電滲析技術(shù)在有機(jī)酸生產(chǎn)和剩余污泥氮磷資源化中的應(yīng)用研究.pdf

1、電滲析技術(shù)是一種清潔生產(chǎn)的技術(shù)，其核心部件是離子交換膜。離子交換膜分為陰離子交換膜、陽離子交換膜和雙極膜三種。由陰陽離子交換膜交替構(gòu)成的膜堆裝置是普通電滲析，其主要功能就是對(duì)電解質(zhì)溶液進(jìn)行濃縮淡化。雙極膜電滲析是在普通電滲析的基礎(chǔ)上，將雙極膜裝配進(jìn)膜堆而形成。雙極膜是由陰離子交換層、陽離子交換層和中間層組成的復(fù)合膜，在反向偏壓下能夠?qū)⑺ɑ蛘叽迹└咝У亟怆x為H+和OH-（或者醇根）而不會(huì)產(chǎn)生氣體。雙極膜電滲析可以用來將某種電解質(zhì)鹽轉(zhuǎn)換為

2、其相應(yīng)的酸和堿，并且此過程中不需要添加其他任何的化學(xué)試劑，因此被譽(yù)為綠色、節(jié)能生產(chǎn)過程。由于電滲析裝置的操作靈活性，它可以和多種生產(chǎn)單元進(jìn)行技術(shù)上的集成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝效率的改善。電滲析技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和生物制品生產(chǎn)等過程中已有很廣泛的應(yīng)用，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)積累了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是我們應(yīng)該繼續(xù)推廣電滲析技術(shù)的應(yīng)用層次以及對(duì)其應(yīng)用方式進(jìn)行深入研究及改良。所以本研究在電滲析技術(shù)與其他生產(chǎn)操作單元進(jìn)行原位集成等

3、方面開展工作，為深入研究、推廣和應(yīng)用電滲析技術(shù)奠定基礎(chǔ)。本研究選擇了發(fā)酵生產(chǎn)乳酸和回收氮磷資源兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)開展電滲析技術(shù)與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新性結(jié)合，發(fā)揮電滲析技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，替換或者更新陳舊的生產(chǎn)工藝。在電滲析技術(shù)創(chuàng)新性應(yīng)用的同時(shí)，考察了其操作過程中的不同設(shè)置參數(shù)對(duì)應(yīng)用性能的影響。本論文共分為六章，內(nèi)容分別如下:
　　第一章首先是對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)短概述并引出離子交換膜的應(yīng)用與研究。接著對(duì)離子交換膜自身以及由其構(gòu)成的電滲析膜堆

4、進(jìn)行詳細(xì)介紹。最后介紹了電滲析技術(shù)的應(yīng)用并展開本論文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章對(duì)間歇操作模式下的雙極膜電滲析(EDBM)與發(fā)酵罐原位集成的可行性進(jìn)行了考察。在本章中，基于EDBM產(chǎn)堿與發(fā)酵過程耗堿的這種供需關(guān)系，提出EDBM與發(fā)酵罐原位集成操作的概念。EDBM的產(chǎn)堿量能否保證發(fā)酵罐的正常運(yùn)行是此集成操作成功與否的關(guān)鍵。為此，根據(jù)發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力以及發(fā)酵周期的需堿量，我們計(jì)算出構(gòu)建膜堆所需膜面積及裝配單元數(shù)，從而保證了EDBM與發(fā)

5、酵罐兩者操作的匹配性、兼容性和一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這種原位集成操作確實(shí)能夠有效地將發(fā)酵液中的乳酸鹽（本研究中為乳酸鈉）轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乳酸和氫氧化鈉。在操作電流密度為60 mA/cm2條件下，發(fā)酵液中乳酸鹽的回收率能夠高達(dá)86.1％。而在乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸的同時(shí)，雙極膜電滲析產(chǎn)生的堿液回用于發(fā)酵過程，保證了發(fā)酵液的pH穩(wěn)定。這種集成操作方式下，雙極膜電滲析的運(yùn)行時(shí)間與單個(gè)發(fā)酵周期相等。這樣，兩者集成操作便于統(tǒng)一管理，縮短或者省略了一些中間步驟。

6、
　　第三章是在上一章EDBM與發(fā)酵罐原位集成操作的基礎(chǔ)上，用連續(xù)操作模式替換了間歇操作模式，并考察了連續(xù)操作模式下EDBM與發(fā)酵罐原位集成的可行性。間歇操作主要包括的步驟有加料、反應(yīng)和出料（包含反應(yīng)器的清洗以及準(zhǔn)備下一批反應(yīng)），然后就是周而復(fù)始的循環(huán)操作。間歇操作相對(duì)于連續(xù)操作的缺點(diǎn)主要有:勞動(dòng)強(qiáng)度大、人力物力需求較大等。連續(xù)操作的優(yōu)點(diǎn)有:生產(chǎn)能力大、設(shè)備利用率較高，比較容易與其他的操作單元進(jìn)行集成、自動(dòng)化操作優(yōu)勢(shì)明顯等。我們首

7、先考察了發(fā)酵罐在連續(xù)操作條件下的穩(wěn)定性，確定了最大操作流速。然后考察了單獨(dú)連續(xù)操作EDBM的運(yùn)行情況以及EDBM與發(fā)酵罐兩者均在連續(xù)操作下的集成操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此連續(xù)操作的集成工藝確實(shí)能夠完成乳酸鹽向乳酸和氫氧化鈉的有效轉(zhuǎn)化。主要結(jié)果有:(1)針對(duì)本研究所采用的發(fā)酵罐的工作參數(shù)，最終確定了連續(xù)操作模式下能夠選取的最大流速是0.24 L/h;(2)雙極膜電滲析在轉(zhuǎn)化乳酸鹽生成產(chǎn)物乳酸的同時(shí)，還能提供足夠量的堿液給發(fā)酵過程用以調(diào)節(jié)pH;

8、(3)產(chǎn)物乳酸的濃度可以達(dá)到1.32 mol/L;(4)與間歇操作工藝相比，這種連續(xù)操作的生產(chǎn)模式確實(shí)能夠減輕工作量，提高生產(chǎn)效率。但是，連續(xù)生產(chǎn)工藝也有其不足之處，就是料液中的乳酸鹽的利用率（即回收效率）要相對(duì)低一些。比如在連續(xù)EDBM處理發(fā)酵液時(shí)，在操作電流密度為30和40 mA/cm2條件下的回收率分別為59.0％和69.5％。
　　第四章研究了利用電滲析技術(shù)(包括普通電滲析(CED)和雙極膜電滲析(EDBM))對(duì)剩余污泥中

9、的磷進(jìn)行資源化。當(dāng)今，由于水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如植物生長(zhǎng)所需的磷）含量過多導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化一直以來都是環(huán)境領(lǐng)域的棘手問題?；钚晕勰喾ㄊ钱?dāng)今水處理的主流工藝，尤其是針對(duì)廢水中含有過高的磷酸鹽，其中強(qiáng)化生物除磷工藝(EBPR)能夠有效地脫除水體中的磷。單個(gè)周期內(nèi)從水體中脫除的磷都會(huì)積累至排放的剩余污泥（微生物的生存聚集體）中。而現(xiàn)存的磷礦資源日益減少，所以應(yīng)該考慮對(duì)磷資源的回收利用。本研究中，我們對(duì)EBPR工藝提出了概念性改進(jìn)方案，其核心就

10、是引入了電滲析技術(shù)。本研究的主要結(jié)果有:(Ⅰ)在單獨(dú)CED間歇操作模式下，廢水中的磷酸鹽基本上能被完全脫除掉;(Ⅱ)在單獨(dú)CED連續(xù)操作模式下，只有在較低的進(jìn)出料流速下的磷酸鹽脫除率比較好;比如在10 mL/min條件下，廢水中的磷酸鹽能夠達(dá)到95.8％;(Ⅲ)對(duì)于磷酸鹽的回收，單獨(dú)CED操作和CED&EDBM耦合集成操作都是技術(shù)性可行的。采用EDBM將磷酸鹽轉(zhuǎn)化生產(chǎn)磷酸的過程中，電流效率能達(dá)到80.3％，而能耗只有5.3 kWh/kg

11、左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以確定采用電滲析技術(shù)作為磷酸鹽的回收方式是可行的，因此進(jìn)而可以說明在本章研究的開始所提出的EBPR工藝路線改進(jìn)方案是可行的。
　　第五章考察了電滲析技術(shù)（主要指CED）對(duì)剩余污泥中的氮磷同時(shí)進(jìn)行資源化。在第四章中所采用的“厭氧釋磷”的原理并不能將微生物體內(nèi)的磷完全釋放到外界水體，而且微生物體內(nèi)同時(shí)含有氮資源，所以應(yīng)該尋找其他方式對(duì)污泥中的氮磷資源同時(shí)獲取進(jìn)行回收。厭氧消解工藝能夠成功實(shí)現(xiàn)將微生物體內(nèi)的氮磷進(jìn)

12、行最大化釋放，因此，厭氧消解反應(yīng)器的上清液非常適合用來回收氮磷資源。在本研究中，我們采取電滲析技術(shù)與鳥糞石反應(yīng)器進(jìn)行集成，以鳥糞石的形式來回收氮磷鹽。另外還考察了氣提氨操作對(duì)過剩的銨鹽進(jìn)行單獨(dú)回收。本研究的主要結(jié)果有:(Ⅰ)在單獨(dú)連續(xù)操作CED處理廢水時(shí)，其中的氮磷鹽基本上能被完全脫除掉，兩者的回收率都在90～100％，濃縮室中溶液增濃10倍以上;(Ⅱ)在單獨(dú)連續(xù)操作CED與鳥糞石反應(yīng)器集成后，濃縮室中氮磷鹽確實(shí)有很大的降低，約60～7

13、0％;(Ⅲ)對(duì)于CED、鳥糞石反應(yīng)器和氣提氨三者集成操作，氮磷資源除了進(jìn)行鳥糞石沉淀反應(yīng)外，多余的氮資源以氨氣進(jìn)行回收。濃縮液中的氮含量相比操作條件(Ⅱ)又降低了約50％。這就說明連續(xù)操作CED與鳥糞石反應(yīng)器和氣提氨操作的聯(lián)合操作確實(shí)能很有效地將廢水中的氮磷鹽進(jìn)行濃縮、回收。
　　第六章主要是對(duì)本論文進(jìn)行全文總結(jié)，并對(duì)電滲析技術(shù)的應(yīng)用做出展望。
　　本研究結(jié)果證明了電滲析技術(shù)在有機(jī)酸生物生產(chǎn)，剩余污泥中所含的氮磷資源進(jìn)行資源