從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法
2023-05-11 02:46:36 1
專利名稱：從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法
技術領域：
本發明屬於汙水處理、磷鉀回收以及磷鉀複合肥生產工藝領域，涉及一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法。
背景技術：
氮磷鉀是農作物最重要的三種營養元素，然而磷鉀的資源緊張卻越來越成為世界各國、尤其是中國經濟發展中的一個嚴峻問題。磷礦資源的世界探明儲量僅可維持80 100年，鉀礦主要集中在少數幾個國家，中國所需要的鉀嚴重依賴進口，進口鉀長期達70% 以上，磷鉀都被國土資源部列為2010年後不能滿足國民經濟發展需求的重要礦種。與此同時，水體富營養化卻成為水汙染中最棘手的問題。未得到有效控制的汙水氮磷排放以及大規模的城市化進程，使得中國水環境遭受越來越大的壓力，目前城市汙水處理廠脫氮除磷工藝的升級勢在必行，卻也同時增大了水處理的成本。因此，從汙水中回收營養元素為緩解這種矛盾提供了一種更可持續的思路。瑞士聯邦水環境學院的報告指出，每人平均每天排尿1. 5升，雖然僅佔人均排水量約1%，但卻貢獻了城市生活汙水80%的氮、50%的磷和90%的鉀。從源頭上將尿液分離式收集意味著能夠大量減少城市生活汙水的氮、磷含量，降低末端汙水處理廠脫氮除磷的壓力，降低氮、磷排放汙染水體的風險，將對改善城市水體水質起到非常關鍵的作用。與此同時，尿液中含有高濃度的營養元素，每立方米尿液中含約有8千克氮、0. 8千克磷和2. 2 千克鉀，尤其是其中鉀含量約為海水的6倍，這使得尿液成為氮磷鉀資源的巨大寶庫，實現其中氮磷鉀的資源化能促進營養元素物質流動的閉合循環，改變傳統上將營養元素視為汙染物的敞開式流動方式，這將是一種更可持續的汙水處理模式。尿液的資源化途徑有兩條，一是尿液腐熟後用作農用肥料，二是尿液中營養元素的工藝化回收。尿液腐熟，是指尿液在儲存期間發生的氨化過程，以及伴隨氨化過程發生的生物、物理和化學變化。此時，尿素轉化為植物易於吸收的氨氮。尿液腐熟180天即可有效殺滅大腸桿菌和致病菌，滿足農用液體肥料的安全標準。這個資源化途徑具有成本低、操作簡單的優點，目前多數的源分離示範工程都是使用了這一資源化途徑。但是，尿液作為農用液體肥料有著很大的局限性，尿液180天腐熟需要巨大的儲存空間，佔地及基建成本高，且腐熟中存在氮磷損失和異味影響周邊環境的問題，這些局限性限制了尿液腐熟在城市地區的大規模應用。相比之下，尿液中營養元素的工藝化回收有希望突破尿液用作液體肥料的局限性，從而在城市地區實現規模化生產。尿液中營養元素的工藝化回收已經成為當前國內外的研究熱點，相繼開發的技術包括吹脫再吸附回收氨氮、沸石吸附氮磷和結晶法回收磷等。其中，磷酸銨鎂結晶法被認為是目前非常具有潛力的一種共同回收氮磷的方法。磷酸銨鎂，又稱為鳥糞石，其反應式為
Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H20 ^ MgNH4PO4-6H20 J,
磷酸銨鎂可以同時沉澱回收氮和磷，在優化反應條件下，氮磷回收率都能達到95%以上，具有很大優勢。但是，總結髮現，目前較多的技術方法主要集中在氮與磷的回收， 而關於尿液中的重要資源鉀的回收技術卻屬於空白。針對這一現狀，基於大量的文獻調研和實驗室研究，我們認為利用磷酸鉀鎂沉澱能夠實現磷鉀的同步回收，沉澱反應式為
Mg2+ + K+ + PO廣 + 6H20 ^ MgKPO4-6H20 J,磷酸鉀鎂水溶性較差，不易隨水流失，尤其適用於灌溉類農作物的施肥，可以說是一種緩釋型磷鉀複合肥，在農業上具有廣闊的應用前景。尿液中高濃度的氨氮是制約該方法的一個關鍵因素。尿液汙水中除含有高濃度的磷和鉀，同時含有高濃度的氨氮。磷酸銨鎂的溶度積常數小於磷酸鉀鎂，意味著磷酸銨鎂優於磷酸鉀鎂沉澱，不利於磷鉀的同步回收。為更好的回收磷鉀，需要預先進行尿液汙水的預處理以削減氨氮的影響，氨氮脫除的技術已經較為成熟，比如氨氮吹脫、氨氮硝化、硝化/ 反硝化和亞硝化/厭氧氨氧化等。沉澱條件是決定該方法澱的另一個關鍵因素。根據磷酸鉀鎂沉澱反應式， 溶液中Mg2+ K+ P043_摩爾比至少需要維持在1 1 1左右，而實際尿液汙水中 Mg2+ K+ PO43-約為0.06 1 0.60，因此，需要投加一定量的Mg2+和PO43-以保證鉀的沉澱回收。鑑於此，針對已進行氨氮脫除預處理的尿液汙水，我們開發了從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，首先是通過沉澱條件的調節實現磷鉀的同步回收， 其次通過固液分離及沉澱產物烘乾造粒實現顆粒肥料的生產。
發明內容
本發明針對已全部或大部脫除氨氮的尿液汙水，旨在開發一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法。本發明的技術方案如下一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟1)在尿液汙水中投加溶解性鎂鹽或鎂鹽溶液，調節溶液中Mg2+ K+摩爾比為2 4，再投加溶解性磷酸鹽或磷酸鹽溶液，調節溶液中P043_ K+摩爾比為2 4;2)在攪拌過程中向上述溶液投加NaOH，調節pH值為9 11，溶液中生成灰白色沉澱物，反應時間需至少為20min，攪拌速度至少為150r/min ；3)停止攪拌，使得灰白色沉澱物在溶液中沉降，沉降時間需至少為20min，之後傾出上清液或者過濾，收集沉澱物；4)將收集所得的沉澱物烘乾造粒，所得顆粒即為緩釋型磷鉀複合肥；該緩釋型磷鉀複合肥中，以氧化二鉀計的鉀肥含量為6 13%，以五氧化二磷計的磷肥含量為32 50%。本發明所述的尿液汙水為已全部或大部脫除氨氮的尿液汙水，其中氨氮摩爾濃度不高於鉀的摩爾濃度。本發明所述的溶解性鎂鹽優選採用氯化鎂或硫酸鎂，溶解性磷酸鹽優選採用磷酸鈉、磷酸氫二鈉或磷酸二氫鈉。本發明的技術特徵還在於步驟1)中投加溶解性鎂鹽和溶解性磷酸鹽後，溶液中 Mg2+ PO43-摩爾比應控制在1 1. 3之間。本發明的顯著優點在於①鉀的回收率可達75%以上，磷的回收率可達90%以上； ②所得磷鉀複合肥中的鉀肥含量為6 13% (以氧化二鉀計)，磷肥含量為32 50% (以五氧化二磷計)；③所得複合肥肥效釋放緩慢，為緩釋型磷鉀複合肥，且肥效不易隨灌溉水流失。
具體實施例方式本發明提供的一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，具體包括以下步驟1).在尿液汙水中投加溶解性鎂鹽或鎂鹽溶液，調節溶液中Mg2+ K+摩爾比為 2 4，再投加溶解性磷酸鹽或磷酸鹽溶液，調節溶液中P043_ K+摩爾比為2 4 ；2).在攪拌過程中向上述溶液投加NaOH，調節pH值為9 11，溶液中生成灰白色沉澱物，反應時間需至少為20min，攪拌速度至少為150r/min ；3).停止攪拌，使得灰白色沉澱物在溶液中沉降，沉降時間需至少為20min，之後傾出上清液或者過濾，收集沉澱物；4).將收集所得沉澱產物烘乾造粒，所得顆粒即為緩釋型磷鉀複合肥；緩釋型磷鉀複合肥中，以氧化二鉀計的鉀肥含量為6 13%，以五氧化二磷計的磷肥含量為32 50%。下面舉出幾個具體實施例以進一步闡明本發明的技術方案。實施例一已全部脫除氨氮的尿液汙水，性質如表1所示。首先投加固體MgCl2 ·6Η20以調節溶液中Mg2+ K+摩爾比為2，投加固體Na2HPO4 ·12Η20以調節溶液中PO43- K+摩爾比為2， 溶液中Mg2+ Ρ043_摩爾比為1，繼而在150r/min機械臂攪拌條件下，調節溶液pH至10使得溶液反應進行20min，待沉降20min後收集沉澱產物，最後進行烘乾造粒生產緩釋型顆粒磷鉀複合肥。方法對尿液汙水中磷鉀的回收效率如表1所示。複合肥中的鉀肥含量為12% (以氧化二鉀計)，磷肥含量為41% (以五氧化二磷計)。表1實例一中尿液汙水的性質及方法對磷鉀的回收率
權利要求
1.一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟1)在尿液汙水中投加溶解性鎂鹽或鎂鹽溶液，調節溶液中Mg2+ K+摩爾比為2 4， 再投加溶解性磷酸鹽或磷酸鹽溶液，調節溶液中P043_ K+摩爾比為2 4;2)在攪拌過程中向上述溶液投加NaOH，調節pH值為9 11，溶液中生成灰白色沉澱物，反應時間需至少為20min，攪拌速度至少為150r/min ；3)停止攪拌，使得灰白色沉澱物在溶液中沉降，沉降時間需至少為20min，之後傾出上清液或者過濾，收集沉澱物；4)將收集所得的沉澱物烘乾造粒，所得顆粒即為緩釋型磷鉀複合肥；該緩釋型磷鉀複合肥中，以氧化二鉀計的鉀肥含量為6 13%，以五氧化二磷計的磷肥含量為32 50%。
2.根據權利要求1所述的一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，其特徵在於所述的尿液汙水為已全部或大部脫除氨氮的尿液汙水，所述尿液汙水中氨氮摩爾濃度不高於鉀的摩爾濃度。
3.根據權利要求1所述的一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，其特徵在於所述的溶解性鎂鹽為氯化鎂或硫酸鎂，溶解性磷酸鹽為磷酸鈉、磷酸氫二鈉或磷酸二氫鈉。
4.根據權利要求1所述的一種從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，其特徵在於步驟1)中投加溶解性鎂鹽和溶解性磷酸鹽後，溶液中Mg2+ PO43-摩爾比應控制在1 1.3之間。
全文摘要
從尿液汙水中回收磷鉀並製造緩釋型磷鉀複合肥的方法，屬於汙水處理、磷鉀回收及農用肥料生產技術領域。該方法的工藝步驟如下基於對尿液汙水性質的分析，首先投加溶解性鎂鹽和磷酸鹽以調節溶液中Mg2+∶K+∶PO43-摩爾比至適當值，繼而在攪拌條件下，調節溶液pH至適當值使得溶液中生成沉澱物，待沉降後收集沉澱產物，最後進行烘乾造粒生產緩釋型顆粒磷鉀複合肥。本方法對鉀的回收率可達75％以上，對磷的回收率可達90％以上；所得磷鉀複合肥中的鉀肥含量為6～13％(以氧化二鉀計)，磷肥含量為32～50％(以五氧化二磷計)；所得複合肥顆粒肥效釋放緩慢，為緩釋型磷鉀複合肥，且肥效不易隨灌溉水流失。
文檔編號C05G1/00GK102229506SQ201110087779
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者徐康寧, 汪誠文 申請人:清華大學