畜禽粪污处理中氨气膜接触器回收的传质及选择性研究

对畜禽粪污好氧堆肥中产生的氨气与厌氧发酵后沼液中的氨氮进行回收,不仅可以减少污染物和温室气体的排放,达到减污降碳的目的,还能获得氮肥产品,增加粪污处理的经济性。针对现有氨气捕集过程中设备体积大和灵活性差等问题,提出了采用中空纤维膜来实现氨气捕集的目标。采用空气吹扫氨水溶液模拟了不同情形下的氨气浓度与空气流量,测试不同情形下氨气捕集的通量和回收率,分析影响氨气捕集的主要因素和传质特性。结果表明,氨气向膜内传质的阻力主要受气相传质阻力和膜的传质阻力影响,低空气流量下气相传质阻力占主导地位。提升空气流量至5 L/min时,气相传质阻力比0.5 L/min时下降53.6%,此时膜内传质阻力占主导。氨气捕集通量随进膜氨气浓度的增大而提升。在空气流量低于1 L/min下,氨氮回收率高于95%,0.5 L/min时的氨氮回收率高于99%。在氨气停留时间足够的条件下,氨氮回收率仅与酸液吸收容量相关。在温度差和浓度差的影响下,空气中的水蒸气会向膜内的吸收剂中传递。吸收剂中含质量分数26%的硫酸铵比仅含1%的硫铵溶液水回收通量高13.3倍,氨氮分离因子由41.6降低至3.06。酸液质量分数对氨气的传质无显著影响。文献对比表明典型状态下粪污处理中的氨气释放质量浓度与本研究中涉及的质量浓度区间基本一致,说明中空纤维膜捕集氨气具有较广的适用性。

直接接触式膜蒸馏结晶回收沼液氨氮性能

为解决现有沼液氨氮膜回收技术中氮肥浓度低和副产物价值低的问题,该研究提出采用膜蒸馏结晶技术实现沼液中氨氮的结晶回收。研究中,通过提升近饱和接收液的温度来平衡膜两侧的水蒸气分压,在保证氨氮传质通量的情况下最小化水分传质。操作结束后接收液中铵盐达到超饱和状态,冷却至常温即可回收铵盐晶体。结果表明,当进料侧沼液温度为40℃时,近饱和磷酸二氢铵温度需提高至47℃,而使用硫酸为吸收剂时,近饱和硫酸铵溶液温度需提高至65℃。酸液温度升高对氨通量也有促进作用,氨通量由40℃时的10.70 g/(m^(2)·h)小幅提升至70℃时的14.90 g/(m^(2)·h)。进料侧氨氮质量浓度的提升可显著增加氨氮回收通量。磷酸二氢铵为吸收剂时,试验6 h后晶体中的氨氮回收率为77.60%,采用硫酸为吸收剂时可提高至92.20%。继续延长处理时间,晶体中的氨氮回收率甚至超过100%。显然,采用膜蒸馏结晶技术回收沼液氨氮具一定的可行性,研究结果可为沼液氨氮的高价值回收提供一定参考。

以富CO_(2)吸收液为汲取液的沼液中水正渗透回收特性研究

针对沼气工程存在的沼液量大难处理问题及沼气提纯的需求,提出将正渗透技术与沼气CO_(2)化学吸收分离耦合,探究了沼气CO_(2)化学吸收中的富CO_(2)吸收液作为正渗透汲取液从沼液中回收水及浓缩沼液的可行性,并以沼液浓缩过程中的水通量、沼液浓缩倍数、沼液氨氮截留率与吸收剂反向传质通量为指标,考察了汲取液种类、汲取液浓度与其他操作参数对正渗透水回收性能的影响。结果表明,富CO_(2)吸收液作为汲取液从沼液中回收水并浓缩沼液具有可行性,且随着汲取液浓度、流量和温度的增加,沼液中水向汲取液的传质通量增加,沼液浓缩倍数也相应增加,但沼液中氨氮截留率下降,同时汲取液中的吸收剂溶质向沼液的反向传质通量也增加。当采用浓度2.5mol/L、CO_(2)负荷0.5mol/mol的富CO_(2)甘氨酸钾溶液作为汲取液,汲取液温度为70℃、流速为150mL/min、沼液室温及流速为150mL/min时,采用正渗透技术从沼液中回收水的初始通量达8.05L/(m^(2)·h),经过4h运行后,沼液浓缩倍数为1.18,氨氮截留率为84.13%,反向吸收剂通量仅为2.94g/(m^(2)·h)。

气隙膜蒸馏回收绿色氨水性能研究

回收沼液中的氨氮可实现低成本和低碳足迹的氮肥生产.理论上气隙膜蒸馏能以绿色氨水形式将沼液中氨氮加以回收,然而该方面的研究还较少.本文对气隙膜蒸馏以氨水形式回收沼液中氨氮的具体性能进行了研究.采用单因素实验分别研究了气隙厚度、进料温度、初始氨氮浓度和进料流速等因素对模拟沼液中氨氮回收效率的影响.结果表明氨通量和水通量均随着进料温度的增加而增加,随着气隙厚度的增加而降低.进料流速为90 mL/min时,氨氮分离因子和氨氮脱除率均为最高值.基于单因素实验结果,采用正交实验探究气隙膜蒸馏回收氨氮的最佳实验变量组合.结果表明,气隙厚度3 mm、进料温度54℃、初始氨氮浓度800 mg/L和进料流速90 mL/min是以氨氮分离因子为评价参数时的最佳实验变量组合.

生物质灰致沼液氮磷脱除研究

为降低沼液氮磷脱除的操作费用,提出向沼液中添加生物质灰来辅助氮磷脱除。试验研究了水稻秸秆、花生壳、棉花秸秆和玉米秸秆4种生物质在600℃下燃烧后的生物质灰对沼液pH值、氨氮浓度和总磷的影响。同时考察了生物质灰添加对沼液化学需氧量、悬浮物质量浓度、浊度及植物生理毒性的影响。结果表明,棉花秸秆灰在沼液中的溶解度最大,为12.97%,而花生壳灰溶解度最低,仅为10.67%。通过Ca^(2+)、Mg^(2+)和OH^-等离子的引入,生物质灰添加可部分沉淀沼液中的CO_2,提升沼液p H值至9.5~11.0,满足"热-吹脱"氨氮脱除工艺对p H值的要求。同时,随着生物质灰添加量的增加,沼液中总磷含量基本呈现先降低后略微升高的趋势,当添加100 g/L棉花秸秆灰时,沼液总磷最高脱除率可达78.74%,其质量浓度可由初始值19.66 mg/L降低至4.18 mg/L。这表明生物质灰添加有利于氮磷脱除,理论上可降低氮磷脱除的操作费用。另外,添加生物质灰可在一定程度上降低沼液化学需氧量、悬浮物质量浓度和浊度,其中棉花秸秆灰的综合表现最优,对三者的降低幅度分别达56.71%、57.24%和77.37%。最后,用添加生物质灰后的沼液富CO_2溶液培养大白菜种子,其发芽指数整体大于0.8,表现出较低的植物生理毒性。因此,生物质灰可用于辅助沼液氮磷脱除,有利于沼液后期施用,其中,棉花秸秆灰的效果最优。

有机胺基氨基酸盐混合吸收剂对沼气中CO_2的分离特性

在鼓泡式CO2吸收和再生装置中,研究了N-甲基二乙醇胺(MDEA)/乙醇胺(MEA)、MDEA/乙醇胺基甘氨酸(MEAGLY)和MDEA/乙醇胺基肌氨酸(MEASAR)混合吸收剂的沼气CO2吸收及再生特性。结果表明:混合吸收剂的沼气CO2吸收速率随MEA、MEAGLY和MEASAR等添加剂添加量的增加而提高,但再生速率却呈现下降趋势。再生过程中,吸收剂在升温阶段均发生了CO2再生,且混合吸收剂再生效果要优于单一吸收剂。综合考虑CO2吸收速率、再生速率和CO2循环携带量,MDEA与活化剂质量配比为3∶2时所组成的混合吸收剂的沼气CO2吸收-再生综合性能最优。沼气CO2分离成本对比分析显示,与质量分数为30%的MEA相比,总质量分数为30%的MDEA/MEAGLY(3∶2)和MDEA/MEA(3∶2)的CO2分离成本可分别下降约12%和30%,在未来具有替代MEA进行工程应用的潜能。

基于膜蒸馏的沼液资源化处理研究进展

沼液可占湿法厌氧发酵后发酵剩余物总质量的80%以上,在农田土地承载量和运输成本的双重限制条件下,大型沼气工程的沼液很难通过还田利用的方式进行完全消纳。对沼液实行资源化处理既能减少沼液体积和降低对环境的潜在威胁,还可实现高附加值的资源回收,促进可持续的农业循环经济发展。作为膜分离技术中的重要分支,膜蒸馏在沼液处理过程中具有适应性强、膜污染程度低、避免发泡与快速脱氨等多方面的优势。在沼液处理与农业废弃物资源回收中具有广阔发展前景。为此,该研究从介绍膜蒸馏的基本原理出发,就膜蒸馏处理沼液过程中最核心的氨氮与水分回收部分进行详细的综述,并针对沼液处理过程中的营养物质回收与减量化处理进行了综合分析,最后对膜蒸馏用于沼气工程中的可行性进行简要计算。相比于其他沼液处理技术,膜蒸馏可在低成本与低碳足迹下实现沼液的资源回收与减量化处理,其处理沼液的成本与反渗透过程基本一致。在无外部能源供给的沼气工程中,膜蒸馏更适用于高有机负荷沼液处理,或对反渗透后剩余的高浓度沼液进行处理。

减压浓缩对沼液CO_2吸收性能和植物生理毒性的影响

利用减压浓缩试验装置在50℃和2 k Pa下对沼液进行浓缩,分别测试了沼液、沼液浓缩相及冷凝回收稀相的CO2吸收性能和植物生理毒性。结果表明,沼液减压浓缩到4倍时,沼液浓缩相p H值升高至8.73,其饱和CO2吸收负荷增加26.70%,氨氮去除率为86.41%。浓缩相中的大部分氨氮以自由氨的形式转移到沼液稀相中,使稀相p H值达到10.05,饱和CO2吸收负荷达0.075 mol/L。但浓缩相和稀相的净CO2吸收容量之和比原沼液降低21.3%,其主要原因在于减压浓缩过程中自由氨的挥发损失。用原沼液、浓缩沼液及稀相的富CO2溶液育种时,大白菜种子的发芽指数(GI)均大于0.8,表现出较低的植物生理毒性,说明减压浓缩可降低消纳沼液所需的农田面积。试验中也对不同类型CO2吸收强化添加剂的性能进行了比较。在相同的CO2吸收强化性能要求下,钠盐添加剂组富CO2沼液的植物生理毒性低于氨水添加剂组,其主要原因在于添加氨水导致了沼液氨氮含量的大幅增加。

有机胺基氨基酸盐吸收剂的沼气CO_2分离特性

在鼓泡式CO2吸收和再生装置中对有机胺基氨基酸盐吸收剂的沼气CO2吸收和再生特性进行了研究,并与乙醇胺(MEA)和哌嗪(PZ)进行了对比。试验中,气相为典型的模拟沼气氛围(CO2与CH4体积分数比为4∶6,常压),液相CO2吸收温度为35℃,再生温度为75℃,并辅以纯CH4作为吹扫气。结果表明:当达到CO2吸收和再生平衡时,质量分数为30%的4种乙醇胺基氨基酸盐吸收剂对CO2的净携带容量均优于MEA,且乙醇胺基鸟氨酸盐(MEAORN)的CO2净携带容量最高(0.733 mol/mol),比第二位、质量分数为15%的PZ高82.34%。同时,综合考虑能耗与投资成本,对吸收剂CO2分离成本的对比分析表明,MEAORN和PZ的沼气CO2分离成本低于MEA,而乙醇胺基氨基乙酸盐(MEAGLY)在大规模沼气提纯上具有替代MEA进行工程应用的潜能。

外源吸收剂对沼液CO_2吸收及农业应用的影响

作为生物质厌氧发酵产沼气的副产物,沼液呈弱碱性,并富含刺激植物生长的有益成分,理论上可作为一种融合CO_2吸收和CO_2生物储存的可再生吸收剂,但沼液CO_2吸收性能需要强化。外源CO_2吸收剂的添加有助于提升沼液的CO_2吸收性能,但也会影响沼液的植物生理毒性。因此,本文在经典鼓泡式CO_2吸收装置中,研究了6种典型外源吸收剂对沼液CO_2吸收性能及植物生理毒性的影响,探究了沼液浓缩倍数和外源吸收剂添加量对沼液CO_2吸收性能的提升效果,并从植物生理毒性及总磷含量角度探讨了其对沼液农业应用的影响。结果表明:减压浓缩对沼液中主要有害物质氨氮具有脱除作用,当沼液被浓缩到5倍时,氨氮脱除率可达87.69%。与直接向原沼液中引入低浓度外源吸收剂相比,通过向浓缩沼液中添加高浓度吸收剂不仅可大幅提高单位体积沼液的CO_2携带量,而且将富CO_2沼液稀释至浓缩前的体积后,其种子发芽指数(GI值)也优于原沼液。同时,外源吸收剂的添加对沼液中总磷具有一定脱除作用,降低了沼液应用过程中磷对环境的潜在危害。6种外源吸收剂中,乙醇胺(MEA)在提高沼液CO_2吸收性能及降低植物生理毒性等方面具有综合优势。

沼气中CO_2化学吸收传质性能分析与传质系数建模

以气相总体积传质系数为指标,在乱堆鲍尔环填料吸收塔内研究了乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)和哌嗪(PZ)4种典型吸收剂对模拟沼气中CO_2的吸收传质性能,考察了吸收剂浓度、吸收剂温度、吸收剂体积流量、CO_2负荷、气体流量与CO_2分压的影响,并建立了MEA、DEA和PZ的气相总体积传质系数的计算经验模型。结果表明,相同吸收剂浓度条件下,PZ具有最优的CO_2传质性能,MEA和DEA次之,TEA最差。随着吸收剂浓度的增加,除TEA外,其他3种吸收剂的气相总体积传质系数均大幅增加,填料塔出口CO_2体积分数大幅下降,且MEA在3.27 mol/L时可获得最高的气相总体积传质系数(1.37 kmol/(m^3·h·k Pa));提升吸收剂体积流量、吸收剂温度、气体流量及降低吸收剂初始CO_2负荷均可有效增加吸收剂的气相总体积传质系数,但CO_2分压变化对气相总体积传质系数影响不显著。最后,建立了MEA、DEA和PZ吸收剂的气相总体积传质系数的计算经验公式,且气相总体积传质系数的试验值与计算值之间的绝对平均误差均小于14%。

以负碳排放为目标的生物质灰矿化CO_(2)路径研究

将生物质能源开发利用与碳捕获、利用与封存结合,可实现CO_(2)负排放,是能源领域降低CO_(2)排放的重要技术之一。生物质直接燃烧后产生的生物质灰理论上可吸收并永久封存CO_(2),但其能否实现负碳排放还需进行深入研究。基于此,分别在自然状态(空气氛围)、中等CO_(2)初始分压(101.3 kPa)和高CO_(2)初始分压(300~1400 kPa)条件下开展了生物质灰矿化CO_(2)试验,测试了生物质灰的CO_(2)矿化量,并评估了3种矿化路径的负碳排放量。结果表明,从空气中吸收CO_(2)时,生物质灰的CO_(2)矿化性能最差,40 d内的最高CO_(2)矿化量仅为60.66 g/kg。在中等CO_(2)分压101.3 kPa条件下,可最高实现121.68 g/kg的矿化量,而初始分压1400 kPa下的CO_(2)矿化量可达216.85 g/kg。综合考虑矿化过程的能源消耗和生物质灰运输产生的碳排放及灰的固碳量等因素,评估了3种生物质灰矿化路径的实际负碳排放量。当生物质灰运输距离小于207 km时,适合选择中等CO_(2)分压矿化路径以获得最大的负碳排放效益;当运输距离大于207 km时,建议选择高CO_(2)分压矿化路径。

沼液氨氮减压蒸馏分离性能与反应动力学

对沼液中氨氮进行脱除,有助于降低沼液对环境的潜在危害和在农业生态应用时对植物的生理毒性,但现有沼液氨氮脱除技术存在氨氮分离反应动力学常数较小和耗时较长等问题。基于此,在扩大沼液中氨氮利用价值的目标下,该文在旋转蒸发仪上对沼液进行了减压蒸馏分离研究并探索了温度、压力和Na OH添加量对氨氮分离效果的影响,同时进行了三因素四水平的正交试验,对操作参数进行优化。研究中,采用氨氮分离一级反应动力学常数评价反应速率,用氨氮分离因子评价氨氮分离性能。单因素试验结果表明,Na OH添加量增加有利于同时提升一级反应动力学常数和分离因子。同时,降低操作压力和增加反应温度有助于提升一级反应动力学常数,但却会带来分离因子值的下降。正交试验结果表明,3个操作参数对氨氮分离效果的主次顺序依次为:p H值,压力,温度。筛选出的优方案为Na OH添加量15 g/L(p H值为13.04)、压力15 k Pa、温度35℃,此时氨氮分离一级反应动力学常数为0.97 h-1,达到90%氨氮去除率时分离因子值为395.96。这意味着对p H值提升后的沼液进行减压蒸馏,不仅可对沼液中氨氮达到较好的分离效果,理论上还能回收较高浓度的氨水用于沼气净化提纯。相比于热吹脱和气体吹脱技术,在同等p H条件下,减压蒸馏技术可在较低温度下获得更高的一级反应动力学常数,且极易通过温度和压力的改变进行提升,说明减压蒸馏法分离氨氮在反应动力学上具有优势。研究结果可为以回收高浓度氨水为目标的沼液高效低耗氨氮分离提供参考。

CaO/PAC混合絮凝剂的沼液净化性能

厌氧发酵后产生的沼液中含有大量的有机污染物需要处理,为降低后期沼液处理工程的操作费用,改善常规絮凝剂存在的不足,本文提出向沼液中添加由氧化钙(Ca O)和聚合氯化铝(PAC)组成的混合絮凝剂对沼液进行预处理,降低沼液浊度、化学需氧量(COD)和总磷(TP)质量浓度,以及强化沼液的氨氮脱除潜力,并研究了混合絮凝剂中Ca O和PAC的添加顺序、质量浓度配比和总质量浓度的影响。结果表明,Ca O/PAC混合絮凝剂中Ca O和PAC的添加顺序对沼液净化性能的影响并不显著。降低Ca O/PAC中Ca O与PAC的质量浓度配比(m_(Ca O)/m_(PAC))和增加Ca O/PAC总质量浓度均将会降低沼液浊度、COD含量与TP质量浓度,但以沼液p H来表征的沼液氨氮脱除潜能却随着m_(Ca O)/m_(PAC)值与Ca O/PAC总质量浓度的上升而增加。综合考虑混合絮凝剂对沼液的净化性能,Ca O/PAC混合絮凝剂总质量浓度可选择12.5~18.75g/L,m_(Ca O)/m_(PAC)值可选择(2~10)∶1。

基于膜空气吹扫技术的农业温室增施CO_(2)研究

以甘氨酸钾(PG)富CO_(2)溶液(富液)为对象,研究了采用膜空气吹扫技术将富液CO_(2)再生与温室CO_(2)气肥增施融合的可行性,并得出了设施番茄栽培的增施CO_(2)方案。结果表明:在40~80℃时,PG富液初始CO_(2)负荷越高,CO_(2)再生程度越大,释放的CO_(2)量越多,且在约60 min时即可达到再生平衡。在可控参数的最佳条件下(气相流速6 L/min、初始CO_(2)负荷0.75 mol/mol和再生时间60 min),仅通过调节液相流速和再生温度即可控制膜空气吹扫再生的CO_(2)产量。针对标准农业温室(600 m^(3))内的设施番茄栽培,可采用两种CO_(2)气肥增施方案:先将温室内CO_(2)浓度迅速增施至最大浓度,随后根据植物光合情况随时补充;或是先计算番茄在某一段时间内所需的CO_(2)总气量,然后以一定速率均匀地增施到温室中。与传统增施技术相比,富液再生增施CO_(2)技术具有更低增施成本与生态环境敏感性,成本最高可降低约58.00%。对于1000 m^(3)/d沼气产量的生物天然气工程,以富液为载体时,仅需3个连栋温室即可完全消纳沼气提纯中所需脱除的CO_(2)。

CO2化学吸收法中再生气的陶瓷膜余热回收特性

在CO2化学吸收法工艺中,采用富液分流工艺,利用在贫富液换热器前分流的冷富CO2吸收剂溶液回收再生塔顶排出的热再生气(一般为CO2和水蒸气混合气)的余热,有助于降低CO2再生热耗。本文在乙醇胺(MEA)基富液分流化学吸收工艺中,以纳米级多孔亲水陶瓷膜作为分流冷富液和热再生气之间的换热介质,利用水的热质耦合传递强化余热的回收性能。以余热回收通量为指标,探讨了分流的MEA富液流量、温度、质量分数、CO2负荷和热再生气流量及再生气中水蒸气摩尔分数对陶瓷膜热回收性能的影响,并对比了不同分离层孔径陶瓷膜的余热回收性能。结果显示,陶瓷膜的余热回收性能随MEA富液流量的增加而增加,但却随富液温度的升高而大幅下降。同时,随着气体流量和再生气中水蒸气摩尔分数的增大,热回收通量均会增大。由水传质所引发的对流换热对热回收通量具有促进作用,可占总热回收量的10%左右。由于CMHE-10陶瓷膜的分离层孔径与孔隙率均大于CMHE-4陶瓷膜,因而其水传质通量大于CMHE-4陶瓷膜。但CMHE-10陶瓷膜的有效热导率却低于CMHE-4陶瓷膜,因而热回收过程中其水蒸气的冷凝总量要小,导致其热回收性能低于CMHE-4陶瓷膜。