一種利用選擇性電滲析從沼液中分離濃縮養分的方法與流程
2023-06-05 19:48:01
本發明屬於水汙染控制與資源再生領域，具體涉及一種利用選擇性電滲析從沼液中分離和濃縮養分的方法。
背景技術：
近年來規模化畜禽養殖業迅猛發展，產生了大量的畜禽糞汙，也給環境帶來了巨大的壓力。沼氣發酵技術是一種有效處理和利用畜禽糞便的方法，其產生的沼氣是一種廉價的清潔能源，具有較高的利用價值。在國家及各級政府的扶持下，我國沼氣技術水平和規模的發展突飛猛進，取得了顯著的成效。截止2011年底，全國沼氣工程達7.27萬處，其中大型沼氣工程4631處（單體容積300m3以上），中型沼氣工程2.28萬處（單體容積50-300m3），到2020年沼氣產量預計達到400億m3。
沼液是沼氣厭氧發酵後的產物，含有豐富的氮、磷、鉀等營養元素，是一種優良的液體有機肥料，速效營養能力強，養分可利用率高，可用於浸種、葉面噴施、農田灌溉、水培蔬菜和飼餵豬魚等方面。目前，直接農田肥用是沼液最主要的利用方式。然而，沼氣池運行會連續排放沼液，遠遠超過周邊農田作物施肥規律的一次性消納，大量的沼液存放在沼氣池周圍無法消納，成為影響沼氣工程正常運行的難題，也是環境的潛在威脅和養分資源的極大浪費。另一方面，沼液中的養分nh4+-n200-800mg/l、po43--p30-120mg/l、k+80-500mg/l，相對於傳統商業肥料具有營養物濃度低、儲存體積大和運輸成本高等缺點，並且還有異味，不利於集中收集與跨區域利用，制約了沼液中養分資源的循環利用。因此，研發經濟、可行的沼液中氮、磷、鉀養分分離、濃縮的方法，可為後續磷回收或氮磷鉀濃縮、獲取高價值的商品肥料打下基礎，有利於提高沼液的利用率，促進沼液資源高值化利用，對生態環境的可持續發展具有積極意義。
技術實現要素：
本發明提供了一種利用選擇性電滲析從沼液中分離濃縮養分的方法，可實現沼液中nh4+、po43-、k+等養分的分離濃縮，有利於促進沼液中養分資源的高值化利用，提高沼液的資源化利用率。本發明的特徵在於所述方法步驟為：
（1）採用預處理方法去除沼液中的懸浮性和膠體性顆粒物，然後固液分離，將上清液泵入設置的選擇性電滲析系統進行nh4+、po43-、k+的分離和濃縮；當分離濃縮完成後，選擇性電滲析系統所得的極液1為含po43-濃縮液，極液2為含nh4+和k+的濃縮液。
（2）步驟（1）中所述沼液中的懸浮性和膠體性顆粒物的預處理方法是以下方法組合：混凝、沉澱、過濾和膜濾。
（3）步驟（1）中所述的選擇性電滲析系統由兩側的電極室及夾在兩側的電極室之間的腔室構成；所述腔室包括一個或多個腔室單元，每個腔室單元由依次排列的濃液室、極液1室、料液和極液2室構成，濃液室和極液1室以一價陰離子選擇性交換膜（mva）為間隔，極液1室和料液室以陰離子交換膜（sa）為間隔，料液室與極液2室以陽離子交換膜（sk）為間隔；若為多個腔室單元，則極液2室和下一個腔室單元的濃液室以一價選擇性陽離子交換膜（mvk）為間隔；與兩側的電極室相鄰的腔室單元與電極室之間以單極陽離子交換膜為間隔（pc-sc）；與濃液室相鄰的電極室為陽極室，與料液室相鄰的電極室為陰極室，陽極室內設置有與直流電源的正極相連接的陽極板，陰極室設置有與直流電源的負極相連接的陰極板；mvk膜在安裝時陽離子交換層朝向陽極室，mva膜在安裝時陰離子交換層朝向陰極室。
（4）步驟（1）中所述的選擇性電滲析系統運行方法如下：將預處理後的沼液循環泵入選擇性電滲析系統的料液室，將濃度不低於0.05mol/l的強電解質溶液循環泵入選擇性電滲析系統的極液1室，將濃度不低於0.05mol/l的強電解質溶液循環泵入選擇性電滲析系統的極液2室，將濃度不低於0.05mol/l的強電解質溶液循環泵入選擇性電滲析系統的濃液室，將濃度不低於0.05mol/l的電極清洗溶液循環泵入選擇性電滲析系統的電極室；通過直流電源向選擇性電滲析系統施加直流電進行選擇性電滲析，在料液室電導率不低於5ms/cm情況下完成沼液中磷酸鹽、銨氮和鉀分離和濃縮。
（5）步驟（4）中所述的選擇性電滲析系統料液室中為沼液；所述選擇性電滲析系統極液1室、極液2室和濃液室中的強電解質溶液為氯化鈉、氯化鉀、硫酸鈉或硫酸鉀溶液；所述選擇性電滲析系統電極室中電極清洗溶液為氨基磺酸鈉或硫酸鈉溶液。
（6）步驟（4）中所述的選擇性電滲析系統運行的電流密度為10-100ma/cm2。
本發明提出的方法首先通過預處理去除沼液中的懸浮性或膠體性的雜質，然後經過選擇性電滲析分離和濃縮po43-、nh4+和k+，可為後續磷回收或氮磷鉀濃縮、獲取高價值的商品肥料打下基礎，有利於提高沼液的利用率，促進沼液資源的高值化利用。
附圖說明
圖1選擇性電滲析膜堆示意圖。
具體實施方式
下面所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
實施例1：
某養豬場沼液，初始ph值7.5、懸浮固體830mg/l、nh4+560mg/l、po43-63mg/l和k+92mg/l。首先採用混凝沉澱對沼液進行預處理，將上清液泵入設置的選擇性電滲析系統進行nh4+、po43-、k+的分離和濃縮；當沼液中電導率為5ms/cm時停止電滲析，此時，選擇性電滲析系統所得的極液1中po43-濃度1260mg/l，極液2中nh4+與k+的濃度分別為10800mg/l和1820mg/l。
上述步驟中所述的選擇性電滲析系統由兩側的電極室及夾在兩側的電極室之間的腔室構成，採用的膜尺寸為80×80mm；所述腔室包括5個腔室單元，每個腔室單元由依次排列的濃液室、極液1室、料液和極液2室構成，濃液室和極液1室以一價陰離子選擇性交換膜（mva）為間隔，極液1室和料液室以陰離子交換膜（sa）為間隔，料液室與極液2室以陽離子交換膜（sk）為間隔；極液2室和下一個腔室單元的濃液室以一價選擇性陽離子交換膜（mvk）為間隔；與兩側的電極室相鄰的腔室單元與電極室之間以單極陽離子交換膜為間隔（pc-sc）；與濃液室相鄰的電極室為陽極室，與料液室相鄰的電極室為陰極室，陽極室內設置有與直流電源的正極相連接的陽極板，陰極室設置有與直流電源的負極相連接的陰極板；mvk膜在安裝時陽離子交換層朝向陽極室，mva膜在安裝時陰離子交換層朝向陰極室。
上述步驟中選擇性電滲析系統的運行方式如下：將預處理後的沼液循環泵入選擇性電滲析系統的料液室，將0.25mol/l的氯化鈉溶液循環泵入選擇性電滲析系統的極液1室，將0.25mol/l的氯化鈉溶液循環泵入選擇性電滲析系統的極液2室，將0.25mol/l的氯化鈉溶液循環泵入選擇性電滲析系統的濃液室，將1mol/l的氨基磺酸鈉溶液循環泵入選擇性電滲析系統的電極室；通過直流電源向選擇性電滲析系統施加直流電進行選擇性電滲析，控制電流密度為30ma/cm2；當料液室電導率為6ms/cm時完成沼液中nh4+、po43-、k+的分離和濃縮。