CN114177885A - 一种回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废水处理与固废资源化利用技术领域，公开了一种回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料及其制备方法和应用。所述含镁生物炭液体材料是将含镁废渣粉末与湿猪粪的混合物，加水充分混匀后烘干，将所得固体在保护气氛下600～700℃热解，将所得含镁废渣改性猪粪生物炭加水在胶体磨机中研磨制得。本发明能充分利用发电厂烟气脱硫副产品含镁废渣改性猪粪生物炭，并研磨成液体材料，应用于猪场生化出水深度处理，磷回收率达到99％以上，吸附量在117mg/g以上，同时色度去除率达到87％以上。
Description
技术领域
本发明属于废水处理与固废资源化利用技术领域，更具体地，涉及一种回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料及其制备方法和应用。
背景技术
我国是畜牧业生产大国，近年来，规模化养猪场的比例越来越高，产生了大量的粪便废弃物。目前，规模化养猪场大多采用黑膜沼气池处理猪粪，出水沼液经过生化处理后还会存在磷排放不达标且色度深等问题，容易造成水体富营养化，危害水体动物的生存。因此，有必要进一步回收磷资源。吸附法回收磷元素成本低廉且操作简单，是一种很有前途的回收磷的方法。
生物炭是一种良好的吸附材料，是在缺氧条件下由生物质热解而得来，可以由多种原材料生产，如木材、农业废弃物、污水污泥和畜禽粪便等。生物炭不仅富含氧官能团，而且生产成本低，在环境应用方面具有巨大的潜力。然而，生物炭表面通常带负电荷，因此生物炭对磷的直接吸附能力比较差，因为在pH值范围很宽的水溶液中磷是以阴离子的形式存在的。为了使生物炭更好的吸附水中的磷，目前大多数利用镁、钙、铝、铁等阳离子对生物炭进行改性，进行表面官能团修饰。这些处理能使阳离子嵌入生物炭表面，在生物炭和被吸附物间构建一座阳离子桥，使生物炭吸附磷阴离子的性能大大提高。但是，这些改性方法存在成本高，工艺操作复杂等不足之处，且粉末生物炭施用时易造成粉尘污染。因此，寻找成本低廉且操作简单的改性生物炭方法回收磷资源仍是必需的。
含镁废渣是发电厂镁法烟气脱硫的副产品，其主要成分是硫酸镁和硫酸亚镁，但因其再生利用复杂而被大量抛弃，造成环境污染和资源浪费。用含镁废渣作为镁源，对猪粪生物炭进行改性，能显著提高生物炭的吸附磷酸盐的性能。将工业固体废物与含碳材料共热解制备生物炭，不仅能够显著改善生物炭吸附磷的性能还能够使固废资源化，是可持续发展之道。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明提供一种回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料。该材料具有大的吸附面积，施用时能快速均匀的分散到水体中，避免粉尘污染，提高生物炭吸附效率。
本发明的另一目的在于提供上述方法制备的含镁生物炭液体材料的制备方法。该方法简单易操作，取材便利，能有效利用工业固体废物和猪场废弃物，使之资源化，同时能够有效解决猪场生化出水色度深和水体富营养化的问题。
本发明的再一目的在于提供上述方法制备的含镁生物炭液体材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料，所述含镁生物炭液体材料是将含镁废渣粉末与湿猪粪的混合物，加水充分混匀后烘干，将所得固体在保护气氛下600～700℃热解，将所得含镁废渣改性猪粪生物炭加水在胶体磨机中研磨制得。
优选地，所述湿猪粪的含水率为70～80％；所述含镁废渣粉末为发电厂烟气脱硫副产品含镁废渣干燥后研磨过筛，所述筛的孔径为150～200μm。
优选地，所述含镁废渣粉末和湿猪粪的重量比为1:(5～10)。
优选地，所述含镁废渣粉末与湿猪粪的总质量与水的体积比为1g：2mL。
优选地，所述含镁废渣改性猪粪生物炭的质量和水的体积比为1g:(5～10)mL。
所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将含镁废渣粉末与湿猪粪的混合物，加水充分混匀后烘干，得到固体；
S2.将固体在保护气氛下600～700℃热解，得到含镁废渣改性猪粪生物炭；
S3.将含镁废渣改性猪粪生物炭加水在胶体磨机中研磨，得到含镁生物炭液体材料。
优选地，步骤S1中所述烘干的温度为100～105℃。
优选地，步骤S2中所述热解的时间为1～2h，所述保护气氛为氮气或氩气；所述研磨的时间为15～30min。
所述含镁生物炭液体材料在猪场生化出水脱色除磷深度处理领域中的应用。
所述含镁生物炭液体材料在猪场出水中磷去除率达到99％以上，色度去除率达到87％以上。
本发明的原理在于：猪粪含有大量的可挥发性有机物，碳源含量丰富，其碳含量可达到34％，是制备生物炭的理想原料；研究表明，Mg改性生物炭可以改善生物炭吸附磷的效果，通过吸附、阳离子交换和沉淀等作用回收磷资源；生物炭与水混合胶磨后粉粹成超微细颗粒，极大地增大了吸附活性表面，提高生物炭吸附性能，且均匀的分布在水中，施用时能避免的粉尘污染，且可以快速的分散到水体中，提高吸附速率和效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用含镁废渣粉末和猪粪热解，猪粪制备生物炭，含镁废渣粉末中的Mg以Mg-O或Mg-OH的形式键合在生物炭上，通过静电吸引和Mg-P沉淀，极大提高了猪粪生物炭吸附磷酸盐的性能，同时对色度的去除具有效果。应用于猪场生化出水深度处理，磷回收率(去除率)达到99％以上，吸附容量在117mg/g以上，同时色度去除率达到87％以上，实现废物的资源化利用，解决猪粪和含镁废渣再利用的问题。
2.本发明将猪粪生物炭在胶体磨中研磨得到含镁生物炭液体材料，增大其吸附面积，施用时能快速均匀的分散到水体中，避免粉尘污染，提高生物炭吸附效率。
3.本发明方法对猪场生化出水脱色除磷深度处理效果好，成本低廉，操作简单，可大规模生产，前景广阔。
附图说明
图1为实施例1的含镁生物炭液体材料磷吸附量随废水磷平衡浓度的变化关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本实施例提供一种从猪场废水中回收磷元素的含镁生物炭液体材料制备方法，包括以下制备步骤：
(1)将从发电厂收集的含镁废渣在105℃烘箱中烘干水分，研磨过100目，将含镁废渣粉末按与猪粪干基重量比为1:5加入到含水率为70％的湿猪粪中，再按V:W液固比为2:1(mL:g)加水充分搅拌，使二者充分混匀，在105℃下烘干备用。
(2)将步骤(1)中的烘干固体放入管式炉中，以氮气为保护气，炉内温度以10℃/min的速率升到600℃，保持该温度1h，冷却至室温，得到镁改性猪粪生物炭。
(3)将镁改性猪粪生物炭按W:V固液比为1:10在胶体磨中研磨20min，即得到含镁生物炭液体材料。
采用本实施例中制备的含镁生物炭液体材料对浓度为200mg/L的含磷废水进行处理，按照每升废水添加1g生物炭的比例换算加入含镁生物炭液体材料，调节pH值为9.5，在室温下恒温振荡2h。图1为实施例1的含镁生物炭液体材料磷吸附量随废水磷平衡浓度的变化关系图。从图1可知，出水磷浓度为115.88mg/L，含镁生物炭液体材料对磷的吸附量为84.12mg/g。吸附量随着污水初始磷浓度增加而增加，吸附量能够达到117mg/L以上，表明含镁生物炭液体材料对磷具有较高的吸附能力。
实施例2
本实施例提供一种回收猪场废水中磷元素含镁生物炭液体材料制备方法，包括以下制备步骤：
(1)将从发电厂收集的含镁废渣在105℃烘箱中烘干水分，研磨过100目，将含镁废渣粉按与猪粪干基重量比为1:8加入到含水率为72％的湿猪粪中，再按V:W液固比为2:1(mL:g)加水充分搅拌，使二者充分混匀，在105℃下烘干备用。
(2)将步骤(1)中的烘干固体放入管式炉中，以氮气为保护气，炉内温度以10℃/min的速率升到700℃，保持该温度1h，冷却至室温，得到镁改性猪粪生物炭。
(3)将步骤(2)中的镁改性猪粪生物炭按W:V固液比为1:5(g：mL)的比例在胶体磨中研磨30min，即得到含镁生物炭液体材料。
采用本实施例中制备的含镁生物炭液体材料对猪场SBR生化出水进行深度处理，按照每升生化出水添加1.5g生物炭的比例换算加入含镁生物炭液体材料，调节pH值为9，在室温下恒温振荡2h。通过以上步骤，出水中磷去除率达到99.42％以上，色度去除率达到87％以上。说明含镁生物炭液体材料对磷具有较高的回收率较高和色度去除率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料，其特征在于，所述含镁生物炭液体材料是将含镁废渣粉末与湿猪粪的混合物，加水充分混匀后烘干，将所得固体在保护气氛下600～700℃热解，将所得含镁废渣改性猪粪生物炭加水在胶体磨机中研磨制得。
2.根据权利要求1所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料，其特征在于，所述湿猪粪的含水率为70～80％；所述含镁废渣粉末为发电厂烟气脱硫副产品含镁废渣干燥后研磨过筛，所述筛的孔径为150～200μm。
3.根据权利要求1所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料，其特征在于，所述含镁废渣粉末和湿猪粪的重量比为1:(5～10)。
4.根据权利要求1所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料，其特征在于，所述含镁废渣粉末与湿猪粪的总质量与水的体积比为1g：2mL。
5.根据权利要求1所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料，其特征在于，所述含镁废渣改性猪粪生物炭的质量和水的体积比为1g:(5～10)mL。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将含镁废渣粉末与湿猪粪的混合物，加水充分混匀后烘干，得到固体；
S2.将固体在保护气氛下600～700℃热解，得到含镁废渣改性猪粪生物炭；
S3.将含镁废渣改性猪粪生物炭加水在胶体磨机中研磨，得到含镁生物炭液体材料。
7.根据权利要求6所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述烘干的温度为100～105℃。
8.根据权利要求6所述的回收猪场废水中磷元素的含镁生物炭液体材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述热解的时间为1～2h，所述保护气氛为氮气或氩气；所述研磨的时间为15～30min。
9.权利要求1-5任一项所述含镁生物炭液体材料在猪场生化出水脱色除磷深度处理领域中的应用。
10.根据权利要求9所述含镁生物炭液体材料在猪场生化出水脱色除磷深度处理领域中的应用，其特征在于，所述含镁生物炭液体材料在猪场出水中磷去除率达到99％以上，色度去除率达到87％以上。
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