CN113023817A - 一种用于尿液原位资源回收的反应器、系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于尿液原位资源回收的反应器、系统及方法，属于尿液回收技术领域。反应器包括反应器主体，反应器主体上下两端分别是进水端或出水端，进水端接入尿液，出水端排出回收氮磷钾后的残余尿液；反应器主体内填充吸附氮磷钾资源的填料，填料与反应器主体可拆分；反应器主体与进水端和出水端之间设置带管压板，反应器主体与带管压板利用法兰连接，反应器主体与带管压板中间设置滤板。系统包括依次用管道连接的尿液收集洁具、过滤装置和反应器，通过控制阀门开闭实现反应器通水或排空，以便利用填料回收氮磷或者回收填料。本发明结构简单、无动力、可拆分，从源头高效回收尿液中的大部分氮磷和部分钾，实现资源有效利用并减轻城市污水处理负荷。

Description

一种用于尿液原位资源回收的反应器、系统及方法

技术领域

本发明属于尿液回收技术领域，涉及一种用于尿液原位资源回收的反应器、系统及方法。

背景技术

市政污水中80％的N、50％的P和55％的K来源于尿液。污水与尿液混合收集显著增加污水处理厂处理负荷。迄今为止，从废水中去除氮磷已经耗费颇多，但仍造成了不平衡的水-能源-营养关系。尿液中N、P、K等元素含量高，尿液可看作是氮磷钾的浓缩液，若未经有效处理将是造成水体富营养化的主要污染源。水体发生富营养化，水的透明度下降，水生生物如鱼虾等大批量死亡，极大地破坏水环境生态平衡，加速了水体沼泽化和陆地化进程；水体中存在的亚硝酸盐易与仲胺类物质结合产生亚硝胺类物质，亚硝胺类物质具有致癌性，严重威胁人类的身体健康；城市供水的进水来源是江河湖泊，进水中挟带的藻类和微生物极易引起水处理设施的阻塞，进而干扰自来水厂的健康运转。尿液源分离概念近年来逐渐得到关注，相比于从市政污水中回收氮磷钾资源，从源分离尿液中的回收率更高，且降低水体富营养化的风险。从源分离尿液中回收氮磷钾资源比从市政污水中进行资源回收的回收率高，且降低水体富营养化的风险。因此需要在源头将尿液单独收集、输送、处置、利用，不再将其与其他污水混合。迫切需要一种能够原位回收尿液中的氮磷钾的反应器、系统及方法，简单高效地回收氮磷钾资源，降低水体富营养化。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于尿液原位资源回收的反应器，该反应器具有无动力、可拆分的特点。本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种用于尿液原位资源回收的反应器，其特征在于，包括反应器主体，反应器主体上下两端分别是进水端或出水端，进水端接入尿液，出水端排出回收氮磷钾后的残余尿液；反应器主体内填充具有吸附氮磷钾资源能力的填料，填料与反应器主体可拆分；反应器主体与进水端和出水端之间设置带管压板，反应器主体与带管压板利用法兰连接，并且在反应器主体与带管压板中间设置滤板。

反应器主体与进水端和出水端可拆分的设计，可以适应流量变化，根据尿液流量确定反应器个数并加以组合；氮磷钾吸收填料与反应器主体可拆分的设计，可以适应尿液中氮磷钾浓度变化，根据浓度变化对反应器主体内部的氮磷钾吸收材料加以调整。

在一些具体实施方案中，所述滤板为直径0.2～0.4mm的纤维网。

在一些具体实施方案中，所述填料为生物炭和氧化镁负载生物炭，且生物炭填充在前、氧化镁负载生物炭填充在后，生物炭和氧化镁负载生物炭填充量根据尿液性质、生物炭性质和反应器更换周期确定，通过调整生物炭和氧化镁负载生物炭的配比适应尿液的氮磷钾浓度变化。发明人经过大量探索，得出生物炭和氧化镁负载生物炭填充量的计算公式如下：

式中，B为生物炭填充量，单位为kg；α为反应器更换周期时间，单位为d；R为每天的尿液收集洁具使用人次，单位为1/d；β为生物炭对氨氮的吸附容量，单位为mg/g，无实际测量值时取4mg/g；

式中，M为氧化镁负载生物炭填充量，单位为kg；α为反应器更换周期时间，单位为d；R为每天的尿液收集洁具使用人次，单位为人次/d；γ为氧化镁负载生物炭中镁元素含量，单位为％。

按照上述经验公式计算生物炭和氧化镁负载生物炭填充量，可以充分发挥生物炭和氧化镁负载生物炭吸附能力，同时充分吸附尿液中的氮磷钾资源。

反应器在运行过程中有三种工作状态：通水原位回收尿液中的氮磷钾、排空反应器中的尿液以便更换富集氮磷钾吸附的填料、特殊情况下通过溢流的方式将尿液不经过反应器直接排出。本发明的另一目的是提供一种用于尿液原位资源回收的系统，通过这一系统实现反应器的三种状态。本发明的这一目的通过以下技术方案实现。

一种用于尿液原位资源回收的系统，其特征在于，包括依次用管道连接的尿液收集洁具、过滤装置和反应器，在尿液收集洁具和过滤装置之间设有溢流阀门和溢流管道，在过滤入口和出口分别设有过滤入口阀门、过滤出口阀门，反应器至少有两个，进行串联组合，相邻反应器底部依次使用带阀门的管道连接、顶部间隔使用带阀门的管道连接，最首端反应器出水端和最末端反应器进水端设有首末反应器控制阀门，中间反应器顶部之间设有顶部控制阀门、底部之间设有底部控制阀门，最末端反应器须为尿液流动上升段，且其顶部设有出口阀门、底部设有排水阀门。

一种用于尿液原位资源回收的系统，其特征在于，尿液收集洁具为小便器、粪尿分离式坐便器或粪尿分离式蹲便器。

在一些具体实施方案中，所述过滤装置设有三种孔径的筛板，从进水到出水按照孔径从大到小排列，筛板孔径分别为4～6mm、0.8～1.2mm、0.4～0.6mm。

本发明的另一目的是提供一种用于尿液原位资源回收的方法，利用本发明提供的系统原位回收尿液中的氮磷钾，其特征在于，包括以下工作状态：

(1)通水原位回收尿液中的氮磷钾资源：关闭溢流阀门；开启过滤入口阀门、过滤出口阀门、首末反应器控制阀门、顶部控制阀门和出口阀门，关闭底部控制阀门和排水阀门；初始通过进水端注入腐熟的尿液，待反应器注满腐熟的尿液后，浸没填料实现填料表面生物膜挂膜；之后排放的尿液可以正常排入过滤装置并依次流经各个反应器，填料上的生物膜可以实现尿液中尿素的原位水解，水解后尿液由弱酸性或中性转为碱性，尿液中氮磷钾资源被吸附回收，残余尿液通过出口阀门排出；

(2)在安装或者拆卸反应器时，通过溢流的方式将尿液不经过反应器直接排出：开启溢流阀门；关闭过滤入口阀门；尿液收集洁具中的尿液经过溢流管道直接排出；

(3)拆卸反应器时，排空反应器中的尿液：开启溢流阀门，关闭过滤入口阀门，开启过滤出口阀门，开启首末反应器控制阀门、顶部控制阀门、底部控制阀门、出口阀门和排水阀门，各个反应器中的尿液通过排水阀门排出。

进一步地，填料挂膜所用腐熟的尿液中尿素水解80％以上，填料浸没时间为5天以上。

进一步地，反应器中生物炭填料表面生物膜厚度达到0.1mm以上，即可认为成功实现填料挂膜。

进一步地，回收氮磷钾后的生物炭以及氧化镁负载生物炭可作为炭基肥料使用。

本发明的有益效果在于：

本发明利用生物炭、氧化镁负载生物炭作为尿液中氮磷钾回收的吸附材料，可以解决吸附剂再生、氮磷钾脱附再处理或者吸附剂成本昂贵等问题。采用可拆分式无动力生物炭管式反应器可在尿液进入污水处理管网前端及时有效收集氮磷钾资源，避免了氮磷钾资源的损失，同时，也不会因脱附而造成营养元素的二次流失。该装置结构紧凑，无需动力驱动，可高效回收氮磷钾资源，流经可拆分式生物炭管式反应器装置的全部尿液都经过处理之后排放，很大程度上降低城市污水中的氮磷浓度。可以根据尿液的实际水量、浓度进行生物炭管式反应器数量和其主体内填料的组合，生物炭管式反应器结构简单、易安装、拆分和更换填料。回收氮磷钾的吸附材料可以作为缓释肥等再利用。利用本发明所述方法回收尿液中的氮、磷和钾：氮的回收率可达50％以上，磷的回收率可达80％以上，钾的回收率可达20％以上。

附图说明

图1是一种用于尿液原位资源回收的系统的结构示意图。

图2是多个反应器连接的管道和阀门示意图。

图1中，1、尿液收集洁具；2、溢流管道；21、溢流阀门；3、过滤装置；31、过滤入口阀门；32、过滤出口阀门；4、反应器进入管道；5、反应器主体；51、生物炭；52、氧化镁负载生物炭；53、滤板；54、带管压板；6、反应器连接管道；61、控制阀门。

图2中，611、首末反应器控制阀门；612、顶部控制阀门；613、底部控制阀门；614、出口阀门；615、排水阀门。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和实施例对本发明做详细说明。

一种用于尿液原位资源回收的反应器，包括反应器主体5，反应器主体5上下两端分别是进水端或出水端，进水端接入尿液，出水端排出回收氮磷钾后的残余尿液；反应器主体5内填充具有吸附氮磷钾资源能力的填料，所述氮磷钾吸附材料为生物炭51、氧化镁负载生物炭52，且生物炭51填充在前、氧化镁负载生物炭52填充在后，生物炭和氧化镁负载生物炭填充量根据尿液性质、生物炭性质和反应器更换周期确定。填料与反应器主体5可拆分；反应器主体5与进水端和出水端之间设置带管压板54，反应器主体5与带管压板54利用法兰连接，并且在反应器主体5与带管压板54中间设置滤板53，滤板53为孔径0.2～0.4mm的纤维网。反应器可布置于小区地下混合污水管网前端，作为尿液氮磷钾资源回收装置，该装置可高效方便的回收尿液中大量氮磷钾资源，可大大降低污水处理管网的承载负荷，从而降低污水处理厂的处理负荷以及降低水体富营养化。

该尿液原位资源回收装置如图1所示，一种用于尿液原位资源回收的系统，包括依次用管道连接的尿液收集洁具1、过滤装置3和反应器5，在尿液收集洁具1和过滤装置3之间设有溢流阀门21和溢流管道2，在过滤装置3入口和出口分别设有过滤入口阀门31、过滤出口阀门32，反应器至少有两个，进行串联组合，相邻反应器底部依次使用带阀门的管道连接、顶部间隔使用带阀门的管道连接。如图2所示，最首端反应器出水端和最末端反应器进水端设有首末反应器控制阀门611，中间反应器顶部之间设有顶部控制阀门612、底部之间设有底部控制阀门613，最末端反应器顶部设有出口阀门614、底部设有排水阀门615。

该系统主要由两个单元组成，过滤装置3以及反应器主体5。其中过滤装置3包括孔径为4～6mm、0.8～1.2mm、0.4～0.6mm的筛板，从进水到出水按照孔径从大到小排列。过滤装置改变进入反应器的水流速度，减小水流产生的冲击力，为后续氮磷钾资源回收创造有利条件，并对体积较大的垃圾杂物起到一定的截留作用。尿液通过过滤装置3进入管道4，进入反应器主体5内进行尿液中氮磷钾富集回收。

多个反应器在底部全部使用带阀门的管道6连接，顶部间隔使用带阀门的管道6连接，使得尿液持续经历上升段和下降段，必须保证最末端反应器5中尿液是上升段，并在其上方设置出口阀门614、下方设置排水阀门615。

管道设计可以实现通水、溢流、排空多项工作状态：(1)通水原位回收尿液中的氮磷钾资源：关闭溢流阀门21；开启过滤入口阀门31、过滤出口阀门32、首末反应器控制阀门611、顶部控制阀门612和出口阀门614，关闭底部控制阀门613和排水阀门615；初始通过进水端注入腐熟的尿液，待反应器注满腐熟的尿液后，浸没填料5天以上实现填料表面生物膜挂膜；之后排放的尿液可以正常排入过滤装置3并依次流经各个反应器，填料上的生物膜可以实现尿液中尿素的原位水解，水解后尿液由弱酸性或中性转为碱性，尿液中氮磷钾资源被填料吸附回收，残余尿液通过出口阀门614排出；(2)在安装或者拆卸反应器时，通过溢流的方式将尿液不经过反应器直接排出：开启溢流阀门21；关闭过滤入口阀门31；尿液收集洁具中的尿液经过溢流管道2直接排出；(3)拆卸反应器时，排空反应器中的尿液：开启溢流阀门21，关闭过滤入口阀门31，开启过滤出口阀门32，开启首末反应器控制阀门611、顶部控制阀门612、底部控制阀门613、出口阀门614和排水阀门615，各个反应器中的废水通过排水阀门615排出。通过控制阀门的开闭以起到反应器通水和排空的不同作用，以便利用吸附材料回收氮磷钾或者对吸附材料进行回收。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

表1各实施例填料填充量及氮磷钾资源回收情况

实施例1：生物炭和氧化镁负载生物炭填充量探究实验

本实施例回收尿液的氮磷钾资源的填料为生物炭和氧化镁负载生物炭，生物炭和氧化镁负载生物炭填充量根据尿液性质、生物炭性质和反应器更换周期确定。首先设置反应器更换周期为10天，每天排尿人次是0.2人次/天，生物炭氨氮吸附容量为10mg/g，氧化镁负载生物炭镁含量为15％，分别根据生物炭填充量以及氧化镁负载生物炭填充量计算公式如下计算；

得生物炭填充量为0.56kg，氧化镁负载生物炭填充量为0.09kg。

资源回收结果为：氨氮回收率为99％，磷回收率为92％，钾回收率为28％。

实施例2：生物炭和氧化镁负载生物炭填充量探究实验

本实施例回收尿液的氮磷钾资源的填料的填充的操作步骤同实施例1，与实施例1区别在于：本实施例所设置的生物炭吸附氨氮的容量是4mg/g，得到生物炭填充量为1.40kg。资源回收结果为：氨氮回收率为99％，磷回收率为93％，钾回收率为24％。实施例1与2对比说明，生物炭对氨氮的吸附容量较高时，可以降低生物炭的填充量，从而降低技术应用成本，并且钾资源的回收率更高，资源回收效果更好。

实施例3：生物炭和氧化镁负载生物炭填充量探究实验

本实施例回收尿液的氮磷钾资源的填料的填充的操作步骤同实施例1，与实施例1区别在于：本实施例所设置的氧化镁负载生物炭镁含量是5％，氧化镁负载生物炭填充量为0.27kg。资源回收结果为：氨氮回收率为99％，磷回收率为92％，钾回收率为26％。实施例1与3对比说明，氧化镁负载生物炭镁含量较高时，氧化镁负载生物炭中镁元素含量较高时，可以降低氧化镁负载生物炭的填充量，有利于降低技术应用成本。

实施例4：生物炭和氧化镁负载生物炭填充量中试实验探究

本实施例回收尿液的氮磷钾资源的填料为生物炭和氧化镁负载生物炭，生物炭和氧化镁负载生物炭填充量根据尿液性质、生物炭性质和反应器更换周期确定。首先设置反应器更换周期为90天，每天排尿人次是5人次/天，生物炭氨氮吸附容量为8mg/g，氧化镁负载生物炭镁含量为15％，分别根据生物炭填充量以及氧化镁负载生物炭填充量计算公式如下计算；

得生物炭填充量为158kg，氧化镁负载生物炭填充量为20kg。资源回收结果为：氨氮回收率为99％，磷回收率为92％，钾回收率为28％。

根据实施例4的中试研究表明，生物炭填充量可能成为技术应用的主要成本，生物炭的填充量远高于氧化镁负载生物炭的填充量。

从实施例1-4可以看出，根据本发明所计算得到的生物炭和氧化镁负载生物炭填充量用于尿液原位资源回收时，可以回收尿液中大部分的氮磷资源，也可以回收尿液中部分钾资源。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。

Claims (10)

1.一种用于尿液原位资源回收的反应器，其特征在于，包括反应器主体，反应器主体上下两端分别是进水端或出水端，进水端接入尿液，出水端排出回收氮磷钾后的残余尿液；反应器主体内填充具有吸附氮磷钾资源能力的填料，填料与反应器主体可拆分；反应器主体与进水端和出水端之间设置带管压板，反应器主体与带管压板利用法兰连接，并且在反应器主体与带管压板中间设置滤板。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述滤板为直径0.2～0.4mm的纤维网。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述填料为生物炭和氧化镁负载生物炭，且生物炭填充在前、氧化镁负载生物炭填充在后，生物炭和氧化镁负载生物炭填充量根据尿液性质、生物炭性质和反应器更换周期确定，填充量计算公式如下：

式中，B为生物炭填充量，单位为kg；α为反应器更换周期时间，单位为d；R为每天的尿液收集洁具使用人次，单位为1/d；β为生物炭对氨氮的吸附容量，单位为mg/g，无实际测量值时取4mg/g；

式中，M为氧化镁负载生物炭填充量，单位为kg；α为反应器更换周期时间，单位为d；R为每天的尿液收集洁具使用人次，单位为人次/d；γ为氧化镁负载生物炭中镁元素含量，单位为％。

4.一种用于尿液原位资源回收的系统，其特征在于，包括依次用管道连接的尿液收集洁具、过滤装置和权利要求1～3任一权利要求所述的反应器，在尿液收集洁具和过滤装置之间设有溢流阀门和溢流管道，在过滤装置入口和出口分别设有过滤入口阀门、过滤出口阀门，反应器至少有两个，进行串联组合，相邻反应器底部依次使用带阀门的管道连接、顶部间隔使用带阀门的管道连接，最首端反应器出水端和最末端反应器进水端设有首末反应器控制阀门，中间反应器顶部之间设有顶部控制阀门、底部之间设有底部控制阀门，最末端反应器须为尿液流动上升段，且其顶部设有出口阀门、底部设有排水阀门。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，尿液收集洁具为小便器、粪尿分离式坐便器或粪尿分离式蹲便器。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述过滤装置设有三种孔径的筛板，从进水到出水按照孔径从大到小排列，筛板孔径分别为4～6mm、0.8～1.2mm、0.4～0.6mm。

7.一种用于尿液原位资源回收的方法，利用权利要求4～6任一权利要求所述的系统原位回收尿液中的氮磷钾资源，其特征在于，包括以下工作状态：

(1)通水原位回收尿液中的氮磷钾资源：关闭溢流阀门；开启过滤入口阀门、过滤出口阀门、首末反应器控制阀门、顶部控制阀门和出口阀门，关闭底部控制阀门和排水阀门；初始通过进水端注入腐熟的尿液，待反应器注满腐熟的尿液后，浸没填料实现填料表面生物膜挂膜；之后排放的尿液可以正常排入过滤装置并依次流经各个反应器，填料上的生物膜可以实现尿液中尿素的原位水解，水解后尿液由弱酸性或中性转为碱性，尿液中氮磷钾资源被吸附回收，残余尿液通过出口阀门排出；

(2)在安装或者拆卸反应器时，通过溢流的方式将尿液不经过反应器直接排出：开启溢流阀门；关闭过滤入口阀门；尿液收集洁具中的尿液经过溢流管道直接排出；

(3)拆卸反应器时，排空反应器中的尿液：开启溢流阀门，关闭过滤入口阀门，开启过滤出口阀门，开启首末反应器控制阀门、顶部控制阀门、底部控制阀门、出口阀门和排水阀门，各个反应器中的尿液通过排水阀门排出。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，填料挂膜所用腐熟的尿液中尿素水解80％以上，填料浸没时间为5天以上。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，反应器中生物炭填料表面生物膜厚度为0.1mm以上。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，回收氮磷钾后的生物炭以及氧化镁负载生物炭作为炭基肥料使用。

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