從汙水中技術氮回收——不具經濟性!

北極星水處理網訊:回收資源與能源日益成為當今世界汙水處理技術發展的重要方向。汙水目前似乎已從昔日萬人「嫌」的廢棄物變成如今的眾人「愛」聚寶盆。更甚之，有人還提出了對汙水進行全元素回收的說辭，並將氮回收與磷回收相提並論，試圖以直接元素回收或營養物回收的方式一併將氮、磷從汙水中去除並回收，以實現汙水脫氮和營養物人工循環的雙重目標。國際上之所以要磷回收的一個重要原因是磷在自然界呈直線式流動，是從陸地(磷礦)向海洋不斷運動的過程，日益枯竭的磷礦(不足100年的開採期限)最終流向大海而固封難取，單向流動、難以再生的磷資源著實給了人類永續生存之幻想一個下馬威。

然而，氮與磷的本源和歸宿截然不同。如圖1所示，氮來源於大氣，最終依靠氮循環依然回歸大氣。眾所周知，大氣成分中78%均為氮氣(N2)成分，無論是氮的自然循環還是人工循環，從大氣中被固定到植物或殘留在土壤、水體中的氮最終都會藉硝化/反硝化、甚至是厭氧氨氧化(ANAMMOX)而回歸大氣。正因如此，大氣中的氮才是名副其實「取之不盡用之不竭」的一種宏量營養物，無論人類怎樣「折騰」也無消耗殆盡之虞。所以，氮回收並不具有與磷回收一樣的資源急迫性。對此，是否需要從汙水中技術回收氮?這需要詳細分析其適用技術的經濟性，在能耗方面的信息和數據，並與目前盛行的工業合成氮肥技術進行比較。否則，高成本回收的氮產品可能無「下家」願意接受，甚至成為一種造成二次汙染的新汙染物。

為此，本研究試圖通過對不同汙水技術氮回收的經濟性進行梳理與總結，並估算技術氮回收所創造的綜合經濟效益，並將之與傳統工業合成氮肥相比較，以說明從汙水中技術氮回收的經濟可行性。

汙水氮回收實際上是將不同存在形式氮元素進行技術處理/轉移，最後將氮從汙水中分離，達到脫氮並回收氮的雙重目的。現今氮回收技術多種、多樣、且各具特點，但從回收產品形式無外乎液態(含NH4+營養液)、氣態(NH3)、固態(晶體，主要是各類氨化合物晶體)三種形式。本文即從回收這三種形式產品的技術入手，分析他們各自的技術、經濟性。

圖1 氮素自然與人工循環過程

1 液態回收——汙水直接利用

液態回收氮的最簡單形式便是汙水直接用於農業灌溉，這也是中華民族五千年文明史對人類進化的最大生態貢獻，被有識之士稱之為「原生態文明」。其實，汙水農灌不僅回收的是氮，其他營養元素磷/鉀、胺基酸、植物激素等亦一併回收、利用。然而，這一原生態文明的做法在化肥大量使用的今天正在被農民逐漸拋棄，再加上衛生、農業部門的負面宣傳和技術人員的私益，汙水中存在的病原菌、重金屬等成為阻礙汙水農灌的藉口和理論根據。

實際上，非工業廢水介入的汙水，特別是農村生活汙水基本不存在重金屬的問題;關於病原菌的問題，在原生態文明下的漚肥方法已能解決大部分病菌。否則，中國絕不可能成為目前的世界人口大國。其實，這種最簡單的汙水營養物利用形式之所以不被農民看好，主要是其施用作物的產量不高、只有環境效益而不具經濟效益。因此，汙水直接農灌這種無技術含量的方式顯然不在本文討論的範圍。換句話說，以液態回收氮的似乎只有濃縮方式可行，如，沼氣池殘留的沼液、沼渣等，但施肥時需謹慎，否則過高濃度NH4+會在植物根區造成酸化、NH4+被微生物硝化轉化為NO3-而進入地下水，形成汙染。無論怎樣，以液態形式回收氮的前景暗淡，一無技術、二無效益，亦常常被工程技術人員嘲諷。

2 氣態回收—NH3

因此，研究人員將汙水氮回收的視野轉向氣態回收，即，形成NH3後去生產氮肥，以減少工業合成氨的成本。其中，最具代表性的技術就是氨氮吹脫法。

氨氮吹脫法的基本原理就是反應式中NH3/ NH4+化學平衡。在中性pH或低溫環境下，氨氮主要主要以NH4+形式存在，而在鹼性或中高溫環境中氨氮則以游離NH3的形式存在。據此，可以通過提高液體溫度或pH的方式提高氨離解率，再通過曝空氣或水蒸氣等載氣方式將形成的NH3與液體分離。被收集的混合氣體富含NH3，可用於氮肥生產，亦可藉助其他吸收劑轉化為化工原料，如，(NH4)2SO4等而予以回收。圖2顯示了某養豬場汙泥消化液利用氨氮吹脫法回收氨氮裝置示意圖。

根據計算(過程見原文，此處省)，當pH≥11、液體溫度雖為5 ℃時，氨解離率達92%;但當pH=7時，即使溫度上升至55 ℃，其解離率也僅為3.9%。所以，pH對氨氮吹效率影響最大，次要影響因素還有溫度、氣水比、氨氮濃度等。

圖2 氨氮吹脫法回收豬場汙泥消化液中氮工藝流程

圖3 不同pH、溫度下氨解離率變化趨勢

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