与Anammox成本相近的侧流氨氮处理技术--荷兰Nijhuis公司的氨回收系统(AECO-NAR)...

由于氨氮抑制的作用，许多处理粪便、屠宰场和市政垃圾的厌氧消化器的运行表现并不令人满意。氨氮的抑制视乎铵离子的浓度和底物的pH，这跟下面的铵离子和氨的动态平衡有关。

一般来说，凯氏氮在pH为7.2，浓度为7g/L的时候就会对中温厌氧菌有毒，对于高温菌则为浓度为4.5g/L（pH为7.2）。产甲烷菌受抑制，导致沼气产量的减少。因此，一个氨回收不仅能够防止该抑制作用、增加沼气产量，还能回收宝贵的氮肥。

荷兰的Nijhuis公司就此进行了研发。他们首先在实验室里对厌氧沼渣进行不同工艺填料、温度、pH和吹气量的测试。基于实验室的测试结果，他们搭建了一个全尺寸的示范项目。经过工艺条件的优化，最终实现了一个稳定、经济实惠的高效氮回收系统。他们对这个系统的数据进行收集总结，并发布在IWA期刊Water Practice & Technology 的2017年第12期中。

材料和方法

Nijhuis的氨回收系统(AECO-NAR) 可以处理原底物或者沼渣，系统包括了一个热交换器、CO2吸收池、氨氮吹脱塔和一个洗涤塔。经CO2吸收池的出水经pH和温度控制调节后，进入氨氮吹脱塔，氨的回收率达90%。图三显示氨氮分离率与pH和温度的关系函数。

▲ 图1 示范厂的工艺流程图

▲ 图2 在英国的全尺寸工程应用示范厂

▲ 表1 反应器和填充材料的物理数据

▲ 图3 氨氮的分离率与pH和温度的函数关系

氨氮吹脱塔使用洗涤塔出来的循环气体作为运载气体。他们使用填充材料来提高气液两相的接触表面积。填充材料的规格见表2。

▲ 表2 填充材料规格参数

CO2吸收塔和氨氮吹脱塔的出气运到洗涤塔后，与投加的硫酸反应形成硫酸铵。在出水口安装热交换器回收余热，来减少系统的总能耗。

运行结果

这个全尺寸示范项目的设计的总氮回收率为75%。该污水厂早已超负荷运行，但预期进水量还将持续增加。AECO-NAR氨回收系统安装不是为了满足新增的处理量，而是为了满足污水厂的氨氮出水标准。为了实现这个目标，工艺设定都是根据这个目标来进行优化的。下图是氨氮回收情况：

▲ 图4 氨氮进水和出水浓度以及回收率

上图显示系统在4个月的运行期的氨回收率稳定在70-90%之间。出气的检测结果显示氨气的浓度在0-10ppm。吹脱塔出水的pH和温度（8.5 和 66 °C）都比进水要低（9.0 和 70 °C）。pH和温度的降低使得实际的回收率比图3的工作曲线要低，因为根据进水的数据，预期回收率可以达到90%，而根据出水的数据，回收率只有约65%，所以实际的回收率在75-80%之间。为了确定AECO-NAR系统能够达到更高的回收效率，Nijhuis团队进行了三组短期的测试。首先他们将进水的pH调至9.4，这使得出水pH变为8.9。测试期间的氨平均回收率达90%。

中试测试如下图显示，在不加碱度的情况下，在对CO2吸收池进行优化之前，氨回收率能达到50-60%，经过优化之后能达60-70%。

▲ 图5 不投加碱度的NH4-N回收情况

单位脱氮成本

为了确认这套系统的经济适用性，他们对两个案例进行分析。第一个是一个75m³的全尺寸示范项目（不包含decanter），第二个是300m³/d规模要大一点的处理厂。前者还用了除垢剂来防止结块。后者通过机械方式对在CO2吸收池形成的垢 进行清除，单位去除成本节省了€0.35 /kg。表3是两个案例的起始点参数对比。表4则是单位成本分析，用去除每千克N的成本来表达。投资成本是根据不含前端脱水设备的ACEO-NAR系统来估算的。表4的计算也是按照表3的2.5g/L的氨氮进水浓度来进行的。图6的成本估算则是根据参照2的不同铵根浓度计算的。

▲ 表3 两个参照项目的起始参数对比

▲ 表4 去除每千克氮的成本分析

另外对余热利用与否的情况都包含在内了。结果显示铵根浓度低于1.5g/L的时候， 成本开始急剧上升，到4g/L的时候开始齐平，而带有余热回用的系统费用也显著低于没有余热的系统。

▲ 图6 NH4-N的浓度和余热回收对capex的影响

最后他们将AECO-NAR氮回收技术与其他新兴技术进行了经济性对比，结果显示在性价比上跟其他技术相当，以此想说明还是有其竞争力的。

结论

Nijhuis公司的大型示范项目的结果显示AECO-NAR系统能够实现稳定的氮回收，效率在80-90%之间。没有碱度调节的话，回收率能达60-70%。AECO-NAR系统的回收效率有高度可调节性，视乎温度和pH的设置。硫酸铵是系统的产物，理想浓度为30-40%。他们的分析显示，当处理的铵离子浓度大于1.5g/L时，AECO-NAR系统与其他新技术相比还是很有竞争力的。对于高浓度的进料（4g/L NH4-N），单位成本能降至€1/kg/N，这时AECO-NAR更具经济实惠性。 其他影响单位成本的因素包括了项目的规模、余热的可利用性、当地硫酸铵的市场价格等。

参考资料

H. W. H. Menkveld and E. Broeders, Recovery of ammonium from digestate as fertilizer, Water Practice & Technology Vol 12 No 3, DOI: 10.2166/wpt.2017.049