膜蒸餾在沼液資源化處理中的應(yīng)用

膜蒸餾在沼液資源化處理中的應(yīng)用

0沼液理化特性動(dòng)物和家禽屠宰廢物的排放是造成農(nóng)業(yè)污染的重要原因。迫切需要建立和完善動(dòng)物和家禽屠宰廢物的處理和回收戰(zhàn)略，以及先進(jìn)、可持續(xù)的污染物處理技術(shù)的應(yīng)用。沼液的理化特性與厭氧發(fā)酵原料及發(fā)酵濃度密切相關(guān)，沼液含水率高達(dá)95%以上沼液中能夠以蒸氣形式分離的主要成分為H1膜蒸發(fā)的基本理論1.1膜溶液的基本形狀和熱態(tài)傳遞機(jī)制膜蒸餾是一種熱驅(qū)動(dòng)型的膜分離過(guò)程，進(jìn)料液和滲透?jìng)?cè)的溫度差導(dǎo)致了膜兩側(cè)的蒸氣分壓差，在蒸氣分壓差的驅(qū)動(dòng)下，NH1.2無(wú)機(jī)陶瓷膜與有機(jī)膜的復(fù)合膜膜蒸餾過(guò)程中主要采用疏水膜，用于防止進(jìn)料側(cè)溶液直接滲透進(jìn)入滲透?jìng)?cè)。常用的有機(jī)膜有聚丙烯（Polypropylene,PP）、聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）、聚偏氟乙烯（PolyvinylideneFluoride,PVDF）和聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene,PTFE）微孔膜，膜孔徑一般在0.1～1.0μm，孔隙率30%至80%除有機(jī)膜被廣泛應(yīng)用于膜蒸餾外，無(wú)機(jī)陶瓷膜經(jīng)過(guò)疏水改性后也可用于膜蒸餾，與有機(jī)膜相比，陶瓷膜材料具備更好的耐高溫和耐機(jī)械沖擊等優(yōu)良性能，但其在組件總體積方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)膜結(jié)構(gòu)失穩(wěn)主要包括膜孔徑尺寸的變化、膜孔潤(rùn)濕、膜孔堵塞、膜表面污染等1.3運(yùn)營(yíng)參數(shù)對(duì)膜蒸發(fā)性能的影響根據(jù)膜蒸餾基本原理，溫度差導(dǎo)致的蒸氣分壓差是膜蒸餾過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力。進(jìn)料溫度直接影響被分離物質(zhì)的蒸氣分壓1.4溫度極化的出現(xiàn)極化現(xiàn)象是由于在進(jìn)料邊界層發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象而導(dǎo)致邊界層側(cè)溫度降低和濃度增加，進(jìn)而出現(xiàn)和進(jìn)料側(cè)主體溫度和濃度不一致的情況，極化現(xiàn)象包括溫度極化和濃度極化，且兩種極化現(xiàn)象可同時(shí)發(fā)生2沼液膜濃縮法膜蒸餾處理沼液的基本形式如圖1所示，其基本原理為：加熱后沼液的揮發(fā)性組分通過(guò)膜孔自由擴(kuò)散到滲透?jìng)?cè)，餾出物在滲透?jìng)?cè)冷凝并收集，實(shí)現(xiàn)沼液的資源回收與減量化處理2.1調(diào)節(jié)沼液ph值，提高水分回收通量膜蒸餾可從沼液中直接回收獲得水分，而其余大部分物質(zhì)，如有機(jī)物、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素可被疏水膜截留在濃縮沼液中，實(shí)際應(yīng)用和試驗(yàn)研究均重點(diǎn)關(guān)注沼液膜蒸餾過(guò)程中的水質(zhì)和水通量。對(duì)從沼液中獲得的回收水的水質(zhì)，主要影響因素為沼液中揮發(fā)性有機(jī)物的成分與含量、沼液的pH值等。而對(duì)沼液水分回收通量影響較大的因素有：進(jìn)料溫度、進(jìn)料速度、膜污染及膜材料特性等。將沼液pH值調(diào)節(jié)至酸性是最常用的提高回收水分水質(zhì)的方法，其可最大限度的將氨氮在內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)截留濃縮在進(jìn)料側(cè)，從而有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的回收。Yan等增加跨膜溫差、增加流速、采用低傳質(zhì)阻力的膜并保持膜結(jié)構(gòu)特性的穩(wěn)定是獲得沼液膜蒸餾過(guò)程中高水分回收通量的主要措施。當(dāng)跨膜溫差在50℃，采用厚度89μm、膜孔0.45μm和孔隙率為73%的PTFE平板膜處理尿液時(shí)，水回收通量可高達(dá)65.84L/m工程上采用氣隙式膜蒸餾（AGMD）的方式處理廢水時(shí)，滲透?jìng)?cè)設(shè)置有一層空氣間隙，以便于餾出物透過(guò)空氣間隙后在冷凝板上冷凝液化后進(jìn)行收集除膜蒸餾外，還可采用正滲透、反滲透、納濾和超濾等過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)沼液中水分的回收。但是，由于沼液富含氨氮，簡(jiǎn)單的超濾及納濾過(guò)程對(duì)氨氮截留效果不佳，需與生化反應(yīng)過(guò)程結(jié)合，形成膜生物反應(yīng)器2.2沼液氨氮處理與酸性條件下將氨氮截留在濃縮液中不同，堿性條件下主要以氨氮回收為主。例如DCMD回收沼液氨氮過(guò)程中，一般調(diào)節(jié)沼液pH值至9～11，此時(shí)氨氮以自由氨的形式透過(guò)膜孔，被滲透?jìng)?cè)的酸液接收膜蒸餾分離沼液氨氮的研究集中在沼液pH值提升、膜傳質(zhì)通量的穩(wěn)定、氨氮選擇性分離特性提高與接收液選取等四個(gè)方向。除直接向沼液中添加堿性物質(zhì)外已有多種形式的膜蒸餾過(guò)程用于沼液氨氮回收。除最常見(jiàn)的DCMD用于沼液氨氮回收外，采用SGMD也可實(shí)現(xiàn)對(duì)沼液氨氮脫除將沼液調(diào)節(jié)至堿性后，采用減壓膜蒸餾（VMD）的方式在膜的滲透?jìng)?cè)施加真空，可以獲得更高的氨氮傳質(zhì)系數(shù)圖3所示的膜分離過(guò)程對(duì)氨氮的回收率均高于80%，但由于氨氮分子量與水分子接近，采用壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)沼液氨氮達(dá)到100%截留。而在酸性條件下對(duì)沼液進(jìn)行膜蒸餾，由于氨氮以離子態(tài)形式存在而不會(huì)揮發(fā)，因此可實(shí)現(xiàn)近100%的氨氮截留。2.3膜蒸餾過(guò)程的能耗與成本沼液膜蒸餾過(guò)程中主要靠熱能驅(qū)動(dòng)揮發(fā)性組分的跨膜傳質(zhì)，在單級(jí)膜蒸餾且不具備熱能回收的系統(tǒng)中，DCMD的熱能耗可高達(dá)2000～3500kW·h/m對(duì)于單級(jí)膜蒸餾的熱能回收利用，主要是針對(duì)濃縮液和滲透液回流對(duì)進(jìn)料液進(jìn)行加熱（圖4a）。當(dāng)采用熱能回收技術(shù)后，單級(jí)減壓膜蒸餾的熱能耗可降低至800kW·h/m3膜蒸餾處理沼液過(guò)程中電能輸出在具備熱電聯(lián)產(chǎn)的沼氣工程中，膜蒸餾可利用發(fā)電余熱對(duì)沼液進(jìn)行處理，可大幅降低膜蒸餾處理沼液的成本。以沼氣產(chǎn)量10000Nm將所產(chǎn)熱能全部用于驅(qū)動(dòng)膜蒸餾處理沼液，并提供對(duì)應(yīng)的電能，則沼氣工程還能輸出占沼氣化學(xué)能33.45%的電能。因此，當(dāng)采用膜蒸餾處理沼液時(shí)，在不影響沼氣工程對(duì)電能輸出的前提下，還能獲得循環(huán)用水。由于厭氧發(fā)酵原料和發(fā)酵濃度不同，所產(chǎn)生的沼液體積也存在差異4沼液膜濃縮技術(shù)應(yīng)主要使用于低濃度養(yǎng)殖廢水處理現(xiàn)階段，可用于沼液處理的技術(shù)如表1所示，分為氣體吹脫、膜分離、化學(xué)沉淀和生化反應(yīng)處理等。其中，生化反應(yīng)處理沼液比較徹底，可實(shí)現(xiàn)沼液的達(dá)標(biāo)排放處理，如硝化-反硝化技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)等，但生化反應(yīng)過(guò)程無(wú)法回收資源，且更加適合低濃度養(yǎng)殖廢水處理，對(duì)于高濃度沼液處理還需要進(jìn)行深入研究?；瘜W(xué)沉淀法可方便用于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回收，操作簡(jiǎn)單且對(duì)于高污染物的耐受性好，其用于沼液處理還需要和其他技術(shù)配合使用。氣體吹脫法是近期可用于沼液氮磷回收的重要手段，操作簡(jiǎn)單且適用于高污染物含量的沼液，但該技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)沼液達(dá)標(biāo)排放。膜分離技術(shù)如超濾、反滲透等技術(shù)配合使用可從沼液中回收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富的有機(jī)肥，但膜容易受污染，反滲透后剩下的濃縮沼液體積大，還需進(jìn)一步處理。膜蒸餾是膜分離技術(shù)的一種，可直接用于沼液氨氮回收、沼液水回收，也可用于反滲透后剩下的濃縮沼液處理，其對(duì)于污染物的耐受性要顯著高于壓力驅(qū)動(dòng)下的膜分離過(guò)程。因此，近年來(lái)膜蒸餾技術(shù)用于沼液處理的研究也日益增加5膜蒸餾回收沼液過(guò)程中水分回收利用技術(shù)展望本文通過(guò)對(duì)膜蒸餾技術(shù)處理沼液的基本原理、過(guò)程、系統(tǒng)構(gòu)建、經(jīng)濟(jì)分析等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，主要結(jié)論如下：1）相比于其他沼液處理技術(shù)，僅采用膜蒸餾技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)沼液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的回收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沼液資源化與減量化處理，膜蒸餾在處理不同濃度的沼液時(shí)適應(yīng)性強(qiáng)，在簡(jiǎn)化操作過(guò)程方面具備優(yōu)勢(shì)。2）沼液資源化處理時(shí)，可采用膜蒸餾技術(shù)直接從沼液中提取氨氮等營(yíng)養(yǎng)元素，也可采用膜濃縮的方式實(shí)現(xiàn)資源回收。3）在利用余熱驅(qū)動(dòng)水回收時(shí)，膜蒸餾與反滲透處理沼液的成本基本一致，且膜蒸餾處理沼液時(shí)具有更高的水分回收率。4）膜蒸餾可在低品位熱源驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)沼液氨氮回收和減量化處理，降低沼液處理的碳足跡?，F(xiàn)階段膜蒸餾處理沼液的研究主要集中在操作性能優(yōu)化、膜污染特性以及與其他膜過(guò)程結(jié)合應(yīng)用研究。但因?yàn)槠錈崮芎妮^高，運(yùn)行通量較低等因素，導(dǎo)致其中試研究和工程化應(yīng)用還較少。未來(lái)需要在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：1）開(kāi)展膜蒸餾處理沼液的中試研究，并在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中積累實(shí)踐數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)沼液膜蒸餾處理的基礎(chǔ)研究和工程實(shí)踐。2）開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)針對(duì)高有機(jī)物含量沼液處理的膜材料，提升過(guò)程的穩(wěn)定性并減少膜污染。3）氨氮作為沼液中可回收的重要資源，針對(duì)氨氮回收的高性能膜材料尚需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；此外，可循環(huán)使用的沼液氨氮接收液還有待篩選。4）基于余熱或可再生能源驅(qū)動(dòng)型的低成本沼液膜蒸餾技術(shù)值得