反渗透膜削减沼液氨氮工艺优化-刘庆玉

第32卷第8期农业工程学报Vol.32No.81922016年4月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringApr.2016反渗透膜削减沼液氨氮工艺优化刘庆玉1，魏欢欢1，郎咸明2，包震宇2，刘一威2（1.沈阳农业大学工程学院，沈阳110161；2.辽宁省环境科学研究院，沈阳110163）摘要：为确定反渗透膜系统削减沼液氨氮的最佳反应条件，以氨氮去除率为评价指标，采用Plackett-Burman试验从影响氨氮去除率的4因素中筛选出运行压力、pH值和回收率3个显著影响因素，通过最陡爬坡试验逼近最大氨氮去除率区域，在此基础上，利用Box-Behnken响应面法对显著因素进行优化。结果表明：结合试验的可操作性，最优反应条件为：运行压力5.50MPa，回收率76.00%，pH值7.70，氨氮的实际去除率可达96.13%。对去除率影响主次顺序为运行压力＞回收率＞pH值。运行压力和回收率、pH值和回收率，二者的交互作用均极显著，运行压力和pH值的交互作用显著。模型失拟项P=0.5441＞0.05，表明失拟不显著，二次回归模型与实际情况拟合得很好，该研究可为深入了解反渗透膜削减沼液氨氮性能提供理论依据。关键词：优化；渗透；废水；沼液反渗透处理；氨氮去除率doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.027中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1002-6819(2016)-08-0192-07刘庆玉，魏欢欢，郎咸明，包震宇，刘一威.反渗透膜削减沼液氨氮工艺优化[J].农业工程学报，2016，32(8)：192－198.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.027http://www.tcsae.orgLiuQingyu,WeiHuanhuan,LangXianming,BaoZhenyu,LiuYiwei.Optimizationofammonianitrogenremovalfrombiogasslurryinosmosistechnology[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2016,32(8):192－198.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.027http://www.tcsae.org0引言据农业部对全国4000个养猪村的定点监测数据显示，2014年6月份中国生猪存栏约4.29亿头[1]。随着中国畜禽养殖业日益呈现出规模化、集约化的趋势，畜禽粪便的大量排放引发了严重的环境问题，威胁着人类健康，阻碍着农业可持续发展[2-4]。作为世界上最大的沼气生产与消费国家，畜禽粪便沼气技术在多年的科学研究与生产应用中逐步趋于成熟并获得规模性发展。截止2013年底，全国农村沼气用户保有量达到4300多万户，各类沼气工程近10万处，年产沼气量达155亿m3[5]。伴随沼气工程大规模性的应用发展，探讨出妥善处置供过于求的沼液等厌氧发酵残留物的有效途径，已经成为限制沼气厌氧发酵技术发展的瓶颈性问题[6]。沼液在社会生产中主要包括沼液肥用[7-10]、沼液添加饲料[11-14]和沼液无土栽培营养液[15-16]等应用，研究表明[17-20]沼液肥用能使土壤渗滤液中氮、磷等含量得到有效提高，植株因缺乏氮、磷等营养盐而生长缓慢时作用尤为突出[21-22]。因沼气工程中沼液产量巨大、处理成本较高、储存运输困难以及营养物质浓度偏低等问题，膜分离技术尤其是反渗透膜浓缩分离技术迎来巨大的市场潜力与发展空间[23-27]。在特定压力下，反渗透膜几乎能截留水分子外的所有污染物质[28]。反渗透系统膜组件主收稿日期：2015-09-09修订日期：2016-02-02基金项目：国家重大专项（2012ZX07202-010）作者简介：刘庆玉，男，沈阳，教授，博士生导师，主要从事新能源工程综合能源系统研究。沈阳沈阳农业大学工程学院，110161。Email：qyliu@126.com要类型包括碟管式、空心纤维式、毛细管式、卷式及板框式等不同管式和平板构型。其中碟管式反渗透膜（disc-tubereverseosmosis，DTRO）因其耐污性最强，在国内外填埋场垃圾渗滤液处理工艺中得到了广泛应用[29-30]。针对沼液具有与渗滤液相类似的特性，本研究采用碟管式反渗透膜系统浓缩沼液，以氨氮去除率为评价指标，采用Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面法，优化透过液氨氮