[发明专利]用于从有机废水中去除铵态氮的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从有机废水中去除铵态氮的方法。

背景技术

在世界的许多地方，工业革命之前占主导的营养物循环已经被广泛扰乱。显著地，在环境中已经积累了极多的过剩氮，因为哈伯-博世(Haber-Bosch)氮固定法在上个世纪已经变成用于生产肥料和其他化学品的常见方法(commonplace)。实际上，据估计现在进入人类内的蛋白质的氮的一半源自所述人为过程，而余者源自经由细菌和古生菌的天然固氮作用。

增加的可用氮供给已经使农业和工业生产有可能空前上涨，但是同时也已导致相当大的对环境的无意的氮排放，其主要形式为氨、铵和硝酸盐。

在城市、工业和农业废水中，一大部分的氮经常作为铵存在，铵的大多数源自动物代谢。当离开哺乳类动物时，代谢废物中相当比例的氮是以尿素的形式存在。然而，此后不久，尿素在一种pH中性的混合物中转变成铵和二氧化碳。然后在接下来的期间内，二氧化碳离开，pH上升并且氨将开始挥发。

氨是一种对眼、鼻、和肺的刺激物，并且在高浓度下可能导致疾病或甚至死亡。当大量释放到大气中并且通过空气和雨水沉积进贫养生态系统如沼泽、荒野(moores)和欧石南丛生的荒野(heathland)中时，构成原始植被的物种被亲氮类物种取代。存在的氮的一部分可能将以硝酸盐的形式沥滤到地下水中或流出到溪水(watercourse)、淡水和海水体中，从而导致进一步的污染和富养化的问题。

因此，近几十年来相当多的关注已指向方法的开发，经由这些方法有机废水中的氮可以被选择性去除并且以一种形式保存，该形式适用于运输到具有较小的氮负载的地区用于用作一种肥料或用于其他实际用途。

当氮有待从有机废水中回收时，由于显著比例的氮存在于废物的液体部分中，通常通过不同手段进行初始分离成一个干部分和一个液体部分。作为所述分离结果出现的干废物部分可以被用作，例如一种富含磷的土壤改良剂、生物质燃料、或沼气厂的原料。

根据已知的方法，传统上已经通过氨汽提和/或铵盐沉淀将氮从液体废物部分中移出用于直接用作一种通过添加一系列额外化学品而产生的肥料。

为了从有机废水中以较小的能量消耗并且不依赖于复杂工业设备而去除铵态氮，已经提出使用天然离子交换剂用于通过吸附作用清除铵离子。因此，国际专利申请WO 92/12944披露了使用一种天然阳离子交换剂、特别是矿物海绿石用于从液体粪肥的水相去除铵态氮。在过滤、絮凝、和沉淀步骤之后，将一个呈现适度含氮量的水相施加到该离子交换剂。该离子交换剂可以优选用一种CaCl₂的水溶液再生，并且将洗出液或作为单独的产品储存或与一种源自使粪肥成为不同相的初始分离的稠浆结合。

对利用天然离子交换剂来将铵态氮从有机废水中去除的现有技术方法抱有极大希望。遗憾的是，这些方法未达到这些极大的期望并且已经很少以商业规模来使用。几个主要问题阻碍了在将铵从有机废水中清除时获得天然离子交换剂的功能性及持续性大规模操作的尝试。

当用于谈论中的目的时，天然离子交换剂床被产生自其自身分解的细小物质以及来自有机废水的部分具有有机性质的干燥物质颗粒堵塞。待清洁的液体的渗滤被严重阻碍，这样使得通过离子交换剂本体的流速以及因此其效率缩减到一个不令人满意的水平，通常缩减到小于3mm/min。对于使用再生剂溶液对天然离子交换剂床进行的每次反冲洗和处理，离子交换剂材料的风化进展到如此以致加重设备(plant)堵塞问题，从而产生一种受抑制的且不均匀的流过离子交换剂床不同部分的模式。

用于从有机废水中去除铵态氮的天然离子交换剂的另一个缺点在于其固有的低阳离子交换能力，经常低于1摩尔当量每升。在离子交换过程期间不可能获得令人满意的铵浓度系数。在将吸附的铵从该离子交换剂释放到一种再生剂溶液中后，这种液体的最终体积典型地是基本上不小于在该方法开始时有待处理的该液体的体积。

由于涉及相当大的环境和商业利益，为了补救使用天然离子交换剂来将铵态氮从有机废水中去除的方法的缺点已经进行了许多试验。因此，已经如例如国际申请WO 2004/089833 A2和美国申请US 2008/053909 A1中所描述地进行了合成离子交换剂的使用。然而，以上列举的天然离子交换剂的缺点的一个决定性部分仍存在，因为没有提出令人信服地有利的浓度系数(concentration factors)。

总体上，似乎已经普遍放弃了用于从有机废水中选择性去除铵的离子交换原理，而以通过向有待处理的液体添加合适的化合物直接沉淀铵盐来替代。