用于回收动物粪便中过量铜离子的装置

1.本实用新型涉及一种用于回收动物粪便中过量铜离子的装置，具体涉及一种用于解离粪便高铜海藻钠包埋微生物吸附剂中铜的装置，属于畜牧业试验设备技术领域。


背景技术：

2.过去的半个世纪里，随着全球人口的快速增长以及人们对于肉、蛋、奶制品需求的日益增高，畜禽的生产规模也在不断扩大。铜作为促进生命体生长发育及维持健康的必需微量元素之一，参与畜禽体内多种营养与代谢过程，是养猪行业广泛运用的饲料添加剂的一种。
3.铜在动物体内的营养与代谢作用主要有以下几种：(1)维持铁在畜禽体内的正常功能，铜可作为动物血液中铜蓝蛋白的辅助因子，影响细胞转化铁蛋白的活性，从而加速红细胞成熟，形成血红蛋白； (2)保持畜禽被毛的正常颜色和亮度，铜是酪氨酸酶的辅酶，畜禽摄入的铜过低会导致酶活性变低，黑色素功能被抑制，引起被毛变色；(3)作为畜禽新陈代谢过程中的大量金属酶的辅酶，包括细胞色素、尿酸和氨基酸等的氧化酶、过氧化物歧化酶等；(4)加速幼畜生长发育，具体表现为降低幼龄动物生长抑制素基因表达水平，从而提高生长激素释放激素表达水平，尤其对仔猪作用较明显；此外，铜还具有参与骨形成、增强动物抵抗力等功能。
4.铜在动物体内主要吸收场所为小肠，吸收率约10％，而90％的铜会随粪便排出体外，主要排泄方式是随胆汁从肠道排出。反刍动物常常会发生铜缺乏症，猪和禽类不易缺铜，动物长时间处于铜缺乏环境中可导致贫血的发生，猪和禽类还会出现骨折、骨畸形或神经症状等；在饲料中添加过量的铜会引起铜中毒，表现为繁殖障碍、无法正常生长和溶血等。
5.目前，养殖户使用海藻酸钠包埋法制作粪便金属铜微生物固定化吸附剂，参数为：sa＝4.0％(w/w)，pva＝10.0％(w/w)， cacl2＝1.0％(w/w)，ph＝4.0～6.0，颗粒直径3～5mm，耐热性、包被效果、机械强度和耐酸碱性均较好，吸附ph值为6.62，吸附温度为18.5℃，铜吸附率接近85％。使用海藻酸钠与钙离子产生络合反应，生成的包埋材料存在耐水性较差、质地较脆、包埋时容易导致泄露等缺点。为此，目前普遍采用两种或两种以上的复合材料进行包埋，可较大程度上提高包埋率、坚固性以及微生物活性等，如王卉等在利用海藻酸钠包埋剂制作柠檬精油微胶囊时，创新性的加入了纳米蒙脱土形成复合物，提高了微胶囊的机械强度和比表面积；伍悦等利用阿拉伯木聚糖和海藻酸钠作为包埋原料，包埋活性益生菌，发现添加了阿拉伯木聚糖使得包埋活菌数提高14.6倍，活菌2 个月后的存活率也有所提高。专利申请cn111530430a选用海藻酸钠与聚乙烯醇复合，聚乙烯醇作为一种人工合成的高分子材料，化学稳定性高、亲水性强、化学稳定性和生物相溶性均较高，也是一种良好的包埋材料；王莹等研究海藻酸钠和聚乙烯醇复合制作吸附剂的稳定性，海藻酸钠占70％，聚乙烯醇占30％，总浓度为4％时，颗粒弹性好、机械强度高且圆形颗粒形状较明显，效果较好。复合后的吸附剂，用酸、碱、热和振荡处理后依旧能够保持较高的颗粒完好性、手
捏质地牢固性和下落回弹性。可见，该吸附剂耐热性、包被效果、机械强度和耐酸碱性均较好，可运用性强。该吸附剂制作简单、价格低廉，凝胶强度高，能再生循环利用，可以极大地提高生物吸附技术应用的经济价值，应用前景广泛。
6.由于高铜具有促进仔猪生长和提高饲料转化率的作用，养殖户长期以来在仔猪日粮中过量添加铜，但这些铜未被仔猪利用而直接排出体外，造成了一系列问题，如：随着我国畜禽数目不断增多，导致所产生的排泄物不断增多，而铜作为一种廉价且高效的饲料添加剂在畜禽业大量使用，导致畜禽粪便中铜离子增多，在一定程度上对环境产生污染，且目前处理畜禽粪便的方法中没有对铜离子进行回收再利用，会造成资源浪费、仔猪铜中毒和环境污染等问题。近年来，国内外出台了关于铜限量的相关政策，能够降低粪便中铜含量的措施包括焚烧法、干燥法、除臭法、堆肥法和发酵法，然而这些方法仅处理了畜禽所产生的大量粪便，没有利用粪便中的铜离子，使其变废为宝。因此迫切需要一种能将铜离子从海藻酸钠包被微生物吸附剂中解离再利用的装置。


技术实现要素：

7.本实用新型针对所要解决的技术问题，克服现有技术的不足而提供一种用于较好地回收动物粪便中过量存在的铜离子的装置，能够减少动物粪便中铜离子对环境的危害，将海藻酸钠包埋法吸附的粪便铜离子进行再利用。
8.本实用新型提供了一种用于回收动物粪便中过量铜离子的装置，包括外壳、内芯和搅拌器，所述内芯设置在外壳的内部，所述搅拌器设置在内芯中，所述内芯的底面和/或侧壁上具有过滤孔，所述内芯中设置有球状的海藻酸钠包被吸附剂，所述外壳的进液口可分别连接外部氢氧化钠溶液盛放容器及硫酸溶液盛放容器。
9.本实用新型主要由外壳、内芯及搅拌器组成，外壳起到盛装及贮存的作用，在装置中用于盛装从内芯中流出的化学反应之后的液体，液体可通过排液管排出；内芯用来进行一定的化学反应，在内芯的四周及底面有按照一定顺序分布的过滤孔，用来将溶液过滤至外壳内；搅拌器安装于内芯中，用来搅拌反应溶液，使得反应更加充分，也避免胶体不能充分溶解。
10.本实用新型进一步的技术方案如下：
11.优选地，所述外壳呈长方体形，所述内芯呈正方体形。
12.优选地，所述外壳为一端敞开、另一端封闭的空心长方体结构，所述内芯为一端敞开、一端封闭的空心正方体结构。
13.优选地，所述内芯的底面及四周侧面分别设置有滤网。
14.采用上述结构，正方体内芯的四周及底部有按照一定顺序分布的滤网，用来过滤反应后的溶液，在正方体内芯的底部中央位置有圆形凹槽，用来放置搅拌器。
15.优选地，所述滤网包括骨架和网片，所述骨架形成有网格，所述网片固定在骨架上并覆盖网格。
16.优选地，在所述内芯的底面终于设有圆形凹槽，所述搅拌器安装在圆形凹槽内。
17.优选地，所述搅拌器包括转轴以及从上至下依次设置在转轴上的多个旋桨式搅拌组件，所述转轴呈圆柱体状，所述转轴安装在圆形凹槽内并与电机连接，相邻旋桨式搅拌组件之间的间距为0.1m，所述旋桨式搅拌组件由连接环以及沿连接环的外圆面均匀设置的2
～4 片螺旋桨叶组成，所述连接环套在转轴上，并且连接环可随转轴一起旋转。
18.这样，将搅拌器安装于正方体内芯的底部凹槽中，可使反应进行过程中反应更加充分，防止胶体没有被充分溶解。
19.优选地，所述外壳的敞开端分别通过管路与氢氧化钠溶液储存箱、硫酸溶液储存箱连接，所述内芯的敞开端通过管路与清水源连接。
20.优选地，在所述外壳的底部设有排液管，所述排液管的端部设有封盖。
21.优选地，在所述外壳的底部设有左排液管和右排液管。
22.上述结构中，将排液管分为左、右两个排液管，左、右排液管都有封盖，左排液管用于排出氢氧化钠溶解海藻酸钠包被胶体后的液体，以及进行两到三次洗涤之后的液体，将上述液体收集起来，可进行二次溶解；右排液管用于收集氢氧化铜絮状沉淀与硫酸反应之后得到的硫酸铜溶液。
23.本实用新型的优点是设计巧妙，结构简单，能够将铜离子从海藻酸钠包被微生物吸附剂中解离进行再利用，回收效率高，不仅减少了环境污染，还提高了海藻酸钠包被微生物吸附剂中铜离子的利用率，避免了资源浪费。
附图说明
24.图1为本实用新型的整体结构示意图。
25.图2为本实用新型中搅拌器的结构示意图。
26.图3为本实用新型中正方体内芯的侧面结构示意图。
27.图4为本实用新型中正方体内芯的底面结构示意图。
28.图5为本实用新型中排液管的结构示意图。
29.图6为本实用新型中支柱的结构示意图。
30.图7为本实用新型的解离粪便高铜海藻酸钠包埋微生物吸附剂中铜的方法的流程图。
31.图8为本实用新型的生产损耗图。
32.图中：1.外壳，2.内芯，3.搅拌器，4.排液管。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护权限不限于下述的实施例。
34.实施例1
35.一种用于回收动物粪便中过量铜离子的装置，如图1至6所示，包括外壳1、内芯2、搅拌器3及排液管4，外壳1的底部设有支柱，内芯2设置在外壳1的内部，搅拌器3设置在内芯2中，内芯2的底面和/或侧壁上具有过滤孔，内芯2中设置有球状的海藻酸钠包被吸附剂，并且外壳1的进液端可分别连接外部氢氧化钠溶液盛放容器及硫酸溶液盛放容器。另外，在外壳1的底部外侧设有排液管4，排液管4的端部设有封盖。外壳1为一端敞开、另一端封闭的空心长方体结构，内芯2为一端敞开、一端封闭的空心正方体结构。内芯2的底面及四周侧面分别设置有滤网，滤网包括骨架和网片，骨架形成有网格，网片固定在骨架上并覆盖网格。在
内芯2的底面终于设有圆形凹槽，搅拌器3安装在圆形凹槽内。外壳1的敞开端分别通过管路与氢氧化钠溶液储存箱、硫酸溶液储存箱连接，内芯2 的敞开端通过管路与清水源连接。
36.其中，外壳1呈长方体形，长1m、宽1m、高1.1m，选用聚丙烯(pp)材质，pp属于热塑性树脂材料，具有耐酸耐碱和耐腐蚀性，最高可耐167℃高温(-30℃～140℃)。在外壳1的底部有左、右两个排液管4，用于排出液体。外壳1起到盛装及贮存的作用，在装置中用于盛装从内芯2中进行反应之后从内芯2的四周及底部滤网中流出的反应后的液体以及用清水洗涤后的液体，再通过左、右排液管4开启后排出。
37.内芯2呈正方体形，长、宽、高均为0.9m，选用聚丙烯(pp) 材质，pp属于热塑性树脂材料，具有耐酸耐碱和耐腐蚀性，最高可耐167℃高温(-30℃～140℃)。内芯2的四周及底部均布有按照一定顺序排列的滤网，该滤网为采用不锈钢丝制成的金属橡胶过滤网，不含有任何天然橡胶，但却具有毛细疏松结构，具有耐腐蚀、强度大、抗冲击的特性。在内芯2的底部的中央有正方形凹槽，用于安装搅拌器3，方便搅拌均匀。内芯2的下方四角分别设有支脚，四个支脚的高度均为0.1m，直径为0.8m，用于承重。内芯2用于化学反应的发生，在反应之后，可用于盛装反应获得的氢氧化铜絮状物，并在之后与硫酸反应，获得硫酸铜溶液，方便后续的再利用。
38.滤网的网片由长、宽均为0.1m正方形构成，选用不锈钢丝制成的金属橡胶过滤网片，不含有任何天然橡胶成分，但却具有毛细疏松结构，具有耐腐蚀、强度大、抗冲击的特性。同时，通过调节丝的粗细、金属橡胶的密度、过滤网的厚度可以调节过滤网的过滤精度。在清洗的时候，容易恢复其原有的密度，方便清洗。网片的分布密度为相邻网片之间的间隔为0.03m，预计四个侧面每个面上可以有47个网片，共为188个网片。底面安装直径为0.2m的圆形凹槽，预计底面可以有45个网片。其中，筛孔尺寸选用十二目 (1.200mm)，方便筛选所需氢氧化铜絮状沉淀。滤网可用于收集氢氧化铜絮状沉淀；氢氧化钠溶液进入内芯与海藻酸钠包被微生物吸附剂反应生成氢氧化铜絮状沉淀；稀硫酸进入内芯与氢氧化铜絮状沉淀反应生成硫酸铜溶液。
39.搅拌器3包括转轴以及从上至下依次设置在转轴上的五个不锈钢材质的旋桨式搅拌组件，转轴为不锈钢圆形柱状体，其直径为0.2m，高为1.3m。转轴安装在圆形凹槽内并与电机连接，相邻旋桨式搅拌组件之间的间距为0.1m。旋桨式搅拌组件的半径为0.3m，旋桨式搅拌组件由连接环以及沿连接环的外圆面均匀设置的4片推进式螺旋桨叶组成，连接环套在转轴上，并且连接环可随转轴一起旋转。推进式螺旋桨叶工作转速较高，叶片外缘的圆周速度一般为5～15m/s。旋桨式搅拌组件主要造成轴向液流，产生较大的循环量，适用于搅拌低粘度(《2pa
·
s)液体、乳浊液及固体微粒含量低于10％的悬浮液。搅拌器3的转轴也可水平或斜向插入槽内，此时液流的循环回路不对称，可增加湍动，防止液面凹陷。
40.在外壳1的底部设有左、右两个排液管4，排液管4采用直径为 0.2m、高为0.3m的空心圆柱体，其材质选用聚丙烯(pp)，pp属于热塑性树脂材料，具有耐酸耐碱和耐腐蚀性，最高可耐167℃高温 (-30℃～140℃)，排液管4的底部有封口，封口采用封盖密封。左排液管用于排出第一次及用清水洗涤过的液体，便于二次利用(剩余的氢氧化钠稀溶液)，右排液管用于获得后续所得硫酸铜溶液。
41.在外壳1的底部四角分别设有支柱，支柱采用直径0.8m、高0.1m 的圆柱体，其材质采用聚丙烯(pp)，pp属于热塑性树脂材料，具有耐酸耐碱和耐腐蚀性，最高可耐167℃高温
(-30℃～140℃)。支柱起到承重的作用。
42.实际实用时，将海藻酸钠包被吸附剂的球体放入装置内，用过量的氢氧化钠溶液处理，使其溶解，溶解之后，获得氢氧化铜絮状沉淀，保留在正方体内芯内，而液体从装置下方的左排液管排出，再用清水洗涤2～3次，之后将氢氧化铜絮状沉淀与一定浓度的硫酸反应，获得含有铜离子的溶液，从右排液管排出，达到解离海藻酸钠包被吸附剂中铜离子的目的。
43.具体的解离粪便高铜海藻酸钠包埋微生物吸附剂中铜的方法如下：
44.试验材料包括：海藻酸钠包埋法制作粪便金属铜微生物固定化吸附剂，参数为：sa＝4.0％(w/w)，pva＝10.0％(w/w)， cacl2＝1.0％(w/w)，ph＝4.0～6.0，颗粒直径3～5mm，耐热性、包被效果、机械强度和耐酸碱性均较好，吸附ph值为6.62，吸附温度为18.5℃，铜吸附率接近85％；
45.氢氧化钠溶液，浓度为0.1mol/l，投放500l(避免反应不充分，后续可循环利用)；
46.稀硫酸溶液，浓度为0.01mol/l，投放500l(避免反应不充分，后续可循环利用)。
47.采用自动化装置定量投入海藻酸钠吸附剂，下面结合流程图7 作进一步说明：
48.首先，在本装置工作之前，运用海藻酸钠吸附剂对粪便中的铜离子进行吸附，将海藻酸钠吸附剂置于粪便中进行吸附，吸附时间为15天，经甄永康等相关数据的测定，考虑存在损耗，吸附率大约为84％左右，吸附过后，将海藻酸钠包埋法制作粪便金属铜微生物固定化吸附剂从粪便中过滤出来，称取1吨海藻酸钠吸附剂。
49.第一步，将吸附过后的海藻酸钠吸附剂投置于正方体内芯2中，在长方体外壳1内事先放入所需反应的液体氢氧化钠溶液，其浓度为0.1mol/l与其进行反应。
50.第二步，用安装于正方体内芯2底部的搅拌器3对在正方体内芯2中的液体及吸附剂进行搅拌，使反应能够充分发生，从而获得氢氧化铜絮状沉淀，留在正方体内芯2的底部。
51.第三步，将反应过后的剩余液体从左排液管排出，存放在容器内，方便二次利用。
52.第四步，用清水将装置内的絮状物沉淀洗涤两到三次，同样从左排液管排出，存放容器中。
53.第五步，向长方体外壳1中倒入一定量的稀硫酸，浓度为 0.01mol/l，与氢氧化铜絮状沉淀反应生成硫酸铜液体，从右排液管排出，右排液管中流出的即为所需的铜离子。
54.考虑到在实际生产过程中，粪便中铜离子的含量存在一定的损耗原因(见图8)。以仔猪为例，一吨饲料含铜量约为103.275g，则使用的饲料量大约为1400吨。假设使用饲料1吨，且铜的使用量为限量标准，其中所含有的铜离子的含量为y。海藻酸钠吸附过后所得铜离子的含量计算公式：1000y
·
90％
·
90％
·
85％＝0.6885yg
55.按照生产过程中，所需的饲料约为1400吨，此时在装置中投入海藻酸钠1吨，最终预计获得的铜离子的含量为约0.14吨。
56.以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。