吹脱法回收源分离尿液中氨氮的试验研究.pdf

吹脱法回收源分离尿液中氨氮的试验研究 * 张琳1李子富1张扬1张宇昊2 1. 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083; 2． International Business College，Ｒoyal Agricultural College， Cirencester， g17 6js，Britain 摘要 针对含有高浓度氨氮的源分离尿液， 采用吹脱 － 硫酸吸收工艺回收其中的氨氮。研究了 pH、 吹脱温度、 进气流 量以及吹脱时间对吹脱效率及酸吸收效率的影响， 并通过正交试验确定最优工艺条件。结果表明 在 pH 为 11. 5， 进 气流量为 400 L/h， 温度 55 ℃下吹脱 2. 5 h， 氨氮吹脱率大于 96. 5， 吸收效率 100， 即可通过液体硫酸铵的形式回 收黄水中 96. 5的氨氮。 关键词 源分离尿液; 吹脱法; 氨氮回收 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403010 NITＲOGEN ＲECOVEＲY FＲOM SOUＲCE- SEPAＲATED UＲINE BY AIＲ STＲIPPING Zhang Lin1Li Zifu1Zhang Yang1Zhang Yuhao2 1. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2． International Business College，Ｒoyal Agricultural College，Cirencester，g17 6js，Britain AbstractThe of air stripping and sulfuric acid absorption was utilized to recover nitrogen from source- separated urine． The influences of pH，temperature，gas flow and treatment time on treatment efficiency were investigated． The optimal conditions revealed by the orthogonal experiment werethe pH value was 11. 5，the gas flow rate was 400 L/h，the temperature was 55 ℃，and the air stripping time was 2. 5 h． Under the optimal conditions，more than 96. 5 nitrogen could be removed from the urine，and virtually 100 nitrogen could be recovered in the of liquid ammonium sulfate． Keywordssource- separated urine;air stripping;nitrogen recovery * 中央高校基金科研业务专项 FＲF- FC- 11- 001 。 收稿日期 2013 －06 －07 0引言 传统的以冲水厕所及污水混合排放为特征的污 水排放系统正在遭受着越来越多的质疑。这种末端 集中处理排水模式， 需要大量财力物力投入才能实现 再生水的制备、 输送和利用。在对传统排水系统的反 思过程中， 产生了源分离排水系统的理念即“生态卫 生 ECOSAN ” 排水系统。源分离排水系统是污水的 源头控制与资源回收， 将粪尿在尽可能不稀释的情况 下单独收集， 根据污水的特点对其实现资源化的回收 和再利用。一方面可有效地削减污染物的排放， 更为 关键的是能极大地促进水和营养物质的回用以及提 供新能源， 其目的可简单概括为“节水、 减污、 回收营 养物质” ， 它被视为一种更可持续的排水系统［1 ］。 根据污水的特点， 城市生活污水可被分为四种不 同类型 ［2 ］ 灰水、 黑水、 黄水和褐水。其中黄水是指 尿液及少量冲洗水， 其特点是低碳高氮磷。在城市生 活污水中， 黄水贡献了约 80的氮、 50 的磷和 50 的钾 ［3， 7 ］。 根据污水中总氮浓度的高低、 氮化合物的组分不 同， 工程上常见的脱氮方法有 微生物法、 吹脱 汽 提 法、 折点加氯法、 离子交换法、 土地处理法等 ［4 ］。 对于黄水以回收氨氮为目的， 采用吹脱法更为合适。 吹脱法除氮在污水处理领域是较为成熟的手段， 具有 氨回收效率较高、 效果稳定、 操作简便和容易控制等 优点。由于黄水中未含有弱酸、 弱碱盐等对 pH 具有 缓冲能力的物质， 故可采用“吹脱 硫酸吸收” 的方 法来回收黄水中的高浓度氨氮， 生成的硫酸铵既可用 作液料也可用作化工原料。这意味着从源头上分离 收集黄水并回收其中的氮、 磷、 钾营养元素， 能够降低 集中式末端污水处理厂对氮磷处理的压力， 并且能降 83 环境工程 Environmental Engineering 低农业生产对于工业化肥的要求， 有效缓解水体富营 养化和资源紧张的压力。 1黄水的基本性质 黄水除含有大量水之外， 还含有大量的有机物和 无机盐。新鲜黄水主要有机物是尿素， 此外含有尿 酸、 肌酸、 肌酸酐等 ［5 ］。无机盐主要为钙、 钠、 镁、 钾、 磷酸盐、 氯化物和硫酸盐等。黄水中含有较高浓度的 氮、 磷、 钾等营养元素。此外， 健康人群排泄的尿液中 几乎不含有重金属和致病菌［6 ］， 由此可见黄水中氮、 磷、 钾等营养元素回收再利用可行性较高。表 1［7 ］为 德国生活污水不同水流的水质特征分析， 生活污水中 氮、 磷、 钾等营养元素主要来自黄水。 表 1德国某住宅区生活污水特征统计［7 ］ Table 1Statistical characteristics of a residential sewage in German 主要 物质 年负荷/ kg 人 －1 a－1 分布率/ 尿液 500 L/ 人 a 粪便 50 L/ 人 a 其他污水 25 ～ 100 m3/ 人 a N4 ～587103 P0. 75504010 K1. 80541234 COD30124741 新鲜尿液中的氮主要以尿素形式存在， 并且黄水 中含有丰富的碳源和其他营养物质， 微生物极容易在 黄水中生长从而使黄水发生一些生物化学变化， 这一 过程成为黄水腐熟。腐熟以后的黄水中氮素主要以 氨氮形式存在。通常未稀释的腐熟黄水中氨氮含量 约 6 000 ～9 200 mg/L［8- 9 ］。黄水中的氨氮极易挥发， 不仅污染环境， 而且造成氮素损失。本研究的目的就 是通过试验方法， 确定最佳吹脱工艺参数， 以进行氨 氮高效回收。 2试验部分 2. 1试验水样与试剂 试验采用合成尿液和真实尿液两种分别进行， 依 据文献资料， 合成尿液配制如表 2 所示， 氨氮含量 5 000 ～5 500 mg/L。真实尿液来自北京科技大学土 木与环境工程学院 12 楼生态卫生男厕所收集存储期 大于 6 个月的尿液， 尿液成分 见表 2 ， 尿素已完全 水解。 表 2合成尿液配制成分［10 ］ Table 2Composition of synthetic urineg/L NH4ClKH2PO4KClNaSO4NaClKHCO3 19. 54. 21. 62. 34. 61. 1 试验中除 NH4Cl 为优级纯外， 其余试剂均为分 析纯级别， 试剂有 50 NaOH 溶液， 1. 84 mol/L 硫。 2. 2试验装置 试验采用空气吹脱 － 硫酸吸收的装置来回收黄 水中的氨氮， 见图 1。主要由空气压缩机、 恒温水浴 锅、 流量计、 吹脱瓶、 缓冲瓶、 吸收瓶组成。缓冲瓶及 吸收瓶皆为 2 L 锥形瓶。吹脱瓶内填充多面空心球 填料 25 mm 。原水经过 50 NaOH 调节到一定 pH 值后进入吹脱瓶， 吹脱出的氨气用 1. 84 mol/L 硫 酸吸收。试验中， 吹脱装置密封， 无氨气泄露。 图 1尿液吹脱 － 酸吸收氨氮试验装置 Fig．1Experimental set up for the air stripping and sulfuric acid absorption of urine 2. 3试验方法 试验为静态小试， 取 1 L 合成尿液进入吹脱反应 器前调节 pH， 在不同 pH 值、 温度、 空气流量以及吹 脱时 间 等 条 件 下 进 行 试 验， 用 500 mL 浓 度 为 1. 84 mol/L硫酸吸收氨气。分析各因素对氨氮的吹 脱效率和硫酸吸收液回收率的影响， 通过正交试验确 定最佳试验条件， 并用未稀释的源分离尿液验证吹脱 效果。 3结果与讨论 3. 1pH 和吹脱时间对吹脱率及吸收率的影响 1 L 合成尿液中氨氮的初始浓度为 5 000 ～ 5 300 mg/L， 加 50 NaOH 调 节 溶 液 至 不 同 pH， 1. 84 mol/L硫酸用来吸收氨气， 控制吹脱温度 50 ℃、 空气流量400 L/h 下， 在不同时间点取样， 考察 pH 及 吹脱时间对氨氮吹脱率和回收率的影响， 如图2 所示。 结果表明， 在相同吹脱时间下， 随着 pH 的增大， 对氨氮的吹脱效率和吸收效率增大。由于在未稀释 的腐熟黄水中， 氨氮通过式 1 保持平衡关系 NH 4 OH －NH 3 H2O 1 该平衡受到 pH 值的影响， 当 pH 值升高时， 平衡 向右移动， 生成游离氨。当 pH ＜ 11 时， 对氨氮的去 93 水污染防治 Water Pollution Control 图 2 pH 对吹脱率和吸收率的影响 Fig．2Effect of pH on ammonia removal and absorption 除及吸收效率均较低， 说明此时溶液中的氨氮主要以 铵根离子形式存在， 当 pH ＞ 11 时， 吹脱效率和吸收 效率明显提高， 这是因为当 pH ＞ 11 时， 溶液中的氨 氮 90 以上是以游离氨的形式存在， 当 pH 继续增 大， 吹脱效率增幅变小。 随着吹脱时间的增加， 0 ～2 h 时吹脱率和氨氮吸 收率均大幅增加， 在 2 h 以后， 吹脱效率和氨氮吸收 效率增幅均变缓， 单独延长吹脱时间并不会很大的提 高吹脱的效率。在 pH 为 12， 吹脱时间 2. 5 h 时， 吹 脱效率可达 90以上。由图 2 表明 在试验中， 吹脱 去除的氨氮几乎 100均被硫酸吸收生成硫酸铵， 说 明硫酸对氨氮有很好的吸收作用。 3. 2温度对吹脱率及吸收率的影响 试验采用空气流量 400 L/h， 吹脱时间 2. 5 h， pH 分别为 10、 11、 12 时， 考察温度对吹脱及吸收效率的 影响， 如图 3 所示。 由图 3 可知 随着吹脱温度的升高， 氨氮的吹脱 图 3温度对吹脱率及吸收率的影响 Fig．3Effect of stripping temperature on ammonia removal and absorption 效率及吸收效率不断增高， 在 pH 为 12 温度为 45 ℃ 时， 吹脱及吸收效率均超过 85。这是因为， 温度对 吹脱率的影响主要是对其反应的热力学影响， 式 1 为吸热反应， 增加温度可使反应速率加快， 能在较短 的时间内使反应达到平衡状态; 另一方面， 在一定压 力下， 温度的提高使氨在水中的溶解度降低， 增加了 传质推动力 ［11 ］， 并且温度的增加可以提高氨在水中 的扩散系数， 使平衡更快的向右移动。当继续提高温 度大于 45 ℃时， 温度的提高对氨氮吹脱率和吸收率 的提高作用有所减少。这是由于继续升高温度， 大量 水分在较高温度和曝气作用下与游离氨同步蒸发， 使 出水中氨氮浓度几乎不再减少［12 ］。 3. 3空气流量对吹脱率及吸收率的影响 氨吹脱过程中， 溶液和空气中气态氨的浓度差是 04 环境工程 Environmental Engineering 溶液中的气态氨向空气中释放传质的直接推动力， 因 此气液比是吹脱塔的重要操作参数。由于本试验是在 溶液静态下操作， 故只考虑空气流量对吹脱效果的影 响。在 pH 为11， 吹脱时间 2. 5 h 下， 考察不同温度下 空气流量对吹脱率和吸收率的影响， 如图4 所示。 图 4进气流量对吹脱率的影响 Fig．4Effect of gas flow on ammonia removal and absorption 由图 4 可知 空气流量在吹脱温度为 55 ℃时对 吹脱率及氨氮吸收率的影响明显低于温度小于 55 ℃ 时。在温度小于 55 ℃时随着进气流量的增加， 吹脱 效率明显提高。当增大曝气流量， 可降低气体中氨的 浓度， 从而提高传质推动力， 加快氨从液相到气相的 转移速率。结果表明， 在不同温度下， 随着空气流量 的增大， 不同温度下的吹脱率和氨氮吸收率差别逐渐 减小， 温度为 35 ℃流量为 600 L/h 时的吹脱率相比 同流量温度下其他温度的吹脱率低很多， 这是由于温 度造成吹脱率偏低。 3. 4正交试验确定最优吹脱条件 综合考虑 pH 值、 温度、 空气流量以及吹脱时间 的相互影响， 确定较优的试验条件， 故采用正交试验 对其进行考察， 合成尿液正交试验采用 4 因素 4 水 平， 故选用 L16 45 正交试验表， 将第 5 列作为空白分 析， 如表 3 所示。 表 3合成尿液 L16 45 正交试验直观分析表 Table 3The result to the orthogonal experiment L16 45 of synthetic urine 试 验 号 因素 pH 值 流量/ L h －1 温度/ ℃ 吹脱时 间/t 空白 氨氮吹 脱率/ 吸收 率/ 110300351. 5135. 2738. 23 210400452249. 650. 4 310500502. 5355. 6362. 26 410600553455. 4266. 7 511300452. 5478. 8288. 25 611400353372. 4983. 17 711500551. 5282. 5379. 19 811600502189. 1789. 05 911. 5300503285. 2293. 76 1011. 5400552. 5198. 1481. 47 1111. 5500352464. 5360. 96 1211. 5600451. 5391. 881. 47 1312300552386. 2582. 54 1412400501. 5477. 9883. 01 1512500453197. 298. 94 1612600352. 5287. 5175. 3 K154. 39775. 69564. 41570. 47576. 922 K284. 91574. 51379. 76570. 73774. 663 K379. 41575. 33882. 02076. 82077. 360 K484. 94878. 13077. 47585. 64274. 730 Ｒ30. 5513. 61717. 60715. 1672. 697 注 分析中各平均值及极差分析采用的是氨氮吹脱率的试验结 果， 在采用吸收率试验结果分析后， 得到相同分析结果。 由正交试验直观分析表及方差分析 α 0. 05 可知， pH 及反应温度和吹脱时间对吹脱率和 氨氮吸收率均有显著影响， 影响力由大到小依次为 pH ＞ 反应温度 ＞ 吹脱时间 ＞ 空气流量。最佳反应条 件为 pH 11. 5， 空气流量 400 L/h， 在温度 55 ℃ 下吹 脱 2. 5 h。 3. 5真实尿液吹脱回收氨氮效果 在正交试验确定的最优操作条件下， 分别用合成 尿液和未稀释的腐熟黄水进行吹脱试验， 试验结果如 表 4 所示。 用未稀释存储尿液进行吹脱试验结果表明， 在 pH 11. 5， 空气流量400 L/h， 温度55 ℃下吹脱2. 5 h 后， 黄水中氨氮的吹脱效率为 96. 58， 吸收液硫酸 中氨氮的含量为 4 328. 57 mg/L， 硫酸吸收氨氮的吸 收率达 100。根据 2NH 4 SO2 － 4 NH4 2SO4反 应式， 1 mol 硫酸吸收液吸收 2 mol 氨气生成 1 mol 硫 14 水污染防治 Water Pollution Control 表 4腐熟黄水吹脱结果 Table 4Ｒecovery of major compounds in synthetic urine and real urine stripping experiments 项目 合成尿液黄水 吹脱前 吹脱后 标准偏差 吹脱前吹脱后标准偏差 pH6. 311. 30. 29. 011. 00. 2 ρ 氨氮 / mg L －1 5 848. 68 163. 49 100 4 404. 23150. 7370 ρ 总氮 / mg L －1 5 848. 68 163. 49 100 4 755350. 71 150 ρ 总磷 / mg L －1 867. 47 830. 1450200. 61193. 0435 吹脱率/97. 2 296. 581. 2 吸收率/99 11001 ρ COD / mg L －1 3 6693 114500 注 “ ” 表示未发现。 酸铵， 那么吸收液中可结晶固体为 2. 1 g。生成的硫 酸铵可进行后续处理， 如可将其结晶为固体作为肥 料， 也可作为液体肥料直接使用。黄水吹脱以后剩余 液中氨氮含量为 150. 73 mg/L， 虽然远高于国家城镇 生活废水排放标准， 但是剩余氮素可以在后续回收磷 钾等营养物质时进一步回收利用。这表明将黄水中 的氮素等营养物质进行回收利用是可行的， 不但可以 缓解污水处理厂对于营养物质处理的压力， 而且可作 为一种能源进行利用。 4结论 1利用“吹脱 硫酸吸收” 法回收黄水中的氨 氮， 首先对溶液 pH， 反应温度， 吹脱时间及进气流量 等影响因素进行单因素试验研究， 初步确定各影响因 素对吹脱率及氨氮吸收率的影响情况。并采用正交 试验法进行优化， 最终确定因素影响力由大到小依次 为 pH ＞ 反应温度 ＞ 吹脱时间 ＞ 空气流量。最佳操 作条件为 pH 11. 5， 进气流量 400 L/h， 温度 55 ℃， 吹脱时间 2. 5 h。 2空气吹脱法可有效地回收未稀释存储黄水中 的氨氮， 黄水中原始氨氮含量 4 404. 23 mg/L， 用 1. 84 mol/L 硫酸进行氨气吸收， 在最优条件 pH 11. 5， 进气流量 400 L/h， 温度 55 ℃下吹脱 2. 5 h， 氨 氮吹脱率大于 96. 5， 吸收效率可达 100， 即可回 收黄水中 96. 5的氨氮， 得到 400 mL 硫酸铵中氨氮 含量 4 328. 57 mg/L。 3本试验仅对腐熟黄水中的氮素回收进行讨 论， 硫酸铵进一步的利用以及吹脱后的黄水中磷和钾 的回收还需进一步研究。 参考文献 ［1］伦斯， 泽曼， 莱廷格． 分散式污水处理和再利用［M］． 王晓昌， 彭 党聪， 黄廷林， 译． 北京 化学工业出版社， 2004. ［2］李子夫， 金璠． 生活污水的分类收集与处理系统［J］． 中国给水 排水， 2001， 17 1 65- 66. ［3］Larsen T A，Alder A C，Eggen Ｒ I， et al． Source separationWill we see a paradigm shift in wastewater handling［J］． Snviron Sci Technol， 2009， 43 16 6121- 6125. ［4］吴方同， 苏秋霞． 吹脱法去除城市垃圾填埋场渗滤液中的氨氮 ［J］． 给水排水， 2001， 27 6 20- 24. ［5］Karak T， Bhattacharyya P． Human urine as a source of alternative natural fertilizer in agricultureA flight of fancy or an achievable reality［J］． Ｒesources，Conservation and Ｒecycling， 2011， 55 4 400- 408. ［6］Jnsson H SAVB． Guidelines on the use of urine and faeces in crop production［S］ . ［7］李子富， Ｒal f Otterpohl． 德国某居住区生态卫生系统污水分流 处理示范工程［J］． 给水排水， 2007， 33 4 81- 83. ［8］Fittschen I， Hahn H H． Characterization of the municipal wastewater part human urine and a preliminary comparison with liquid cattle excretion［J］． Water Science and Technology， 1998， 38 6 9- 16. ［9］Udert K M， Larsen T A， Gujer W． Fate of major compounds in source- separated urine［J］． Water Science and Technology， 2006， 54 11/12 413- 420. ［ 10］Udert K M， Wchter M． Complete nutrient recovery from source- separated urinebynitrificationanddistillation ［J］． Water Ｒesearch， 2012， 46 453- 464. ［ 11］刘文龙， 钱仁渊． 吹脱法处理高浓度氨氮废水［J］． 南京工业大 学学报， 2008， 30 4 56- 59. ［ 12］Jos Fernndez- Seara， Jaime Sieres． The importance of the ammonia purification process in ammoina- water absorption systems［J］． Energy Conversion and Management， 2006， 47 1975- 1987． 第一作者 张琳 1988 － ， 女， 硕士， 主要从事污水处理和生态卫生排 水相关研究。zhanglm- 9 sohu． com 24 环境工程 Environmental Engineering