温度及吹脱沼气中CO2比例对沼液氨吹脱效果的影响

艾 平，彭靖靖，席 江，张秀之，汤 炜，张如峰，梅自力※



温度及吹脱沼气中CO2比例对沼液氨吹脱效果的影响

艾 平1,2，彭靖靖1，席 江2，张秀之1，汤 炜1，张如峰1，梅自力2※

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部农村可再生能源开发利用重点实验室，成都 610041）

氨吹脱是一种对养殖场沼液进行深度处理和氮回收的技术，利用沼气对沼液进行氨吹脱可通过沼气反复循环吹脱实现沼气提纯和沼液氨氮脱除耦合，是氨吹脱的新型研究方向，但目前缺乏相关工艺参数。基于此，该文利用CH4和CO2混合气体模拟沼气，研究了吹脱温度（70、80、90 ℃）和气体中CO2比例（10%、20%、40%）对沼液氨氮脱除过程参数和氨氮脱除效果的影响。结果表明：在试验条件下，温度较高，CO2比例较低时沼液氨氮脱除效果较好。在90℃、吹脱气体中CO2比例为10%时，吹脱6 h后沼液的最终氨氮去除率达到99.28%，出水氨氮质量浓度低于60 mg/L，且在40 min内沼液的氨氮去除率达到92.15%，反应动力学常数为1.034 h-1，可依靠脱除沼液中的酸性物质使得沼液的pH值上升至9.92。对吹脱后沼液水质分析表明，利用模拟沼气对沼液进行氨吹脱，沼液中的化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率达到23.53%～42.20%，总磷（total phosphorus, TP）去除率达到15.85%～32.97%，浊度去除率为20.79%～29.74%。研究结果为利用富CO2气体对沼液进行氨吹脱工艺提供参考。

沼液；温度；pH值；氨吹脱；CO2负荷

0 引 言

随着中国生猪养殖向规模化、集约化发展，畜禽粪污处理压力日益加大，养殖污水属于高浓度有机废水，氮磷含量高，含有大量碳水化合物、蛋白质、油脂、木质纤维素等成分，且有各种病原微生物[1]。厌氧发酵产沼气技术是中国目前处理畜禽粪污的主要方法，但大型沼气工程中沼液产生量大，且沼液中氮磷含量高，若处置不当，易造成空气污染和水体富营养化[2]。回收沼液中的氮磷营养元素，可促进沼液深度处理技术的发展，建立基于营养成分循环的新型低氮养殖系统。

目前从废水中去除氨氮的研究已有很多，但存在反应条件要求高，营养元素回收效率低等不足[3]。对于养殖场沼液等高氨氮含量的污水，氨吹脱相比于其他脱氮技术，是一种更为可行的氨回收处理方法，具有方法简单，投资少，可承受较高污水固体浓度，较低能量需求等优点[4-5]，易与已有沼气工程相结合处理沼液。沼液吹脱除氨还可使用酸吸收吹脱气体中的氨，高效制取铵盐化肥，实现增值化副产品生产[5-6]。

利用沼气对沼液进行吹脱除氨是目前氨吹脱研究的方向，即采用系统内部生成的沼气作为吹脱气体对沼液进行循环吹脱，实现沼液脱氨和沼气提纯的同步耦合[7-8]。其原理在于利用猪场沼液作为沼气中CO2组分的吸收剂，实现对吹脱沼气中的CO2组分分离，并通过沼气的反复循环吹脱，逐步提高沼气中甲烷含量，达到沼气提纯的目的。较多研究者分析了以沼气为吹脱气体的氨吹脱技术的可行性，发现氨氮去除效率与吹脱气体中CO2含量呈负相关[9-11]，其主要难点在于沼气中CO2浓度远高于空气，吹脱气体中CO2分压增大，使沼液中CO2进入气相变得困难，进而影响沼液中的碳酸盐缓冲系统[10,12-13]。所以当采用沼气作为吹脱气体时，为确保吹脱效率，需采用提高吹脱温度、增加沼液pH值等配套方案。

温度和pH值是影响沼液氨吹脱效率的2个主要因素，同时也是导致其操作成本增加最敏感的参数[14-15]。沼液pH值调节成本高，且会增加沼液后续处理的难度[16-17]，所以本研究主要探究不调节沼液pH值，仅提高吹脱温度的沼液氨吹脱工艺。升高吹脱温度可有效增加氨分离的传质动力[18-19]，在大型沼气工程中，利用沼气发电的大量余热进行沼液的高温氨吹脱是可行的[20]，但沼气中CO2比例不同，对温度的要求也不同，根据不同沼气比例选择较佳的吹脱温度，有利于降低吹脱成本。

基于此，本研究在不调节沼液初始pH值的情况下，采用不同CO2比例的沼气在高温条件下对沼液进行氨吹脱，以获得低耗高效的以沼气为吹脱气体进行沼液氨氮脱除工艺的参数，并考察吹脱后沼液的水质，为后续沼液处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验原料

沼液取自湖北鄂州猪场的沼气工程，该工程以猪粪为主要原料，配合添加少量生活污水，在 35 ℃下中温完全发酵，沼液取回后在常温（25±5）℃下密封保存3个月，在其物化性质稳定阶段进行试验。沼液水质参数如表1。

表1 沼液基本参数（25 ℃）

1.2 试验方法及装置

1.2.1 试验方法

Serna-Maza等[21]利用沼气对沼液进行吹脱，发现在35和55 ℃时沼液氨氮几乎没有去除，当温度为70 ℃时调节其初始pH值沼液中氨氮去除率才达到58.8%。本研究选取较高的吹脱温度（70、80、90 ℃）与吹脱气体中CO2比例（10%、20%、40%）2个因素进行试验。吹脱沼液量为500 mL，气体流量为3.4 L/min，吹脱时间为6 h。吹脱过程中，前2 h间隔20 min取样分析，2 h后间隔1 h，每次取样5 mL，并添加5 mL原沼液，以降低吹脱过程中沼液量受取样的影响。每组试验重复3次。

1.2.2 试验装置

图1为试验装置示意图。采取人工配置不同比例CH4和CO2混合气模拟不同比例的沼气。高纯CH4（99.9%）和高纯CO2（99.9%）通过质量流量控制器（D07-7p型，北京七星华创电子股份有限公司）控制流量，并通过数字化流量积算仪（D08-8C型，北京七星华创电子股份有限公司）调节混合气体流量。吹脱瓶中进气管路末端接有直径2.2 cm，高为4.7 cm的圆柱形曝气石，以保证气体通入吹脱瓶后与沼液有较大的接触面。利用恒温水浴锅（KHW-S-8，上海汗诺仪器有限公司）进行温度控制。因本试验处理沼液量较少且处理温度较高，吹脱瓶上端出口接球形冷凝管对脱出的气体进行冷凝达到减少水汽蒸发损失的目的。球形冷凝管与低温冷却循环泵（DLSB-5 25L，巩义市予华仪器有限责任公司）相连，通过冷却液的循环达到对球形冷凝管的冷却效果。吹脱后气体分别由0.5 mol/L的H2SO4和3 mol/L NaOH溶液吸收。若试验过程出现泡沫富集在液体表面的现象，则滴加0.5 mL植物油来消除泡沫。

1,2. 质量流量控制器 3. 气体混合瓶 4. 水浴锅 5. 吹脱瓶 6. 曝气石 7. H2SO4吸收瓶 8. NaOH吸收瓶 9. 冷凝器

1.3 分析方法

1.3.1 测试指标及方法

总固体质量分数（total solid, TS）和挥发性固体质量分数（tolatile solids, VS）采用质量分析法测试；氨氮（ammonia nitrogen）、总氮（total nitrogen，TN）、总磷（total phosphorus，TP）浓度采用FIAstar 5000型间断流动注射仪（瑞士安捷伦科技有限公司）测量；化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）采用重铬酸钾氧化法通过CM-03型便携式COD水质测定仪（北京双晖京承电子产品有限公司）测试，pH值采用METTLER TOLEDO FE28型pH计（上海梅特勒-托利多有限公司）测试；浊度由WZT-1型光电浊度仪（上海劲佳科学仪器有限公司）测试；CO2负荷由酸碱滴定法测定[9]。

1.3.2 数据分析处理

采用SAS 8.2处理试验数据，对试验数据进行单因素试验的显著性分析，用Origin2015软件绘图。

沼液的pH值会影响沼液中游离氨的比例，沼液中和铵根离子的浓度关系可由式（1）确定[6,20]：

pKa=–log10[Ka]，可表示为温度的函数[16]：

pKa=4×10–83+9×10–52–0.035 6+10.07 （2）

式中[NH3]表示沼液中游离氨的浓度，mol/L；[NH3+ NH4+]表示沼液中的氨氮总量的浓度，mol/L；[H+]表示沼液中的氢离子的浓度，mol/L；Ka表示氨的酸解离常数；表示溶液温度，℃。

不同初始质量浓度的氨氮脱除一级反应动力学方程如式（3）所示[21-23]：

t=0·e–kt（3）

氨氮去除率可用式（4）进行计算：

式中t表示时刻吹脱瓶中沼液氨氮质量浓度，mg/L；0表示沼液初始氨氮质量浓度，mg/L；为氨氮脱除的一级反应动力学常数，h-1；为氨吹脱时间，h；表示沼液中氨氮去除率，%。

2 结果与分析

2.1 不同温度和沼气中CO2比例对氨吹脱效果的影响

如图2所示，当吹脱气体中CO2比例为10%时，沼液的氨氮吹脱效率最高，70、80、90 ℃下最终沼液的氨氮去除率分别为96.81%、98.65%、99.28%，无显著差异（>0.05），出水氨氮质量浓度均低于60 mg/L，满足畜禽业排放标准（<80 mg/L）[24]。当吹脱气体中CO2比例为20%时，在70、80和90 ℃下氨氮去除率分别为72.81%、84.00%和88.39%，有显著性差异（<0.05）；当吹脱气体中CO2比例达到40%时，在3个不同吹脱温度下氨氮去除率分别为62.94%、75.23%和83.29%，差异极显著（<0.01）。气体中CO2的存在对沼液氨氮去除有不利影响，Budzianowski等[25]发现当液体中有较高CO2存在时，液相中氨的传质效率会降低15%～35%，这是由于相同条件下CO2的溶解度远小于NH3的溶解度，溶液中CO2的脱除效率要高于NH3，弱碱氨的传质受弱酸CO2传质的影响。吹脱气体中CO2比例的增加会造成气相中CO2分压的提高，从而不利于沼液中CO2的质量传输，影响沼液中氨的质量传输。而提高温度可降低沼液中气体的溶解度，同时降低沼液中获得高游离氨浓度所需pH值，利于提高氨氮的吹脱效率，同时减弱吹脱气体中较高比例CO2的消极影响[11]。

当吹脱气体中CO2比例为10%时，90 ℃下在40 min内沼液氨氮去除率达到92.15%，接近氨氮的最终去除率，而80和70 ℃分别在2 h和3 h时后沼液氨氮脱除率才达到90%以上。较高的吹脱温度可增加沼液中的游离氨质量浓度，提高氨的传质速率，减少氨氮脱除所需的时间，有利于氨吹脱的进行[6]。从工程应用角度出发，平衡能量输出和氨吹脱效率，低CO2含量的沼气气体有利于氨吹脱过程。

图2 温度和CO2比例对沼液中氨氮质量浓度和氨氮去除率的影响

2.2 不同吹脱条件的吹脱过程参数

2.2.1 沼气中CO2比例对沼液CO2负荷的影响

沼液的酸性缓冲系统主要由高浓度的酸性物质组成，通过移除过饱和的CO2、溶解碳酸盐和碳酸氢盐等酸性物质，可提高沼液的pH值[9]。由公式（1）可知，沼液pH值的提高可增加沼液中的游离氨浓度，更有利于氨吹脱过程。沼液中CO32–和HCO3–离子浓度总和可通过测定CO2负荷得到。

随着混合气体中CO2比例的提高，进一步降低沼液CO2负荷的难度增加。70 ℃下，CO2比例为10%时沼液中CO2负荷从初期的0.17 mol/L降至0.058 mol/L，而CO2比例为20%和40%时，仅降至0.1 mol/L和0.127 mol/L，二者之间存在极显著差异（<0.01）（图3a）。温度提高到80 ℃时，依旧表现为CO2比例越高，吹脱末期的沼液CO2负荷越高，CO2比例为20%和40%时，沼液中CO2负荷降至0.058 mol/L和0.078 mol/L，二者之间差异显著（<0.05）（图3b），此时沼液中残留的CO2负荷差距变小；90 ℃时，10% CO2比例可达到最低的CO2负荷0.04 mol/L，CO2比例为20%和40%时沼液的最终CO2负荷降至0.065 mol/L，两条曲线几乎重合，二者之间变化无显著差异（>0.05），说明随着吹脱温度升高，吹脱气体中CO2比例对沼液中CO2脱除的影响减小。吹脱气体中CO2比例为20%时，90 ℃时沼液最终CO2负荷略高于80 ℃时沼液最终CO2负荷，但整个吹脱过程均为90 ℃的CO2负荷更低，80和90 ℃条件下二者吹脱过程中CO2负荷变化无显著性差异（>0.05）。

气体的溶解度随温度的升高而降低[8-9]，在温度较低时，溶液中CO2的溶解度较高，吹脱气体中CO2比例较高时沼液中会吸收保存部分CO2，此时吹脱气体CO2比例对沼液CO2负荷影响较大；而提升温度则降低CO2溶解度，此时吹脱气体中的高CO2含量对沼液中的CO2负荷影响较小。

2.2.2 沼气中CO2比例对沼液pH值的影响

为保证沼液后期应用安全性，本研究中采取不调节pH值的高温氨吹脱方式，但随着吹脱过程酸碱缓冲系统的CO2负荷变化，沼液的pH值会随之变化，进而对氨氮的脱除造成影响。图4可见，当混合气体中CO2比例为10%时，3个吹脱温度下沼液pH值总体持续上升，温度从70 ℃提升至90 ℃，pH值从初期的8.42分别上升至9.28、9.64和9.92，90 ℃时已接近采用空气吹脱的pH值10.0[26]；当混合气体中CO2比例提高至20%时，仅90 ℃时pH值升高到9.43后保持持平没有下降；当CO2比例提高到40%后，仅90 ℃条件下pH值有一定提高，但在1 h后也呈现缓慢下降趋势。结合图2和图3可知，CO2的脱除速率高于NH3，因此吹脱初期沼液中CO2的去除发生较快，初期吹脱时以沼液中CO2气体脱除为主，导致最初的pH值迅速上升，后期则沼液中的氨氮脱除占主导地位，同时由于吹脱气体中较高的CO2的影响，吹脱后期沼液中CO2负荷较高，pH值的提升有限且有下降的趋势，这与Bousek等[14]的研究结果一致。

图3 温度和CO2比例对沼液中CO2负荷的影响

图4 温度和CO2比例对沼液中pH值的影响

氨吹脱依赖于溶液中溶解的游离氨穿过气液界面，向气相转移，从而达到氨氮脱除的目的，溶液中游离氨所占比例即是吹脱过程中理论可得到的最大氨氮去除率，提高氨吹脱效率必须提高沼液中游离氨的比例[19]。

由式（1）和式（2）可知溶液中的游离氨比例取决于溶液的pH值和温度，可根据各试验组吹脱过程中沼液最大pH值计算出沼液中的最大游离氨比例，即吹脱可达到的最大理论氨氮去除率（表2），对比本研究中的实际氨氮去除率，当温度为90 ℃时，沼液中pH值可基本维持最大pH值，沼液中游离氨比例在90%以上，可通过延长吹脱时间使得沼液中游离氨逸出，使得其氨氮去除率达到90%。而在80和70 ℃时，当沼液中CO2比例为10%时，沼液pH值没有下降，可通过延长吹脱时间使得沼液氨氮去除率达到90%，而在20%和40%的CO2比例下，由于沼液中的游离氨比例较低，无法通过延长吹脱时间使氨氮去除率达到90%。

表2 沼液中最大pH值、游离氨比例与实际氨氮去除率

2.3 氨吹脱对沼液出水水质的影响

沼液初始TN质量浓度为（4 009.25±136.98）mg/L，吹脱后TN为383.25～1 235.25 mg/L，TN去除率为69.19%～90.40%，与上文中氨氮去除率较一致，实现了沼液中TN的高效去除[16]。沼液初始COD质量浓度为（3 722.40±126.98）mg/L，吹脱后为2 151.44～2 846.56 mg/L，COD去除率为23.53%～42.20%；同时，沼液初始TP质量浓度为（35.7±1.2）mg/L，吹脱后为23.93～30.04 mg/L，TP去除率达15.85%～32.97%，高于龚川南等[27]研究的不添加碱的沼液氨吹脱后的数值，吹脱后沼液浊度去除率为20.79%～29.74%。本研究中仅使用富CO2气体对沼液进行吹脱，未涉及到碱性物质或吸附性物质添加，造成COD和TP去除较好的原因是由于沼液中存在过饱和气体，影响了悬浮磷颗粒的自然絮凝和沉降过程，在一定吹脱条件下，随着沼液中CO2气体溢出，沼液内气泡减少使颗粒悬浮状态改变，促进悬浮物自然絮凝沉淀形成[17,28]。沼液中悬浮物质量浓度下降，使沼液中以悬浮物质存在的不溶性有机物和无机物形成沉淀析出，从而促进沼液的浊度、TP以及COD的下降[29]。

表3 不同吹脱条件下出水沼液浊度、COD、TP和TN的变化量

2.4 吹脱条件对沼液氨氮脱除动力学常数的影响

不同操作条件下氨吹脱的反应动力学常数如表4。同一气体流量条件下，随着温度升高，反应动力学常数值也随之增加，本研究中固定CO2比例为10%时，吹脱温度在70，80，90 ℃的值分别为0.892、0.923和1.034 h–1。混合气体中CO2比例对值影响更大，其原因在于吹脱气体中CO2比例增加将限制沼液pH值的升高，导致对氨氮的脱除速率影响较大。本研究中吹脱温度为90 ℃时，混合气体中CO2比例从10%提高到20%，40%时，值从1.034降至0.322和0.115 h–1，降幅明显。

对比于其他沼液吹脱的研究，Walker等[23]发现在吹脱气体流量较小的情况下，初始pH值变化对反应速率影响不显著，沼液pH值从8.70上升到11.43，其值从0.032 6上升至0.035 9 h–1，上升幅度较小，低于本研究中相同条件下反应速率；由Zhang等[30]的研究可知，当沼液初始pH值从7.7提升至9.0时，其值仅提升了2倍，当吹脱气体流量从1提升至10 L/min，其值提升了13倍，这说明在吹脱气体流量较低的情况下，相对于增加沼液初始pH值，提高吹脱气体流量对增加吹脱效率更有效。本研究中采取不调节沼液初始pH值的方式，在较高吹脱气体流量和温度条件下，可提高沼液中的游离氨比例，增强氨的传质速率，使用富CO2气体对沼液进行氨吹脱，可获得较好氨氮去除率。

表4 不同条件下沼液氨氮脱除的反应动力学常数k值

3 结 论

1）采用沼气进行沼液氨吹脱时，随着混合气体中CO2比例的提高，吹脱效率降低。在70 ℃下，当CO2比例从10%提高到40%时，沼液的氨氮去除率从96.81%降至62.94%。高温有利于提高沼液氨吹脱效率，降低吹脱气体中CO2的不利影响。90 ℃时，CO2比例从10%提高到40%，沼液的氨氮去除率从99.28%降至83.29%。采用90 ℃和10%的CO2比例沼液吹脱效果较佳，最终氨氮去除率为99.28%。

2）随着吹脱气体中CO2比例增加，沼液中CO2负荷增加，沼液pH值提升受限，氨吹脱效率降低。提高温度可降低CO2溶解度，使沼液pH值上升。吹脱后沼液的COD去除率为23.53%～42.20%，TP去除率达15.85%～32.97%，浊度去除率为20.79%～29.74%。

3）随着温度升高，反应动力学常数值也随之增加，但混合气体中CO2比例对值影响更大。吹脱温度为90 ℃时，混合气体中CO2比例从10%提高到20%，40%，值从1.034降至0.322和0.115 h-1，降幅明显。

[1] 宋立，刘刈，王智勇，等. 猪场污水处理与综合利用技术[J]. 中国畜牧杂志，2015，51(10)：51－57. Song Li, Liu Yao, Wang Zhiyong, et al. Technology of swine wastewater treatment and utilization[J]. Chinese Journal of Animal Science, 2015, 51(10): 51－57. (in Chinese with English abstract)

[2] 李伟，吴树彪，Bah H，等. 沼气工程高效稳定运行技术现状及展望[J]. 农业机械学报，2015，46(7)：187－196. Li Wei, Wu Shubiao, Bsh H, et al. Status analysis and development prospect of biogas engineering technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery(Transactions of the CSAM), 2015, 46(7): 187－196. (in Chinese with English abstract)

[3] Liu Y H, Kumar S, Kwag J H, et al. Magnesium ammonium phosphate formation, recovery and its application as valuable resources: a review[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2013, 88(2): 181–189.

[4] Eskicioglu C，Galvagno G, Cimon C. Approaches and processes for ammonia removal from side-streams of municipal effluent treatment plants [J]. Bioresource Technology, 2018, 268(23): 797－810

[5] Shi L, Simplicio W S, Wu G, et al. Nutrient recovery from digestate of anaerobic digestion of livestock manure: A review[J]. Current Pollution Reports, 2018, 4 (9): 1－10.

[6] 贺清尧，王文超，刘璐，等. 沼液氨氮减压蒸馏分离性能与反应动力学[J]. 农业工程学报，2016，32(17): 191－197. He Qingyao, Wang Wenchao, Liu Lu, et al. Ammonia nitrogen separation performance and kinetics from bioslurry using vacuum distillation method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 191－197. (in Chinese with English abstract)

[7] Liu B, Giannis A, Zhang J, et al. Air stripping process for ammonia recovery from source‐separated urine: Modeling and optimization[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2015, 90(12): 2208－2217.

[8] He Q Y, Xi J, Wang W C, et al. CO2absorption using bioslurry: Recovery of absorption performance through CO2vacuum regeneration[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2017, 58(3): 103－113.

[9] Yan S P, He Q Y, Wang W C, et al. CO2absorption using bioslurry: CO2absorption enhancement induced by biomass ash[J]. Energy Procedia, 2017, 114(9): 890－897.

[10] Serna-Maza A, Heaven S, Banks C J. In situ biogas stripping of ammonia from a digester using a gas mixing system[J]. Environmental Technology, 2017, 38(24): 3216－3224.

[11] Ma D L R, Walker M, Heaven S, et al. Preliminary trials of in situ ammonia stripping from source segregated domestic food waste digestate using biogas: effect of temperature and flow rate[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(24):9486－9492.

[12] Serna-Maza A, Heaven S, Banks C J. Ammonia removal in food waste anaerobic digestion using a side-stream stripping process[J]. Bioresour Technology, 2014, 152(2): 307－315.

[13] Provolo G, Perazzolo F, Mattachini G, et al. Nitrogen removal from digested slurries using a simplified ammonia stripping technique[J]. Waste Management, 2017, 69(11): 154－161.

[14] Bousek J, Scroccaro D, Sima J, et al. Influence of the gas composition on the efficiency of ammonia stripping of biogas digestate[J]. Bioresource Technology, 2016, 203(5): 259－266.

[15] Jiang A P, Zhang T, Zhao Q B, et al. Evaluation of an integrated ammonia stripping, recovery, and biogas scrubbing system for use with anaerobically digested dairy manure[J]. Biosystems Engineering, 2014, 119(3): 117－126.

[16] 隋倩雯，董红敏，朱志平，等. 提高猪场沼液净化处理效果的氨吹脱控制参数[J]. 农业工程学报，2012，28(11)：205－211. Sui Qianwen, Dong Hongmin, Zhu Zhiping, et al. Ammonia stripping control parameters for improving effluent treatment effect in anaerobic digesters of piggery wastewater. [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(11): 205－211. (in Chinese with English abstract)

[17] Zhang L, Jahng D. Enhanced anaerobic digestion of piggery wastewater by ammonia stripping: effects of alkali types[J]. J Hazard Mater, 2010, 182(1): 536－543.

[18] Limoli A, Langone M, Andreottola G. Ammonia removal from raw manure digestate by means of a turbulent mixing stripping process[J]. Journal of Environmental Management, 2016, 176(12): 1－10.

[19] Zhang W, Heaven S, Banks C J. Continuous operation of thermophilic food waste digestion with side-stream ammonia stripping[J]. Bioresource Technology, 2017, 244(Pt 1): 611－620.

[20] 蒲小东，邓良伟，尹勇，等. 大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：281－284. Pu Xiaodong, Deng Liangwei, Yin Yong, et al. Economic benefit analysis on large and middle-scale biogas plants with different heating methods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(7): 281－284. (in Chinese with English abstract)

[21] Serna-Maza A, Heaven S, Banks C J. Biogas stripping of ammonia from fresh digestate from a food waste digester[J]. Bioresour Technol, 2015, 190(16): 66－75.

[22] Liao P H, Chen A, Lo K V. Removal of nitrogen from swine manure wastewaters by ammonia stripping[J]. Bioresource Technology, 1995, 54(1): 17－20.

[23] Walker M, Iyer K, Heaven S, et al. Ammonia removal in anaerobic digestion by biogas stripping: An evaluation of process alternatives using a first order rate model based on experimental findings[J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 178(24): 138－145.

[24] 畜禽养殖业污染物排放标准：GB 18596-2001[S].

[25] Budzianowski W, Koziol A. Stripping of ammonia from aqueous solutions in the presence of carbon dioxide: Effect of negative enhancement of mass transfer[J]. Chemical Engineering Research & Design, 2005, 83(2): 196－204.

[26] Zhao Q B, Ma J, Zeb I, et al. Ammonia recovery from anaerobic digester effluent through direct aeration[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 279(21): 31－37.

[27] 龚川南，陈玉成，黄磊. 曝气吹脱法用于牛场沼液污染物的去除[J]. 环境工程学报，2016，10(5)：2291－2296. Gong Chuannan, Chen Yucheng, Huang Lei. Pollutants removal characteristics by air stripping with aeration treating bioslurry of cattle manure[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2016, 10(5): 2291－2296. (in Chinese with English abstract)

[28] Doherty L, Zhao Y, Zhao X, et al. A review of a recently emerged technology: Constructed wetland--Microbial fuel cells[J]. Water Research, 2015, 85(18): 38－45.

[29] Battistoni P, Fava G, Pavan P, et al. Phosphate removal in anaerobic liquors by struvite crystallization without addition of chemicals: Preliminary results[J]. Water Research, 1997, 31(11): 2925－2929.

[30] Zhang L, Lee Y W, Jahng D. Ammonia stripping for enhanced biomethanization of piggery wastewater[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 199(1): 36－42.

Effect of temperature and CO2ratio of stripping biogas on biogas slurry stripping of ammonia

Ai Ping1,2, Peng Jingjing1, Xi Jiang2, Zhang Xiuzhi1, Tang Wei1, Zhang Rufeng1, Mei Zili2※

(1.430070; 2.610041,)

Ammonia stripping is an effective treatment technology for recovery of nitrogen from the anaerobic digestate (biogas slurry). Biogas stripping of ammonia from anaerobic digestate can realize biogas purification and ammonia removal coupling through recycled of biogas, which is a new research direction of ammonia stripping. However, the main difficulty is that the ammonia stripping performance is negatively correlated to the CO2ratio in the stripping gas. In this study, the effect of temperature (70、80、90 ℃) and the ratio of CO2(10%、20%、40%) in biogas on the removal efficiency of ammonia were studied. The ammonia removal rate () and kinetics constant () were adopted to evaluate the ammonia removal performance. The results indicated that the ammonia removal rate from the biogas slurry were 96.81%、98.65%、99.28%, respectively at 70 ℃, 80 ℃ and 90 ℃when the ratio of CO2in the stripping gas was 10%, and ammonia concentration was lower than 60 mg/L after biogas slurry stripping. The ammonia removal rates were 72.81%、84.00% and 88.39%, respectively at 70 ℃, 80 ℃ and 90 ℃ when the ratio of CO2in stripping gas was 20%. While CO2ratio in stripping gas reached 40%, the ammonia removal rate were 62.94%、75.23% and 83.29%, respectively at different stripping temperatures. As the temperature of stripping gas increase, the ammonia nitrogen rate increased, however as the ratio of CO2in the stripping gas increase, the ammonia removal rate decreased. Increase of temperature is beneficial to reduce inhibitory effect of CO2on ammonia removal efficiency in biogas. And the ammonia removal rate of biogas slurry reached 90% within 40 min at 90 ℃ while the maximum removal rate of ammonia were close to 2 h and 3 h at 80 ℃ and 70 ℃, respectively. Ammonia stripping can raised pH value to above 8.6 relying on the removal of acidic substances in the biogas slurry by mixed gas of CH4and CO2. Theoretical maximum ammonia removal rate in biogas slurry can be calculated according to the maximum pH value in biogas slurry during the ammonia stripping process. And the result showed that when the temperature was 90 ℃, even the ratio of CO2in the stripping gas was 40%, and the removal time can be extended to make the ammonia removal rate in the biogas slurry reach 92.15%. At 80 ℃ and 70 ℃, when ratio of CO2in stripping gas was 10%, the maximum ammonia removal rate can reach 90% by extending stripping time. The calculation result of kinetic constantindicates when the CO2ratio was 40%, thevalue of the ammonia removal reaction of the biogas slurry at different temperatures was more than 0.075 h-1. The water quality analysis showed that the COD removal rate reached 23.53%-43.2%, a total phosphorus removal rate reached 15.85%-32.97%, and a turbidity removal rate reached 20.79%-29.74%. The results provide a reference for the use of biogas on biogas slurry stripping of ammonia.

biogas slurry; temperature; pH value; ammonia stripping; CO2loading

2018-07-05

2018-12-06

国家自然科学基金（51406064）；湖北省自然科学基金（2018CFB512）

艾 平，副教授，主要从事厌氧发酵技术研究。 Email：aiping@mail.hzau.edu.cn

梅自力，研究员，主要研究农业废弃物沼气化利用。 Email：13880233242@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.025

S216.4

A

1002-6819(2019)-01-0206-07

艾 平，彭靖靖，席 江，张秀之，汤 炜，张如峰，梅自力.温度及吹脱沼气中CO2比例对沼液氨吹脱效果的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：206－212. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.025 http://www.tcsae.org

Ai Ping, Peng Jingjing, Xi Jiang, Zhang Xiuzhi, Tang Wei, Zhang Rufeng, Mei Zili.Effect of temperature and CO2ratio of stripping biogas on biogas slurry stripping of ammonia [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 206－212. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.025 http://www.tcsae.org