CN112209485A - 一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件及回收方法 - Google Patents

一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件及回收方法 Download PDF

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CN112209485A CN202011156553.8A CN202011156553A CN112209485A CN 112209485 A CN112209485 A CN 112209485A CN 202011156553 A CN202011156553 A CN 202011156553A CN 112209485 A CN112209485 A CN 112209485A
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杜连凤
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Abstract

本发明属于污水资源化处理技术领域，尤其涉及一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件及回收方法，所述反应组件包括两端开口的疏水膜管和用于固定疏水膜管的反应架，所述反应架包括对称设置的两个端板，所述两个端板之间通过连接架连接，所述端板上设置有多个通孔，所述两个端板的外侧均设置有连接腔，所述连接腔上设置有细管，所述细管与所述空腔体内连通，所述疏水膜管的两端分别固定在两个端板的通孔内。本发明所述的反应组件无需增加药剂，运用空气(或CO2气体)微曝气提高废水pH，实现常压下对畜禽粪污废水氨氮的快速回收，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

一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件及回收 方法
技术领域
本发明属于污水资源化处理技术领域，尤其涉及一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件及回收方法。
背景技术
废水的氮回收是废水高附加值开发处理的重要组成，废水氮回收主要是通过相应的技术措施，回收废水的氮资源，获得高附加值的经济效益，用于弥补废水处理过程所产生的能量与物质消耗成本。现有技术中废水的氮回收主要包括以下方法：(1)鸟粪石沉淀法：鸟粪石沉淀法回收污水中氮磷是上个世纪末期逐渐发展起来的新型且处理效果较好的氮磷回收技术，该技术可同时回收污水内的氮磷，进而可缓解废水直接排放导致的污染问题。(2)膜浓缩法：膜分离技术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，它具有分离过程无相变，操作简便、选择性高等特点。(3)吸附/解吸法：吸附技术是常用的污水处理技术，吸附/解吸法是利用某些对氮有亲和力的多孔或者比表面积大的介质来实现对氮的吸附，从而使氮从污水中分离，然后再通过解吸剂使已吸附的氮再次进入溶液，形成高氮溶液，直接利用或通过沉淀法或者结晶法使其成为固体得到分离。(4)生物吸收法：废水富含氮、磷等营养元素，是藻类或水培植物良好的培养基，使用废水培养藻类既能去除废水中的氮、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，降低藻类的生产成本，为废水的处理提供了一条高效途径。
然而，上述现有技术中废水氮回收的方法存在以下缺点：(1)废水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，药剂用量随着废水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，对于回收氮后废水液相部分的后续处理或利用可能存在不良影响。(2)膜浓缩法回收废水养分依然存在以下问题：一、膜污染是技术发展的瓶颈，如何控制膜污染，使膜能长时间、可持续运行，防止频繁的膜化学清洗与更换，成为当前膜法处理废水极为迫切的问题。二、如何降低废水膜浓缩处理前期投入和生产成本，成为废水氮回收生产肥料走上工业化道路的重要问题。(3)吸附/解吸法存在吸附效率问题，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。(4)生物吸收的工艺对光照、温度等自然条件依赖性强，回收效率因此受限；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，通过研究探讨出一种新型的废水氮回收方法具有十分重要的研究意义和应用价值。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，本发明无需增加药剂，运用空气(或CO2气体)微曝气提高废水pH，实现常压下对畜禽粪污废水氨氮的快速回收，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。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，包括两端开口的疏水膜管和用于固定疏水膜管的反应架，所述反应架包括对称设置的两个端板，所述两个端板之间通过连接架连接，所述端板上设置有多个通孔，所述两个端板的外侧均设置有连接腔，所述连接腔上设置有细管，所述细管与所述连接腔内连通，所述疏水膜管的两端分别固定在两个端板的通孔内，端板上所有通孔直径与疏水膜管外径一致，并将膜管逐一与圆孔相连通并粘牢，使膜管经连接腔与细管相通，且所述疏水膜管的数量与端板上通孔的数量相同。
所述的浸入式反应组件在应用时，采用CO2微曝气的方式调节废水pH至9以上，提取剂通过一端连接腔上的细管进入连接腔内，然后再进入疏水膜管内，然后进入另一端的连接腔内，最后从另一端连接腔上的细管出来。由于疏水膜管具有透气隔水的特性，废水内产生的气态氨分子可通过疏水膜管与其内部的提取剂反应生成铵盐，使废水内的氮元素以液态铵盐形式被回收。该反应组件结构简单，制作成本低，可实现常压下对废水氨氮的快速回收。该反应组件可广泛应用于不同氨氮浓度废水的氮回收，可根据处理反应槽的大小制备不同规格的反应组件，也可多个组件进行并联或串联组合，灵活设置组件的组合方式，实现常温常压下对畜禽粪污废水进行批次处理。
作为优选，可根据不同需要调节所述疏水膜管和端板上通孔的数量，可根据处理反应槽的大小制备不同规格的反应组件。
作为优选，所述端板上的通孔分布在连接腔与端板的连接范围内。
作为优选，其所述细管设置在连接腔的中心处。
作为优选，所述两个端板之间通过四根连接架连接。
作为优选，所述端板为圆形有机玻璃(或其他耐腐蚀材质)端板，所述连接腔为圆柱型连接腔。
作为优选，所述圆柱型连接腔的直径小于圆形端板的直径。
作为优选，所述疏水膜管管径可为9mm(内径)×10mm(外径)，壁厚约0.5mm，所述疏水膜管为耐酸耐碱的有机材料，膜管材料内部呈微孔分布结构(孔径约0.2μm)，具备气体渗透和隔水功能。
反应组件浸入液体反应槽保持密封性，反应槽上设有出气孔与提取剂容器相连。
本发明还公开了一种高氨氮含量废水的氮回收方法，包括以下步骤：
配置氨氮提取剂：配置氨氮提取剂，然后将配置好的氨氮提取剂装于提取剂容器内；
构建回收系统：将上述任一所述的浸入式反应组件一端的细管通过耐酸连接管道与提取剂容器的出液口连接，所述浸入式反应组件另一端的细管通过耐酸连接管道与循环泵的进液口连接，所述循环泵的出液口通过耐酸连接管道与提取剂容器的进液口连接，使提取剂在浸入式反应组件内循环流动，形成提取剂可进出反应组件的循环流动流程；
将待处理液体排入带有出气孔的密封性反应槽内，将浸入式反应组件浸没在被处理废水中，同时采用空气或CO2微曝气的方式调节废水pH至9以上，利用疏水膜管材料透气隔水的特性，使废水产生的气态氨分子过膜与提取剂反应生成铵盐。
作为优选，根据处理反应槽的规格，将多个浸入式反应组件进行并联或串联组合，使用更加灵活高效。
提取剂容器内的提取剂通过一端连接腔上的细管进入连接腔内，然后再进入疏水膜管内，然后进入另一端的连接腔内，最后从另一端连接腔上的细管出来，在循环泵的作用下，提取剂再次进入提取剂容器内实现循环。由于疏水膜管具有透气隔水的特性，废水内产生的气态氨分子可通过疏水膜管与其内部的提取剂反应生成铵盐，使废水内的氮元素以液态铵盐形式被回收，实现常压下对废水氨氮的快速回收。
有益效果
本发明公开了一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，该反应组件结构简单，制作成本低，利用疏水膜管材料透气隔水的特性，使废水产生的气态氨分子过膜与提取剂反应生成铵盐，实现常压下对废水氨氮的快速回收。该反应组件可广泛应用于不同氨氮浓度废水的氮回收，可根据处理反应槽的大小制备不同规格的反应组件，也可多个组件进行并联或串联组合，灵活设置组件的组合方式，实现常温常压下对畜禽粪污废水进行批次处理。
本发明所述的回收方法，直接利用本发明所述的反应组件即可实现对废水氨氮的快速回收，无需增加药剂，运用空气(或CO2气体)微曝气提高废水pH，实现常压下对畜禽粪污废水氨氮的快速回收，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：本发明实施例1所述反应架的结构示意图；
图2：本发明实施例1所述一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件的结构示意图；
图3：本发明实施例2所述回收系统的结构示意图；
图4：本发明实施例3所述回收系统的结构示意图；
图5：本发明实施例4所述回收系统的结构示意图；
图6：本发明实施例2所述回收系统的运行结果图；
图7：本发明实施例3所述回收系统的运行结果图；
图8：本发明实施例4所述回收系统的运行结果图；
图中，1：疏水膜管：2：端板；3：连接架；4：通孔；5：连接腔；6：细管；7：耐酸连接管道；8：提取剂容器；9：循环泵；10：浸入式反应组件；11：反应槽；12：出气孔。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
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
一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，包括两端开口的疏水膜管1和用于固定疏水膜管的反应架。如图1所示，所述反应架包括对称设置的两个端板2，所述两个端板之间通过连接架3连接，所述端板上设置有多个通孔4，所述两个端板的外侧均设置有连接腔5，所述连接腔上设置有细管6，所述细管与所述连接腔内连通。如图2、3所示，所述疏水膜管1的两端分别固定在两个端板的通孔内，端板上所有通孔直径与疏水膜管外径一致，并将膜管逐一与圆孔相连通并粘牢，使膜管经连接腔与细管相通，且所述疏水膜管的数量与端板上通孔的数量相同。
所述的浸入式反应组件在应用时，提取剂通过一端连接腔上的细管进入连接腔内，然后再进入疏水膜管内，然后进入另一端的连接腔内，最后从另一端连接腔上的细管出来。由于疏水膜管具有透气隔水的特性，废水内产生的气态氨分子可通过疏水膜管与其内部的提取剂反应生成铵盐，使废水内的氮元素以液态铵盐形式被回收。该反应组件结构简单，制作成本低，可实现常压下对废水氨氮的快速回收。该反应组件可广泛应用于不同浓度废水的氮回收，可根据处理反应槽的大小制备不同规格的反应组件，也可多个组件进行并联或串联组合，灵活设置组件的组合方式，实现常温常压下对畜禽粪污废水进行批次处理。
可根据不同需要调节所述疏水膜管和端板上通孔的数量，可根据处理反应槽的大小制备不同规格的反应组件。所述端板上的通孔分布在连接腔与端板的连接范围内。所述端板为圆形有机玻璃(或其他耐腐蚀材质)端板，所述连接腔为圆柱型连接腔。所述圆柱型连接腔的直径小于圆形端板的直径。其所述细管设置在连接腔的圆心处。所述两个端板之间通过四根连接架3连接。
所述疏水膜管管径可为9mm(内径)×10mm(外径)，壁厚约0.5mm，所述疏水膜管为耐酸耐碱的有机材料，膜管材料内部呈微孔分布结构(孔径约0.2μm)，具备气体渗透和隔水功能。
实施例2
一种高氨氮含量废水的氮回收方法，包括以下步骤：
配置氨氮提取剂：配置氨氮提取剂，然后将配置好的氨氮提取剂装于提取剂容器内；
构建回收系统：如图3所示，将上述实施例1所述的浸入式反应组件一端的细管6通过耐酸连接管道与提取剂容器8的出液口连接，所述浸入式反应组件另一端的细管通过耐酸连接管道与循环泵9的进液口连接，所述循环泵9的出液口通过耐酸连接管道与提取剂容器8的进液口连接，使提取剂在浸入式反应组件内循环流动，形成提取剂可进出反应组件的循环流动流程。
将待处理液体排入带有出气孔的密封性反应槽内，将浸入式反应组件浸没在被处理废水中，同时采用空气或CO2微曝气的方式调节废水pH至9以上，利用疏水膜管材料透气隔水的特性，使废水产生的气态氨分子过膜与提取剂反应生成铵盐。
提取剂容器内的提取剂通过一端连接腔上的细管进入连接腔内，然后再进入疏水膜管内，然后进入另一端的连接腔内，最后从另一端连接腔上的细管出来，在循环泵的作用下，提取剂再次进入提取剂容器内实现循环。部分未通过疏水膜而随微曝气溢散的气态氨气经出气孔进入提取剂容器。由于疏水膜管具有透气隔水的特性，废水内产生的气态氨分子可通过疏水膜管与其内部的提取剂反应生成铵盐，使废水内的氮元素以液态铵盐形式被回收，实现常压下对废水氨氮的快速回收。
按照图3构建回收系统后，将氨氮含量4470mg/L废水置入反应槽，提取剂容器内装入酸性提取液(0.5mol/L硫酸)，以0.3L空气/(min·L废水)曝气强度向反应槽内废水通入空气进行微曝气，提取剂以4mL/min的流速循环在反应槽与提取剂容器间流动，室温下运行2周。每天隔12h(第一次取样在第3h)取1次提取液样品测定氨氮含量和pH值。提取液pH值达到7以上后将其回收，以新的酸性提取剂替换继续运行。
运行结果如图6所示，由图6可以看出运行初期提取液氨氮含量和pH值都逐渐增加，开始63个小时内，提取液pH变化较慢，氨氮含量变化较快，当运行至87-123h过程中，提取液pH达到8以上，该时段pH变化较为平稳，一直处在8.1-8.3之间，变幅十分平稳，对应提取液氨氮含量则升高至14213.3mg/L峰值水平。此阶段提取液pH在36个小时内基本无明显变化，说明提取剂已饱和，随后换新的提取剂继续回收。换新提取剂后，氨氮含量保持低速率增加直至256小时达到6000mg/L水平变化平缓，pH则呈增加趋势，但变化较为缓和。
实施例3
一种高氨氮含量废水的氮回收方法，包括以下步骤：
配置氨氮提取剂：配置氨氮提取剂，然后将配置好的氨氮提取剂装于提取剂容器内；
构建回收系统：如图4所示，将上述实施例1所述的浸入式反应组件10一端的细管6通过耐酸连接管道7与提取剂容器8的出液口连接，所述浸入式反应组件另一端的细管通过耐酸连接管道与循环泵9的进液口连接，所述循环泵9的出液口通过耐酸连接管道与提取剂容器8的进液口连接，使提取剂在浸入式反应组件内循环流动，形成提取剂可进出反应组件的循环流动流程；根据处理反应槽的规格，将多个浸入式反应组件进行并联组合，使用更加灵活高效。
将待处理液体排入带有出气孔的密封性反应槽内，将浸入式反应组件浸没在被处理废水中，同时采用空气或CO2微曝气的方式调节废水pH至9以上，利用疏水膜管材料透气隔水的特性，使废水产生的气态氨分子过膜与提取剂反应生成铵盐。
按照图4构建回收系统后，将氨氮含量4470mg/L废水置入反应槽，提取剂容器内装入酸性提取液(0.5mol/L硫酸)，以0.3L空气/(min·L废水)曝气强度向反应槽内废水通入空气进行微曝气，提取剂以4mL/min的流速循环在反应槽与提取剂容器间流动，室温下运行2周。每天隔12h(第一次取样在第3h)取1次提取液样品测定氨氮含量和pH值。提取液pH值达到7以上后将其回收，以新的酸性提取剂替换继续运行。
运行结果如图7所示，由图7可以看出运行初期提取液氨氮含量和pH值都逐渐增加，开始37个小时内，提取液pH变化较慢，氨氮含量变化较快，当运行至51小时后，提取液pH达到8以上，直至75小时该时段pH变化较为平稳，一直处在8.1-8.3之间，变幅十分平稳，对应提取液氨氮含量则升高至14316.7mg/L峰值水平。此阶段24个小时内提取液pH基本无明显变化，说明提取剂已饱和，随后换新的提取剂继续回收。换新提取剂后，氨氮含量保持低速率增加直至187小时达到6000mg/L水平变化平缓，pH则呈增加趋势，但变化较为缓和。
实施例4
一种高氨氮含量废水的氮回收方法，包括以下步骤：
配置氨氮提取剂：配置氨氮提取剂，然后将配置好的氨氮提取剂装于提取剂容器内；
构建回收系统：如图5所示，将上述实施例1所述的浸入式反应组件一端的细管6通过耐酸连接管道7与提取剂容器8的出液口连接，所述浸入式反应组件另一端的细管通过耐酸连接管道与循环泵9的进液口连接，所述循环泵9的出液口通过耐酸连接管道与提取剂容器8的进液口连接，使提取剂在浸入式反应组件内循环流动，形成提取剂可进出反应组件的循环流动流程；根据处理反应槽的规格，将多个浸入式反应组件进行串联组合，使用更加灵活高效。
将待处理液体排入带有出气孔的密封性反应槽内，将浸入式反应组件浸没在被处理废水中，同时采用空气或CO2微曝气的方式调节废水pH至9以上，利用疏水膜管材料透气隔水的特性，使废水产生的气态氨分子过膜与提取剂反应生成铵盐。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
按照图5构建回收系统后，将氨氮含量4470mg/L废水置入反应槽，提取剂容器内装入酸性提取液(0.5mol/L硫酸)，以0.3L空气/(min·L废水)曝气强度向反应槽内废水通入空气进行微曝气，提取剂以4mL/min的流速循环在反应槽与提取剂容器间流动，室温下运行近2周。每天隔12h(第一次取样在第3h)取1次提取液样品测定氨氮含量和pH值。提取液pH值达到7以上后将其回收，以新的酸性提取剂替换继续运行。
运行结果如图8所示，由图8可以看出运行初期提取液氨氮含量和pH值都逐渐增加，开始39个小时内，提取液pH变化较慢，氨氮含量变化较快，当运行至63小时后，提取液pH达到8以上，该时段pH变化较为平稳，一直处在7.9-8.3之间，变幅十分平稳，对应提取液氨氮含量则升高至14386.7mg/L峰值水平。此阶段24个小时内提取液pH基本无明显变化，说明提取剂已饱和，随后换新的提取剂继续回收。换新提取剂后，氨氮含量保持低速率增加直至159小时达到5600mg/L水平之上后变化较平缓，pH则呈增加趋势，但变化较为缓和。

Claims (10)

1.一种用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，包括两端开口的疏水膜管和用于固定疏水膜管的反应架，所述反应架包括对称设置的两个端板，所述两个端板之间通过连接架连接，所述端板上设置有多个通孔，所述两个端板的外侧均设置有连接腔，所述连接腔上设置有细管，所述细管与所述连接腔内连通，所述疏水膜管的两端分别固定在两个端板的通孔内，且所述疏水膜管的数量与端板上通孔的数量相同。
2.根据权利要求1所述的用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，可根据不同需要调节所述疏水膜管和端板上通孔的数量。
3.根据权利要求1所述的用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，所述端板上的通孔分布在连接腔与端板的连接范围内。
4.根据权利要求1所述的用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，所述细管设置在连接腔的中心处。
5.根据权利要求1所述的用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，所述两个端板之间通过四根连接架连接。
6.根据权利要求1所述的用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，所述端板为圆形有机玻璃端板，所述连接腔为圆柱型连接腔。
7.根据权利要求6所述的用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，所述圆柱型连接腔的直径小于圆形端板的直径。
8.根据权利要求1所述的用于高氨氮含量废水氮回收的浸入式反应组件，其特征在于，所述疏水膜管为耐酸耐碱的有机材料，膜管材料内部呈微孔分布结构。
9.一种高氨氮含量废水的氮回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置氨氮提取剂：配置氨氮提取剂，然后将配置好的氨氮提取剂装于提取剂容器内；
(2)构建回收系统：将权利要求1-8任一所述的浸入式反应组件一端的细管通过耐酸连接管道与提取剂容器的出液口连接，所述浸入式反应组件另一端的细管通过耐酸连接管道与循环泵的进液口连接，所述循环泵的出液口通过耐酸连接管道与提取剂容器的进液口连接；
(3)将待处理液体排入反应槽内，反应槽保持密封性，反应槽上设有出气孔，出气孔通过管道与提取剂容器相连，将浸入式反应组件浸没在反应槽内的待处理液体中，同时采用空气或CO2微曝气的方式调节废水pH至9以上，利用疏水膜管材料透气隔水的特性，使待处理液体产生的气态氨分子过膜与提取剂反应生成铵盐。
10.根据权利要求9所述的高氨氮含量废水的氮回收方法，其特征在于，可根据反应槽的规格，将多个浸入式反应组件进行并联或串联组合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114835189A (zh) * 2022-05-19 2022-08-02 北京化工大学 一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法

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