CN104324533A

CN104324533A - 一种沼液过滤柱及其应用

Info

Publication number: CN104324533A
Application number: CN201410549409.9A
Authority: CN
Inventors: 李国学; 张智烨; 袁京; 杜龙龙
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104324533B

Abstract

本发明公开了一种沼液过滤柱及其应用。沼液过滤柱包括柱体和填充于柱体内的玉米秸秆；玉米秸秆的粒径为20mm～100mm。沼液的过滤方法，包括如下步骤：将待过滤的沼液流经至少一个沼液过滤柱，在沼液过滤柱的出口收集过滤液，即实现对沼液的过滤。沼液过滤柱或玉米秸秆应用在沼液过滤中。本发明具有以下优点：玉米秸秆廉价易得，实现了玉米秸秆的第一次循环利用；过滤沼液后，玉米秸秆无需冲洗，节省水资源，废弃的玉米秸秆可直接用于好氧堆肥，实现了秸秆的第二次循环利用；解决了对沼液中悬浮物高，在滴灌及膜浓缩处理过程中容易导致堵塞问题，且过滤过程为纯物理过滤，极大的保留了沼液中原有的各类营养物质，保证了处理手段的长期稳定运行。

Description

一种沼液过滤柱及其应用

技术领域

本发明涉及一种沼液过滤柱及其应用，属于环境工程领域。

背景技术

随着规模化畜禽养殖业的快速发展，畜禽粪便如何处理处置显得尤为重要。沼气工程作为一种处理手段由于其能够通过发酵产生清洁的能源气体而被广泛采用。但与此同时，还产生了大量的发酵后残留液体——沼液。沼液中含有丰富的作物生长所需的营养元素，包括氮、磷、钾等大量元素，铁、硼、钼、镁等中微量元素，以及丰富的各类氨基酸、蛋白质、维生素、各类酶、植物生长激素以及抗逆抗病虫害的物质。因此，沼液是非常好的有机肥料，已经有大量的研究人员验证了沼液作为肥料的优势。现有的沼液作为肥料的施用手段主要有两种，一是通过滴灌直接施用，二是通过膜浓缩技术先减少沼液的体积，使其更易保存和运输，之后再稀释施用。上述两种施用方法都存在一个共同的技术障碍，即滴灌管道微孔与膜孔的堵塞问题，如何有效的去除沼液中的悬浮物成为这两种处理手段运行效果的关键。现有的过滤手段仍以一些常见的过滤材料为主，且尤以石英砂或河砂为主要材料的砂滤使用最为普遍，但常规滤料在达到饱和状态后需要通过反冲洗进行再生，这一过程不仅浪费水资源，且反冲洗的出水也是高浓度污水，同样需要进行处理，增加了运行成本，因此，亟需找到一种技术方法或替代滤料以延长过滤的运行时间，降低运行成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种沼液过滤柱及其应用，本发明解决了对沼液中悬浮物高，在滴灌及膜浓缩处理过程中容易导致堵塞问题；且沼液过滤柱中滤料无需反复冲洗，使用后的滤料可回收利用。

本发明提供的沼液过滤柱，其包括柱体和填充于所述柱体内的玉米秸秆；

所述玉米秸秆的粒径为20mm～100mm。

本发明中，所述沼液过滤柱采用的所述玉米秸秆的粒径具体可为20mm、50mm或20mm～50mm。。

上述的沼液过滤柱，所述玉米秸秆的质量含水率可为8％～15％，具体可为9％。

上述的沼液过滤柱，所述玉米秸秆的平均粒径间隔可为5mm；

粒径小于20mm的所述玉米秸秆，由于粒径较小，可能会通过滤料的孔隙进入沼液中，反而增加下一步骤的处理负荷，因此不作为滤料使用。

上述的沼液过滤柱，所述沼液过滤柱内的所述玉米秸秆的容重可为0.10g·cm^-3～0.22g·cm^-3，具体可为0.1103g·cm^-3、0.1628g·cm^-3或0.1103g·cm^-3～0.1628g·cm^-3。

上述的沼液过滤柱，所述沼液过滤柱的柱体内可填充单一粒径或多级粒径的所述玉米秸秆。

上述的沼液过滤柱，所述沼液过滤柱的柱体内填充多级粒径的所述玉米秸秆，且由所述柱体的顶部至底部，所述玉米秸秆的粒径由大到小分布。

本发明中沼液过滤柱中的玉米秸秆的装填方式包括直接装填和压实装填，从而得到不同容重玉米秸秆的沼液过滤柱。采用直接装填的方式省时省力，操作简便；但由于所述玉米秸秆质地较轻，直接装填后滤料间的孔隙度较大，容重小，因此，形成滤饼层，并达到稳定运行阶段所需时间较长，总运行时间也较长；采用压实装填的方式需要有外力对所述状玉米秸秆进行压实操作，增加了装填时间及成本；但压实装填通过外力作用极大的减小了装填的孔隙度，容重相对较大，因此，能够在较短时间内达到稳定运行状态，但总运行时间相对较短。

本发明还提供了沼液的过滤方法，包括如下步骤：将待过滤的沼液流经至少一个所述沼液过滤柱，在所述沼液过滤柱的出口收集过滤液，即实现对沼液的过滤。

上述的过滤方法，采用若干个串联的所述沼液过滤柱对沼液进行过滤。

本发明中所述沼液过滤柱或玉米秸秆可应用于过滤沼液。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)玉米秸秆是我国农业生产中极其常见的废弃物，在过去的20多年，玉米种植面积不断扩大，玉米秸秆产量也持续增加。我国北方地区玉米秸秆极为常见，所用原材料价格相对低廉，同时实现了玉米秸秆的第一次循环利用。

(2)过滤沼液后，过滤材料无需反复冲洗，与其他滤料相比节省了水资源；失效后的秸秆与污泥混合物替换后可用于好氧堆肥，最终作为固体肥料还田，实现了秸秆的第二次循环利用。

(3)本发明解决了对沼液中悬浮物高，在滴灌及膜浓缩处理过程中容易导致堵塞问题，可以大大延长精密过滤部分的有效运行时间，且过滤过程为纯物理过滤，无化学及生物手段参与其中，极大的保留了沼液中原有的各类营养物质，保证了处理手段的长期稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例中使用的沼液过滤实验装置的示意图。

图2为本发明实施例1中沼液过滤过程中压力的变化图。

图3为本发明实施例1中沼液过滤过程中悬浮物的变化图。

图4为本发明实施例1中沼液过滤过程中pH的变化图。

图5为本发明实施例2中沼液过滤过程中压力的变化图。

图6为本发明实施例2中沼液过滤过程中悬浮物的变化图。

图7为本发明实施例2中沼液过滤过程中pH的变化图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中，悬浮物采用重量法测定，依据国家标准GB11901-89《水质——悬浮物的测定》。

浊度采用浊度仪直接测定，仪器型号为Hach 2100N。

实施例1、单一粒径玉米秸秆装填的沼液过滤柱及其应用

1、单一粒径玉米秸秆装填的沼液过滤柱的制备

玉米秸秆的前处理：

取自然风干的玉米秸秆，其质量含水率为9％，用齿辊间距为50mm的小型粉碎机粉碎至45～50mm小段，粒径小于50mm的颗粒状玉米秸秆筛去不用。

沼液过滤柱的制备：

将制备好的颗粒状玉米秸秆装填于一内径为10cm，高度为100cm的不锈钢的滤柱中。将玉米秸秆直接装填到滤柱中，装填高度为85cm，此时，在滤柱中玉米秸秆的容重为0.1628g·cm^-3。

将上述制备的沼液过滤柱连接于图1所示的示意图中，即得到沼液过滤实验装置，图1中各标记如下：1原液桶，2蠕动泵，3反冲洗出水口，4沼液过滤柱，5滤出液出水口/反冲洗进水口，6压力表，7流量计。

2、单一粒径玉米秸秆装填的沼液过滤柱的性能测试

利用本发明沼液过滤柱对表1所示猪粪发酵沼液进行过滤，考察本发明沼液过滤柱的过滤性能。

表1猪粪发酵沼液基本性质

使用图1所示沼液过滤实验装置进行测试，采用可设定流量的蠕动泵进液体，设置蠕动泵流量为5L/h，当沼液过滤柱内充满沼液且出水口可以取到过滤液时为计时零点，之后每隔2h取一次过滤液，记录一次柱前压力。实验运行过程中，滤柱前端会由于逐渐堵塞而导致压力逐渐升高，当实验运行至柱前压力与蠕动泵额定压力平衡，蠕动泵不能再进沼液时结束。

上述沼液过滤过程中压力的变化图如图2所示，由图2可知，50mm单一粒径的玉米秸秆填充滤柱，在5L/h进水量条件下，最长可运行10h。实验结束时，柱前压力为0.16MPa。过滤全过程中沼液过滤柱压力变化与常规滤料相比有所不同，常规滤料在过滤沼液时压力为逐渐上升，而使用50mm单一粒径玉米秸秆的过滤柱时，前8h压力几乎为0，而从8h到10h期间，压力突然急剧上升，滤柱短时间内迅速堵塞。

上述沼液过滤过程中悬浮物的变化如图3所示，由图3可知，50mm单一粒径的玉米秸秆装填处理达到稳定运行阶段所需时间为2h左右，从2h开始进入稳定运行阶段，稳定运行阶段悬浮物去除率稳定在60％以上。与此相对应的同期滤液的浊度与原液相比较下降了70％左右，说明秸秆在去除悬浮物的过程中还存在一定的脱色作用。

上述沼液过滤过程中pH的变化如图4所示，由图4可知，用50mm单一粒径玉米秸秆作为滤料过滤沼液，过滤的全过程中pH有轻微波动，但基本维持在7.3～7.7之间，主要原因可能是沼液中所夹带的微生物在过滤过程中对玉米秸秆有轻微的分解侵蚀作用，同时玉米秸秆本身的多孔特性又对沼液有一定的吸附交换作用，从而使pH有稍微的波动。由于玉米秸秆对沼液的过滤过程为物理性过滤，过滤过程中无化学及生物手段参与其中，从而极大的保留了沼液中原有的各类营养物质，保证了处理手段的长期稳定运行。

实施例2、多级粒径玉米秸秆装填的过滤柱及其应用

1、多级粒径玉米秸秆装填的沼液过滤柱的制备

玉米秸秆的前处理：

取自然风干的玉米秸秆，其质量含水率为9％，首先用齿辊间距为50mm的小型粉碎机将其粉碎至45～50mm小段，之后用孔径为50mm的筛子进行筛分，筛上物作为粗粒径(50mm)的秸秆滤料备用，筛下物则用齿辊间距为20mm的粉碎机将其粒径粉碎至更小的15～20mm；使用孔径为20mm的筛子将粒径小于20mm的粉末状玉米秸秆筛去不用，筛上物作为细粒径(20mm)的秸秆滤料备用。

沼液过滤柱的制备：

将制备好的两种粒径的玉米秸秆装填于一内径为10cm，高度为100cm的不锈钢的滤柱中。将细粒径(20mm)玉米秸秆直接装填到滤柱下部，装填高度为40cm，将粗粒径(50mm)玉米秸秆直接装填到滤柱上部，装填高度为45cm，此时，在滤柱中玉米秸秆的总高度为85cm，容重为0.1103g·cm^-3。

2、多级粒径玉米秸秆装填的沼液过滤柱的性能测试

采用的沼液和沼液过滤实验装置进行测试的过滤方法同实施例1。

上述沼液过滤过程中压力的变化图如图5所示，由图5可知，多级粒径的玉米秸秆填充滤柱，在5L/h进水量条件下，最长可运行14h，相比单一粒径装填有一定提高。实验结束时，柱前压力为0.16MPa。过滤全过程压力变化趋势与单一粒径装填相同，在最后2h内柱前压力迅速升高。

上述沼液过滤过程中悬浮物的变化如图6所示，由图6可知，多级粒径的玉米秸秆装填处理达到稳定运行阶段所需时间同样为2h左右，从2h开始进入稳定运行阶段，稳定运行阶段悬浮物去除率稳定在60％以上。

上述沼液过滤过程中pH的变化如图7所示，由图7可知，用多级粒径玉米秸秆作为滤料过滤沼液，过滤的全过程中pH变化规律与单一粒径玉米秸秆装填的过滤柱的过滤过程类似，由于微生物的分解消化与秸秆的吸附交换共同作用导致滤出液pH在7.3～7.7范围内轻微波动。

实验结束后，将已失效的玉米秸秆滤料替换出，更换新玉米秸秆继续过滤过程。而取出的玉米秸秆和污泥混合物进一步经过简单的混合后即可进入好氧高温堆肥阶段，实现秸秆的二次利用。

Claims

1.一种沼液过滤柱，其特征在于：所述沼液过滤柱包括柱体和填充于所述柱体内的玉米秸秆；

所述玉米秸秆的粒径为20mm～100mm。

2.根据权利要求1所述的沼液过滤柱，其特征在于：所述玉米秸秆的质量含水率为8％～15％。

3.根据权利要求1或2所述的沼液过滤柱，其特征在于：所述玉米秸秆的平均粒径间隔为5mm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的沼液过滤柱，其特征在于：所述沼液过滤柱内的所述玉米秸秆的容重为0.10g·cm^-3～0.22g·cm^-3。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的沼液过滤柱，其特征在于：所述沼液过滤柱的柱体内填充单一粒径或多级粒径的所述玉米秸秆。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的沼液过滤柱，其特征在于：所述沼液过滤柱的柱体内填充多级粒径的所述玉米秸秆，且由所述柱体的顶部至底部，所述玉米秸秆的粒径由大到小分布。

7.一种沼液的过滤方法，包括如下步骤：将待过滤的沼液流经至少一个权利要求1-6中任一项所述沼液过滤柱，在所述沼液过滤柱的出口收集过滤液，即实现对沼液的过滤。

8.根据权利要求7所述的过滤方法，其特征在于：采用若干个串联的所述沼液过滤柱对沼液进行过滤。

9.权利要求1-6中任一项所述沼液过滤柱或玉米秸秆在过滤沼液中的应用。