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惰性填料种类对猪场沼液氨吹脱效果的影响
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惰性填料种类对猪场沼液氨吹脱效果的影响

2019-09-05      阅读:
氨吹脱作为猪场沼液的预处理方法,其处理效果受填料等多种因素的影响。分别采用空心多面球、鲍尔环和流化床填料在 pH 值 10.5,气液比 2 000,温度 30 ℃的条件下吹脱猪场沼液,结果表明:空心多面球和流化床对沼液氨氮(ammonia nitrogen,NH+4-N)的平均去除率显著高于鲍尔环填料P<0.05),吹脱 2 h,氨氮的平均去除率分别为 80.7%、59.0%和 77.4%。投加 NaOH 使沼液化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)因压缩双电层和混凝而降低,总固体(total solid,TS)和挥发性固体(volatile solid,VS)因 OH对微生物结构的破坏和大分子物质的水解而增加。吹脱过程使 COD 部分提高,而 TS 和 VS 有所降低。3 种填料的性能参数差异导致吹脱后沼液 COD 平均去除率的变化和 VS 的平均去除率不同,但不存在显著差异(P>0.05),流化床填料对 TS 的平均去除率显著高于空心多面球(P<0.05)。选定空心多面球吹脱 20 L 沼液 2 h,1 L 的 1 mol/L 硫酸吸收液对吹脱尾气中氨气的平均吸收率为 35.8%,兼顾吸收效果和经济性。

引 言
 
随着中国畜牧业的集约化和规模化发展,大量集中产生的养殖废弃物使得农业生态环境被污染的风险日益加剧。近年来,利用厌氧发酵处理畜禽粪污的沼气工程迅速发展[1],沼气工程不仅可以实现养殖废弃物的资源化利用,而且能够防治农业环境污染,同时具有较好的生态与经济效益[2],但是沼气工程中产生的沼渣沼液等残余物还需要进行后续处理与利用。沼液成分复杂,不同原料厌氧发酵后特征差异较大[3-5]。作为优质的液体肥料来源,沼液富含氮、磷、钾等营养元素和铜、铁、锌、锰等微量元素,此外还有氨基酸、水解酶、维生素等微生物代谢产物以及植物病虫害抑制物质[6],但种养不平衡、土地紧张和运输成本过高[7]等现实问题使沼液资源化利用受阻;沼液也是高浓度的有机废水,其碳氮比低,氨氮浓度高,可生化性差,达标排放成本高[8-9],如何对沼液进行深度处理已经成为大中型沼气工程长期稳定运行的关键。

吹脱法是以空气作为载体通入水中,在碱性条件下使气水充分接触,利用废水中所含氨氮的实际浓度与平衡浓度的差异,气相中氨气浓度始终低于此条件下的平衡浓度,废水中溶解的氨可以不断越过气液界面进入气相,从而脱除氨氮的方法[10]。影响氨吹脱效率的关键因素包括 pH 值、气液比、温度、吹脱时间和水力负荷等[11-12]
 
由于脱氮率高,操作灵活且占地小,氨吹脱工艺被广泛应用于稀土废水[13]、垃圾渗滤液[14-15]、市政废水[16]、养殖废水[17-19]和焦化废水[20]等多种类型高氨氮废水的预处理环节。国内外学者针对单独或以组合工艺采用氨吹脱处理畜禽养殖场沼液[21-25]也开展了一系列研究,但针对不同惰性填料对猪场沼液氨吹脱效果的研究较少。
 
本文分别采用空心多面球、鲍尔环和流化床填料对猪场沼液进行氨吹脱处理,研究不同惰性填料对氨的吹脱效果以及吹脱后沼液中 COD、TS 和 VS 的变化情况,选定氨吹脱的较优填料后,进一步研究不同摩尔浓度的硫酸吸收液吸收吹脱尾气中氨气的效果,为沼液的深度处理提供技术参数。

材料与方法
 
1.1    试验装置
 
如图 1 所示,试验装置包括控制单元和吹脱单元,吹脱单元又包括吹脱塔、储液池和吸收装置。控制单元采用 PLC(S7-200,德国西门子公司)编程控制,包括曝气风机(RT-H3285AA,苏州市贝雷克机械设备有限公司)变频调节、pH 计读数显示、搅拌器频率调节板块和10  英寸彩色显控触摸屏(SK-102HE,深圳市显控自动化技术有限公司)。显控触摸屏整合储液池中沼液温度的设定与数值显示还有加热棒、曝气风机、沼液和加药蠕动泵(204K,重庆市杰恒蠕动泵有限公司)以及搅拌器的开关功能。沼液温度接近设定值后,加热棒加热缓慢直至温度达到设定值后停止加热。
 
吹脱塔材质为有机玻璃,高 1.5 m,内径 0.15 m(高径比 10∶1),顶部有排气口,排气口下方是喷淋头,内部装填填料层,底部有曝气头,曝气头通过管路连接气体转子流量计(LZM-15G,余姚市工业自动化仪表厂)和曝气风机,吹脱塔底部还有回水管路与储液池连接。
 
储液池材质为不锈钢,长 0.6 m,宽 0.5 m,高 0.5 m,有效容积 150 L,内部安装搅拌器、pH 计(PG-118,上海市经米仪器仪表有限公司)、温度热电偶探头(WRN-001,泰州市昊嘉电热电器有限公司)和加热棒。加药蠕动泵通过管路连接碱液罐,用于调节储液池中沼液的 pH 值,碱液罐材质为有机玻璃,有效容积 5 L,沼液蠕动泵通过管路一端连接储液池,一端连接液体转子流量计(LBZ-6,杭州市富阳华仪仪表有限公司)后连接喷淋头,沼液和加药蠕动泵均可调节进水量。吸收装置包括吸收罐和中和罐,材质为有机玻璃,有效容积 5 L,吸收罐通过管路连接排气口和中和罐,中和罐通过管路接入大气。
 
吹脱开始时,曝气风机曝气,吹脱塔中空气由底部向上流动,沼液蠕动泵抽提,沼液自喷淋头向下流出,到吹脱塔底部后进入储液池,再经沼液蠕动泵抽提,循环往复。空气和吹脱尾气从排气口排出后,氨气被吸收液吸收,尾气经过 NaOH 溶液中和酸性,最后排入大气。控制单元控制 3 套并列排放的吹脱单元,用于平行试验。
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1.2    试验水质
 
试验所用沼液为河北省衡水市某规模化猪场沼气工程厌氧发酵出水,经过絮凝沉淀、固液分离和纸带过滤预处理,试验水质指标如表 1 所示。猪场沼气工程连续运行,每次取用沼液进行试验并完成指标检测间隔 2~3  d,故各批次试验的水质存在一定差异。
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1.3   试验设计
 
填料是装填于吹脱塔内的惰性固体物料,作为气液两相传质的主要场所,是决定氨吹脱效果的关键[26]。如图 2 所示,空心多面球的球心有 1 道绕过球面的加固环,加固环的上下各有 1 个半球,每个半球里都有 12 片球瓣沿球体中心轴呈放射状环绕放置,具有气速高、叶片多和阻力小的特性。鲍尔环在拉西环的基础上改进而成,环壁有两排带内伸舌叶的窗孔,弯入环内指向环心的舌
 叶在环中心相搭,可以充分利用内表面积。流化床填料为空心结构,内外共有 3 层空心圆,外周边带齿,具有比表面积大和脱氮、分解有机物能力强的特性,常用作流化床反应器中的好氧生物载体。比表面积、孔隙率和填料因子等参数是衡量填料性能的主要依据,比表面积决定气液接触面积,孔隙率影响气液流动阻力,填料因子是比表面积与孔隙率 3 次方的比值,干填料因子反映几何特性,湿填料因子反映流体力学性能。试验用填料性能参数如表 2 所示。
惰性填料种类对猪场沼液氨吹脱效果的影响
隋倩雯等[23]的研究表明,在 pH 值为 10.5,气液比为2  000~2 500,温度为 30 ℃的运行条件下吹脱猪场厌氧消化液,氨氮去除率较高为 81.84%,兼顾去除率与经济性。本试验以此参数为基础,在储液池中加入 50 L 猪场沼液,打开搅拌器(80~120 r/min),投加 NaOH 调节 pH 值为 10.5,设定曝气风机频率并调节沼液蠕动泵,保持气液比为 2 000,设定储液池中沼液温度均匀加热至30    ℃。空心多面球、鲍尔环和流化床填料的直径均为25  mm,材质均为聚丙烯塑料,分别在吹脱塔中装填 3 种填料至高度为 1 m,吹脱 5 h,间隔 30 min 取样 150 mL,每次试验在 3 套吹脱单元中同时进行作为平行试验。通过沼液氨氮和总氮(total nitrogen,TN)的浓度变化曲线分析不同惰性填料对氨的吹脱效果,研究加碱调节 pH 值对沼液 COD、TS 和 VS 的影响以及采用不同惰性填料吹脱后上述指标的变化情况。选定氨吹脱的较优填料后,在吸收罐中分别添加 1 L 的 1、1.5 和 2 mol/L 硫酸吸收液,研究不同摩尔浓度的硫酸吸收液吸收吹脱尾气中氨气的效果。
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1.4    指标检测与数据处理
对采集样品的 NH4+-N、TN、COD、pH 值、TS 和 VS 等主要水质指标进行测定分析。NH4+-N、TN 和 COD 分别采用水杨酸-次氯酸钠分光光度法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法和重铬酸钾法,测试仪器为 HACH COD Reactor Model DR 6000(HACH Company,USA),pH 值采用 METTLER TOLEDO FiveGo F2-Standard 便携式 pH 计(METTLER TOLEDO Company,CH)测定,TS 采用烘干称质量法测定,VS 采用灼烧称质量法测定。
 
试验数据采用 Microsoft Excel 2016 处理,采用 SAS 9.2 统计软件进行显著性分析。
 
2  结果与分析
 
2.1  填料种类对沼液氨氮和总氮去除率的影响
 
吹脱塔中分别装填空心多面球、鲍尔环和流化床填料,试验结果表明,经过 5 h 吹脱,沼液氨氮的平均质量浓度分别由(626.7±38.4)、(655.3±92.5)和(665.3±12.5)mg/L 降为(73.0±1.0)、(151.0±19.0)和(64.7±18.9)mg/L(图 3a),平均去除率分别为 88.4%、77.0%和 90.3%(图 3b);总氮的平均质量浓度分别由(660.0±66.0)、(665.0± 15.0)和(766.7±61.8)mg/L 降为(120.0±12.0)、(160.0± 16.0)和(113.3±34.0)mg/L(图 3c),平均去除率分别为 81.8%、75.9%和 85.2%(图 3d)。空心多面球和流化床填料对沼液氨氮的去除率显著高于鲍尔环填料(P<0.05),相比鲍尔环,空心多面球和流化床填料的比表面积与堆积密度更大,从而增大吹脱塔中的气液接触面积和填充率,延长沼液的停留时间,提高氨氮的平均去除率。当沼液吹脱 2 h 时,沼液氨氮的平均去除率已经分别达到 80.7%、59.0%和 77.4%,总氮的平均去除率已经分别达到 78.3%、62.7%和 72.2%。采用空心多面球和流化床填料吹脱 150 min 时,氨氮和总氮的平均质量浓度高于 120 min,采用空心多面球吹脱 240 和 300 min时,总氮的平均质量浓度分别高于 210 和 270 min,相邻取样时间采集的样品中氨氮和总氮的平均质量浓度并不存在显著差异(P>0.05),可能是因为吹脱塔中气液分布不均产生返混现象或者取样不均匀等偶然因素造成。综合考虑运行能耗以及氨氮和总氮的去除效果,本试验将空心多面球作为优选的吹脱填料,吹脱时间控制在 2 h 以内。本试验结果与其他氨吹脱试验结果具有可比性,龚川南[25]报道在温度为 30 ℃,气液比为 4 000,pH 值分别为 9、10 和 11 的条件下吹脱奶牛养殖场沼液,吹脱柱中分别装填直径为 25 mm,材质为聚丙烯塑料的空心多面球和鲍尔环填料,装填空心多面球填料的吹脱柱中沼液氨氮的平均去除率均高于鲍尔环填料,pH 值为 11 时,采用空心多面球和鲍尔环填料吹脱后,沼液氨氮的平均去除率分别为 88%和 76%。
惰性填料种类对猪场沼液氨吹脱效果的影响

本试验以猪场沼液为原料,研究了不同惰性填料对氨的吹脱效果以及加碱和吹脱后沼液 COD、TS 和 VS 的变化情况,还研究了不同摩尔浓度的硫酸吸收液吸收空心多面球填料吹脱尾气中氨气的效果,主要结论如下:
1)空心多面球和流化床填料对氨氮的平均去除率显著高于鲍尔环(P<0.05),装填空心多面球、鲍尔环和流化床填料吹脱 2 h,氨氮的平均去除率分别为 80.7%、59.0%和 77.4%。选定空心多面球吹脱沼液 2 h 以内,氨氮的去除效果较好且能耗较低。
 
2)投加 NaOH 后,沼液的 COD 因压缩双电层和混凝作用而降低,吹脱后 COD 部分提高,3 种填料对 COD 在加碱与吹脱后平均去除率的变化不存在显著差异(P>0.05)。OH对微生物结构的破坏和大分子物质的水解作用使加碱后沼液的 TS 和 VS 增加,不同惰性填料的吹脱效果使 TS 和 VS 在吹脱后的平均去除率存在差异,流化床填料对 TS 的平均去除率显著高于空心多面球(P<0.05),但 3 种填料对 VS 的平均去除率差异不显著(P>0.05)。
 
3)1、1.5 和 2 mol/L 的硫酸吸收液对氨气的平均吸收率分别为 35.8%、36.7%和 32.4%,吸收效果不存在显著差异(P>0.05)。综合考虑吸收效果和经济性,1 mol/L 的硫酸吸收液为较优选择。
 

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