CN114835189A - 一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水资源化处理技术领域，尤其涉及一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，包括以下步骤：以待处理特定浓度氨氮沼液为研究对象，以回收率或回收量为评价指标，以影响工艺效果的控制参数为考察因素，设计正交实验，进行透气膜工艺条件优化试验；对试验数据进行极差分析和方差分析，根据分析结果确定各个考察因素的主次作用，选定最优水平组合；结合所得最优水平组合，确定参数控制条件，实现特定氨氮浓度待处理沼液的调控运行。发明所述方法适用于对不同氨氮浓度范围沼液的氨氮回收，根据待处理不同氨氮浓度沼液试验表现，设置合理运行参数，实现沼液氨氮回收的精准控制，氨氮回收率可达到90％以上。

Description

一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法
技术领域
本发明属于污水资源化处理技术领域，尤其涉及一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法。
背景技术
厌氧发酵制备沼气来处理大量农业和畜牧业产生的废弃物的过程中会产生大量的沼液，由于沼液中氨氮含量较高，处理不当会对人类和动植物的生存环境造成威胁。在处理氨氮废水的发展进程中，早期的还田可能导致环境风险，因此聚焦于从废水中去除此类污染物。而在沼液处理中，高氨氮会影响生化处理系统的微生物活性，并具有抑制作用，通常会导致养殖废水处理效果不稳定，给养殖废水处理系统带来了巨大压力。近年来，氨氮的回收已成为研究的趋势，致力于减少污染并缓解资源紧张。
对于废水氨氮的回收，目前主要的回收技术有鸟粪石结晶技术、吸附技术、膜分离技术、吹脱法。
鸟粪石结晶法获得的产物—鸟粪石，只是一种缓释肥,并不适合直接施用于粮食类农作物,只有再加工才能发挥较大肥效，且pH调节以及镁源补充会增加成本。
吸附技术中吸附剂材料中的空腔很容易被悬浮颗粒和沉淀物堵塞，因此有必要去除颗粒。此外，外来离子的竞争会降低吸附效果，因为沸石除了吸附NH4 +，还可以吸附金属(例如Mg2+和Ca2+)。
吹脱法是一种比较有效的氨氮回收工艺，但是，温度和pH值成为主要限制因素，往往需要热能和添加剂满足条件，增加成本。此外，pH值控制可能需要使用危险化学品，这会带来健康和安全问题。另外，在工业上传统的氨吹脱塔在处理粪污沼液时，常因粪便颗粒而被堵塞。
膜分离技术最大的问题是会导致膜通量的快速下降和膜的频繁清洗。另外一个缺点是能量消耗大，尤其是反渗透膜(RO)的外部操作压力较大，这会使运行费用高。
因养殖工艺、季节用水量、沼液来源、成分复杂性的不同，使得沼液氨氮浓度及污染负荷存在较大差异，高浓度和低浓度沼液达到高效的氨氮回收率所需要的工艺条件存在明显不同。针对这些情况，选择了透气膜技术，能耗低、效率高，是一种合适的氨氮回收工艺，然而该技术的已有工艺对影响因素的评价往往是单一因素或少量因素，对于多方因素的共同影响考察不足，最终不能实现工艺条件的方便快捷调节，没有形成一种技术方法满足广域氨氮浓度范围沼液同时实现氨氮高效回收。
发明内容
针对现有技术存在的不足，在透气膜系统回收氨氮的工艺中，影响其回收效果的因素往往是多样的，并非单一的，本发明在前期工艺参数优化研究基础上，提供一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，使用这种方法，可以针对不同沼液氨氮浓度科学调整工艺参数至最佳组合，达到高效回收目的。
为了达到针对不同沼液氨氮浓度快速调整工艺参数至最佳组合的目的，本发明提供了一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，主要包括以下步骤：
(1)首先构建具备反应温度、曝气强度可调节功能的透气膜回收氨氮装置，包括：反应槽，所述反应槽内设置有疏水透气膜系统，所述疏水透气膜系统的出口通过提取液输送管路与提取液收集罐的进口连接，所述提取液收集罐的出口通过输送管路与疏水透气膜系统的进口连接，所述输送管路上设置有计量泵；所述反应槽内设置有温度传感器和曝气头，所述曝气头通过气体管道与曝气泵连接，所述气体管道上设置有气体流量计，所述温度传感器与电器控制箱电联接，所述反应槽外侧设置有电加热系统，所述电加热系统通过加热控制系统与电器控制箱电联接；所述反应槽上设置有装卸料口和废气排出口，所述废气排出口通过布气管路与尾液吸收罐连接，所述装卸料口运行时封闭。
反应槽为反应进行提供场所，在反应槽外侧添加电热加温装置，利用温度传感器反馈到电器控制箱，利用电器控制箱分别控制电加热系统和气泵实现温度和曝气强度的调节，进而可以根据特定浓度沼液的氨氮回收反应条件需求提供适宜的反应条件，达到氨氮高效回收效果。
(2)以待处理特定浓度氨氮沼液为研究对象，以回收率(或回收量)为评价指标，以温度、曝气强度、提取液流速、提取液浓度、调控剂投加量为考察因素，每个因素取3个水平，设计L18(37)正交实验，利用透气膜回收氨氮装置进行透气膜工艺条件优化试验。
考察因素水平的设置范围可分别为温度：20～55℃、曝气强度：0.15～0.60L空气/min·L沼液、提取液浓度(H+)：0.1～0.4mol/L、提取液流速：4～16mL/min、调控剂(主要为烯丙基硫脲)投加量：10～45mg/L。
所述优化试验的具体方法为：
配制H+浓度为0.1、0.2、0.4mol/L的三个浓度水平的稀硫酸提取液；连接好所述透气膜回收氨氮装置，将一定量过40目筛的沼液加入反应槽，按照设置好的调控剂投加量处理向反应槽加入调控剂，按照设置好温度处理设定好反应温度，调节相一致的搅拌速度，再打开输液泵，按照设置好的提取液流速处理设置流量，打开曝气泵，按照设置好的曝气强度处理设置曝气强度，开始反应；
试验过程中测定沼液和提取液pH，并取样测定氨氮浓度，每次还需记录剩余沼液体积和提取液体积；观察反应情况，适时停止试验，测定结束时沼液、提取液和尾气吸收液的各项指标；根据测定结果，计算沼液氨氮回收率或回收量，将各个正交实验组所得沼液氨氮回收率或回收量录入对应试验结果中。
(3)通过正交设计助手软件、Excel软件等工具软件，对数据进行极差分析和方差分析，并得到考察的影响因素的主次作用，以及最优水平组合。
(4)结合试验所得最优水平组合，同时对氨氮回收处理能耗及渗透蒸馏现象发生条件进行综合分析，确定反应温度、曝气强度、提取液流速、提取液浓度及调控剂投加量等参数控制条件，实现特定氨氮浓度待处理沼液的调控运行。
本发明所述方法可以在调节不同参数的情况下，实现不同氨氮浓度沼液氨氮的高效回收。
有益效果
本发明公开了一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，本发明所述方法适用于对不同氨氮浓度范围沼液的氨氮回收，根据待处理不同氨氮浓度沼液试验表现，设置合理运行参数，实现沼液氨氮回收的精准控制，氨氮回收率可达到90％以上。
附图说明
图1：透气膜工艺回收氨氮的装置结构示意图；
图2：低氨氮浓度沼液氨氮回收率随时间变化图；
图3：高氨氮浓度沼液氨氮回收率随时间变化图；
图中：1为反应槽，2为提取液收集罐，3为尾液吸收罐，4为疏水透气膜系统，5为曝气泵，6为气体流量计，7为计量泵，8为电器控制箱，9为加热控制系统，10为电加热系统，11为温度传感器，12为曝气头，13为提取液输送管路，14为布气管路，15为装卸料口。
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
选取待处理的低氨氮浓度(1555.7mg/L)、高氨氮浓度(5705.8mg/L)沼液分别开展正交实验，在配套试验装置进行沼液氨氮回收工艺条件优化试验。根据影响工艺效果的主要因素设计正交实验，以回收率作为评价指标，根据极差分析结果确定影响因素的主次作用，根据方差分析结果确定各因素对回收率影响的显著性，综合考虑能耗及渗透蒸馏现象发生条件，选定最优水平组合。
影响透气膜工艺的主要因素包括：反应温度、曝气强度、提取液流速、提取液浓度和调控剂投加量，并分别记为A、B、C、D、E。根据影响因素设定合适的水平(见表1)，然后选取相应的正交表设计实施方案(见表2)。
实验装置：具备反应温度、曝气强度可调节功能的透气膜回收氨氮装置，如图1所示，主要包括：反应槽1，所述反应槽1内设置有疏水透气膜系统4，所述疏水透气膜系统4的出口通过提取液输送管路13与提取液收集罐2的进口连接，所述提取液收集罐2的出口通过输送管路与疏水透气膜系统4的进口连接，所述输送管路上设置有计量泵7；所述反应槽内设置有温度传感器11和曝气头12，所述曝气头12通过气体管道与曝气泵5连接，所述气体管道上设置有气体流量计6，所述温度传感器11与电器控制箱8电联接，所述反应槽外侧设置有电加热系统10，所述电加热系统10通过加热控制系统9与电器控制箱8电联接；所述反应槽1上设置有装卸料口15和废气排出口，所述废气排出口通过布气管路14与尾液吸收罐3连接，所述装卸料口15运行时封闭。
反应槽1为反应进行提供场所，在反应槽外侧添加电加热系统10，利用温度传感器反馈到电器控制箱8，利用电器控制箱8分别控制电加热系统10和曝气泵5实现温度和曝气强度的调节，进而可以根据特定浓度沼液的氨氮回收反应条件需求提供适宜的反应条件，达到氨氮高效回收效果。
具体步骤为：配制H+浓度为0.1、0.2、0.4mol/L的三个浓度水平的稀硫酸提取液；连接好实验装置，沼液中加入调控剂，设定好反应温度，调节相一致的搅拌速度，再打开输液泵和曝气泵开始反应。实验过程中测定沼液和提取液pH，并取样测定氨氮浓度，每次还需记录剩余沼液体积和提取液体积。观察反应情况，适时停止实验，测定结束时沼液、提取液和尾气吸收液的各项指标，最后进行数据分析，确定结果。
表1因素水平表
Figure BDA0003651040200000051
Figure BDA0003651040200000061
表2正交实验设计
Figure BDA0003651040200000062
在低浓度氨氮沼液的回收实验中得到不同实验组氨氮回收率结果(见表3)。根据极差分析和方差分析结果可知(见表4)，影响因素的主次顺序为：温度>曝气强度>提取液浓度>调控剂投加量>提取液流速。反应温度和曝气强度具有显著性影响且影响力最大，提取液浓度和调控剂投加量具有一定影响但并不显著，提取液流速极差最小，影响可忽略不计，结果表明低氨氮浓度沼液获得高氨氮回收率的最优水平组合为A3B1C3D3E3。确定反应温度、曝气强度、提取液流速、调控剂投加量和提取液流速控制条件分别为55℃、0.15L空气/min·L沼液、0.4mol/L、16mL/min、45mg/L，在该工艺参数下所得沼液氨氮回收率随运行时间变化如附图2所示，8h后的平均回收率达到99％。
表3低浓度氨氮沼液正交实验结果
Figure BDA0003651040200000071
表4极差分析
Figure BDA0003651040200000072
在高浓度氨氮沼液的回收实验中得到不同实验组氨氮回收率结果(见表5)。根据极差分析和方差分析结果可知(见表6)，影响因素的主次顺序为：曝气强度>温度>提取液浓度>调控剂投加量>提取液流速。曝气强度和反应温度具有显著性影响且影响力最大，提取液浓度和调控剂投加量具有一定影响但并不显著，提取液流速的极差最小，影响可忽略不计，结果表明高氨氮浓度沼液获得氨氮高回收率的最优水平组合为A1B1C3D3E3。确定反应温度、曝气强度、提取液流速、调控剂投加量和提取液流速控制条件分别为25℃、0.15L空气/min·L沼液、0.4mol/L、16mL/min、45mg/L，在该工艺参数下所得沼液氨氮回收率随运行时间变化如附图3所示，22h后的平均回收率达到92％。
表5高浓度氨氮沼液正交实验结果
Figure BDA0003651040200000081
表6极差分析表
Figure BDA0003651040200000082
根据上述两种浓度氨氮沼液的氨氮回收结果可知，本方法可以在调节不同参数的情况下，实现沼液氨氮的高效回收，主要是根据氨氮回收率改变最关键因素(温度和曝气强度)的水平设置，次要因素的水平根据实际情况可根据实际运行需求选择。
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。

Claims (9)

1.一种适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以待处理特定氨氮浓度沼液为研究对象，以回收率或回收量为评价指标，以影响工艺效果的控制参数为考察因素，设计正交实验，进行透气膜工艺条件优化试验；
(2)对试验数据进行极差分析，根据极差分析结果确定各个考察因素的主次作用，根据方差分析结果确定各个考察因素对回收率影响的显著性，选定最优水平组合；
(3)结合所得最优水平组合，同时对氨氮回收处理能耗及渗透蒸馏现象发生条件进行综合分析，确定参数控制条件，实现特定氨氮浓度待处理沼液的调控运行。
2.根据权利要求1所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，步骤(1)中，所述控制参数包括温度、曝气强度、提取液流速、提取液浓度、调控剂投加量。
3.根据权利要求2所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，步骤(1)中，考察因素水平的设置范围分别为温度：20～55℃、曝气强度：0.15～0.60L空气/min·L沼液、提取液浓度(H+)：0.1～0.4mol/L、提取液流速：4～16mL/min、调控剂投加量：10～45mg/L。
4.根据权利要求2所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，步骤(1)中，每个因素取3个水平，设计L18(37)正交实验。
5.根据权利要求1所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，步骤(1)中，所述优化试验利用透气膜回收氨氮装置进行，所述透气膜回收氨氮装置具备反应温度、曝气强度可调节功能。
6.根据权利要求5所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，所述透气膜回收氨氮装置包括反应槽，所述反应槽内设置有疏水透气膜系统，所述疏水透气膜系统的出口通过提取液输送管路与提取液收集罐的进口连接，所述提取液收集罐的出口通过输送管路与疏水透气膜系统的进口连接，所述输送管路上设置有计量泵；所述反应槽内设置有温度传感器和曝气头，所述曝气头通过气体管道与曝气泵连接，所述气体管道上设置有气体流量计，所述温度传感器与电器控制箱电联接，所述反应槽外侧设置有电加热系统，所述电加热系统通过加热控制系统与电器控制箱电联接；所述反应槽上设置有装卸料口和废气排出口，所述废气排出口通过布气管路与尾液吸收罐连接，所述装卸料口运行时封闭。
7.根据权利要求6所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，所述优化试验的具体方法为：
配制H+浓度为0.1、0.2、0.4mol/L的三个浓度水平的稀硫酸提取液；
连接好所述透气膜回收氨氮装置，将一定量过40目筛的沼液加入反应槽，按照设置好的调控剂投加量处理向反应槽加入调控剂，按照设置好温度处理设定好反应温度，调节相一致的搅拌速度，再打开输液泵，按照设置好的提取液流速处理设置流量，打开曝气泵，按照设置好的曝气强度处理设置曝气强度，开始反应；
试验过程中测定沼液和提取液pH，并取样测定氨氮浓度，每次还需记录剩余沼液体积和提取液体积；观察反应情况，适时停止试验，测定结束时沼液、提取液和尾气吸收液的各项指标；
根据测定结果，计算沼液氨氮回收率或回收量，将各个正交实验所得沼液氨氮回收率或回收量录入对应正交实验组的试验结果中。
8.根据权利要求1所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，步骤(2)中，通过正交设计助手软件、Excel软件，对数据进行极差分析和方差分析。
9.根据权利要求2所述的适用广域氨氮浓度范围沼液的氨氮回收方法，其特征在于，步骤(3)中，所述参数控制条件包括反应温度、曝气强度、提取液流速、提取液浓度及调控剂投加量。
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