CN112142150A - 一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置及其方法 - Google Patents

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华煜
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Abstract

本发明涉及一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置及其方法，由沼液预热器、脱CO2反应器、真空脱NH3反应器、碳酸氢铵回收系统、鸟粪石结晶反应器组成，具体步骤为先对厌氧消化沼液进行预热，脱除CO2，使pH自然上升，然后泵入脱氨反应器，利用厌氧消化产生的沼气进行蒸汽加热，采用喷雾的方式在真空条件下脱除沼液氨氮，含氨蒸汽经过冷凝分离后进入碳化塔，通入加压CO2在冷却条件下进行反应，最后经过结晶、离心生成碳酸氢铵产品，利用脱氨沼液碱性pH条件，通过投加镁盐进一步去除沼液剩余氨氮和磷酸盐，同时实现鸟粪石产品回收。本发明利用沼液碱度特性，可实现不加碱沼液氮磷资源同步回收，具有工艺设备简单、处理效率高、能耗水平低的特点。

Description

一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置及其方法
技术领域
本发明属于沼液处理与资源回收技术领域，具体涉及一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置及其方法。
背景技术
污泥富集了污水中30％-45％N和90％P，进行厌氧消化处理后污泥中氮主要以氨氮形式存在于沼液中，沼液高氨氮已经成为限制污泥厌氧消化全链条路径的瓶颈问题，同时随着全球磷资源的短缺，污泥中磷资源的回收是未来污泥资源化的重点发展方向。
传统沼液脱氮处理主要采用硝化-反硝化、厌氧氨氧化等生化处理方法，由于沼液中氮磷含量较高，而COD含量较低，通常需要消耗大量碳源和能源，存在占地面积大、运行成本高的缺点，而且无法实现沼液氮磷回收。目前，沼液中氮回收方法主要空气吹脱、汽提脱氨等，磷回收主要通过化学沉淀法，但是传统氮磷回收方法通常需要投加碱液调节pH，特别是对于沼液，具有高缓冲性能，会消耗大量碱液，且存在回收效率低、能耗高、容易造成空气污染等缺点。
针对沼液脱氨的问题，专利文献201510452491.8公开了一种高浓度氨氮废水氨吹脱及资源化处理系统及处理方法，通过调碱高温吹脱的方法去除氨氮，存在化学药剂消耗量大、去除效率低、工艺系统复杂的缺点。专利文献201610892778.7公开了一种沼液脱碳联合脱氨系统，实现无外源加碱两段脱氨，同时采用负压蒸氨，降低蒸汽能耗，但该系统脱碳过程利用空气吹脱去除CO2，可能会造成部分氨气损失，增加尾气吸收负荷，另外该系统只形成氨水，没有考虑形成更高附加值的产品。专利文献201810449637.7公开了一种基于超临界技术的城市污泥中氮磷回收系统及方法，利用了超临界氧化技术对污泥中氨氮、磷酸盐的释放进行回收，但是存在系统能耗高、需要投加大量碱液的缺点，且没有考虑氮肥产品的回收。
发明内容
本发明的目的就是为了解决沼液中氮磷回收存在的回收效率低、能耗高等问题，而提供一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置及其方法，利用沼液碱度和厌氧消化产生的沼气能源，在不加碱的条件下实现沼液中氮磷的同步高效回收，减少系统能量消耗和药耗，有效解决沼液处理瓶颈问题，同时对于促进污泥中资源循环利用具有重要意义。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，包括通过管路相连接的沼液预热器、脱CO2反应器、真空脱NH3反应器、冷却器、碳化塔及鸟粪石结晶反应器，其中：
沼液预热器，用于初始沼液与高温脱氨沼液的换热，使所述初始沼液预热，同时对高温脱氨沼液降温；
脱CO2反应器，其进水口通入来自所述沼液预热器预热后的初始沼液，并脱除初始沼液中的CO2；
真空脱NH3反应器，其进水口通入来自所述脱CO2反应器的初始沼液，并脱除初始沼液中的氨；
冷却器，其进口与所述脱CO2反应器及真空脱NH3反应器顶部的出气口相连通，并对进入的气体进行冷却，其底部的冷凝水回流至所述脱NH3反应器内，其顶部的含氨不凝气通入碳化塔，所述碳化塔对通入的氨气与CO2进行反应；
鸟粪石结晶反应器，其进口通入经所述真空脱NH3反应器脱氨及所述沼液预热器换热后的降温脱氨沼液，用于脱除脱氨沼液中的磷。
优选地，所述沼液预热器为管式预热器，其壳程通入初始沼液，并通过管道连接原水泵和脱CO2反应器的进水口；其管程通入高温脱氨沼液，并通过管道连接真空脱NH3反应器的出水口和磷回收提升泵。
优选地，所述脱CO2反应器采用卧式反应器，内部设置变频搅拌转刷，其出水口通过增压泵连接所述真空脱NH3反应器的进水口。
优选地，所述真空脱NH3反应器内设置喷洒头和蒸汽挡板，所述喷洒头的底部连接进水管道和蒸汽管道。
优选地，所述冷却器顶部的含氨不凝气通过射流真空泵通入碳化塔，所述碳化塔内设有冷凝盘管，其底部设CO2进气口，底部出水口与晶浆罐连接，顶部出气口与尾气净化连接。
优选地，所述鸟粪石结晶反应器内设置搅拌器，顶部设置镁盐投加口，底部设有锥形沉淀区。
一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的方法，采用上述装置进行处理，具体包括如下步骤：
(1)将厌氧消化沼液通入所述沼液预热器预热至50-55℃，预热能量来源于后端脱氨沼液的余热，同时将脱氨沼液温度降低至室温左右；
(2)利用所述脱CO2反应器的微负压条件和转刷搅拌促使预热沼液碱度破坏，使碳酸氢盐分解，释放CO2，沼液pH自然上升至9.5以上，提高游离氨解离程度；
(3)脱CO2后的沼液经过加压和喷洒，在所述真空脱NH3反应器中形成喷雾，增大气液接触面积，利用蒸汽将沼液温度加热至80-85℃，同时利用真空条件下增大氨气传质驱动力，提高脱氨效率，氨氮去除率可以达到80％以上；
(4)含氨蒸汽经过所述冷却器冷凝和气液分离，脱除的氨气及CO2通入所述碳化塔(11)与CO2反应生成碳酸氢铵，经过结晶和离心分离，形成碳酸氢铵产品，尾气经过净化达标排放；
(5)利用脱氨沼液碱性pH条件，所述鸟粪石结晶反应器内通过投加镁盐进一步去除沼液剩余氨氮和磷酸盐，同时实现鸟粪石产品回收，氮磷回收率可以达到90％以上。
优选地，步骤(1)中沼液总碱度为6000-12000mg CaCO3/L，氨氮浓度为1500-3000mg/L，磷酸盐浓度为150-300mg/L；
优选地，步骤(2)中脱CO2反应器内沼液温度为50-55℃，搅拌转速为50-60rpm，利用沼液自身碱度破坏可以在不加碱的条件下实现pH提升至9-10。
优选地，步骤(3)中脱氨塔蒸汽来源为利用厌氧消化沼气产生的蒸汽，沼液温度为80-85℃，真空度为50-60kPa，沼液氨氮去除率在80％以上；
优选地，步骤(4)中碳化塔CO2来源可以利用沼气中CO2，生成的碳酸氢铵产品可以用作肥料，以及焚烧发电厂脱硫脱硝药剂；
优选地，步骤(5)中鸟粪石结晶过程不需要额外加碱，利用脱氨沼液碱性pH，通过投加的一定比例的镁盐，沼液中剩余氮磷回收率可以达到90％以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的主要创新点在于装置的组成以及基于该装置进行的方法操作实现的效果。
1、本发明巧妙利用沼液高碱度特性和CO2与NH3亨利常数差异，沼液进入脱CO2反应器在加热、转刷搅拌和微负压条件下实现碳酸氢盐碱度分解和溶解CO2脱除，使沼液pH在不加碱的条件下自然上升至9.5以上，避免了传统氨吹脱方法消耗大量碱液的缺点，为后续沼液氨氮解离为游离氨和高效脱除创造有利条件。
2、脱CO2碱性沼液与蒸汽混合后进入脱氨反应器通过加压喷射形成喷雾的形式，可以有效增大气液接触面积，利用真空条件提高沼液中氨从液相向气相传质驱动力，实现沼液氨氮高效脱除。同时利用沼气中CO2与氨反应生成碳酸氢铵，减少碳排放，实现沼液中氮资源回收，避免传统生物脱氨能量和药剂消耗，以及氮资源的浪费。脱氨沼液pH条件在9左右，非常适合进行鸟粪石回收磷，同时氨氮浓度降低至与磷酸盐相同水平，通过添加镁盐，利用脱氨沼液碱性pH条件，不需要额外添加碱液，降低了运行成本，实现了系统内部有机耦合和沼液氮磷同步回收。
3、本发明脱CO2和脱NH3反应器创新采用卧式反应器替代传统化工塔，可以有效避免传统填料塔或筛板塔存在的堵塞、返溶严重等问题，同时降低系统复杂程度，提高运行稳定性和安全性，具有设备工艺简单的优点；通过利用脱氨沼液余热将进水预热至50℃左右，实现系统内能量回收利用，同时减少后续冷凝水消耗。脱CO2和脱NH3反应器均保持真空状态，一方面可以降低系统能量消耗，同时避免引入外界空气，减少对周围环境的污染。
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，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为本发明的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置示意图；
图中，1-原水泵，2-沼液预热器，3-脱CO2反应器，4-搅拌转刷，5-增压泵，6-真空脱NH3反应器，7-喷洒头，8-蒸汽挡板，9-冷却器，10-射流真空泵，11-碳化塔，12-冷凝盘管，13-晶浆罐，14-提升泵，15-鸟粪石结晶反应器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1，一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，包括通过管路相连接的沼液预热器2、脱CO2反应器3、真空脱NH3反应器6、冷却器9、碳化塔11及鸟粪石结晶反应器15，其中：
沼液预热器2，用于初始沼液与高温脱氨沼液的换热，使初始沼液预热，同时对高温脱氨沼液降温；
脱CO2反应器3，其进水口通入来自沼液预热器2预热后的初始沼液，并脱除初始沼液中的CO2；
真空脱NH3反应器6，其进水口通入来自脱CO2反应器3的初始沼液，并脱除初始沼液中的氨；
冷却器9，其进口与脱CO2反应器3及真空脱NH3反应器6顶部的出气口相连通，并对进入的气体进行冷却，其底部的冷凝水回流至脱NH3反应器6内，其顶部的含氨不凝气通入碳化塔11，碳化塔11对通入的氨气与CO2进行反应；
鸟粪石结晶反应器15，其进口通入经真空脱NH3反应器6脱氨及沼液预热器2换热后的降温脱氨沼液，用于脱除脱氨沼液中的磷。
作为优选的技术方案，沼液预热器2为管式预热器，其壳程通入初始沼液，并通过管道连接原水泵1和脱CO2反应器3的进水口；
其管程通入高温脱氨沼液，并通过管道连接真空脱NH3反应器6的出水口和磷回收提升泵14。
作为优选的技术方案，脱CO2反应器3内设置变频搅拌转刷4，其出水口通过增压泵5连接真空脱NH3反应器6的进水口。
作为优选的技术方案，真空脱NH3反应器6内设置喷洒头7和蒸汽挡板8，喷洒头7的底部连接进水管道和蒸汽管道。
作为优选的技术方案，冷却器9顶部的含氨不凝气通过射流真空泵10通入碳化塔11，碳化塔11内设有冷凝盘管12，其底部设CO2进气口，底部出水口与晶浆罐13连接，顶部出气口与尾气净化连接。
作为优选的技术方案，鸟粪石结晶反应器15内设置搅拌器，顶部设置镁盐投加口，底部设有锥形沉淀区。
一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的方法，采用上述的装置进行处理，具体包括如下步骤：
(1)将厌氧消化沼液通入所述沼液预热器2预热至55-60℃，预热能量来源于后端脱氨沼液的余热，同时将脱氨沼液温度降低至室温左右；
(2)利用所述脱CO2反应器3的微负压条件和转刷搅拌促使预热沼液碱度破坏，使碳酸氢盐分解，释放CO2，沼液pH自然上升至9以上，提高游离氨解离程度；
(3)脱CO2后的沼液经过加压和喷洒，在所述真空脱NH3反应器6中形成喷雾，增大气液接触面积，利用蒸汽将沼液温度加热至85-90℃，同时利用真空条件下增大氨气传质驱动力，提高脱氨效率；氨氮去除率可以达到80％以上；
(4)含氨蒸汽经过所述冷却器9冷凝和气液分离，脱除的氨气及CO2通入所述碳化塔11与CO2反应生成碳酸氢铵，经过结晶和离心分离，形成碳酸氢铵产品，尾气经过净化达标排放；
(5)利用脱氨沼液碱性pH条件，所述鸟粪石结晶反应器15内通过投加镁盐进一步去除沼液剩余氨氮和磷酸盐，同时实现鸟粪石产品回收。氮磷回收率可以达到90％以上。
作为优选的技术方案，步骤(1)中沼液总碱度为6000-12000mg CaCO3/L，氨氮浓度为1500-3000mg/L，磷酸盐浓度为150-300mg/L；
步骤(2)中脱CO2反应器内沼液温度为50-55℃，搅拌转速为50-60rpm，利用沼液自身碱度破坏可以在不加碱的条件下实现pH提升至9-10。
步骤(3)中脱氨塔蒸汽来源为利用厌氧消化沼气产生的蒸汽，沼液温度为80-85℃，真空压力为70-80kPa，沼液氨氮去除率在80％以上；
步骤(4)中碳化塔CO2来源可以利用沼气中CO2，生成的碳酸氢铵产品可以用作肥料，以及焚烧发电厂脱硫脱硝药剂；
步骤(5)中鸟粪石结晶过程不需要额外加碱，利用脱氨沼液碱性pH，通过投加的一定比例的镁盐，沼液中剩余氮磷回收率可以达到90％以上。
实施例1
利用上述装置及方法，处理以下污泥厌氧消化沼液：污泥厌氧消化沼液氨氮浓度为1500mg/L，总碱度为6000mg/L，磷酸盐浓度为150mg/L，pH为7.8。
沼液经过预热至50℃，通入卧式脱CO2反应器，同时开启转刷搅拌和抽真空系统，同时促进碳酸氢盐碱度分解，加快沼液溶解CO2释放，转速为50rpm，停留时间30min，沼液pH提高至9。脱CO2沼液通过增压泵与蒸汽混合在脱氨反应器喷洒，增大气液接触面积，脱氨反应器沼液温度为80℃，压力70kPa，沼液中游离氨在高温和负压条件下被蒸汽带出，沼液氨氮去除率可到80％以上，脱氨沼液氨氮浓度低于300mg/L。含氨蒸汽经冷却后通入碳化塔形成浓氨水，与沼气加压CO2反应生成碳酸氢铵结晶，经低速离心可形成碳酸氢铵产品。脱氨沼液pH在9左右，添加氯化镁溶液，调节Mg2+:PO4 3-比例为1.2:1左右，转速150rpm，反应10min，生成鸟粪石结晶沉淀，出水氨氮浓度约为150mg/L，磷酸盐浓度约为10mg/L，沼液氮磷回收率90％以上。
实施例2
利用上述装置及方法，处理以下污泥厌氧消化沼液：污泥厌氧消化沼液氨氮浓度为3000mg/L，总碱度为12000mg/L，磷酸盐浓度为300mg/L，pH为8。
沼液经过预热至55℃，通入卧式脱CO2反应器，同时开启转刷搅拌和抽真空系统，同时促进碳酸氢盐碱度分解，加快沼液溶解CO2释放，转速为50rpm，停留时间30min，沼液pH提高至9.5。脱CO2沼液通过增压泵与蒸汽混合在脱氨反应器喷洒，增大气液接触面积，脱氨反应器沼液温度为85℃，压力80kPa，沼液中游离氨在高温和负压条件下被蒸汽带出，沼液氨氮去除率可到85％以上，脱氨沼液氨氮浓度低于450mg/L。含氨蒸汽经冷却后通入碳化塔形成浓氨水，与沼气加压CO2反应生成碳酸氢铵结晶，经低速离心可形成碳酸氢铵产品。脱氨沼液pH在9左右，添加氯化镁溶液，调节Mg2+:PO4 3-比例为1.2:1左右，转速150rpm，反应10min，生成鸟粪石结晶沉淀，出水氨氮浓度约为150mg/L，磷酸盐浓度约为20mg/L，沼液氮磷回收率90％以上。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，其特征在于，包括通过管路相连接的沼液预热器(2)、脱CO2反应器(3)、真空脱NH3反应器(6)、冷却器(9)、碳化塔(11)及鸟粪石结晶反应器(15)，其中：
沼液预热器(2)，用于初始沼液与高温脱氨沼液的换热，使所述初始沼液预热，同时对高温脱氨沼液降温；
脱CO2反应器(3)，其进水口通入来自所述沼液预热器(2)预热后的初始沼液，并脱除初始沼液中的CO2；
真空脱NH3反应器(6)，其进水口通入来自所述脱CO2反应器(3)的初始沼液，并脱除初始沼液中的氨；
冷却器(9)，其进口与所述脱CO2反应器(3)及真空脱NH3反应器(6)顶部的出气口相连通，并对进入的气体进行冷却，其底部的冷凝水回流至所述脱NH3反应器(6)内，其顶部的含氨不凝气通入碳化塔(11)，所述碳化塔(11)对通入的氨气与CO2进行反应；
鸟粪石结晶反应器(15)，其进口通入经所述真空脱NH3反应器(6)脱氨及所述沼液预热器(2)换热后的降温脱氨沼液，用于脱除脱氨沼液中的磷。
2.根据权利要求1所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，其特征在于，所述沼液预热器(2)为管式预热器，其壳程通入初始沼液，并通过管道连接原水泵(1)和脱CO2反应器(3)的进水口；
其管程通入高温脱氨沼液，并通过管道连接真空脱NH3反应器(6)的出水口和磷回收提升泵(14)。
3.根据权利要求1所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，其特征在于，所述脱CO2反应器(3)内设置变频搅拌转刷(4)，其出水口通过增压泵(5)连接所述真空脱NH3反应器(6)的进水口。
4.根据权利要求1所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，其特征在于，所述真空脱NH3反应器(6)内设置喷洒头(7)和蒸汽挡板(8)，所述喷洒头(7)的底部连接进水管道和蒸汽管道。
5.根据权利要求1所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，其特征在于，所述冷却器(9)顶部的含氨不凝气通过射流真空泵(10)通入碳化塔(11)，所述碳化塔(11)内设有冷凝盘管(12)，其底部设CO2进气口，底部出水口与晶浆罐(13)连接，顶部出气口与尾气净化连接。
6.根据权利要求1所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的装置，其特征在于，所述鸟粪石结晶反应器(15)内设置搅拌器，顶部设置镁盐投加口，底部设有锥形沉淀区。
7.一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的装置进行处理，具体包括如下步骤：
(1)将厌氧消化沼液通入所述沼液预热器(2)预热至50-55℃，预热能量来源于后端脱氨沼液的余热，同时将脱氨沼液温度降低至室温左右；
(2)利用所述脱CO2反应器(3)的微负压条件和转刷搅拌促使预热沼液碱度破坏，使碳酸氢盐分解，释放CO2，沼液pH自然上升至9.5以上，提高游离氨解离程度；
(3)脱CO2后的沼液经过加压和喷洒，在所述真空脱NH3反应器(6)中形成喷雾，增大气液接触面积，利用蒸汽将沼液温度加热至80-85℃，同时利用真空条件下增大氨气传质驱动力，提高脱氨效率；
(4)含氨蒸汽经过所述冷却器(9)冷凝和气液分离，脱除的氨气及CO2通入所述碳化塔(11)与CO2反应生成碳酸氢铵，经过结晶和离心分离，形成碳酸氢铵产品，尾气经过净化达标排放；
(5)利用脱氨沼液碱性pH条件，所述鸟粪石结晶反应器(15)内通过投加镁盐进一步去除沼液剩余氨氮和磷酸盐，同时实现鸟粪石产品回收。
8.根据权利要求7所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的方法，其特征在于，步骤(1)中沼液总碱度为6000-12000mg CaCO3/L，氨氮浓度为1500-3000mg/L，磷酸盐浓度为150-300mg/L；
步骤(2)中脱CO2反应器内沼液温度为50-55℃，搅拌转速为50-60rpm，利用沼液自身碱度破坏可以在不加碱的条件下实现pH提升至9-10。
9.根据权利要求7所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的方法，其特征在于，步骤(3)中脱氨塔蒸汽来源为利用厌氧消化沼气产生的蒸汽，沼液温度为80-85℃，真空压力为50-60kPa，沼液氨氮去除率在80％以上。
10.根据权利要求7所述的一种高效低耗同步回收沼液中氮磷的方法，其特征在于，步骤(4)中碳化塔CO2来源可以利用沼气中CO2；
步骤(5)中鸟粪石结晶过程不需要额外加碱，利用脱氨沼液碱性pH。
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