一种利用离子置换电渗析从有机固体厌氧消化液中回收氨氮的方法

本发明涉及一种利用离子置换电渗析从有机固体厌氧消化液中回收氨氮的方法，属于废水处理和资源回收技术领域。

背景技术：

人类的生产生活中会产生大量的有机固体废弃物，例如养殖废弃物、餐厨垃圾、剩余污泥等。厌氧消化是处置有机固体废弃物常用的技术，其不仅可以稳定化有机固体废弃物，还能从有机固体废弃物中回收可再生能源，因而被视为有前景的可持续方法。在厌氧消化过程中，微生物将有机固体废弃物降解产生甲烷气体，同时，蛋白质、尿素等含氮物质被微生物降解为氨氮释放至消化液中。甲烷作为绿色能源被回收利用，而厌氧消化液因其含有高浓度的氨氮和其它污染物而被视为废弃物需要进一步妥善处置。

消化液中的氨氮是重要的农业肥料之一，农业对其需求日益增长。根据联合国粮食及农业组织的报告，2020年全球对氮肥的需求量估计为10874万吨，预计到2022年将达到11159万吨。应将有机固体消化液中的氨氮视为资源而不是污染物。因此，从有机固体消化液中回收氨氮有利于环境的绿色发展。

目前为止，不同的氨氮回收分离技术已经在实验室规模进行了初步验证，例如氨汽提、鸟粪石结晶和膜分离技术，但是很多因素限制了这些技术的工程化应用。例如，氨汽提需要大量的碱来调节溶液ph，而且该技术受到氨浓度的影响很大，很难应用于低浓度氨氮污水中。鸟粪石结晶需要额外添加大量镁和磷才能达到适当的氮/磷/镁比，因而该方法对于氨氮回收并不是经济高效的。膜分离技术因其高分离效率受到了较多的关注，但是膜分离技术受到了膜污染的严重挑战。例如，超滤和反渗透等压力驱动膜技术已广泛用于工业水处理中，但由于严重的膜堵塞很难用于有机固体消化液的处理。膜蒸馏技术需要调节溶液ph，并需要大量的硫酸溶液进行氨氮捕获，膜变质也是一个尚未解决的挑战。与这些膜技术相比，电渗析技术在从有机固体消化液中回收氨氮似乎更为可行。

电渗析技术可以将氨氮从有机固体消化液中分离出并形成浓缩的产品溶液，其优点是可以直接处理有机固体消化液，从而节省了预处理的成本。另外，电渗析技术可以产生具有市场价值的氨氮浓缩液。虽然电渗析技术具有明显的优势，但是离子交换膜的污染问题依旧限制其在污水处理中的应用，有机固体消化液中的腐殖酸等有机物会污染阴离子交换膜，从而缩短膜的使用寿命。因此，发展抗膜污染的新型电渗析技术将成为电渗析技术大规模应用的关键。

技术实现要素：

本发明针对现有电渗析技术中阴离子交换膜的污染问题，旨在提供一种利用离子置换电渗析从有机固体厌氧消化液中回收氨氮的方法。本发明方法适用于滨海地区，利用海水中的钠离子将有机固体消化液中的氨氮置换出以实现氨氮的资源化回收。

本发明采用的离子置换电渗析装置如图1所示，为三室结构，包括电极板1、阴离子交换膜2和阳离子交换膜3。

所述离子置换电渗析装置由左至右依次为阴极、电极室、重复单元、电极室、阳极；所述重复单元是由依次设置的阴离子交换膜、产品室、阳离子交换膜、进水室、阳离子交换膜、海水室构成。离子交换膜由聚丙烯塑料垫片隔开。产品室、进水室、海水室和电极室采用硅胶管分别连接至产品浓缩罐、有机固体消化液罐、海水罐和电极罐。

本发明利用离子置换电渗析从有机固体厌氧消化液中回收氨氮的方法，包括如下步骤：

步骤1：对有机固体厌氧消化液进行预处理，去除颗粒物以避免堵塞电渗析膜堆及其管路。

步骤2：将步骤1预处理后的有机固体厌氧消化液、自来水、海水和硫酸钠溶液通过循环泵分别输送至离子置换电渗析装置的进水室、产品室、海水室和电极室中。

步骤3：待腔室内充满循环溶液后开启直流电源，进行氨氮回收。进水室位于两张阳离子交换膜的中间，通过一侧海水室中的钠离子将进水室中的氨根离子置换至另一侧的产品室中以实现回收。

步骤4：待有机固体厌氧消化液中的氨氮回收完成后，更换有机固体厌氧消化液，重复上述步骤批次运行。

步骤1中，预处理方法包括但不局限于絮凝、离心等。比如，向有机固体厌氧消化液中加入絮凝剂絮凝，以100r/min转速搅拌10min后，低速离心5min去除有机固体厌氧消化液中的颗粒物，获得预处理后的有机固体厌氧消化液。

步骤2中，硫酸钠溶液的浓度为0.1mol/l，循环流量不小于10l/(min·m²)。

步骤2中，进水室中有机固体消化液的体积与产品室中所加自来水的初始体积比为1～10：1。

步骤3中，直流电源运行模式无特殊需求，可采用恒流或恒压模式。反应的电流密度大小需根据离子交换膜的特性、尺寸和膜片数量确定，使其运行在极限电流密度以下。

步骤4中，回收完成是指氨氮的回收率≥70％。

本发明方法是通过改变传统电渗析膜堆的结构，使有机固体厌氧消化液置于由两张阳离子交换膜组成的腔室中，利用阳离子交换膜的电负性与有机污染物的电负性相排斥原理，防止有机污染物导致阴离子交换膜的污染。为了使该装置电流畅通，本发明采用了海水室用于串联重复膜堆，通过海水中的钠离子向进水室中迁移，以实现将进水室中的铵离子置换至产品室中。具体运行原理如下：

如图2所示，离子置换电渗析装置运行时，进水室中的铵根离子在电场力的作用下穿过阳离子交换膜向阴极移动，铵根离子被阴离子交换膜截留至产品室中。相反，电负性的污染物和阴离子会在电场力作用下向阳极移动，被阳离子交换膜截留从而避免造成阴离子交换膜的污染。海水室中的钠离子和氯离子在电场力的作用下分别向阴极和阳极移动。海水室的钠离子向进水室迁移的过程中，置换出进水室中的铵根离子以实现氨氮的回收。

本发明利用滨海海水作为置换液，电驱动其中的钠离子置换出有机固体厌氧消化液中的氨氮，以避免传统电渗析过程中的阴离子交换膜污染，实现长期高效的氨氮资源回收。这种离子置换电渗析技术克服了电渗析技术在有机固体厌氧消化液的氨氮回收过程中的阴离子交换膜污染问题。

附图说明

图1为离子置换电渗析膜堆结构示意图，其中：1电极板，2阴离子交换膜，3阳离子交换膜，4产品室，5进水室，6海水室，7电极室，8产品浓缩罐，9有机固体消化液罐，10海水罐，11电极罐，12重复单元；

图2为离子置换电渗析原理图，其中各标号示意与图1相同；

图3为离子置换电渗析产品室和进水室氨氮浓度变化图；

图4为离子置换电渗析与传统电渗析膜污染对比图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合具体实施案例对本发明方案进行描述，该案例以从污水处理厂剩余污泥厌氧消化液中回收氨氮为例，但是这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例采用的电渗析膜堆如图1所示，所用阴、阳离子交换膜为捷克membrain公司生产的异相离子交换膜，膜堆中每张膜的有效面积为20cm*9cm，膜室重复单元为5个。所用的有机固体消化液采集于当地的污水处理厂的剩余污泥消化液，其包含约1000mg/l氨氮，海水采集于污水处理厂附近的海域中。

将剩余污泥消化液以100r/min转速搅拌10min后，低速离心5min去除有机固体厌氧消化液中的颗粒物以获得预处理后的有机固体厌氧消化液。

将10l预处理后的剩余污泥消化液、1l自来水和4l海水分别加入至进水室、产品室和海水室中，电极室中加入1l硫酸钠溶液，浓度为0.1mol/l。膜堆的进水室、产品室、海水室和电极室的进出口分别用硅胶管链接至各自的溶液罐，进水室、产品室、海水室和电极室中所需添加的溶液分别通过蠕动泵由各自的溶液罐中泵入膜堆，并由膜堆出口流出后返回至各自的溶液罐形成循环回路。电极板阳极和阴极分别经导线接至稳压直流电源的正负极，稳压直流电源为恒流模式并输出1.5a电流。运行300分钟，每15分钟取样测定氨氮浓度。同时在同样实验条件下运行配备有5个重复单元的传统电渗析膜堆(非离子置换电渗析)做为对照组，以比较本发明的膜污染减轻情况。

氨氮回收结果如图3所示，该离子置换电渗析装置可以从剩余污泥消化液中回收氨氮，并浓缩至产品溶液中。在运行300分钟后，剩余污泥消化液中大约80％的氨氮被回收至产品溶液，产品溶液的氨氮浓度高达5700mg/l。这证明本发明的离子置换电渗析技术在氨氮回收中是有效可行的。

如图4所示，本发明离子置换电渗析装置中的阴、阳离子交换膜的外观没有明显变化，而传统电渗析膜堆中的阴离子交换膜已经被污染并变成深棕色。相应地，传统电渗析的离子交换容量降低了1.8％，而在离子置换电渗析中未发现明显的离子交换容量的损失。这些结果表明，本发明中的离子置换电渗析技术可以克服电渗析技术在有机固体消化液的氨氮回收应用中的阴离子交换膜污染问题，并实现有机固体消化液中氨氮的资源化回收。