基于厌氧发酵和膜蒸馏的绿色氨水回收系统

本发明涉及废水处理与碳中和技术领域，具体的讲是基于厌氧发酵和膜蒸馏的绿色氨水回收系统。

背景技术：

人们对畜禽类食物需求日益增加的同时，我国农业有机废水的污染也变得日益严重，其来源主要有养殖场以及屠宰场产生的废水等。农业有机废水在未经处理时直接排入江河湖海会导致水体发黑、变质、污染等，将严重影响附近居民的身体健康和生活环境。而传统的畜禽养殖场废水处理装置一般成本高，处理废水效果差，特别是废水中的废渣，往往直接排出，对环境影响很大。

现有的农业废水处理技术主要有厌氧发酵法、活性污泥法、生物膜反应器法等，目前这些方法在国内受到了普遍的应用，然而在处理过程中也普遍存在着能耗高成本高的问题，这也导致了高碳足迹的问题。若能在此基础上实施资源回收，则可大幅降低碳足迹。

氨水是重要的化工原料，也可以作为co2吸收剂，在碳中和的大背景下，若能从废水中回收氨氮，则既可实现资源的有效整合利用，又可固定co2有助于实现碳中和的目标。

现有从废水中回收氨氮的方法主要有电渗析、气体吹脱、减压膜蒸馏等。电渗析能耗较高，一般用于低浓度的氨氮回收，而减压膜蒸馏可直接回收氨水但不适用于回收低浓度的氨氮，且回收得到的氨水浓度较低，不便于直接应用，亟需提高回收氨水的浓度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种基于厌氧发酵和膜蒸馏的绿色氨水回收系统。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

基于厌氧发酵和膜蒸馏的绿色氨水回收系统，包括厌氧发酵装置、固液分离装置、沼液循环箱、直接接触膜蒸馏装置、磷铵溶液循环箱、接收液解吸塔、低氮沼液储存罐和沼气提纯吸收塔，所述厌氧发酵装置用于对高有机负荷的废水进行厌氧发酵，并将得到的初步沼液输送至固液分离装置，将沼气输送至沼气储存罐，所述固液分离装置用于对初步沼液进行固液分离，将分离后的沼液输送至沼液循环箱，沼液循环箱的出口通过沼液加热器连接至直接接触膜蒸馏装置的壳程入口，所述直接接触膜蒸馏装置的壳程出口通过回流输送管连接至第一三通管入口，所述第一三通管两个出口分别通过第一连通管和第二连通管连通沼液循环箱和低氮沼液储存罐，所述第一连通管上设置有第一阀门；

中空纤维膜的管程出口连通磷铵溶液循环箱，磷铵溶液循环箱出口连接至第二三通管入口，所述第二三通管的第一出口连通至中空纤维膜的管程入口，第二出口通过第二阀门连通至接收液解吸塔，所述接收液解吸塔用于对吸收氨氮至饱和的接收液磷酸氢二铵溶液进行解吸，得到浓氨水以及低氨负荷的磷氨溶液，并将低氨负荷的磷氨溶液输送至磷铵溶液循环箱中，将浓氨水输送至氨水储存罐，所述磷铵溶液循环箱内设置有第一ph传感器；

所述直接接触膜蒸馏装置用于通过中空纤维膜中的磷铵溶液吸收掉沼液中的氨氮后得到低氮沼液，并将所述低氮沼液通过回流输送管输送至沼液循环箱中，所述回流输送管上设置有氨氮浓度传感器，所述低氮沼液储存罐入口连接沼气提纯吸收塔的液体入口，所述沼气储存罐(未画出)的出口连接沼气提纯吸收塔的气体入口，沼气与低氮沼液在沼气提纯吸收塔中逆向流动，沼气提纯吸收塔用于通过吸收沼气中的co2使得低氮沼液储存罐内的沼液ph降低；所述低氮沼液储存罐内设置有第二ph传感器，所述低氮沼液储存罐下方设置有沼液排放口，所述沼液排放口上设置有第三阀门，沼气排放口上设置有co2浓度传感器和第四阀门。进一步的，所述第二阀门和接收液解吸塔之间还顺次设置有磷铵溶液储存罐和第二磷铵溶液泵。

进一步的，所述磷铵溶液循环箱内设置有第二温度传感器。

进一步的，所述第一出口和中空纤维膜的管程入口之间顺次设置有第一磷铵溶液泵和磷铵溶液加热器。

进一步的，所述氨氮浓度传感器检测沼液中氨氮浓度低于预设浓度时，第一阀门打开，沼液循环箱中的沼液被排放至低氮沼液储存罐，并将低氮沼液和沼气储存罐中的沼气分别通入沼气提纯吸收塔内，当低氮沼液储存罐中的第二ph传感器显示罐内ph值低于7.0时，第三阀门打开，低氮沼液被直接排放至农田用于施肥，若co2浓度传感器显示沼气中co2浓度低于4％，第四阀门打开，排出提纯过后的天然气，可得到的天然气产量由沼气中co2量与高ph低氮沼液的脱碳容纳量决定。

进一步的，当所述第一ph传感器检测磷铵溶液循环箱内溶液的ph高于8.0时，第二阀门打开，磷铵溶液循环箱中的磷铵溶液进入磷铵溶液储存罐，磷铵溶液储存罐中的磷铵溶液通过第二磷铵溶液泵进入接收液解吸塔，接收液解吸塔内的磷铵溶液在温度90℃和压力40kpa的条件下被解吸60min，得到浓度为2-3mol/l的浓氨水以及氨负荷为1.5左右的磷氨溶液，浓氨水被排入氨水储存罐，磷氨溶液回流入磷铵溶液循环箱。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明中采用磷酸一氢铵作为氨氮接收液，在吸收氨氮饱和后溶液转化为磷酸氢二铵溶液，磷酸氢二铵溶液通过在接收液解吸塔中加温加压下可实现氨氮解吸，产物低氨负荷的磷铵溶液可继续用于膜蒸馏装置中氨氮的接收液，有效回收沼液中的氨氮。

2.本发明中接收液解吸塔中发生的氨氮解吸过程可以得到浓度约2.4mol/l的浓氨水，相比较其他工艺得到的低浓度氨水更具有经济价值，有利于氨氮资源的有效化利用。

3.本发明中通过吸收沼气中的co2实现了降低低氮沼液ph值的目的，较低氨氮浓度、接近中性的富碳沼液可以有效的应用于农业生产。

4.本发明中产物绿色氨水可直接作为产品出售，也可作为co2吸收液提纯沼气。当氨水用于沼气提纯时，可有效提纯沼气，得到的天然气可直接作为能源使用，同时也实现了大量co2的固定，有利于碳减排以及碳中和目标的实现。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、厌氧发酵装置，2、固液分离装置，3、第一沼液泵，4、沼液循环罐，5、第二沼液泵，6、沼液加热器，7、直接接触膜蒸馏装置，8、磷铵溶液循环箱，9、第一磷铵溶液泵，10、磷铵溶液加热器，11、磷铵溶液储存罐，12、第二磷铵溶液泵，13、接收液解吸塔，14、氨水储存罐，15、低氮沼液储存罐，16、沼气提纯吸收塔

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“顺时针”“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

如图1所示，基于厌氧发酵和膜蒸馏的绿色氨水回收系统，其主要功能包括农业有机废水厌氧发酵处理、直接接触膜蒸馏装置回收沼液中氨氮、解吸塔中接收液再生三个过程。在农业有机废水厌氧发酵处理过程中，高有机负荷的农业有机废水进入厌氧发酵装置，在发酵装置中得到的产物有沼渣、沼气、沼液，其中沼渣可直接用于农田施肥，沼气储存起来供后续利用，高氮沼液进入下一部分继续处理。在直接接触膜蒸馏装置回收沼液中氨氮过程中，沼液经固液分离装置过滤后经由第一沼液泵流入沼液循环箱，在沼液循环箱中添加碱性物质如生石灰等使得沼液ph值为11，沼液循环箱中的进料沼液经由第二沼液泵在沼液加热器中加热至60-75℃时流入直接接触膜蒸馏装置中的中空纤维膜壳程后回流至沼液循环箱中。直接接触膜蒸馏装置中的渗透侧选取接收液为氨负荷为1.0的磷酸一氢铵溶液(初始ph值为4.0左右)，磷酸一氢铵溶液经由第一磷铵溶液泵经过磷铵溶液加热器流入直接接触膜蒸馏装置中的中空纤维膜的管程后回流至磷铵溶液循环箱。其中，沼液循环箱中的沼液温度由第一温度传感器测定，磷铵溶液循环箱中的温度由第二温度传感器测定，沼液循环箱中的氨氮浓度由进料沼液管路上的氨氮浓度传感器测定，磷铵溶液循环箱中的ph值由第一ph值传感器测定。当氨氮浓度传感器测试沼液中氨氮浓度低于100mg/l时，打开第一阀门，将沼液循环箱中的沼液排放至低氮沼液储存罐，此时低氮沼液储存罐中的沼液ph值仍为11左右，沼气提纯吸收塔16用于通过在沼气提纯吸收塔中吸收沼气中的co2降低低氮沼液的ph，当低氮沼液储存罐中的第二ph传感器显示罐内ph值低于7.0时，打开第三阀门，此时可将低氮沼液直接排放至农田用于施肥，若沼气管路上的co2浓度传感器显示沼气中co2低于4％时，则打开第四阀门，提纯过后的天然气可直接作为能源使用，可得到的天然气产量由沼气中co2量与高ph低氮沼液的脱碳容纳量决定。当磷铵溶液循环箱上的第一ph传感器显示箱内溶液的ph高于8.0时，此时的磷酸一氢铵溶液已经吸收氨氮至饱和，溶液转变为氨负荷为2.0的磷酸氢二铵，需要更换磷铵溶液，打开第二阀门，将此时的磷铵溶液排放至磷铵溶液储存罐中，磷铵溶液通过第二磷铵溶液泵进入接收液解吸塔，在温度90℃和压力40kpa的条件下解吸60min，可以得到浓度约为2.4mol/l的浓氨水以及氨负荷为1.5左右的磷氨溶液，氨负荷为1.5左右的磷铵溶液回流至磷铵溶液循环箱可继续用于下一个沼液中氨氮吸收周期循环，浓氨水进入氨水储存罐富集后可作为产品直接出售也可作为co2吸收剂用于提纯沼气，氨水提纯沼气时直接将沼气与氨水在填料塔中逆向接触即可(未画出)。如此周而复始，可实现以农业有机废水为原料的绿色氨水回收。

所述的沼液循环箱中的沼液温度由第一温度传感器测定，磷铵溶液循环箱中的温度由第二温度传感器测定，沼液循环箱中的氨氮浓度由进料沼液管路上的氨氮浓度传感器测定，磷铵溶液循环箱中的ph值由第一ph值传感器测定。

所述的直接接触膜蒸馏装置中的中空纤维膜接触器内部为疏水性中空纤维膜，膜孔仅允许气体进出，液体无法进出膜孔。中空纤维膜接触器设置为接收液在疏水性中空纤维膜内部流过，沼液在中空纤维膜接触器的壳程部分流动，沼液中的氨氮转化为自由氨后可透过疏水性中空纤维膜的膜孔被疏水性中空纤维膜内部的接收液吸收。

本发明的工作过程包括以下步骤：

步骤1：高有机负荷的农业废水进入厌氧发酵装置1，在发酵装置中得到的产物有沼渣、沼气、沼液，其中沼渣可直接用于农田施肥，沼气储存起来供后续利用，高氮沼液进入下一步骤继续处理。

步骤2：原沼液在固液分离装置2过滤后经由第一沼液泵3流入沼液循环箱4，在沼液循环箱4中添加碱性物质如生石灰等使得沼液ph值调节为11左右，沼液循环箱4中的进料沼液经由第二沼液泵5在沼液加热器6中加热至60-75℃时流入直接接触膜蒸馏装置7中的中空纤维膜壳程后回流至沼液循环箱4中。

步骤3：直接接触膜蒸馏装置7中的渗透侧选取接收液为氨负荷为1.0的磷酸一氢铵溶液(初始ph值为4.0左右)，磷酸一氢铵溶液经由第一磷铵溶液泵9经过磷铵溶液加热器10流入直接接触膜蒸馏装置7中的中空纤维膜的管程后回流至磷铵溶液循环箱8。

步骤4：当氨氮浓度传感器测试沼液中氨氮浓度低于100mg/l时，打开第一阀门，将沼液循环箱4中的沼液排放至低氮沼液储存罐15，此时低氮沼液储存罐15中的沼液ph值仍为11左右，通过在沼气提纯吸收塔中吸收沼气中的co2降低低氮沼液的ph，当低氮沼液储存罐15中的第二ph传感器显示罐内ph值低于7.0时，打开第三阀门，可将低氮沼液直接排放至农田用于施肥，若沼气管路上的co2浓度传感器20显示沼气中co2低于4％，则打开第四阀门，提纯过后的天然气可直接作为能源使用，可得到的天然气产量由沼气中co2量与高ph低氮沼液的脱碳容纳量决定。

步骤5：当磷铵溶液循环箱8上的第一ph传感器显示箱内溶液的ph高于8.0时，此时的磷酸一氢铵溶液已经吸收氨氮至饱和，溶液转变为氨负荷为2.0的磷酸氢二铵，需要更换磷铵溶液，打开第二阀门，将此时的磷铵溶液排放至磷铵溶液储存罐8中，磷铵溶液通过第二磷铵溶液泵12进入接收液解吸塔13，在温度90℃和压力40kpa的条件下解吸60min，可以得到浓度约为2.4mol/l的浓氨水以及氨负荷为1.5左右的磷氨溶液，浓氨水进入氨水储存罐14富集后可作为产品直接出售也可作为co2吸收剂用于提纯沼气，氨水提纯沼气时直接将沼气与氨水在沼气提纯吸收塔中逆向接触即可。如此周而复始，可实现以农业有机废水为原料的绿色氨水回收工艺。

所述的沼液循环箱4中的沼液温度由第一温度传感器测定，磷铵溶液循环箱8中的温度由第二温度传感器测定，沼液循环箱4中的氨氮浓度由进料沼液管路上的氨氮浓度传感器测定，磷铵溶液循环箱8中的ph值由第一ph值传感器测定。

所述的直接接触膜蒸馏装置7中的中空纤维膜接触器内部为疏水性中空纤维膜，膜孔仅允许气体进出，液体无法进出膜孔。中空纤维膜接触器设置为接收液在疏水性中空纤维膜内部流过，沼液在中空纤维膜接触器的壳程部分流动，沼液中的氨氮转化为自由氨后可透过疏水性中空纤维膜的膜孔被疏水性中空纤维膜内部的接收液吸收。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。