CN114736055A - 一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于污泥制备有机氮‑钙肥的方法，包括以下步骤：S1：根据污泥的有机质含量投加含钙碱性物质，辅以机械搅拌均质和破坏污泥结构；S2：将S1中处理后的污泥置于有机氮‑钙污泥肥制备反应器中进行反应；S3：将S2中反应后的泥水混合物固液分离，得到上清液；S4：采用有机溶剂自S3中得到的上清液中提取有机氮‑钙污泥肥，干燥后包装。与现有技术相比，本发明具有可快速制备、高肥效、低毒性、稳定性高、易运输保存等优点。

Description

一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法
技术领域
本发明涉及污泥资源化处理领域，尤其是涉及一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法。
背景技术
污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1％～2％，虽然占比小，但该领域内碳减排不影响国民经济发展，且环境效益高，是我国实现碳中和目标的重要领域。污泥是污水处理过程产生的副产物，具有污染和资源双重属性，若未经妥善处理，不仅会对环境造成二次污染，还会造成资源能源的浪费。基于此背景，污泥的处理处置应注重资源高效回收及利用，助力碳中和目标的实现。
氮肥的合成是能源密集型产业，每年消耗全世界约1％～2％的能源。污泥中含有丰富的氮，可回收用作植物性营养元素。将污泥肥料资源化土地利用，可替代部分化肥，有利于减少化肥生产过程的碳排放。
目前污泥肥料化的方式主要以堆肥为主，产品在农业、林业等行业接受程度低，主要存在着堆肥时间长，堆肥产品中有病原微生物、重金属等风险物质残留，肥效低、稳定性差、易腐败、商品化程度不高等缺陷。
CN 105060996 A以生活污水污泥为原料堆肥(7天以上)，与无机肥料进行复配制备观叶植物专用肥。但该方法存在堆肥时间长，复配所使用无机肥，如尿素易挥发失效、过磷酸钙中Ca2+易在土壤和植物体内固定的问题。
CN 104145669 A采用污泥为原料堆肥混合基质生产草坪，但污泥中的重金属未得到消减，存在环境风险。为打通污泥土地利用(肥料化)的通路，只有制备出新型污泥肥。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，较好地解决了现有技术制备污泥肥所存在的反应时间长、安全性差(病原微生物、重金属等风险)、稳定性差易腐败、肥效低等缺陷。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的是保护一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，包括以下步骤：
S1：根据污泥的有机质含量投加含钙碱性物质，辅以机械搅拌均质和破坏污泥结构；
S2：将S1中处理后的污泥置于有机氮-钙污泥肥制备反应器中进行反应；
S3：将S2中反应后的泥水混合物固液分离，得到上清液；
S4：采用有机溶剂自S3中得到的上清液中提取有机氮-钙污泥肥，干燥后包装。
进一步地，S1中，所述污泥包括初沉污泥、剩余污泥、消化污泥中的一种。
进一步地，S1中，所述含钙碱性物质为CaO或Ca(OH)2，含钙碱性物质的投加量为0.2～0.8g/gVS。
进一步地，S1中，机械搅拌的转速≥300rpm，搅拌时间为20～60min。
进一步地，所述有机氮-钙污泥肥制备反应器耐高温、耐碱、耐压、密闭性良好；
进一步地，S2中，反应的温度为80～160℃，时间2～6h。
进一步地，S3中，采用固液分离的形式为离心、板框脱水、重力浓缩中的一种。
进一步地，S4中，从上清液中提取有机氮-钙污泥肥的过程包括以下步骤：
S4-1：将S3中得到的上清液经0.45μm水系滤膜过滤去除悬浮物质；
S4-2：将S4-1过滤后的上清液中加入有机萃取剂，使得有机萃取剂与上清液体积比为5～9，搅拌速度50～100r/min，搅拌时间为10～30min，得到上清液-有机萃取剂混合液；
S4-3：将S4-2中的上清液-有机萃取剂混合液静置，并将析出的固体进行分离；
S4-4：重复S4-2至S4-3步骤2～8次，收集析出的固体并烘干，所得物质为有机氮-钙污泥肥。
进一步地，S4中，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。
进一步地，S4中，还包括S4-5：利用减压蒸馏法回收S4-3中分离固体后残留液体中的有机萃取剂，循环使用。
进一步地，S4中，得到的污泥有机氮-钙肥为有机氮物质官能团中的羰基氧、氨基氮与Ca2+联合形成环状物质。
在本技术方案的原理上，申请人认为以下几点需要说明：
1)污泥中有机氮含量丰富，主要为蛋白类物质，占污泥有机质总量的40％～60％。Ca(OH)2可增加污泥固相中有机氮溶出的作用，与NaOH相比溶出效果稍差，辅以热作用和机械作用可增强蛋白质溶出水解和病原菌消灭效果，Ca2+还可改善污泥的脱水性能，有助于溶解性有机氮与固相污泥实现固液分离。此外，钙是植物生长必需的元素之一，可促进植物生长，提高果实产量，增强抗逆性，可以避免Na+的盐残留抑制问题。
2)植物缺钙主要是由于无机钙肥在土壤和植物体内易形成不溶性的钙盐沉淀而固定，成为不能被植物转移和吸收利用的养分。Ca2+可与有机氮物质官能团中可提供孤对电子的原子(如羰基氧、氨基氮等)联合生成环状物质，稳定性高且具有水溶性，可避免与被土壤或植物体内的离子沉淀固定，同时更易转入细胞，植物具有更好的吸收效率，提高肥效。
3)有机氮-钙污泥肥几乎不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂中，而微量的游离金属离子能溶于有机溶剂，所以利用二者在有机溶剂中溶解度的差异，可以采用有机溶剂处理的办法来提取有机氮-钙污泥肥。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本技术方案使用含钙碱性物质调节污泥具有多种优点和作用效果。一方面是碱性的作用，可促进污泥有机氮的溶出，沉淀污泥中的重金属，降低重金属风险，另一方面可以提供肥料钙源，同时，联合高速搅拌和热处理有助于促进污泥有机氮的溶出，能够消灭病原菌；
2)本技术方案合成的有机氮-钙污泥肥肥效价值高，可同时补充氮和钙，结构稳定，具有水溶性，避免钙在土壤和植物体内被沉淀固定而失效，有利于植物吸收，促进植物生长；
3)本技术方案使用有机溶剂对有机氮-钙污泥肥进行纯化、干燥，与传统的液态肥和半固态肥相比，更有利于运输和稳定贮存，有利于商品化，其中有机溶剂可回收重复利用，低碳绿色；
4)本技术方案与好氧堆肥的制备周期相比，制备周期较短。
附图说明
图1为本技术方案中污泥有机氮-钙肥的制备及提取方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明中基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，工艺流程图参见图1，包括以下步骤：
S1：根据污泥的有机质含量投加含钙碱性物质，辅以机械搅拌均质和破坏污泥结构；
S2：将S1中处理后的污泥置于有机氮-钙污泥肥制备反应器中进行反应；
S3：将S2中反应后的泥水混合物固液分离，得到上清液；
S4：采用有机溶剂自S3中得到的上清液中提取有机氮-钙污泥肥，干燥后包装。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的制备手段、材料、结构或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
实施例1
测定剩余污泥的有机质(VS)含量为1.38％，加入0.6g/gVS的Ca(OH)2，以300r/min的转速搅拌30min，随后在120℃的条件下处理4h，采用板框压滤将污泥混合液固液分离，将上清液利用0.45μm滤膜过滤去除悬浮性物质。按照无水乙醇：滤液＝9:1的比例，在搅拌速度为50r/min的条件下反应30min后，在8000r/min离心分离析出的有机氮-钙污泥肥，重复无水乙醇洗涤4次后，将分离出的有机氮-钙污泥肥在50℃条件下烘干。
污泥中重金属含量满足《农用污泥中污染物控制标准》GB4284-A中对重金属的要求，固体有机氮-钙污泥肥的含量为15.40±0.88g/Kg湿污泥。将提取的有机氮-钙污泥肥与水按照质量比1:1000的比例溶解，在油菜生长期进行施用，每周喷肥一次，施用量为20mL/m2，连续施用6周，以清水组为参照，其他条件保持一致。结果表明，与对照组相比，油菜的叶绿素含量增加12.4％，单株平均重量增加8.1％。
实施例2
测定消化污泥的有机质(VS)含量为1.24％，加入0.8g/gVS的Ca(OH)2，以350r/min的转速搅拌60min，随后在160℃的条件下处理6h，采用板框压滤将污泥混合液固液分离，将上清液利用0.45μm滤膜过滤去除悬浮性物质。按照无水乙醇：滤液＝8:1的比例，在搅拌速度为60r/min的条件下反应20min后，在6000r/min离心分离析出的有机氮-钙污泥肥，重复无水乙醇洗涤4次后，将分离出的有机氮-钙污泥肥在60℃条件下烘干。
污泥中重金属含量满足农用污泥中污染物控制标准GB4284-A中对重金属的要求，固体有机氮-钙污泥肥的含量为12.40±0.88g/Kg湿污泥。将提取的有机氮-钙污泥肥与水按照质量比1:800的比例溶解，在油菜生长期进行施用，每周喷肥一次，施用量为20mL/m2，连续施用6周，以清水组为参照，其他条件保持一致。结果表明，与对照组相比，油菜的叶绿素含量增加10.1％，单株平均重量增加6.8％。
实施例3
测定初沉污泥的有机质(VS)含量为1.04％，加入0.2g/gVS的CaO，以300r/min的转速搅拌20min，随后在80℃的条件下热水解处理2h，采用板框压滤将污泥混合液固液分离，将上清液利用0.45μm滤膜过滤去除悬浮性物质。按照丙酮：滤液＝5:1的比例，在搅拌速度为60r/min的条件下反应20min后，在6000r/min离心分离析出的有机氮-钙污泥肥，重复无水乙醇洗涤3次后，将分离出的有机氮-钙污泥肥在55℃条件下烘干。
污泥中重金属含量满足农用污泥中污染物控制标准GB4284-A中对重金属的要求，固体有机氮-钙污泥肥的含量为7.10±0.88g/Kg湿污泥。将提取的有机氮-钙污泥肥与水按照质量比1:500的比例溶解，在油菜生长期进行施用，每周喷肥一次，施用量为20mL/m2，连续施用6周，以清水组为参照，其他条件保持一致。结果表明，与对照组相比，油菜的叶绿素含量增加11.7％，单株平均重量增加7.1％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据污泥的有机质含量投加含钙碱性物质，辅以机械搅拌均质和破坏污泥结构；
S2：将S1中处理后的污泥置于有机氮-钙污泥肥制备反应器中进行反应；
S3：将S2中反应后的泥水混合物固液分离，得到上清液；
S4：采用有机溶剂自S3中得到的上清液中提取有机氮-钙污泥肥，干燥后包装。
2.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S1中，所述污泥包括初沉污泥、剩余污泥、消化污泥中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S1中，所述含钙碱性物质为CaO或Ca(OH)2，含钙碱性物质的投加量为0.2～0.8g/gVS。
4.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S1中，机械搅拌的转速≥300rpm，搅拌时间为20～60min。
5.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S2中，反应的温度为80～160℃，时间2～6h。
6.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S3中，采用固液分离的形式为离心、板框脱水、重力浓缩中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S4中，从上清液中提取有机氮-钙污泥肥的过程包括以下步骤：
S4-1：将S3中得到的上清液经0.45μm水系滤膜过滤去除悬浮物质；
S4-2：将S4-1过滤后的上清液中加入有机萃取剂，使得有机萃取剂与上清液体积比为5～9，搅拌速度50～100r/min，搅拌时间为10～30min，得到上清液-有机萃取剂混合液；
S4-3：将S4-2中的上清液-有机萃取剂混合液静置，并将析出的固体进行分离；
S4-4：重复S4-2至S4-3步骤2～8次，收集析出的固体并烘干，所得物质为有机氮-钙污泥肥。
8.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S4中，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。
9.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S4中，还包括S4-5：利用减压蒸馏法回收S4-3中分离固体后残留液体中的有机萃取剂，循环使用。
10.根据权利要求1所述的一种基于污泥制备有机氮-钙肥的方法，其特征在于，S4中，得到的污泥有机氮-钙肥为有机氮物质官能团中的羰基氧、氨基氮与Ca2+联合形成环状物质。
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