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    惰性填料種類對豬場沼液氨吹脫效果的影響
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    惰性填料種類對豬場沼液氨吹脫效果的影響

    2019-09-05      閱讀:
    氨吹脫作為豬場沼液的預處理方法,其處理效果受填料等多種因素的影響。分別采用空心多面球、鮑爾環和流化床填料在 pH 值 10.5,氣液比 2 000,溫度 30 ℃的條件下吹脫豬場沼液,結果表明:空心多面球和流化床對沼液氨氮(ammonia nitrogen,NH+4-N)的平均率顯著高于鮑爾環填料P<0.05),吹脫 2 h,氨氮的平均率分別為 80.7%、59.0%和 77.4%。投加 NaOH 使沼液化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)因壓縮雙電層和混凝而降低,總固體(total solid,TS)和揮發性固體(volatile solid,VS)因 OH對微生物結構的破壞和大分子物質的水解而增加。吹脫過程使 COD 部分提高,而 TS 和 VS 有所降低。3 種填料的性能參數差異導致吹脫后沼液 COD 平均率的變化和 VS 的平均率不同,但不存在顯著差異(P>0.05),流化床填料對 TS 的平均率顯著高于空心多面球(P<0.05)。選定空心多面球吹脫 20 L 沼液 2 h,1 L 的 1 mol/L 硫酸吸收液對吹脫尾氣中氨氣的平均吸收率為 35.8%,兼顧吸收效果和經濟性。

    引 言
     
    隨著畜牧業的集約化和規;l展,大量集中產生的養殖廢棄物使得農業環境被污染的風險日益加劇。近年來,利用厭氧發酵處理畜禽糞污的沼氣工程迅速發展[1],沼氣工程不可以實現養殖廢棄物的資源化利用,而且能夠防治農業環境污染,同時具有較好的與經濟效益[2],但是沼氣工程中產生的沼渣沼液等殘余物還需要進行后續處理與利用。沼液成分復雜,不同原料厭氧發酵后特征差異較大[3-5]。作為的液體肥料來源,沼液富含氮、磷、鉀等營養元素和銅、鐵、鋅、錳等微量元素,此外還有氨基酸、水解酶、維生素等微生物代謝產物以及植物病蟲害物質[6],但種養不平衡、土地緊張和運輸成本過高[7]等現實問題使沼液資源化利用受阻;沼液也是高濃度的廢水,其碳氮比低,氨氮濃度高,可生化性差,達標排放成本高[8-9],如何對沼液進行處理已經成為大中型沼氣工程長期穩定運行的關鍵。

    吹脫法是以空氣作為載體通入水中,在堿性條件下使氣水充分接觸,利用廢水中所含氨氮的實際濃度與平衡濃度的差異,氣相中氨氣濃度始終低于此條件下的平衡濃度,廢水中溶解的氨可以不斷越過氣液界面進入氣相,從而脫除氨氮的方法[10]。影響氨吹脫效率的關鍵因素包括 pH 值、氣液比、溫度、吹脫時間和水力負荷等[11-12]。
     
    由于脫氮率高,操作靈活且占地小,氨吹脫工藝被廣泛應用于稀土廢水[13]、垃圾滲濾液[14-15]、市政廢水[16]、養殖廢水[17-19]和焦化廢水[20]等多種類型高氨氮廢水的預處理環節。國內外學者針對單獨或以組合工藝采用氨吹脫處理畜禽養殖場沼液[21-25]也開展了一系列研究,但針對不同惰性填料對豬場沼液氨吹脫效果的研究較少。
     
    本文分別采用空心多面球、鮑爾環和流化床填料對豬場沼液進行氨吹脫處理,研究不同惰性填料對氨的吹脫效果以及吹脫后沼液中 COD、TS 和 VS 的變化情況,選定氨吹脫的較填料后,進一步研究不同摩爾濃度的硫酸吸收液吸收吹脫尾氣中氨氣的效果,為沼液的處理提供技術參數。

    材料與方法
     
    1.1    試驗裝置
     
    如圖 1 所示,試驗裝置包括控制單元和吹脫單元,吹脫單元又包括吹脫塔、儲液池和吸收裝置?刂茊卧捎 PLC(S7-200,德國西門子公司)編程控制,包括曝氣風機(RT-H3285AA,蘇州市貝雷克機械設備有限公司)變頻調節、pH 計讀數顯示、攪拌器頻率調節板塊和10  英寸彩色顯控觸摸屏(SK-102HE,深圳市顯控自動化技術有限公司)。顯控觸摸屏整合儲液池中沼液溫度的設定與數值顯示還有加熱棒、曝氣風機、沼液和加藥泵(204K,重慶市杰恒泵有限公司)以及攪拌器的開關功能。沼液溫度接近設定值后,加熱棒加熱緩慢直至溫度達到設定值后停止加熱。
     
    吹脫塔材質為玻璃,高 1.5 m,內徑 0.15 m(高徑比 10∶1),頂部有排氣口,排氣口下方是噴淋頭,內部裝填填料層,底部有曝氣頭,曝氣頭通過管路連接氣體轉子流量計(LZM-15G,余姚市工業自動化儀表廠)和曝氣風機,吹脫塔底部還有回水管路與儲液池連接。
     
    儲液池材質為不銹鋼,長 0.6 m,寬 0.5 m,高 0.5 m,有效容積 150 L,內部安裝攪拌器、pH 計(PG-118,上海市經米儀器儀表有限公司)、溫度熱電偶探頭(WRN-001,泰州市昊嘉電熱電器有限公司)和加熱棒。加藥泵通過管路連接堿液罐,用于調節儲液池中沼液的 pH 值,堿液罐材質為玻璃,有效容積 5 L,沼液泵通過管路一端連接儲液池,一端連接液體轉子流量計(LBZ-6,杭州市富陽華儀儀表有限公司)后連接噴淋頭,沼液和加藥泵均可調節進水量。吸收裝置包括吸收罐和中和罐,材質為玻璃,有效容積 5 L,吸收罐通過管路連接排氣口和中和罐,中和罐通過管路接入大氣。
     
    吹脫開始時,曝氣風機曝氣,吹脫塔中空氣由底部向上流動,沼液泵抽提,沼液自噴淋頭向下流出,到吹脫塔底部后進入儲液池,再經沼液泵抽提,往復?諝夂痛得撐矚鈴呐艢饪谂懦龊,氨氣被吸收液吸收,尾氣經過 NaOH 溶液中和酸性,后排入大氣?刂茊卧刂 3 套并列排放的吹脫單元,用于平行試驗。
    惰性填料種類對豬場沼液氨吹脫效果的影響
    1.2    試驗水質
     
    試驗所用沼液為河北省衡水市某規;i場沼氣工程厭氧發酵出水,經過絮凝沉淀、固液分離和紙帶過濾預處理,試驗水質指標如表 1 所示。豬場沼氣工程連續運行,每次取用沼液進行試驗并完成指標檢測間隔 2~3  d,故各批次試驗的水質存在一定差異。
    惰性填料種類對豬場沼液氨吹脫效果的影響
    1.3   試驗設計
     
    填料是裝填于吹脫塔內的惰性固體物料,作為氣液兩相傳質的主要場所,是決定氨吹脫效果的關鍵[26]。如圖 2 所示,空心多面球的球心有 1 道繞過球面的加固環,加固環的上下各有 1 個半球,每個半球里都有 12 片球瓣沿球體中心軸呈放射狀環繞放置,具有氣速高、葉片多和阻力小的特性。鮑爾環在拉西環的基礎上改進而成,環壁有兩排帶內伸舌葉的窗孔,彎入環內指向環心的舌
     葉在環中心相搭,可以充分利用內表面積。流化床填料為空心結構,內外共有 3 層空心圓,外周邊帶齒,具有比表面積大和脫氮、分解物能力強的特性,常用作流化床反應器中的好氧生物載體。比表面積、孔隙率和填料等參數是衡量填料性能的主要依據,比表面積決定氣液接觸面積,孔隙率影響氣液流動阻力,填料是比表面積與孔隙率 3 次方的比值,干填料反映幾何特性,濕填料反映流體力學性能。試驗用填料性能參數如表 2 所示。
    惰性填料種類對豬場沼液氨吹脫效果的影響
    隋倩雯等[23]的研究表明,在 pH 值為 10.5,氣液比為2  000~2 500,溫度為 30 ℃的運行條件下吹脫豬場厭氧消化液,氨氮率較高為 81.84%,兼顧率與經濟性。本試驗以此參數為基礎,在儲液池中加入 50 L 豬場沼液,打開攪拌器(80~120 r/min),投加 NaOH 調節 pH 值為 10.5,設定曝氣風機頻率并調節沼液泵,保持氣液比為 2 000,設定儲液池中沼液溫度均勻加熱至30    ℃?招亩嗝媲、鮑爾環和流化床填料的直徑均為25  mm,材質均為聚丙烯塑料,分別在吹脫塔中裝填 3 種填料至高度為 1 m,吹脫 5 h,間隔 30 min 取樣 150 mL,每次試驗在 3 套吹脫單元中同時進行作為平行試驗。通過沼液氨氮和總氮(total nitrogen,TN)的濃度變化曲線分析不同惰性填料對氨的吹脫效果,研究加堿調節 pH 值對沼液 COD、TS 和 VS 的影響以及采用不同惰性填料吹脫后上述指標的變化情況。選定氨吹脫的較填料后,在吸收罐中分別添加 1 L 的 1、1.5 和 2 mol/L 硫酸吸收液,研究不同摩爾濃度的硫酸吸收液吸收吹脫尾氣中氨氣的效果。
    惰性填料種類對豬場沼液氨吹脫效果的影響
    1.4    指標檢測與數據處理
    對采集樣品的 NH4+-N、TN、COD、pH 值、TS 和 VS 等主要水質指標進行測定分析。NH4+-N、TN 和 COD 分別采用水楊酸-次氯酸鈉分光光度法、過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法和重鉻酸鉀法,測試儀器為 HACH COD Reactor Model DR 6000(HACH Company,USA),pH 值采用 METTLER TOLEDO FiveGo F2-Standard 便攜式 pH 計(METTLER TOLEDO Company,CH)測定,TS 采用烘干稱質量法測定,VS 采用灼燒稱質量法測定。
     
    試驗數據采用 Microsoft Excel 2016 處理,采用 SAS 9.2 統計軟件進行顯著性分析。
     
    2  結果與分析
     
    2.1  填料種類對沼液氨氮和總氮率的影響
     
    吹脫塔中分別裝填空心多面球、鮑爾環和流化床填料,試驗結果表明,經過 5 h 吹脫,沼液氨氮的平均質量濃度分別由(626.7±38.4)、(655.3±92.5)和(665.3±12.5)mg/L 降為(73.0±1.0)、(151.0±19.0)和(64.7±18.9)mg/L(圖 3a),平均率分別為 88.4%、77.0%和 90.3%(圖 3b);總氮的平均質量濃度分別由(660.0±66.0)、(665.0± 15.0)和(766.7±61.8)mg/L 降為(120.0±12.0)、(160.0± 16.0)和(113.3±34.0)mg/L(圖 3c),平均率分別為 81.8%、75.9%和 85.2%(圖 3d)?招亩嗝媲蚝土骰蔡盍蠈φ右喊钡穆曙@著高于鮑爾環填料(P<0.05),相比鮑爾環,空心多面球和流化床填料的比表面積與堆積密度更大,從而吹脫塔中的氣液接觸面積和填充率,延長沼液的停留時間,提高氨氮的平均率。當沼液吹脫 2 h 時,沼液氨氮的平均率已經分別達到 80.7%、59.0%和 77.4%,總氮的平均率已經分別達到 78.3%、62.7%和 72.2%。采用空心多面球和流化床填料吹脫 150 min 時,氨氮和總氮的平均質量濃度高于 120 min,采用空心多面球吹脫 240 和 300 min時,總氮的平均質量濃度分別高于 210 和 270 min,相鄰取樣時間采集的樣品中氨氮和總氮的平均質量濃度并不存在顯著差異(P>0.05),可能是因為吹脫塔中氣液分布不均產生返混現象或者取樣不均勻等偶然因素造成。綜合考慮運行能耗以及氨氮和總氮的效果,本試驗將空心多面球作為選的吹脫填料,吹脫時間控制在 2 h 以內。本試驗結果與其他氨吹脫試驗結果具有可比性,龔川南[25]報道在溫度為 30 ℃,氣液比為 4 000,pH 值分別為 9、10 和 11 的條件下吹脫奶牛養殖場沼液,吹脫柱中分別裝填直徑為 25 mm,材質為聚丙烯塑料的空心多面球和鮑爾環填料,裝填空心多面球填料的吹脫柱中沼液氨氮的平均率均高于鮑爾環填料,pH 值為 11 時,采用空心多面球和鮑爾環填料吹脫后,沼液氨氮的平均率分別為 88%和 76%。
    惰性填料種類對豬場沼液氨吹脫效果的影響

    本試驗以豬場沼液為原料,研究了不同惰性填料對氨的吹脫效果以及加堿和吹脫后沼液 COD、TS 和 VS 的變化情況,還研究了不同摩爾濃度的硫酸吸收液吸收空心多面球填料吹脫尾氣中氨氣的效果,主要結論如下:
    1)空心多面球和流化床填料對氨氮的平均率顯著高于鮑爾環(P<0.05),裝填空心多面球、鮑爾環和流化床填料吹脫 2 h,氨氮的平均率分別為 80.7%、59.0%和 77.4%。選定空心多面球吹脫沼液 2 h 以內,氨氮的效果較好且能耗較低。
     
    2)投加 NaOH 后,沼液的 COD 因壓縮雙電層和混凝作用而降低,吹脫后 COD 部分提高,3 種填料對 COD 在加堿與吹脫后平均率的變化不存在顯著差異(P>0.05)。OH對微生物結構的破壞和大分子物質的水解作用使加堿后沼液的 TS 和 VS 增加,不同惰性填料的吹脫效果使 TS 和 VS 在吹脫后的平均率存在差異,流化床填料對 TS 的平均率顯著高于空心多面球(P<0.05),但 3 種填料對 VS 的平均率差異不顯著(P>0.05)。
     
    3)1、1.5 和 2 mol/L 的硫酸吸收液對氨氣的平均吸收率分別為 35.8%、36.7%和 32.4%,吸收效果不存在顯著差異(P>0.05)。綜合考慮吸收效果和經濟性,1 mol/L 的硫酸吸收液為較選擇。
     

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