一种废弃物资源化利用方法及其在控制农业面源污染中的应用
阅读说明：本技术 一种废弃物资源化利用方法及其在控制农业面源污染中的应用 (Waste resource utilization method and application thereof in controlling agricultural non-point source pollution ) 是由 王鹏飞 王书航 王坤 姜枫 崔冠楠 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种废弃物资源化利用方法及其在控制农业面源污染中的应用,所述方法包括：先将废弃物预处理得到以磷计磷酸盐浓度大于70mg/L且以氮计氨氮浓度大于60mg/L的废水,然后分别将废水、碱液和镁盐溶液从反应器下端进料,同时将反应器顶部的上清液回流至反应器下端,与废水、碱液和镁盐溶液混合,形成流化反应区；反应初始,向流化反应区加入作为晶种的鸟粪石颗粒,设定流化反应区的空隙率为0.8～0.9,计算上清液的回流流量；保持回流流量及废水和镁盐溶液的进料量不变,继续反应直至流化反应区的空隙率下降到0.7以下,移出流化反应区内的大粒径鸟粪石颗粒。该方法可实现农业面源污染的控制。(The invention provides a method for recycling wastes and application thereof in controlling agricultural non-point source pollution, wherein the method comprises the following steps: firstly, pretreating wastes to obtain wastewater with the phosphate concentration of more than 70mg/L in terms of phosphorus and the ammonia nitrogen concentration of more than 60mg/L in terms of nitrogen, then respectively feeding the wastewater, alkali liquor and magnesium salt solution from the lower end of a reactor, simultaneously refluxing supernate at the top of the reactor to the lower end of the reactor, and mixing the supernate with the wastewater, the alkali liquor and the magnesium salt solution to form a fluidized reaction zone; at the beginning of the reaction, adding struvite particles serving as seed crystals into a fluidized reaction zone, setting the void ratio of the fluidized reaction zone to be 0.8-0.9, and calculating the reflux flow of supernatant liquid; keeping the reflux flow and the feeding amount of the wastewater and the magnesium salt solution unchanged, continuing the reaction until the void ratio of the fluidization reaction zone is reduced to be below 0.7, and moving out the struvite particles with large particle size in the fluidization reaction zone. The method can realize the control of agricultural non-point source pollution.)
技术领域
本发明涉及废弃物处理技术领域，尤其涉及一种废弃物资源化利用方法及其在控制农业面源污染中的应用。
背景技术
磷是一种不可再生的资源，是植物生长所需三大营养元素之一，也是地球上所有生物生命活动的必需要素。现有磷利用方式，即，磷矿开采-肥料加工施用-植物吸收-通过食物被动物和人类消化-未吸收部分被排泄-汇入水体和垃圾填埋场，不可持续，汇入水体中的磷还会对水体造成污染。另一方面，农田中施用的速效肥易流失，农田径流已成为多数湖泊富营养化的重要污染源，用缓释肥替代速效肥是解决此问题的有效途径，但目前缓释肥价格偏高，农民使用积极性不高。
为增加磷的可持续利用，必须开展废弃物(废水和固体废物)中的磷回收，也是治理湖泊富营养化问题的有效举措。废弃物中含有较高浓度/含量的磷酸盐和氨氮，通过添加MgCl2和NaOH，将废弃物中的磷以鸟粪石进行回收，是一种较为常用的磷回收方法，其原理为废水或预处理后的固体废物中磷酸根离子、铵根离子与镁离子在碱性条件下反生沉淀反应，生成鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)，鸟粪石为一种可被植物吸收利用的缓释肥。以废弃物为原料生产缓释肥鸟粪石，能显著降低成本。
但是，现有工艺多使用连续流混合反应器或流化床反应器，回收的产品为单晶形式的鸟粪石粉末，或抗压强度低的小粒径鸟粪石颗粒，不便于包装、运输和施用，需经后续造粒工序才能成为具有更慢营养盐释放速率的大粒径鸟粪石颗粒，增加了成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种废弃物资源化利用方法及其在控制农业面源污染中的应用，实现将废弃物中的磷和氨氮转化为大粒径(约3～4mm)、高纯度(96～97％)、高强度、低孔隙率的鸟粪石颗粒，可直接作为缓释肥施用，控制农业面源污染。
本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种废弃物资源化利用方法，包括：先将废弃物预处理得到磷酸盐浓度(以磷计)大于70mg/L且氨氮浓度(以氮计)大于60mg/L的废水，然后分别将所述废水、碱液和镁盐溶液从反应器下端进料，同时将所述反应器顶部的上清液回流至所述反应器下端，与所述废水、碱液和镁盐溶液混合，形成流化反应区；
反应初始，向所述流化反应区加入作为晶种的鸟粪石颗粒，设定所述流化反应区的空隙率为0.8～0.9，计算上清液的回流流量；
保持所述回流流量以及所述废水和镁盐溶液的进料量不变，继续反应，直至所述流化反应区的空隙率下降到0.7以下，移出所述流化反应区内的大粒径鸟粪石颗粒。
本发明中回流的上清液主要作用是提供上升流量，使流化反应区内颗粒能悬浮起来而不沉降，在流化反应区内，废水中的磷酸根离子和铵根离子与镁盐溶液中的镁离子在适宜pH下(通常为7.5～9.5)发生反应。本发明研究发现，采用反应器顶部上清液回流并控制回流流量的方式，可以集鸟粪石单晶形成、生长和聚合为一体，使鸟粪石晶体在所加晶种表面以致密的晶体聚合物的形式生长和聚合，在此反应形式下，通过保持各进料量及回流流量不变，简单控制所述流化反应区的空隙率这一指标，即可稳定获得大粒径、高纯度、高强度、低孔隙率的鸟粪石颗粒，可直接作为缓释肥施用。
本发明所述废弃物可以为城镇污水处理厂污泥厌氧消化过程中产生的消化液、奶制品加工厂生产废水等高磷高氨氮废水以及城镇污水处理厂污泥(
具体实施方式
所示)、畜禽粪便等高磷高氨氮含量的固体废弃物。以固体废弃物为原料时，应先通过酸解等方法将其预处理成高磷高氨氮的废水，即废水中溶解性磷酸盐浓度(以磷计)大于70mg/L，氨氮(以氮计)大于60mg/L。
本发明所述流化反应区的空隙率为所述流化反应区内的液体所占体积与所述流化反应区的体积的比值。
本发明中所述上清液的回流流量与所述流化反应区的空隙率的关系如公式(1)所示：
式中，Qr(m3/s)为回流流量；Qtot(m3/s)为上升流量，是进水流量与回流流量之和；Qin(m3/s)为进水流量(具体为废水流量与镁盐溶液流量之和，碱液流量相对于废水流量、镁盐溶液流量和回流流量非常小，忽略不计，主要作用为调节pH)；Df(m)为流化反应区直径；ε为流化反应区的空隙率；kf为管壁效应修正系数，z为指数，U0(m/s)为颗粒自由沉降速度，kf由公式(2)计算，z由公式(3)计算，U0由公式(4)、(5)计算：
ρp＝ρs(1-εp)+ρlεp (6)
式中，dp(m)为鸟粪石颗粒直径；ρl(kg m-3)为液体密度，可近似为水的密度；ρp(kgm-3)为鸟粪石颗粒有效密度，由公式(6)计算得出，其中ρs(1.7×103kg m-3)为鸟粪石真密度，εp为鸟粪石颗粒孔隙度；μ(Pa·s或kg m-1s-1)为水的动力粘度；g为重力加速度，9.8m s-2；CD为曳力系数，由雷诺数求得。由于雷诺数中含有U0，计算U0时需多次迭代。
反应初始，以加入的作为晶种的鸟粪石颗粒的直径、孔隙度以及预设流化反应区的空隙率代入上述公式计算回流流量，运行过程中，随着颗粒粒径增大，流化反应区的空隙率逐渐减小，当空隙率过小将会导致鸟粪石颗粒强度不够，易破碎。本发明研究发现，当流化反应区的空隙率一旦降至0.7以下，此时应将大粒径颗粒移出反应器，所得鸟粪石的粒径和强度可以达到综合最佳。具体操作过程中，可通过定期移出小部分颗粒，测量颗粒直径与孔隙度，通过上述公式计算空隙率从而判断是否为移出时机。
进一步地，移出所述流化反应区内的大粒径鸟粪石颗粒后，以所述反应器上部自动下降到所述流化反应区的小粒径鸟粪石颗粒作为晶种继续反应，直至所述流化反应区的空隙率再次降到0.7以下，移出所述流化反应区内的大粒径鸟粪石颗粒，如此循环反复。
本发明利用反应器上部自动沉降下来的小粒径鸟粪石颗粒作为晶种继续生产，使反应器能保持持续运行和生产，不用再额外添加晶种，节约成本及简化工序。
在本发明的具体实施方式中，所述反应器从下至上依次包括所述流化反应区、过渡区和沉降区，且各区域的横截面积从下至上呈阶梯式递增。采用上述反应器有利于本发明所述方法的进行，有利于生产过程的控制。
进一步地，在所述沉降区中，液体的上升流速小于2.0×10-3m s-1。
上升流速过大会导致小颗粒鸟粪石晶体不能完全沉降，部分未沉降小颗粒随回流水进入反应器底端，造成进水口堵塞、降低反应器中晶种颗粒生长速率从而减小产品粒径等问题。其中，上升流速(vp，m/s)的计算方法如公式(7)所示：
式中，Dp(m)为沉降区直径。
优选地，所述反应初始加入的作为晶种的鸟粪石颗粒，其粒径为0.8～2.0mm，孔隙度为0.1～0.2。粒径和孔隙度在上述范围内的鸟粪石颗粒作为晶种大小和强度适宜，可避免在反应器中破碎，有利于快速生长得到目标大粒径鸟粪石颗粒，同时又留有一定空间在晶种外层形成致密的晶体聚合物从而使得到的大粒径鸟粪石颗粒整体强度满足要求。
进一步地，生产过程中控制所述反应器内的过饱和度，当所述反应器顶部持续浑浊时，降低所述碱液的进料量。优选地，生产过程中控制所述反应器内的过饱和度为1.5～3。
本发明还提供一种由上述废弃物资源化利用方法生产得到的鸟粪石颗粒。
按照上述方法，获得的鸟粪石颗粒的粒径为3～4mm，孔隙度为0.01～0.05。相较于常规鸟粪石结晶法处理废水得到的鸟粪石，本发明获得的鸟粪石颗粒粒径大、强度高、孔隙率低、纯度高，可直接作为缓释肥施用，无需再造粒，节约了成本。
本发明提供了一种废弃物资源化利用方法，该方法可以简单可控地将废弃物中的磷和氨氮转化为大粒径(约3～4mm)、高纯度(96～97％)、高强度、低孔隙率的鸟粪石颗粒，可直接作为缓释肥施用，控制农业面源污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的废弃物资源化利用方法所用到的反应器的示意图；
图2为本发明实施例中反应器运行时流化反应区的示意图；
图3为本发明实施例中反应28天后回收的鸟粪石颗粒的表面(左)和横截面(右)扫描电镜图；
图4为本发明实施例中反应35天后回收的鸟粪石颗粒照片；
图5为本发明实施例中反应35天后回收的鸟粪石颗粒的表面(左)和横截面(右)扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例提供一种废弃物资源化利用方法，具体为一种以生活污水处理厂污泥为原料生产大粒径鸟粪石颗粒的方法，生活污水处理厂污泥经加入硫酸溶液至pH 5进行酸解并过滤，所得滤液中磷酸盐浓度(以磷计)为464mg/L，氨氮浓度(以氮计)为1493mg/L。
本实施例采用如图1所示的反应器进行反应，其有效容积为3.33L，从下至上主要分为流化反应区(图中简称为流化区，直径为2.2cm)、过渡区和沉降区(直径为13.6cm)，并将沉降区的上清液回流至流化反应区，与废水、MgCl2溶液和NaOH溶液混合。反应器运行时流化反应区的示意图如图2所示，从图中可以看出，鸟粪石颗粒处于悬浮状态。
反应器运行参数为：废水流量0.72L/h(对应水力停留时间4.6h)，回流流量96L/h，MgCl2流量0.27L/h(MgCl2溶液浓度(以Mg计)1380mg/L)，pH 7.6，晶种40g 1.4～2.0mm(平均粒径1.7mm，孔隙度0.19)的鸟粪石颗粒。该条件下，流化反应区的初始空隙率为0.84，沉降区流速为1.85×10-3m s-1。随运行时间延长，反应器中鸟粪石颗粒逐渐增大，空隙率逐渐减小，至28天时，鸟粪石颗粒增大到3.1mm，孔隙度减小为0.05，按照公式计算，此时流化反应区的空隙率为0.72，仍满足空隙率大于0.7，可让最大粒径的鸟粪石颗粒继续留在反应器中生长。至35天时，鸟粪石颗粒增大到3.5mm，孔隙度减小为0.04，按照公式计算，此时流化反应区的空隙率为0.71，仍满足空隙率大于0.7，可让最大粒径的鸟粪石颗粒继续留在反应器中生长，至空隙率下降到0.7以下，则将流化反应区的鸟粪石颗粒全部移出。
反应28天后回收的鸟粪石颗粒的表面(左)和横截面(右)扫描电镜图如图3所示。反应35天后回收的鸟粪石颗粒的照片如图4所示；该鸟粪石颗粒的表面(左)和横截面(右)扫描电镜图如图5所示。从图中可以看出，颗粒由中心的相对较为松散的晶种颗粒和外层的致密的晶体聚合物组成，外层致密的鸟粪石晶体聚合物使颗粒强度增加、孔隙率降低。
经检测，反应器运行28天和35天后回收的鸟粪石颗粒其元素组成如表1所示，纯度约96～97％。
表1反应器运行28天和35天后回收的鸟粪石颗粒元素含量(％)
由以上结果可以看出，按照本发明实施例方法得到的鸟粪石颗粒，具有粒径大(3～4mm)、纯度高(96～97％)、强度大、孔隙率低的优点，不易破碎，便于运输、包装和施用，营养元素释放速率低，是一种优异的缓释肥料。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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