一种适用于污泥厌氧消化沼气中氨气吸附回收并制备鸟粪石的装置及方法

1.本发明涉及污泥处理技术领域，一种适用于污泥厌氧消化沼气中氨气吸附回收并制备鸟粪石的装置及方法。


背景技术：

2.截至到2020年底，我国每年产生市政污泥达到5000万吨。污泥中含有大量的有毒有害物质，如重金属、病原微生物、有机污染物等。若污泥未经处理直接进入到环境中，必然会给生态环境和人体健康造成危害。近年来，以污泥厌氧消化处理和土地利用处置的组合方式在我国逐渐推广运用。厌氧消化是一种有效的污泥深度处理方式，通过微生物发酵将污泥中的病原菌和病毒灭活，并钝化所含重金属，实现污泥无害化和稳定化；同时，在该过程能够有效减少污泥体积，并提升后续污泥脱水效能，实现污泥减量化。在污泥的厌氧消化过程中会产生大量沼气，可用于发电；此外，经厌氧消化后的污泥在深度脱水（含水率<60%）后可作为土壤调理剂或肥料，实现污泥资源化。
3.然而，我国不同地区的泥质差异大，且多数地区的市政污泥有机组分含量低、难降解有机组分比例较高，常常造成厌氧消化工艺运行不理想。在污泥厌氧消化前，经过热水解预处理可以解决以上难题。污泥在热水解过程中受到高温（150~170℃）高压（6~8bar）作用，使污泥中大颗粒和难降解物质分解成小分子和易降解成分，能有效提升沼气产气量，并改善污泥的脱水性能。涉及到该工艺的污泥处理点位通常包括：进泥泵房、预脱水车间、污泥料仓、热水解单元、热交换间、厌氧消化单元和板框脱水车间。
4.污泥厌氧消化过程中产生的沼气含有高浓度的nh3，在沼气燃烧过程中会转化成氮氧化物进入到环境空气中，促进大气中pm
2.5
和o3的生成，加剧环境空气污染。但与此同时，nh3也是无机氮肥等资源的重要原料。因工业制备nh3，每年消耗了世界1
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3%的能源，造成了1%的co2排放。若能将沼气中的nh3吸附回收制备成氮肥产品（如鸟粪石缓释肥），不仅有利于环境保护、减少因制备nh3产生的能源消耗和温室气体排放，也可以实现废nh3资源化利用。
5.授权号cn 2500877 y，公开日2002年7月17日的中国专利公开了一种去除并回收利用沼液中氮和磷的方法及装置。本方法采取鸟粪石结晶
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氨吹脱
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sbbr处理
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baf处理的组合工艺，对沼液进行处理与资源化利用，将沼液中的磷、氮转化为可作为肥料使用的鸟粪石和硫酸铵，在确保沼液经处理后达畜禽养殖业污染物排放标准的同时，实现了氮、磷的回收，有效降低传统沼液处理的运行费用，还具有处理效果稳定等特点。本发明的装置则基于上述方法而设计，对装置各部分进行了优化改进，可以连续稳定地运行，便于推广和使用。
6.但该专利对沼液进行处理回收氮和磷，无法对含有高浓度nh3的沼气进行有效处理、实现废nh3资源化利用。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于污泥厌氧消化沼气中氨气吸附回收并制备鸟粪石的装置及方法。通过循环切换吸附分离器a和吸附分离器b对沼气产品中的高浓度nh3进行连续吸附，加入磷酸储存液对吸附分离器中的吸附剂进行洗脱，洗脱液和加热干燥吸附剂后的水蒸气分别通过管道进入鸟粪石制备单元，得到高纯度的鸟粪石缓释肥产品，另外鸟粪石制备单元中的废液流回磷酸储存池中后，经过浓度调节后继续作为磷酸储存液使用。
8.本发明的具体技术方案为：一种适用于污泥厌氧消化沼气中氨气吸附回收并制备鸟粪石的装置，包括nh3吸附回收单元和制备鸟粪石单元，所述nh3吸附回收单元包括通过管道依次连接的厌氧消化池、吸附分离器、沼气储存罐，所述吸附分离器包括并列设置的吸附分离器a和吸附分离器b；所述制备鸟粪石单元包括通过管道依次连接的鸟粪石制备单元和磷酸储存池，所述吸附分离器a和所述吸附分离器b并联设置，且分别通过管道与所述鸟粪石制备单元和磷酸储存池连接。
9.作为优选，所述的吸附分离器a主体为圆柱形结构，顶部为圆锥形结构，底部为倒圆锥形结构，所述吸附分离器a内部主体与顶部连接处设有集水板a，内部主体与底部连接处设有滤板a，所述滤板a下方设有布水布气板a，所述的吸附分离器a外壁设有水汽排放管线a，所述水汽排放管线a一端与所述集水板a连接，另一端与所述鸟粪石制备单元连接。
10.吸附分离器a圆锥形的顶部结构有助于加快干燥吸附剂产生的水蒸气的冷凝、滴落，集水板a收集干燥吸附剂产生的水分，水分通过水汽排放管线a从集水板a流入鸟粪石制备单元，滤板a用来放置nh3吸附剂并防止吸附剂掉落到吸附分离器a的底部，布水布气板a上设有很多小孔，磷酸储存液自下而上进入吸附分离器a内，对吸附剂进行反冲洗，经过布水布气板后形成喷雾，增大了与吸附剂的接触面积，可以更充分的和吸附的nh3反应。
11.作为优选，所述的吸附分离器a与所述厌氧消化池之间设有进气阀a，所述吸附分离器a与所述沼气储存罐之间设有出气阀a，所述吸附分离器a与所述鸟粪石制备单元之间设有出液阀a，所述吸附分离器a与所述磷酸储存池之间设有反冲洗阀a。
12.通过反冲洗阀a，磷酸储存液自下而上进入吸附分离器a内，与吸附的nh3反应，通过反冲洗过程对吸附剂进行洗脱再生。
13.作为优选，所述的吸附分离器a设有加热板a、温度控制器a和nh
4+
在线监测仪a。
14.当nh
4+
在线监测仪a监测到nh
4+
浓度上升小于2mg/l时，要关闭反冲洗阀a，打开出液阀a，停止反冲洗，洗脱液经出液阀a流入鸟粪石制备单元。
15.作为优选，所述的鸟粪石制备单元设有加热板c、温度控制器c、ph计和搅拌器，所述鸟粪石制备单元与所述磷酸储存池之间设有废液出液泵，所述鸟粪石制备单元的一侧设有投料计量泵，所述鸟粪石制备单元下方设有气体单向阀，通过气管分别连入所述厌氧消化池与所述吸附分离器a之间的管道以及所述厌氧消化池与所述吸附分离器b之间的管道。
16.气体单向阀控制nh3只能从鸟粪石制备单元进入厌氧消化池与吸附分离器之间的管道内，无法回流，加热板c根据温度控制器c的测定值将温度调节在25
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35℃，搅拌器的搅拌频率为80
‑
100r/min，naoh和mgcl2溶液通过投料计量泵添加到鸟粪石制备单元内，通过控制naoh的用量实现ph调节在8.5
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10之间。
17.作为优选，所述的磷酸储存池设有po
43
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在线监测仪，所述磷酸储存池上方设有磷
酸液提升泵。
18.当po
43
‑
在线监测仪的监测值小于10mol/l，向磷酸储存池中补充磷酸试剂，调整磷酸储存液的浓度，通过磷酸液提升泵和反冲洗阀a进入吸附分离器a。
19.作为优选，所述的沼气储存罐下方设有nh3在线监测仪。
20.当nh3在线监测仪的监测值达到设定值500ppm时，停止向吸附分离器a内通入沼气，打开反冲洗阀a，保持出液阀a关闭，开始向吸附分离器a通入磷酸储存液对吸附剂进行反冲洗。
21.作为优选，所述的吸附分离器b主体为圆柱形结构，顶部为圆锥形结构，底部为倒圆锥形结构，所述吸附分离器b内部主体与顶部连接处设有集水板b，内部主体与底部连接处设有滤板b，所述滤板b下方设有布水布气板b，所述的吸附分离器b外壁设有水汽排放管线b，所述水汽排放管线b一端与所述集水板b连接，另一端与所述鸟粪石制备单元连接；所述的吸附分离器b与所述厌氧消化池之间设有进气阀b，所述吸附分离器b与所述沼气储存罐之间设有出气阀b，所述吸附分离器b与所述鸟粪石制备单元之间设有出液阀b，所述吸附分离器b与所述磷酸储存池之间设有反冲洗阀b；所述的吸附分离器b设有加热板b、温度控制器b和nh
4+
在线监测仪b。
22.在停止向吸附分离器a内通入沼气的同时，打开进气阀b和出气阀b，将沼气进气口切换到吸附分离器b，吸附后进行反冲洗。
23.一种利用所述装置从污泥厌氧消化沼气中吸附回收氨气并制备鸟粪石的方法，包括以下步骤：步骤一，将沼气通入吸附分离器a进行nh3的吸附，吸附分离器a吸附饱和后切换为吸附分离器b吸附nh3；步骤二，吸附分离器b吸附nh3的同时，磷酸储存液进入到吸附分离器a中对nh3吸附剂进行洗脱，加热干燥吸附剂；步骤三，洗脱液进入鸟粪石制备单元，加入naoh和mgcl2溶液，生成鸟粪石，产生的废液经泵流回到磷酸储存池中，产生的气体继续回到吸附分离器中进行吸附回收。
24.作为优选，所述的加热所需能源和泵所需动力由本厂污泥厌氧消化产生的沼气通过燃烧发电提供。
25.加热干燥吸附剂的温度设为100
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110℃。
26.与现有技术对比，本发明的有益效果是：（1）对沼气中的高浓度nh3进行吸附收集，用磷酸洗脱后制备鸟粪石，消除了沼气产品中因高浓度nh3造成的空气污染，且实现废nh3的资源化，氨气回收率达到90%以上；（2）通过nh3在线监测，实现对吸附分离器a和吸附分离器b的循环吸附、洗脱运行模式，保证系统持续运作；（3）加热所需能源和泵所需动力由本厂污泥厌氧消化产生的沼气通过燃烧发电提供，合理解决系统内能量消耗；（4）磷酸洗脱液通过反冲洗过程在吸附分离器和磷酸储存池之间循环流动，洗脱液和加热干燥吸附剂后的水蒸气分别通过管道进入鸟粪石制备单元，在反应流程中不向系统外排放反应副产物，减少对周围环境的污染。
吸附剂，沼气中的nh3被nh3吸附剂吸附截留，净化后的沼气经过nh3在线监测仪6
‑
1后进入到沼气存储罐6中。吸附分离器b 2吸附nh3的同时，磷酸储存液进入吸附分离器a 1，磷酸储存液经过布水布气板a 1
‑
8和滤板a 1
‑
7自下而上扩散，对吸附剂进行反冲洗，磷酸储存液经过布水布气板a 1
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8后形成喷雾，增大了与nh3吸附剂的接触面积，通过反冲洗过程对吸附剂进行洗脱再生，同时生成洗脱液（（nh4）3po4溶液），吸附分离器a 1的反冲洗液面以下设有nh
4+
在线监测仪a 1
‑
11，当nh
4+
在线监测仪a 1
‑
11监测到洗脱液中nh
4+
浓度上升小于2 mg/l，则停止反冲洗，洗脱完成，关闭反冲洗阀a 1
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4，打开出液阀a 1
‑
3，洗脱液经出液阀a 1
‑
3流入鸟粪石制备单元4。同时，吸附分离器a 1设有加热板a 1
‑
9和温度控制器a 1
‑
10，通过设定加热板a 1
‑
9温度参数100℃控制吸附分离器a 1内的温度，加快洗脱再生后的吸附剂干燥，干燥过程中产生的水蒸气在吸附分离器a 1的顶部内壁上冷凝成水滴，流入集水板a 1
‑
5，然后通过水汽排放管线a 1
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6流入鸟粪石制备单元4。当洗脱液排空时，关闭出液阀a 1
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3，保持反冲洗阀a 1
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4关闭，打开进气阀a 1
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1和出气阀a 1
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2，吸附分离器a 1继续开始吸附沼气中的nh3。鸟粪石制备单元4设有加热板c 4
‑
3、温度控制器c 4
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4、ph计4
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5和搅拌器4
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6，鸟粪石制备单元4的一侧设有投料计量泵4
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2，鸟粪石制备单元4下方设有气体单向阀4
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7，通过气管分别连入厌氧消化池3与吸附分离器a 1之间的管道以及厌氧消化池3与吸附分离器b 2之间的管道，设定加热板c 4
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3温度参数30℃控制鸟粪石制备单元4内的温度，搅拌器4
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6设定搅拌频率为90r/min，通过投料计量泵4
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2向鸟粪石制备单元4内加入naoh和mgcl2溶液，控制naoh的投加量来调节ph，ph计4
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5的测量值为9，反应后得到沉淀物鸟粪石，加热干燥后获得鸟粪石缓释肥产品，副产物nh3通过气体单向阀4
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7进入厌氧消化池3与吸附分离器a 1之间的管道以及厌氧消化池3与吸附分离器b 2之间的管道，与沼气一起再次进入吸附分离器中进行吸附回收，鸟粪石制备单元4与磷酸储存池5之间设有废液出液泵4
‑
1，磷酸储存池5设有po
43
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在线监测仪5
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2，鸟粪石制备单元4产生的包含nh
4+
的废液通过废液出液泵4
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1进入磷酸储存池5中，根据po
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在线监测仪5
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2的监测值降到5mol/l来补充磷酸试剂，调整磷酸储存池5中磷酸储存液的浓度，含有nh
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的磷酸储存液的会再次洗脱吸附剂，使磷酸洗脱液中的nh
4+
的升高，进入鸟粪石制备单元4。做到了在反应流程中不向系统外排放反应副产物，减少对周围环境的污染。
32.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。