一种脱除厌氧消化发酵液中氨氮的装置及方法与流程

本发明涉及一种缓解高氮原料厌氧发酵过程中氨抑制的装置和方法，具体地，涉及一种脱除厌氧消化发酵液中氨氮的装置及方法。

背景技术：

我国畜禽粪便等高氮原料产量逐年增加，对环境构成严重威胁。厌氧消化工艺为此类废弃物提供了无害化处理的方法，同时还可产生清洁能源，因而成为高氮原料处理的首选方法，得到了广泛的应用。但研究发现，高氮原料中的蛋白质、氨基酸、尿素和胺类等含氮有机物在降解过程中生成氨氮，造成氨积累，由此对产甲烷菌产生严重的抑制作用，造成产气量下降。氨的毒性抑制被认为是导致高氮原料厌氧发酵失败的最主要因素，其中自由氨(FAN)起主要抑制作用。氨抑制已成为导致厌氧消化工程稳定性差、效率低的主要原因之一，并在一定程度上制约了厌氧消化工艺在高含氮废弃物处理中的应用。

另一方面，国内外对氨氮废水的处理方法主要分为两类：物理化学法和生物法。物理化学法是指通过对发酵液pH、温度、碳氮比等的调节降低氨浓度，特别是FAN；生物法是指驯化产甲烷菌种群，提高微生物对高浓度氨氮的耐受性。物理化学法效率高、速度快，是目前国内采用较广泛的方法。其中氨吹脱法具有代表性。氨吹脱法是指在碱性条件下，将大量气体通入发酵液中(常用空气为载体)，气体与发酵液充分接触，使废水中的氨氮转换成游离氨穿过气液界面，向气相转移被吹出，从而达到脱除氨氮的目的。

目前国外已有研究将氨吹脱技术应用于缓解高氮原料厌氧发酵过程中出现的氨抑制现象，并取得较好效果，但国内相关研究鲜见报道。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种脱除厌氧消化发酵液中氨氮的装置及方法，不仅使发酵液中的氨氮浓度大大降低，还为缓解氨抑制问题提供了有效方法，为今后高氮原料厌氧发酵的研究和实际应用提供思路。

根据本发明的一个方面，提供一种脱除厌氧消化发酵液中氨氮的装置，包括脱氮反应罐、氨捕集阱和气体循环系统，其中：脱氮反应罐内放置发酵液，气体循环系统由气泵、气体流量计、气袋以及连接整个通路的气管组成，氨捕集阱由密封容器及放置于密封容器的氨吸收溶液组成；

气袋充满N₂，气袋的一端与脱氮反应罐的上部通过气管连接，另一端与气泵的抽气口通过气管连接，气泵的出气口通过气管连接到密封容器，密封容器通过气管连接气体流量计的进气端，气体流量计的出气端连接脱氮反应罐的下部，从而形成一个气体通路；

气泵开启，气泵的抽气口从气袋抽取气体，气体从气泵的出气口抽进密封容器中，密封容器内的氨吸收溶液对气体处理后进入脱氮反应罐，气体通入放置于脱氮反应罐的发酵液并在发酵液上方汇集后回到气袋，循环气体经过发酵液时带出的氨在通过密封容器内的氨吸收溶液时被吸收出去，从而达到脱氮的目的。

优选地，所述脱氮反应罐由不锈钢罐体和电热夹套组成，其中：

罐体有内外两层，电热夹套设置于罐体的内外两层的夹层内，电热夹套通过温度控制仪设定并控制罐体内部的温度；

所述罐体的上部和底部分别连接固定上盖和下盖，从而形成一密闭空间，并在罐体上端与上盖之间以及罐体下端与下盖之间设有隔垫，以保证气密性；上盖上设有进料口和出气口，下盖上设有出料口和进气口，待脱氮的发酵液从进料口放置进罐体内，气体从进气口进入罐体以均匀分散发酵液，并在发酵液上方汇集后通过出气口排出除罐体并经气管进入气袋，脱氮后的发酵液从出料口排出。

更优选地，在所述下盖的进气口处还设置有气体分散器，从进气口进入的气体通过气体分散器均匀的通入罐体内的发酵液。

更优选地，所述罐体的外侧还设有保温材料。

更优选地，所述罐体的内径与高的比值为7:80。

优选地，所述密封容器共两个，氨吸收溶液分别为水和稀硫酸溶液，两个密封容器用于分别盛放水和稀硫酸溶液，盛放水的密封容器与盛放稀硫酸溶液的密封容器之间通过气管连接，气体先通过盛放水的密封容器，再通过盛放稀硫酸溶液的密封容器。

两个所述密封容器的橡胶塞上分别开有两个孔，用于分别穿过两根气管，其中：

盛放水的密封容器的两根气管中：一根连接气泵的排气口、另一根连接盛放稀硫酸溶液密封容器的橡胶塞，且连接气泵的气管为长气管并伸入水液面以下，另一根连接盛放稀硫酸溶液密封容器的气管为短气管并在水液面上；

盛放稀硫酸溶液密封容器的两个气管中：一根连接盛放水的密封容器的橡胶塞、另一根连接脱氮反应罐的进气口，且连接盛放水的密封容器的气管为长气管并伸入稀硫酸溶液液面以下，另一根连接脱氮反应罐的气管为短气管并在稀硫酸溶液液面上。

更优选地，所述稀硫酸溶液的浓度为0.125mol/L。

优选地，所述气体循环系统中：

气袋为双阀气袋，气袋的两个阀分别经气管连接气泵的抽气口和脱氮反应罐的出气口；气泵的排气口通过气管连接盛放水的密封容器的橡胶塞上；气体流量计的进气端连接到盛放稀硫酸溶液的密封容器的短气管，气体流量计的出气端连接到脱氮反应罐的进气口。

所述脱氮反应罐的罐体放置于支架上；支架分为上下两段，上段用于放置罐体，下段用于放置温度控制仪，其中温度控制仪除表盘暴露在外，其余部分均密封以防水；

所述气泵固定到支架上端的横杆上。

根据本发明的另一个方面，提供一种脱除厌氧消化发酵液中氨氮的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)完成氨捕集阱中的稀硫酸溶液的配置，将配好的稀硫酸溶液和去离子水置于相应的密封容器中并密封；

(2)将通路中的气袋充满N₂；

(3)完成装置的脱氮反应罐、氨捕集阱和气体循环系统各部件之间的连接，并对装置进行气密性检查；

(3)将发酵液过滤后经脱氮反应器顶端的进样口装入反应器内，体积不超过罐内总体积的50％，然后将进样口的橡胶塞塞紧；

(4)打开总电源开关，在温度控制仪上设置温度，再将气泵电源打开，开始脱氮预设时间，结束后关闭电源，并将发酵液从出样口放出，清洗脱氮反应罐。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的装置易于搭建，设计科学，可控性强，通过对外界环境因素和内部环境进行严格控制，保证试验的可重复性。综上所述，与现有的技术相比，本发明具有测试结果准确可靠，易操作，重复性好等优点，同时装置搭建简易，成本低，结构简单，使用寿命长，占地面积小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的35℃时各pH条件下发酵液中氨氮浓度变化图；

图3为本发明一优选实施例的55℃时各pH条件下发酵液中氨氮浓度变化图；

图4为本发明一优选实施例的70℃时各pH条件下发酵液中氨氮浓度变化图；

图中：

进料口1，出气口2，电热夹套3，气体分散器4，出料口5，进气口6，气体流量计7，稀硫酸溶液捕集阱8，水捕集阱9，气泵10，气袋11。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种脱除厌氧消化发酵液中氨氮的装置，包括：脱氮反应罐、氨捕集阱和气体循环系统，其中：所述脱氮反应罐包括不锈钢罐体和电热夹套3，所述氨捕集阱包括稀硫酸溶液捕集阱8、水捕集阱9，所述气体循环系统包括气体流量计7、气泵10、气袋11以及连接整个通路的气管。

如图1所示，所述脱氮反应罐中：

所述不锈钢罐体有内外两层，所述电热夹套3设置于所述不锈钢罐体的内外两层的夹层内，所述电热夹套3通过温度控制仪设定并控制不锈钢罐体内部的温度。

进一步的，所述罐体的外侧还设有保温材料。

进一步的，所述罐体的内径与高的比值为7:80。

进一步的，所述不锈钢罐体的上部和底部分别通过四个螺丝连接固定有上盖和下盖，并在罐体上端与上盖之间以及罐体下端与下盖之间设有隔垫，分别通过四个螺丝拧紧以保证气密性；其中：

上盖上设置进料口1、出气口2，下盖上设置有出料口5、进气口6，待脱氮的发酵液从进料口1放置进不锈钢罐体内，气体从进气口6进入不锈钢罐体以均匀分散发酵液，并在发酵液上方汇集后通过出气口2排出除不锈钢罐体并经气管进入气袋11，脱氮后的发酵液从出料口5排出。

更进一步的，在所述进气口6的位置设置气体分散器4，从进气口6进入的气体通过气体分散器4均匀的通入不锈钢罐体内的发酵液。

如图1所示，所述稀硫酸溶液捕集阱8、水捕集阱9的橡胶塞上分别开有两个孔，用于分别穿过两根气管，其中：

所述水捕集阱9的两根气管中：一根连接气泵10的排气口、另一根连接稀硫酸溶液捕集阱8的橡胶塞，且连接气泵10的气管为长气管并伸入水液面以下，另一根连接稀硫酸溶液捕集阱8的气管为短气管并在水液面上；

所述稀硫酸溶液捕集阱8的两个气管中：一根连接水捕集阱9的橡胶塞、另一根连接脱氮反应罐的进气口6，且连接水捕集阱9的气管为长气管并伸入稀硫酸溶液液面以下，另一根连接脱氮反应罐进气口6的气管为短气管并在稀硫酸溶液液面上。

进一步的，所述稀硫酸溶液的浓度为0.125mol/L。

如图1所示，所示气体循环系统中：

气袋11为双阀气袋，气袋11的两个阀即第一阀门和第二阀门分别经气管连接气泵10的抽气口和脱氮反应罐的出气口2；气泵10的排气口通过气管连接水捕集阱9的橡胶塞上；气体流量计7的进气端连接到稀硫酸溶液捕集阱8的短气管，气体流量计7的出气端连接到脱氮反应罐的进气口6。

使用前，关闭出料口的5开关，经进料口1装进待脱氮的发酵液后，塞紧进料口1的橡胶塞；脱氮反应罐上盖上的出气口2通过气管与气袋11的二号阀门相连，气袋11的一号阀门通过气管与气泵10的抽气口相连，气泵10的排气口与水捕集阱9的深入水面下的长导管相连，水捕集阱9的液面上部的短导管另一端穿过稀硫酸溶液捕集阱8的橡胶塞伸到液面下，稀硫酸溶液捕集阱8的液面上方的另一个短导管穿过橡胶塞连接到气体流量计7的进气端口，气体流量计7的出气端口连接到脱氮反应罐下盖上的进气口6。

连接整个装置并检查气密性后，打开总电源，在电热夹套3配置的温度控制仪上设定温度，之后打开气泵10，装置开始运行。

本发明上述装置采用处理氨氮废水的氨吹脱技术解决厌氧发酵中的氨抑制问题，能脱除发酵液中的氨氮，从而从根本上消除厌氧发酵的抑制剂，使产气顺利进行。

实施例2

一种脱除厌氧消化发酵液中氨氮的方法，包括装置的连接和系统气密性检查；一定温度条件下装置内气体的循环；循环气体中氨氮的吸收；氨捕集阱中硫酸溶液的配置；发酵液脱氮前后氮损失的计算；脱氮效率的计算。

具体操作步骤包括：

(1)完成氨捕集阱中的稀硫酸溶液的配置，将配好的稀硫酸溶液和去离子水置于相应的密封容器中并密封；

(2)将通路中的气袋充满N₂；

(3)完成装置的脱氮反应罐、氨捕集阱和气体循环系统各部件之间的连接，并对装置进行气密性检查；

(3)将发酵液过滤后经脱氮反应器顶端的进样口装入反应器内，体积不超过罐内总体积的50％，然后将进样口的橡胶塞塞紧；

(4)打开总电源开关，在温度控制仪上设置温度，再将气泵电源打开，开始脱氮预设时间，结束后关闭电源，并将发酵液从出样口放出，清洗脱氮反应罐。

使用1个月内的新鲜鸡粪作为发酵原料，以上海崇明岛前卫村的正常产气的沼气池的沼液作为接种物，进行OLR为2.4gVS/L/d、HRT为80天的连续搅拌半连续进料的厌氧发酵试验。试验进行30天后，发酵液的氨氮浓度达3000mg/L后开始脱氮处理。对比35℃、55℃、70℃三个温度条件及不调pH、pH＝9、10、11条件下发酵液脱氮的效果，结果显示：

如图2所示，35℃时，发酵液脱氮前氨氮浓度为5813.4mg/L；pH为11条件下脱氮后氨氮浓度为1100mg/L，去除率最高，根据氨氮去除公式(1)计算出去除率高达81.1％；而不调节pH条件下，氨氮浓度为3251.1mg/L，去除率为44.1％；

TAN去除率％＝(TAN_start-TAN_end)/TAN_start (1)

如图3所示，55℃时，发酵液脱氮前氨氮浓度为4287.3mg/L,；pH为10条件下脱氮后氨氮浓度达674.2mg/L，去除率最高为84.3％；而不调节pH条件下，脱氮后氨氮浓度为983.4mg/L，去除率为77.1％；

如图4所示，70℃时，发酵液脱氮前氨氮浓度为3047mg/L，pH为11条件下脱氮后氨氮浓度达75mg/L，去除率最高为97.5％；而不调节pH条件下，脱氮后氨氮浓度为2201mg/L，去除率为27.2％。

综上可以看出，各个温度及pH条件下脱氮效果均非常明显。

本发明将传统的处理废水的脱氮装置改造成适用于发酵液脱氮的装置，并初步进行了脱氮条件相关的一系列研究，取得明显的效果。不仅使发酵液中的氨氮浓度大大降低，还为缓解氨抑制问题提供了有效方法，为今后高氮原料厌氧发酵的研究和实际应用提供思路。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。