃度均呈下降趨勢。t10、t20、t40和t60時(shí)段的DTP質(zhì)量濃度均與t0時(shí)段差異到達(dá)顯著水平(P＜0.05)，t60時(shí)段廢水中的DTP質(zhì)量濃度與t0相比降低了5.29mg/L，相當(dāng)于減少了30.28%;各取樣時(shí)段DIP質(zhì)量濃度差異均到達(dá)顯著水平(P＜0.05)，t60時(shí)段廢水中的DIP質(zhì)量濃度與t0相比降低了6.73mg/L，相當(dāng)于減少了41.8%。而且各取樣時(shí)段DIP的降低速率和減少的量均超過了DTP。2.2臭氧不同曝氣時(shí)間對(duì)廢水中TOP、POP和DOP質(zhì)量濃度的影響不同處理時(shí)間豬場廢水中TOP、POP和DOP質(zhì)量濃度的變化趨勢見圖3。從圖中能夠看出，隨臭氧曝氣時(shí)間延長廢水中TOP和POP質(zhì)量濃度均呈下降趨勢。方差分析結(jié)果顯示，t0與t10時(shí)段TOP質(zhì)量濃度沒有顯著差異，而t20～t60各時(shí)段TOP質(zhì)量濃度均與t0時(shí)段到達(dá)顯著差異水平，且在t20～t60時(shí)段內(nèi)TOP質(zhì)量濃度沒有顯著變化，講明TOP質(zhì)量濃度降低主要集中在t10～t20階段，隨處理時(shí)間的延長TOP降低趨勢逐步減緩;t60時(shí)段TOP質(zhì)量濃度比t0時(shí)段降低了1.98mg/L，相當(dāng)于減少34.92%。隨臭氧曝氣時(shí)間延長廢水中POP質(zhì)量濃度變化特征與TOP類似，t60時(shí)段POP質(zhì)量濃度比t0時(shí)段降低了3.42mg/L，相當(dāng)于減少79.53%。各取樣時(shí)段POP質(zhì)量濃度降低速率和減少的量均超過了TOP。隨臭氧曝氣時(shí)間延長廢水中DOP質(zhì)量濃度呈上升趨勢，在t0～t20時(shí)段內(nèi)增加迅速，各時(shí)段廢水DOP質(zhì)量濃度與t0時(shí)段相比顯著增加(P＜0.05)，隨處理時(shí)間的推移DOP增加趨勢逐步減緩;t60時(shí)段DOP質(zhì)量濃度比t0時(shí)段升高了1.44mg/L，相當(dāng)于增加了105.11%。2.3臭氧不同曝氣時(shí)間對(duì)廢水中PTP和PIP質(zhì)量濃度的影響不同處理時(shí)間豬場廢水中PTP和PIP質(zhì)量濃度的變化趨勢見圖4。從圖中能夠看出，各時(shí)段廢水中的PTP和PIP質(zhì)量濃度均呈上升趨勢，隨臭氧曝氣時(shí)間延長上升的速率逐步減緩。t60時(shí)段廢水中PTP和PIP質(zhì)量濃度分別比t0時(shí)段升高了5.30mg/L和8.72mg/L，相當(dāng)于分別增加了46.74%、123.86%。不同取樣時(shí)段之間PTP以及PIP質(zhì)量濃度分別到達(dá)了顯著性水平(P＜0.05)。2.4臭氧曝氣前后廢水中磷形態(tài)和構(gòu)成臭氧曝氣前后廢水中磷形態(tài)和構(gòu)成見圖5。從圖中能夠看出，t0時(shí)段各種磷素形態(tài)總量和t60時(shí)段一致。臭氧曝氣后廢水體系中磷素形態(tài)和構(gòu)成變化顯著，DTP質(zhì)量濃度減少而PTP質(zhì)量濃度增加，t60時(shí)段檢測到濃HNO3吸收液中有磷素存在，但其累積產(chǎn)生量極少，僅為廢水體系TP質(zhì)量濃度的0.38%。除此之外，臭氧曝氣后DTP質(zhì)量濃度減少是由于DIP的減少而造成的;PTP質(zhì)量濃度增加是通過PIP的增加而實(shí)現(xiàn)的。3、討論臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，能夠殺死廢水中大部分微生物，因而被廣泛應(yīng)用于廢水消毒領(lǐng)域。試驗(yàn)所用豬場廢水呈弱堿性(pH值為8.53)，在堿性環(huán)境下會(huì)與臭氧離解生成的羥基自由基反響，比臭氧直接反響有更強(qiáng)的氧化性。在臭氧曝氣經(jīng)過中廢水中TP質(zhì)量濃度無顯著變化，表示清楚該經(jīng)過磷素仍然存在于反響體系中，沒有造成損失或發(fā)生磷素顯著脫離反響體系現(xiàn)象，與張克強(qiáng)等在臭氧處理蔬菜發(fā)酵料液中的研究結(jié)果一致;試驗(yàn)中DTP與DIP變化趨勢與幅度均一致，表示清楚試驗(yàn)經(jīng)過中DTP質(zhì)量濃度的降低是由DIP質(zhì)量濃度降低引起的，臭氧曝氣會(huì)降低磷素有效性，主要原因在于:以PO3－4為主要存在形式的DIP，碰到有機(jī)物分解釋放的Ca2+、Mg2+和Fe3+等金屬離子，結(jié)合構(gòu)成沉淀造成DIP質(zhì)量濃度降低，而PIP質(zhì)量濃度升高;同時(shí)POP質(zhì)量濃度降低也證實(shí)了有機(jī)物氧化分解的反響經(jīng)過。固然臭氧曝氣經(jīng)過會(huì)導(dǎo)致部分POP向DTP轉(zhuǎn)化，但轉(zhuǎn)化的速度遠(yuǎn)小于PIP增加的速度，最終造成了DTP質(zhì)量濃度的降低。臭氧曝氣經(jīng)過中廢水TOP質(zhì)量濃度總體呈下降趨勢，而TP質(zhì)量濃度不變，表示清楚部分有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成了無機(jī)磷，TOP的轉(zhuǎn)化經(jīng)過可能包括2個(gè)途徑:POP直接氧化分解為無機(jī)磷;POP首先轉(zhuǎn)化為DOP，DOP繼續(xù)氧化為無機(jī)磷。兩個(gè)途徑共同促進(jìn)有機(jī)磷向無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化。廢水DOP質(zhì)量濃度的升高表示清楚臭氧對(duì)大分子有機(jī)物的氧化分解作用要強(qiáng)于小分子有機(jī)物，高乃云等試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。豬場廢水厭氧消化階段體系中氧化復(fù)原電位較低，一些無機(jī)磷(磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀等)和有機(jī)磷(卵磷脂、蛋白胨等)能夠被厭氧微生物轉(zhuǎn)化為磷化氫，并以水結(jié)合態(tài)或基質(zhì)結(jié)合態(tài)存在于厭氧廢水中。試驗(yàn)從開場啟動(dòng)臭氧發(fā)生器至淀粉-碘化鉀試劑變藍(lán)，中間間隔了1.5min，此經(jīng)過通入的氣體主要是純氧氣，由于臭氧制備需要一定經(jīng)過;也或者是初期產(chǎn)生的臭氧更多消耗在體系中較多的復(fù)原性物質(zhì)上，曝氣經(jīng)過間接等同于氣體攪拌，可能會(huì)將廢水中部分以結(jié)合態(tài)形式存在的PH3吹脫出廢水體系，被濃硝酸吸收液氧化而固定。因而磷的氣態(tài)損失主要集中在臭氧曝氣前的純氧氣曝氣階段，由于該經(jīng)過時(shí)間較短，PH3氣態(tài)損失量也較少。鄧良偉等發(fā)現(xiàn)豬場廢水在經(jīng)過6d的厭氧消化后，上清液中的總磷去除率高達(dá)57.3%，且在氣體吸收液中同樣檢測到了磷，講明廢水中部分磷素通過氣態(tài)化合物途徑排放脫離體系。污水厭氧處理經(jīng)過也發(fā)現(xiàn)磷素?fù)p失到達(dá)30%～40%，而其損失量的25%～50%是以氣態(tài)PH3的形式散發(fā)到大氣中。因而，非氧化性氣體曝氣對(duì)PH3損失途徑需要引起重視，十分是在厭氧發(fā)酵經(jīng)過，而PH3產(chǎn)生機(jī)制和逸失的影響因素還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。4、結(jié)論(1)臭氧曝氣對(duì)厭氧處理豬場廢水中磷素形態(tài)及質(zhì)量濃度有顯著影響?？扇苄钥偭?、可溶性無機(jī)磷、總有機(jī)磷、顆粒態(tài)有機(jī)磷均隨曝氣時(shí)間延長而減少，持續(xù)臭氧曝氣60min分別降低30.28%、41.80%、34.92%和