CN103274549A

CN103274549A - 一种循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法

Info

Publication number: CN103274549A
Application number: CN2013102248350A
Authority: CN
Inventors: 董仁杰; 庞昌乐; 刘良
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，步骤为：将吹脱塔和吸收装置通过充气泵、阀门及管道连接成气体循环回路，充气泵向吹脱塔底部的沼液充气，将沼液中溶解气体和氨氮吹脱，循环气体通过吸收装置时，首先由碱吸收罐过滤循环气中的酸性气体（如CO₂和H₂S等），接着由一级酸吸收罐吸收氨气（NH₃），最后由二级酸吸收罐吸收尾气中的水蒸汽，循环气体由充气泵再次送入吹脱塔沼液中继续循环吹脱过程。本发明方法具有处理工艺简单、吹脱性能稳定可靠、运行管理及维护容易等优点，适用于各类原料沼液达标排放处理。

Description

一种循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法

技术领域

本发明涉及沼气工程沼液后处理氨氮去除和养分回收方法，更具体地说，本发明涉及一种循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法。本发明属于污水处理、环境保护技术领域。

背景技术

利用厌氧发酵产沼气技术处理畜禽养殖废弃物、作物秸秆、生活垃圾以及其它有机废弃物，既可治理环境污染，又能实现废弃物的资源化利用，取得较好的能源、环保和经济效益在工程中得到广泛应用。厌氧发酵后剩余产物——厌氧消化液，也称为沼液，含有未被消化的有机物、氨氮、可溶性磷酸盐和粪大肠杆菌等多种物质。在大中型沼气工程中，沼液产生量大，作为肥料利用时附近农田土地全部消纳困难、远距离输送能耗大成本高，往往被就地排放到环境中，造成严重的环境污染问题，例如，水体富营养化、持续而无序地排放温室气体等，沼液不能达标排放已成为沼气工程的发展瓶颈。因此，迫切需要一种有效的沼液后处理技术工艺和设备。

目前，我国大中型沼气工程中，沼液后处理大量借鉴或直接套用城市污水处理工艺和技术，如污水好氧生物处理工艺。处理高浓度氨氮废水的方法除吹脱气提法外，其它方法一般存在工艺复杂、运行费用较高的缺陷。国内吹脱装置一般采用填料塔或塔板塔，但是由于絮凝沉积作用，填料及塔板上往往会很快产生一层积垢，形成压差，影响设备工作效率和吹脱效果。此外，沼液中含有大量的粪大肠杆菌，最大可能数为35000个/100mL，排放时基本没有经过杀灭处理。

目前实际沼气工程中还没有很好地解决上述问题。因此，开发高效沼液后处理工艺技术成为解决沼液减量化和达标排放的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，以解决沼液中高浓度氨氮去除、养分回收及大肠杆菌杀灭问题，使出水满足后续生物处理工序及环保要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。

本发明方法，包括以下步骤：

（1）将吹脱塔和吸收装置连接成气体循环回路；

（2）将待处理沼液装入吹脱塔中，将吸收剂装入吸收装置中；

（3）将沼液中溶解气体吹脱，吸收酸性气体，提高沼液pH值；

（4）将沼液中氨氮吹脱和吸收；

（5）破除上溢泡沫；

（6）吹脱结束后，将塔内气体排放，液体沉淀；

（7）排放上清液；

（8）排放沉淀物。

本发明方法的具体工艺流程包括以下步骤：

（1）将吹脱塔和吸收装置的气流管路连通为气流循环回路状态，具体连通方法是：吹脱塔顶部抽气口和碱吸收罐进气口通过阀门及管道连通，碱吸收罐出气口和一级酸吸收罐进气口通过阀门及管道连通，一级酸吸收罐出气口和二级酸吸收罐进气口通过阀门及管道连通,二级酸吸收罐出气口和充气泵进气口通过阀门及管道连通。

（2）向吹脱塔中泵入待处理的沼液；向碱吸收罐、一级酸吸收罐和二级酸吸收罐中分别装入所需体积的碱剂、稀酸和浓硫酸；

步骤（2）中优选工艺条件为：

泵入吹脱塔中待处理的沼液液面高度至布气装置底部100～150mm；装入碱吸收罐中的碱剂液面高度为1/2罐内高度；装入一级酸吸收罐的酸液液面高度为1/2罐内高度；装入二级酸吸收罐的酸液液面高度为1/2罐内高度。

（3）启动充气泵，通过进气管向吹脱塔中沼液充气，气流从进气管上设置的小孔喷向沼液时，形成小气泡向上穿过液体进入吹脱塔顶空中，在此过程中，沼液中溶解气体和氨氮与气泡完成气液传质而成为脱离沼液束缚的游离气体进入吹脱塔顶空中，同时从塔顶抽气后吹脱塔顶空中形成低压状态，也增强了溶解气体脱离沼液传质过程；

步骤（3）中优选工艺条件为：

向塔内充气流量为10L/min，沼液温度控制在35℃～38℃之间，吹脱循环时间为10h。

（4）将步骤（3）中吹脱出来的气体经过吸收装置进行过滤和吸收处理，具体步骤是：气体先通过碱吸收罐，吸收其中的酸性气体，所述酸性气体主要是CO₂、H₂S等；接着气体通过一级酸吸收罐，吸收NH₃；最后气体通过二级酸吸收罐，吸收水蒸气或一级吸收塔未吸收干净的氨气。

步骤（4）中优选工艺条件为：

装入碱吸收罐中的碱剂为浓度是过饱和的Ca(OH)₂溶液；装入一级酸吸收罐的酸液为30%硫酸；装入二级酸吸收罐的酸液为98%浓硫酸。

（5）在步骤（3）的吹脱过程中，定期从取样口取样分析，便于了解塔内运行情况。

（6）沼液吹脱结束后关闭气体循环阀门，打开排气阀门，将吹脱塔内剩余气体排出塔外。

（7）将沼液静置沉淀，优选工艺条件为：沉淀时间1h。

（8）打开排液阀，排出上清液。

（9）打开排渣阀，排出沉淀物。

本发明还可以做如下改进：

将上述步骤（3）的进气管充气方式改进为通过曝气自搅拌装置向吹脱塔中沼液充气，气流通过进气管和曝气自搅拌装置，最后从曝气自搅拌装置上小孔喷向沼液时，形成小气泡向上穿过液体进入吹脱塔顶空中，同时液体反作用力推动曝气自搅拌装置转动搅拌液体，小气泡均布于沼液中，有利于提高气液传质效果；

将上述步骤（3）的吹脱过程分为沼液中溶解气体吹脱和沼液中氨氮吹脱两个阶段；所述溶解气体包括溶解甲烷、溶解二氧化碳和溶解硫化氢等，溶解气体吹脱目的是提高沼液pH值，有利于增强后续氨氮吹脱效果，溶解气体吹脱阶段中优选工艺条件为：吹脱循环时间为1h。

所述氨氮吹脱阶段通过以下措施作进一步改进：

①通过碱剂进料口添加碱剂，所述碱剂可以是液体或粉末，目的是提高沼液pH值，加速沼液中NH₄ ⁺离子转化为NH3进程，步骤①中优选工艺条件为：10g/L；

②将沼液雾化，增加沼液和气流接触面积，具体步骤是：设置沼液回流管，通过沼液回流泵、阀门及管道连接到进液管；在进液管出口下方设置有沼液雾化器，将沼液雾化成小液滴；在沼液雾化器下方设置有布气装置，将从沼液中出来的气体重新组织形成均布的小股气流柱，这些气流在上升过程中与落下的雾化液滴接触；落下的液滴汇集在布气装置上面后流入由积液导流板与塔体内壁面连接形成的导液通道中，回流到沼液中；在沼液回流泵、沼液雾化器和布气装置的共同作用下，实现气液二次循环吹脱，进一步增加氨氮吹脱效果。

在上述步骤（3）的进气管充气中加入由臭氧发生器提供的臭氧，可在吹脱中杀灭沼液中的粪大肠杆菌，进一步降低沼液的COD和氨氮含量，有利于改善出水排放要求。

将步骤（3）中产生的上溢泡沫破碎，防止泡沫被吸入吸收装置中，在本发明中设置了三道防线除泡方法实现上述目的，具体方法是：第一道除泡防线由布气装置和积液导流板组成的隔离装置完成，气流从布气装置上均布的小孔通过，气泡通过这些小孔时被挤破；第二道除泡防线由气流折流板完成，所述气流折流板设置成上下两层左右交错布置、自由端稍微向下倾斜，上升气流通过折流板时改变气流方向，起到拦截、消破泡沫作用，防止泡沫直接上升进入抽气口；第三道除泡防线由除雾器完成，所述除雾器设置有絮状纤维填料、或海绵、多孔填料、或它们的混合物，有助于吸收气体中水汽和泡沫。

所述气流折流板优选工艺条件为：上层折流板向右下方倾斜0°～0.5°，下层折流板向左下方倾斜1°～3°。

本发明由于采取以上技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过封闭循环气体吹脱，可避免吹脱中重复吸入空气中CO₂，有利于减少因CO₂溶解于水后与碱剂反应消耗碱剂用量，从而减少碱剂投入成本，同时循环吹脱将沼液中溶解CO₂去除干净，有利于提高沼液pH值，缩短后续氨氮吹脱时间和能耗。2、通过投入碱剂，提高沼液pH值，能够有效促进沼液中的NH₄ ⁺离子与碱剂OH^-离子反应生成游离态NH₃的传质过程，且塔内顶空在抽气形成的低压作用和曝气吹脱作用下，加速了游离态NH3从液相向气相的转化速率，促进游离氨从水中逸出。3、在物理、化学及机械作用下，碱剂所起的絮凝作用将沼液中的磷有效地吸附，可以回收作为缓释磷肥或提纯作为磷矿粉，增加附加值。4、通过注入臭氧可以有效地杀灭沼液里的粪大肠杆菌，避免添加药物和高温灭菌等措施，不会造成药物残留，且有利于氨氮和COD去除。5、塔壁实施保温，可以有效利用发酵罐沼液出水的热量，减少维持吹脱温度投入的燃料成本。6、曝气自搅拌装置在气流推动下转动起到搅拌作用，增加了气液接触机会和氨氮去除效果，省去设置电动搅拌器，节约电力成本。7、经过布气装置、沼液承接盘和曝气自搅拌装置的共同作用，有利于粉末碱剂的完全溶解，方便使用较低成本的粉末碱剂，达到节约运行成本目的。8、雾化装置和布气装置的结合，增加了进水与气体的接触面积，增加脱氨效率。9、布气装置上外侧布置的倾斜气孔，可以充分利用其高速气流的冲涮作用洁净腔壁。10、装置吹脱腔内无填料，不会产生填料塔和塔板塔的压差而影响脱气效率。11、从沼液中解析出来的NH₃通过与吸收剂产生化学作用，生成高效氮肥，增加沼液利用附加值。12、吹脱处理后剩余液pH值得到有效提高，可以直接利用这种高pH值液对沼气进行净化或预处理秸秆，降低沼气净化成本和原料预处理成本，为后续的资源化利用打下良好基础。13、本发明方法具有处理工艺简单、吹脱性能稳定可靠、运行管理及维护容易等优点，适用于各类原料沼液达标排放处理。

附图说明：

图1是本发明方法流程图；

附图标记：吹脱塔1、吸收装置2、进液管3、碱剂加料口4、充气泵5、臭氧发生器6、进气管7、曝气自搅拌装置8、布气装置9、积液导流板93、沼液雾化器10、塔顶11、塔体12、塔底13、抽气口14、排渣口15、支撑块16、气流折流板17、除雾器18、沼液承接盘19、塔支撑架20、碱吸收罐21、一级酸吸收罐22、二级酸吸收罐23、排液口24、取样分支25、pH计26、保温层27、排气阀门28、气体循环阀门29、沼液循环口30、沼液循环泵31、碱剂进料口41

具体实施方式：

下面结合附图1和实施例进一步对本发明方法进行详细的描述。

（1）启动时，将待处理的沼液通过沼液回流泵35泵入吹脱塔1中；向碱吸收罐21装入Ca(OH)2溶液，向一级酸吸收罐22装入30%H₂SO₄溶液，向二级酸吸收罐23中98%浓硫酸。

（2）打开相关阀门，接通并形成气体循环回路，启动充气泵，充气流量为：5L/min。气体按以下循环路径流动：脱气塔1顶空气体→抽气口14、阀门及管道→碱吸收罐21进气口2A→碱吸收罐21内液体→碱吸收罐21出气口2B、阀门及管道→一级酸吸收罐22进气口2C→一级酸吸收罐22内液体→一级酸吸收罐出气口2D、阀门及管道→二级酸吸收罐23进气口2E→二级酸吸收罐23内液体→二级酸吸收罐出气口2F、阀门及管道→充气泵5→进气管7→曝气自搅拌装置8→沼液→布气装置9→气流折流板17→除雾器18→抽气口14。

（3）气体循环1h后，打开自动进碱剂装置4进料阀门，向脱气塔1加入碱剂10g/L沼液；打开臭氧发生器6阀门，臭氧（流量3.0mg/L）随进气一起进入到脱气塔1的沼液中，杀灭沼液中的大肠杆菌。

（4）循环气体中的酸性气体在碱吸收罐中被吸收，循环气体中的氨气在一级酸吸收罐22中被吸收生成硫酸铵，循环气体中的水汽在二级酸吸收罐23中被吸收。

（5）运行期间，通过采样分支25取样分析，了解系统运行情况。

（6）系统稳定运行,8h后结束。

（7）关闭气体循环阀门29，打开吹脱塔1塔顶排气阀28排出剩余气体。

（8）沼液静置1h后，打开排液阀24排出上清液；打开排渣阀15排出絮凝沉淀物。对上清液进行测定，结果如下：

氨氮平均去除率达到95%，COD平均去除率达到82%，正磷平均去除率达到99%，大肠杆菌杀灭率100%，实现了沼液氨氮高效脱除和养分回收。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是用于说明本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于：沼液中的溶解气体和氨氮在吹脱塔中被吹脱，吹脱气体在吹脱塔和吸收装置组成的封闭回路中反复循环，吹脱气体在吸收装置中被过滤和吸收，实现沼液中溶解气体和氨氮脱除以及养分回收。

2.根据权利要求1所述的循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于上述吹脱塔和吸收装置通过充气泵、阀门及管道连通，具体方法是：吹脱塔顶部抽气口和碱吸收罐进气口通过阀门及管道连通，碱吸收罐出气口和一级酸吸收罐进气口通过阀门及管道连通；一级酸吸收罐出气口和二级酸吸收罐进气口通过阀门及管道连通，二级酸吸收罐出气口和充气泵进气口通过阀门及管道连通。

3.根据权利要求1所述的循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于在所述吹脱塔中设置曝气自搅拌装置，气流通过所述曝气自搅拌装置上小孔喷向沼液时，形成小气泡向上穿过液体进入吹脱塔顶空中，同时液体反作用力推动曝气自搅拌装置转动搅拌液体，使小气泡均布穿过沼液，有利于提高气液传质效果。

4.根据权利要求1所述的循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于向所述吹脱塔中沼液添加碱剂，将沼液pH值提高到不低于12.0，加速沼液中NH₄ ⁺离子转化为NH₃进程。

5.根据权利要求1所述的循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于在所述吹脱塔中设置沼液内循环和雾化方法，增加沼液和气流多次接触机会，具体方法是：设置沼液回流泵，通过沼液回流泵、阀门及管道将塔内沼液回流到进液管；在所述进液管出口下方设置沼液雾化器，将落下的沼液雾化成小液滴；在所述沼液雾化器下方设置有布气装置，将从塔内沼液中出来的气体重新组织形成均布的小股气流柱，这些气流在上升过程中与落下的雾化液滴接触。

6.根据权利要求1所述的循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于在所述吹脱塔中设置泡沫破碎方法，具体方法是：在布气装置表面上设置均布小出气孔，将随气流上升的泡沫穿过小孔时破碎；在所述进液管上方设置气流折流板，所述气流折流板设置成上下两层左右交错布置、自由端稍微向下倾斜，上升气流通过折流板时改变气流方向，起到拦截、消破泡沫作用，防止泡沫直接上升进入抽气口；在所述气流折流板上方设置除雾器，所述除雾器设置有絮状纤维填料、或海绵、多孔填料、或它们的混合物，有助于吸收气体中水汽和泡沫。

7.根据权利要求1所述的循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于通过吹脱塔塔顶抽气口的气体进入吸收装置中被过滤和吸收，具体方法是：气体通过碱吸收罐时，气流中的酸性气体与碱反应而被脱除；气流接着通过一级酸吸收罐，气流中的氨气（NH₃）被吸收；最后气体通过装有浓硫酸的二级酸吸收罐时，吸收气流中的水蒸汽。

8.根据权利要求1所述的循环闭式无填料高效沼液氨氮脱除养分回收方法，其特征在于设置臭氧灭菌环节，杀灭沼液中的大肠杆菌。具体方法是：在所述进气管入口和所述充气泵出气口之间设置臭氧进气口，所述臭氧进气口通过阀门及管道连接到臭氧发生器。