鸟粪石结晶法联合生物聚沉除渣法回收餐厨垃圾沼液中氨氮的研究

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餐厨垃圾,俗称泔脚,狭义上一般是指餐饮商户在食品加工和消费者饮食消费后产生的食物残余。有数据显示,我国在2017年一年间就产生了约9900万吨的餐厨垃圾。由于餐厨垃圾具有高含水率和有机质,极易腐烂发臭,如果处理不及时或不当,会造成严重的环境污染问题,并威胁到人体健康。目前,厌氧消化是餐厨垃圾资源化利用效率最高,技术较为成熟的方法。但是,餐厨垃圾厌氧消化液(以下简称“餐厨沼液”)具有高氨氮、高化学需氧量(COD)、高悬浮固体(SS)以及低的C/N 比,使得后续常规生化处理极难达标,尤其是氨氮。预先大幅去除或回收餐厨沼液中氨氮使其后续生化处理易于达标是餐厨沼液处理的最关键的环节。鸟粪石结晶法能够将废水中的NH4+及PO43-以鸟粪石晶体(MgNH4PO4·6H2O)的形式沉淀而得以去除,具有操作简单、反应迅速等特点,对高氨氮废水的处理效果非常好。而生物聚沉除渣法能够提高沼液的脱水除渣性能,进一步利用除渣机处理几乎能够全部去除其中的SS。为此,本文以石家庄餐厨垃圾处置中心的高温厌氧消化后的餐厨沼液(氨氮3382 mg·L-2,COD 20153 mg·L-1,总磷476.7 mg·L-1,TS 32031 mg·L-1,SS 12250 mg·L-1)为对象,研究了采用鸟粪石结晶法联合生物聚沉除渣法去除和回收氨氮的效果及其机理,结论如下:(1)利用鸟粪石结晶法处理餐厨沼液,在温度28℃、起始pH 9.0、反应时间90 min的条件下,当镁/磷/氮的摩尔比为1.43:1.3:1时,氨氮去除回收率可达到98%左右,残留氨氮及水溶性磷含量分别为48.74和35.35 mg·L-1。餐厨沼液COD/TN 比从处理前的5.38提高到处理后的43.96,提高约8倍,有利于后续生化处理。通过对所获沉淀进行检测,发现主要成分为鸟粪石,纯度为73.82%。EDS数据显示,沉淀的主要元素有碳、镁、磷、钾和钙,无机盐种类丰富,可以作为优质的缓释肥料加以利用。(2)研究发现,SS含量与氨氮去除回收率呈明显负相关关系:在添加SS(从餐厨沼液中提取)的模拟氨氮废水中,随着SS的含量不断增加,模拟氨氮废水中的氨氮去除回收率逐渐下降。SS易于吸附PO43-(最大吸附量可达35.79 mg·g-1),使外源添加的用于形成鸟粪石的有效P43-含量下降是导致氨氮去除率降低的原因之一。另外,餐厨沼液中的溶解性有机物(DOM)也明显对鸟粪石结晶法去除回收氨氮产生负面影响:在去除SS但含DOM的餐厨沼液上清液中,氨氮去除率(84.70%)虽然比既含SS又含DOM的餐厨沼液中的氨氮去除率(75.76%)高8.94%,但依然比无SS无DOM的模拟氨氮废水中的氨氮去除率(89.65%)低4.95%。显然,SS对鸟粪石结晶法除氮效率的影响相对于DOM的影响更大。因此,采用鸟粪石结晶法处理餐厨沼液中的氨氮时,可以通过预先去除其中的SS以提高鸟粪石结晶法的氨氮去除效率。(3)生物聚沉除渣法通过破坏餐厨沼液中细小颗粒物或胶体物质的稳定性,提高颗粒物聚沉性能和降解胞外聚合物(EPS)中的蛋白质和多糖组分从而改善餐厨沼液脱水除渣性能,继而采用除渣机处理以达到去除餐厨沼液中SS的目的。利用小除渣机去除餐厨沼液中的SS后,获得的压滤液经曝气处理可以显著降低pH值和氨氮含量,但是处理后的氨氮残留量依然达到929.4 mg.L-1。采用鸟粪石结晶法处理压滤液虽然能够使其中的氨氮含量降低,但由于先前生物聚沉药剂的添加会导致压滤液成分改变,需要投加更多的磷酸盐才能有效提高氨氮去除率,而且回收获得的鸟粪石结晶中杂质含量很高。在相同处理条件下(恒定pH值9.0,镁/磷/氮摩尔比为1:1:1),压滤液中获得的鸟粪石结晶的纯度(58.26%)明显低于餐厨沼液鸟粪石结晶法处理后所获得的鸟粪石结晶的纯度(77.74%)。因此,先通过生物聚沉除渣法去除餐厨沼液中的SS再进行鸟粪石结晶法处理去除回收氮,成本相对较高。(4)餐厨沼液先经过鸟粪石结晶法处理后的混合液(含有鸟粪石)有很好的重力沉降效果,沉降率在30 min时即可达到70%左右,沉降3 h能够达到80%,可通过重力沉降达到固液分离的效果。沉降后的固相可以直接进行小除渣机压滤脱水,回收其中的鸟粪石作为优质的缓释肥料加以利用。液相则可进一步采用生物聚沉除渣法进行处理,获得低氮高碳氮比的清澈废水(氨氮46.33 mg·L-1,COD/TN为27.62),易于实现后续的生化达标处理。综合来看,鸟粪石结晶法联合生物聚沉除渣法处理餐厨沼液,不但能够高效的去除餐厨沼液中的氨氮,而且能够高效的脱水除渣,并且生成的鸟粪石结晶营养物质丰富,回收后可以作为优质的缓释肥料使用。
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