基于沼液濃縮的有機(jī)肥利用技術(shù)研究

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要領(lǐng)域，中國(guó)擁有大量的有機(jī)廢物，如屠宰動(dòng)物、農(nóng)作物飼料、廚房垃圾和尾菜。據(jù)報(bào)道，2017年，全國(guó)秸稈產(chǎn)生量為8.05億t厭氧發(fā)酵技術(shù)可以有效轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物，并產(chǎn)生清潔能源沼氣，沼液沼渣也可以還田利用，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的無(wú)害化、能源化與肥料化利用相比于沼渣，沼液的產(chǎn)量巨大，含水率高，處理利用的難度也相應(yīng)增大。據(jù)報(bào)道，原料經(jīng)厭氧發(fā)酵形成的沼液可保留原料中90%以上的養(yǎng)分我國(guó)的厭氧發(fā)酵工藝主要為濕法發(fā)酵，沼液占發(fā)酵副產(chǎn)物總質(zhì)量的80%以上。但是，目前大型沼氣工程周?chē)ǔＨ狈ψ銐虻耐恋叵{沼液近年來(lái)，沼液濃縮技術(shù)逐漸被關(guān)注，沼液經(jīng)濃縮后可將體積減少一半以上，這不僅減少了儲(chǔ)存與運(yùn)輸空間和成本，還能大幅提高單位體積沼液的養(yǎng)分含量，從而增強(qiáng)了沼液制肥的潛力本文基于當(dāng)前的研究進(jìn)展，系統(tǒng)地梳理了沼液濃縮技術(shù)及濃縮液的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了沼液濃縮技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及濃縮液制肥方案，并進(jìn)一步闡明了沼液濃縮制肥的可行性與發(fā)展前景。1市政污水處理中強(qiáng)調(diào)相比較高成本的市政污水處理技術(shù)沼液中含有較豐富的養(yǎng)分及生物活性物質(zhì)，相比較高成本的市政污水處理技術(shù)，如果能對(duì)其中的主要營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行合理的高附加值開(kāi)發(fā)，則可有效彌補(bǔ)沼液處理中的成本投入1.1測(cè)定療效，見(jiàn)表1膜技術(shù)濃縮沼液是通過(guò)水分子等穿過(guò)膜進(jìn)入另一側(cè)，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被截留，從而使?jié)舛忍岣?。膜技術(shù)作為一種物理分離技術(shù)，分離過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)變化，還具有分離效率高、不產(chǎn)生二次污染、操作簡(jiǎn)便安全等優(yōu)點(diǎn)1.1.1攔截能力的測(cè)定超濾（Ultrafiltration,UF）是利用多孔膜材料的攔截能力，以物理截留的方式篩分水中的雜質(zhì)顆粒（圖1A）。國(guó)內(nèi)外的研究表明，UF膜可以將沼液濃縮為原體積的4%～25%，且對(duì)大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、腐植酸，以及全氮（TN）、全磷（TP）等截留率較高1.1.2反滲透膜濃縮納濾（Nanofiltration,NF）又稱(chēng)為低壓反滲透，孔徑通常為幾納米，對(duì)二價(jià)和多價(jià)離子及分子量在200～2000Da之間的大分子有機(jī)物有較高的截留能力，而對(duì)單價(jià)離子和小分子有機(jī)物的阻截效率較低1.1.3is,ro反滲透（Reverseosmosis,RO）膜理論上可以截留所有分子量大于100Da的有機(jī)物（圖1C），并且可以截留90%的可溶性鹽1.1.4膜兩側(cè)滲透率o正滲透（Forwardosmosis,FO）是將滲透壓作為驅(qū)動(dòng)力，利用膜兩側(cè)滲透壓差，將水自動(dòng)由低滲透壓側(cè)送至高滲透壓側(cè)，達(dá)到原液濃縮或水回收效果（圖1D）。李紅娜等1.1.5基于蒸汽壓差的d膜蒸餾（Membranedistillation,MD）是一種以蒸汽壓差為驅(qū)動(dòng)力的膜分離技術(shù)。在沼液濃縮過(guò)程中，沼液經(jīng)加熱后，其中的揮發(fā)性組分通過(guò)膜孔自由擴(kuò)散，透過(guò)疏水膜至冷凝液側(cè)收集，實(shí)現(xiàn)沼液的資源回收與減量化處理1.1.6沼液組合濃縮工藝沼液的成分復(fù)雜，單一膜技術(shù)很難達(dá)到理想的濃縮效果。因此，國(guó)內(nèi)外的研究者采用組合膜工藝進(jìn)行沼液濃縮。研究表明，利用UF+NF技術(shù)將豬糞沼液體積濃縮至原來(lái)的5%～10%時(shí)，濃縮液中的大分子有機(jī)物，如腐植酸、蛋白質(zhì)、氨基酸等的濃度提高了約10倍1.2工程應(yīng)用研究蒸發(fā)濃縮技術(shù)根據(jù)操作壓力可以分為常壓蒸發(fā)和負(fù)壓蒸發(fā)，該技術(shù)在制糖、制藥、食品、石化、廢水處理等領(lǐng)域具有穩(wěn)定的工程應(yīng)用。近年來(lái)，在沼液濃縮處理領(lǐng)域的研究主要圍繞負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)。另外，多效蒸發(fā)技術(shù)因其節(jié)省蒸汽、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)也逐漸被關(guān)注。1.2.1料液濃縮目負(fù)壓蒸發(fā)是指在低壓情況下，料液沸點(diǎn)降低，溶劑分子獲得動(dòng)能克服分子間的吸引力而逸出液面，蒸汽不斷排出，從而達(dá)到料液濃縮的目的（圖2A）。運(yùn)用負(fù)壓蒸發(fā)濃縮裝置處理沼液，既能避免沼液受到高溫發(fā)生的質(zhì)變，還能有效濃縮養(yǎng)分。據(jù)報(bào)道，當(dāng)污泥沼液采用負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)濃縮，濃縮得到的體積低于原來(lái)的33%時(shí)，TN、TP、TK的濃縮倍數(shù)最高可達(dá)1.6倍1.2.2蒸發(fā)分散系統(tǒng)沼液的蒸發(fā)過(guò)程是沼液不斷地從熱源吸熱，并持續(xù)沸騰讓水分汽化的過(guò)程。通常第一效的蒸汽來(lái)自外源加熱，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓用于第二效蒸發(fā)罐的加熱，同理，也用于第三效蒸發(fā)，從而形成多效蒸發(fā)工藝，以達(dá)到節(jié)省蒸汽的目的（圖2B）。唐弓斌等1.3冷凍液的兩相溶液冷凍濃縮是指利用冷凍分離的固液相平衡原理，在一定的冷凍條件下，形成上層冰晶、下層濃縮液的兩相溶液（圖3）。濃縮過(guò)程通常在一個(gè)很低的溫度下進(jìn)行，以保證溶液中熱敏性物質(zhì)能夠很好地保存。文玲等1.4沼澤萃取濃縮技術(shù)萃取技術(shù)是利用物質(zhì)在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使物質(zhì)從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中。劉繼紅等2沼液濃縮液的高值化利用技術(shù)限制沼液濃縮應(yīng)用的關(guān)鍵因素是設(shè)施投資和運(yùn)行成本高。因此，為抵消運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)沼液濃縮液的高值化利用尤為重要。沼液濃縮液高值化處理主要是指充分利用濃縮液中保留的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、活性物質(zhì)和功能成分。主要利用方式有直接利用、混合施用，以及復(fù)配制肥高值化利用等。2.1直接使用沼液濃縮技術(shù)，通常能使其中的養(yǎng)分含量被充分截留，可再供給作物生長(zhǎng)利用。付艷艷2.2混合使用沼液濃縮液的養(yǎng)分含量并非能完全滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)所需的所有功能，因此，通常要與化肥、農(nóng)藥聯(lián)用。劉金2.3被關(guān)注的品種沼液濃縮液作為生長(zhǎng)載體，在微藻種植方面也被廣泛關(guān)注。微藻生長(zhǎng)代謝能夠吸收污水水體中的C、N、P等營(yíng)養(yǎng)元素，既可實(shí)現(xiàn)污水處理與資源回用，所收獲的微藻又可用于能源生產(chǎn)2.4液與堿的配合利用沼液經(jīng)過(guò)濃縮后再利用可以增加其中各組分的含量（圖4），達(dá)到肥料施用的基本標(biāo)準(zhǔn)，而以濃縮液作為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步配比，以替代市場(chǎng)上的相關(guān)肥料，在實(shí)現(xiàn)資源再利用的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)利用最大化。近年來(lái)，針對(duì)沼液濃縮液的高值化、肥料化應(yīng)用主要集中在制備高品質(zhì)水溶肥上，其中相關(guān)發(fā)明專(zhuān)利68項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利13項(xiàng)。從功能上主要集中在微生物有機(jī)肥和氨基酸有機(jī)水溶肥等。2.4.1微生物肥沼液濃縮液中的C、N含量較適宜，能在保證微生物活性的前提下補(bǔ)充養(yǎng)分。束劍鋒等2.4.2螯合劑的配位鍵沼液pH值較高，通常大于8，如需進(jìn)行肥料復(fù)配，通常需要加入一定量的螯合劑，配位體與選擇的植物所需金屬元素通過(guò)配位鍵結(jié)合，形成具有鉗形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的螯合物。螯合劑通常包括氨基酸、糖類(lèi)、EDTA、腐植酸、檸檬酸等。范蓓蓓等2.4.3其他功能性肥料沼液濃縮液通常呈堿性，冉毅等3沼液膜濃縮技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用本文綜述了沼液濃縮技術(shù)及濃縮液在制備液體有機(jī)肥中的應(yīng)用。常見(jiàn)的沼液濃縮技術(shù)主要包括膜濃縮、蒸發(fā)濃縮、冷凍和萃取濃縮等，適用于工程應(yīng)用的主要有膜濃縮和蒸發(fā)技術(shù)。濃縮后的沼液可以直接或與其他產(chǎn)品配合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)。更重要的是，濃縮沼液可以通過(guò)添加養(yǎng)分、微生物菌劑、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等復(fù)配成專(zhuān)用液態(tài)有機(jī)肥料，提升沼液的產(chǎn)品價(jià)值，并擴(kuò)大利用半徑。然而，目前仍需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、優(yōu)化沼液濃縮技術(shù)，研發(fā)濃縮液高值化、功能化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)沼液濃縮液利用的多元化，提高產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)值，從而有效抵消沼液處理運(yùn)行的高投入。4沼液高效利用機(jī)理針對(duì)沼液直接還田利用存在的問(wèn)題，通過(guò)濃縮沼液及復(fù)配功能性物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)沼液增值化，具有較高的發(fā)展?jié)摿Γ瑢⒊蔀橛袡C(jī)廢棄物資源化循環(huán)利用的重要研究方向之一。為適應(yīng)新型農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展沼液有效活性成分與作用機(jī)理研究，制備新型肥料將是沼液資源化利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用向沼液濃縮液添加具有一種或兼具促生、抗病、土壤修復(fù)等多種功能的物質(zhì)