CN113149358A - 一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法 - Google Patents

一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法。该方法包括如下步骤：(1)第一调节池将原沼液的pH调节至9‑11静置；(2)将静置得到的上清液导入氨吹脱系统，出水的氨氮浓度控制在250mg/L以下；(3)将步骤(2)的出水导入臭氧氧化系统处理；(4)臭氧氧化系统处理后的出水进入第二调节池调节pH至7～9并静置；(5)将静置后得到的上清液导入藻菌共生系统；(6)藻菌共生系统后的出水导入固液分离系统得到藻菌浓缩液；(7)固液分离系统处理后的尾水导入生态滤池，经生态滤池的出水达标后直接排放。本发明采用氨吹脱‑臭氧氧化‑藻菌共生处理‑生态滤池处理的组合工艺，对沼液进行处理与资源化利用，具有碳氮磷去除率高等优点。

Description

一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法
技术领域：
本发明涉及污水处理方法技术领域，具体涉及一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法。
背景技术：
近年来，随着畜禽养殖业的迅速发展，畜禽废弃物的排放量也迅速增长，且污染负荷高，已成为农业面源污染的主要来源，严重制约了我国养殖产业的进一步发展。为化解畜禽养殖发展与生态环境之间的矛盾，国家鼓励和支持畜禽养殖场通过沼气工程制取沼气等方法，对畜禽养殖废弃物进行综合利用。伴随沼气工程的发展，其发酵产生的沼液量随之增大，全国每年沼液排放量超过1.3亿吨，沼液中含有高浓度的有机物以及氮、磷、钾等营养物质，直接排放对环境造成极大污染，沼液的处理和再利用已成为沼气工程发展的瓶颈。
当沼液无法实现全部还田时，剩余的沼液必须达标处理。由于畜禽粪污经过厌氧消化处理后有机物大幅消减，但对氮磷的去除非常微弱，导致沼液C/N比严重失衡，采用传统生物处理法如SBR、A2O等基本不能有效去除氮磷，且存在能耗高、需外加有机碳源增加了运行成本等问题，另外会产生大量低价值的活性污泥及CO2，造成二次污染和碳排放。微藻可以快速吸收碳氮磷并转化为高值生物质、减少温室气体排放、回收资源实现循环利用，因此许多研究者将微藻用于畜禽沼液的资源化处理。然而沼液中高浓度的氨氮以及有机物对微藻的生长有强烈的抑制作用，因此许多研究者在利用微藻处理前都需要对沼液进行稀释预处理，虽然这种方法有利于微藻的生长以及有效去除氮、磷，但却无法有效去除COD，而且稀释还会导致处理量及反应体积增大，造成水资源浪费且不经济。除此之外，微藻在生长过程中会向外界释放胞外有机物，因此单纯用微藻处理沼液容易导致COD不但得不到有效去除还有可能增加的趋势，达不到碳氮磷的同步去除。藻菌共生系统具有同步去除碳氮磷的特征，而且共生细菌可以分解微藻释放的胞外有机物，但是发明人在沼液的实际处理过程中发现，由于沼液中的有机物可生化性差，即使通过藻菌共生系统仍不能有效去除COD。
发明内容：
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，本发明采用氨吹脱-臭氧氧化-藻菌共生处理-生态滤池处理的组合工艺，对沼液进行处理与资源化利用，沼液无需稀释，无需回流，具有碳氮磷去除率高，低成本、环境友好、污泥产量少、减排CO2等优点。
本发明的目的是提供一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，包括如下步骤：原沼液经过第一调节池调节原沼液的pH值，再经氨吹脱系统、臭氧氧化系统、第二调节池、藻菌共生系统、固液分离系统和生态滤池后，得到的出水达标排放。
优选地，所述的方法，具体包括如下步骤：
(1)第一调节池用碱液将原沼液的pH调节至9-11，搅拌均匀并静置；
(2)将步骤(1)中静置后得到的上清液导入氨吹脱系统，经氨吹脱系统后的出水的氨氮浓度控制在250mg/L以下；经氨吹脱系统吹脱的尾气水洗后，用酸溶液吸收，结晶得到的固体铵盐用作肥料；
(3)将步骤(2)中的出水导入臭氧氧化系统处理得到臭氧氧化系统处理后的出水，臭氧氧化系统产生的臭氧将出水沼液中的大分子难降解有机物分解成小分子有机物，以利于后续藻菌共生系统处理，实现碳氮磷的同步去除；
(4)步骤(3)臭氧氧化系统处理后的出水进入第二调节池，利用酸液将出水的pH调节至7～9，搅拌均匀并静置沉淀；
(5)将步骤(4)静置沉淀后得到的上清液导入藻菌共生系统，实现污水碳氮磷的同步去除；
(6)将步骤(5)藻菌共生系统后的出水导入固液分离系统得到作为水产养殖的饵料和调水剂的藻菌浓缩液；
(7)将步骤(6)固液分离系统处理后的尾水导入生态滤池，经过生态滤池的出水达标排放。经过生态滤池的出水水质达到《畜禽养殖业污染物排放标准GB18596-2001》和《农田灌溉水质标准GB5084-2005》。
优选地，步骤(1)中第一调节池用碱液将沼液的pH调节至9-11的具体步骤为：第一调节池用NaOH溶液或Ca(OH)2溶液将沼液的pH调节至10。
优选地，步骤(4)中利用酸液将出水的pH调节至7～9的具体步骤为：利用HCl溶液或H2SO4溶液将出水的pH调节至7～8。
优选地，步骤(5)所述的藻菌共生系统为开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器，所述的开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器中设有使藻菌共生体混合液保持悬浮状态的搅拌和/或曝气装置，所述的藻菌共生系统内设置有含微藻与细菌协同作用形成的藻菌共生体混合液。
进一步优选，所述的微藻选自小球藻、栅藻和衣藻等抗逆性较强的藻种中的至少一种，所述细菌由活性污泥经过稀释沼液驯化得到，稀释沼液的质量浓度为步骤(1)中原沼液的10％-50％；将微藻藻种与经过驯化的活性污泥以一定的比例混合接种于以上稀释沼液中，在开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器中经过培养得到具有协同作用的藻菌共生体混合液。
进一步优选，所述的藻菌共生系统中补充磷盐或微量元素，磷盐的补充使得上清液中N/P质量比为14:1～3:1。
进一步优选，磷盐的补充使得上清液中N/P质量比为7:1～8:1。
优选地，步骤(6)所述的固液分离系统为浓缩藻菌混合液的固液分离系统，所述的固液分离系统为沉淀装置、过滤装置或离心装置。
进一步优选，所述的藻菌浓缩液的质量浓度为10～100g/L。
本发明跟现有技术相比具有如下优点：
1、本发明采用氨吹脱-臭氧氧化-藻菌共生处理-生态滤池处理的组合工艺，对沼液进行处理与资源化利用，沼液无需稀释，无需回流，具有碳氮磷去除率高，低成本、环境友好、污泥产量少、减排CO2等优点。
2、本发明经过臭氧氧化步骤提高了沼液的可生化性，处理简单高效，不产生二次污染，经臭氧氧化的出水在藻菌共生系统中能充分发挥微藻和细菌的协同作用，实现碳氮磷的同步高效去除。
3、固液分离后的尾水仍含有藻菌共生体和其它污染物，进一步利用生态滤池去除尾水中的COD、TN、SS等污染物，能保证稳定的出水水质，且处理成本低，运行简单。
4、本发明联合物理、化学、生物的手段，在处理沼液的同时，实现固体铵盐及藻生物质的高附加值产品回收，工艺简单易行，有效降低传统沼液处理的运行费用，且能获得较好的收益。其中，回收固体铵盐作为肥料，藻生物质以浓缩液的形式生产，作为水产养殖的饵料和调水剂，避免了传统藻生物质产品需要脱水干燥等高耗能过程及高加工成本。
附图说明：
图1为本发明一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法的工艺流程图；
图2为实施例1和对比例1-3经过光生物反应器培养的生物质浓度比较图；
图3为实施例1和对比例1-3经过光生物反应器培养的叶绿素浓度比较图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
如图1所示，本发明提供一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其包括第一调节池、氨吹脱系统、臭氧氧化系统、第二调节池、藻菌共生系统、固液分离系统和生态滤池，本发明优选氨吹脱系统为氨吹脱塔。臭氧氧化系统由臭氧发生器和臭氧氧化反应池串联组成，臭氧氧化反应池底部装有微孔曝气盘，经过臭氧发生器产生的臭氧从臭氧氧化反应池底部的曝气盘进入反应池中与沼液发生氧化反应。氨吹脱塔上部设有进液口和排气口，吹脱塔内部填料选用直径25mm的空心多面球，填料下部安装曝气盘，使空气自下而上流入，液体由顶部自上而下流动，形成错流。具体实施步骤如下：
(1)沼液进入第一调节池中，用碱溶液将沼液的pH调节至10左右，搅拌均匀后静置沉淀，第一调节池底部收集沉淀。
(2)将第一调节池静置后得到的上清液导入氨吹脱系统，以氨吹脱塔为例，沼液从氨吹脱塔顶部向下流动，空气从氨吹脱塔底部向上流动，以使空气与沼液充分接触提高氨吹脱效率。氨吹脱塔的沼液出水氨氮浓度控制在250mg/L以下，吹脱出的粗氨气经过水洗吸收粗氨气中的杂质得到精氨气，再经过酸溶液例如硫酸溶液吸收，得到硫酸铵溶液，将硫酸铵溶液蒸发结晶可以得到固态的硫酸铵，可用作肥料。
(3)将氨吹脱塔吹脱的出水导入臭氧氧化系统得到臭氧氧化系统处理后的出水，臭氧的通入浓度为25-50mg/min，氧化处理时间为30-60min。
(4)将臭氧氧化系统处理后的出水导入第二调节池中，利用酸溶液将pH调节至7～9，搅拌均匀后静置沉淀，第二调节池底部收集沉淀。
(5)将经过第二调节池处理的出水导入藻菌共生系统，实现污水碳氮磷的同步去除。
(6)藻菌共生系统的出水进入固液分离系统以浓缩藻菌混合液，获得浓度为10-100g/L的藻菌浓缩液，作为鱼、虾、轮虫等水产养殖的饵料和调水剂。
(7)经步骤(6)固液分离系统的尾水中仍含有少量藻菌共生体和其它污染物，将其导入生态滤池，生态滤池内设有多层滤料，滤料包括生物质炭、陶粒、石英砂，不同滤料用隔板隔开，滤料上附着微生物，滤池表面种植水生植物，滤料内设置有透气管。利用生态滤池的过滤、吸附、降解等作用进一步降低COD、TN、SS等污染物，生态滤池的出水达标后可直接排放或做灌溉用水。
本发明步骤(1)中的碱液为NaOH溶液或Ca(OH)2溶液，下述实施例中优选碱液为1mol/L的NaOH溶液或Ca(OH)2溶液。
臭氧氧化系统的功能是：通过臭氧的强氧化作用将沼液中的大分子难降解有机物分解成小分子有机物，提高废水的可生化性，解除高浓度有机物对微藻生长的抑制作用，以利于后续藻菌共生系统处理，实现藻菌共生系统中碳氮磷的同步去除。
本发明步骤(4)中的酸溶液为HCl溶液或H2SO4溶液，下述实施例中优选酸溶液为1mol/LHCl溶液。酸溶液优选将出水的pH值调节至7～8。
本发明步骤(5)中藻菌共生系统为开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器，内含微藻与细菌协同作用形成的藻菌共生体混合液。开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器中设有搅拌和/或曝气装置使藻菌共生体混合液保持悬浮状态，曝气装置为直接空气曝气或者通入含CO2的气体曝气；为了使藻菌共生体保持在最佳的代谢状态，藻菌共生系统中可以根据进水水质情况在进水口处适当补充磷盐或微量元素，磷盐的补充使得污水中N/P质量比为14:1～3:1。下述实施例中，优选N/P质量比为7:1～8:1。
藻菌共生系统中的微藻吸收氨氮、硝态氮、磷酸盐等无机营养，并吸收部分小分子有机物；硝化细菌将氨氮转化为硝态氮，硝态氮可进一步被微藻利用；异养细菌将沼液中的有机物分解为小分子有机物和CO2供微藻利用，同时分解微藻释放的胞外有机物；在微藻和细菌共同作用下，可实现沼液碳氮磷的同步去除。
藻菌共生系统中的微藻为抗逆性较强的藻种，微藻选自小球藻、栅藻和衣藻中的至少一种，藻菌共生系统中的细菌由活性污泥经过稀释沼液驯化得到，稀释沼液的质量浓度为原沼液的10％-50％。将微藻藻种与经过驯化的活性污泥以一定的比例混合接种于光生物反应器中并在上述稀释沼液中培养，微藻与活性污泥的混合接种比例为干重比1:3～3:1，其中微藻起始接种量为0.2-0.4g/L。经过6-8天的培养得到具有协同作用的藻菌共生体混合液。
本发明步骤(6)中固液分离系统可以是沉淀装置、过滤装置或离心装置等可用于浓缩生物质的系统。
实施例1
以某牛场沼液为例，原水水质为COD1880mg/L，氨氮660mg/L，总氮710mg/L，磷酸根40mg/L，pH7.6。沼液原水经1mol/L的Ca(OH)2溶液调节pH至10，搅拌沉淀后，上清液进入氨吹脱塔，气液比为3000，在常温下进行氨吹脱，氨吹脱塔的出水氨氮浓度降至205mg/L，氨氮回收率达65％。氨吹脱塔处理后的出水进入臭氧氧化反应池中，臭氧的通入浓度为50mg/min，氧化处理时间为30min，可生化性提高了1.5倍。
臭氧氧化反应池的出水经1mol/L的HCl溶液调节pH至7.5后，将调节pH值后的上清液导入藻菌共生系统中，藻菌共生系统具体为：藻菌共生系统中的细菌由活性污泥经过稀释沼液驯化得到，稀释沼液的质量浓度为原沼液的30％。将微藻藻种与经过驯化的活性污泥以干重比1:1混合接种于光生物反应器中并在上述稀释沼液中培养，其中微藻起始接种量为0.3g/L，经过7天的培养得到具有协同作用的藻菌共生体混合液。藻菌共生系统采用柱式光生物反应器，底部通入1％CO2的空气进行曝气搅拌，保持藻菌共生体悬浮生长，光生物反应器24h连续光照，光照强度为200μmol m-2s-1。经过6天的培养后生物质浓度为6.3g/L(图2)，叶绿素浓度达到115mg/L(图3)。排出80％的藻菌共生体混合液进入沉淀池，沉淀8h后获得浓度为30g/L的藻菌浓缩液。固液分离后的尾水进入生态滤池，生态滤池内设有多层滤料，滤料上附着微生物，滤池表面种植有水生植物，水力停留时间12h，经生态滤池处理后的出水水质如表1所示，可同时满足《畜禽养殖业污染物排放标准GB18596-2001》和《农田灌溉水质标准GB5084-2005》。
对比例1
以实施例1的某牛场沼液为例，原水水质为COD1880mg/L，氨氮660mg/L，总氮710mg/L，磷酸根40mg/L，pH7.6。以沼液直接进入藻菌共生系统，进行与实施例1相同的后续处理。发现对比例1的藻菌共生系统崩溃，藻大量死亡，生物质浓度和叶绿素浓度均不升反降(图2和图3)。其出水经生态滤池处理后出水水质如表1所示，最终出水达不到排放标准。
对比例2
以实施例1的某牛场沼液为例，原水水质为COD1880mg/L，氨氮660mg/L，总氮710mg/L，磷酸根40mg/L，pH7.6。沼液经过氨吹脱塔处理后进入藻菌共生系统，进行与实施例1相同的后续处理。对比例2的藻菌共生系统虽然解除了高浓度氨氮的抑制，但是由于存在难降解有机物，仍然受到一定的抑制使其生长延滞期较长，培养6天后生物质浓度为2.7g/L，叶绿素浓度为78mg/L(图2和图3)。排出80％藻菌混合液经沉淀池沉淀8h，尾水经生态滤池处理后出水水质如表1所示，最终出水达不到排放标准。
对比例3
以实施例1的某牛场沼液为例，原水水质为COD1880mg/L，氨氮660mg/L，总氮710mg/L，磷酸根40mg/L，pH7.6。沼液经过臭氧氧化后进入藻菌共生系统，进行与实施例1相同的后续处理。对比例3的藻菌共生系统虽然解除了有机物对微藻的抑制，但是由于存在高浓度氨氮，微藻的生长仍然受到强烈的抑制，使得其生长缓慢，在后期才有明显的生长，培养6天后生物质浓度为1.4g/L，叶绿素浓度为25mg/L(图2和图3)。排出80％藻菌混合液经沉淀池沉淀8h，尾水经生态滤池处理后出水水质如表1所示，最终出水达不到排放标准。
表1
出水水质 COD(mg/L) 氨氮(mg/L) 总氮(mg/L) 总磷(mg/L)
实施例1 185 0 55 0.1
对比例1 340 420 620 8.2
对比例2 350 45 115 3.0
对比例3 224 445 560 6.5
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，包括如下步骤：原沼液经过第一调节池调节原沼液的pH值，再经氨吹脱系统、臭氧氧化系统、第二调节池、藻菌共生系统、固液分离系统和生态滤池后，得到的出水达标排放。
2.根据权利要求1所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)第一调节池用碱液将原沼液的pH调节至9-11，搅拌均匀并静置；
(2)将步骤(1)中静置后得到的上清液导入氨吹脱系统，经氨吹脱系统后的出水的氨氮浓度控制在250mg/L以下；经氨吹脱系统吹脱的尾气水洗后，用酸溶液吸收，结晶得到的固体铵盐用作肥料；
(3)将步骤(2)中的出水导入臭氧氧化系统处理得到臭氧氧化系统处理后的出水；
(4)步骤(3)臭氧氧化系统处理后的出水进入第二调节池，利用酸液将出水的pH调节至7～9，搅拌均匀并静置；
(5)将步骤(4)静置后得到的上清液导入藻菌共生系统，实现污水碳氮磷的同步去除；
(6)将步骤(5)藻菌共生系统后的出水导入固液分离系统得到作为水产养殖的饵料和调水剂的藻菌浓缩液；
(7)将步骤(6)固液分离系统处理后的尾水导入生态滤池，经过生态滤池的出水达标排放。
3.根据权利要求1或2所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，步骤(1)中第一调节池用碱液将沼液的pH调节至9-11的具体步骤为：第一调节池用NaOH溶液或Ca(OH)2溶液将沼液的pH调节至10。
4.根据权利要求2所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，步骤(4)中利用酸液将出水的pH调节至7～9的具体步骤为：利用HCl溶液或H2SO4溶液将出水的pH调节至7～8。
5.根据权利要求2所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，步骤(5)所述的藻菌共生系统为开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器，所述的开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器中设有使藻菌共生体混合液保持悬浮状态的搅拌和/或曝气装置，所述的藻菌共生系统内设置有含微藻与细菌协同作用形成的藻菌共生体混合液。
6.根据权利要求5所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，所述的微藻选自小球藻、栅藻和衣藻中的至少一种，所述细菌由活性污泥经过稀释沼液驯化得到，稀释沼液的质量浓度为步骤(1)中原沼液的10％-50％；将微藻藻种与经过驯化的活性污泥以一定的比例混合接种于以上稀释沼液中，在开放式光生物反应器或密闭式光生物反应器中经过培养得到具有协同作用的藻菌共生体混合液。
7.根据权利要求5所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，所述的藻菌共生系统中补充磷盐或微量元素，磷盐的补充使得上清液中N/P质量比为14:1～3:1。
8.根据权利要求7所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，磷盐的补充使得上清液中N/P质量比为7:1～8:1。
9.根据权利要求2所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，步骤(6)所述的固液分离系统为浓缩藻菌混合液的固液分离系统，所述的固液分离系统为沉淀装置、过滤装置或离心装置。
10.根据权利要求9所述的畜禽养殖沼液处理与资源化利用方法，其特征在于，所述的藻菌浓缩液的质量浓度为10～100g/L。
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