電滲析技術在有機酸生產(chǎn)和剩余污泥氮磷資源化中的應用研究.pdf

1、電滲析技術是一種清潔生產(chǎn)的技術，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成的膜堆裝置是普通電滲析，其主要功能就是對電解質(zhì)溶液進行濃縮淡化。雙極膜電滲析是在普通電滲析的基礎上，將雙極膜裝配進膜堆而形成。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、其相應的酸和堿，并且此過程中不需要添加其他任何的化學試劑，因此被譽為綠色、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)單元進行技術上的集成，從而實現(xiàn)對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝效率的改善。電滲析技術在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和生物制品生產(chǎn)等過程中已有很廣泛的應用，在學術界和工業(yè)界已經(jīng)積累了一定的理論基礎和實踐經(jīng)驗。但是我們應該繼續(xù)推廣電滲析技術的應用層次以及對其應用方式進行深入研究及改良。所以本研究在電滲析技術與其他生產(chǎn)操作單元進行原位集成等

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

4、進行詳細介紹。最后介紹了電滲析技術的應用并展開本論文的主要研究內(nèi)容。
　　第二章對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)酵罐的正常運行是此集成操作成功與否的關鍵。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，我們計算出構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。實驗結果表明:這種原位集成操作確實能夠有效地將發(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86.1％。而在乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸的同時，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，雙極膜電滲析的運行時間與單個發(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、反應和出料（包含反應器的清洗以及準備下一批反應），然后就是周而復始的循環(huán)操作。間歇操作相對于連續(xù)操作的缺點主要有:勞動強度大、人力物力需求較大等。連續(xù)操作的優(yōu)點有:生產(chǎn)能力大、設備利用率較高，比較容易與其他的操作單元進行集成、自動化操作優(yōu)勢明顯等。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。然后考察了單獨連續(xù)操作EDBM的運行情況以及EDBM與發(fā)酵罐兩者均在連續(xù)操作下的集成操作。實驗結果證明了此連續(xù)操作的集成工藝確實能夠完成乳酸鹽向乳酸和氫氧化鈉的有效轉(zhuǎn)化。主要結果有:(1)針對本研究所采用的發(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，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）要相對低一些。比如在連續(xù)EDBM處理發(fā)酵液時，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(包括普通電滲析(CED)和雙極膜電滲析(EDBM))對剩余污泥中

9、的磷進行資源化。當今，由于水體中的營養(yǎng)物質(zhì)（如植物生長所需的磷）含量過多導致的水體富營養(yǎng)化一直以來都是環(huán)境領域的棘手問題?；钚晕勰喾ㄊ钱斀袼幚淼闹髁鞴に?，尤其是針對廢水中含有過高的磷酸鹽，其中強化生物除磷工藝(EBPR)能夠有效地脫除水體中的磷。單個周期內(nèi)從水體中脫除的磷都會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，所以應該考慮對磷資源的回收利用。本研究中，我們對EBPR工藝提出了概念性改進方案，其核心就

10、是引入了電滲析技術。本研究的主要結果有:(Ⅰ)在單獨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CED連續(xù)操作模式下，只有在較低的進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到95.8％;(Ⅲ)對于磷酸鹽的回收，單獨CED操作和CED&EDBM耦合集成操作都是技術性可行的。采用EDBM將磷酸鹽轉(zhuǎn)化生產(chǎn)磷酸的過程中，電流效率能達到80.3％，而能耗只有5.3 kWh/kg

11、左右。根據(jù)實驗結果我們可以確定采用電滲析技術作為磷酸鹽的回收方式是可行的，因此進而可以說明在本章研究的開始所提出的EBPR工藝路線改進方案是可行的。
　　第五章考察了電滲析技術（主要指CED）對剩余污泥中的氮磷同時進行資源化。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)同時含有氮資源，所以應該尋找其他方式對污泥中的氮磷資源同時獲取進行回收。厭氧消解工藝能夠成功實現(xiàn)將微生物體內(nèi)的氮磷進

12、行最大化釋放，因此，厭氧消解反應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與鳥糞石反應器進行集成，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過剩的銨鹽進行單獨回收。本研究的主要結果有:(Ⅰ)在單獨連續(xù)操作CED處理廢水時，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)在單獨連續(xù)操作CED與鳥糞石反應器集成后，濃縮室中氮磷鹽確實有很大的降低，約60～7

13、0％;(Ⅲ)對于CED、鳥糞石反應器和氣提氨三者集成操作，氮磷資源除了進行鳥糞石沉淀反應外，多余的氮資源以氨氣進行回收。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與鳥糞石反應器和氣提氨操作的聯(lián)合操作確實能很有效地將廢水中的氮磷鹽進行濃縮、回收。
　　第六章主要是對本論文進行全文總結，并對電滲析技術的應用做出展望。
　　本研究結果證明了電滲析技術在有機酸生物生產(chǎn)，剩余污泥中所含的氮磷資源進行資源