CN111423282A - 一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置及方法，氨氮资源转化装置包括包括转化主体、喷淋装置、吹脱装置、沼液回收装置、脱气膜、吸附槽、负压发生器和气体处理器；方法包括：S1：将沼液静置后取沼液上清液，将沼渣烘干后粉碎；S2：将干沼渣加入沼渣活化液中反应后烘干，然后在真空马弗炉中真空无氧热解，得到介孔沼渣活性炭；S3：将沼液上清液和介孔沼渣活性炭在氨氮资源转化装置中处理；S4：处理得到的氨氮吸附饱和介孔沼渣活性炭粉碎后直接作为有机肥施用。总之，本发明具有方法先进、装置新颖、资源转化效率高等优点。

Description

一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置及方法
技术领域
本发明属于发酵产物处理技术领域，具体是涉及一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置及方法。
背景技术
随着经济增长和人民生活水平提高，畜禽养殖业迅速发展。但是，畜禽养殖业的发展也带来了一系列环境问题。畜禽养殖场所产生的废水悬浮物、有机物和氨氮等浓度高，若未经处理而任意排放将对生态环境造成严重威胁。厌氧生物处理技术可在处理畜禽养殖废水的同时以沼液沼渣的形式回收资源，是目前广泛应用的畜禽养殖废水处理方法。在众多厌氧工艺中，厌氧膜生物反应器将厌氧生物处理工艺和作为固液分离单元的膜组件相结合，在处理畜禽粪便方面具有显著的技术优势。但是，目前关于畜禽养殖废水经该反应器厌氧发酵后所产生的沼液沼渣是否可回用于农田的研究较少。
在生物产甲烷系统中，以畜禽粪便为原料进行厌氧发酵是一种制备方法，在制备甲烷系统中，沼液沼渣是该系统的主要副产物。沼液沼渣无害化、资源化处理的效果与成本是影响生物甲烷系统的经济和社会效益的关键。产甲烷是一个复杂的有机物厌氧分解过程，导致排放的废水中含有高氨氮、磷酸盐、重金属等污染物。目前已报道用于沼液处理的方法有化学法、反渗透法和蒸发浓缩法，其中吸附法最为常用，但是吸附剂成本较高，使用量大造成企业成本增加。
目前现有技术中，对于沼渣的处理往往是无害化处理后直接用作施肥，沼液的处理一般是无害化浓缩结晶支撑有机肥，但是在制备过程中氨氮流失率高，且制备流程复杂，成本高，所以，本发明设计了一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置及方法。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置及方法。
本发明的技术方案是：一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置，主要包括转化主体、喷淋装置、吹脱装置、沼液回收装置、脱气膜、吸附槽、负压发生器和气体处理器，
所述转化主体从下至上分为吹脱部、脱气部和吸附部，
所述喷淋装置包括设置在转化主体外部的沼液罐和设置在吹脱部内顶部的喷淋头，所述喷淋头通过液体加压泵与所述沼液罐出液端连接，喷淋头包括呈米字型设置的多个喷淋管，所述每个喷淋管下方均匀设有喷淋嘴，
所述吹脱装置包括设置在所述吹脱部外侧用于向吹脱部内吹入空气的气体泵，设置在气体泵出气端用于加热吹入空气的空气加热器和设置在吹脱部内底部的吹脱气座，所述吹脱气座包括与所述喷淋管对应呈米字型设置的多个吹脱气管，所述每个吹脱气管上均匀设有与所述喷淋嘴相对的吹脱气嘴，
所述沼液回收装置包括设置在所述吹脱气座下方的回收槽和与所述回收槽底部连通的液体泵，所述液体泵与所述沼液罐进液端连通，
所述脱气膜设置在所述喷淋头上方的脱气部，
所述吸附槽设置在所述吸附部中，吸附槽内填充有介孔沼渣活性炭，
所述负压发生器设置在所述吸附部侧部，负压发生器与所述吸附部内部连通，用于通过负压吸力使吸附部内形成负压状态，
所述气体处理器连接在负压发生器的出气端，用于对负压发生器吸出的气体进行处理后再排放。
进一步地，所述空气加热器内部为交错设置的多个电加热板，所述电加热板的方向与进入空气加热器的空气方向相反，增加空气与电加热板的接触面积和接触时间，使空气快速被加热。提高吹脱效率
利用上述装置进行氨氮资源转化的方法，主要包括以下步骤：
S1：沼液、沼渣预处理
将发酵产物沼液收集后密封静置1-2d，取沼液上清液在4-10℃下密封保存备用，将沼液沉淀物加入至发酵产物沼渣中混合均匀得到混合沼渣，将所述混合沼渣在烘干炉中以100-110℃烘干后粉碎过200目筛，得到干沼渣；
S2：沼渣活化热解
配置沼渣活化液，将S1得到的干沼渣以1g：2-3ml的固液比加入所述沼渣活化液中，10-20℃下在电磁搅拌器上搅拌5-8h，静置16-18h后过滤，将沉淀沼渣重新放入烘干炉中以100-110℃烘干得到活化干沼渣，将所述活化干沼渣送至真空马弗炉中，向真空马弗炉中充入氮气使马弗炉中为无氧环境，以10℃/min的升温速率将马弗炉中温度提高至600-700℃，在升温过程中将真空马弗炉中真空度抽至1.2×10-2MPa，真空下高温热解1-2h，得到介孔沼渣活性炭；
S3：活性炭吸附沼液中的氨氮
将S1中得到的沼液上清液加入至氨氮资源转化装置的沼液罐中，将S2得到的介孔沼渣活性炭填充在氨氮资源转化装置的吸附槽中，将所述沼液罐中的沼液通过氨氮资源转化装置中的喷淋装置向吹脱装置上喷淋，吹脱装置将沼液中的氨氮吹脱至蒸汽中，蒸气上升通过脱气膜，在负压发生器的作用下，蒸汽中的氨氮通过脱气膜，剩余蒸汽掉落至沼液回收装置中，通过脱气膜的氨氮气体被吸附槽内的介孔沼渣活性炭吸附，将吸附槽内吸附饱和的介孔沼渣活性炭取出；
S4：氨氮资源化处理
将S3中经吸附槽内取出的氨氮吸附饱和介孔沼渣活性炭粉碎后直接作为有机肥施用。
进一步地，S1-S2中，两次使用烘干炉对沼渣进行烘干，烘干过程中除去的水分用冷凝器回收，加至沼液上清液中重复利用，沼渣中蒸发除去的水蒸气中含有氨氮，加至沼液上清液中可在后续流程中吸附转化，提高氨氮脱除率。
进一步地，S2中，所述沼渣活化液的配置步骤为：向1mol/L的HCl溶液中依次加入ZnCl2和FeCl3，所述ZnCl2、FeCl3与HCl溶液的质量比为1:1:8，混合溶液振荡处理20-30min后得到沼渣活化液，活化液中的离子与沼渣原子发生不饱和反应，使沼渣表面形成不饱和离子层，在沼渣炭化过程中，不饱和离子层使沼渣表面进行不均匀的燃烧，持续的不均匀燃烧可以使沼渣内部形成更多的介孔孔隙，从而达到对沼渣活化的功能，提高沼渣制备的活性炭吸附效率。
进一步地，S3中，被吸附槽内的介孔沼渣活性炭吸附氨氮后剩余气体经气体处理器处理后排放，避免剩余气体中的有害物质污染空气。
进一步地，S4中，粉碎后的介孔沼渣活性炭可进行造粒后施用，造粒可以使介孔沼渣活性炭更加稳定，方便施用。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置及方法，通过将沼液和沼渣分别预处理和热解后，得到富含氨氮的沼液上清液和可以吸附沼液中氨氮的介孔沼渣活性炭，然后将介孔沼渣活性炭填充在氨氮资源转化装置的吸附槽内，将沼液上清液通过喷淋的方式向氨氮资源转化装置的吹脱装置喷淋，吹脱装置向喷淋下的沼液上清液吹去高温空气，高温空气使沼液上清液中的氨氮脱离并伴随水蒸气上升至脱气膜，脱气膜内有大量的中空纤维，纤维的壁上有微小的孔，水分子不能通过这种小孔，而气体分子却能够穿过，蒸汽中的氨氮气体在吸附部的负压吸力下通过脱气膜，被吸附槽内的介孔沼渣活性炭吸附，剩余蒸汽凝结成水滴滴落至沼液回收装置中循环吹脱，吸附饱和的介孔沼渣活性炭可直接用于施肥或造粒后用于施肥。总之，本发明具有方法先进、装置新颖、资源转化效率高等优点。
附图说明
图1是本发明的氨氮资源转化装置结构示意图；
图2是本发明的喷淋头仰视结构示意图；
图3是本发明的吹脱气座俯视结构示意图；
图4是本发明的空气加热器结构示意图。
其中，1-氨氮资源转化装置、11-转化主体、111-吹脱部、112-脱气部、113-吸附部、12-喷淋装置、121-沼液罐、122-喷淋头、1221-喷淋管、1222-喷淋嘴、123-液体加压泵、13-吹脱装置、131-气体泵、132-空气加热器、1321-电加热板、133-吹脱气座、1331-吹脱气管、1332-吹脱气嘴、14-沼液回收装置、141-回收槽、142-液体泵、15-脱气膜、16-吸附槽、17-负压发生器、18-气体处理器。
具体实施方式
为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1-4和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。
实施例1：如图1所示，一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置，氨氮资源转化装置1包括转化主体11、喷淋装置12、吹脱装置13、沼液回收装置14、脱气膜15、吸附槽16、负压发生器17和气体处理器18，
转化主体11从下至上分为吹脱部111、脱气部112和吸附部113，
喷淋装置12包括设置在转化主体1外部的沼液罐121和设置在吹脱部111内顶部的喷淋头122，喷淋头122通过液体加压泵123与沼液罐121出液端连接，如图2所示，喷淋头122包括呈米字型设置的多个喷淋管1221，每个喷淋管1221下方均匀设有喷淋嘴1222，
吹脱装置13包括设置在吹脱部111外侧用于向吹脱部111内吹入空气的气体泵131，设置在气体泵131出气端用于加热吹入空气的空气加热器132和设置在吹脱部111内底部的吹脱气座133，如图4所示，空气加热器132内部为交错设置的多个电加热板1321，电加热板1321的方向与进入空气加热器132的空气方向相反，如图3所示，吹脱气座133包括与喷淋管1221对应呈米字型设置的多个吹脱气管1331，每个吹脱气管1331上均匀设有与喷淋嘴1222相对的吹脱气嘴1332，
沼液回收装置14包括设置在吹脱气座133下方的回收槽141和与回收槽141底部连通的液体泵142，液体泵142与沼液罐121进液端连通，
脱气膜15设置在喷淋头122上方的脱气部112，
吸附槽16设置在吸附部113中，吸附槽16内填充有介孔沼渣活性炭，
负压发生器17设置在吸附部113侧部，负压发生器17与吸附部113内部连通，用于通过负压吸力使吸附部113内形成负压状态，
气体处理器18连接在负压发生器17的出气端，用于对负压发生器17吸出的气体进行处理后再排放，
上述液体加压泵123可选用DGM16液体加压泵，气体泵131可选用2RS气体加压泵，液体泵142可选用KCB200液体循环泵，脱气膜15可选用TQ6040氨氮脱气膜，负压发生器17可选用VAAU高精度负压发生器，气体处理器18可选用CP-540有害气体处理器。
实施例2：利用上述实施例进行氨氮资源转化的方法，主要包括以下步骤：
S1：沼液、沼渣预处理
将发酵产物沼液收集后密封静置2d，取沼液上清液在10℃下密封保存备用，将沼液沉淀物加入至发酵产物沼渣中混合均匀得到混合沼渣，将混合沼渣在烘干炉中以110℃烘干后粉碎过200目筛，得到干沼渣，烘干过程中除去的水分用冷凝器回收，加至沼液上清液中重复利用；
S2：沼渣活化热解
向1mol/L的HCl溶液中依次加入ZnCl2和FeCl3，ZnCl2、FeCl3与HCl溶液的质量比为1:1:8，混合溶液振荡处理30min后得到沼渣活化液，将S1得到的干沼渣以1g：3ml的固液比加入沼渣活化液中，20℃下在电磁搅拌器上搅拌8h，静置18h后过滤，将沉淀沼渣重新放入烘干炉中以110℃烘干得到活化干沼渣，烘干过程中除去的水分用冷凝器回收，加至沼液上清液中重复利用，将活化干沼渣送至真空马弗炉中，向真空马弗炉中充入氮气使马弗炉中为无氧环境，以10℃/min的升温速率将马弗炉中温度提高至700℃，在升温过程中将真空马弗炉中真空度抽至1.2×10-2MPa，真空下高温热解2h，得到介孔沼渣活性炭；
S3：活性炭吸附沼液中的氨氮
将S1中得到的沼液上清液加入至氨氮资源转化装置1的沼液罐121中，将S2得到的介孔沼渣活性炭填充在氨氮资源转化装置1的吸附槽16中，将沼液罐121中的沼液通过氨氮资源转化装置1中的喷淋装置12向吹脱装置13上喷淋，吹脱装置13将沼液中的氨氮吹脱至蒸汽中，蒸气上升通过脱气膜16，在负压发生器17的作用下，蒸汽中的氨氮通过脱气膜，剩余蒸汽掉落至沼液回收装置14中，通过脱气膜的氨氮气体被吸附槽16内的介孔沼渣活性炭吸附，被吸附槽16内的介孔沼渣活性炭吸附氨氮后剩余气体经气体处理器18处理后排放，将吸附槽16内吸附饱和的介孔沼渣活性炭取出；
S4：氨氮资源化处理
将S3中经吸附槽16内取出的氨氮吸附饱和介孔沼渣活性炭粉碎后直接作为有机肥施用或进行造粒后施用。
实验例1：研究沼渣活化液对制备介孔沼渣活性炭的影响
实验条件：取同样规格的沼渣用同样的方法制备成干沼渣，其中一份干沼渣经沼渣活化液处理后制备介孔沼渣活性炭，编号为A，另一份干沼渣不经过沼渣活化液处理直接制备介孔沼渣活性炭，编号为B，分别检测两份介孔沼渣活性炭的介孔表面积和介孔比例，结果如表1所示：
表1A、B型介孔沼渣活性炭的介孔表面积和介孔比例对比表
组别 平均介孔表面积/(cm<sup>2</sup>/g) 介孔比例/％
A 593.42 82.38
B 306.58 42.69
结论：介孔表面积的大小和介孔比例直接影响介孔沼渣活性炭的吸附效率和吸附量，从表1可以看出，经沼渣活化液处理后制备介孔沼渣活性炭A的介孔表面积的大小和介孔比例远远大于未经沼渣活化液处理制备的介孔沼渣活性炭B，所以，沼渣活化液可以提高介孔沼渣活性炭的吸附效率。
实验例2：研究实施例2提供装置的氨氮资源转化率
实验条件：分别取三份相同规格的沼渣和沼液，分别利用实施例1提供的方法制备得到介孔沼渣活性炭和沼液上清液，A组使用实施例2提供的装置进行氨氮资源转化，B组使用现有的工业氨氮资源转化器进行氨氮资源转化，C组使用氨氮检测装置检测一份沼液沼渣中所含氨氮比例为3.69％，将A、B组得到的产物进行氨氮比例检测后进行对比，对比结果如表2所示：
表2氨氮资源转化率对比表
组别 A B
氨氮转化率/％ 96.3 71.8
结论：实施例2提供的装置通过反向吹脱法对沼液中的氨氮进行吹脱吸附，吸附率高，氨氮转化率高。

Claims (7)

1.一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置，其特征在于，氨氮资源转化装置(1)包括转化主体(11)、喷淋装置(12)、吹脱装置(13)、沼液回收装置(14)、脱气膜(15)、吸附槽(16)、负压发生器(17)和气体处理器(18)，
所述转化主体(11)从下至上分为吹脱部(111)、脱气部(112)和吸附部(113)，
所述喷淋装置(12)包括设置在转化主体(1)外部的沼液罐(121)和设置在吹脱部(111)内顶部的喷淋头(122)，所述喷淋头(122)通过液体加压泵(123)与所述沼液罐(121)出液端连接，喷淋头(122)包括呈米字型设置的多个喷淋管(1221)，所述每个喷淋管(1221)下方均匀设有喷淋嘴(1222)，
所述吹脱装置(13)包括设置在所述吹脱部(111)外侧用于向吹脱部(111)内吹入空气的气体泵(131)，设置在气体泵(131)出气端用于加热吹入空气的空气加热器(132)和设置在吹脱部(111)内底部的吹脱气座(133)，所述吹脱气座(133)包括与所述喷淋管(1221)对应呈米字型设置的多个吹脱气管(1331)，所述每个吹脱气管(1331)上均匀设有与所述喷淋嘴(1222)相对的吹脱气嘴(1332)，
所述沼液回收装置(14)包括设置在所述吹脱气座(133)下方的回收槽(141)和与所述回收槽(141)底部连通的液体泵(142)，所述液体泵(142)与所述沼液罐(121)进液端连通，
所述脱气膜(15)设置在所述喷淋头(122)上方的脱气部(112)，
所述吸附槽(16)设置在所述吸附部(113)中，吸附槽(16)内填充有介孔沼渣活性炭，
所述负压发生器(17)设置在所述吸附部(113)侧部，负压发生器(17)与所述吸附部(113)内部连通，用于通过负压吸力使吸附部(113)内形成负压状态，
所述气体处理器(18)连接在负压发生器(17)的出气端，用于对负压发生器(17)吸出的气体进行处理后再排放。
2.根据权利要求1所述的一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的装置，其特征在于，所述空气加热器(132)内部为交错设置的多个电加热板(1321)，所述电加热板(1321)的方向与进入空气加热器(132)的空气方向相反。
3.利用权利要求1或2所述装置进行氨氮资源转化的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1：沼液、沼渣预处理
将发酵产物沼液收集后密封静置1-2d，取沼液上清液在4-10℃下密封保存备用，将沼液沉淀物加入至发酵产物沼渣中混合均匀得到混合沼渣，将所述混合沼渣在烘干炉中以100-110℃烘干后粉碎过200目筛，得到干沼渣；
S2：沼渣活化热解
配置沼渣活化液，将S1得到的干沼渣以1g：2-3ml的固液比加入所述沼渣活化液中，10-20℃下在电磁搅拌器上搅拌5-8h，静置16-18h后过滤，将沉淀沼渣重新放入烘干炉中以100-110℃烘干得到活化干沼渣，将所述活化干沼渣送至真空马弗炉中，向真空马弗炉中充入氮气使马弗炉中为无氧环境，以10℃/min的升温速率将马弗炉中温度提高至600-700℃，在升温过程中将真空马弗炉中真空度抽至1.2×10-2MPa，真空下高温热解1-2h，得到介孔沼渣活性炭；
S3：活性炭吸附沼液中的氨氮
将S1中得到的沼液上清液加入至氨氮资源转化装置(1)的沼液罐(121)中，将S2得到的介孔沼渣活性炭填充在氨氮资源转化装置(1)的吸附槽(16)中，将所述沼液罐(121)中的沼液通过氨氮资源转化装置(1)中的喷淋装置(12)向吹脱装置(13)上喷淋，吹脱装置(13)将沼液中的氨氮吹脱至蒸汽中，蒸气上升通过脱气膜(16)，在负压发生器(17)的作用下，蒸汽中的氨氮通过脱气膜，剩余蒸汽掉落至沼液回收装置(14)中，通过脱气膜的氨氮气体被吸附槽(16)内的介孔沼渣活性炭吸附，将吸附槽(16)内吸附饱和的介孔沼渣活性炭取出；
S4：氨氮资源化处理
将S3中经吸附槽(16)内取出的氨氮吸附饱和介孔沼渣活性炭粉碎后直接作为有机肥施用。
4.根据权利要求3所述的一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的方法，其特征在于，S1-S2中，两次使用烘干炉对沼渣进行烘干，烘干过程中除去的水分用冷凝器回收，加至沼液上清液中重复利用。
5.根据权利要求3所述的一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的方法，其特征在于，S3中，被吸附槽(16)内的介孔沼渣活性炭吸附氨氮后剩余气体经气体处理器(18)处理后排放。
6.根据权利要求3所述的一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的方法，其特征在于，S4中，粉碎后的介孔沼渣活性炭可进行造粒后施用。
7.根据权利要求3所述的一种将沼液沼渣发酵产生的氨氮资源转化的方法，其特征在于，S2中，烘干过程中除去的水分用冷凝器回收，加至沼液上清液中重复利用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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