[發明專利]一種利用兩階段雙極膜電滲析回收畜禽糞便水解液中氨氮、磷和揮發性脂肪酸的方法

有效

• 申請號: 201710310745.1
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107055712B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 占新民;石林;胡真虎;王文靜;王偉;袁守軍
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C02F1/469
• 分類號: C02F1/469;C02F11/00;C02F103/20;C02F101/10;C02F101/12;C02F101/16;C02F101/34
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

本發明公開了一種利用兩階段雙極膜電滲析回收畜禽糞便水解液中氨氮、磷和揮發性脂肪酸的方法，是將糞便水解液經預處理后加入雙極膜電滲析的鹽室中提取其含有的離子。反應過程根據電壓變化分為前后兩個階段，即強電解質去除階段和弱電解質去除階段。最終，氨氮、氯離子和硫酸根等于第一階段被去除，而磷酸根和VFAs等弱酸于第二階段被去除。產生的強酸溶液回流用于預處理過程中水解液的pH調節，當pH＝5時，其釋放出了90％左右的固態磷并提高了VFAs的分離效率。這種兩階段分離方法可以將糞便水解液中的離子分類去除并回收，減少了反應后期相鄰隔室之間的離子擴散損失，提高產品的回收率。

一、技術領域

本發明涉及一種利用兩階段雙極膜電滲析回收畜禽糞便水解液中氨氮、磷和揮發性脂肪酸的方法，屬于廢水及固體廢棄物處理和資源回收技術領域。

二、技術背景

我國是世界上肉類生產大國，豬肉、雞肉、羊肉、牛肉等年產量巨大。2016年，我國肉類總產量為8300多萬噸，禽蛋產量達3000多萬噸。其中，中國人的日常膳食以豬肉為主，導致我國豬肉產量占世界豬肉總產量的52％，常年穩居世界第一。肉類的巨大需求拉動了畜禽養殖業的規模增長，但是，其產生的大量畜禽糞便對環境也造成了巨大的壓力。

畜禽糞便中含有大量的有機物、氨氮和磷等營養素，直接排放入水體中會造成嚴重污染。針對高濃度的有機物，厭氧發酵是一種常規的處理方法，由于其具有負荷高、能耗少、易于操作等優點而被廣泛接受。厭氧發酵中糞便首先經過微生物的水解酸化，產生糞便水解液，釋放出大量的氨氮、磷和揮發性脂肪酸(VFAs)，再通過厭氧產甲烷菌的作用將VFAs降解為二氧化碳和甲烷。然而，經過厭氧發酵后的糞便中仍然含有大量的氮磷資源，其中氨氮濃度可達3000mg/L，磷濃度可達100mg/L。如果不加以處理，將仍然會對環境造成富營養氧化的污染。目前，全國75％的湖泊水域受到顯著富營養化污染，其中以滇池、巢湖、太湖污染尤為嚴重。養殖業中氮磷的排放，是水體富營養化的主要原因之一，而氮磷污染控制仍存在很多技術瓶頸。

氮磷資源對于動植物都是不可替代的營養物質，尤其是磷肥，人類目前只能從磷礦石中獲得。如果能夠在糞便處理的過程中對氮磷資源加以回收利用，則會產生巨大的環境和經濟意義。從資源回收的角度來看，糞便水解液要比發酵后的沼液含有更多的磷與VFAs，其不失為一種更好的回收處理對象。糞便經水解酸化后，通常磷的濃度為200～800mg/L，遠高于發酵液中磷的初始濃度。而VFAs作為弱酸，在水解液中的濃度可達10000mg/L，其也可以被回收用于工業原料。

學者們已經試驗過很多回收氮磷資源的物理和化學方法。其中，針對氨氮的回收，膜分離結合吹脫技術被證明最有效、最節省能量。針對磷的回收，化學沉淀法已經相對成熟且被廣泛應用。但是當磷的濃度低于40mg/L的時候，沉淀效率大打折扣，則需要應用膜技術來濃縮提高磷的濃度。

電滲析技術是一種以電位差為推動力的膜分離技術，能夠有效地提取并濃縮溶液中的氮磷。雙極膜電滲析在傳統電滲析膜堆中引入雙極膜，其能夠在電場中裂解水分子形成氫離子和氫氧根，并釋放至相鄰兩側隔室中，生成酸室和堿室。當電極板上加直流電壓后，鹽室中的陰陽離子分別被轉移并濃縮至酸室和堿室，產生陰陽離子分開回收的效果。但是，對于相同價態的離子，雖然不同質量的離子傳遞速率不同，但是雙極膜電滲析還是無法達到很好的分離，且酸室和堿室中的離子能夠相互擴散轉移，降低電流效率，使產品純度下降。因此，需要尋找一種方法來分離相同價態的離子，并減少酸室和堿室的離子交叉損失。

三、發明內容

本發明旨在提供一種利用兩階段雙極膜電滲析回收畜禽糞便水解液中氨氮、磷和揮發性脂肪酸的方法，所要解決的技術問題是進行酸室強酸根離子和弱酸根離子的分離，并且通過酸室回流方法提高分離效率。