CN111153483A - 一种沼液中氨氮资源的回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沼液中氨氮资源的回收系统及方法，所述回收系统包括：反应槽、氨氮收集槽、疏水膜反应吸收管、蠕动泵和微曝气泵。采用上述回收系统的回收方法包括以下步骤：1)将沼液注入反应槽并启动微曝气泵向反应槽中曝气；2)启动蠕动泵将氨氮提取剂输送至疏水膜反应吸收管中；3)氨氮提取剂与沼液中的氨氮发生反应；4)待氨氮提取剂pH达到7以后关闭系统等。根据本发明的回收系统和方法在沼液与提取剂两端氨氮浓度梯度及微曝气的共同驱动下，沼液中的氨氮资源以气态氨分子形式脱出，透过疏水膜壁与提取剂反应生成铵盐。可以高效地实现沼液中氨氮的快速回收，无膜污染风险，回收的氮元素以液态铵盐形式存在，可直接资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于化工领域，具体而言，涉及一种沼液中氨氮资源的回收系统及方法，该回收系统采用疏水膜管材，利用氨氮提取剂，有效地实现了沼液中氨氮资源的提取。
背景技术
沼液的氮回收是沼液高附加值开发处理的重要内容，通过相应技术措施，回收沼液的氮资源，获得高附加值的产品，提高经济效益。目前现有技术主要包括沉淀法、膜浓缩法、吸附法、生物吸收等方法。
其中沉淀法为鸟粪石沉淀法，该方法回收污水内的氮磷形成磷酸铵镁(MgNH4PO4·6H2O，MAP，俗称鸟粪石)。但是沼液中氮和磷酸盐比例不平衡，鸟粪石沉淀法回收其中氮磷通常需加入镁盐及其水合物作为镁源，加入磷酸盐及其水合物作为磷源，调节Mg2+、NH4 +、PO4 3-离子比实现氮回收，过程较复杂，药剂用量随着沼液氮磷浓度的提高而增加，成本不易控制，另外随药剂加入了另外的阴阳离子，对于回收氮后沼液液相部分的后续处理或利用可能存在不良影响。
膜浓缩法是一种利用膜的透过性能，在推动力的作用下对水中的微粒、分子或离子进行过滤、分离、浓缩的技术。在废水处理方面，膜浓缩技术主要用于工业废水的处理、饮用水处理、超纯水和无菌水的制备。但是该方法回收沼液养分依然存在以下问题：1)膜污染，难以使膜能够长时间、可持续运行；2)沼液处理前期投入和生产成本较高，难以工业化。
吸附法是利用某些对氮、磷有亲和力的多孔或者比表面积大的介质来实现对氮、磷的吸附，从而使氮、磷从污水中分离，然后再通过解吸剂使已吸附的氮、磷再次进入溶液，形成高氮、磷溶液。但吸附法的问题在于吸附效率低，需要研发高效兼具成本低廉的吸附材料，另外吸附饱和后吸附质的再生或者氮素如何再利用的问题，也会存在进一步增加成本以及氮素损失的可能。
生物吸收法使用沼液培养藻类既能去除沼液中的氮、磷等富营养化元素，又能以藻细胞生物质能的形式被重新利用，从而达到对废弃物资源化利用的目的。但是生物吸收工艺对光照、温度等自然条件依赖性强，回收效率往往会受限；生物吸收氮磷再利用的实现，往往需要经过后续进一步处理；另外藻类对许多重金属也具有较强的生物富集能力，重金属的存在将影响藻细胞的经济性开发。
因此仍然需要开发更为高效的沼液处理方式，以便有效地回收沼液中的氮、磷等富营养化元素。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在于提供一种沼液中氨氮资源的回收系统，所述回收系统包括：
反应槽，用于装载沼液，所述反应槽设置有原液注入口和处理液排出口，所述原液注入口用于沼液的注入，所述处理液排出口用于反应完毕后沼液的排出；
氨氮收集槽，用于装载氨氮提取剂及回收氨氮后的提取剂；
疏水膜反应吸收管，所述疏水膜反应吸收管设置于所述反应槽内部，没入所述反应槽内部的沼液，用于使氨氮提取剂与沼液中的氨氮反应并提取，所述疏水膜反应吸收管的出口端通过管线连接所述氨氮收集槽，将流经所述疏水膜反应吸收管的氨氮提取剂返回至所述氨氮收集槽中；
蠕动泵，所述蠕动泵的一端通过管线深入所述氨氮收集槽中，另一端连接所述疏水膜反应吸收管的进口端，用于将所述氨氮收集槽中的氨氮提取剂输送至所述疏水膜反应吸收管；
微曝气泵，所述微曝气泵通过管线连接设置在所述反应槽内部的曝气头，用于向所述反应槽内部进行曝气。
优选地，所述氨氮收集槽设有排气孔，用于调节所述氨氮收集槽的气压。
根据本发明的另一个方面，本发明的另一个目的在于提供一种沼液中氨氮资源的回收方法，所述方法包括以下步骤：
1)将富含氨氮的沼液通过反应槽的原液注入口注入反应槽中，至反应槽体积的约80％，室温常压下，启动微曝气泵向反应槽中曝气；
2)启动蠕动泵将氨氮收集槽中的氨氮提取剂输送至反应槽内的疏水膜反应吸收管中；
3)通过所述疏水膜反应吸收管使氨氮提取剂与沼液中的氨氮发生反应，生成氨盐并随氨氮提取剂输送至所述氨氮收集槽中；
4)系统运行一段时候后，待氨氮提取剂pH达到7以后排出，同时更换新的氨氮提取剂；
5)排出的氨氮提取剂为富含氮素的铵盐，可直接贮存并用于植物生长所需的营养剂。
优选地，步骤2)中所述氨氮提取剂选自硫酸或盐酸，优选为硫酸。
优选地，步骤2)中所述氨氮提取剂浓度为0.1至1mol/L，更优选为0.1至0.8mol/L，最优选为0.5mol/L。
优选地，步骤2)中所述沼液与氨氮提取剂体积比为4:1～6:1。
优选地，步骤1)中曝气速度设置为0.01L/min至0.36L/min。
优选地，步骤2)中所述提取剂(液)以1至8mL/min的循环流速在沼液反应槽与氨氮收集槽间流动，更优选地循环流速为2至6mL/min，最优选为4mL/min。
优选地，所述疏水膜反应吸收管可以选自聚四氟乙烯膜材质管。
有益效果
根据本发明的回收系统和方法在沼液与提取剂两端氨氮浓度梯度及微曝气的共同驱动下，畜禽粪污沼液氨氮以气态氨分子形式脱出，透过疏水膜壁与提取剂反应生成铵盐。可以高效地实现沼液中氨氮的快速回收，无膜污染风险，回收的氮元素以液态铵盐形式存在，可直接资源化利用。
附图说明
图1为根据本发明的沼液氨氮回收系统的结构示意图。
图2显示了实施例1和对比实施例1的回收方法中提取剂中氨氮含量随时间变化。
图3显示了实施例2和对比实施例2的回收方法中提取剂中氨氮含量随时间变化。
附图标记
1-反应槽，2-氨氮收集槽，3-疏水膜反应吸收管，4-微曝气泵，5-曝气头，6-蠕动泵，7、8-排气孔，9-原液注入口，10-处理液排出口。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本公开的优选的实施方式。在描述之前，应当了解在说明书和所附权利要求中使用的术语，并不应解释为局限于一般及辞典意义，而是应当基于允许发明人为最好的解释而适当定义术语的原则，基于对应于本发明技术层面的意义及概念进行解释。因此，在此的描述仅为说明目的的优选实例，而并非是意指限制本发明的范围，因而应当了解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以做出其他等同实施和修改。
为了阐明本发明，在附图中省略了与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同或相似的部件由相同的附图标记表示。
另外，为了便于说明，任意地示出了附图中所示的每个部件的尺寸和厚度，因此本发明不必限于附图中所示的那些。
在整个说明书中，当提到某个元件“连接”到另一个元件时，它不仅包括“直接连接”，还包括其他构件之间的“间接连接”。另外，当提到某个元件“包括”某个部件时，这意味着该元件可以进一步包括其他部件而不是排除其他部件，除非相反地明确描述。
本文所使用的术语“第一”、“第二”等是用来解释各种构成元件，并且它们仅用于将一种构成元件与另一种构成元件区分的目的。
并且，本文中所使用的术语仅用于解释示例性实施例，且并不旨在限制本发明。单数表达也包括其复数表达，除非在上下文中另有明确表示。在本文中所使用的“包含”、“配备有”或“具有”之类的术语用于指定实践特性、数目、步骤、构成元件或其组合的存在，并且应当理解为不排除一个或多个其他特性、数目、步骤、构成元件或其组合的添加或存在的可能。
并且，如果一个层或一个元件被提及为形成于“层”或“元件”的“上面”或“上方”，这意味着每一个层或元件被直接形成在该层或元件上，或者在层、主体或基材之间可形成其他的层或元件。
下面参考附图1详细说明本发明的技术方案。
根据本发明的沼液中氨氮资源的回收系统包括：
反应槽1，用于装载沼液，所述反应槽1设置有原液注入口9和处理液排出口10，分别用于注入沼液和排出反应完毕后的沼液。另外，所述反应槽1还可以密封设计并设有排气孔7，所述排气孔7通过排气管将所述反应槽1中的空气或沼液反应过程中部分溢出的氨氮等气体从所述反应槽1进入氨氮收集槽2，以便最大程度地回收沼液中的氨氮资源且调节反应槽1中的压力保持在合理的范围内。
氨氮收集槽2，用于装载氨氮提取剂及回收氨氮后的提取剂。
疏水膜反应吸收管3，所述疏水膜反应吸收管3设置于所述反应槽1内部，没入所述反应槽1内部的沼液中，用于使氨氮提取剂与沼液中的氨氮反应并提取，所述疏水膜反应吸收管3的出口端通过管线连接所述氨氮收集槽2，将流经所述疏水膜反应吸收管3的氨氮提取剂返回至所述氨氮收集槽2中。
蠕动泵6，所述蠕动泵6的一端通过管线深入所述氨氮收集槽2中，另一端连接所述疏水膜反应吸收管3的进口端，用于将所述氨氮收集槽2中的氨氮提取剂输送至所述疏水膜反应吸收管7中，其中所述蠕动泵6插入所述氨氮收集槽2的管线深入所述氨氮收集槽2内提取剂(液)面以下较深的位置，而从所述疏水膜反应吸收管3出口端的管线深入所述氨氮收集槽2内，保持管线端部浸没在提取剂面以下即可，例如深入提取剂面3～5cm以下。
微曝气泵4，所述微曝气泵4通过管线连接设置在所述反应槽内部的曝气头5，用于向所述反应槽1内部进行曝气。
作为优选，所述反应槽1设有排气孔7，并且所述排气孔7通过排气管连接至氨氮收集槽2，所述排气管深入所述氨氮收集槽2内提取剂面以下。通过所述排气管可使所述反应槽1中的空气或者沼液反应过程中部分溢出的氨氮等气体从所述反应槽1进入所述氨氮收集槽2，保证反应槽的正常压力，同时最大限度回收沼液中的氨氮。
优选地，所述氨氮收集槽2设有排气孔8，用于调节所述氨氮收集槽2的气压。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
实施例1：高氨氮含量沼液中氨氮资源的回收
1)将富含氨氮的沼液(沼液氨氮含量达4416mg/L)通过反应槽1的原液注入口9注入反应槽1中，至反应槽1体积的约80％，室温常压下，启动微曝气泵4向反应槽1中曝气，氨氮收集槽2内装入浓度为0.5mol/L的硫酸作为提取剂，沼液与提取剂体积比设置为5:1，曝气强度为0.36L/min(微曝气)；
2)启动蠕动泵6将氨氮收集槽2中的氨氮提取剂输送至反应槽1内的疏水膜反应吸收管3中，令提取剂以4mL/min的流速循环在沼液反应槽1与氨氮收集槽2间流动；
3)通过聚四氟乙烯膜材质的所述疏水膜反应吸收管3使氨氮提取剂与沼液中的氨氮发生反应，生成氨盐并随氨氮提取剂输送至所述氨氮收集槽2中；
4)系统在室温下运行一段时候后，待氨氮提取剂pH达到7以后排出，同时更换新的氨氮提取剂；
5)排出的氨氮提取剂为富含氮素的铵盐，直接贮存并用于植物生长所需的营养剂。
对比实施例1：
除了未采用曝气以外，按照实施例1相同的方式进行回收处理。
图2显示了实施例1和对比实施例1的回收方法中提取剂中氨氮含量随时间变化。结果可知，根据本发明的回收装置和方法可实现高氨氮含量的沼液中氨氮资源的回收，形成铵盐溶液。在微曝气处理下，装置运行72h后，提取剂氨氮浓度已达到12000mg/L以上，氨氮回收率在79％～85％(实施例1)；在无曝气处理下，装置运行276h后，提取剂氨氮浓度接近12000mg/L，氨氮回收率约在71％(对比实施例1)。由实施例1和对比实施例1相比，提取剂氨氮浓度达到最高值用时可节约73.9％的时间，可加快高氨氮沼液氮素回收速率。
实施例2：低氨氮含量沼液中氨氮资源的回收
1)将低氨氮含量沼液(沼液氨氮含量达92.5mg/L)通过反应槽1的原液注入口9注入反应槽1中，至反应槽1体积的约80％，室温常压下，启动微曝气泵4向反应槽1中曝气，氨氮收集槽2内装入浓度为0.5mol/L的硫酸作为提取剂，沼液与提取剂体积比设置为5:1，曝气强度为0.36L/min(微曝气)；
2)启动蠕动泵6将氨氮收集槽2中的氨氮提取剂输送至反应槽1内的疏水膜反应吸收管3中，令提取剂以4mL/min的流速循环在沼液反应槽1与氨氮收集槽2间流动；
3)通过聚四氟乙烯膜材质的所述疏水膜反应吸收管3使氨氮提取剂与沼液中的氨氮发生反应，生成氨盐并随氨氮提取剂输送至所述氨氮收集槽2中；
4)系统在室温下运行一段时候后，待氨氮提取剂pH达到7以后排出，同时更换新的氨氮提取剂；
5)排出的氨氮提取剂为富含氮素的铵盐，直接贮存并用于植物生长所需的营养剂。
对比实施例2：
除了未采用曝气以外，按照实施例2相同的方式进行回收处理。
图3显示了实施例2和对比实施例2的回收方法中提取剂中氨氮含量随时间变化。结果可知，根据本发明的回收装置和方法可实现低氨氮含量的沼液中氨氮资源的回收，形成铵盐溶液。在微曝气处理下，装置运行93.5h后，提取剂氨氮浓度已达到326.3mg/L，氨氮回收率在73.6％(实施例2)；在无曝气处理下，装置运行189.5h后，提取剂氨氮浓度才达到最高值86.3mg/L，氨氮回收率约在15％(对比实施例2)。由实施例2和对比实施例2相比，提取剂氨氮浓度达到高值用时可节约50.7％的时间，可加快低氨氮沼液氮素回收速率，同时氨氮回收率提高了58.6个百分点，增强了氨氮回收效果。
Claims (9)
1.一种沼液中氨氮资源的回收系统，所述回收系统包括：
反应槽，用于装载沼液，所述反应槽设置有原液注入口和处理液排出口，所述注入口用于沼液的注入，所述排出口用于反应完毕后沼液的排出；
氨氮收集槽，用于装载氨氮提取剂及回收氨氮后的提取剂；
疏水膜反应吸收管，所述疏水膜反应吸收管设置于所述反应槽内部，没入所述反应槽内部的沼液，用于使氨氮提取剂与沼液中的氨氮反应并提取，所述疏水膜反应吸收管的出口端通过管线连接所述氨氮收集槽，将流经所述疏水膜反应吸收管的氨氮提取剂返回至所述氨氮收集槽中；
蠕动泵，所述蠕动泵的一端通过管线深入所述氨氮收集槽中，另一端连接所述疏水膜反应吸收管的进口端，用于将所述氨氮收集槽中的氨氮提取剂输送至所述疏水膜反应吸收管；
微曝气泵，所述微曝气泵通过管线连接设置在所述反应槽内部的曝气头，用于向所述反应槽内部进行曝气。
2.根据权利要求1所述的回收系统，其特征在于，所述氨氮收集槽设有排气孔，用于调节所述氨氮收集槽的气压。
3.一种沼液中氨氮资源的回收方法，所述方法包括以下步骤：
1)将富含氨氮的沼液通过反应槽的注入口注入反应槽中，至反应槽体积的约80％，室温常压下，启动微曝气泵向反应槽中曝气；
2)启动蠕动泵将氨氮收集槽中的氨氮提取剂输送至反应槽内的疏水膜反应吸收管中；
3)通过所述疏水膜反应吸收管使氨氮提取剂与沼液中的氨氮发生反应，生成氨盐并随氨氮提取剂输送至所述氨氮收集槽中；
4)系统运行一段时候后，待氨氮提取剂pH达到7以后排出，同时更换新的提取剂；
5)排出的氨氮提取剂为富含氮素的铵盐，可直接贮存并用于植物生长所需的营养剂。
4.根据权利要求3所述的回收方法，其特征在于，步骤2)中所述氨氮提取剂选自硫酸或盐酸，优选为硫酸。
5.根据权利要求3所述的回收方法，其特征在于，步骤2)中所述氨氮提取剂浓度为0.1至1mol/L，更优选为0.1至0.8mol/L，最优选为0.5mol/L。
6.根据权利要求3所述的回收方法，其特征在于，步骤2)中所述沼液与氨氮提取剂体积比为4:1～6:1。
7.根据权利要求3所述的回收方法，其特征在于，步骤1)中曝气速度设置为0.01L/min至0.36L/min。
8.根据权利要求3所述的回收方法，其特征在于，步骤2)中所述提取剂以1至8mL/min的循环流速在沼液反应槽与氨氮收集槽间流动，更优选地循环流速为2至6mL/min，最优选为4mL/min。
9.根据权利要求3所述的回收方法，其特征在于，所述疏水膜反应吸收管选自聚四氟乙烯膜材质管。
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