减压辅助的沼液氨氮膜回收系统与方法与流程

本发明属于沼液处理技术领域，具体涉及一种减压辅助的沼液氨氮膜回收系统与方法。

技术背景

生物质(如农作物秸秆、畜禽粪便、餐厨垃圾等)在一定的条件下可经微生物厌氧发酵产生沼气。作为一种可再生清洁能源，沼气在一定程度上可以缓解能源的供需矛盾。而作为厌氧发酵后剩余的液体，沼液不仅可以促进作物生长，而且还能有效控制植物病害的发生，是一种优质、全效的有机肥料。但大多数沼气工程产生的沼液中氨氮含量较高，不宜直接还田使用，同时很多沼气工程所在地缺乏沼液还田时所要求的土地消纳面积，从而导致沼液得不到有效处理，极易造成沼液的二次污染。显然，亟需对沼液进行有效处理。从沼液中回收氨氮等营养物质，不仅有利于沼液的还田处理，减少含高氨氮含量的沼液对环境的潜在威胁，同时还能够回收获得氮肥，有利于氮素的进一步高效利用，增加沼气工程的附加值，是沼液处理过程中的重要环节。

所谓氨氮是指以游离态氨(nh3)或铵离子(nh4⁺)形式存在的氮。对于沼液中氨氮的回收，目前采用的方法主要有化学沉淀法、反渗透法、膜减压蒸馏处理及气体吹脱分离法等。化学沉淀法主要是通过添加磷酸和镁盐使氨氮从液相转移到固相并进一步收回，便于实际操作，能耗低，但是需要消耗大量的化学药品。利用反渗透技术对沼液进行氨氮分离，优点在于可同时回收营养元素与生产清洁用水，但是其对设备要求高，电能耗大，运行过程中的稳定性有待进一步提升。膜减压蒸馏处理沼液的优点在于氨氮分离效率较高，同时回收产物氨水可利用面广，但是其热能耗过高。气体吹脱分离法主要的优势在于氨氮脱除稳定性好，但过程中对于化学品消耗较大，空气吹脱容易导致发泡而降低氨氮分离效率等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种减压辅助的沼液氨氮膜回收系统与方法，本发明可在减压条件下利用在中空纤维膜中循环的酸液来吸收沼液中的氨氮，从而实现低能耗条件下完成沼液中的氨氮脱除这一目的。该系统对沼液进行减压处理，可以实现沼液中的氨氮向自由氨的转化，从而使自由氨可以透过膜孔被酸液吸收，变成铵盐。

为实现此目的，本发明所设计的减压辅助的沼液氨氮膜回收系统，其特征在于：它包括固液分离器、流体泵、真空泵、沼液循环箱、沼液储液罐、沼液泵、沼液加热器、中空纤维膜接触器、酸液加热器、酸液泵和酸液罐，其中，固液分离器设有沼液进口，流体泵的输入端连接固液分离器的粗滤沼液出口，流体泵的输出端连接沼液循环箱的粗滤沼液入口，真空泵的抽气口连接沼液循环箱的抽真空口，沼液循环箱的循环箱粗滤沼液出口通过沼液泵连接沼液加热器的低温沼液入口，沼液加热器的高温沼液出口连接中空纤维膜接触器的沼液入口，酸液罐设有原酸液进口，所述酸液罐的原酸液出口通过酸液泵连接酸液加热器的低温酸液入口，加热器的高温酸液出口连接中空纤维膜接触器的原酸液入口，中空纤维膜接触器的接触器沼液出口与沼液循环箱的沼液排出口均接入沼液储液罐，中空纤维膜接触器的反应酸液出口连接酸液罐的反应酸液进口。

一种基于上述系统的沼液氨氮膜回收方法，它包括如下步骤：

步骤1：原沼液在固液分离器中进行固液分离，从而获得粗滤沼液和沼渣；

步骤2：用流体泵抽取固液分离器中的粗滤沼液，并送入沼液循环箱，固液分离器中的沉淀物质由沉淀物出口排出；

步骤3：开启真空泵对沼液循环箱进行抽真空处理，用沼液泵将粗滤沼液抽入沼液加热器，在沼液加热器中加热到65～75℃后由沼液入口进入中空纤维膜接触器的壳程部分，用酸液泵将酸液由原酸液出口抽入酸液加热器中，酸液在酸液加热器中加热到65～75℃后由原酸液入口进入中空纤维膜接触器的管程，中空纤维膜接触器设置为酸液在疏水性中空纤维膜内部流过，沼液在中空纤维膜接触器的壳程部分流动，沼液中的氨氮转化为自由氨后可透过疏水性中空纤维膜的膜孔被疏水性中空纤维膜内部的酸液吸收，关闭沼液储液罐入口管道中的第一阀门以及反应酸液进口上的第二阀门，使沼液循环箱中的沼液和酸液罐中的酸液进行循环处理；

步骤4：上述循环处理过程中检测沼液循环箱中沼液排出口流出的氨氮浓度，当该氨氮浓度低于50～100mg/l时，打开第一阀门，将沼液送入沼液储液罐；上述循环处理过程中检测酸液罐中反应酸液进口流入的反应酸液ph值，判断反应酸液ph值是否高于6.0，若反应酸液ph值高于6.0，打开第二阀门，反应酸由酸液罐的反应酸液进口流出。

本发明在减压条件下利用膜吸收过程，进行沼液中的氨氮回收处理。在一定的真空条件下沼液不容易引起发泡，过程稳定，氨氮脱除速率快，且由于水蒸发量大大降低进而使热能耗低。利用酸液进行氨氮吸收，使用不同种类的酸液，可以得到铵盐或氨水等不同的化工原料，增大了沼液的应用价值。因此利用膜吸收技术在减压状态下对沼液进行氨氮脱除回收处理的这一系统，在实现沼液中氨氮脱除的同时，可以将回收到的产品进行集中处理，既达到有效降低沼液中氨氮含量，也可实现沼液资源化的目的。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用中空纤维膜接触器实现在真空和酸吸收条件下有效脱除沼液中高浓度氨氮的目的，使得处理过后的沼液可以直接进行农田的灌溉，有利于沼液的处理施用，有利于农业的生产。

2、本发明可以实现在利用酸液吸收沼液中氨氮转化的自由氨后，可根据具体酸盐的化学特性，采用不同的化学处理方法，得到不同的产物，增加沼液的附加价值。

3、本发明是在真空条件下实现自由氨的转化，可大大降低气体吹扫沼液的量，进而避免沼液发泡的问题，同时可使反应速率大大增加，有效缩短反应时间。

4、本发明不涉及蒸汽潜热损失的问题，热量需求较小，反应温度降低，进而导致系统能耗低。

5、本发明中真空泵抽出的气体大部分是二氧化碳，可将此二氧化碳气体抽出用作大棚的气肥，增加大棚作物的产量，实现碳负排放。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中、1—固液分离器、1.1—沼液进口、1.2—粗滤沼液出口、1.3—沉淀物出口、2—流体泵、3—真空泵、3.1—抽气口、4—沼液循环箱、4.1—粗滤沼液入口、4.2—抽真空口、4.3—循环箱粗滤沼液出口、4.4—沼液排出口、5—沼液储液罐、6—沼液泵、7—沼液加热器、7.1—低温沼液入口、7.2—高温沼液出口、8—中空纤维膜接触器、8.1—沼液入口、8.2—原酸液入口、8.3—接触器沼液出口、8.4—接触器沼液出口、9—酸液加热器、9.1—低温酸液入口、9.2—高温酸液出口、10—酸液泵、11—酸液罐、11.1—原酸液进口、11.2—原酸液出口、11.3—反应酸液进口、12.1—第一阀门、12.2—第二阀门、13—氨氮浓度传感器、14—压力传感器、15.1—第一温度计、15.2—第二温度计、16—ph传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明的减压辅助的沼液氨氮膜回收系统，如图1所示，它包括固液分离器1、流体泵2、真空泵3、沼液循环箱4、沼液储液罐5、沼液泵6、沼液加热器7、中空纤维膜接触器8、酸液加热器9、酸液泵10和酸液罐11，其中，固液分离器1设有沼液进口1.1，流体泵2的输入端连接固液分离器1的粗滤沼液出口1.2，流体泵2的输出端连接沼液循环箱4的粗滤沼液入口4.1，真空泵3的抽气口3.1连接沼液循环箱4的抽真空口4.2，沼液循环箱4的循环箱粗滤沼液出口4.3通过沼液泵6连接沼液加热器7的低温沼液入口7.1，沼液加热器7的高温沼液出口7.2连接中空纤维膜接触器8的沼液入口8.1(沼液流经中空纤维膜接触器的壳程部分)，酸液罐11设有原酸液进口11.1，所述酸液罐11的原酸液出口11.2通过酸液泵10连接酸液加热器9的低温酸液入口9.1，加热器9的高温酸液出口9.2连接中空纤维膜接触器8的原酸液入口8.2(原酸液在中空纤维膜接触器中的膜内部流动)，中空纤维膜接触器8的接触器沼液出口8.3与沼液循环箱4的沼液排出口4.4均接入沼液储液罐5，中空纤维膜接触器8的反应酸液出口8.4连接酸液罐11的反应酸液进口11.3。

上述技术方案中，所述沼液加热器7的高温沼液出口7.2与中空纤维膜接触器8的沼液入口8.1之间的管路内设有第一温度计15.1，所述酸液加热器9的高温酸液出口9.2与中空纤维膜接触器8的原酸液入口8.2之间的管路内设有第二温度计15.2，沼液循环箱4上设有压力传感器14和氨氮浓度传感器13，压力传感器14的信号输出端连接真空泵3的控制端(真空泵3根据接收到的压力信号调整工作状态，保证沼液循环箱4的绝对压力保持在30～35kpa)，所述酸液罐11上设有ph传感器16。若酸液罐11中酸液的ph值高于6.0，则需要更换一批酸液，酸液ph值要始终低于6.0。

上述氨氮浓度传感器13、压力传感器14、第一温度计15.1、第二温度计15.2、ph传感器16均用于测量各处溶液的相关参数，确定本系统是否在正常的范围运行，有不足或超过相关参数，将对沼液储液罐4、真空泵3、沼液加热器7和酸液加热器9及酸液罐11等进行调节，保证系统的正常工作。

上述技术方案中，所述固液分离器1(固液分离器用于物料混合及沉淀的搅拌)底端内还设有用于排放沼渣的沉淀物出口1.3。

上述技术方案中，所述中空纤维膜接触器8内部为疏水性中空纤维膜，中空纤维膜接触器8设置为酸液在疏水性中空纤维膜内部流过，沼液在中空纤维膜接触器8的壳程部分流动，沼液中的氨氮转化为自由氨后可透过疏水性中空纤维膜的膜孔被疏水性中空纤维膜内部的酸液吸收。

上述技术方案中，所述接触器沼液出口8.3接入沼液循环箱4的沼液排出口4.4后经过第一阀门12.1接入沼液储液罐5。

上述技术方案中，所述酸液罐11的反应酸液进口11.3上设置有第二阀门12.2。可根据不同产物的化学特性进行处理集中回收的反应酸液。

上述技术方案中，加热管的热源采用太阳能或者废热能源，从而达到节能环保的作用。酸液泵、酸液罐均采用耐酸材料制成。所述流体泵2采用具有高忍受悬浮物热性的流体泵，从而有利于抽取沼液而不造成堵塞。

一种基于上述系统的沼液氨氮膜回收方法，它包括如下步骤：

步骤1：原沼液在固液分离器1中进行固液分离，从而获得粗滤沼液和沼渣；

步骤2：用流体泵2抽取固液分离器1中的粗滤沼液，并送入沼液循环箱4，固液分离器1中的沉淀物质由沉淀物出口1.3排出；

步骤3：开启真空泵3对沼液循环箱4进行抽真空处理(通过压力传感器14的读数来反映)，用沼液泵6将粗滤沼液抽入沼液加热器7，在沼液加热器7中加热到65～75℃后由沼液入口8.1进入中空纤维膜接触器8的壳程部分，用酸液泵10将酸液(磷酸或硫酸)由原酸液出口11.2抽入酸液加热器9中，酸液在酸液加热器9中加热到65～75℃后由原酸液入口8.2进入中空纤维膜接触器8的管程，中空纤维膜接触器8设置为酸液在疏水性中空纤维膜内部流过，沼液在中空纤维膜接触器8的壳程部分流动，沼液中的氨氮转化为自由氨后可透过疏水性中空纤维膜的膜孔被疏水性中空纤维膜内部的酸液吸收，关闭沼液储液罐5入口管道中的第一阀门12.1以及反应酸液进口11.3上的第二阀门12.2，使沼液循环箱4中的沼液和酸液罐11中的酸液进行循环处理；

步骤4：上述循环处理过程中通过氨氮浓度传感器13检测沼液循环箱4中沼液排出口4.4流出的氨氮浓度，当该氨氮浓度低于50～100mg/l时(这时候沼液中的氨氮浓度已经很低了，这时候的沼液可以直接当肥料灌溉农田，不会对植物有毒害作用)，打开第一阀门12.1，将沼液送入沼液储液罐5，可由沼液储液罐出口直接排放至农田进行灌溉；上述循环处理过程中通过ph传感器16检测酸液罐11中反应酸液进口11.3流入的反应酸液(酸氨和酸的混合液)ph值，判断反应酸液ph值是否高于6.0，若反应酸液ph值高于6.0，打开第二阀门12.2，反应酸液由酸液罐11的反应酸液进口11.3流出，此时的反应酸液是酸氨溶液，然后关闭第二阀门12.2加入新的原酸液，对集中起来的反应酸液可以根据不同酸液种类进行不同的处理操作。

上述技术方案中，对于不同种类的酸液，最终可得到不同的铵盐。比如，酸液可以是硫酸和磷酸等，以磷酸为例，在吸收沼液中的氨氮之后得到的是磷酸三氢铵，硫酸三氢铵在水溶液加热条件下可以失去两个分子氨形成硫酸二氢铵，硫酸二氢铵在温度高于180℃时分解失去氨气和水，在这一过程中可以采取真空或气体吹脱等条件将氨水回收，得到用途更广的产物氨水。

上述技术方案的步骤3中，开启真空泵3对沼液循环箱4进行抽真空处理使沼液循环箱4的绝对压力保持在30～35kpa。

本发明采用中空纤维膜接触器，实现在真空和酸吸收结合的条件下去除沼液中氨氮，同时得到酸液与氨的反应产物，实现沼液中氨氮含量的控制和反应产物的目的。本发明可实现沼液中脱除氨氮从而可直接向农田排放，实现肥料化利用，保证沼液中的氨氮含量在合理的利用区间，同时根据酸液种类的不同，采取不同的后续处理措施，回收氨水或铵盐等化工原料。此外，本发明完全依靠废弃物和低品位能源，达到低成本处理沼液和化工原料生产的目的。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。