CN109850992B - 防治设施农业土壤次生盐碱化的水肥盐分离子输入一体化调控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理领域，提供一种防治设施农业土壤次生盐碱化的水肥盐分离子输入一体化调控方法及其装置。采用磷酸二氢根和硝酸根混合型阴离子交换树脂去除灌溉水中的硫酸根，离子交换失效的离子交换树脂用磷酸二氢钾和硝酸钾混合盐水再生并免清洗再次用于离子交换，产生的离子交换树脂再生废盐水采用两步沉淀法削减其中的硫酸根浓度后循环用于离子交换树脂的再生，实现水肥盐分离子输入一体化调控，提高硫酸根含量较高的灌溉用水的设施农业应用价值，防治设施农业土壤次生盐碱化。

Description

防治设施农业土壤次生盐碱化的水肥盐分离子输入一体化调 控方法及装置

技术领域

本发明属于水处理领域，提供一种防治设施农业土壤次生盐碱化的水肥盐分离子输入一体化调控方法及其装置。

背景技术

设施农业土壤施肥量和灌溉水量高，一般种植3-5年后就面临着次生盐化的问题。其中，施用过量氮肥容易导致硝酸盐过量累积，使用硫酸盐型的钾肥和含硫较高的磷肥容易导致硫酸盐过量累积。设施农业土壤碳酸盐含量丰富的情况下，也容易发生土壤次生盐碱化。设施农业土壤次生盐碱化不但降低设施作物的生境质量，影响设施作物产量与品质，也降低作物对土壤氮磷等养分的利用效率，加剧氮磷面源污染。

设施土壤盐分含量超过0.2％，一般就可以对苗期植物产生不同程度的盐害作用；设施土壤盐分离子比例不佳则产生拮抗作用，影响植物生长和对养分的利用；土壤pH偏碱(比如>8.0)降低铁等微量元素的有效性，影响很多设施作物根系的生长发育。因此，在设施土壤盐分累积调控过程中，既要关注盐分总量的调控，又要关注盐分离子组成以及pH的调控。一般情况下多控制那些对作物生长不利或需求量不大的无机盐分离子，比如钠离子和硫酸根；当植物生长必须的盐分离子(比如硝酸根)过量累积时也需要适度削减。

土壤还原处理可以削减设施土壤硝酸盐的过量累积和缓解土壤酸化，但处理过程中产生碱度，不大适用于有盐碱化趋势的土壤。除了减施肥料，削减灌溉引起的盐分输入也可以缓解设施土壤的盐分累积。反渗透膜与纳滤膜可以用于水的脱盐处理，但对进水水质要求高，得水率偏低，伴生的浓水需要适当处理，在水资源缺乏的地区很难大规模应用。离子交换对进水水质要求相对较低，可以用于地下水来源的灌溉用水的特定盐分离子的削减处理。不过，一般离子交换脱盐处理的离子交换树脂再生和清洗环节均产生废水，降低得水率，也增加后续处理的难处。中国专利ZL201310544877.2的“一种离子交换法转移并资源化回收并利用水中硝态氮的方法及装置”中离子交换脱盐工艺，用于设施农业灌溉用水处理时树脂再生和清洗环节均产生废水，虽然这种废水可以作为大田的液体肥料，但存在大田非生产季节废水储存问题，降低其实用性。

盐碱化设施土壤的pH调控比较麻烦，直接加入酸性物质缓解土壤碱化的同时，则加剧土壤盐化。降低土壤中的单价阳离子的含量，特别是钠离子的含量，可以有效治理土壤碱化问题，但目前还缺乏有效的技术手段选择性去除钠离子的同时可以有效保留土壤养分离子。

发明内容

本发明提供一种防治设施农业土壤次生盐碱化的水肥盐分离子输入一体化调控方法及其装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种防治设施农业土壤次生盐碱化的水肥盐分离子输入一体化调控的方法，其特征在于：去除灌溉水中硫酸根失效后的阴离子交换树脂经磷酸二氢钾和硝酸钾混合盐水进行再生处理，再生处理后阴离子交换树脂再次用于灌溉水的离子交换去除硫酸根，产生的再生废盐水采用两步沉淀法降低其硫酸根浓度后循环用于离子交换树脂的再生，进而实现设施农业水肥盐分离子输入的一体化调控。

用磷酸二氢根和硝酸根混合型阴离子交换树脂交换去除灌溉用水中的硫酸根；待经离子交换所得出水中的硫酸根浓度超过进水浓度20％-60％时，用含磷酸二氢钾和硝酸钾的摩尔比为1：2-10的盐水对离子交换树脂进行再生处理；直至离子交换树脂再生废盐水中硫酸根的浓度<40mmol/L时，阴离子交换树脂再次用于灌溉水的离子交换；

所述两步沉淀法，首先向离子交换树脂再生废盐水中加入硝酸钙，直至废水中硫酸根残余浓度<30mmol/L，然后加入草酸钾和磷酸二氢钾的摩尔比为1：5-20的混合溶液，使废水中添加硝酸钙用于削减硫酸根浓度而引入的钙离子残余浓度至<5.0mmol/L，实现离子交换再生废盐水的再生处理，而后循环用于离子交换树脂的再生。

一种调控方法的装置，包括离子交换再生模块及离子交换树脂再生废盐水再生性处理模块，其中离子交换再生模块包括离子交换进水池1、离子交换出水池2、离子交换树脂床3、树脂再生进水罐4及树脂再生出水罐5，该离子交换树脂床3的进液口通过带有阀门的管路分别与离子交换进水池1及树脂再生进水罐4的一个出液口连接，所述离子交换树脂床3的出液口通过带有阀门的管路分别与离子交换出水池2及树脂再生出水罐5的一个进液口连接；所述离子交换树脂再生废盐水再生性处理模块包括树脂再生进水罐4、树脂再生出水罐5、硝酸钙溶液罐6、草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液罐7、硫酸钙沉淀收集池8及草酸钙沉淀收集池9，该硝酸钙溶液罐6通过带有阀门的管路与所述树脂再生出水罐5的另一个进液口连接，该树脂再生出水罐5的一个出液口通过带有阀门的管路与所述硫酸钙沉淀收集池8连接，树脂再生出水罐5的另一个出液口通过带有阀门的管路与所述树脂再生进水罐4的一个进液口连接，所述草酸钾草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液罐7通过带有阀门的管路与树脂再生进水罐4的另一个进液口连接，该树脂再生进水罐4的另一个出液口通过带有阀门的管路与所述草酸钙沉淀收集池9连接。

与所述离子交换进水池1连接的管路及与所述树脂再生进水罐4一个出液口连接的管路汇合后再与离子交换树脂床3的进液口连接，该离子交换进水池1与汇合处之间的管路上以及所述树脂再生进水罐4一个出液口与汇合处之间的管路上均设有阀门。

与所述离子交换出水池2连接的管路及与所述树脂再生出水罐5一个进液口连接的管路汇合后再与离子交换树脂床3的出液口连接，该离子交换出水池2与汇合处之间的管路上以及所述树脂再生出水罐5一个进液口与汇合处之间的管路上均设有阀门。

本发明的优点为：

本发明用氮磷钾肥料型再生盐水处理离子交换树脂后，树脂不用清洗，可以直接用于处理原水，离子交换树脂再生废盐水处理后可以循环利用，无需外排，大大降低了应用离子交换技术削减农业灌溉用水盐度的难度，大大提高了离子交换技术处理灌溉用水的得水率。经过离子交换处理后，灌溉水中的硫酸根被替换为磷酸二氢根和硝酸根，加上在树脂免清洗阶段引入的钾离子，可以在水和氮磷钾肥一体化的基础上，减少灌溉水中硫酸根的输入，增加灌溉水的酸度，利于防治设施农业土壤次生盐碱化。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

其中：1为离子交换进水池，2为离子交换出水池，3为离子交换树脂床，4为树脂再生进水罐，5为树脂再生出水罐，6为硝酸钙溶液罐，7为草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液罐，8为硫酸钙沉淀收集池，9为草酸钙沉淀收集池，10为阀门A，11为阀门B，12为阀门C，13为阀门D，14为阀门E，15为阀门F，16为阀门G，17为阀门H，18为阀门I。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明采用磷酸二氢根和硝酸根混合型阴离子交换树脂去除灌溉水中的硫酸根，离子交换失效的离子交换树脂用磷酸二氢钾和硝酸钾混合盐水再生并免清洗再次用于离子交换，产生的离子交换树脂再生废盐水采用两步沉淀法削减其中的硫酸根浓度后循环用于离子交换树脂的再生，实现水肥盐分离子输入一体化调控，提高硫酸根含量较高的灌溉用水的设施农业应用价值，防治设施农业土壤次生盐碱化。

实施例1

如图1所示，装置包括离子交换再生模块及离子交换树脂再生废盐水再生性处理模块，其中离子交换再生模块包括离子交换进水池1、离子交换出水池2、离子交换树脂床3、树脂再生进水罐4及树脂再生出水罐5，该离子交换树脂床3为同时进行磷酸二氢根型离子交换的树脂床，离子交换树脂床3的进液口通过带有阀门的管路分别与离子交换进水池1及树脂再生进水罐4的一个出液口连接，离子交换树脂床3的出液口通过带有阀门的管路分别与离子交换出水池2及树脂再生出水罐5的一个进液口连接；即，与离子交换进水池1连接的管路及与树脂再生进水罐4一个出液口连接的管路汇合后再与离子交换树脂床3的进液口连接，该离子交换进水池1与汇合处之间的管路上设有阀门A10，树脂再生进水罐4一个出液口与汇合处之间的管路上设有阀门B11；与离子交换出水池2连接的管路及与树脂再生出水罐5一个进液口连接的管路汇合后再与离子交换树脂床3的出液口连接，该离子交换出水池2与汇合处之间的管路上设有阀门C12，树脂再生出水罐5一个进液口与汇合处之间的管路上设有阀门D13。离子交换树脂再生废盐水再生性处理模块包括树脂再生进水罐4、树脂再生出水罐5、硝酸钙溶液罐6、草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液罐7、硫酸钙沉淀收集池8及草酸钙沉淀收集池9，该硝酸钙溶液罐6通过带有阀门G16的管路与树脂再生出水罐5的另一个进液口连接，该树脂再生出水罐5的一个出液口通过带有阀门E14的管路与硫酸钙沉淀收集池8连接，树脂再生出水罐5的另一个出液口通过带有阀门I18的管路与树脂再生进水罐4的一个进液口连接，草酸钾溶液罐7通过带有阀门H17的管路与树脂再生进水罐4的另一个进液口连接，该树脂再生进水罐4的另一个出液口通过带有阀门F15的管路与草酸钙沉淀收集池9连接。

装置的工作原理为：

离子交换再生模块：同时打开与离子交换进水池1连接管路上的阀门A10和与离子交换出水池2连接管路上的阀门C12，进行离子交换；离子交换出水中的硫酸根浓度超过其进水浓度的20％～60％后，同时关闭阀门A10及阀门C12，然后同时打开与树脂再生进水罐4一个出液口连接管路上的阀门B11和与树脂再生出水罐5一个进液口连接管路上的阀门D13，进行树脂再生，当离子交换树脂再生废盐水中的硫酸根离子浓度<30mmol/L时，完成树脂再生，不清洗再次用于离子交换，如此循环进行离子交换与再生。

离子交换树脂再生废盐水再生性处理模块：

A.硫酸根沉淀去除与转移：打开硝酸钙溶液罐6通向树脂再生出水罐5另一个进液口管路上的阀门G16，沉淀去除硫酸根至其残余浓度<30mmol/L时停止加入硝酸钙溶液；树脂再生出水罐5内的底部富集设定量的硫酸钙沉淀后，打开树脂再生出水罐5底部一个出液口通向硫酸钙沉淀收集池8管路上的阀门E14以转移硫酸钙沉淀，然后关闭阀门E14；

B.钙离子沉淀去除与转移：打开树脂再生出水罐5另一个出液口通向树脂再生进水罐4管路上的阀门I18，转移树脂再生出水罐5的上清液；打开草酸钾溶液罐7通向树脂再生进水罐4另一个进液口管路上的阀门H17，沉淀去除钙离子至其残余浓度<5mmol/L时停止加入草酸钾溶液；树脂再生进水罐4内的底部富集设定量的草酸钙沉淀后，打开树脂再生出进水罐4底部另一个出液口通向草酸钙沉淀收集池9管路上的阀门F15以转移草酸钙沉淀，然后关闭阀门F15。

实施例2

利用上述实施例记载的装置进行一体化调控，具体为：

运行离子交换再生模块

a.离子交换树脂处理原水：离子交换再生床(3)高100cm，内填再生好的717型阴离子交换树脂。原水硝酸盐浓度为1.1mmol/L，硫酸盐浓度为3.0mmol/L，氯离子浓度为0.5mmol/L。开启连通离子交换进水池(1)和离子交换出水池(3)的阀门，15-25℃条件下，以14BV/h的流速处理原水。运行至16小时，出水中的硫酸根浓度超过1.0mmol/L，关闭上述两个阀门，进入树脂再生阶段。

b.离子交换树脂再生：树脂再生所用的再生盐水含有0.10mol/L的磷酸二氢钾和0.50mol/L的硝酸钾。首先开启连通树脂再生进水罐(4)和树脂再生出水罐(5)的阀门，以流速为4BV/h进行树脂再生。1.1小时后，树脂再生出水罐(5)的硫酸根浓度<40mmol/L，关闭连通树脂再生出水罐(5)的阀门，完成离子交换树脂的再生。然后树脂不用清洗，直接再次进入离子交换处理原水阶段。

运行离子交换树脂再生废盐水的再生性处理模块

a.硫酸根沉淀去除与转移：打开硝酸钙溶液罐(6),使其中的4.0mol/L的硝酸钙溶液流向树脂再生出水罐(5)的阀门，沉淀去除硫酸根至其残余浓度<30mmol/L时停止加入硝酸钙溶液；树脂再生出水罐(5)底部富集硫酸钙沉淀后，打开树脂再生出水罐(5)底部流向硫酸钙沉淀收集池(8)的阀门以转移硫酸钙沉淀，然后关闭该阀门；

b.钙离子沉淀去除与转移：打开树脂再生出水罐(5)流向树脂再生进水罐(4)的阀门，转移树脂再生出水罐(5)的上清液；打开草酸钾+磷酸二氢钾混合溶液罐(7)，使其中的0.10mol/L的草酸钾和1.0mol/L的磷酸二氢钾混合溶液流向树脂再生进水罐(4)的阀门，沉淀去除钙离子至其残余浓度<5mmol/L时停止加入草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液；树脂再生进水罐(4)底部富集一定量的草酸钙沉淀后，打开树脂再生出水罐(5)底部流向草酸钙沉淀收集池(9)的阀门以转移草酸钙沉淀，然后关门该阀门。

实施例3

利用上述实施例记载的装置进行一体化调控，具体为：

运行离子交换再生模块

a.离子交换树脂处理原水：离子交换再生床(3)高100cm，内填再生好的717型阴离子交换树脂。原水硝酸盐浓度为0.8mmol/L，硫酸盐浓度为3.2mmol/L，氯离子浓度为0.5mmol/L。开启连通离子交换进水池(1)和离子交换出水池(3)的阀门，15-25℃条件下，以14BV/h的流速处理原水。运行至15小时，出水中的硫酸根浓度超过1.0mmol/L，关闭上述两个阀门，进入树脂再生阶段。

b.离子交换树脂再生：树脂再生所用的再生盐水含有0.10mol/L的磷酸二氢钾和0.40mol/L的硝酸钾。首先开启连通树脂再生进水罐(4)和树脂再生出水罐(5)的阀门，以流速为4BV/h进行树脂再生。1.0小时后，树脂再生出水罐(5)的硫酸根浓度<40mmol/L，关闭连通树脂再生出水罐(5)的阀门，完成离子交换树脂的再生。然后树脂不用清洗，直接再次进入离子交换处理原水阶段。

运行离子交换树脂再生废盐水的再生性处理模块

a.硫酸根沉淀去除与转移：打开硝酸钙溶液罐(6),使其中的4.0mol/L的硝酸钙溶液流向树脂再生出水罐(5)的阀门，沉淀去除硫酸根至其残余浓度<30mmol/L时停止加入硝酸钙溶液；树脂再生出水罐(5)底部富集硫酸钙沉淀后，打开树脂再生出水罐(5)底部流向硫酸钙沉淀收集池(8)的阀门以转移硫酸钙沉淀，然后关闭该阀门；

b.钙离子沉淀去除与转移：打开树脂再生出水罐(5)流向树脂再生进水罐(4)的阀门，转移树脂再生出水罐(5)的上清液；打开草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液罐(7)，使其中的0.15mol/L的草酸钾和1.0mol/L的磷酸二氢钾混合溶液流向树脂再生进水罐(4)的阀门，沉淀去除钙离子至其残余浓度<5mmol/L时停止加入草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液；树脂再生进水罐(4)底部富集一定量的草酸钙沉淀后，打开树脂再生出水罐(5)底部流向草酸钙沉淀收集池(9)的阀门以转移草酸钙沉淀，然后关门该阀门。

以上所述实施例，为本发明专利较佳应用案例，但并非对本发明产生任何形式上的限制。在实际应用过程中，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例。

Claims (2)

1.一种防治设施农业土壤次生盐碱化的水肥盐分离子输入一体化调控的方法，其特征在于：去除灌溉水中硫酸根失效后的阴离子交换树脂经磷酸二氢钾和硝酸钾混合盐水进行再生处理，再生处理后阴离子交换树脂再次用于灌溉水的离子交换去除硫酸根，产生的再生废盐水采用两步沉淀法降低其硫酸根浓度后循环用于离子交换树脂的再生，进而实现设施农业水肥盐分离子输入的一体化调控；

用磷酸二氢根和硝酸根混合型阴离子交换树脂交换去除灌溉用水中的硫酸根；待经离子交换所得出水中的硫酸根浓度超过进水浓度20%-60%时，用磷酸二氢钾和硝酸钾的摩尔比为1：2-10的混合盐水对离子交换树脂进行再生处理；直至离子交换树脂再生废盐水中硫酸根的浓度<40 mmol/L时，阴离子交换树脂再次用于灌溉水的离子交换；

所述两步沉淀法，首先向离子交换树脂再生废盐水中加入硝酸钙，直至废水中硫酸根残余浓度<30 mmol/L，然后加入草酸钾和磷酸二氢钾的摩尔比为1：5-20的混合溶液，使废水中添加硝酸钙用于削减硫酸根浓度而引入的钙离子残余浓度至<5.0 mmol/L，实现离子交换再生废盐水的再生处理，而后循环用于离子交换树脂的再生。

2.一种权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括离子交换再生模块及离子交换树脂再生废盐水再生性处理模块，其中离子交换再生模块包括离子交换进水池（1）、离子交换出水池（2）、离子交换树脂床（3）、树脂再生进水罐（4）及树脂再生出水罐（5），该离子交换树脂床（3）的进液口通过带有阀门的管路分别与离子交换进水池（1）及树脂再生进水罐（4）的一个出液口连接，所述离子交换树脂床（3）的出液口通过带有阀门的管路分别与离子交换出水池（2）及树脂再生出水罐（5）的一个进液口连接；所述离子交换树脂再生废盐水再生性处理模块包括树脂再生进水罐（4）、树脂再生出水罐（5）、硝酸钙溶液罐（6）、草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液罐（7）、硫酸钙沉淀收集池（8）及草酸钙沉淀收集池（9），该硝酸钙溶液罐（6）通过带有阀门的管路与所述树脂再生出水罐（5）的另一个进液口连接，该树脂再生出水罐（5）的一个出液口通过带有阀门的管路与所述硫酸钙沉淀收集池（8）连接，树脂再生出水罐（5）的另一个出液口通过带有阀门的管路与所述树脂再生进水罐（4）的一个进液口连接，所述草酸钾和磷酸二氢钾混合溶液罐（7）通过带有阀门的管路与树脂再生进水罐（4）的另一个进液口连接，该树脂再生进水罐（4）的另一个出液口通过带有阀门的管路与所述草酸钙沉淀收集池（9）连接；

与所述离子交换进水池（1）连接的管路及与所述树脂再生进水罐（4）一个出液口连接的管路汇合后再与离子交换树脂床（3）的进液口连接，该离子交换进水池（1）与汇合处之间的管路上以及所述树脂再生进水罐（4）一个出液口与汇合处之间的管路上均设有阀门；

与所述离子交换出水池（2）连接的管路及与所述树脂再生出水罐（5）一个进液口连接的管路汇合后再与离子交换树脂床（3）的出液口连接，该离子交换出水池（2）与汇合处之间的管路上以及所述树脂再生出水罐（5）一个进液口与汇合处之间的管路上均设有阀门。