CN106145504A - 一种快速高效同步回收源分离尿液和化粪池厌氧上清液中磷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速高效同步回收源分离尿液和化粪池厌氧上清液中磷的方法，其特征在于方法按如下步骤进行：1.对传统水冲式小便器排污管路进行改造；2.采用尿液源分离控制器实现尿液和冲洗水的分离和收集；3.将化粪池污水进行厌氧发酵，随后将上清液经过双层格栅过滤；4.将上清液和储存尿液经过细砂柱过滤后按着一定比例混合，使得混合液pH在8.4～8.6范围内，回收富含鸟粪石的灰白色沉淀；5.采用红外衍射光谱和化学方法鉴定沉淀中鸟粪石纯度。本发明通过严格控制废水的pH值和搅拌速度等参数，不仅能够同步回收尿液和化粪池废水中的磷，减轻环境污染，降低废水处理成本，而且能够得到高纯度的鸟粪石晶体。本发明具有成本低廉，工艺简单，高效快速等优点。

Description

一种快速高效同步回收源分离尿液和化粪池厌氧上清液中磷的方法

技术领域

本发明涉及一种将采用尿液源分离自动控制器实现尿液源头自动分离收集，并结合化粪池废水厌氧上清液的理化性质，将尿液和上清液作为鸟粪石反应原液来制备高纯度鸟粪石的方法，属于环境技术与农业资源利用领域。

背景技术

随着我国村镇化进程的加速，一系列环境问题日益突出。村镇污水管网的缺乏导致人们将生活污水，尤其是厕所污水直接排放到当地河道、湖泊等，不仅仅造成了大量磷资源的流失，同时高浓度的氮磷也造成了严重的水体污染。目前，水体的富营养化已经成为污染我国水体的最大因素，污水处理厂污水处理费用也在很大程度上主要用于去除水体中氮磷等。同时，磷是有机体不可或缺的生命元素，也是“单一流向”的不可再生自然资源。目前市场中的磷肥绝大部分来自对磷矿石的开采，然后由于磷矿石的过度开采和磷的不可再生等特点使得可以利用的磷矿石日益紧张。因此如何将富含有大量氮磷废水中磷的回收农用是目前亟待解决的重大问题。尿液中含有生活污水中50％以上的磷，但是其体积占生活污水体积的不到1％，同时化粪池废水经过厌氧发酵处理后的上清液含有大量的镁源，同时也富含氮磷等营养元素，这使得同步回收尿液和化粪池废水中的磷具有可行性和必要性。目前以鸟粪石法回收废水中磷过程中的镁源主要有MgCl₂、MgO以及海水和盐卤等，这样无形中增大了磷回收成本。本发明结合尿液和化粪池废水的特点，实现同步回收两废水中的磷而无需外部镁源的添加，降低了成本；同时回收的鸟粪石是一种高效缓释肥，具有很大的经济价值。本发明通过对现有村镇公厕小便器后端排污管路进行简单改造即可实现将尿液的自动分离收集，同时将化粪池废水经过厌氧发酵后的上清液作为镁源与尿液按着一定比例混合同步回收上清液和尿液中的磷，即可得到高纯度的鸟粪石灰白色沉淀。本发明具有成本低廉，工艺简单，快速高效等优点。

发明内容

本发明结合村镇公厕含氮磷浓度高的尿液以及富含镁源的化粪池废水，通过严格控制两种废液的混合比例来同步回收尿液和化粪池废水中的氮磷来制备高纯度鸟粪石。该技术不仅能够降低公厕废水中的氮磷浓度，减少其对环境污染；而且废水中的氮磷以鸟粪石缓释肥形式回收，减少了磷资源浪费，有较高经济效益和良好环境效益，具有广阔前景。

本发明提供的技术方案是利用尿液源分离控制器将尿液和冲洗水分离收集，然后将源分离的高浓度尿液和化粪池废水厌氧发酵后的上清液以一定比例混合，在不断搅拌下同步回收尿液和化粪池废水中的氮磷，得到富含鸟粪石的灰白色沉淀。其特征在于方法按着如下步骤进行：

将传统水冲式厕所内小便器排污管路进行简单改造(图1)，即将原有的单通道排污管道改为水平双通道排污通道，其中一端用于排放源分离尿液(图1，7)，另一端用于排放冲洗水(图1，8)。整个尿液源分离控制器(图1，1)主要是通过可编程控制器PLC(三菱FX1N-14MR-001)采集红外感应信号并将其作为中断源来控制气泵(奥突斯550W-18L)的启停，进而实现对两路管路上夹管阀的启停控制来实现尿液和冲洗水自动分离收集。具体原理如下：1.用于排放尿液管路的夹管阀的工作方式设定为常闭式，用于排放冲洗水的夹管阀的工作方式设定为常开；2.设定红外感应器参数为：感应距离30cm，感应角度135度；3.当红外感应器感应到人来时自动开启冲水开关并保持2秒，随后关闭冲洗水管路夹管阀并开启尿液收集管路夹管阀，直至人离开；4.当红外感应器感应到人离开后延迟0.5秒关闭尿液管路夹管阀，开启冲洗水管路夹管阀并延迟0.2秒后自动打开冲洗水龙头，保持开启2秒后自动关闭。采用尿液源分离分离控制器收集到的尿液纯度能够达到98％以上(收集的尿液中正磷酸盐浓度/纯尿液中正磷酸盐浓度＞98％)。收集到的尿液存放7天后即可使用(尿液水解使得pH＞9.0)。

化粪池废水每隔2天搅拌30min，且搅拌速率为120r/min。随后用水泵(本发明用不锈钢自吸泵，南方泵业JET-45)将上清液抽到上清液存放池(见图2)左侧格子中。其后经过两层格栅(图2，2、3)(孔径均＜0.2cm)。

将步骤1和2中得到的尿液和上清液按着一定体积混合形成富含鸟粪石的灰白色沉淀，具体步骤为：1.本发明中所提到的两种原液混合反应时所采用的装置为全自动鸟粪石反应器，如图3所示。全自动鸟粪石反应器带有pH传感电极，搅拌电机以及蠕动泵等关键部件(图3，1)；2.两种原液分别经过添加石英砂的细长有机玻璃柱后按着一定比例混合(图3，3、4)后进入鸟粪石反应罐体(图3，2)；3.将全自动鸟粪石反应器pH电极设定为8.5，每隔2秒钟自行检测反应液pH，然后根据pH变化自动添加尿液或者上清液；4.设定搅拌电机转速为120r/min，每搅拌5min后静置10min；5.全自动鸟粪石反应器中所有阀门均由主控器(图3，1)控制，保证混合液流经反应器罐体2次，以回收更多的磷；6.静置后即有大量富含鸟粪石的灰白色沉淀物形成；

采用XRD和化学方法检测分析沉淀中鸟粪石的纯度。XRD图谱定性描述了沉淀物中鸟粪石纯度大于90％(图4)。取沉淀1.0g溶于1.0L超纯水(pH＝5.3)中，化学方法测得沉淀 溶解后溶液的正磷酸盐浓度为135.3mg/L，接近鸟粪石中磷的含量126.5mg/L(理论值)，因此鸟粪石纯度大于93％。

本发明的有益效果是：

1)本发明在无需外加镁源情况下，将源分离储存尿液和化粪池厌氧发酵上清液按着一定比例混合使得废水pH在8.4～8.6范围内即可实现尿液和化粪池厌氧上清液中磷的同步回收，这样就大幅度降低了磷回收成本，具有很高的经济价值；

2)本发明能够在较短时间(30min)内同步回收尿液和化粪池废水中绝大部分磷(＞95％，初始178.4mg/L，最终7.27mg/L)，且回收的沉淀中含有丰富的鸟粪石晶粒，其纯度大于93％；

附图说明

图1.尿液源分离控制系统；

图2.化粪池厌氧上清液储存池；

图3.全自动鸟粪石反应器；

图4.灰白色沉淀XRD衍射图谱。

具体实施方式：

随着我国城镇化进程的加速，由城镇化过程带来的环境污染问题日益凸显。村镇污水管网尚未普引起的生活污水的任意排放已经造成了严重的水体污染。针对上述情况，本发明结合当前实际情况以及村镇公厕污水的特点，发明了一种快速高效同步回收源分离尿液和化粪池厌氧上清液中磷的方法。其原理是在一定pH范围内(8.4～8.6)，当鸟粪石原液中PO₄ ^3--P、NH₄ ⁺-N和Mg²⁺的离子积大于鸟粪石的溶解度K_SO时，即溶液过饱和度Ω＞1是，三种离子会结合并以沉淀形式沉积下来。本发明通过控制反应液的pH来实现源分离尿液和上清液按着一定比例混合(图4中流量计结果显示尿液与上清液体积比在4/1～3/1范围内)形成灰白色沉淀。沉淀中富含鸟粪石晶粒，同时鸟粪石也是一种高效缓释肥，因此回收废水中氮磷具有广阔前景。

本发明具体实施方案如下：

对传统水冲式厕所小便器排污管路进行简单改造。将原有排污管道作为冲洗水管路直接接入化粪池，增加尿液收集管路(后端接入尿液储存罐)；

将传统水冲式厕所小便器的红外感应器的控制参数进行修改，其输出信号作为尿液源分离控制器的中断信号来实现对整个尿液源分离系统的控制。具体原理：1.用于排放尿液管路的夹管阀的工作方式设定为常闭式，用于排放冲洗水的夹管阀的工作方式设定为常开；2.设定红外感应器参数为：感应距离30cm，感应角度135度；3.当红外感应器感应到人来时自动开启冲水开关并保持2秒，随后关闭冲洗水管路夹管阀并开启尿液收集管路夹管阀，直至人离开；4.当红外感应器感应到人离开后延迟0.5秒关闭尿液管路夹管阀，开启冲洗水管路夹管阀并延迟0.2秒后自动打开冲洗水龙头，保持开启2秒后自动关闭。采用尿液源分离分离控制器收集到的尿液纯度能够达到98％以上(收集的尿液中正磷酸盐浓度/纯尿液中正磷酸盐浓度＞98％)。收集到的尿液存放7天后即可使用(尿液水解使得pH＞9.0)。

将化粪池废水经过17～23天的厌氧发酵，随后将上清液抽入带有双层格栅(孔径＜1cm)过滤的上清液储存池右侧隔间(图2)；

设定鸟粪石全自动反应器pH为8.5，搅拌转速为120r/min，搅拌时间为每5min后静置10min。可编程控制器PLC(三菱FX1N-14MR-001)采集pH电极信号并将此信号作为中断源来实现对反应器上的蠕动泵(分别向鸟粪石全自动反应器添加储存尿液和化粪池厌氧上清液)的开停的控制；

静置结束后自动打开沉淀出口阀门将沉淀排出。反应后的废液排放到土地处理系统进行后续处理。

本发明中尿液源分离控制器主要部件包括：新增管路DN32 PPR，PLC型号三菱FX1N-14MR-001；设定参数为：感应距离为30cm，感应角度为135度。

本发明采用的鸟粪石全自动反应器所用部件包括：1.亚克力有机玻璃反应器；2.pH电极型号：梅特勒HA405-DXK-S8；设定参数为pH＝8.5，搅拌速度V＝120r/min，搅拌时间T＝10min。

为了更详细介绍本发明，下面结合实例来说明

本发明依托于“十二五”科技支撑计划《村镇环境监测与景观建设关键技术研究》，其配套工程坐落在苏州市相城区太东路一家生态科技公司(距离京沪高铁苏州北站约2公里)。本地原属苏州市一村庄，污水管网尚未铺设。该公司员工加上来往的行人估计客流量为20人/天。公司内部有水冲式公厕一个，所排污水经过化粪池和人工湿地后排入旁边的河道。本发 明结合当地实际情况发明了一种快速高效同步回收源分离尿液和化粪池厌氧上清液中磷的方法，并且无需任何外在镁源添加。实验数据显示两原液混合液中磷回收率大于95％，且鸟粪石纯度大于93％。

Claims (8)

1.一种快速高效同步回收源分离尿液和化粪池厌氧上清液中磷的方法，其特征在于方法按着如下步骤进行：

1)对传统水冲式小便器排污管路进行简单改造，将原来一路排污管路改成两路，改后续包括尿液收集管路和冲洗水排放管路；

2)采用自行设计的尿液源分离控制器实现尿液和冲洗水的源头分离和收集，并将源分离尿液储存7天；

3)将化粪池污水进行厌氧发酵17～23天，厌氧期间每隔2天搅拌30min，搅拌速率为120r/min，随后将上清液抽入带有双层格栅的上清液储存池；

4)将上清液和储存尿液经过细砂柱过滤后按着一定比例混合，使得混合液pH在8.4～8.6范围内，120r/min转速下搅拌5min后静止10min，回收富含鸟粪石的灰白色沉淀；

5)采用红外衍射光谱(X-ray diffraction，XRD)和化学方法鉴定沉淀中鸟粪石纯度。

2.根据权利1要求所述的鸟粪石反应原液之一的尿液为经过尿液源分离自动控制器将尿液和冲洗水分离后且经过储存7天后的尿液，；

3.根据权利1要求所述的鸟粪石反应原液之一的上清液为化粪池废水经过17～23天厌氧发酵，且经过双层格栅过滤后的上清液；

4.根据权利1要求所述要严格按着一定比例将储存尿液和上清液进行混合，使得混合后废水pH在8.4～8.6范围内，以保证回收的灰白色沉淀中鸟粪石的纯度；

5.根据权利1要求所述的尿液源头分离控制器主要是通过可编程控制器PLC采集红外感应信号来控制尿液排放管路和冲洗水排放管路中夹管阀的开闭，进而实现尿液和冲洗水分离收集；

6.根据权利1要求所述的鸟粪石全自动反应器主要是通过单片机MSP430采集pH电极信号来控制鸟粪石反应原液中尿液和上清液的阀门的开闭，进而实现将尿液和上清液按着一定比例混合；

7.根据权利1要求所述的尿液源头分离控制器能够回收98％以上的尿液；全自动鸟粪石反应器能够回收尿液和上清液混合液中92％以上的磷，且鸟粪石纯度可达到93％以上。

8.根据权利1要求所述的方法能够在30min内回收尿液中95％以上的磷，因此本发明是一种高效快速回收尿液中磷的方法。