CN109160571A - 一种将尿液废水资源化处置的方法 - Google Patents

一种将尿液废水资源化处置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种将尿液废水资源化处置的方法，主要包括生物炭制备材料的选择、制备材料的处理、生物炭的制备、生物炭与过氧化钙的联用。采用该方法对尿液废水进行资源化处理，一方面生物炭本身具有较好的吸附性能，能够有效的吸附废水中含有的一些污染物质，如磺胺类药物等，再通过过滤等手段将其去除，而处理后的尿液废水可以作为一种液体肥料进行使用；另一方面，过氧化钙的添加可以有效的回收尿液废水中的磷资源，钙离子能够与尿液废水中的磷发生反应，生成生成磷酸钙(Ca3(PO4)2)，此外，生物炭多是由废弃的生物质制备而成，其制备利用过程本身就属于资源循环利用的范畴，因此该技术对于尿液废水的处理以及资源回收利用都产生了极佳的效果。

Description

一种将尿液废水资源化处置的方法
技术领域
本发明涉及尿液废水中的磷资源与污染物质，具体涉及一种将尿液废水资源化处置的方法。
背景技术
当代社会，随着经济的不断进步，工业、农业生产的不断进步，各种环境问题油然而生，尤其是随着人口的不断增长，对于粮食的需要越来越大，而更大的粮食需求促使农业生产中化肥的使用量逐渐增加，其中的磷肥主要来自于磷矿物的开采冶炼，而使用过后的磷资源，大部分会经过元素循环，最终以沉积物的形式储存于海底，从而使磷资源成为一种不可再生的资源。现阶段，磷需求预计将进一步增长，全球磷产量峰值预计将在2030年左右出现，磷不仅是保障粮食生产以满足日益增长的世界人口的必不可少的资源；同时生物燃料生产的产量不断增加，给全球的磷储备带来了额外的负担。
由于尿液中富含各种营养元素，使其在资源恢复领域引起了越来越多的关注。虽然尿液的总体积仅占城市污水总量的4％左右，但它却提供了城市污水中接近80％的氮和超过50％的磷，由于城市污水处理后会排入到天然水体中，甚至部分污废水未经处理就会直接排放，因此污废水中较高的氮磷浓度会对水体产生极大的影响，最直接的影响就是水体的富营养化，导致水体恶化，水生动物死亡，污染水域。因此对城市污水中的尿液进行提前处理，将其中所含的营养元素分离收集，对于资源回收以及减轻天然水体的负荷具有重要的作用。
生物炭是一种多孔性的富碳材料，主要是由废弃的生物质在缺氧的条件下，经高温热解产生，是一种廉价的吸附性材料。同时，由于生物炭是由生物质在高温下产生的，所以其中富含大量未降解的营养元素，如氮、磷等，因此，生成的生物炭本身就是一种富含营养的生物肥料。过氧化钙是一种白色或淡黄色的粉末，难溶于水，其对磷元素的回收作用，主要是通过形成磷酸钙(Ca3(PO4)2)沉淀来实现的，将生物炭与过氧化钙结合起来，一方面能够有效的吸附去除尿液废水中的污染物质，使处理过后的尿液废水可以作为一种液体肥料而使用，另一方面磷酸钙沉淀的回收，也为磷资源的循环产生了一定的作用，对资源回收、废弃物质循环利用产生了积极的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将尿液废水资源化处置的方法。
本发明为解决现有技术中提出的技术问题提出的第一个技术方案是：一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)对制备生物炭所需的生物质材料进行筛选；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将生物质材料用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20～40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入20～100mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为5～20℃/每分钟，烧制温度为350～700℃，恒温时间为1～5小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在50～100℃条件下烘干；
3)根据污染物浓度，添加制备好的生物炭和过氧化钙；
其中1umol污染物所需的生物炭添加量为0.1～10g，过氧化钙的摩尔添加量为初始磷摩尔浓度的1～2倍。
所述生物质材料包括玉米秸秆、小麦秸秆、小麦壳、花生壳、木屑、竹粉。
本发明处理过后的尿液废水中，污染物的浓度发生大幅度的下降，尿液废水可以作为一种液体肥料来进行利用，同时实现磷资源回收。
有益效果：
在环保领域，生物炭是一种应用广泛而廉价的吸附材料，而过氧化钙能够与磷作用，生成磷酸钙(Ca3(PO4)2)，是一种去除水中磷元素的有效方法。同时生成的产物也是一种很好的肥料，由于生成了磷酸钙(Ca3(PO4)2)沉淀，可以通过一定的技术手段对其进行回收，作为一种肥料，施加入土壤中，增加土壤肥力，改善土壤状况。同时，磷是一种不可更新资源，回收过程实现了其在自然界中的循环，有效的延长了磷资源的可供期，具体:
1、本发明所添加的过氧化钙，能够与磷反应生成磷酸钙(Ca3(PO4)2)。
2、本发明所制得的生物炭能够吸附去除尿液废水中所含有的污染物质。
附图说明
图1是本发明所制得生物炭对尿液废水中磺胺类药物的吸附去除结果；
图2是本发明对尿液废水中磷的去除率。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
实施例1
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选玉米秸秆作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将玉米秸秆用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入20mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为5℃/每分钟，烧制温度为350℃，恒温时间为1小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在50℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为1g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1.2倍；
实施例2
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选玉米秸秆作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将玉米秸秆用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入20mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为500℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为1g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1倍；
实施例3
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选玉米秸秆作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将玉米秸秆用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入20mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为700℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为1g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的2倍；
实施例4
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选小麦秸秆作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将小麦秸秆用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入20mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为500℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为0.1g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1倍；
实施例5
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选小麦秸秆作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将小麦秸秆用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入20mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为700℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为0.1g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1.5倍；
实施例6
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选小麦秸秆作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将小麦秸秆用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为350℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为0.1g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的2倍；
实施例7
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选小麦壳作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将小麦壳用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为350℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为2g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1倍；
实施例8
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选小麦壳作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将小麦壳用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为500℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为2g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1.2倍；
实施例9
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选小麦壳作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将小麦壳用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为700℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在100℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为2g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1.5倍；
实施例10
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选花生壳作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将花生壳用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为350℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为2g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的2倍；
实施例11
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选花生壳作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将花生壳用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为500℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在80℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为5g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1倍；
实施例12
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选花生壳作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将花生壳用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为700℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在100℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为5g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1.2倍；
实施例13
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选木屑作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将木屑用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为350℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在100℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为5g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1.5倍；
实施例14
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选木屑作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将木屑用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为500℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在100℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为5g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的2倍；
实施例15
一种将尿液废水资源化处置的方法，包括以下步骤：
1)筛选木屑作为生物炭的制备材料；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将木屑用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入50mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为10℃/每分钟，烧制温度为700℃，恒温时间为2小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在100℃条件下烘干；
3)加入生物炭和过氧化钙，其中生物炭的浓度为10g/L，过氧化钙的摩尔浓度为磷初始摩尔浓度的1倍；
对比使用：
本发明使用实验室常用药品配置合成尿液进行模拟实验，其中磷源主要来自于磷酸氢二钠(NaH2PO4)，浓度设置为0.0136mol/L，配置浓度为0.1M磺胺类药物使用液。称取0.01g本发明制备的生物炭(700℃条件制备的木屑生物炭和花生壳生物炭)和0.0142g过氧化钙，置于10mL的螺口玻璃瓶中，加入0.1mL的磺胺类药物使用液和9.9mL的合成尿液，封紧瓶口，置于恒温摇床中，摇床温度设置为25℃，转速为200转/每分钟，反应时间为24小时，反应时间结束后，使用钼锑抗分光光度法测定剩余的磷浓度，使用分光光度法测定磺胺类药物的剩余浓度，结合初始浓度，计算磷以及磺胺类药物的去除率。
从图1中可以看出，木屑生物炭对磺胺类药物的去除率达到了83.83％，而花生壳生物炭对磺胺类的去除率也达到了61.1％，说明很大一部分的药物污染物已经被去除，去除率主要是由生物炭的吸附作用所实现，除此之外，生物炭对过氧化钙的激活作用，会生成一定量的羟基自由基，能够将尿液废水中的磺胺类药物降解。
从图2中可以看出，本发明在磷去除上具有较好的效果，对于木屑所制得的生物炭在磷去除上达到了68.19％的去除效果，而对于花生壳所制得的生物炭，超过68.08％的磷被去除掉，说明两种生物炭在磷的去除上具有极佳效果，能够有效的将尿液废水中的磷资源转化为磷酸钙沉淀，从而加以回收利用。
而经过处理过后的尿液废水中，污染物浓度下降，并含有一定量的氮磷元素，可以进行进一步的处理，如再次加入生物炭对剩余的污染物物质进行处理，从而使浓度进一步下降，以便于将尿液废水作为一种液体肥料而加以回收利用。
通过以上对比，能够看出，本发明所涉及的处理技术，对于尿液中磷的回收以及药物污染物的去除具有极好的效果，能够减轻城市污水中的营养负荷，而且经过处理过后的尿液废水中，污染物的浓度发生大幅度下降，尿液废水可以作为一种液体肥料，施加入土壤中，为作物的生长提供营养元素，达到环境保护和资源回收利用的双重作用。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种将尿液废水资源化处置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对制备生物炭所需的生物质材料进行筛选；
2)对筛选过后的生物质材料进行处理；
a)将生物质材料用超纯水清洗干净后，置于烘箱内烘干；
b)将烘干的生物质材料，用粉碎机粉碎，过20～40目的网筛；
c)将粉碎后的粉末装入20～100mL的坩埚中；
d)将坩埚置于马弗炉内，设置好相关参数；
其中，升温速度为5～20℃/每分钟，烧制温度为350～700℃，恒温时间为1～5小时；
e)用超纯水清洗烧制好的生物炭，至清洗液在254nm波长的测定下，吸光度小于0.005；
f)将清洗好的生物炭置于烘箱内，在50～100℃条件下烘干；
3)根据污染物浓度，添加制备好的生物炭和过氧化钙；
其中1umol污染物所需的生物炭添加量为0.1～10g，过氧化钙的摩尔添加量为初始磷摩尔浓度的1～2倍。
2.根据权利要求1所述的一种将尿液废水资源化处置的方法，其特征在于，所述生物质材料包括玉米秸秆、小麦秸秆、小麦壳、花生壳、木屑、竹粉。
3.根据权利要求1所述的一种将尿液废水资源化处置的方法，其特征在于，处理过后的尿液废水中，污染物的浓度发生大幅度的下降，尿液废水可以作为一种液体肥料来进行利用，同时实现磷资源回收。
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