CN113683222A - 一种废水高效贮存利用方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种废水高效贮存利用方法及系统，方法包括如下步骤：步骤一、将废水经收集后汇入废水收集池；步骤二、将废水收集池内的废水泵入废水一级贮存池内，并在一级贮存池内加入甲烷抑制剂混匀后，再加入木质纤维原料进行密封贮存；步骤三、将废水一级贮存池处理后的废水泵入废水二级贮存池内，并将废水一级贮存池内的木质纤维原料取出，经加工改性制成生物炭后加入到废水二级贮存池内继续贮存；步骤四、将步骤三贮存后的废水经稀释后进行废水还田灌溉。本发明具有保氮效果好，对设备要求低，处理成本和能耗低，废水还田氮磷利用率高，且可同时处理利用畜禽养殖废水和农业秸秆等废弃物。
Description
技术领域
本发明涉及生态环境保护和资源循环利用技术领域，尤其涉及一种废水高效贮存利用方法及系统。
背景技术
畜禽养殖业在为居民提供肉蛋奶产品的同时，也产生了大量的畜禽粪污。据估计，我国每年产生各类畜禽养殖粪污总量达38亿吨，其中，养殖废水年产量约20亿吨，成为农业面源污染的重要来源之一。畜禽养殖废水是由畜禽养殖场产生的尿液、全部粪便或残余粪便及饲料残渣、冲洗水及工人生活、生产过程中产生的废水的总称。对于采取干清粪的畜禽养殖场，养殖废水主要包括养殖场产生的尿液、少量粪便及饲料残渣、冲洗水及工人生活、生产过程中产生的废水，主要来自牲畜养殖。
将畜禽养殖废水直接贮存后还田具有一次性投资省，运行管理方便、成本低等特点，受到养殖场主的欢迎。近年来，随着畜禽粪污处理问题日趋严峻，农业农村部将养殖废水直接贮存还田作为畜禽粪污处理的主推技术，受到地方农业主管部门和养殖场主的普遍欢迎。然而，在畜禽养殖废水贮存过程中，存在有机氮矿化作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用等过程，造成贮存后废水氮素大量损失，降低了废水的肥料价值和还田效果，影响农民接受度，不利于废水还田工作的推进。
由于畜禽养殖业的特殊性，采用工业污水处理方式大规模处理畜禽养殖废水后达标排放在我国绝大多数养殖场并不适用，还田仍是畜禽养殖废水的主要去向。但是，文献查阅发现，关于畜禽养殖废水贮存方面的文献资料并不多。国外对畜禽养殖废水贮存后还田的研究较早，如丹麦一般采用硫酸将畜禽养殖废水pH值调节至5～6后于贮存于专用容器内6个月以上，贮存后的废水在还田时需要调节废水pH值至7.0后方可还田；张鹏月等(2020)研究了添加硫酸和明矾将奶牛废水pH值调节至6.0后贮存，添加酸化剂可降低6.3％～11.1％的总氮损失；专利(CN201910239399.1)通过氧化剂和纳米级过滤器对畜禽养殖粪水进行氧化后过滤的方法，降低粪水中污染物浓度；专利(CN201911221502.6)公开了一种利用瓜菜秸秆酸化奶牛粪污水的方法，通过添加瓜菜秸秆压滤液的水解酸化液至奶牛场废水中，将奶牛废水pH值调节至5.0～6.5后进行奶牛废水贮存，氨挥发减少95％以上，氮素含量提高40％以上，直接还田施用后，相比较未酸化的奶牛粪污水，肥效提高了60％以上，该专利虽然具有较好的减少奶牛废水贮存过程中氮素损失的效果，但瓜菜秸秆受地域和季节影响，而奶牛废水每天产生，故该技术具有较大的局限性。丹麦的做法在我国很难实施，硫酸在我国属于管控类药品，要在农业生产中大规模使用很难实施，且硫酸的价格较高，腐蚀性大，对贮存容器要求高，大幅增加了畜禽养殖废水贮存成本。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种废水高效贮存利用方法及系统，目的是避免畜禽养殖废水在农田利用前的贮存过程中氮素大量损失以及提高畜禽养殖废水还田时氮磷利用率。
基于上述目的，本发明提供了一种废水高效贮存利用方法，包括如下步骤：
步骤一、将废水经收集后汇入废水收集池；
步骤二、将废水收集池内的废水泵入废水一级贮存池内，并在一级贮存池内加入甲烷抑制剂混匀后，再加入木质纤维原料进行密封贮存；
步骤三、将废水一级贮存池处理后的废水泵入废水二级贮存池内，并将废水一级贮存池内的木质纤维原料取出，经加工改性制成生物炭后加入到废水二级贮存池内继续贮存；
步骤四、将步骤三贮存后的废水经稀释后进行废水还田灌溉。
所述废水收集是养殖场已建有完备的雨污分流系统的基础上，通过废水收集管网进行收集，废水收集池为方形或圆柱形，池壁最高处高出地表20cm，池体为砖砌或钢混结构，池内部做防渗处理，顶部有遮雨棚。
所述废水收集池的入口设有格栅。
所述废水一级贮存池与废水二级贮存池串联连接，且废水一级贮存池与废水二级贮存池均为地下池，池体深度不超过6m，池内做防渗和防腐处理。
所述废水一级贮存池与废水二级贮存池的池壁最高处高于地表20cm以上，两贮存池的顶部建有大棚，所述废水一级贮存池为地下砖砌或钢混结构池，顶部用红泥塑料或黑膜覆盖密封；废水二级贮存池采用砖砌或钢混池、厌氧池，两贮存池底部呈坡度设置，坡度角为5°～10°，废水一级贮存池的池底最低处设有污水泵，废水二级贮存池的池内最低处设有污水循环泵。
所述木质纤维原料经粉碎、过筛后覆盖于废水一级贮存池内的废水表面，覆盖层厚度为20-30cm，木质纤维原料包括稻草、麦秸、玉米秸、棉花秆、油菜秸、木屑、稻壳、米糠、园林修建物中的一种或多种。
所述木质纤维原料在废水一级贮存池内停留2-3个月后取出，经加工制成生物炭后，投入到废水二级贮存池内，投加量为1～3kg/m3；木质纤维原料制备生物炭的方法为：将从废水一级贮存池取出的木质纤维原料经脱水后置于3mol/L的MgCl2溶液中搅拌2h，过滤后于60℃下烘干后置于管式炉内，在600℃下以10℃/min的加热速度，在O2限制条件下热解获得改性的生物炭；对产生的生物炭过60目筛，筛下物投入到废水二级贮存池内，筛上物与下一批原料继续碳化。
所述甲烷抑制剂为替硝唑、氯仿、焦油、乙炔、蒽醌等中的一种或多种。
所述废水还田灌溉时，废水与水的比例为1:2-1:3。
本发明还提供一种高效贮存畜禽养殖废水的系统，包括木质纤维原料改性装置、依次连接的废水收集池、废水一级贮存池和废水二级贮存池，所述废水一级贮存池内添加有木质纤维原料和甲烷抑制剂，所述木质纤维原料改性装置将废水一级贮存池内贮存后的木质纤维原料改性制作生物炭后加入废水二级贮存池内，所述废水二级贮存池设有排水口。
本发明涉及的雨污分流系统采用的是申请号2020221547902中的雨污分流装置形成的系统。
本发明的有益效果：
1、以废治废，环境友好，不产生二次污染。
2、工艺简单，一次性投入低，可操作性强，系统运行成本和能耗低，废水贮存过程中几乎没有臭味。
3、保氮效果好，大幅降低了贮存过程中氮素损失率，提高了贮存后废水的肥料价值。
4、贮存后废水农田利用时，氮磷利用率显著高于常规化肥，显著提高了作物产量。
5、对设备要求不高、操作简单方便，在我国畜禽养殖大县、以农牧结合为主的畜禽养殖场以及基于粪污农田处理的畜禽粪污集中处理中心等场所具有广阔的应用前景。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1所示，一种废水高效贮存利用方法，其所采用的系统包括依次连接的畜禽养殖废水收集池1、废水一级贮存池2、废水二级贮存池3，废水一级贮存池2内添加有木质纤维原料5和甲烷抑制剂7，废水一级贮存池2贮存2-3个月后的木质纤维原料5经过改性制作生物炭6后加入废水二级贮存池3，废水二级贮存池3处理后的废水经稀释、分次还田4利用。其中，畜禽养殖废水经管网收集后汇入废水收集池1，废水收集池1收集的废水用污水泵泵入废水一级贮存池2内，加入适量甲烷抑制剂7混匀后，在池内废水表面均匀覆盖一定厚度的木质纤维原料5，将废水一级贮存池2密封后贮存一段时间后将废水泵入废水二级贮存池3内，将废水一级贮存池内2的木质纤维原料5取出经加工改性制成生物炭6加入到废水二级贮存池内3继续贮存，贮存后的废水经适当稀释后用于农田4，对促进作物生长、提高农作物产量和肥料利用率效果显著。
可设置木质纤维原料改性装置对木质纤维原料改性及输送，木质纤维原料改性装置包括输送装置、混料罐、管式炉和破碎机，通过输送装置将废水一级贮存池贮存后的料体输送至混料罐中，混料罐中添加有3mol/L的MgCl2溶液，混料罐经搅拌过滤后，将过滤后的料体烘干后置于管式炉中，热解得到改性的生物炭，之后将生物炭放入破碎机机中进行破碎处理。破碎后的生物炭经过60目筛后，筛下物经过投料管投入废水二级贮存池内。将废水一级贮存池内贮存后的木质纤维原料改性制作生物炭后加入废水二级贮存池内。
畜禽养殖废水收集池收集的废水是在养殖场已建有完备的雨污分流系统的基础上，通过废水收集管网收集后汇入废水收集池内。其中，雨污分流系统优选采用申请号2020221547902中的雨污分流装置形成的分流系统，也可采用现有技术中其他雨污分流系统实现。废水收集池可以为方形或圆柱形，池壁最高处需高出地表20cm，池体可以为砖砌或钢混结构，池内部做防渗处理，顶部有遮雨棚。在废水收集池入口处设置格栅，避免塑料袋等大块杂物进入。
废水一级贮存池与二级贮存池以串联方式连接，废水依次进入一级贮存池和二级贮存池。两个废水贮存池均需做防渗和密封处理，废水一级贮存池与二级贮存池的构造不同，废水一级贮存池开口要足够大，便于秸秆覆盖作业，废水二级贮存池开口要尽量小，提高密封效果。贮存池为地下池，顶部建有大棚，避免太阳直射和雨水进入，池壁最高处高于地表20cm以上，池内做防渗和防腐处理；贮存池形状无特殊要求，池体深度不超过6m；贮存池底部呈一定坡度，坡度角为5°～10°，将污水泵安放在池底最低处。废水一级贮存池为地下砖砌或钢混结构池，顶部用红泥塑料或黑膜覆盖密封，方便木质纤维原料覆盖作业。废水二级贮存池可采用砖砌或钢混池、也可以直接采用目前市场上常用的厌氧池，池内最低处安装污水循环泵。
木质纤维原料用于覆盖在废水一级贮存池内的废水表面，需经粉碎过20目筛后使用，覆盖层厚度不低于20cm，一般为20～30cm。木质纤维原料包括稻草、麦秸、玉米秸、棉花秆、油菜秸、木屑、稻壳、米糠、园林修建物等中的一种或多种，具有密度小、C/N高、木质化程度高、比表面积大等特点，C/N需在50以上。
木质纤维原料在废水一级贮存池内停留2～3个月后取出，经加工制成生物炭后，投入到废水二级贮存池内，投加量为1～3kg/m3。木质纤维原料制生物炭的条件为：将从废水一级贮存池取出的木质纤维原料(经简单脱水后)置于3mol/L的MgCl2溶液中搅拌2h，过滤后于60℃下烘干后置于管式炉内，在600℃下以10℃/min的加热速度，在O2限制条件下热解获得改性的生物炭。对产生的生物炭过60目筛，筛下物投入到废水二级贮存池内，筛上物与下一批原料继续碳化。使用后的MgCl2溶液倒入废水二级贮存池内。
甲烷抑制剂用于抑制废水厌氧贮存过程中产甲烷，减少温室气体产生。将废水泵入废水一级贮存池后，按照要求加入甲烷抑制剂，用循环泵回流均匀后再覆盖木质纤维原料。甲烷抑制剂可为替硝唑、氯仿、焦油、乙炔、蒽醌等中的一种或多种。
经贮存后的畜禽养殖废水中氮磷养分含量较高，但COD浓度亦较高，需经适当稀释后农田利用。废水还田时，兑水比为1:2～1:3，需严格控制废水用量，用于稻麦轮作时，废水用量(折算成纯氮)不高于化肥氮的50％，且需分多次施用，切不可一次性施用太多，否则造成农田水环境污染。
经过多批实验，证明本发明的还田利用方法具有保氮效果好、环境友好、处理成本和一次性投资低、对设备要求不高、操作简单方便等特点，且贮存后的养殖废水还田时氮磷农田利用率大幅提高，对提高作物产量有较好的效果，在我国畜禽养殖大县、以农牧结合为主的畜禽养殖场以及基于粪污农田处理的畜禽粪污集中处理中心等场所具有广阔的应用前景。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例：
取猪场固液分离后的废水为对象，在直径30cm的PVC管内进行猪场废水贮存实验，加入猪场废水30L，加入20mg/L氯仿混匀后，分别加入0、10、20、30和40cm厚粉碎过20目筛的小麦秸秆，密封后贮存2个月。之后，将秸秆取出置于3mol/L的MgCl2溶液中搅拌2h，过滤后于60℃下烘干后置于管式炉内，在600℃下以10℃/min的加热速度，在O2限制条件下热解获得改性的生物炭。对产生的生物炭过60目筛，筛下物投入到相应的废水贮存管内，筛上物与下一批原料继续碳化，将使用后的MgCl2溶液倒入相应的废水贮存管内继续贮存4个月。贮存后的废水，测定废水的总氮、铵态氮、硝态氮和总磷含量。按照稀释比为1:2稀释后用于小麦种植，废水用量(折算成纯氮)为替代化肥氮50％，且按照基肥、拔节期、抽穗期和灌浆期分4次施入，用量分别占废水总用量的40％、20％、20％和20％。小麦收获后，测定小麦分蘖数、单株有效穗数、麦穗重量、秸秆重量以及麦穗和秸秆中氮磷含量。
对比例1
本对比例与实施例的不同点在于，未覆盖麦秸进行贮存。
对比例2
本对比例与实施例的不同点在于，麦秸覆盖后的废水在贮存2个月麦秸取出后未加入生物炭的处理，目的是研究在废水贮存第二阶段不加入生物炭的影响。
本例中，经贮存6个月的废水，未覆盖麦秸的废水总氮含量降低了20％，铵态氮含量较贮存前大幅提高了50％，总磷含量降低了30％(以磷酸盐形式沉淀)；在第二阶段未加入生物炭的处理总氮含量损失了近12％，铵态氮含量较贮存前提高了10％，总磷含量降低了70％(以磷酸盐形式沉淀)；对无秸秆覆盖的对照相比，秸秆覆盖明显提高了贮存后废水(废水+生物炭二者总和)中总氮含量，且总氮含量与秸秆覆盖层厚度成正比，尤其是在改性的生物炭中有大量氮素积累；单从废水(未考虑生物炭吸附的氮)中总氮含量来看，废水中总氮含量低于未覆盖秸秆的处理，且秸秆覆盖层厚度越高废水中总氮含量越低，充分说明生物炭对废水中氮素的富集作用；将贮存后的废水用于小麦生长的结果表明，使用秸秆覆盖的废水对促进小麦生长、提高小麦产量方面表现出更好的效果，且肥料氮磷利用率、小麦麦穗和秸秆产量均显著高于未覆盖麦秸的处理，氮素利用率最高达40％，磷素利用率达45％，小麦产量最高增产30％，秸秆产量增加35％，且麦穗和秸秆中氮磷含量均有不同程度地增加，但秸秆覆盖厚度为20、30与40cm间差异不显著；与废水贮存第二阶段未加入生物炭的处理相比，加入生物炭提高了贮存后废水中氮磷含量，且废水还田对促进小麦生长，提高小麦产量以及氮磷利用率的效果更好，施用废水贮存第二阶段未加入生物炭贮存的废水，小麦产量仅增产不到10％，氮、磷利用率仅为26％和30％。此外，在小麦生长过程中，对土壤渗滤液监测的结果显示，与常规施肥相比，施用未秸秆覆盖的贮存后猪场废水，造成土壤渗滤液氮磷含量增加，但施用秸秆覆盖的猪场废水的处理土壤渗滤液氮磷含量还略低于常规施肥，这主要得益于生物炭的添加，降低了废水中氮磷的迁移能力，提高了氮磷利用率。从经济成本的角度考虑，在猪场废水贮存时，秸秆覆盖层厚度不低于20cm，以20-30cm为宜。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种废水高效贮存利用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将废水经收集后汇入废水收集池；
步骤二、将废水收集池内的废水泵入废水一级贮存池内，并在一级贮存池内加入甲烷抑制剂混匀后，再加入木质纤维原料进行密封贮存；
步骤三、将废水一级贮存池处理后的废水泵入废水二级贮存池内，并将废水一级贮存池内的木质纤维原料取出，经加工改性制成生物炭后加入到废水二级贮存池内继续贮存；
步骤四、将步骤三贮存后的废水经稀释后进行废水还田灌溉。
2.根据权利要求1所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述废水收集是养殖场已建有完备的雨污分流系统的基础上，通过废水收集管网进行收集，废水收集池为方形或圆柱形，池壁最高处高出地表20cm，池体为砖砌或钢混结构，池内部做防渗处理，顶部有遮雨棚。
3.根据权利要求1或2所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述废水收集池的入口设有格栅。
4.根据权利要求1所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述废水一级贮存池与废水二级贮存池串联连接，且废水一级贮存池与废水二级贮存池均为地下池，池体深度不超过6m，池内做防渗和防腐处理。
5.根据权利要求4所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述废水一级贮存池与废水二级贮存池的池壁最高处高于地表20cm以上，两贮存池的顶部建有大棚，所述废水一级贮存池为地下砖砌或钢混结构池，顶部用红泥塑料或黑膜覆盖密封；废水二级贮存池采用砖砌或钢混池、厌氧池，两贮存池底部呈坡度设置，坡度角为5°～10°，废水一级贮存池的池底最低处设有污水泵，废水二级贮存池的池内最低处设有污水循环泵。
6.根据权利要求4所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述木质纤维原料经粉碎、过筛后覆盖于废水一级贮存池内的废水表面，覆盖层厚度为20-30cm，木质纤维原料包括稻草、麦秸、玉米秸、棉花秆、油菜秸、木屑、稻壳、米糠、园林修建物中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述木质纤维原料在废水一级贮存池内停留2-3个月后取出，经加工制成生物炭后，投入到废水二级贮存池内，投加量为1～3kg/m3；木质纤维原料制备生物炭的方法为：将从废水一级贮存池取出的木质纤维原料经脱水后置于3mol/L的MgCl2溶液中搅拌2h，过滤后于60℃下烘干后置于管式炉内，在600℃下以10℃/min的加热速度，在O2限制条件下热解获得改性的生物炭；对产生的生物炭过60目筛，筛下物投入到废水二级贮存池内，筛上物与下一批原料继续碳化。
8.根据权利要求1所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述甲烷抑制剂为替硝唑、氯仿、焦油、乙炔、蒽醌等中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述废水高效贮存利用方法，其特征在于，所述废水还田灌溉时，废水与水的比例为1:2-1:3。
10.一种废水高效贮存的系统，其特征在于，包括木质纤维原料改性装置、依次连接的废水收集池、废水一级贮存池和废水二级贮存池，所述废水一级贮存池内添加有木质纤维原料和甲烷抑制剂，所述木质纤维原料改性装置将废水一级贮存池内贮存后的木质纤维原料改性制作生物炭后加入废水二级贮存池中，所述废水二级贮存池设有排水口。
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