一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法技术

本发明专利技术提供一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法，利用超声/水热集成技术实现藻类生物质废弃物的快速降解和磷素的高效释放，磷释放率大于98％，利用载镁水热炭吸附技术实现液相中磷素的高选择性提取回收，磷素吸附效率大于97％。本发明专利技术提供的藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法可高效提取回收藻类生物质废弃物中的磷素，磷素回收率大于95％。

A method of extraction and recovery of phosphorus resource in algae biomass waste

The present invention provides a method of extraction and recovery of phosphorus in algae biomass waste resources, efficient use of releasing ultrasonic / water heat integration technology to achieve the rapid degradation of algae biomass and phosphorus, phosphorus release rate is greater than 98%, high selective extraction and recover the liquid phase phosphorus utilization load magnesium hydrothermal carbon adsorption technology. Phosphorus adsorption efficiency is greater than 97%. The method of resource recovery and recovery from algae biomass waste can efficiently extract and recover phosphorus from algal biomass wastes, and the recovery rate of phosphorus is more than 95%.

【技术实现步骤摘要】
一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法
本专利技术属于农业资源与环境
，具体涉及一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法。
技术介绍
随着水体富营养化的加剧和藻类生物质炼制工程的高速发展，越来越多的藻类生物质废弃物由于没有得到合适科学的处置而对环境造成极大的负面影响。堆积的藻类生物质废弃物，一方面，由于生物降解过程会产生臭味污染空气，甚至流入水体污染水环境；另一方面，藻体中含有的藻毒素若不及时处理，会流入环境中威胁生物健康。同时，藻类生物质废弃物是一种富磷资源，藻类由于生长环境以及自身的结构功能，极易富集环境中的磷元素。目前，我国磷矿资源匮乏，高品位磷矿少，磷资源消耗过快。国家数据统计显示，我国磷矿石开采量自2008年的5074.06万吨增至2015年的32733.16万吨。因此，寻找科学有效的方法减量化无害化藻类生物质废弃物，同时回收其中的磷素资源，实现资源的可持续发展是必要并且紧急的。目前，回收藻类中磷素主要存在以下难点：1.磷素主要以聚磷有机物的形式存在于藻类细胞体内，一方面，缺乏高效的方法快速破解细胞壁，使含磷化合物能释放到液相中；另一方面，藻类生物质中存在的高聚合含磷化合物难以降解；2.对于释放到液相中的小分子磷，由于伴存物质多，难以高效提取回收。针对藻类生物质快速破解细胞壁困难的问题，专利CN104450509B公布了一种螺旋藻细胞破壁剪切装置，利用多刀刃快速切割技术，提高螺旋藻的切割效果，保证物料粉碎的细度，可以有效解决藻细胞破壁效率低下、功耗高、二次污染等问题缺陷。上述技术可以高效快速降解藻类，但是其对前处理有较高要求，只能针对特定含水率的藻类生物质，不利于实际技术推广应用。针对液相中由于伴存物质过多，小分子磷难以高效提取回收的问题。Gifford等(Phosphorusrecoveryfrommicrobialbiofuelresidualusingmicrowaveperoxidedigestionandanionexchange.[J].WaterResearch,2015,70:130-137)利用氧化剂(H2O2)辅助微波处理的方法将藻类生物质废弃物中的胞内含磷高聚物转化为单脂磷，然后采用负载纳米铁粒子树脂阴离子交换吸附技术回收释放的藻磷。上述技术开发的树脂材料能够高选择性吸附液相中87％-98％的藻类释放磷素，但饱和吸附负载纳米铁粒子树脂的脱附率只有23％-50％，吸附材料不易再生利用，提取的磷素难以循环作养分回用，耗费较高。目前，单元技术已无法满足藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的技术需要，开发集成组合新方法，克服现有技术难题，实现磷素资源从藻类生物质废弃物中的高效回收，具有重要价值。
技术实现思路
针对目前藻类生物质废弃物磷素资源回收过程中效率低、选择性差的问题，本专利技术提供了一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法，利用超声/水热集成技术，克服藻类生物质废弃物难以降解和磷素破壁释放困难的问题，利用载镁水热炭吸附回收技术，克服液相中磷素容易流失与选择性回收效能低的问题。本专利技术的目的是提供一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法。本专利技术所提供的藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法，包括下述步骤：(1)在破壁剂的作用下，对藻类生物质废弃物进行超声处理，得到超声处理后的藻类生物质废弃物；(2)在催化剂作用下，对所述超声处理后的藻类生物质废弃物进行水热处理，得到超声/水热处理后的藻类生物质废弃物；(3)对所述超声/水热处理后的藻类生物质废弃物进行固液分离，将液体部分引入间歇式吸附床，利用载镁水热炭为吸附剂对磷素进行间歇式吸附反应，排出吸附饱和的载镁水热炭；(4)将排出的吸附饱和的载镁水热炭进行固液分离，脱水，将脱水后的饱和载镁水热炭干燥，得到吸附有磷素的载镁水热炭。上述方法步骤(1)中，所述破壁剂具体可为H2O2。所述藻类生物质废弃物可为含水率为60-90％的藻类生物质废弃物。所述破壁剂的体积可为藻类生物质废弃物体积的1-5％。所述超声处理的超声功率可为50-250W，超声频率可为20-60kHZ。所述超声处理的时间为10-30min，温度可为20-40℃。所述超声处理具体可为脉冲式超声处理，其中每个脉冲周期可包括运行1-2min，停止1-2min。所述超声处理可在超声反应器中进行，藻类废弃物的体积与超声反应器容积比可为1-2:3。上述方法步骤(2)中，所述催化剂具体可为NaOH或HCl。所述催化剂的体积可为藻类生物质废弃物体积的1-10％。催化剂NaOH或HCl的浓度可为1-5mol/L。所述水热处理的温度可为75-180℃，时间可为30-120min。所述水热处理可在水热反应釜中进行。所述超声处理后的藻类生物质废弃物的体积与水热反应釜容积的比可为1-2:3。上述方法步骤(3)中，所述固液分离可在螺旋式固液分离机中进行。所述螺旋式固液分离机的处理能力可为2-20m3/h，筛网网孔径可为0.3-1.0mm，主轴转速可为10-30r/min。所述间歇式吸附床分为机械搅拌区、水热炭悬浮吸附区、水热炭贮存区、出水区，其中机械搅拌区的高径比为5-15:1，机械搅拌区与悬浮吸附区中间设置消能板。在间歇式吸附反应过程中，间歇式吸附床的水热炭悬浮吸附区的pH值为6-9，温度为10-30℃。吸附剂载镁水热炭:待处理液体的固液比为1kg:50-200L。间歇式吸附反应的时间可为3-6h，包括1-2个反应周期，每个周期包括进料—反应—进料—反应—排料，其中进料10-20min，反应70-140min，排料20-40min。所述载镁水热炭通过包括下述步骤的方法制备得到：将生物质与去离子水混合，进行水热反应，将得到的产物酸洗至中性后干燥，将得到的产物水热炭与MgCl2溶液混合，调节pH值至9-12，超声混合，对得到的体系进行固液分离，对得到的固体进行干燥，即得载镁水热炭。其中，所述生物质可为粒径为1-3mm的玉米秸秆、麦秸秆、玉米芯、稻壳、甘蔗废渣等农业废弃物。所述生物质与去离子水的固液比可为20-50g:100mL；所述水热反应在水热反应釜中进行。反应物(生物质与去离子水的总体积)占水热反应釜体积的1/2-2/3。所述水热反应的温度可为200-400℃，时间可为30-100min。所述对产物进行酸洗的具体操作为：将产物按固液比0.1-5g:10mL加入0.1-1mol/L的HCl溶液酸洗0.5-4h。所述MgCl2溶液的浓度可为0.5-2mol/L。所述MgCl2溶液以0.1-5g:10ml的固液比与水热炭混合。所述超声混合的条件为：温度20-40℃，转速20-100r/min，超声功率30-150W，超声频率10-50MHz的条件下混合18-24h。所述干燥的温度可为60-80℃，时间可为4-8h。步骤(4)中，所述固液分离可在螺旋式固液分离机中进行，所述螺旋式固液分离机的处理能力可为5-30m3/h，筛网网孔孔径可为0.05-0.5mm，主轴转速可为25-60r/min。所述干燥的条件为：在温度60-80℃条件下烘干3-8h。所述吸附有磷素的载镁水热炭可施用于农田中作为缓释肥补充土壤所需的磷素及镁元素，也可作为土壤调理剂用于土壤的酸碱，有机质含量以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法，包括下述步骤：(1)在破壁剂的作用下，对藻类生物质废弃物进行超声处理，得到超声处理后的藻类生物质废弃物；(2)在催化剂作用下，对所述超声处理后的藻类生物质废弃物进行水热处理，得到超声/水热处理后的藻类生物质废弃物；(3)对所述超声/水热处理后的藻类生物质废弃物进行固液分离，将液体部分引入间歇式吸附床，利用载镁水热炭为吸附剂对磷素进行间歇式吸附反应，排出吸附饱和的载镁水热炭；(4)将排出的吸附饱和的载镁水热炭进行固液分离，脱水，将脱水后饱和载镁水热炭干燥，得到吸附有磷素的载镁水热炭。

【技术特征摘要】
1.一种藻类生物质废弃物中磷素资源化提取回收的方法，包括下述步骤：(1)在破壁剂的作用下，对藻类生物质废弃物进行超声处理，得到超声处理后的藻类生物质废弃物；(2)在催化剂作用下，对所述超声处理后的藻类生物质废弃物进行水热处理，得到超声/水热处理后的藻类生物质废弃物；(3)对所述超声/水热处理后的藻类生物质废弃物进行固液分离，将液体部分引入间歇式吸附床，利用载镁水热炭为吸附剂对磷素进行间歇式吸附反应，排出吸附饱和的载镁水热炭；(4)将排出的吸附饱和的载镁水热炭进行固液分离，脱水，将脱水后饱和载镁水热炭干燥，得到吸附有磷素的载镁水热炭。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述破壁剂为H2O2；所述藻类生物质废弃物为含水率为60-90％的藻类生物质废弃物；所述破壁剂的体积为藻类生物质废弃物体积的1-5％；所述超声处理的超声功率为50-250W，超声频率可为20-60kHZ；所述超声处理的时间为10-30min，温度可为20-40℃；所述超声处理为脉冲式超声处理，其中每个脉冲周期包括运行1-2min，停止1-2min；所述超声处理可在超声反应器中进行，藻类废弃物的体积与超声反应器容积比为1-2:3。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述催化剂为NaOH或HCl；所述催化剂的体积为藻类生物质废弃物体积的1-10％；所述水热处理的温度为75-180℃，时间为30-120min；所述水热处理在水热反应釜中进行；所述超声处理后的藻类生物质废弃物的体积与水热反应釜容积的比为1-2:3。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述固液分离在螺旋式固液分离机中进行；所述螺旋式固液分离机的处理能力为2-20m3/h，筛网网孔径为0.3-1.0mm，主轴转速为10-30r/min；所述间歇式吸附床分为机械搅拌区、水热炭悬浮吸附区、水热炭贮存区、出水区，其中机械搅拌区的高径比为5-15:1，机械搅拌区与悬浮吸附区中间设置消能板；在间歇式吸附反应过程中，间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，邓雅馨，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11