CN108246051A - 一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置，包括脱氨厌氧消化罐和氨吸收‑循环系统，所述氨吸收‑循环系统包括依次循环连通的分离膜组件、酸吸收液存储瓶和蠕动泵，所述分离膜组件包括分离膜和设置在所述分离膜外部的膜保护层，所述分离膜组件设置在所述脱氨厌氧消化罐的内部；所述脱氨厌氧消化罐用于盛放厌氧消化料液。采用本发明提供的装置能够实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除，在进行厌氧消化的同时脱除氨氮，减轻氨氮抑制作用，并回收氨氮。

Description

一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置及方法

技术领域

本发明涉及生物质能源回收技术领域，特别涉及一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置及方法。

背景技术

随着我国经济社会的高速发展，城镇化进程的加快，我国每年产生大量生物质垃圾如餐厨垃圾、市政污泥、畜禽粪便、农作物秸秆等。厌氧消化技术可以实现生物质垃圾的无害化处理与资源化利用，被认为是应用最广泛且最有前景的生物质垃圾处理技术。传统的厌氧消化技术可以实现有机物的降解并将C以CH₄的形式作为能源回收，但是有机物中的N则会以氨氮的形式在反应器内积累并随沼液排出。在处理高含氮的生物质垃圾，如餐厨垃圾、畜禽粪便时，过量的氨氮会对产甲烷过程有较强的抑制作用，导致系统运行不稳定；同时，沼液高浓度氨氮、低碳氮比的特点也增加了其处理难度。

现有技术中通常采用生物脱氨法、氨氮吹脱法或膜接触器回收法实现氨氮脱除，但是该三种方法都属于侧流氨氮脱除方法，无法直接降低厌氧反应器内氨氮浓度，进而解除氨氮对产甲烷菌的抑制作用；且工艺路线复杂，所需设备较多，投资成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置及方法，采用本发明提供的装置能够实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除，在进行厌氧消化的同时脱除氨氮，减轻氨氮抑制作用，并回收氨氮。

本发明提供了一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置，包括脱氨厌氧消化罐和氨吸收-循环系统，所述氨吸收-循环系统包括依次循环连通的分离膜组件、酸吸收液存储瓶和蠕动泵，所述分离膜组件包括分离膜和设置在所述分离膜外部的膜保护层，所述分离膜组件设置在所述脱氨厌氧消化罐的内部；所述脱氨厌氧消化罐用于盛放厌氧消化料液。

优选的，还包括原料贮存罐、湿式气体流量计和搅拌器，所述原料贮存罐的出料口与所述脱氨厌氧消化罐的进料口连通，所述湿式气体流量计的进气口与所述脱氨厌氧消化罐的出气口连通，所述搅拌器设置在所述脱氨厌氧消化罐的顶部。

优选的，所述脱氨厌氧消化罐包括罐体和设置在所述罐体外部的保温层。

优选的，所述罐体的顶部设置有上盖，所述上盖上设置有进料口和出气口；所述罐体的底部设置有出料口。

优选的，所述罐体与所述上盖之间设置有隔垫。

优选的，所述分离膜所用膜材料为疏水性材料。

优选的，所述分离膜包括管式膜或中空纤维膜丝。

优选的，所述膜保护层所用膜保护材料为滤布，所述滤布的目数为100～500目。

优选的，所述分离膜的出料口与所述酸吸收液存储瓶的进料口之间连通设置有换热器。

本发明提供了一种采用上述技术方案所述装置进行原位脱除厌氧消化体系中氨氮的方法，包括以下步骤：

所述脱氨厌氧消化罐中盛有厌氧消化料液，启动所述蠕动泵，所述厌氧消化料液中的氨氮以气体形式通过分离膜，被所述分离膜中循环流动的酸吸收液吸收，实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除。

本发明提供了一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置，包括脱氨厌氧消化罐和氨吸收-循环系统，所述氨吸收-循环系统包括依次循环连通的分离膜组件、酸吸收液存储瓶和蠕动泵，所述分离膜组件包括分离膜和设置在所述分离膜外部的膜保护层，所述分离膜组件设置在所述脱氨厌氧消化罐的内部；所述脱氨厌氧消化罐用于盛放厌氧消化料液。本发明提供的原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置结构简单、易操作、占地面积小，不需要侧流循环。采用本发明提供的装置能够实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除，在进行厌氧消化的同时脱除氨氮，减轻氨氮抑制作用，有效提高厌氧反应器处理负荷和产气效率，并回收氨氮，具有较好的经济利用前景。实施例的实验结果表明，与不采用本发明提供的装置进行厌氧消化相比，采用本发明提供的装置进行厌氧消化时，脱氨厌氧消化罐内氨氮浓度由3000～4000mg/L降低至l000～2000mg/L，有机负荷可以从3gVS/(d·L)提高至5gVS/(d·L)，容积产气率提高60％以上。

附图说明

图1为本发明提供的原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置的结构示意图；

图中，1-原料贮存罐、2-罐体、3-循环水浴锅、4-保温层、5-搅拌器、6-湿式气体流量计、7-换热器、8-蠕动泵、9-酸吸收液存储瓶、10-天平、11-分离膜、12-膜保护层；

图2为实验组和对照组中有机负荷变化图；

图3为实验组和对照组中厌氧消化罐内氨氮浓度变化图；

图4为实验组和对照组运行阶段中容积产气率变化图。

具体实施方式

本发明提供了一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置，包括脱氨厌氧消化罐和氨吸收-循环系统，所述氨吸收-循环系统包括依次循环连通的分离膜组件、酸吸收液存储瓶和蠕动泵，所述分离膜组件包括分离膜和设置在所述分离膜外部的膜保护层，所述分离膜组件设置在所述脱氨厌氧消化罐的内部；所述脱氨厌氧消化罐用于盛放厌氧消化料液。

本发明提供的原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置包括脱氨厌氧消化罐。在本发明的实施例中，所述脱氨厌氧消化罐包括罐体2和设置在所述罐体外部的保温层4，如图1所示。在本发明中，所述罐体的材质优选为有机玻璃或不锈钢。在本发明中，所述保温层的保温方式优选为水浴保温或者电热保温；在本发明的实施例中，具体的，所述保温层为水浴保温层或电热套。当所述所述保温层为水浴保温层时，在本发明的实施例中，具体是通过循环水浴锅3对所述保温层进行水浴保温，如图1所示。

在本发明的实施例中，所述罐体的顶部设置有上盖，使罐体形成密闭容器。在本发明的实施例中，所述上盖上设置有进料口和出气口，所述罐体的底部设置有出料口。在本发明的实施例中，待处理的有机固体废物物料从进料口进入罐体内，经过厌氧消化和原位脱除氨氮处理后，所得消化液从出料口排出。

在本发明的实施例中，罐体与所述上盖之间设置有隔垫，以进一步保证罐体的气密性。

本发明提供的原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置包括氨吸收-循环系统，如图1所示，所述氨吸收-循环系统包括依次循环连通的分离膜组件、酸吸收液存储瓶9和蠕动泵8，所述分离膜组件包括分离膜11和设置在所述分离膜外部的膜保护层12，所述分离膜组件设置在所述脱氨厌氧消化罐的内部。在本发明的实施例中，所述氨吸收-循环系统中分离膜组件、酸吸收液存储瓶和蠕动泵的循环连通关系具体是：所述分离膜的出料口与所述酸吸收液存储瓶的进料口连通，所述分离膜的进料口与所述蠕动泵的出料口连通，所述蠕动泵的进料口与所述酸吸收液存储瓶的出料口连通。

在本发明中，所述分离膜所用膜材料优选为疏水性材料。本发明对于所述疏水性材料没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的疏水性材料即可，具体如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚丙烯(PP)。在本发明中，所述分离膜所用膜材料的孔径优选为0.02～0.4μm，更优选为0.1～0.3μm。在本发明中，所述分离膜优选包括管式膜或中空纤维膜丝。本发明对于所述管式膜或中空纤维膜丝没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的材质为疏水性材料的管式膜或中空纤维膜丝市售商品，或者以所述疏水性材料为原料，按照本领域技术人员熟知的方法制备得到的管式膜或中空纤维膜丝均可。

在本发明中，所述膜保护层所用膜保护材料优选为滤布，所述滤布的目数优选为100～500目。本发明对于所述滤布的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的滤布即可，具体如织物滤布或尼龙滤布。在本发明中，所述膜保护层优选包括2～4层滤布。在本发明中，所述膜保护层能够减轻厌氧消化料液中大颗粒污染物和油污对分离膜的污染。

在本发明的实施例中，所述分离膜的出料口与所述酸吸收液存储瓶的进料口之间连通设置有换热器7，如图1所示。在本发明中，所述换热器能够水浴加热酸吸收液，以保持酸吸收液和厌氧消化料液的温度基本相同，减轻运行过程中因酸吸收液和厌氧消化料液存在温差而导致的渗透蒸馏现象。

在本发明中，所述酸吸收液存储瓶中的酸吸收液优选为硫酸。在本发明中，所述酸吸收液的初始浓度优选为0.1～0.5mol/L，更优选为0.2～0.4mol/L。在本发明中，所述酸吸收液吸收NH₃后，pH值逐渐上升，当所述酸吸收液的pH值上升至1.8～2.2时，需要更换新的酸吸收液。在本发明中，所述酸吸收液的循环流量优选与所述脱氨厌氧消化罐的体积相匹配，具体的，当所述脱氨厌氧消化罐的体积为1L时，所述酸吸收液的循环流量优选为10～50mL/min，更优选为20～40mL/min。

在本发明的实施例中，所述原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置还包括天平10，如图1所示，所述酸吸收液存储瓶放置在所述天平上，通过天平示数变化可以预警由于分离膜污染导致的分离膜被穿透的情况，具体的，如果天平示数变小，说明分离膜被穿透，酸吸收液进入脱氨厌氧消化罐，此时应及时更换新的分离膜。

在本发明的实施例中，所述原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置还包括原料贮存罐1、湿式气体流量计6和搅拌器5，所述原料贮存罐的出料口与所述脱氨厌氧消化罐的进料口连通，所述湿式气体流量计的进气口与所述脱氨厌氧消化罐的出气口连通，所述搅拌器设置在所述脱氨厌氧消化罐的顶部，如图1所示。在本发明中，所述搅拌器的搅拌速率优选为80～140rpm。

本发明提供一种采用上述技术方案所述装置进行原位脱除厌氧消化体系中氨氮的方法，包括以下步骤：

所述脱氨厌氧消化罐中盛有厌氧消化料液，启动所述蠕动泵，所述厌氧消化料液中的氨氮以气体形式通过分离膜，被所述分离膜中循环流动的酸吸收液吸收，实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除。

本发明提供的原位脱除厌氧消化体系中氨氮的方法，能够实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除，在将需要处理的有机固体废物物料进行厌氧消化的同时，能够脱除所得厌氧消化料液中的氨氮，减轻氨氮抑制作用，并回收氨氮。在本发明中，所述厌氧消化的温度优选为33～37℃或53～57℃，更优选为35℃或55℃。在本发明中，脱氨厌氧消化罐的有机负荷优选为3～5gVS/(d·L)，即以VS(总挥发性固体)含量为10％的餐厨垃圾计，加料量为30～50g/(d·L)。

在本发明中，分离膜作为屏障将含氨氮的厌氧消化料液与酸吸收液分隔开，以分离膜内外两侧游离氨的浓度差为推动力，厌氧消化料液中游离态的氨气化通过扩散从分离膜的外侧进入分离膜的微孔中，通过微孔扩散到分离膜的内侧被酸吸收液快速、不可逆吸收生成铵根离子；酸吸收液经过不断循环吸收氨氮逐渐变为铵盐溶液(铵盐包括硫酸铵或硫酸氢铵)，所述铵盐溶液经浓缩、结晶后即可得到高纯度铵盐；脱氨厌氧消化罐中由于过量的氨氮被去除，从而达到脱除厌氧消化罐内部氨氮、降低氨氮浓度的目的，解除了氨氮抑制作用，提高了厌氧系统的稳定性，进而提高脱氨厌氧消化罐的有机负荷，提高容积产气率，实现厌氧消化的高效稳定运行。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。

实施例1

对北方某城市餐厨垃圾处理厂经过分选破碎及脱油预处理之后的餐厨垃圾物料进行厌氧消化处理。

所用餐厨垃圾物料基本性质如下表所示：

表1餐厨垃圾物料的主要性质

进行所述厌氧消化处理所采用的接种污泥的总固体含量(TS)为(2.4±1.1)％，挥发性固体含量(VS)为(2.2±0.2)％。

设置实验组(A)和对照组(B)，实验组采用本发明提供的原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置，对照组采用传统的全混式厌氧消化罐。两组其他运行条件均相同。厌氧消化罐的总容积均为9L，有效容积为5L。实验过程中厌氧消化罐采用半连续运行，每天按照有机负荷手动进料一次并出料一次。厌氧消化罐通过搅拌机连续搅拌，转速90r/min。通过恒温循环水浴锅加热厌氧消化罐水浴夹层，保持厌氧消化罐内温度为35±1℃。通过湿式气体流量计记录累积沼气产量。

运行过程中，初始有机负荷(OLR)为3gVS/(L·d)。前30天为启动阶段，只运行对照组和实验组的反应器，实验组中原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置不运行，30天后实验组开启原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置，进行原位氨氮脱除处理，根据运行情况，适当提高有机负荷，如图2所示。

图3为实验组和对照组中厌氧消化罐内氨氮浓度变化图。由图3可知，随着厌氧消化反应的进行，进料当中的有机氮逐步转化为氨氮，对照组B中氨氮逐渐积累，浓度逐步升高，最终达到近4000mg/L；而实验组A在30天之后开始，随着所述原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置的启动运行，反应中多产生的氨氮被去除，厌氧消化罐内氨氮浓度保持在1500mg/L。

图4为实验组和对照组运行阶段中容积产气率变化图。由图4可知，在初始有机负荷为3gVS/(L·d)时，实验组与对照组均能稳定运行，容积产气率差别不大。实验组有机负荷逐步提升，在有机负荷为4gVS/(L·d)和5gVS/(L·d)时均能保持稳定运行，当有机负荷提高到6gVS/(L·d)时，由于有机负荷过高，造成挥发酸积累，反应体系不能保持稳定运行。对照组中，随着反应运行，氨氮浓度逐步升高，当有机负荷提高到4gVS/(L·d)时，由于高浓度氨氮的抑制作用，产甲烷菌活性受抑制，造成挥发酸积累，不能保持稳定运行。

实施例中实验组和对照组的实验结果表明，与不采用本发明提供的装置进行厌氧消化相比，采用本发明提供的装置进行厌氧消化时，脱氨厌氧消化罐内氨氮浓度由3000～4000mg/L降低至l000～2000mg/L，有机负荷可以从3gVS/(d·L)提高至5gVS/(d·L)，容积产气率提高60％以上。

由以上实施例可以看出，采用本发明提供的装置能够实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除，在进行厌氧消化的同时脱除氨氮，减轻氨氮抑制作用，有效提高厌氧反应器处理负荷和产气效率，并回收氨氮，具有较好的经济利用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原位脱除厌氧消化体系中氨氮的装置，其特征在于，包括脱氨厌氧消化罐和氨吸收-循环系统，所述氨吸收-循环系统包括依次循环连通的分离膜组件、酸吸收液存储瓶和蠕动泵，所述分离膜组件包括分离膜和设置在所述分离膜外部的膜保护层，所述分离膜组件设置在所述脱氨厌氧消化罐的内部；所述脱氨厌氧消化罐用于盛放厌氧消化料液。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括原料贮存罐、湿式气体流量计和搅拌器，所述原料贮存罐的出料口与所述脱氨厌氧消化罐的进料口连通，所述湿式气体流量计的进气口与所述脱氨厌氧消化罐的出气口连通，所述搅拌器设置在所述脱氨厌氧消化罐的顶部。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述脱氨厌氧消化罐包括罐体和设置在所述罐体外部的保温层。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述罐体的顶部设置有上盖，所述上盖上设置有进料口和出气口；所述罐体的底部设置有出料口。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述罐体与所述上盖之间设置有隔垫。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分离膜所用膜材料为疏水性材料。

7.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述分离膜包括管式膜或中空纤维膜丝。

8.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述膜保护层所用膜保护材料为滤布，所述滤布的目数为100～500目。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述分离膜的出料口与所述酸吸收液存储瓶的进料口之间连通设置有换热器。

10.一种采用权利要求1～9任意一项所述装置进行原位脱除厌氧消化体系中氨氮的方法，包括以下步骤：

所述脱氨厌氧消化罐中盛有厌氧消化料液，启动所述蠕动泵，所述厌氧消化料液中的氨氮以气体形式通过分离膜，被所述分离膜中循环流动的酸吸收液吸收，实现厌氧消化体系中氨氮的原位脱除。