CN106995223A - 一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法 - Google Patents

一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法。该方法包括如下步骤：(1)将混合金属盐加水溶解，得到混凝剂溶液；(2)调节猪场废水pH至碱性，得到猪场废水I；(3)将生物炭加入步骤(2)中得到的猪场废水I中，搅拌，得到猪场废水II；(4)将步骤(1)中得到的混凝剂溶液加入步骤(3)中得到的猪场废水II中，搅拌，静置，固液分离，其中，上层为处理后的猪场废水III，下层为混凝污泥。本发明的方法对猪场尾水深化处理效果好，可高效除磷和去除COD，同时回收得到混凝污泥可作为钾磷有机复合肥料，实现资源化利用，并且工艺简单稳定，生产成本低，容易实现大规模应用。

Description

一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法
技术领域
本发明属于废水资源化利用领域，具体涉及一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法。
背景技术
猪场废水成分复杂、氮磷浓度高、处理难度大、成本高，未完全处理可导致一系列严重的环境问题。国家环保部对畜禽养殖废水排放标准已实施二次征求意见(环办函[2014]335号)，其中对TP和COD的排放标准从原来(GB18596-2001)的8.0mg/L、400mg/L分别提标到5.0mg/L、150mg/L，在原有常规处理工艺中，生化/生态处理难以达到TP 5.0mg/L和COD150mg/L的出水。以惠州某猪场为例，前期研究经验发现猪场废水中的重金属与抗生素等有毒有害物质大部分已经随剩余污泥排出，废水中有毒有害物质含量较低，主要为一些C、N、P营养物质。然而，直接用于污灌工程量较大，且容易造成地下水污染。
在水滑石研究方面，目前已有的专利和论文涉及很多方面。如：利用水滑石纳米材料制备光催化剂、水滑石合成和吸附性能研究、水滑石制备催化剂研究等。申请公布号为CN105597678 A，发明名称《一种Mg/Al水滑石修饰的生物炭复合材料及其制备方法与用途》，将生物炭粉末浸没于一定摩尔比的Mg/Al水溶液制备Mg/Al水滑石和生物质的复合物，再在N2氛围下热解得到产品。该法应用于工业染料废水，通过制备一种水滑石吸附材料来达到吸附染料的目的，吸附剂制备过程复杂，吸附效果单一(吸附去除效果往往不及混凝去除效果佳)，而没有涉及COD、TP等的去除作用，于猪场废水深度处理方面作用不大，且Al是一种有毒害的物质，无法实现混凝污泥用作磷肥的资源化利用。在厦门大学一篇硕士学位论文《改性类水滑石和沼渣生物炭对磷/氨氮的吸附机理和应用研究》中，将一定摩尔比的Zn/Al金属混合溶液和一定浓度的碱液按照一定速度滴加到均苯四甲酸溶液中，搅拌陈化后洗涤烘干制得吸附剂，分别对生物炭和水滑石两种材料对氨氮、总磷的吸附机理进行研究。该法虽对磷的吸附作用大，但吸附剂制备过程复杂且吸附剂用量较大(吸附剂用量3g/L，Zn2Al-PAM-LDHs对磷去除率才96.7％)，在废水中的去除机理较为单一，不如混凝沉淀物网捕，同时涉及TP、COD和其他污染物的去除，同时Al是一种有毒害的物质，也无法实现混凝污泥用作磷肥的资源化利用。李文朴等在《氯化镁复配氯化铁混凝性能及絮体特性》中，用氯化镁和硫酸镁复配，按照铁镁质量比1：3～1：2先后加入高岭石浑浊液，测定除浊率。该方法无法实现混凝污泥资源化利用的目的，处理成本大大增高，也无法体现对TP、COD的去除效果。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种猪场废水深度处理方法，使能够达到国家环保部对畜禽养殖废水排放标准已实施二次征求意见的COD、TP等水质指标标准。
本发明的另一目的在于提供利用所述的方法得到的混凝污泥，实现混凝污泥的可资源化利用，将废水中的营养物质进行固化，可实现废水深度处理的同时，实现营养物质回收利用，补偿水处理成本。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法，包括如下步骤：
(1)将混合金属盐加水溶解，得到混凝剂溶液(混合金属盐溶液)；
(2)调节猪场废水pH至碱性，得到猪场废水I；
(3)将生物炭加入步骤(2)中得到的猪场废水I中，搅拌，得到猪场废水II；
(4)将步骤(1)中得到的混凝剂溶液加入步骤(3)中得到的猪场废水II中，搅拌，静置，固液分离，其中，上层为处理后的猪场废水III，下层为混凝污泥。
步骤(1)中所述的混合金属盐为铁盐和镁盐；优选为可溶性铁盐和可溶性镁盐；更优选为FeCl3和MgCl2。
步骤(1)中所述的混凝剂溶液为含有镁离子和铁离子的混合溶液，所述的镁离子和铁离子的摩尔比为2～4：1。
步骤(2)中所述的调节猪场废水pH优选为加入碳酸钠进行碱度调节。
步骤(2)中所述的pH优选为7～9，更优选为8～9。
步骤(3)中所述的搅拌为在50～200r/min条件下搅拌10～20min。
步骤(3)中所述的生物炭优选通过如下方法制备得到:
(a)将皇竹草清洗、干燥，破碎，得到皇竹草原料；
(b)将皇竹草原料至于密闭容器，升温至500℃进行炭化，得到生物炭A；
(c)将生物炭A研磨，过筛，得到生物炭B；
(d)将生物炭B用HCl溶液处理，抽滤，水洗，干燥，即得所需生物炭。
步骤(a)中所述的干燥优选为先晒干，再置于80℃烘箱内充分干燥。
步骤(a)中所述的破碎为采用破碎机进行破碎。
步骤(b)中所述的炭化时间优选为4h。
步骤(b)中所述的炭化优选为通过如下方法实现：将皇竹草原料填充于密闭不锈钢厚壁容器中，放入程序控温马弗炉内，以10℃·min-1的速度升温至500℃后恒温炭化4h。
步骤(c)中所述的过筛优选为过100目筛子。
步骤(d)中所述的抽滤优选为真空条件下进行抽滤，用于去除碳酸钙等灰分。
步骤(d)中所述的水洗优选为用去离子水洗，彻底去除残留的酸。
步骤(d)中所述的干燥优选为在80℃烘箱中进行干燥。
步骤(d)中所述的HCl溶液为HCl与水按体积比1:1配比得到的HCl溶液。
步骤(3)中所述猪场废水I中生物炭的浓度为0.1～1.0g/L。
步骤(4)中所述的加入的混凝剂溶液为加入金属离子终浓度为60～100mg/L的混凝剂溶液，即加入的混凝剂溶液的质量浓度[Mg2+]+[Fe3+]＝60～100mg/L。
步骤(4)中所述的搅拌为先快速搅拌，再慢速搅拌；优选为先在150～200r/min条件下搅拌2～5min，然后在50～100r/min条件下搅拌20～30min。
步骤(4)中所述的静置的时间优选为30～60min。
所述猪场废水深度处理与资源回收利用方法，还包括将步骤(4)中得到的处理后的猪场废水III排出，然后将回收的混凝污泥脱水、沥干。
一种混凝污泥，通过上述任一项所述的方法制备得到。
所述的混凝污泥在制备肥料中的应用。
所述的肥料为磷肥或钾磷有机复合肥料。
本发明的原理在于：将混合金属溶液投加到具有一定碱度(pH为7～9)含均匀分布生物炭的猪场废水中，在快搅慢搅条件下会发生混凝，生成大量沉淀絮体，通过电性中和、沉淀网捕和吸附架桥作用，可将大量污染物通过分子间作用力、化合键等方式插入类水滑石板层，达到高效去除污染物的目的。生物炭有巨大的比表面积，有利于污染物均匀分布，并一定程度上可以吸附污染物，使混凝去除作用增强。混凝过程中，猪场废水中的C、N、P等营养元素吸附吸收到混凝污泥中，使混凝污泥具有良好的肥力效应，同时生物炭可以增加土壤有机质，改良土壤。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明先将猪场废水投加适宜的碱度和pH条件，再加入生物炭和镁铁混凝剂强化混凝，猪场废水中的有机物、磷、氮等物质吸附在生物炭和混凝颗粒中，从废水中去除。混凝污泥里富集了废水中的营养物质，可作肥料用途。本发明操作简单，对TP、COD等物质的去除率高，同时所得混凝污泥离心洗涤和干燥后可作肥料用途，实现猪场废水资源化利用。
2、本发明在pH为7～9条件下，控制生物炭和镁铁混凝剂的浓度(镁铁混凝剂浓度过高，混凝过程不会形成絮体，混凝污泥也不会生成)，先快速搅拌，再慢速搅拌，有利于类水滑石矿物相的形成。
3、本发明利用生物炭-MgFe类水滑石法强化混凝单位对COD、总磷去除，可实现深度处理猪场废水的同时，实现混凝污泥高附加值回收。
4、本发明处理后出水的COD和总磷均可下降90％以上，可实现高效除磷、去除COD，使其能够达到国家环保部对畜禽养殖废水排放标准已实施二次征求意见中的COD(<150mg/L)、总磷(<5.0mg/L)等的标准。
5、本发明可对混凝污泥实现二次回收利用，直接用作磷肥，并增加土壤有机质，改良土壤，一则减免了固废的后续处理，二则实现污泥的资源化利用价值，补偿水处理成本。
6、本发明方法对猪场尾水深化处理效果好，并且方法简单稳定，生产成本低，容易实现大规模应用，应用前景广阔。与国内外同类技术相比较，可以实现混凝污泥的高附加值回收利用，达到资源化利用的目的。
附图说明
图1为实施例1所得混凝污泥粉末的X射线衍射图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明中生物炭的制备方法为：将新鲜皇竹草(来自华南农业大学的网室)用自来水洗去表面杂质，晒干，置于80℃烘箱内充分干燥。干燥的皇竹草用破碎机破碎，备用。称取20g原料，填充于密闭不锈钢厚壁容器中，放入程序控温马弗炉内，以10℃·min-1速度分别升温至500℃后恒温炭化4h，自然冷却至室温后取出。制得的生物炭研磨，过100目筛子，装入袋备用。生物炭用的HCl溶液(HCl与水的体积比为1:1)处理，真空抽滤，去除碳酸钙等灰分，用去离子水彻底洗去残留的酸后，于80℃烘箱干燥，即得生物炭。
实施例1
一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法，包括以下步骤：
(1)准确称取12.10g FeCl3·6H2O(0.045mol Fe)和36.40g MgCl2·6H2O(0.179mol Mg)，同时溶解于1L清水中，搅拌溶解后得到混合金属盐溶液(此时所得混合盐溶液金属阳离子摩尔浓度Mg:Fe＝4:1)；
(2)称取Na2CO3加入到1L猪场废水(从惠州某猪场得到)中，调节pH＝8～9，搅拌30min，得到猪场废水I；
(3)准确称取1.0g生物炭到步骤(2)中得到的1L猪场废水I中，使生物炭浓度为1g/L，在50r/min下搅拌20min，然后搅拌加入10mL步骤(1)中得到的混合金属盐溶液，使MgFe质量浓度[Mg2+]+[Fe3+]＝100mg/L，在150r/min条件下转5min，再50r/min条件下转30min，静置30min，得到猪场废水II；
(4)将步骤(3)静置后的猪场废水II的上清液排走，剩下的混凝污泥脱水、沥干。
(5)将步骤(2)所得猪场废水I和步骤(4)所得上清液分别测定TN(总氮)、NO3 —N(硝态氮)、NH4 +-N(铵态氮)、TP(总磷)、COD(化学需氧)、UV254，计算去除率，结果见表1。
表1猪场废水处理前后TN、NO3 —N、NH4 +-N、TP、COD、UV254的去除率
TN NO3 --N NH4 +-N TP COD UV254
11.99％ 2.84％ 3.67％ 99.84％ 93.05％ 98.56％
通过观察水质指标的去除率，在pH＝8～9，混凝对于猪场废水的TP、COD和UV254的去除率很高，都达到90％以上(TP从17.85mg/L下降到0.03mg/L，COD从365mg/L下降到25mg/L)，都达国家环保部对畜禽养殖废水排放标准(环办函[2014]335号)已实施二次征求意见中的COD(<150mg/L)、总磷(<5.0mg/L)等的标准。
实施例2
一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法，包括以下步骤：
(1)准确称取12.10g FeCl3·6H2O(0.045mol Fe)和18.20g MgCl2·6H2O(0.090mol Mg)，同时溶解于1L清水中，搅拌溶解后得到混合金属盐溶液(此时所得混合盐溶液金属阳离子摩尔浓度Mg:Fe＝2:1)；
(2)称取Na2CO3加入到1L猪场废水中(从惠州某猪场得到)，pH＝8～9，搅拌30min，得到猪场废水I；
(3)准确称取0.1g生物炭到步骤(2)中得到的1L猪场废水I中，使生物炭浓度为0.1g/L，在200r/min下搅拌10min，然后搅拌加入6mL步骤(1)中得到的混合金属盐溶液，使MgFe质量浓度[Mg2+]+[Fe3+]＝60mg/L，在200r/min条件下转2min，再100r/min条件下转20min，静置60min，得到猪场废水II；
(4)将步骤(3)静置后的猪场废水II的上清液排走，剩下的混凝污泥脱水、沥干，得到混凝污泥粉体。
对本实施例所得混凝污泥粉体进行X射线衍射检测，结果如图1所示。从图中可以看出，混凝污泥产生了类水滑石特征峰，同时有磷酸铁矿物特征峰出现，没有鸟粪石的生成，说明此法在混凝过程中可以高效除磷，并生成类水滑石。
实施例3
一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法，包括以下步骤：
(1)准确称取12.10g FeCl3·6H2O(0.045mol Fe)和27.30g MgCl2·6H2O(0.134mol/L Mg)，同时溶解于1L清水中，搅拌溶解后得到混合金属盐溶液(此时所得混合盐溶液金属阳离子摩尔浓度Mg:Fe＝3:1)；
(2)称取Na2CO3加入到1L猪场废水(从惠州某猪场得到)中，pH＝7～8，搅拌30min得到猪场废水I；
(3)准确称取0.5生物炭到步骤(2)中得到的1L猪场废水I中，使生物炭浓度为0.5g/L，在100r/min下搅拌15min，然后加入8mL步骤(1)中得到的混合金属盐溶液，使MgFe质量浓度[Mg2+]+[Fe3+]＝80mg/L，在100r/min条件下转3min，再75r/min条件下转25min，静置45min，得到猪场废水II；
(4)将步骤(3)静置后的猪场废水II的上清液排走，剩下的混凝污泥脱水、沥干。
所得混凝污泥干粉的元素组成见表2，混凝污泥可用做钾磷有机复合肥料：
表2混凝污泥干粉的元素组成
元素 C O N P Mg K Fe
wt％ 23.55 34.93 0.23 7.27 1.31 2.96 16.45
本实施案例混凝污泥干粉含C、P、K元素高，生物炭可作增加土壤有机质，达到改良土壤的效果，同时磷钾可用作复合肥，满足作物生长所需，一方面可以节省混凝污泥处理费用，一方面可以实现资源化利用，符合清洁生产与循环经济的理念。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种猪场废水深度处理与资源回收利用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将混合金属盐加水溶解，得到混凝剂溶液；
(2)调节猪场废水pH至碱性，得到猪场废水I；
(3)将生物炭加入步骤(2)中得到的猪场废水I中，搅拌，得到猪场废水II；
(4)将步骤(1)中得到的混凝剂溶液加入步骤(3)中得到的猪场废水II中，搅拌，静置，固液分离，其中，上层为处理后的猪场废水III，下层为混凝污泥。
2.根据权利要求1所述的猪场废水深度处理与资源回收利用方法，其特征在于：还包括将步骤(4)中得到的处理后的猪场废水III排出，然后将回收的混凝污泥脱水、沥干。
3.根据权利要求1所述的猪场废水深度处理与资源回收利用方法，其特征在于：步骤(1)中所述的混合金属盐为铁盐和镁盐；步骤(2)中所述的pH为7～9。
4.根据权利要求1所述的猪场废水深度处理与资源回收利用方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的混凝剂溶液为含有镁离子和铁离子的混合溶液，所述的镁离子和铁离子的摩尔比为2～4：1；
步骤(3)中所述猪场废水I中生物炭的浓度为0.1～1.0g/L；
步骤(4)中所述的加入的混凝剂溶液的质量浓度[Mg2+]+[Fe3+]＝60～100mg/L。
5.根据权利要求1所述的猪场废水深度处理与资源回收利用方法，其特征在于，步骤(3)中所述的生物炭通过如下方法制备得到:
(a)将皇竹草清洗、干燥，破碎，得到皇竹草原料；
(b)将皇竹草原料至于密闭容器，升温至500℃进行炭化，得到生物炭A；
(c)将生物炭A研磨，过筛，得到生物炭B；
(d)将生物炭B用HCl溶液处理，抽滤，水洗，干燥，即得生物炭。
6.根据权利要求5所述的猪场废水深度处理与资源回收利用方法，其特征在于：
步骤(a)中所述的干燥为先晒干，再置于80℃烘箱内充分干燥；
步骤(b)中所述的炭化时间为4h；
步骤(c)中所述的过筛为过100目筛子；
步骤(d)中所述的抽滤为真空条件下进行抽滤；
步骤(d)中所述的干燥为在80℃烘箱中进行干燥；
步骤(d)中所述的HCl溶液为HCl与水按体积比1:1配比得到的HCl溶液。
7.根据权利要求1所述的猪场废水深度处理与资源回收利用方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的混合金属盐为FeCl3和MgCl2；
步骤(2)中所述的调节猪场废水pH为加入碳酸钠进行碱度调节；
步骤(3)中所述的搅拌为在50～200r/min条件下搅拌10～20min；
步骤(4)中所述的搅拌为先在150～200r/min条件下搅拌2～5min，然后在50～100r/min条件下搅拌20～30min；
步骤(4)中所述的静置的时间为30～60min。
8.一种混凝污泥，其特征在于：通过权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。
9.权利要求8所述的混凝污泥在制备肥料中的应用。
10.根据权利要求9所述的混凝污泥在制备肥料中的应用，其特征在于：所述的肥料为磷肥或钾磷有机复合肥料。
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