專利名稱：從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理、磷鉀回收以及磷鉀復(fù)合肥生產(chǎn)工藝領(lǐng)域，涉及一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法。
背景技術(shù)：
氮磷鉀是農(nóng)作物最重要的三種營養(yǎng)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(jīng)濟發(fā)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(shù)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年后不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需求的重要礦種。與此同時，水體富營養(yǎng)化卻成為水污染中最棘手的問題。未得到有效控制的污水氮磷排放以及大規(guī)模的城市化進程，使得中國水環(huán)境遭受越來越大的壓力，目前城市污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，從污水中回收營養(yǎng)元素為緩解這種矛盾提供了一種更可持續(xù)的思路。瑞士聯(lián)邦水環(huán)境學(xué)院的報告指出，每人平均每天排尿1. 5升，雖然僅占人均排水量約1%，但卻貢獻了城市生活污水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污水的氮、磷含量，降低末端污水處理廠脫氮除磷的壓力，降低氮、磷排放污染水體的風(fēng)險，將對改善城市水體水質(zhì)起到非常關(guān)鍵的作用。與此同時，尿液中含有高濃度的營養(yǎng)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(xiàn)其中氮磷鉀的資源化能促進營養(yǎng)元素物質(zhì)流動的閉合循環(huán)，改變傳統(tǒng)上將營養(yǎng)元素視為污染物的敞開式流動方式，這將是一種更可持續(xù)的污水處理模式。尿液的資源化途徑有兩條，一是尿液腐熟后用作農(nóng)用肥料，二是尿液中營養(yǎng)元素的工藝化回收。尿液腐熟，是指尿液在儲存期間發(fā)生的氨化過程，以及伴隨氨化過程發(fā)生的生物、物理和化學(xué)變化。此時，尿素轉(zhuǎn)化為植物易于吸收的氨氮。尿液腐熟180天即可有效殺滅大腸桿菌和致病菌，滿足農(nóng)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(yōu)點，目前多數(shù)的源分離示范工程都是使用了這一資源化途徑。但是，尿液作為農(nóng)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，占地及基建成本高，且腐熟中存在氮磷損失和異味影響周邊環(huán)境的問題，這些局限性限制了尿液腐熟在城市地區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用。相比之下，尿液中營養(yǎng)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(qū)實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。尿液中營養(yǎng)元素的工藝化回收已經(jīng)成為當前國內(nèi)外的研究熱點，相繼開發(fā)的技術(shù)包括吹脫再吸附回收氨氮、沸石吸附氮磷和結(jié)晶法回收磷等。其中，磷酸銨鎂結(jié)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(yīng)式為
Mg2+ + NH4+ + PO43- + 6H20 ^ MgNH4PO4-6H20 J,
磷酸銨鎂可以同時沉淀回收氮和磷，在優(yōu)化反應(yīng)條件下，氮磷回收率都能達到95%以上，具有很大優(yōu)勢。但是，總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前較多的技術(shù)方法主要集中在氮與磷的回收， 而關(guān)于尿液中的重要資源鉀的回收技術(shù)卻屬于空白。針對這一現(xiàn)狀，基于大量的文獻調(diào)研和實驗室研究，我們認為利用磷酸鉀鎂沉淀能夠?qū)崿F(xiàn)磷鉀的同步回收，沉淀反應(yīng)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，尤其適用于灌溉類農(nóng)作物的施肥，可以說是一種緩釋型磷鉀復(fù)合肥，在農(nóng)業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。尿液中高濃度的氨氮是制約該方法的一個關(guān)鍵因素。尿液污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(shù)小于磷酸鉀鎂，意味著磷酸銨鎂優(yōu)于磷酸鉀鎂沉淀，不利于磷鉀的同步回收。為更好的回收磷鉀，需要預(yù)先進行尿液污水的預(yù)處理以削減氨氮的影響，氨氮脫除的技術(shù)已經(jīng)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。沉淀條件是決定該方法淀的另一個關(guān)鍵因素。根據(jù)磷酸鉀鎂沉淀反應(yīng)式， 溶液中Mg2+ K+ P043_摩爾比至少需要維持在1 1 1左右，而實際尿液污水中 Mg2+ K+ PO43-約為0.06 1 0.60，因此，需要投加一定量的Mg2+和PO43-以保證鉀的沉淀回收。鑒于此，針對已進行氨氮脫除預(yù)處理的尿液污水，我們開發(fā)了從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，首先是通過沉淀條件的調(diào)節(jié)實現(xiàn)磷鉀的同步回收， 其次通過固液分離及沉淀產(chǎn)物烘干造粒實現(xiàn)顆粒肥料的生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對已全部或大部脫除氨氮的尿液污水，旨在開發(fā)一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)在尿液污水中投加溶解性鎂鹽或鎂鹽溶液，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)pH值為9 11，溶液中生成灰白色沉淀物，反應(yīng)時間需至少為20min，攪拌速度至少為150r/min ；3)停止攪拌，使得灰白色沉淀物在溶液中沉降，沉降時間需至少為20min，之后傾出上清液或者過濾，收集沉淀物；4)將收集所得的沉淀物烘干造粒，所得顆粒即為緩釋型磷鉀復(fù)合肥；該緩釋型磷鉀復(fù)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(fā)明所述的尿液污水為已全部或大部脫除氨氮的尿液污水，其中氨氮摩爾濃度不高于鉀的摩爾濃度。本發(fā)明所述的溶解性鎂鹽優(yōu)選采用氯化鎂或硫酸鎂，溶解性磷酸鹽優(yōu)選采用磷酸鈉、磷酸氫二鈉或磷酸二氫鈉。本發(fā)明的技術(shù)特征還在于步驟1)中投加溶解性鎂鹽和溶解性磷酸鹽后，溶液中 Mg2+ PO43-摩爾比應(yīng)控制在1 1. 3之間。本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于①鉀的回收率可達75%以上，磷的回收率可達90%以上； ②所得磷鉀復(fù)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所得復(fù)合肥肥效釋放緩慢，為緩釋型磷鉀復(fù)合肥，且肥效不易隨灌溉水流失。
具體實施例方式本發(fā)明提供的一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，具體包括以下步驟1).在尿液污水中投加溶解性鎂鹽或鎂鹽溶液，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)pH值為9 11，溶液中生成灰白色沉淀物，反應(yīng)時間需至少為20min，攪拌速度至少為150r/min ；3).停止攪拌，使得灰白色沉淀物在溶液中沉降，沉降時間需至少為20min，之后傾出上清液或者過濾，收集沉淀物；4).將收集所得沉淀產(chǎn)物烘干造粒，所得顆粒即為緩釋型磷鉀復(fù)合肥；緩釋型磷鉀復(fù)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(fā)明的技術(shù)方案。實施例一已全部脫除氨氮的尿液污水，性質(zhì)如表1所示。首先投加固體MgCl2 ·6Η20以調(diào)節(jié)溶液中Mg2+ K+摩爾比為2，投加固體Na2HPO4 ·12Η20以調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)溶液pH至10使得溶液反應(yīng)進行20min，待沉降20min后收集沉淀產(chǎn)物，最后進行烘干造粒生產(chǎn)緩釋型顆粒磷鉀復(fù)合肥。方法對尿液污水中磷鉀的回收效率如表1所示。復(fù)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實例一中尿液污水的性質(zhì)及方法對磷鉀的回收率
權(quán)利要求
1.一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)在尿液污水中投加溶解性鎂鹽或鎂鹽溶液，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)pH值為9 11，溶液中生成灰白色沉淀物，反應(yīng)時間需至少為20min，攪拌速度至少為150r/min ；3)停止攪拌，使得灰白色沉淀物在溶液中沉降，沉降時間需至少為20min，之后傾出上清液或者過濾，收集沉淀物；4)將收集所得的沉淀物烘干造粒，所得顆粒即為緩釋型磷鉀復(fù)合肥；該緩釋型磷鉀復(fù)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，其特征在于所述的尿液污水為已全部或大部脫除氨氮的尿液污水，所述尿液污水中氨氮摩爾濃度不高于鉀的摩爾濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的一種從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，其特征在于步驟1)中投加溶解性鎂鹽和溶解性磷酸鹽后，溶液中Mg2+ PO43-摩爾比應(yīng)控制在1 1.3之間。
全文摘要
從尿液污水中回收磷鉀并制造緩釋型磷鉀復(fù)合肥的方法，屬于污水處理、磷鉀回收及農(nóng)用肥料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。該方法的工藝步驟如下基于對尿液污水性質(zhì)的分析，首先投加溶解性鎂鹽和磷酸鹽以調(diào)節(jié)溶液中Mg2+∶K+∶PO43-摩爾比至適當值，繼而在攪拌條件下，調(diào)節(jié)溶液pH至適當值使得溶液中生成沉淀物，待沉降后收集沉淀產(chǎn)物，最后進行烘干造粒生產(chǎn)緩釋型顆粒磷鉀復(fù)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；所得磷鉀復(fù)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)；所得復(fù)合肥顆粒肥效釋放緩慢，為緩釋型磷鉀復(fù)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(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者徐康寧, 汪誠文 申請人:清華大學(xué)