一种源分离尿液处理系统及方法

1.本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种源分离尿液处理系统及方法。


背景技术：

2.尿液作为一种生活污水，在城市污水中占比为2％左右，同时尿液中富含大量的营养元素，回收再利用的意义重大。然而，目前处理尿液的主要方式是采用与城市污水混合处理，但目前污水处理厂采用的处理工艺主要以去除为主，并没有实现污水资源化，严重浪费了资源。
3.大量的研究者将尿液作为主要研究对象，如中国发明专利cn102167434a公开了一种回收尿液中氮、磷的方法，将尿液中的氮、磷形成鸟粪石，回收率达到95％以上，但抗生素的滥用导致尿液废水中残留大量的药物，形成鸟粪石的过程会同时将抗生素沉淀吸附到其表面，回到土壤中，会导致尿液中的抗生素迁移进入自然界，对环境和生态危害巨大；中国专利cn110015792a公开了一种光催化尿液处理回收利用装置，该装置制备成本高，同时能源消耗高，经济性差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明目的在于提供一种源分离尿液处理系统及方法。利用本发明提供的系统对源分离尿液进行处理，能够实现源分离尿液的低碳资源化无害化处理。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种源分离尿液处理系统，包括顺次连接的水回收系统、营养元素回收系统和抗生素去除系统；所述水回收系统内设置有膜蒸馏装置；所述营养元素回收系统内装填有吸附材料，所述吸附材料包括铁基生物炭材料；所述抗生素去除系统内装填有催化材料，所述催化材料包括菌渣生物炭催化剂，所述抗生素去除系统还设置有氧化剂入口。
7.优选地，所述膜蒸馏装置中的膜为聚四氟乙烯膜。
8.优选地，所述铁基生物炭材料的制备方法包括以下步骤：
9.(1)将生物质材料进行热解炭化，得到生物质多孔炭材料；
10.(2)将所述生物质多孔炭材料在硝酸铁溶液中浸渍，将所得浸渍料液的ph值调节至强碱性后进行水热反应，得到所述铁基生物炭材料。
11.优选地，所述步骤(1)中的生物质材料包括玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆和木屑中的一种或几种；所热解炭化的温度为200～300℃，时间为1～2h。
12.优选地，所述步骤(2)中生物质多孔炭材料与硝酸铁溶液中硝酸铁的质量比为1:2；所述浸渍的时间为12～15h；所述强碱性的ph值为11.81～12.04；所述水热反应的温度为55～65℃，时间为22h。
13.优选地，所述菌渣生物炭催化剂的制备方法包括以下步骤：
14.(a)将菌渣生物质进行热解炭化，得到生物炭材料；
15.(b)将所述生物炭材料与活化剂混合，在无氧或缺氧条件下进行煅烧，得到所述菌渣生物炭催化剂。
16.优选地，所述步骤(a)中的菌渣生物质包括土霉素菌渣、青霉素菌渣和链霉素菌渣中的一种或几种；所述热解炭化的温度为300～500℃，时间为1～2h。
17.优选地，所述步骤(b)中的活化剂为氢氧化钾，所述生物炭材料与活化剂的质量比为1:2～5；所述煅烧的温度为700～900℃，时间为1～2h。
18.本发明提供了利用以上技术方案所述系统进行源分离尿液处理的方法，包括以下步骤：
19.将源分离尿液通入所述水回收系统内加热进行膜蒸馏，得到回收水和浓缩尿液；
20.将所述浓缩尿液通入营养元素回收系统内，所述营养元素回收系统内的吸附材料对浓缩尿液中的营养元素进行吸附处理；
21.将吸附处理后的尿液通入抗生素去除系统内，同时由氧化剂入口向所述抗生素去除系统内通入氧化剂，抗生素去除系统内的催化材料和氧化剂对吸附处理后的尿液进行催化氧化降解抗生物，得到无害化尿液。
22.优选地，所述加热的温度为40～60℃。
23.优选地，所述氧化剂包括双氧水、过一硫酸盐和过硫酸盐中的一种或几种。
24.优选地，所述吸附处理后所得吸附材料用作农作物的土壤肥料。
25.本发明提供了一种源分离尿液处理系统，包括顺次连接的水回收系统、营养元素回收系统和抗生素去除系统；所述水回收系统内设置有膜蒸馏装置；所述营养元素回收系统内装填有吸附材料，所述吸附材料包括铁基生物炭材料；所述抗生素去除系统内装填有催化材料，所述催化材料包括菌渣生物炭催化剂，所述抗生素去除系统还设置有氧化剂入口。在本发明中，所述水回收系统能够将源分离尿液中的水回收，并浓缩尿液，提高尿液中物质浓度，便于后续处理；所述营养元素回收系统以铁基生物炭材料为吸附材料，吸附回收尿液中的营养元素，实现尿液的资源化处理；所述抗生素去除系统以菌渣生物炭催化剂为催化材料，协同氧化剂，对尿液进行催化氧化，降解尿液中的抗生素，实现尿液的无害化处理。因此，利用本发明提供的系统对源分离尿液进行处理，能够实现源分离尿液的低碳资源化无害化处理，能源消耗低。
26.实施例结果表明，利用本发明提供的系统对源分离尿液进行处理，对源分离尿液的浓缩率为40～60％；对尿液中氮、磷和钾这些主要营养元素的回收率分别为40～60％、80～95％和30～55％；对尿液中残留的抗生素去除率为97～99％。
附图说明
27.图1为本发明提供的源分离尿液分离系统的示意图。
具体实施方式
28.本发明提供了一种源分离尿液处理系统，包括顺次连接的水回收系统、营养元素回收系统和抗生素去除系统；所述水回收系统内设置有膜蒸馏装置；所述营养元素回收系统内装填有吸附材料，所述吸附材料包括铁基生物炭材料；所述抗生素去除系统内装填有催化材料，所述催化材料包括菌渣生物炭催化剂，所述抗生素去除系统还设置有氧化剂入
口。本发明提供的源分离尿液分离系统如图1所示。
29.本发明提供的源分离尿液处理系统包括水回收系统。在本发明中，所述水回收系统内设置有膜蒸馏装置，所述膜蒸馏装置中的膜优选为聚四氟乙烯膜。本发明对所述膜蒸馏装置的具体结构没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的膜蒸馏装置即可。在本发明中，所述水回收系统的作用是：将源分离尿液中的水回收，并浓缩尿液，提高尿液中物质浓度，便于后续处理。
30.本发明提供的源分离尿液处理系统包括与所述水回收系统相连接的营养元素回收系统。在本发明中，所述营养元素回收系统内装填有吸附材料，所述吸附材料包括铁基生物炭材料；本发明对所述营养元素回收系统的具体结构构造没有特别的要求。在本发明中，所述铁基生物炭材料的制备方法优选包括以下步骤：
31.(1)将生物质材料进行热解炭化，得到生物质多孔炭材料；
32.(2)将所述生物质多孔炭材料在硝酸铁溶液中浸渍，将所得浸渍料液的ph值调节至强碱性后进行水热反应，得到所述铁基生物炭材料。
33.在本发明中，所述生物质材料优选包括玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆和木屑中的一种或几种，所述铁基生物炭材料利用这些农业废弃生物质材料来制备，环境友好，价格低廉。在热解炭化前，本发明优选将所述生物质材料依次进行粉碎、水洗和干燥；所述粉碎优选利用粉碎机进行；所述水洗的次数优选为2～4次；所述干燥的温度优选为100～110℃，所述干燥的时间以将生物质材料中的水分充分去除为准。在本发明中，所述热解炭化的温度优选为200～300℃，时间优选为1～2h；经热解炭化，形成生物质多孔炭材料。
34.本发明对所述硝酸铁溶液的质量浓度没有特别的要求，所述生物质多孔炭材料与硝酸铁溶液中硝酸铁的质量比优选为1:2。在本发明中，所述浸渍的具体操作优选为：将所述生物质多孔炭材料加入到硝酸铁溶液中，然后进行磁力搅拌；所述浸渍的时间以硝酸铁溶液中的铁离子在生物质多孔炭材料表面达到吸附饱和为宜，优选为12～15h。本发明优选在所得浸渍料液中加入氢氧化钠溶液，将所述浸渍料液的ph值调节至强碱性；所述氢氧化钠溶液的浓度优选为1mol/l；所述强碱性的ph值优选为11.81～12.04。在本发明中，所述水热反应的温度优选为55～65℃，时间优选为22h；所述水热反应优选在高温高压反应釜中进行。在所述水热反应的过程中，铁离子在强碱性条件下发生共沉淀反应，得到掺杂铁的氢氧化物混合物的生物炭材料。水热反应后，本发明优选将所得水热反应料液依次进行水洗、过滤和干燥，得到所述铁基生物炭材料；所述水洗优选采用去离子水，所述水洗的次数以将材料洗至中性为准；所述过滤优选为抽滤；所述干燥的温度优选为40～60℃，所述干燥的时间以将材料中的水充分去除为准。
35.在本发明中，所述铁基生物炭材料因铁的掺杂，能够强化生物炭材料的吸附能力。本发明以所述铁基生物炭材料为吸附材料，吸附能力强，能够高效地吸附回收尿液中的氮、磷和钾等营养元素，实现营养元素回收系统将尿液资源化处理的功能。
36.本发明提供的源分离尿液处理系统包括抗生素去除系统。在本发明中，所述抗生素去除系统内装填有催化材料，所述催化材料包括菌渣生物炭催化剂，所述抗生素去除系统还设置有氧化剂入口；本发明对所述抗生素去除系统的具体结构构造没有特别的要求。
37.在本发明中，所述菌渣生物炭催化剂的制备方法优选包括以下步骤：
38.(a)将菌渣生物质进行热解炭化，得到生物炭材料；
39.(b)将所述生物炭材料与活化剂混合，在无氧或缺氧条件下进行煅烧，得到所述菌渣生物炭催化剂。
40.在本发明中，所述菌渣生物质包括土霉素菌渣、青霉素菌渣和链霉素菌渣中的一种或几种，本发明对所述菌渣生物质的来源没有特别的要求；菌渣生物质为危废，以菌渣生物质为原料制备催化剂，能够实现危废的资源化利用。在热解炭化前，本发明优选对所述菌渣生物质依次进行脱水、干燥、粉碎和过筛；所述脱水的方法优选为板框机械压滤；所述干燥的温度优选为100～110℃，所述干燥的时间以将菌渣生物质中的水分充分去除为准；所述粉碎优选利用粉碎机进行；所述过筛优选过100目筛。在本发明中，所述热解炭化的温度优选为300～500℃，时间优选为1～2h；经过热解炭化，得到生物炭材料。
41.在本发明中，所述活化剂优选为氢氧化钾，所述生物炭材料与活化剂的质量比优选为1:2～5，优选为1:3～4；所述活化剂的作用是对生物炭材料活化，增加成炭材料的表面积和孔道结构；本发明对所述生物炭材料与活化剂的混合方法没有特别的要求，能够将生物炭材料与活化剂混合均匀即可。在本发明中，所述煅烧的温度优选为700～900℃，时间优选为1～2h；经过煅烧热解气化造孔，得到具有丰富孔道结构的载氮多孔生物炭。煅烧后，本发明优选将所得煅烧材料依次进行盐酸洗涤、水洗和干燥，得到所述生物炭催化剂；所述盐酸洗涤用盐酸的浓度优选为0.1～0.5mol/l，所述盐酸洗涤的次数优选为2～4次；所述水洗用水优选为去离子水，所述水洗的次数优选为2～4次；所述干燥的温度优选为100～110℃，时间优选为24h。
42.在本发明中，所述菌渣生物质催化剂为多孔结构，比表面积大，表面官能团丰富，本发明以所述菌渣生物炭催化剂为催化材料，能够高效地催化尿液中的抗生素处的降解过程。
43.本发明提供了利用以上技术方案所述系统进行源分离尿液处理的方法，包括以下步骤：
44.将源分离尿液通入所述水回收系统内加热进行膜蒸馏，得到回收水和浓缩尿液；
45.将所述浓缩尿液通入营养元素回收系统内，所述营养元素回收系统内的吸附材料对浓缩尿液中的营养元素进行吸附处理；
46.将吸附处理后的尿液通入抗生素去除系统内，同时由氧化剂入口向所述抗生素去除系统内通入催化剂，抗生素去除系统内的催化材料和氧化剂对吸附处理后的尿液进行催化氧化降解抗生物，得到无害化尿液。
47.本发明将源分离尿液通入所述水回收系统内加热进行膜蒸馏，得到回收水和浓缩尿液。本发明对所述源分离尿液的来源没有特别的要求，本领域技术人员熟知来源的源分离尿液均适用于本发明，本发明优选将所述源分离尿液贮存在尿液贮存系统中，以备后续处理，本发明对所述尿液贮存系统没有特别的要求，能够实现尿液的贮存即可。本发明优选利用泵将贮存在尿液贮存系统的源分离尿液通入所述水回收系统内。在本发明中，所述加热的温度优选为40～60℃，以达到膜蒸馏工艺所需的蒸汽压差为准。本发明对所述膜蒸馏的具体操作方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的膜蒸馏工艺操作方法即可。经过所述膜蒸馏，得到回收水和浓缩尿液，具体地，所述浓缩尿液在尿液进料侧；在本发明中，所述浓缩尿液的浓缩倍数(即膜蒸馏前后尿液的体积比)优选为1.5～5倍。
48.得到浓缩尿液后，本发明将所述浓缩尿液通入营养元素回收系统内，所述营养元
素回收系统内的吸附材料对浓缩尿液中的营养元素进行吸附处理。在本发明中，所述营养元素主要为氮、磷和钾。本发明优选将吸附处理后所得吸附材料(即吸附营养元素达到吸附饱和的吸附材料)用作农作物的土壤肥料，无需二次处理，低碳环保。
49.所述吸附处理后，本发明将吸附处理后的尿液通入抗生素去除系统内，同时由氧化剂入口向所述抗生素去除系统内通入氧化剂，抗生素去除系统内的催化材料和氧化剂对吸附处理后的尿液进行催化氧化，降解抗生素，得到无害化尿液。在本发明中，所述氧化剂优选包括双氧水、过一硫酸盐和过硫酸盐中的一种或几种，本发明对所述过一硫酸盐和过硫酸盐的具体种类没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的过一硫酸盐和过硫酸盐即可，如过一硫酸钾、过硫酸钾。在本发明中，所述催化氧化的具体过程为：抗生素去除系统内的催化材料对尿液进行吸附，同时协同氧化剂对尿液进行催化氧化，降解尿液中残留的抗生素；本发明对所述抗生素的种类没有特别的要求，本领域技术人员熟知的抗生素均可采用本发明方法进行降解。
50.利用本发明提供的系统对源分离尿液进行处理，能够实现源分离尿液的低碳资源化无害化处理。
51.下面结合实施例对本发明提供的源分离尿液处理系统及方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
52.实施例1
53.一种源分离尿液处理系统，如图1所示，由水回收系统、营养元素回收系统和抗生素去除系统组成。采用图1所示系统对源分离尿液进行处理，方法如下：
54.首先，利用泵将贮存的源分离尿液注入水回收系统，实现水回收及尿液浓缩：水回收系统为膜蒸馏(聚四氟乙烯膜)工艺，利用加热装置将尿液温度升高至50℃，达到膜蒸馏工艺所需的蒸气压差，尿液在进料侧浓缩，浓缩率为40％(即膜蒸馏后尿液的体积与膜蒸馏前尿液的体积之比)，便于后续资源化和无害化处理；
55.然后，将浓缩后的尿液注入营养元素回收系统，实现尿液的资源化处理：营养元素回收系统为吸附工艺，吸附材料为铁基生物炭材料，采用共沉淀工艺制备，制备步骤为：将玉米秸秆农业废弃生物质利用高速粉碎机粉碎，水洗4次，于110℃的烘箱中烘干，在300℃的高温炉内加热2h，得到生物质多孔炭材料；将得到的生物质多孔炭材料加入到硝酸铁溶液中，其中生物质多孔炭与硝酸铁溶液中硝酸铁的质量比为1:2，磁力搅拌14h，使铁离子被吸附在生物质多孔炭表面达到吸附饱和，然后加入一定体积1mol/l的氢氧化钠溶液，使料液的ph值为11.81，快速转移到高温高压反应釜内进行水热反应22h，反应温度为65℃；所得的材料用去离子水洗至中性，抽滤，于60℃的烘箱中烘干，得到铁基生物炭材料。该铁基生物炭材料对于尿液中氮、磷和钾这些主要营养元素的回收率分别为60％、95％和55％，铁基生物炭材料在吸附饱和后，可直接用作农作物的土壤肥料，无需二次处理，低碳环保；
56.最后，将吸附处理后的尿液注入抗生素去除系统，实现尿液的无害化处理：抗生素去除系统为催化氧化工艺，催化材料为菌渣生物炭催化剂，以菌渣生物质为原材料，其制备步骤为：将土霉素菌渣采用板框机械压滤脱除残留的水分后，于110℃的烘箱中烘干；烘干的土霉素菌渣粉碎机粉碎，过100目的筛，在500℃的高温炉内加热2h，得到生物炭材料；将得到的生物炭材料与氢氧化钾按照质量比1:3混合，在700℃的高温炉内加热2h，得到具有丰富孔道结构的载氮多孔生物炭；将得到的多孔生物炭在0.5mol/l的hcl中冲洗4次，去离
子水中水洗4次，在110℃的烘箱中烘干24h，得到菌渣生物炭催化剂；抗生素去除系统内同步通入氧化剂，以双氧水作为氧化剂，强化去除效果，抗生素去除系统对于尿液中残留的抗生素去除率为99％。
57.实施例2
58.一种源分离尿液处理系统，如图1所示，由水回收系统、营养元素回收系统和抗生素去除系统组成。采用图1所示系统对源分离尿液进行处理，方法如下：
59.首先，利用泵将贮存的源分离尿液注入水回收系统，实现水回收及尿液浓缩：水回收系统为膜蒸馏(聚四氟乙烯膜)工艺，利用加热装置将尿液温度升高至55℃，达到膜蒸馏工艺所需的蒸气压差，尿液在进料侧浓缩，浓缩率为50％(即膜蒸馏后尿液的体积与膜蒸馏前尿液的体积之比)，便于后续资源化和无害化处理；
60.然后，将浓缩后的尿液注入营养元素回收系统，实现尿液的资源化处理：营养元素回收系统为吸附工艺，吸附材料为铁基生物炭材料，采用共沉淀工艺制备，制备步骤为：将木屑农业废弃生物质利用高速粉碎机粉碎，水洗3次，于100℃的烘箱中烘干，在200℃的高温炉内加热1.5h，得到生物质多孔炭材料；将得到的生物质多孔炭材料加入到硝酸铁溶液中，其中生物质多孔炭与硝酸铁溶液中硝酸铁的质量比为1:2，磁力搅拌15h，使铁离子被吸附在生物质多孔炭表面达到吸附饱和，然后加入一定体积1mol/l的氢氧化钠溶液，使料液的ph值为11.91，快速转移到高温高压反应釜内进行水热反应22h，反应温度为60℃；所得的材料用去离子水洗至中性，抽滤，于60℃的烘箱中烘干，得到铁基生物炭材料。该铁基生物炭材料对于尿液中氮、磷和钾这些主要营养元素的回收率分别为57％、91％和56％，铁基生物炭材料在吸附饱和后，可直接用作农作物的土壤肥料，无需二次处理，低碳环保；
61.最后，将吸附处理后的尿液注入抗生素去除系统，实现尿液的无害化处理：抗生素去除系统为催化氧化工艺，催化材料为菌渣生物炭催化剂，以菌渣生物质为原材料，其制备步骤为：青霉素菌渣采用板框机械压滤脱除残留的水分后，于100℃的烘箱中烘干；烘干的青霉素菌渣粉碎机粉碎，过100目的筛，在400℃的高温炉内加热2h，得到生物炭材料；将得到的生物炭材料与氢氧化钾按照质量比1:4混合，在800℃的高温炉内加热2h，得到具有丰富孔道结构的载氮多孔生物炭；将得到的多孔生物炭在0.5mol/l的hcl中冲洗4次，去离子水中水洗4次，在110℃的烘箱中烘干24h，得到菌渣生物炭催化剂；抗生素去除系统内同步通入氧化剂，以双氧水作为氧化剂，强化去除效果，抗生素去除系统对于尿液中残留的抗生素去除率为98％。
62.实施例3
63.一种源分离尿液处理系统，如图1所示，由水回收系统、营养元素回收系统和抗生素去除系统组成。采用图1所示系统对源分离尿液进行处理，方法如下：
64.首先，利用泵将贮存的源分离尿液注入水回收系统，实现水回收及尿液浓缩：水回收系统为膜蒸馏(聚四氟乙烯膜)工艺，利用加热装置将尿液温度升高至60℃，达到膜蒸馏工艺所需的蒸气压差，尿液在进料侧浓缩，浓缩效率为60％(即膜蒸馏后尿液的体积与膜蒸馏前尿液的体积之比)，便于后续资源化和无害化处理；
65.然后，将浓缩后的尿液注入营养元素回收系统，实现尿液的资源化处理：营养元素回收系统为吸附工艺，吸附材料为铁基生物炭材料，采用共沉淀工艺制备，制备步骤为：将小麦秸秆农业废弃生物质利用高速粉碎机粉碎，水洗4次，于110℃的烘箱中烘干，在250℃
的高温炉内加热2h，得到生物质多孔炭材料；将得到的生物质多孔炭材料加入到硝酸铁溶液中，其中生物质多孔炭与硝酸铁溶液中硝酸铁的质量比为1:2，磁力搅拌13h，使铁离子被吸附在生物炭表面达到吸附饱和，然后加入一定体积1mol/l的氢氧化钠溶液，使料液的ph值为12.01，快速转移到高温高压反应釜内进行水热反应22h，反应温度为65℃；所得的材料用去离子水洗至中性，抽滤，于60℃的烘箱中烘干，得到铁基生物炭材料。该铁基生物炭材料对于尿液中氮、磷和钾这些主要营养元素的回收率分别为57％、93％和53％，铁基生物炭材料在吸附饱和后，可直接用作农作物的土壤肥料，无需二次处理，低碳环保；
66.最后，将吸附处理后的尿液注入进抗生素去除系统，实现尿液的无害化处理：抗生素去除系统为催化氧化工艺，催化材料为菌渣生物炭催化剂，以菌渣生物质为原材料，其制备步骤为：链霉素菌渣采用板框机械压滤脱除残留的水分后，于110℃的烘箱中烘干；烘干的链霉素菌渣粉碎机粉碎，过100目的筛，在500℃的高温炉内加热2h，得到生物炭材料；将得到的生物炭材料与氢氧化钾按照质量比1:3混合，在900℃的高温炉内加热2h，得到具有丰富孔道结构的载氮多孔生物炭；将得到的多孔生物炭在0.5mol/l的hcl中冲洗3次，去离子水中水洗3次，在110℃的烘箱中烘干24h，得到菌渣生物炭催化剂；抗生素去除系统内同步通入氧化剂，以双氧水作为氧化剂，强化去除效果，抗生素去除系统对于尿液中残留的抗生素去除率为97％。
67.由以上实施例可以看出，利用本发明提供的系统对源分离尿液进行处理，能够实现源分离尿液的低碳资源化无害化处理。
68.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。