采用生物滤料组合过滤处理沼液的方法.pdf

本发明提供一种采用生物滤料组合过滤处理沼液的方法，使用圆柱形过滤容器，一级柱子填料为粗玉米秸秆，二级柱子填料为细玉米秸秆，三级柱子填料为核桃砂，将一级、二级和三级柱子依次连接，对沼液进行三级串联过滤。本发明提供的沼液过滤方法操作简单、易行，沼渣中含有丰富的氮素营养，过滤后随着污泥被截留在滤料中降低滤料的碳氮比，过滤结束后既能获得低悬浮物的沼液用于后续膜浓缩制备液体有机肥，又能对失效的滤料进行堆肥化处理获得有机肥，具有良好的环境效益和经济效益。

权利要求书
1.  采用生物滤料组合过滤处理沼液的方法，其特征在于，使用圆柱形过滤容器，一级柱子填料为粗玉米秸秆，二级柱子填料为细玉米秸秆，三级柱子填料为核桃砂，将一级、二级和三级柱子依次连接，对沼液进行三级串联过滤。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆柱形过滤容器的直径为10cm，高1m。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，过滤时进料液流量为5L/h。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗玉米秸秆长为4-5cm，宽为1cm，容重为0.073g/cm3。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细玉米秸秆长为2cm，宽为3mm，容重为0.085g/cm3。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述核桃砂为16目，容重为0.74g/cm3。

7.  根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，一级柱子装填粗玉米秸秆，装填密度为0.1019g/cm3，装填高度为80cm。

8.  根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，二级柱子装填细玉米秸秆，装填密度为0.9952g/cm3，装填高度为80cm。

9.  根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，三级柱子装填核桃砂，装填密度为0.74g/cm3，装填高度为80cm。

10.  沼液过滤系统，其特征在于，所述过滤系统由沼液盛放容器、蠕动泵、一级过滤柱、二级过滤柱、三级过滤柱以及滤出液收集容器组成，各组件之间通过管道顺次连接；
其中，一级过滤柱填料为粗玉米秸秆，二级过滤柱填料为细玉米秸秆，三级过滤柱填料为核桃砂。

说明书采用生物滤料组合过滤处理沼液的方法
技术领域
本发明属于废弃物资源化利用技术领域，具体地说，涉及一种采用生物滤料组合过滤处理沼液的方法。
背景技术
沼气工程作为生物质能源高效利用的一种方式，通过厌氧发酵不仅可以去除废弃物中的有害物质，还可以产生清洁的沼气能源，然而沼气工程同时也会排放大量的沼液，沼液中含有丰富的营养元素，直接排放会带来严重的环境污染，在国外沼液一般经过简单的处理后作为肥料回灌到农田中使用。我国对沼液的利用方式一般包括：作物浸种、病虫害防治、饲料添加剂、作物水培、作为肥料进行农田灌溉，除灌溉外其他方式对沼液的使用量均较少，而我国沼气工程规模较大沼液产量多，沼气工程厂区周边往往没有足够的土地来消纳沼液，而且沼液含水率高运输成本偏高，管网输送易堵塞、产气后容易使管道爆裂，从而导致我国沼液总体利用率偏低。
目前关于沼液的处理方法既包括低成本的氧化塘、土地处理系统、人工湿地等自然生态净化方法，又包括序批式反应器(SBR)法、升流式厌氧污泥床(UASB)法等高成本的工厂化处理工艺，但这些处理方法大多是将沼液作为污水进行处理，要么处理周期长效率不高，要么就是处理成本偏高，因此并没有得到大规模的推广应用。除此之外，近些年沼液的膜浓缩技术也成为研究热点之一，该技术主要是利用不同规格的滤膜对沼液进行过滤浓缩，处理后的沼液体积大量减少，养分浓度可提高几十倍甚至上百倍，便于运输和使用。但沼液中悬浮物浓度太高，会影响过膜效率并污染和堵塞滤膜，因此沼液需要进行预处理去除悬浮物，目前沼液预处理滤料多为粗砂、细砂、石 英砂、火山岩等无机滤料，需要定期更换或反冲洗，在反冲洗时会产生大量废水，现有关于仅使用玉米秸秆作为滤料的报道，但单级过滤不能很好地兼顾处理量，处理能力缓冲性差。而使用可再生的、可堆肥化处理的生物质滤料完全替代无机滤料，在处理沼液的同时可将滤料进行堆肥处理获得有机肥产品，可以大大地提高废弃物的利用率，具有重大的实践意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用生物滤料组合过滤处理沼液的方法。
为了实现本发明目的，本发明的采用生物滤料组合过滤处理沼液的方法，使用圆柱形过滤容器，一级柱子填料(又称为滤料)为粗玉米秸秆，二级柱子填料为细玉米秸秆，三级柱子填料为核桃砂，将一级、二级和三级柱子依次连接，对沼液进行三级串联过滤。
前述方法中，所述圆柱形过滤容器的直径为10cm，高1m。例如使用亚克力材质的透明圆柱，柱子两端使用法兰进行密封，法兰中央连接配有阀门和压力表的出水管。
前述方法中，过滤时进料液流量为5L/h。供液设备为蠕动泵。
前述方法中，所述粗玉米秸秆长为4-5cm，宽约1cm，容重为0.073g/cm3。
前述方法中，所述细玉米秸秆长为2cm，宽约3mm，容重为0.085g/cm3。
前述方法中，所述核桃砂为16目(粒径约1mm)，容重为0.74g/cm3。
前述方法中，一级柱子装填粗玉米秸秆，装填密度为0.1019g/cm3，装填高度为80cm。
前述方法中，二级柱子装填细玉米秸秆，装填密度为0.9952g/cm3，装填高度为80cm。
前述方法中，三级柱子装填核桃砂，装填密度为0.74g/cm3，装 填高度为80cm。
本发明方法在实际推广应用中，可以根据待处理沼液的性状，适当地改变滤料规格。
本发明中涉及的过滤系统示意图如图1所示。所述过滤系统由沼液盛放容器、蠕动泵、一级过滤柱(一级柱子)、二级过滤柱(二级柱子)、三级过滤柱(三级柱子)以及滤出液收集容器组成，各组件之间通过管道顺次连接。其中，一级过滤柱填料为粗玉米秸秆，二级过滤柱填料为细玉米秸秆，三级过滤柱填料为核桃砂。
本发明首先以玉米秸秆、园林剪枝、核桃砂作为滤料，每种滤料设置三种不同的规格，同时设定三种不同的进水流量，使用正交设计进行试验，根据正交试验极差分析结果分别筛选出处理量最大和出水效果最佳的优化条件。然后结合试验结果和优化条件，确定使用三级过滤，并对三级过滤效果进行验证，最终确定使用生物质滤料对沼液进行过滤的方法。本发明提供的沼液过滤方法操作简单、易行，沼渣中含有丰富的氮素营养，过滤后随着污泥被截留在滤料中降低滤料的碳氮比，过滤结束后既能获得低悬浮物的沼液用于后续膜浓缩制备液体有机肥，又能对失效的滤料进行堆肥化处理获得有机肥，具有良好的环境效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明过滤系统示意图；其中，①原料液(沼液)盛放容器，②蠕动泵，③一级过滤柱，④压力表，⑤二级过滤柱，⑥三级过滤柱，⑦滤出液收集容器。
图2为本发明实施例1正交1试验过程操作条件及出水变化情况。
图3为本发明实施例1正交2试验过程操作条件及出水变化情况。
图4为本发明实施例1正交3试验过程操作条件及出水变化情况。
图5为本发明实施例1正交4试验过程操作条件及出水变化情况。
图6为本发明实施例1正交5试验过程操作条件及出水变化情况。
图7为本发明实施例1正交6试验过程操作条件及出水变化情况。
图8为本发明实施例1正交7试验过程操作条件及出水变化情况。
图9为本发明实施例1正交8试验过程操作条件及出水变化情况。
图10为本发明实施例1正交9试验过程操作条件及出水变化情况。
图11为本发明实施例2三级过滤后出水效果图；其中，1-4试管内依次为原液、一级过滤后出水情况、二级过滤后出水情况、三级过滤后出水情况。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。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，所用原料均为市售商品。
以下实施例中涉及的沼液取自北京市顺义区北郎中村沼气站，为猪粪厌氧发酵沼液，具体性状如表1所示，离心液是将原液在5000r/min条件下离心20分钟后获得的上清液；所述玉米秸秆取自上庄试验站，具体性状如表2所示，所述中粒径规格的玉米秸秆为粗、细秸秆按1:1的体积比混合得到。所述园林剪枝取自北京市地坛公园剪枝处理中心，经人工筛分后获得粗、中、细3个规格，具体性状如表3所示；所述核桃砂为商品化的核桃砂产品，具体性状如表4所示。
表1沼液基本理化性状

表2玉米秸秆基本性状

表3园林剪枝基本性状

表4核桃砂基本性状

以下实施例中所用的过滤容器为图1所示的圆柱形过滤系统，滤柱直径10cm，高1m，材质为亚克力，柱子两端使用法兰进行密封，法兰中央连接配有阀门和压力表的出水管。实施例1中采取单级过滤，实施例2中采取3个柱子串联过滤，滤柱中滤料装填高度为80cm。
以下实施例中各种参数的检测方法如下：
EC值(电导率)和pH值：将样品液搅匀后，直接使用pH/电导率仪(MP521，上海三信)测定；
SS(悬浮物)：采用重量法(GB11901-89)测定；
COD(化学需氧量)：采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)测定；
浊度：采用浊度仪直接测定(2100N，美国Hach公司)。
实施例1不同滤料在不同条件下对过滤效果的影响
以滤料的种类、滤料的规格、进水流量作为3个因素，每个因素设置3个水平，按表5所示正交设计条件进行单级过滤试验，过滤过程中记录进水端压力、出水流量、出水量，并定时采集液体样品测定其pH、EC、COD、SS、浊度。园林剪枝和核桃砂材质较硬自然堆积装填，其装填密度和容重相同，而玉米秸秆较为蓬松具有弹性已压缩，因此装填时进行敦实，细、中、粗三种规格的秸秆敦实装填后其装填密度分别为0.09952、0.1019、0.09394g/cm3。
表5玉米秸秆基本性状

各处理过滤过程中运行条件及出水变化情况分别如图2-图10所示，各图中时间0点均为柱体末端开始出水的时间点。处理1运行条件及出水变化情况如图2所示，在190分钟时出现压力，随后的10分钟内压力先上升后降为零，观察柱体发现柱子堵塞后污泥层又被冲破，大量污泥被冲刷下来影响出水效果，200分钟时停止试验。处理2运行条件及出水变化情况如图3所示，在2.5h时出水流量下降表明柱体即将堵塞，但随后流量又上升污泥层被冲破出水浑浊，3.5h时停止运行。处理3运行条件及出水变化情况如图4所示，同样是出现压力后先上升后下降，当压力下降时出水浑浊，出水后80分钟停止运行。前三个处理滤料皆为玉米秸秆，作为弹性滤料它的可伸缩性更强，加之过滤所用的玉米秸秆为片状，在柱体内分布不均匀，因此柱子堵塞后当压力上升到一定值，液体会冲破污泥层寻找新的流路。
处理4运行条件及出水变化情况如图5所示，在出水后10分钟时开始出现压力，随后出水流量不稳定20分钟时压力开始下降，柱子侧面可以明显看到污泥层破裂，在压力和进水共同作用下，进水流量大于出水流量，出水后35分钟时停止运行。处理5运行条件及出水变化情况如图6所示，在40分钟时出现压力，随后压力上升流量下降，在58分钟时柱子内发现侧壁污泥破裂，60分钟时采集样品，流量上升，出水浑浊，停止试验。处理6运行条件及出水变化情况如图7所示，其滤料为粗园林剪枝，大小不一在柱体内分布不均匀空隙较大，且材料质地较硬，因此不易堵塞不易被压缩，运行至3h时，出水SS含量增加出水效果不佳停止试验。
处理7运行条件变化情况如图8所示，开始出水时便有压力产生，0分钟时测定其流量为62mL/min，随后压力逐渐上升出水，流量下降运行至10分钟时积水填满柱子，压力达到0.14MPa，停止运行，仅采集到5分钟和10分钟时的样品，样品各参数变化如表6所示。处理8运行条件及出水变化情况如图9所示，运行至45分钟时开始出现压力， 90分钟时出水流量达到15mL/min，压力上升到0.042MPa，此时柱子内积水填满柱子，停止试验。处理9运行条件及出水变化情况如图10所示，运行至105分钟时出现压力，随后压力不断上升流量下降，150分钟时流量小于10mL/min无法采集到足够的水样，停止试验。
表6处理7水样各参数变化情况

各处理水样的各参数变化趋势基本相同，只是处理效果不同，pH值在运行过程中基本变化不大，其他指标基本呈上升趋势，主要是由于随着污泥被截留滤料被污染，出水的同时会将部分污泥冲刷带走，从而导致出水效果下降，只有在柱子堵塞出现压力后，图中各指标变化才会出现拐点，同时出水样品的SS、浊度、COD将有所下降。观察各处理COD、SS、浊度变化情况可以发现，这三个指标相关性很高，变化趋势基本一致，沼液悬浮物多为有机物，悬浮物越高其COD也就越高，同时液体的做度也会增加。此外，对比各处理处理效果可以看出，运行时间较长的处理，其出水COD、SS、浊度一般较高，COD、SS、浊度去除率较高的处理其运行时间往往较短，因此单级过滤很难同时实现处理量和处理效果的最大化。需要根据正交分析结果，对运行条件进行优化组合，前段使用处理量较大的条件运行，末端使用处理效率较好的条件运行。由于沼液后续膜浓缩处理时SS时主要污染物，而且COD和浊度与SS相关性较高变化趋势相同，所以选择处理水量和出水SS作为正交分析的目标参数。
不同处理所能处理水量的极差分析结果如表7所示，本发明中以单位体积滤料(以装填在柱体内滤料的状态为基准)处理水量作为目标参数，按照正交试验的极差分析法对数据进行处理，根据表中结果可以看出，三个因素对处理影响的主次顺序为：滤料种类>滤料规格>进水流量，处理量越大越好，因此各参数的最优水平分别为：玉米秸秆、粗、5L/h，即在以粗玉米秸秆为滤料，进水流量设置为5L/h时可 获得最大的处理量。
不同处理出水SS的极差分析结果如表7所示，这里所使用的SS为各处理累计出水的平均SS，按照正交试验的极差分析法对数据进行处理，根据表中结果可以看出，三个因素对处理影响的主次顺序为：滤料规格>滤料种类>进水流量，出水的SS越小越好，因此各参数的最优水平分别为：细、核桃砂、3L/h，即在以细核桃砂为滤料，进水流量设置为3L/h时可获得最好的SS出水效果。
上述两个目标参数分析结果所得出的最优组合条件均为正交设计表中未涉及到的处理，因此需要进行验证试验来确认是否可以达到最优水平。同时分析结果表明进水流量对目标参数的影响程度最小，考虑到后期需要将柱子串联起来进行使用，因此将后续验证实验的进水流量设置为5L/h。此外，由于从粗玉米秸秆到细核桃砂，二者粒径差距较大，且粗秸秆出水SS较高、高悬浮物进水情况下细核桃砂处理能力有限，结合经济成本、滤料性状及运行效果，决定在两者之间增加一级细秸秆过滤。
表7处理水量极差分析结果

表8出水悬浮物极差分析结果

实施例2正交试验效果验证及三级串联组合过滤效果分析
以粗玉米秸秆作为一级过滤，细玉米秸秆作为二级过滤，细核桃砂作为三级过滤，进水流量设置为5L/h，沼液性状与实施例1中相同，一级过滤的出水作为二级过滤的进水，二级过滤的出水作为三级过滤的进水，对各级过滤的运行情况进行监测，同时统计分析各级过滤处理水量及出水指标，各级过滤处理量及出水情况如表9所示。第一级粗玉米秸秆过滤时，从开始出水到柱体堵塞共出水24L，单位体积滤料处理水量达到3.82，与实施例1中最大的处理3相比处理能力提高了38％，此外后续过滤时到进水使用完时均为出现堵塞现象，与实施例1相比在保证出水效果的同时运行时间也得到了延长。
从表9可以看出，出水pH波动较大，主要是和滤料自身有关，一级和二级过滤滤料相同其pH也相近；出水的EC、SS和浊度在逐渐下降，但COD在经过三级过滤后有所上升，这主要是核桃壳养分较为丰富，粉碎过程中会产生大量粉末，过滤前未经过冲洗，该粉末会导致滤出液COD和SS上升，实施例1中数据也表明，采用核桃砂过滤时平 均出水COD也高于其他两种滤料。图11各级过滤出水效果图，该图是将样品液静置后在逆光环境下拍摄，可以看出随着过滤的进行，SS明显下降，结合表中数据可以看出，经过三级过滤后沼液的SS去除率达到85％，出水COD为原液的59％，浊度为原液的5％。为沼液后续进行膜浓缩处理提供了良好的保障。此外，本实施例中所采集到的沼液样品与前期采集到样品以及文献研究中所报道的沼液样品相比，悬浮物含量偏高，主要是采集样品时，沼气工程系统在排放沼液过程中将储存池内底泥冲起，使得样品SS、COD偏高，离心后上清液的SS高达1068mg/L，三级过滤后SS比离心液仅高出332mg/L，若进水沼液的SS下降，柱体污染负荷会降低，第三级核桃砂粒径再细一些，处理能力和出水效果将会进一步提高。经过三级过滤，仅一级过滤柱子达到了污染负荷，对其滤料进行测定后发现，滤料的碳氮比可以降到15以下，达到了堆肥要求。
表9各级过滤出水效果变化

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。