【精选文章】中国海诚工程科技股份有限公司贺磊团队：气态膜法回收垃圾渗滤液氨氮技术进展与机理探讨
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文章来源： 《工业水处理》2023年第12期
第一作者 ：贺磊
通讯作者： 赵由才
合作单位 ：同济大学
气态膜材料及组件脱氮运行机制（左图）与气态膜法的传质机理（右图）
目前传统生物脱氮工艺中需投加大量碳源用于提高垃圾渗滤液的C/N，且随着填埋龄增加，C/N严重失衡，将导致脱氮成本偏高以及脱氮效果不佳。 气态膜法是一种新型低能耗、高效率的氨氮资源回收技术。
本文综述了气态膜法在垃圾渗滤液等高氨氮废水脱氮处理中的应用，并以双膜理论为基础，推导出适用于气态膜法的氨传质机理，且气态膜法氨传质过程可归纳为串联阻力模型，即1/K OV =1/K f +1/K m 。
经研究，料液侧传质系数（K f ）与气态膜类型及其组件形式、Re 和 Sc 等参数相关，气态膜膜内传质系数（K m ）取决于气态膜的孔径、孔隙率、孔径曲折度以及厚度等参数，且K f 对K OV 的影响远大于K m 。
因此，增大料液流速可促进 NH 3 在料液侧至料液边界层以及料液边界层向膜表面的扩散与传质，从而大幅提高总传质系数（K OV ）以及垃圾渗滤液脱氮效率。
实践表明，气态膜法可用于垃圾渗滤液、餐厨沼液、化工医药废水等高氨氮废水脱氮处理，出水氨氮可达标排放，且气态膜回收产物可作为化工原料和农业氮肥，实现了废水氨氮资源回收利用。
1.以独特视角将废水中氨氮成分的污染属性转变为可再生资源属性，为目前常见的市政和工业高氨氮废水处理难题提供一种创新解决方案，符合未来发展循环经济的需要。
2.对气态膜法回收渗滤液等高氨氮废水中NH 3 -N的国内外研究成果进行了总结，并重点探讨了气态膜法氨传质机理与模型，为其实际应用提供理论基础。
3.通过理论计算和实践验证，提出影响气态膜法脱氮过程中废水脱氮效率的主要影响因子，即料液pH、温度以及流速等，并归纳总结出各传质系数的相关方程式。
垃圾渗滤液主要来源于垃圾卫生填埋场或垃圾焚烧发电厂，据统计，我国渗滤液日均产生量已超过26万t，年平均增长率5%以上。
渗滤液是典型的高氨氮废水，氨氮（NH 3 -N）质量浓度一般在1 000~4 000 mg/L，而按《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）要求，TN和NH 3 -N需控制在40 mg/L和25 mg/L以下，敏感地区更为严格。
若氨氮超标排放，容易使水体富营养化，将对水生环境造成严重危害。目前常用的传统生物脱氮工艺，需投加大量的葡萄糖、乙酸钠等碳源用于提高垃圾渗滤液的C/N，且随着填埋龄增加，C/N严重失衡，导致碳源投加成本偏高。
气态膜法是一种新型低能耗和高效率的氨氮资源回收技术，利用微孔疏水膜将高氨氮料液与酸性吸收液隔离并分置膜的两侧，提高料液pH使得离子态NH 4 + 转变成为游离的气态NH 3 ，并在传质推动力（主要是膜两侧NH 3 分压差）作用下，NH 3 穿过微孔膜被吸收液吸收，并发生酸碱中和反应形成铵盐；与氨吹脱（汽提）法相比，气态膜法不需要采用大量的空气或者水蒸气吹脱出NH 3 ，也无需使用体积较大的吹脱塔和吸收塔设备。
国内外诸多学者已将气态膜法用于垃圾渗滤液、猪场废水沼液、鸡粪沼液、放射性废水和餐厨沼液等的高氨氮废水脱氮处理和资源化利用。
研究结果表明，气态膜法具有快速、稳定和高效的脱氮效果，可将氨氮资源充分回收，最高氨氮回收率可达99%，但该技术的机理研究以及工程化推广仍需加强。
气态膜法的氨传质过程主要分为以下5步：
1）通过料液的边界层向膜表面传质；
2）料液相与膜孔气相之间形成液-气相平衡；
3）挥发性NH 3 在膜孔间隙中扩散；
4）膜孔气相与吸收液相之间形成气-液相平衡，在气液界面形成铵盐化合物；
5）铵盐化合物通过吸收液边界层并传质扩散。
本文以双膜理论为基础，推导出适用于气态膜法的氨传质机理，且氨传质过程可归纳为串联阻力模型，其总传质系数表达式为1/K OV =1/K f +1/K m 。料液侧传质系数（K f ）可由Sherwood方程式推导，且Kf值与气态膜类型及其组件形式、Re和Sc等参数相关。气态膜膜内传质系数（K m ）与气态膜的孔径、孔隙率、孔径曲折度以及厚度等有关。因此，在料液温度和pH一定条件下，增大料液流速可促进NH 3 在料液侧至料液边界层以及料液边界层向膜表面的传质速率，从而大幅提高总传质系数（K OV ）以及氨氮回收效率。
简言之，气态膜法可用于高氨氮废水脱氮处理与氨氮资源化利用，且气态膜回收产物可作为化工原料和农业氮肥等有价物质，因此气态膜法具有较好科研价值与市场应用前景。
第一作者： 贺磊，博士，高级工程师，硕士生兼职导师，毕业于同济大学环境科学与工程专业，目前就职于中国海诚工程科技股份有限公司上海本部，主要从事环保化工领域新材料、新工艺和新装备研发与工程应用，主持或参加国家科技部、国家发改委、上海市科委和上海市经信委等省部级重点研发项目，授权22项发明专利，发表20余篇学术论文，参编英文专著和研究生教材各1部，参与修订国家标准规范1项。多项科研成果完成中试示范并转化为实际工程项目，且首次成功应用到相关行业。在气态膜法回收氨氮资源领域，相关创新成果发表在Chemical Engineering Journal（2020）、Journal of Water Process Engineering ( 2023 )等国际知名期刊，并成功授权气态膜材料制备方法的发明专利。联系邮箱：。
通讯作者 ：赵由才，同济大学首批二级教授，博士生导师，主要从事固体废物处理与资源化科学研究与工程应用。主持承担了国家重点研发计划项目、国家科技部863计划项目、国家科技部科技支撑计划课题、国家自然科学基金项目等数十项国家和省部级科研项目，以及数十项企业委托横向项目。发表SCI论文200余篇，授权发明专利80余项，出版中英文学术著作100多部。科研成果在固废处置行业内得到广泛应用，产生良好的经济与社会效益，以第一完成人荣获2013年国家科技进步奖二等奖、国家教育部2018年科技进步奖二等奖、上海市2008年科技进步奖一等奖、国家教育部2011年科技进步奖一等奖、国家教育部2007年技术发明奖二等奖等10余项省部级奖励。联系邮箱：Zhaoyoucai@tongji.edu.cn。
（ 来源 ：《工业水处理 》 2023年第12期 ）
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本文由丨 工业水处理 丨精编发布
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