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影响人粪沼液氨氮吹脱传质速率的因素分析

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  • 标签:人粪处理; 沼液; 吹脱; 传质系数
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以人粪厌氧发酵沼液为研究对象,采用吹脱法对其进行预处理,改善其 C/N 过低不利于生化处理的问题。研究
了氨氮吹脱的 4 个主要影响因素( 初始 pH、空气流量、温度和填料) 对沼液吹脱效果和总传质系数的影响。结果表明:
在 pH= 10,空气流量为 300 L/ h,温度为 50 ℃、投加填料的最优工艺条件下,其总传质系数为 0. 4535 h
-1
关键词: 人粪处理; 沼液; 吹脱; 传质系数
DOI: 10. 13205 /j.hjgc.201901014
STUDY ON FACTORS EFFECTING MASS TRANSFER RATE OF AMMONIA-NITROGEN
STRIPPING IN HUMAN BIOGAS SLURRY
BAI Xiao-feng
1
,LI Zi-fu
2
,WANG Qi
1
,WANG Miao-miao
1
( 1. Postdoctoral Scientific Research in CCCC-TDC Environmental Engineering Co.,Ltd,Postdoctoral Scientific Research in
Dongjiang Free Trade Port Zone of Tianjin Management Committee,Tianjing 300461,China;
2. School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)
Abstract: Air stripping method was adopted for pre-treatment of biogas slurry from anaerobic digestion of faecal sludge,in
order to improve its low carbon nitrogen ratio which was not good for biochemical treatment. Influences of four main factors
( initial pH,air flow,temperature and filler) on stripping effect and total mass transfer coefficient were studies. The study
results showed that temperature had a great influence on the mass transfer coefficient of the stripping system,and the total mass
transfer coefficient of ammonia nitrogen stripping at 50 ℃ was 2. 3 times of that at 30 ℃ . The optimal process parameters were
achieved when adding fillers under the conditions of pH= 10,air flow rate of 300 L/ h,temperature of 50 ℃ . The total mass
transfer coefficient under optimal process condition was 0. 4535 h
-1
Keywords: disposal of faecal sludge; biogas slurry; air stripping; mass transfer coefficient
* 国家国际科技合作专项( 2013DFG92620) ; 中央高校基?#31350;?#30740;业务费
( 2302013FRF-MP-13-001B) 。
收稿日期: 2018-06-13
0 引 言
厌氧发酵的剩余物沼液通常含有高浓度的氮、
磷、钾、悬浮物和持久性有机物质,可作为农业领域的
肥料使用,从而将营养物质进行回收利用
[1-2]
。然而
沼液的过度施用会造成农田的氮污染
[3]
。农田施肥
是间歇性的,而沼气工程沼液的产生具有连续性和持
久性,这使得沼液在非施肥期的大量积累
[4]
。通常
由于没有足够的存储空间使得数量巨大的沼液无法
得到?#34892;?#23384;储,而被直?#20248;?#25918;到附近的水?#26723;?#22320;,对
周围的水质产生严重污染。厌氧发酵过程中微生物
将大量底物作为碳源转化成甲烷从系?#25345;信?#38500;,而有
机氮则被转化成氨氮留在系统中,造成沼液的 C /N
失调,而使得传统生物处理法的效果不佳。为了提高
传统生物处理法对沼液的处理效果,需改善 C /N,降
低沼液中氨氮的含量,并在沼液进入生物处理系统前
进行预处理
[5]
。沼液呈偏碱性,还带有发酵时的余
[6]
,氨氮较易溢出。根据此特性采用吹脱法对沼
液氨氮进行预处理。国内外已有一些关于沼液吹脱
的研究
[5,7-9]
,但大多以畜禽粪便厌氧发酵产生的沼
液为研究对象,未见对人粪发酵沼液吹脱方面的报
道。Gutin 等
[9]
在研究不同影响因素对沼液吹脱的环 境 工 程 第 37 卷
影响时发现,不同影响因素对沼液吹脱的影响程度依
次为 pH?#37202;?#27668;量>温度。Lei 等
[5]
对以猪粪和?#32479;?#22403;
圾为发酵底物的沼液进行吹脱试验时发现,沼液在优
化工艺?#38382;?#26465;件下氨氮去除率达 89. 9%。李勇
[8]
过研 究 发 现: 猪 粪 沼 液 在 pH 为 11、空 气 流 量 为
40 L / h、温度为 30 ~ 40 ℃ 条件下吹脱 90 min 后氨氮
去除率达 85%,残余 ρ( 氨氮) 为 60 mg /L。本文选用
吹脱法对人粪沼液进行预处理,在优化吹脱工艺?#38382;?
的同时对各影响因素条件( 初始 pH、空气流量、温度
和填料) 下的总传质系数进行研究分析。
1 试验部分
1. 1 材 料
试验沼液取?#21592;本?#24066;朝阳区某人粪沼气工程厌氧
发酵罐经沉淀后的出水,具体水质指标如表 1 所示。
表 1 试验沼液水质?#38382;?
Table 1 Water quality of biogas slurry
mg /L( pH 除外)
ρ( COD) ρ( NH
+
4 -N) ρ( TP) ρ( PO
3-
4 -P) pH
2200 ~ 3500 3500 ~ 4200 120 ~ 160 90 ~ 120 7. 8 ~ 8. 2
1. 2 试验装置
试验装置主要由恒温水浴锅、吹脱?#20174;?#22120;、空气
压缩机、气体流量计组成,如图 1 所示。
图 1 沼液吹脱处理试验装置
Fig.1 Air stripping test device for biogas slurry
1. 3 试验设计
试验将 1 L 经 NaOH 或 H2 SO4 调节至设定 pH 值
的沼液加入烧杯中,在不同空气流量、温度及有/无填
料情况下进行氨氮吹脱。具体试验方案如表 2 所示。
测定不同?#38382;?#26465;件下沼液中氨氮的去除效果,并分析
不同条件下系统的传质系数变化,每?#38382;?#39564;重复 3
次,试验结果取平均值。
1. 4 分析指标及方法
本?#38382;?#39564;的主要分析指标为氨氮,测试方法采用
HJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度
法》。pH 采用哈纳 HI9125N 便携式防水型测定仪测
定。试验药剂均为分析纯。氨氮去除率 η 由式( 1)
表 2 沼液吹脱试验方案设计
Table 2 Design of biogas liquid stripping experiment
试验序号 初始 pH 空气流量/
( L·h
-1
)
吹脱温度/
℃ 有无填料
1 8 200 30 无
2 9 200 30 无
3 10 200 30 无
4 11 200 30 无
5 10 100 30 无
6 10 300 30 无
7 10 300 50 无
8 10 300 50 有
计算得出:
η =
C0 - Ct
C0
× 100% ( 1)
式中: C0 和 Ct 分别为沼液中氨氮在初始时刻和 t 时
刻的质量浓度,g /m
3
根据气液传质理论
[10-11]
,沼液氨氮吹脱过程中
氨氮浓度和时间的关系由式( 2) 表示。当空气中氨
氮浓度远?#21019;?#21040;饱和时,式( 2) 可简化为式( 3) 。因
本试验所用空气中的氨氮浓度远?#21019;?#21040;饱和,故可采
用式( 3) 进行传质系数计算:
- ln
Ct
C0
=
QGH
VL
1 - exp
aKL VL
[ ( QGH ) ]
t ( 2)
- ln
Ct
C0
= aKL t ( 3)
式中: QG 为气体流量,m
3
/ h; H 为无因次亨利系数; VL
为液体体积,m
3
; KL 为总液相传质系数,m / h; t 为吹
脱时间,h; a 为单位体积废水的气液界面积,m
2
/m
3
可由式( 4) 计算得出
[12]
:
a =
a1 + a2 + a3
VL ( 4)
式中: a1 为液相内的气泡表面积,m
2
/m
3
; a2 为气泡上
升?#20102;?#38754;时破碎后所产生的水滴表面积,m
2
/m
3
; a3
为吹脱槽的自由表面积,m
2
/m
3
。a1 和 a2 难以实际
测定,aKL 常用总传质系数 K 表示。K 可以?#20174;?#19981;同
因素对氨氮吹脱效果的影响。吹脱过程中氨氮浓度
与吹脱时间的变化关系可简化为式( 5) :
- ln
Ct
C0
= Kt ( 5)
2 结果与讨论
2. 1 初始 pH 值对氨氮去除率的影响
氨氮在水溶液中存在如式( 6) 所示的平衡关系,
增大系统的 pH 值可使平衡向左移动,提高氨分?#20248;?
47第 1 期 白晓凤,等: 影响人粪沼液氨氮吹脱传质速率的因素分析
度,增大气液相氨氮的浓度梯度,有利于吹脱的进行。
在空气流量为 200 L / h,温度为 30 ℃,时间为 10 h
时,不同初始 pH 条件下氨氮去除率的变化如图 2 所
示。可知: 随着 pH 的增大,氨氮的去除率?#25163;?#28176;增
大趋势,但增大的程度不同。沼液初始 pH 从 8 增至
9 时,去除率增加缓慢,仅增加 11. 63 百分点; pH 从 9
增至 10 时,去除率增加较快,增加 24. 03 百分点; pH
从 10 增至 11 时,去除率增长变缓,仅增加 11. 03 百
分点。
NH3 + H2ONH
+
4 + OH
( 6)
图 2 不同初始 pH 条件下氨氮去除率变化
Fig.2 Ammonia nitrogen removal rate under different initial pH
根据式( 5) ,以-ln( Ct /C0 ) 为纵坐标,以时间 t 为
横坐标进行数据拟合,如图 3 所示。直线斜率?#27425;?#24635;
传质系数,拟合结果如表 3 所示。可知: 随着初始 pH
的增大,总传质系数逐渐增大。汪海涛等
[13]
的研究
表明,随着 pH 的升高,传质系数不断增大,但增幅逐
渐减缓。由图 3 也可看出: 总传质系数在初始 pH 从
8 上升到 10 的过程中表现出快速增加的趋势,而 pH
从 10 上升到 11 后增幅变缓。图 4 显示了 NaOH 投
加量对沼液 pH 的影响。可知: 沼液 pH 从 10 上升到
11 需要另外投加 3. 3 mL NaOH,即增加 42. 3%的药
剂费。因此综合考虑,本试验采用 pH 为 10 作为氨
氮吹脱优化工艺?#38382;?
表 3 不同初始 pH 条件下氨氮的传质拟合?#38382;?
Table 3 Fitting parameters of mass transfer of ammonia
nitrogen under different initial pH
初始 pH 拟合方程 R
2
总传质系数/ h
-1
8 y = 0. 0391x 0. 8496 0. 0391
9 y = 0. 0571x 0. 9191 0. 0571
10 y = 0. 1130x 0. 9527 0. 1130
11 y = 0. 1557x 0. 9146 0. 1557
2. 2 不同空气流量对氨氮去除率的影响
空气流量是影响吹脱效果的重要因素之一,不同
◆ pH= 8; ■ pH= 9; ▲ pH= 10;
× pH= 11。
图 3 不同初始 pH 条件下 NH
+
4 -N 的传质拟合曲线
Fig.3 Mass transfer curve of ammonia nitrogen under different initial pH
图 4 不同 NaOH 投加量对沼液 pH 的影响
Fig.4 Effect of NaOH dosage on pH value of biogas slurry
的空气流量代表了不同的气液比,?#23454;?#30340;气液比可促
进氨分子的转移,使氨氮去除率更接近氨分子的理论
比例
[7]
。为考察空气流量对氨氮吹脱效果的影响,
在 pH = 10,温度为 30 ℃ 条件下,分别采用空气流量
100,200,300 L / h 对初始 pH 为 10 的沼液进行吹脱。
试验结果如图 5 所示。可知: 随着曝气量的增大,氨
氮去除效果逐渐增大。曝气量增加相同梯度值( 100
L / h) 时氨氮去除率的增长并不是等量增加,而是随
着空气流量的增加,吹脱效果的提高程度逐渐增大。
该试验结果与沈耀良等
[12]
在研究空气流量对垃圾渗
滤液氨氮吹脱效果影响时得出的结果正好相反。分
析原因是本试验设置的空气流量?#31995;停?#22312;低空气流量
条件范围内增加空气流量会增加气泡对吹脱池中液
体的扰动。图 6 所示为对不同空气流量下的试验数
据进行传质模型拟合,拟合结果如表 4 所示。总传质
系数的变化趋势表明,空气流量在 300 L / h 时对氨氮
的吹脱效果最好。考虑到继续增加空气流量会增加
动力成本,因此,本试验采用空气流量为300 L / h作为
氨氮吹脱优化工艺?#38382;?
2. 3 不同温度对氨氮去除率的影响
温度可 以 改 变 氨 分 子 在 液 体 中 的 水 解 平 衡。
Liao 等
[14]
发现较高温度越有利于吹脱的进行。厌氧
57环 境 工 程 第 37 卷
—◆—100 L / h; —■—200 L / h; —▲—300 L / h。
图 5 不同空气流量下氨氮去除率变化
Fig.5 Ammonia removal rate of ammonia nitrogen under different air flow
◆ 100 L / h; ■ 200 L / h; ▲ 300 L / h。
图 6 不同空气流量条件下 NH
+
4 -N 传质拟合曲线
Fig.6 Mass transfer curve of ammonia nitrogen under different air flow
表 4 不同空气流量条件下的传质拟合?#38382;?
Table 4 Fitting parameters of mass transfer under
different air flows
空气流量 拟合方程 R
2
总传质系数/ h
-1
100 L / h y = 0. 0899x 0. 9749 0. 0899
200 L / h y = 0. 1130x 0. 9527 0. 1130
300 L / h y = 0. 1841x 0. 9967 0. 1841
发酵?#38469;?#19968;般分为常温发酵( 10 ~ 30 ℃ ) 、中温发酵
( 35 ℃左右) 和高温发酵( 55 ℃ 左右) 3 种,一般大型
沼液工程多采用中温发酵或高温发酵。本文针对这
两种发酵温度和沼液的温?#20154;?#22833;设置吹脱温度分别
为 30,50 ℃,在空气流量为 300 L / h,pH 为 10 条件
下,考察温度对吹脱效果的影响,试验结果如图 7 所
示。可知: 50 ℃ 时氨氮吹脱效率可达到 98. 76%,比
30 ℃时提高 15. 13 百分点。50 ℃达到相同吹脱效果
仅需 4. 5 h,可以看出温度升高使氨氮去除效率大大
增加。图 8 对不同温度条件下的试验数据进行传质
模型拟合,拟合结果如表 5 所示。可知: 50 ℃ 的总传
质系数是30 ℃ 的 2. 3 倍,温度提高传质效率大大提
高。但对于具体的厌氧发酵工程,提高温度需增加大
量能?#27169;?#25925;不建议采用加热的?#38382;?#36827;行氨氮吹脱,而
应采取?#34892;?#30340;保温措施,以减小
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