本实用新型涉及有机物处理领域，且特别涉及一种同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置。
背景技术：
城市有机固体污染物主要包括居民家庭垃圾、餐厨垃圾、园林垃圾、人畜粪便、污泥、以及商业、服务业、文教卫生、机关和企事业等单位产生的有机生活垃圾等。全国城镇生活垃圾无害化处理率仅为63.5％。城市有机固体废弃物如不能得到快速有效的处理，会产生恶臭、污染地下水、传播疾病，对城市公共环境卫生安全造成极大威胁。
厌氧消化技术可以有机固体废弃物为原料，产生清洁、环保的可再生能源——沼气，得到了广泛的应用和关注。然而，在厌氧消化的水解酸化阶段，城市有机固体污染物中的大部分有机氮(蛋白质和尿素)在水解酸化菌的作用下转化为氨氮。产生的氨氮只有少部分作为微生物生长的氮源，同化进入微生物细胞，而大部分则在厌氧反应器内不断累积。当氨氮积累到一定浓度时，不仅影响氢型和乙酸型产甲烷菌的活性，甚至会抑制所有厌氧微生物菌群的生长，导致厌氧反应器运行停滞甚至崩溃。因此，氨氮已成为限制高含氮城市固体废物厌氧消化技术发展的瓶颈。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置，该装置简单，成本低，适用于含NH4+的有机废物处理。
本实用新型解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本实用新型提出了一种同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置，包括水解酸化反应设备、电水解氨氮分离设备、氨氮吸收设备以及产甲烷反应设备，水解酸化反应设备的出口端与电水解氨氮分离设备的入口端连通，电水解氨氮分离设备的出口端分别与产甲烷反应设备的入口端以及氨氮吸收设备的入口端连通。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，电水解氨氮分离设备包括电水解室、离子交换膜、第一电极、第二电极和电源，离子交换膜隔离将电水解室分隔为分别位于离子交换膜两侧的阳极室和阴极室并用于将阳极室中的NH4+交换至阴极室，阳极室的入口端用于与水解酸化反应设备的出口端连通，阳极室的出口端用于与产甲烷反应设备的入口端连通，阴极室的出口端用于与氨氮吸收设备连通，第一电极设置于阳极室，第二电极设置于阴极室，第一电极和第二电极均与电源电连接。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，阳极室中阳极为不锈钢材料电极和/或阴极室中阴极为不锈钢材料电极。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，离子交换膜为阳离子交换膜。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，氨氮吸收设备的内部设置有用于吸附含有NH4+的氨氮类物质的填料。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，氨氮吸收设备还包括与阴极室连通的出口端，填料设置于氨氮吸收设备的入口端与氨氮吸收设备的出口端之间，由氨氮吸收设备的入口端进入的阴极室输出的氨氮类物质经填料吸附后从氨氮吸收设备的出口端输回至阴极室。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，阳极室与产甲烷反应设备之间还设置有pH值调节设备。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，阳极室和阴极室分别设置有氧气收集口和氢气收集口。
进一步地，在本实用新型较佳实施例中，水解酸化反应设备中设置有搅拌器。
本实用新型还提出了一种同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置，包括上述同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置，电水解氨氮分离设备的用于与氨氮吸收设备的入口端连通的出口端与氨氮吸收设备之间设有第一泵。
本实用新型实施例中同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置的有益效果是：
本实用新型较佳实施例提供的同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置简单，成本低，适用于含NH4+的有机废物处理。
通过在电水解氨氮分离设备的用于与氨氮吸收设备的入口端连通的出口端与氨氮吸收设备之间设有第一泵，便于将电水解氨氮分离设备产生的含NH4+的氨氮类物质泵入氨氮吸收设备内，以及时高效的回收氨氮。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本实用新型实施例提供的同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置的第一种结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置的第二种结构示意图。
图标：10-同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置；11-水解酸化反应设备；111-搅拌器；113-污染物进料管；115-酸化液管；117-第一阀门；119-废渣排放通道；13-电水解氨氮分离设备；131-电水解室；1311-阳极室；1312-氧气收集口；1313-阴极室；1314-氢气收集口；133-离子交换膜；135-第一电极；137-第二电极；139-电源；15-氨氮吸收设备；151-第一泵；17-产甲烷反应设备；171-生物气收集管；173-废水排放管；175-pH值调节设备；176-第二泵。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
以下结合实施例进行具体说明。
请参照图1，本实用新型实施例提供的同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置10包括水解酸化反应设备11、电水解氨氮分离设备13、氨氮吸收设备15以及产甲烷反应设备17。
水解酸化反应设备11的出口端与电水解氨氮分离设备13的入口端连通，电水解氨氮分离设备13的出口端分别与产甲烷反应设备17的入口端以及氨氮吸收设备15的入口端连通。
其中，水解酸化反应设备11用于将待处理有机物在厌氧条件下进行水解酸化，从而将复杂的待处理有机物分解成小分子有机物，产生挥发性有机酸(C2-C6)，同时蛋白质等含氮类有机物水解释放含有NH4+的物质，将经水解酸化所得的液体定义为酸化液。
作为可选地，上述水解酸化反应设备11中设置有搅拌器111，例如可采用连续搅拌池反应器(如CSTR)。可参考地，上述连续搅拌池反应器可采用具有如下性能的反应器：总容积为10L，有效容积为6L，水力停留时间为4-7d，有机负荷为3-5gCOD/(L·d)，搅拌速度为60rpm，温度为35±1℃。值得说明的是，可根据实际需要对水解酸化反应设备11的类型和参数进行适当更换。
水解酸化反应设备11的入口端可设置污染物进料管113，水解酸化反应设备11的出口端设有用于将水解酸化后所得的酸化液输入至电水解氨氮分离设备13的酸化液管115。酸化液管115设有第一阀门117，以控制水解酸化反应设备11中的酸化液输入电水解氨氮分离设备13的量。优选地，上述水解酸化反应设备11的入口端和出口端均设置于水解酸化反应设备11的上部。
进一步地，水解酸化反应设备11的下部还设置有用于排放废渣的废渣排放通道119。
电水解氨氮分离设备13包括电水解室131、离子交换膜133、第一电极135、第二电极137和电源139。离子交换膜133隔离将电水解室131分隔为分别位于离子交换膜133两侧的阳极室1311和阴极室1313并用于将阳极室1311中的NH4+交换至阴极室1313，阳极室1311的入口端用于与水解酸化反应设备11的出口端连通，阳极室1311的出口端用于与产甲烷反应设备17的入口端连通，阴极室1313的出口端用于与氨氮吸收设备15连通，第一电极135设置于阳极室1311，第二电极137设置于阴极室1313，第一电极135和第二电极137均与电源139电连接。
由酸化液管115输入电水解氨氮分离设备13的阳极室1311的酸化液在电水解的作用下经离子交换膜133将NH4+交换至阴极室1313，从而完成与酸化液中有机物的分离。
较佳地，本实用新型实施例中阳极室1311所含的阳极为不锈钢材料电极和/或阴极室1313所含的阴极为不锈钢材料电极，如316不锈钢电极。
上述离子交换膜133为阳离子交换膜133，如CR67HMR阳离子交换膜133。作为可选地，上述CR67HMR阳离子交换膜133的膜面积可以为0.02m2。
可参考地，上述电水解氨氮分离设备13的有效容积可以为6L，电荷强度为15-20V，内循环比为25％。值得说明的是，可根据实际需要对电水解氨氮分离设备13的类型和参数进行适当更换。
较佳地，本实用新型实施例中阳极室1311还设置有氧气收集口1312，阴极室1313设置有氢气收集口1314，以分别收集电水解氨氮分离设备13产生的氧气和氢气。
氨氮吸收设备15的内部设置有用于吸附含有NH4+的氨氮类物质的填料(图未示)，由阴极室1313出口端输出的含高浓度NH4+的氨氮类物质在氨氮吸收设备15中由填料进行吸附。阴极室1313出口端与氨氮吸收设备15之间还可设置第一泵151，以便于将阴极室1313中含NH4+的氨氮类物质泵入氨氮吸收设备15内。
进一步地，氨氮吸收设备15还可包括与阴极室1313连通的出口端，此时，填料设置于氨氮吸收设备15的入口端与氨氮吸收设备15的出口端之间，可参考地，与阴极室1313连通的入口端设置于氨氮吸收设备15的下部，与阴极室1313连通的出口端设置于氨氮吸收设备15的上部，从而形成一个流通回路，也即由氨氮吸收设备15的入口端进入的阴极室1313输出的氨氮类物质向上流动，经填料吸附后完成氨氮类物质的回收，去除氨氮的液体再由氨氮吸收设备15顶部(上部)的出口端输回至电水解氨氮分离设备13的阴极室1313。
本实用新型实施例中的产甲烷反应设备17例如可选择为上流式厌氧污泥床(UASB)，可参考的，该上流式厌氧污泥床的溶剂可以为4L，有效容积为2L，水力停留时间为8h，温度为35±1℃。值得说明的是，可根据实际需要对产甲烷反应设备17的类型和参数进行适当更换。
具体地，由阳极室1311输出的酸化液由产甲烷反应设备17的底部，上向流过厌氧反应器后，小分子的有机物和挥发性有机酸在厌氧微生物的作用下转化成生物气体，再经三相分离器分离后回收利用。产甲烷反应设备17的顶部可分别设置用于收集生物气的生物气收集管171以及用于排出废水的废水排放管173。
进一步地，请参照图2，阳极室1311与产甲烷反应设备17之间还设置有pH值调节设备175，pH值调节设备175和阳极室1311之间可设置第二泵176，电水解氨氮分离设备13的阳极室1311中的酸化液，从阳极室1311底部泵入pH调节设备，将酸化液的pH调整至7左右。pH调节设备通过pH自动控制仪，自动添加碱液来控制进入产甲烷反应设备17的pH值。
上述同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置10的工艺流程包括：将待处理有机物由水解酸化反应设备11水解酸化，得第一酸化液；第一酸化液输入电水解氨氮分离设备13进行电水解，得第二酸化液与NH4+，第二酸化液输入至产甲烷反应设备17以产甲烷，NH4+输入至氨氮吸收设备15以回收氨氮。
上述工艺能够将厌氧水解酸化阶段产生的酸化液在进入厌氧产甲烷阶段前，通过电水解膜分离反应设备回收氨氮，以消除氨氮积累对后续厌氧产甲烷过程的影响，进而提高甲烷产量，有助于生物能源的回收。并且，水解酸化反应设备11产生的酸化液中的部分大分子有机物在电水解膜分离反应设备的阳极室1311可进一步水解为挥发酸等小分子有机物，提高产甲烷反应器的产气效率。电水解膜分离反应器选用阳离子交换膜133，可使NH4+阳离子进入阴极室1313，分离氨氮并最终回收氨氮。
试验例
以猪粪为例进行实验研究。猪粪取自南京某养猪场，粪便中干固体浓度为40g/L，悬浮固体浓度为32.9g/L。厌氧污泥取自某啤酒厂的上向流厌氧反应器。其性质如表1所示：
表1猪粪和接种污泥的性质
按本实用新型实施例提供的同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷工艺进行试验。其中，厌氧水解酸化反应器采用连续搅拌池反应器(CSTR)，其总容积为10L，有效容积为6L，水力停留时间为4-7d，有机负荷为3-5gCOD/(L·d)。搅拌速度为60rpm，温度为35±1℃。厌氧产甲烷反应器采用上向流厌氧污泥床(UASB)，其总容积为4L，有效容积为2L，水力停留时间为8h，温度为35±1℃。电水解膜分离反应装置的有效容积为6L，阴极和阳极是316不锈钢电极，中间配备CR67HMR阳离子膜，膜面积为0.02m2，电荷强度15-20V。内循环比为25％。
试验结果如下：在电荷强度17.5V时，厌氧甲烷达到425m3/kg，比常规两相厌氧消化工艺提高了31％；同时阴极室溶液pH为8.2-8.5，富集的氨氮浓度达到20g/L，是猪粪中氨氮浓度6.5倍。
由此可以看出，按本实用新型实施例提供的同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置能够有效消除氨氮对厌氧产甲烷微生物的抑制作用，提高生物气产量。
综上所述，本实用新型提供的同步回收氨氮的厌氧产酸产甲烷装置简单，成本低，适用于含NH4+的有机废物处理。通过回收氨氮类物质，能够避免该类物质积累后影响厌氧产甲烷过程，以利于提高甲烷产量，有助于生物能源的回收。
以上实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。