一种粪污发酵前处理设备和处理方法

技术领域

本发明涉及粪污处理技术领域，尤其涉及一种粪污发酵前处理设备和处理方法。

背景技术

畜禽粪便一直被人们当作土壤肥料的重要来源，因而畜禽粪便多是就地施用。畜禽粪便中含有丰富的有机物和氮、磷、钾等养分，同时也能供给作物所需的钙、镁、硫等多种矿物质及微量元素，满足作物生长过程中对多种养分的需要。

通常是通过堆肥实现粪便有机化再利用；根据各种堆肥原料的营养成分和堆肥过程中对混合堆料的碳氧比、颗粒大小、水分含量和pH值等条件的要求，将计划中的各种堆肥材料按一定比例混合堆积。在好氧、厌氧或好氧一厌氧交替的条件下，对粪便进行腐解发酵，作为有机肥施用。

但是粪便中含有的重金属、抗生素随着有机肥的施用，转移到土壤中，破坏土壤的微生态平衡，在作物的可食用部位富集进入食物链。因此需要对畜禽粪便进行处理，以施加在土壤中。通常对畜禽粪便进行前处理再进行发酵。

但现有技术中的粪污发酵前处理手段可能无法完全去除粪便中的有害物质，如重金属、抗生素残留等。这些有害物质可能会在发酵过程中影响微生物的生长和产气效果，从而降低发酵效率。

因此，需要提供一种粪污发酵前处理设备和处理方法以克服上述问题。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种粪污发酵前处理设备和处理方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种粪污发酵前处理方法，其特征在于，包括：

S1、将粪污注入前处理设备中，通过筛分单元进行颗粒分离，得到处理粪液；

S2、制备磁性纳米中空材料，并在磁性纳米中空材料表面沉积第一吸附层和第二吸附层，得到磁性纳米复合材料；所述第一吸附层和所述第二吸附层的制备材料均为细菌纤维素和壳聚糖中的一种；

S3、将磁性纳米复合材料放入沉滤单元中，并将S1中得到的处理粪液通入沉滤单元中；

S4、在所述沉滤单元外部设置若干磁场组提供磁场，在所述沉滤单元外部相对设置若干磁控装置，用于控制磁性纳米复合材料移动吸附重金属离子与抗生素残留；

S5、将S4中的粪液通入浓缩单元中进行浓缩处理，得到浓缩粪液。

本发明一个较佳实施例中，在所述S2中，制备磁性纳米中空材料包括以下步骤：

S21、将聚乙烯醇溶液注入中空结构模具中，形成聚乙烯醇中空结构；

S22、将磁性纳米颗粒分散在水中并不断搅拌，形成磁性纳米颗粒分散液；

S23、将磁性纳米颗粒分散液使用喷涂法附着在聚乙烯醇中空结构上，干燥后形成样品；

S24、将所述样品溶于热水中，得到磁性纳米中空材料。

本发明一个较佳实施例中，在所述S2中，在磁性纳米中空材料表面沉积第一吸附层和第二吸附层的具体步骤为：

S25、将第一吸附层和第二吸附层分别分散在溶剂中，通过超声震荡形成第一吸附层分散液和第二吸附层分散液，将第一吸附层分散液和第二吸附层分散液滴加至磁性纳米中空材料上，使第一吸附层分散液和第二吸附层分散液沉积在磁性纳米中空材料表面；

S26、通过旋转蒸发仪将第一吸附层分散液和第二吸附层分散液蒸发，得到磁性纳米复合材料。

本发明一个较佳实施例中，在所述S4中，在沉滤单元外部设置若干磁场组提供磁场具体包括以下步骤：

S41、向所述磁控装置中设置的若干电磁铁通入电流；

S42、通入电流方向相反，形成磁性相异的若干磁极，构建磁场。

本发明一个较佳实施例中，在所述S4中，控制磁性纳米复合材料移动吸附重金属离子与抗生素残留具体包括以下步骤：

S43、控制相对所述磁控装置同时移动，使飘浮的磁性纳米复合材料跟随移动；

S44、移动方式为平行移动、z字形移动以及回字形移动中的一种。

本发明一个较佳实施例中，磁性纳米复合材料外部还涂抹有防粘涂层，为二氧化硅涂层、聚合物涂层、FEP涂层中的一种。

本发明还提供一种粪污发酵前处理设备，包括：设备主体，以及依次设置在所述设备主体内部的筛分单元、沉滤单元以及浓缩单元；

所述筛分单元包括：设置在所述设备主体一侧的入料口，以及由上至下设置在所述筛分单元内部的筛分板组；所述筛分板组包括：第一筛分板、第二筛分板以及第三筛分板；所述筛分板组为可拆卸结构；

所述沉滤单元包括：相对设置在所述沉滤单元外部的若干所述磁控装置；所述磁控装置包括：控制部，与所述控制部连接的若干固定环，与所述固定环连接的旋转吸盘，以及固定设置在所述控制部上的所述电磁铁；所述控制部内部设置有用于为所述旋转吸盘提供吸力的气泵，以及用于操控所述旋转吸盘在所述沉滤单元表面移动的电机；

所述浓缩单元包括：设置在所述浓缩单元内部的脱水部，设置在所述设备主体外部与所述脱水部连接的脱水电机，以及设置在所述设备主体另一侧的出料口。

本发明一个较佳实施例中，所述第一筛分板与所述第三筛分板为倾斜设置，所述第二筛分板倾斜设置方向与所述第一筛分板设置方向相反。

本发明一个较佳实施例中，所述筛分板组上均开设有过滤孔；所述第一筛分板的过滤孔径大于所述第二筛分板的的过滤孔径，所述第二筛分板的过滤孔径大于所述第三筛分板的的过滤孔径。

本发明一个较佳实施例中，所述筛分单元与所述沉滤单元之间、所述沉滤单元与所述浓缩单元之间均设置有单向进水阀。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明提供了一种粪污发酵前处理设备和处理方法，可以对粪污进行筛分，将固体颗粒与液体分离，得到处理粪液。这样可以减少后续处理过程中的固体物质负荷，提高处理效率；同时筛分单元可以有效去除较大的固体颗粒，防止其堵塞后续处理设备，保护设备的正常运行。

(2)本发明通过制备磁性纳米中空材料可以提高材料的吸附性能和稳定性，磁性纳米中空材料具有较大的比表面积和孔隙结构，可以针对粪污中的重金属离子和抗生素残留提供更多的吸附位点，增加吸附容量；且在磁性纳米中空材料表面沉积有第一吸附层和第二吸附层，可以进一步增强材料的吸附能力和选择性。细菌纤维素和壳聚糖是常用的吸附材料，具有良好的吸附性能和生物相容性。

(3)本发明在需要强力吸附力度时，磁性纳米复合材料的最外层材料可选择为细菌纤维素层，细菌纤维素层具有较大的比表面积和孔隙结构，能够提供更多的吸附位点，因此在吸附能力方面更强；

在粪污中的重金属离子主要以阴离子形式存在时，将细菌纤维素层作为最外层材料，其较大的比表面积和孔隙结构可以提供更多的吸附位点，增加吸附能力；在重金属离子主要以阳离子形式存在时，将壳聚糖层作为最外层材料，其良好的亲水性和电荷特性可以吸附带有正电荷的重金属离子，提高对重金属离子的去除率。

(4)本发明通过设置浓缩单元将去除重金属离子和抗生素残留的粪液进行浓缩，可以将这些污染物的含量降低到更低的水平，减少对土壤和水体的污染，保护环境；且浓缩后的粪液体积更小，更便于处理和利用；同时浓缩后的粪液中的养分、有机物等资源更为集中，可直接将其作为肥料用于农田，提供植物生长所需的养分，同时减少对化肥的依赖。

(5)本发明还在磁性纳米复合材料外部涂抹有防粘涂层；防止磁性纳米复合材料与其他固体颗粒或杂质发生黏附，减少堵塞和污染的风险，保持磁性纳米复合材料的吸附性能和稳定性，且便于后续的材料再生和回收；同时可保护磁性纳米复合材料的表面免受损坏和腐蚀，增加磁性纳米复合材料的耐久性和使用寿命。

(6)本发明通过将磁性纳米复合材料放入沉滤单元中，再配合沉滤单元外部设置的磁场，磁场可以引导磁性纳米复合材料在沉滤单元中的分布，使其更好地接触目标物质，且可以控制磁性纳米复合材料的移动和定位，提高吸附效果；同时通过磁控装置可以控制磁性纳米复合材料的移动速度和方向，以实现对重金属离子和抗生素残留的精确吸附和分离，提高了处理效率和选择性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明的优选实施例的流程图；

图2是本发明的优选实施例的整体立体结构图；

图3是本发明的优选实施例的剖面立体结构图；

图4是本发明的优选实施例的沉滤单元的整体立体结构图；

图5是本发明的优选实施例1的磁性纳米复合材料的结构示意图；

图6是本发明的优选实施例2的磁性纳米复合材料的结构示意图；

图中：1、设备主体；2、筛分单元；21、入料口；22、筛分板组；221、第一筛分板；222、第二筛分板；223、第三筛分板；3、沉滤单元；31、磁控装置；311、控制部；312、固定环；313、旋转吸盘；314、电磁铁；4、浓缩单元；41、脱水部；42、脱水电机；43、出料口；5、磁性纳米复合材料；51、磁性纳米中空材料；52、细菌纤维素层，53、壳聚糖层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1是本发明的优选实施例的流程图；提供了一种粪污发酵前处理方法，其特征在于，包括：

S1、将粪污注入前处理设备中，通过筛分单元2进行颗粒分离，得到处理粪液；

S2、制备磁性纳米中空材料51，并在磁性纳米中空材料51表面沉积第一吸附层和第二吸附层，得到磁性纳米复合材料5；

S3、将磁性纳米复合材料5放入沉滤单元3中，并将S1中得到的处理粪液通入沉滤单元3中；

S4、在沉滤单元3外部设置若干磁场组提供磁场，在沉滤单元3外部相对设置若干磁控装置31，用于控制磁性纳米复合材料5移动吸附重金属离子与抗生素残留；

S5、将S4中的粪液通入浓缩单元4中进行浓缩处理，得到浓缩粪液。

通过前处理设备结合处理方法对粪污进行筛分，将固体颗粒与液体分离，得到处理粪液。这样可以减少后续处理过程中的固体物质负荷，提高处理效率；同时筛分单元2可以有效去除较大的固体颗粒，防止其堵塞后续处理设备，保护设备的正常运行。

在S2中，制备磁性纳米中空材料51包括以下步骤：

S21、将聚乙烯醇溶液注入中空结构模具中，形成聚乙烯醇中空结构；

S22、将磁性纳米颗粒分散在水中并不断搅拌，形成磁性纳米颗粒分散液；

S23、将磁性纳米颗粒分散液使用喷涂法附着在聚乙烯醇中空结构上，干燥后形成样品；

S24、将样品溶于热水中，得到磁性纳米中空材料51。

通过制备磁性纳米中空材料51可以提高材料的吸附性能和稳定性，磁性纳米中空材料51具有较大的比表面积和孔隙结构，可以针对粪污中的重金属离子和抗生素残留提供更多的吸附位点，增加吸附容量；且在磁性纳米中空材料51表面沉积有第一吸附层和第二吸附层，可以进一步增强材料的吸附能力和选择性。细菌纤维素和壳聚糖是常用的吸附材料，具有良好的吸附性能和生物相容性。

在S2中，在磁性纳米中空材料51表面沉积第一吸附层和第二吸附层的具体步骤为：

S25、将第一吸附层和第二吸附层分别分散在溶剂中，通过超声震荡形成第一吸附层分散液和第二吸附层分散液，将第一吸附层分散液和第二吸附层分散液滴加至磁性纳米中空材料51上，使第一吸附层分散液和第二吸附层分散液沉积在磁性纳米中空材料51表面；

S26、通过旋转蒸发仪将第一吸附层分散液和第二吸附层分散液蒸发，得到磁性纳米复合材料5。

需要说明的是，第一吸附层和第二吸附层的制备材料均为细菌纤维素和壳聚糖中的一种；本发明在需要强力吸附力度时，磁性纳米复合材料5的最外层材料可选择为细菌纤维素层52，细菌纤维素层52具有较大的比表面积和孔隙结构，能够提供更多的吸附位点，因此在吸附能力方面更强；

在粪污中的重金属离子主要以阴离子形式存在时，将细菌纤维素层52作为最外层材料，其较大的比表面积和孔隙结构可以提供更多的吸附位点，增加吸附能力；在重金属离子主要以阳离子形式存在时，将壳聚糖层53作为最外层材料，其良好的亲水性和电荷特性可以吸附带有正电荷的重金属离子，提高对重金属离子的去除率。

在S4中，在沉滤单元3外部设置若干磁场组提供磁场具体包括以下步骤：

S41、向磁控装置31中设置的若干电磁铁314通入电流；

S42、通入电流方向相反，形成磁性相异的若干磁极，构建磁场。

在S4中，控制磁性纳米复合材料5移动吸附重金属离子与抗生素残留具体包括以下步骤：

S43、控制相对磁控装置31同时移动，使飘浮的磁性纳米复合材料5跟随移动；

S44、移动方式为平行移动、z字形移动以及回字形移动中的一种。

本发明通过将磁性纳米复合材料5结合磁场共同使用，磁场可以引导磁性纳米复合材料5在沉滤单元3中的分布，使其更好地接触目标物质，且可以控制磁性纳米复合材料5的移动和定位，提高吸附效果；同时通过磁控装置31可以控制磁性纳米复合材料5的移动速度和方向，以实现对重金属离子和抗生素残留的精确吸附和分离，提高了处理效率和选择性。

需要说明的是，磁性纳米复合材料5外部还涂抹有防粘涂层，为二氧化硅涂层、聚合物涂层、FEP涂层中的一种，优选为二氧化硅涂层；可防止磁性纳米复合材料5与其他固体颗粒或杂质发生黏附，减少堵塞和污染的风险，保持磁性纳米复合材料5的吸附性能和稳定性，且便于后续的材料再生和回收；同时可保护磁性纳米复合材料5的表面免受损坏和腐蚀，增加磁性纳米复合材料5的耐久性和使用寿命。

图2是本发明的优选实施例的整体立体结构图；提供了一种粪污发酵前处理设备，包括：设备主体1，以及依次设置在设备主体1内部的筛分单元2、沉滤单元3以及浓缩单元4；筛分单元2与沉滤单元3之间、沉滤单元3与浓缩单元4之间均设置有单向进水阀；

图3是本发明的优选实施例的剖面立体结构图；筛分单元2包括：设置在设备主体1一侧的入料口21，以及由上至下设置在筛分单元2内部的筛分板组22；筛分板组22包括：第一筛分板221、第二筛分板222以及第三筛分板223；筛分板组22为可拆卸结构；

第一筛分板221与第三筛分板223为倾斜设置，第二筛分板222倾斜设置方向与第一筛分板221设置方向相反；筛分板组22上均开设有过滤孔；第一筛分板221的过滤孔径大于第二筛分板222的的过滤孔径，第二筛分板222的过滤孔径大于第三筛分板223的的过滤孔径。

图4是本发明的优选实施例的沉滤单元3的整体立体结构图；沉滤单元3包括：相对设置在沉滤单元3外部的若干磁控装置31；磁控装置31包括：控制部311，与控制部311连接的若干固定环312，与固定环312连接的旋转吸盘313，以及固定设置在控制部311上的电磁铁314；控制部311内部设置有用于为旋转吸盘313提供吸力的气泵，以及用于操控旋转吸盘313在沉滤单元3表面移动的电机；

浓缩单元4包括：设置在浓缩单元4内部的脱水部41，设置在设备主体1外部与脱水部41连接的脱水电机42，以及设置在设备主体1另一侧的出料口43。

实施例1

图5是本发明的优选实施例1的磁性纳米复合材料5的结构示意图；在粪污中的重金属离子主要以阴离子形式存在时，或需要强力吸附力度时，在磁性纳米中空材料51表面沉积第一吸附层和第二吸附层的具体步骤为：

S25、第一吸附层为壳聚糖层53，第二吸附层为细菌纤维素层52；将壳聚糖层53和细菌纤维素层52分别分散在溶剂中，通过超声震荡形成壳聚糖层53分散液和细菌纤维素层52分散液，将壳聚糖层53分散液和细菌纤维素层52分散液滴加至磁性纳米中空材料51上，使壳聚糖层53分散液和细菌纤维素层52分散液沉积在磁性纳米中空材料51表面；

S26、通过旋转蒸发仪将壳聚糖层53分散液和细菌纤维素层52分散液蒸发，得到磁性纳米复合材料5。

需要说明的是，本实施例在需要强力吸附力度时，磁性纳米复合材料5的最外层材料为细菌纤维素层52，细菌纤维素层52具有较大的比表面积和孔隙结构，能够提供更多的吸附位点，因此在吸附能力方面更强；且在粪污中的重金属离子主要以阴离子形式存在时，将细菌纤维素层52作为最外层材料，其较大的比表面积和孔隙结构可以提供更多的吸附位点，增加吸附能力。

实施例2

图6是本发明的优选实施例2的磁性纳米复合材料5的结构示意图；在粪污中的重金属离子主要以阳离子形式存在时，在磁性纳米中空材料51表面沉积第一吸附层和第二吸附层的具体步骤为：

S25、第一吸附层为细菌纤维素层52，第二吸附层为壳聚糖层53；将细菌纤维素层52和壳聚糖层53分别分散在溶剂中，通过超声震荡形成细菌纤维素层52分散液和壳聚糖层53分散液，将细菌纤维素层52分散液和壳聚糖层53分散液滴加至磁性纳米中空材料51上，使细菌纤维素层52分散液和壳聚糖层53分散液沉积在磁性纳米中空材料51表面；

S26、通过旋转蒸发仪将细菌纤维素层52分散液和壳聚糖层53分散液蒸发，得到磁性纳米复合材料5。

需要说明的是，在重金属离子主要以阳离子形式存在时，将壳聚糖层53作为最外层材料，其良好的亲水性和电荷特性可以吸附带有正电荷的重金属离子，提高对重金属离子的去除率。

实施例3

将第一吸附层设置为壳聚糖层53，第二吸附层设置为细菌纤维素层52，使用实施例1中的具体步骤制备得到磁性纳米复合材料；

实验组：将磁性纳米复合材料5放入沉滤单元3中，通过通入磁场控制磁性纳米复合材料5运动方向；

将运动方向为平行移动设置为样本1；

将运动方向为z字形移动设置为样本2；

将运动方向为回字形移动设置为样本3；

对照组：仅将磁性纳米复合材料5放入沉滤单元3中；

空白组：不放入磁性纳米复合材料5；

首先对未处理的粪液通过电感耦合等离子体质谱法进行重金属离子含量测试，通过高效液相色谱法进行抗生素残留含量测试，得到重金属离子含量为1756.78mg/L，抗生素残留含量为4.23mg/L。

在通过设备过滤完成后，对收集的浓缩粪液通过电感耦合等离子体质谱法进行重金属离子含量测试，通过高效液相色谱法进行抗生素残留含量测试，测试结果如下表1：

从以上测定结果可以看出，通入磁场后加入样品3即使用回字形运动方向控制磁性纳米复合材料5移动，对重金属离子和抗生素的收集效率最高，浓缩粪液中重金属离子含量由1756.78mg/L减少至558.23mg/L，抗生素残留含量由4.23mg/L减少至0.23mg/L；

通入磁场后加入样品1即使用平行运动方向控制磁性纳米复合材料5移动，对重金属离子和抗生素的收集效率较低，浓缩粪液中重金属离子含量由1756.78mg/L减少至895.31mg/L，抗生素残留含量由4.23mg/L减少至1.97mg/L；

通入磁场后加入样品2即使用z字形运动方向控制磁性纳米复合材料5移动，对重金属离子和抗生素的收集效率较高，浓缩粪液中重金属离子含量由1756.78mg/L减少至667.57mg/L，抗生素残留含量由4.23mg/L减少至1.15mg/L；

而对照组即仅将磁性纳米复合材料5放入沉滤单元3中，对重金属离子和抗生素的收集效率极低，浓缩粪液中重金属离子含量由1756.78mg/L减少至1256.19mg/L，抗生素残留含量由4.23mg/L减少至2.34mg/L；

空白组即不放入磁性纳米复合材料5，仅凭借前处理设备进行过滤，对重金属离子和抗生素的收集效率最低，浓缩粪液中重金属离子含量由1756.78mg/L减少至1573.86mg/L，抗生素残留含量由4.23mg/L减少至3.67mg/L；

说明在通入磁场控制磁性纳米复合材料5时采用回字形运动方向对粪液的过滤程度最高，同时通过表1的测试结果表明通过磁场与磁性纳米复合材料5结合吸附可大幅度提高对粪液中重金属离子和抗生素残留的去除程度。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。