CN104973919B - 回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法，包括以下步骤：1）将生物炭与溶解性镁盐投加到尿液中，在pH值为9～11的条件下进行搅拌，直至溶液中生成灰白色沉淀物鸟粪石，并附着到生物炭表面使其饱和；2）停止搅拌，使得鸟粪石及饱和生物炭在溶液中充分沉降，收集沉淀物；3）将收集的沉淀物烘干造粒，即得富含碳氮磷营养元素的土壤改良缓释肥。
Description
技术领域
本发明涉及生活污水资源化处理，具体地说，涉及一种回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法。
背景技术
随着我国大规模城市化的推进，污水中氮磷未得到有效控制，使得水环境保护遭受越来越大的压力，水体富营养化问题越来越严重。与此同时，随着化肥使用的推广，农业土壤潜在养分过度释放导致土壤贫瘠化问题日益严重。面对这些问题，从源头上实现尿液废水分离式收集并进行资源化处理，从而制备可应用于贫瘠土壤改良的缓释肥料，可以在减轻污水中氮磷处理的压力的同时，改善土壤肥力，实现环保与农业领域的可持续发展。生物炭作为一种新型生物质吸附材料，可以在吸附营养元素的同时，直接作为缓释肥料应用于贫瘠土壤；将生物炭引入传统的利用鸟粪石结晶进行尿液资源化的处理系统中，具有诸多积极意义。
生物炭是一种通过生物质原料的热解炭化制备的结构相对稳定的多孔含碳物质，具有较大的比表面积和较强的离子交换能力，从而可以将有机和无机物质吸附到表面。生物炭本身也是一种较好的氮肥替代品，可以保证作物产量的同时减少化学肥料的使用。目前，在农业领域的利用方面，生物炭的作用主要体现在增强土壤肥效，减少营养元素流失，从而在相对贫瘠的土地上实现作物增产。同时，生物炭的矿化速率明显低于其他直接应用的生物质材料，从而使其在土壤中相对稳定，也使得生物炭具有显著的碳固定潜力。
虽然生物炭本身具有诸多优点，但其肥效依旧明显不足于工业化学肥料；将尿液中的营养元素富集到生物炭，可以显著改善这一缺点。尿液中含有丰富的氮磷钾元素，在城镇生活污水中，约有80％的氮、50％的磷和50～90％的钾来自于尿液，具有较大的应用潜力。研究结果显示，在中性环境下，生物炭的Zeta电位一般为负值，表明生物炭表面通常情况下带负电；从而使得生物炭较易吸收铵根等带正电的离子，但较难吸附带负电的离子，如磷酸根等。从而，依靠生物炭回收尿液中的氨氮具有可行性，但还需要寻找其他途径实现尿液中磷和钾的高效回收。
有研究表明，鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)沉淀结晶可以高效地从尿液中回收磷，同时可以通过鸟粪石系的另一种晶体(MgKPO4·6H2O)实现尿液中的氮磷钾的同步回收，这为从尿液中利用生物炭回收磷和钾提供了新思路。有学者提出利用沸石等吸附剂从尿液中回收氨氮，再结合鸟粪石结晶提高对磷和钾的回收效率。但若要将吸附剂所回收的氨氮用于农业土壤，还需要对吸附饱和的沸石进行脱附，该过程的回收效率一般只有60％。
因此，亟需一种能够解决传统氨氮吸附剂成本较高、脱附困难且收率不高的技术方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种利用生物碳和镁盐回收尿液中的氮和磷制备富含碳氮磷缓释肥的方法。
为了实现本发明目的，本发明提供一种回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法，所述方法包括以下步骤：
1)将生物炭与镁盐投加到尿液中进行搅拌，直至溶液中生成灰白色沉淀物鸟粪石，并附着到生物炭表面使其饱和；
搅拌过程中控制pH值为9～11；
2)停止搅拌，使得鸟粪石及饱和生物炭在溶液中充分沉降，收集沉淀物；
3)将收集的沉淀物烘干造粒，即得富含碳氮磷营养元素的土壤改良缓释肥。
进一步地，所述生物炭的投加量为50-100g/L，所述镁盐的投加量为0.25-0.5g/L。
进一步地，所述镁盐为氧化镁或氯化镁。投加氯化镁时需要对应投加氢氧化钠等碱性试剂调节pH。
作为优选，所述镁盐为氧化镁。
作为优选，所述步骤1)中的搅拌速度至少为100r/min。
作为优选，所述步骤1)中通过氢氧化钠调节pH值。
作为优选，所述步骤1)中的搅拌时间至少为4小时，所述步骤2)中沉降时间至少为2小时。
作为优选，为了提高氨氮的回收效率，将富含高氨氮的原尿稀释5-10倍后再进行步骤1)的吸附。一般需将原始尿液贮存6个月，从而使尿液中大部分的尿素转化为氨氮，以利于前述方法对尿液中氨氮的回收。
其中，所述步骤1)中的生物碳是以农业秸秆为原料，通过慢速热解，制备得到的。
本发明还提供了前述方法制备得到的富含碳氮磷营养元素的土壤改良缓释肥。
本发明的有益效果在于：
本发明利用生物炭作为吸附材料，可以解决传统氨氮吸附剂成本较高、脱附困难的问题。将尿液中的营养元素以鸟粪石和饱和生物炭的形式固定并作为缓释肥料，可弥补传统鸟粪石结晶工艺与生物炭直接农用领域的诸多不足，具有显著优势。首先，生物炭在吸附固定氨氮的同时，可以捕获鸟粪石晶粒，降低鸟粪石晶体成核的难度，从而显著提升氮磷钾元素的回收效率。其次，相比于利用其他废弃资源回收得到的肥料或有机肥，该缓释肥料在用于贫瘠土壤改良的过程中对原始土壤不会带来重金属污染等新问题。此外，生物炭在作为吸附材料的同时，可直接作为缓释肥料，不会因脱附等过程造成营养元素的二次流失，具有更高的利用效率；同时，生物炭对于鸟粪石晶粒的捕获及固定也使得营养元素在土壤中的释放时间得以延长，肥效的缓释效果得以进一步加强。
利用本发明所述方法回收尿液中的氮和磷：氮的回收率可达50％以上，磷的回收率可达90％以上；所制得的肥料富含碳氮磷，同时含有丰富的钾、钙、钠、镁等营养元素，具有土壤改良的效果；所得复合肥的肥效释放缓慢，为缓释型氮磷复合肥，且肥效不易随雨水和灌溉水流失。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法
本实施例回收的尿液来自贮存六个月的原始尿液，原始尿液的氨氮浓度为7925mg/L，磷酸盐浓度为161.3mg/L。
首先将原始尿液稀释10倍，量取100mL尿液至密闭容器；
然后，投加5g生物炭与0.025g氯化镁到尿液中，在150r/min摇床震荡条件下，充分搅拌4h，期间通过氢氧化钠溶液控制pH值为9～11；
停止搅拌，是沉淀物充分沉降2h，收集沉淀物；
将收集的沉淀物烘干造粒，即得富含碳氮磷营养元素的土壤改良缓释肥。
所述缓释肥含碳量为84.1-93.5％，含氮量为5.1-9.8％，含磷量为1.3-3.2％。
实施例2回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法
本实施例回收的尿液来自贮存六个月的原始尿液，原始尿液的氨氮浓度为7925mg/L，磷酸盐浓度为161.3mg/L。
首先将原始尿液稀释5倍，量取100mL尿液至密闭容器；
然后，投加10g生物炭与0.05g氧化镁到尿液中，在100r/min摇床震荡条件下，充分搅拌8h；
停止搅拌，是沉淀物充分沉降4h，收集沉淀物；
将收集的沉淀物烘干造粒，即得富含碳氮磷营养元素的土壤改良缓释肥。所述缓释肥含碳量为80.2-91.4％，含氮量为7.1-13.2％，含磷量为2.2-5.7％。随着稀释倍数的降低，缓释肥中氮磷浓度有所提高，但相比于初始尿液，氮磷回收率降低，对于尿液的处理效果不够好。
实施例3回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法
本实施例回收的尿液来自贮存六个月的原始尿液，原始尿液的氨氮浓度为7925mg/L，磷酸盐浓度为161.3mg/L。量取100mL原始尿液至密闭容器；
然后，投加10g生物炭与0.05g氧化镁到尿液中，在200r/min摇床震荡条件下，充分搅拌6h；
停止搅拌，是沉淀物充分沉降5h，收集沉淀物；
将收集的沉淀物烘干造粒，即得富含碳氮磷营养元素的土壤改良缓释肥。所述缓释肥含碳量为85.1-95.3％，含氮量为3.3-8.3％，含磷量为1.5-3.6％。
实施例4投加物的探究实验
本实施例回收的原始尿液和操作步骤同实施例1，与实施例1区别在于：
本实施例分别量取100mL稀释后的尿液至密闭容器，分为三组进行投加物不同的试验：组一单独投加5g生物炭；组二单独投加0.05g氧化镁；组三投加5g生物炭和0.05g氧化镁。
尿液经上述三组试验回收后，对回收后尿液中氮磷的浓度进行检测，并计算回收率，如表1所示。
表1不同投加物回收尿液氮磷的回收率
结果表明，单一的生物炭或镁盐投加，只能分别实现氨氮和磷酸盐的回收，但通过生物炭和镁盐的联合投加，可以实现氮磷的同步回收。
实施例5
本实施例回收的原始尿液和操作步骤同实施例1，与实施例1区别在于：
本实施例分别量取100mL稀释后的尿液至密闭容器，分别投加0.5g、1g、2g、4g、5g和10g的生物碳对尿液中氮磷进行回收，对回收后尿液中氮磷的浓度进行检测，并计算回收率，不同生物炭投加量对尿液中氮磷的回收效率如表2所示。
表2不同生物碳投加量对氮磷的回收率
| 氨氮 | 磷酸盐 | |
| 0.5g生物炭投加对氮磷的回收率(％) | 6.6 | - |
| 1g生物炭投加对氮磷的回收率(％) | 9.8 | - |
| 2g生物炭投加对。氮磷的回收率(％) | 13 | - |
| 4g生物炭投加对氮磷的回收率(％) | 23 | - |
| 5g生物炭投加对氮磷的回收率(％) | 36 | - |
| 10g生物炭投加对氮磷的回收率(％) | 46 | - |
结果表明，通过增加生物炭的投加量，可以提高氨氮的回收效率。但当生物碳的投加量大于100g/L时，尿液中氮磷的回收率并无显著增加，还会引起尿液混浊，增加投入成本。因此，本发明优选的50-100g/L的生物炭投加量既可以实现较高的氨氮回收效率，又兼顾了实施成本，达到最优效果。
实施例6
本实施例回收的原始尿液和操作步骤同实施例1，与实施例1区别在于：
本实施例分别量取100mL稀释后的尿液至密闭容器，分别投加1mg、5mg、10mg、50mg和100mg的氧化镁对尿液中氮磷进行回收，对回收后尿液中氮磷的浓度进行检测，并计算回收率，不同氧化镁投加量对尿液污水中氮磷的回收效率如表3所示。
表3不同氧化镁投加量对氮磷的回收率
| 氨氮 | 磷酸盐 | |
| 1mg氧化镁投加对氮磷的回收率(％) | - | 11 |
| 5mg氧化镁投加对氮磷的回收率(％) | - | 36 |
| 10mg氧化镁投加对氮磷的回收率(％) | - | 62 |
| 50mg氧化镁投加对氮磷的回收率(％) | - | 94 |
| 100mg氧化镁投加对氮磷的回收率(％) | - | 97 |
结果表明，镁盐的投加可以提高磷酸盐的回收效率，0.5g/L和1g/L的氧化镁投加量对磷酸盐的回收率相差不大，0.5g/L的氧化镁投加量已能实现较高效率的磷酸盐回收，为了兼顾了实施成本，本发明优选镁盐的投加量为0.5g/L。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种回收尿液中氮磷制备缓释肥的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)将生物炭与镁盐投加到尿液中进行搅拌，直至溶液中生成灰白色沉淀物鸟粪石，并附着到生物炭表面使其饱和；
搅拌过程中控制pH值为9～11；
2)停止搅拌，使得鸟粪石及饱和生物炭在溶液中充分沉降，收集沉淀物；
3)将收集的沉淀物烘干造粒，即得富含碳氮磷营养元素的土壤改良缓释肥；
所述生物炭的投加量为50-100g/L，所述镁盐为氧化镁或氯化镁，所述镁盐的投加量为0.25-0.5g/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的搅拌速度至少为100r/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中通过氢氧化钠调节pH值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的搅拌时间至少为4小时，所述步骤2)中沉降时间至少为2小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述尿液为稀释5-10倍的富含高氨氮的原尿。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的生物碳是以农业秸秆为原料，通过慢速热解，制备得到的。
7.权利要求1-6任一项所述方法制备得到的富含碳氮磷的土壤改良缓释肥。
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