CN106336253A - 利用多级膜分离技术浓缩沼液制造有机肥料的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用多级膜分离技术浓缩沼液制造有机肥料的生产工艺，包括如下步骤：a.预处理：将经厌氧发酵后的沼液经沉淀与好氧发酵、固液分离、初级过滤、均质熟化调节与深度沉淀和精细过滤与生物抑菌进行预处理；b.浓缩前多级膜分离：将经精细过滤与生物抑菌处理后的沼液进行微滤膜分离和超滤膜分离；c.多级膜浓缩：由超滤膜分离出来的沼液渗透液经纳滤膜浓缩、反渗透膜浓缩与浓缩膜保护进行多级膜浓缩；d.调配:将纳滤、反渗透膜分离得到的截留浓缩液中添加大、中、微量元素和其它营养成分及功能性成分调配成液体有机肥分装；e.产品包装。该生产工艺结构灵活、设备先进、工艺布局科学，能够满足所有大中型沼气工程沼液资源化综合利用开发。

Description

利用多级膜分离技术浓缩沼液制造有机肥料的生产工艺
技术领域：
本发明涉及浓缩沼液制造有机肥料的技术领域，具体为一种利用多级膜分离技术浓缩沼液制造有机肥料的生产工艺。
背景技术：
沼液是畜禽粪污及农作物秸秆等各类有机物，经厌氧发酵产生沼气后形成的液相残留物，一般呈褐色液体。近年来，随着我国规模化养殖场数量的增加及集约化程度的不断提高，畜禽粪污带来的环境问题日益严重。据统计，截至2007年，全国畜禽粪污总排放量，高达30亿t以上，总COD排放量7700万t以上，是全国工业和生活污水COD排放总量的5倍多。在对于畜禽粪污污染的控制与利用方面，以沼气工程为代表的厌氧发酵技术，是一种能消纳有机废弃物、缓解能源短缺的环境友好型技术，得到日益广泛应用及关注。截至2011年我国大中型沼气工程73032处，农村沼气用户保有量4169.7万户，年产沼气达138.4亿m3。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年我国大型畜禽养殖场和工业废水沼气工程提供的沼气利用量高达440亿m3。随着我国农业发展的要求，沼气工程发展迅速，且规模越来越大，大中型沼气工程大规模发展，沼液沼渣等发酵残留物的必然大幅增多，如何妥善处置发酵残留物已经成为制约沼气工程发展的瓶颈，也是亟待解决的环境问题。
沼气工程运行所投入的原料一般通常为畜禽粪污及农作物秸秆等，发酵原料不同，所产生的沼液成分亦有所不同。据相关文献资料载明：沼液的营养成分丰富，不仅含有氮、磷、钾等大量营养元素和钙、镁、硫中量营养元素及铜、铁、锌、硼、锰、钼微量营养元素，而且含有各类氨基酸、活性酶、维生素、蛋白质、生长素、糖类、核酸、抗生素等，几乎含有植物生长所需的全部营养元素，其中有不少生理活性物质，他们对农作物生长发育有调控作用。这些营养元素基本上以速效态存在。因此，沼液的速效营养能力强，养分可利用率高，是多元的速效有机肥料，易被农作物吸收。另外，由于沼气生产原料，在一定温度条件下，经过长期的厌氧、绝(少)氧环境，使大量的病菌、虫卵、杂草种子窒息而亡，并使沼液不会带活病菌和虫卵。沼液本身含有吲哚乙酸、乳酸菌、芽胞杆菌、赤霉素和较高含量的氨和铵盐等成分，可杀死和抑制某些病菌及虫卵，封闭某些害虫的呼吸系统(如：红蜘蛛)，使某些害虫避而远之，从而达到防虫、驱虫、杀虫减少虫害。因此，沼液又是具有一定生物农药药理功能的卫生肥料，农业生产中常用于浸种、叶面施肥，达到防病灭虫的效果。据相关实验表明：沼液对小麦、豆类和蔬菜的蚜虫防治具有明显效果。另外，沼液对小麦根腐病菌、水稻小球菌核病菌、水稻纹枯病菌、棉花炭疽病菌等都有强抑制作用，对玉米大斑病菌、小斑病菌有较强抑制作用。虽然，沼液富含总氮、总磷、钾离子、有机质等物质，从理论上讲，沼液是一种很好的液体有机肥料。但是，由于沼气工程中的沼液产量大、原液中水分含量高、营养物质含量偏低、区域消纳能力、沼液生产连续性与农作物需肥季节性矛盾、储存运输成本高、农业施肥技术变革(原始沼液中含有大量悬浮颗粒，不能直接满足农业水肥一体化施肥技术要求)等问题难于解决，制约了沼液的资源化综合利用。特别是规模化养殖场越来越大型化的沼气工程，每天所产生的几百吨甚至上千吨沼液，如不及时得到有效处理，势必会给养殖企业带来巨大的环境压力，严重制约到企业的可持续发展。为此，近年来有关部门和单位针对沼液的处置进行了大量研究，纵观沼液处置方式，无外乎低成本自然生态净化、高成本的工厂化处理、低成本的资源化利用、高附加值的开发利用四大类。前者以达标排放为首要目的，将沼液视为高有机物、高氮磷的污水，多采用化学、生物等方法进行处理，不利用或少量利用其中的营养物质。后者强调对沼液营养物质的利用，将沼液作为资源进行开发，是处置沼液的优先方式。
目前，我国沼液的资源化利用以在农业领域的低成本利用为主，工厂化资源性开发利用多处在研究开发阶段。其中不少沼液工厂化资源化开发研究，涉及到利用膜分离技术。而现有沼液浓缩处理与利用同类技术，普遍注重沼液的减量化，以环保达标排放作为目的，主要存在以下问题：
1)膜分离前的预处理工艺复杂，投资大，运行成本高；
2)膜分离工艺，因单一膜种，沼液中的营养成分得不到全面截留，且浓缩效率低；
3)工艺过程添加絮凝剂、除臭剂等化学药剂，对沼液中的营养成分构成破坏；
4)膜污染、膜堵塞问题难以根除，恢复膜通量靠添加化学药剂进行周期性清洗，不利于浓缩液作为肥料利用；
5)膜组件使用周期较短，频繁换膜，即影响生产效率又加大了运行成本；
6)浓缩液再复配化肥无机肥性成分，湮没了沼液的有机生态特性。
发明内容：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用沼液多级膜分离浓缩技术制造有机肥的生产工艺，可适用于以畜禽粪污为主要原料的大型沼气工程中沼液的资源化综合利用。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
利用沼液多级膜分离浓缩技术制造有机肥的生产工艺，包括如下步骤：
1)预处理
①沉淀与好氧发酵：经厌氧发酵后的沼液由厌氧发酵罐排至沉淀池进行自然沉淀，使沼液中的大颗粒的固形物得到充分沉淀；然后对沉淀后的沼液进行好氧发酵，对沼液中的铵态氮进行转化和进一步降解厌氧发酵无法分解的有机物；
上述沉淀与好氧发酵的时间分别需要在24h以上。
上述沉淀与好氧发酵过程中在距沉淀池池底1000mm位置处设置微孔气浮床，此距离经过多次试验确定，即不影响沉淀，又能满足好氧发酵(爆气)。
②固液分离：经沉淀与好氧发酵后的沼液进行沼液固液分离，去除沼液中的沼渣、污泥及悬浮物等固形物，沼液清液进行下一步处理，沼渣、污泥，进入固体生物有机肥生产系统；
上述经沉淀与好氧发酵后的沼液采用卧式螺旋卸料沉降离心机进行沼液固液分离。
③初级过滤：经固液分离后的沼液清液进行初级过滤，以去除沼液中含有的较大颗粒的固形物；
上述经固液分离后的沼液清液进入砂石过滤器进行初级过滤。
④均质熟化调节与深度沉淀：经初级过滤后的沼液进入设在室内调节池上方的喷淋管，沼液通过多道喷淋，与空气充分接触后，流入下方的调节池，使沼液成分趋于均质；
此过程中的沼液再次进行好氧发酵，即在常温条件下，沼液在3000m3调节池中经过15天左右熟化，即使沼液成分趋于稳定，也使沼液得到深度沉淀。同时3000m3调节池的容量，在整个系统中起到了调节水量的作用，减少了因水质水量变化对后续膜分离浓缩设备的影响。
⑤精细过滤与生物抑菌：经熟化处理后的沼液分别进入过滤器去除沼液中的残留悬浮物和细小不溶性微粒，然后经过精细过滤处理后的沼液再进行抑制、杀灭有害细菌和病毒；
上述精细过滤与生物抑菌过程包括如下步骤：
a.经熟化处理后的沼液先进入高效过滤器，去除沼液中的残留悬浮物；
b.再进入袋式过滤器，去除沼液中的细小不溶性微粒；
c.经过精细过滤处理后的沼液进入生物减灭器，进行抑制、杀灭有害细菌和病毒，以防止有害细菌在沼液中迅速滋生繁殖，导致对膜的污染，影响后续膜浓缩时的膜通量。
2)浓缩前多级膜分离(浓缩前预处理)
①微滤膜分离：经精细过滤与生物抑菌处理后的沼液进入微滤膜分离装置，去除悬浮在沼液中的颗粒直径大于10微米的粒子悬浮物颗粒及纤维；
②超滤膜分离：经微滤处理后的沼液进入超滤膜分离装置，去除悬浮在沼液中的大分子胶体物，渗透液继续进行后续浓缩。
3)多级膜浓缩：
①纳滤膜浓缩：由超滤膜分离装置出来的沼液渗透液进入纳滤膜分离装置，截留沼液中的肥性营养成分，去除沼液中的大部分水分，沼液截留浓缩液进入浓缩沼液储罐备用，渗透液继续进行后续处理；
上述滤膜浓缩过程中可对滤膜浓缩倍率在5-10倍之间进行调节。
②反渗透膜浓缩：由纳滤膜分离装置出来的渗透液经过改性处理的反渗透膜装置，进行有效截留，确保沼液中的所有肥性成分得到最大限度的截留；截留浓缩液进入浓缩液储罐备用，渗透液达标排放；
纳滤膜分离装置出来的渗透液大部分为水分，但其中还含有部分呈一价阴阳离子状态的肥性物质，如钾离子等，选择根据渗透液中的残留的肥性物质含量，可对反渗透浓缩倍率进行调节，一般可选择10-20倍浓缩倍率。
③浓缩膜保护：由于纳滤、反渗透膜分离装置经过长时间运行，膜表面还是会多多少少的形成附着性污染物，影响膜通量，因此根据膜污染物性质，采用相应有机溶剂(如柠檬酸等)，定时对膜进行低压冲洗，清除膜表面的污染物，同时使压缩的膜恢复，延长膜的使用周期。
3)调配:
将纳滤、反渗透膜分离得到的截留浓缩液，在反应釜中，添加相应比例的大、中、微量元素和其它营养成分及功能性成分，调配好的产品进入产品储罐，作为液体有机肥分装前备用。
4)产品包装:
将调配后的液体有机肥通过一体化罐装机计量分装成不同规格包装的产品。
本发明所设计的生产工艺，具有以下主要特点：
(1)固液分离与熟化调节相结合，按梯度原则布局预处理工艺。沉淀池自然沉淀配合卧式螺旋卸料沉降离心机机械分离，建立从初级沉淀到机械分离，再到熟化深度沉淀的三级预固相液相分离体系，充分去除沼液中的沼渣、污泥等大颗粒不溶物，大大缓解了过滤设备的压力。
(2)过滤与有害病菌抑制、灭杀处理相结合，按多级过滤模式，布局各种过滤设备工艺顺序，建立由砂石初级过滤、高效过滤器及布袋精细过滤和生物减灭器组成的三级过滤及有害病菌抑制、灭杀处理体系，使沼液中的较大颗粒固体不溶物、悬浮颗粒物、胶质物等得到充分去除，有害细菌及病毒得到有效抑制和灭杀，降低了上述物质对膜的污染、堵塞及磨损程度，对膜分离装置起到了保护作用。
(3)厌氧发酵与好氧发酵相结合，采用液下供氧和喷淋溶氧两种好氧发酵方式，使沼液中铵态氮得到充分转化，并使厌氧发酵无法分解的有机质得到充分分解。
(4)膜过滤与膜分离相结合，采用多级膜分离模式，按各种膜的分离特性布局膜处理工艺，建立由微滤、超滤膜过滤和纳滤、反渗透膜分离组成的四级膜过滤及膜分离体系，使沼液中的所有营养物质最大限度地得到截留，实现渗透液达标排放与截留液富集营养物质同步进行。
(5)工艺设备先进、工艺布局科学，系统采用自动化控制。
(6)工艺结构灵活，可满足多种液体肥料新产品的研发和批量生产。
(7)工艺方案具备可复制性，能满足所有大中型沼气工程沼液资源化综合利用开发。
附图说明：
图1是本发明生产工艺的工艺流程图。
具体实施方式：
下面结合附图及其具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，利用沼液多级膜分离浓缩技术制造有机肥的生产工艺，包括如下步骤：
(1)预处理
①沉淀与好氧发酵：经厌氧发酵后的沼液由厌氧发酵罐排至沉淀池进行自然沉淀不少于24h，使沼液中的大颗粒的固形物得到充分沉淀；然后对沉淀后的沼液进行好氧发酵不少于24h，对沼液中的铵态氮进行转化和进一步降解厌氧发酵无法分解的有机物；
②固液分离：经沉淀与好氧发酵后的沼液采用卧式螺旋卸料沉降离心机进行沼液固液分离，去除沼液中的沼渣、污泥及悬浮物等固形物，沼液清液进行下一步处理，沼渣、污泥，进入固体生物有机肥生产系统；。
③初级过滤：经固液分离后的沼液清液进入砂石过滤器进行初级过滤，以去除沼液中含有的较大颗粒的固形物；
④均质熟化调节与深度沉淀：经初级过滤后的沼液进入设在室内调节池上方的喷淋管，沼液通过多道喷淋，与空气充分接触后，流入下方的调节池，使沼液成分趋于均质；
⑤精细过滤与生物抑菌：经熟化处理后的沼液先进入高效过滤器，去除沼液中的残留悬浮物，再进入袋式过滤器，去除沼液中的细小不溶性微粒，然后经过精细过滤处理后的沼液进入生物减灭器，进行抑制、杀灭有害细菌和病毒；
(2)浓缩前多级膜分离
①微滤膜分离：经精细过滤与生物抑菌处理后的沼液进入微滤膜分离装置，去除悬浮在沼液中的颗粒直径大于10微米的粒子悬浮物颗粒及纤维；
②超滤膜分离：经微滤处理后的沼液进入超滤膜分离装置，去除悬浮在沼液中的大分子胶体物，渗透液继续进行后续浓缩；
3)多级膜浓缩：
①纳滤膜浓缩：由超滤膜分离装置出来的沼液渗透液进入纳滤膜分离装置，截留沼液中的肥性营养成分，去除沼液中的大部分水分，沼液截留浓缩液进入浓缩沼液储罐备用，渗透液继续进行后续处理；
②反渗透膜浓缩：由纳滤膜分离装置出来的渗透液经过改性处理的反渗透膜装置，进行有效截留，确保沼液中的所有肥性成分得到最大限度的截留；截留浓缩液进入浓缩液储罐备用，渗透液达标排放；
③浓缩膜保护：根据膜污染物性质，采用相应有机溶剂(如柠檬酸等)，定时对膜进行低压冲洗，清除膜表面的污染物，同时使压缩的膜恢复，延长膜的使用周期；
(4)调配：将纳滤、反渗透膜分离得到的截留浓缩液，在反应釜中，添加相应比例的大、中、微量元素和其它营养成分及功能性成分，调配好的产品进入产品储罐，作为液体有机肥分装前备用；
(5)产品包装：将调配后的液体有机肥通过一体化罐装机计量分装成不同规格包装的产品。
该生产工艺可日处理沼液100m3，浓缩倍率按照5-10，每天可得到10-20m3浓缩沼液，80-90m3渗透液清水，整个工艺过程均采用物理方法进行分离和浓缩，既不引入对植物有害的其它污染物，也不产生新的污染物，实现清洁生产。浓缩的沼液用于生产液体有机肥料，或根据用户要求，复配植物生长所需的所有大、中、微量元素及功能性成分(如：氨基酸、腐殖酸、微生物功能菌等)生产含氨基酸(液体)水溶肥、含腐殖酸(液体)水溶肥、复合微生物(液体)肥等功能性肥料。本发明选择氨基酸螯合中微量元素(如氨基酸螯合钙等)，更容易被植物吸收。渗透液达标排放，可满足沼气厌氧发酵做调浆、农田灌溉、养鱼、绿化等用水要求。另外，系统阶段性产生的膏糊状浆体沼渣泥(主要指定期清池、过滤器清洗等工艺环节产生的)，可集中用于阶段性生产有机冲施肥料。
利用本发明的工艺生产的各类有机肥料包括有机液体肥料、含氨基酸水溶肥料、含腐殖酸水溶肥料、复合微生物肥料和固体生物有机肥等，这些有机肥料已在宁夏及周边省份的各种作物上进行了大量的田间实验，均取得了明显效果，得到了种植户的认可，如：枸杞种植、葡萄种植、蔬菜种植、西瓜种植、灵武长枣、桃子、红树莓等。上述各类有机肥料，其产品质量技术指标和安全技术指标均达到以下相关标准要求，具体如下表：

Claims (9)

1.利用沼液多级膜分离浓缩技术制造有机肥的生产工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1：预处理
①沉淀与好氧发酵：经厌氧发酵后的沼液由厌氧发酵罐排至沉淀池进行自然沉淀，使沼液中的大颗粒的固形物得到充分沉淀；然后对沉淀后的沼液进行好氧发酵，对沼液中的铵态氮进行转化和进一步降解厌氧发酵无法分解的有机物；
②固液分离：经沉淀与好氧发酵后的沼液进行沼液固液分离，去除沼液中的沼渣、污泥及悬浮物等固形物，沼液清液进行下一步处理，沼渣、污泥，进入固体生物有机肥生产系统；
③初级过滤：经固液分离后的沼液清液进行初级过滤，以去除沼液中含有的较大颗粒的固形物；
④均质熟化调节与深度沉淀：经初级过滤后的沼液进入设在室内调节池上方的喷淋管，沼液通过多道喷淋，与空气充分接触后，流入下方的调节池，使沼液成分趋于均质；
⑤精细过滤与生物抑菌：经熟化处理后的沼液分别进入过滤器去除沼液中的残留悬浮物和细小不溶性微粒，然后经过精细过滤处理后的沼液再进行抑制、杀灭有害细菌和病毒；
S2：浓缩前多级膜分离
①微滤膜分离：经精细过滤与生物抑菌处理后的沼液进入微滤膜分离装置，去除悬浮在沼液中的颗粒直径大于10微米的粒子悬浮物颗粒及纤维；
②超滤膜分离：经微滤处理后的沼液进入超滤膜分离装置，去除悬浮在沼液中的大分子胶体物，渗透液继续进行后续浓缩；
S3：多级膜浓缩
①纳滤膜浓缩：由超滤膜分离装置出来的沼液渗透液进入纳滤膜分离装置，截留沼液中的肥性营养成分，去除沼液中的大部分水分，沼液截留浓缩液进入浓缩沼液储罐备用，渗透液继续进行后续处理；
②反渗透膜浓缩：由纳滤膜分离装置出来的渗透液经过改性处理的反渗透膜装置，进行有效截留，确保沼液中的所有肥性成分得到最大限度的截留；截留浓缩液进入浓缩液储罐备用，渗透液达标排放；
③浓缩膜保护：根据膜污染物性质，采用相应有机溶剂(如柠檬酸等)，定时对膜进行低压冲洗，清除膜表面的污染物，同时使压缩的膜恢复，延长膜的使用周期；
S4：调配：
将纳滤、反渗透膜分离得到的截留浓缩液，在反应釜中，添加相应比例的大、中、微量元素和其它营养成分及功能性成分，调配好的产品进入产品储罐，作为液体有机肥分装前备用；
4)产品包装:
将调配后的液体有机肥通过一体化罐装机计量分装成不同规格包装的产品。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述沉淀与好氧发酵的时间分别需要在24h以上。
3.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述沉淀与好氧发酵过程中在距沉淀池池底1000mm位置处设置有微孔气浮床。
4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述经沉淀与好氧发酵后的沼液采用卧式螺旋卸料沉降离心机进行沼液固液分离。
5.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述经固液分离后的沼液清液进入砂石过滤器进行初级过滤。
6.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述精细过滤与生物抑菌过程，包括如下步骤：
a.经熟化处理后的沼液先进入高效过滤器，去除沼液中的残留悬浮物；
b.再进入袋式过滤器，去除沼液中的细小不溶性微粒；
c.经过精细过滤处理后的沼液进入生物减灭器，进行抑制、杀灭有害细菌和病毒，以防止有害细菌在沼液中迅速滋生繁殖，导致对膜的污染，影响后续膜浓缩时的膜通量。
7.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述滤膜浓缩过程中可对滤膜浓缩倍率在5-10倍之间进行调节。
8.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述反渗透膜浓缩过程中可对反渗透浓缩倍率在10-20倍之间进行调节。
9.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述调配的液体有机肥根据复配植物生长所需的功能性成分的不同包括含氨基酸的水溶肥、含腐殖酸的水溶肥、复合微生物液体肥。
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