《Journal of Water Process Engineering》：Synergy of storage aging and a novel two-stage stripping process for enhanced ammonia recovery from biogas slurry
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氨回收工艺优化及两阶段闭路系统效果研究。摘要：通过气提法优化氨回收工艺，发现储存90天后的污泥TAN/TN比值提升12.22%，溶解CO2减少46.06%，在35℃和50℃下TAN去除率分别提高22.2%和17.5%。动力学分析表明老化污泥氨剥离时间常数降低1.53-2.12倍。采用Ca(OH)?调节pH较NaOH降低44.24%电导率，并实现氮磷耦合回收。两阶段闭路系统首阶段去除60%以上CO2自主调pH>9.0，次阶段碱耗减半，TAN去除率>80%。优化工况S35–6-2下系统成本1.53美元/千克TAN，集成CO2预剥离、钙基pH调控和温和温控实现高效低耗氨回收。
Jingjing Peng | Aibin Hu | Xin Zhang | Ping Ai
西云南应用科技大学测绘与信息工程学院，中国大理市671006
摘要
本研究优化了通过气体萃取从沼气浆液中回收氨的操作条件和控制策略。储存老化显著提高了浆液的处理性能，90天后，总氨氮与总氮的比值（TAN/TN）增加了12.22%，而溶解的CO2减少了46.06%，降低了缓冲能力并提高了氨的可用性。未经pH调节的老化沼气浆液在35°C下的TAN去除率比新鲜浆液高22.2%，在50°C下高17.5%。动力学分析进一步表明，新鲜浆液中的氨萃取受到更多限制，其时间常数是老化浆液的1.53–2.12倍。在pH调节方面，Ca(OH)?的表现优于NaOH，它将电导率（EC）降低了44.24%，并实现了氮和磷的协同回收。两阶段闭环萃取系统实现了分阶段的脱碳和脱氨。第一阶段去除了超过60%的CO2，并使pH值自主升高到9.0以上；第二阶段将碱消耗减少了50%，并实现了超过80%的TAN去除率。在优化条件下（S35–6-2：在35°C下使用6.0 g/L的Ca(OH)2进行预萃取2小时后），系统的TAN去除率为88.2%，运营成本为$1.53/kg TAN。这种结合了CO2预萃取、基于钙的pH调节和中等温度操作的方案为营养物质回收和可持续厌氧消化管理提供了一种实用且经济高效的方法。
引言
厌氧消化（AD）技术用于生产沼气，具有多种优势，包括能够在高有机负荷率下运行、产生的污泥量少以及甲烷产量高[1]。这些优点使得AD成为从有机废物中回收资源的关键方法，因此得到了广泛应用。然而，该过程也会产生大量富含氮和磷的沼气浆液。如果这些废液管理不当，将带来大气污染和水体富营养化的严重风险[2]。因此，从沼气浆液中回收氮和磷对于先进的废水处理和促进养分循环的农业系统至关重要。为了应对这些环境挑战，氨萃取已成为回收这些重要养分的主要方法。
氨萃取是研究最广泛的氨回收方法之一，尤其是在利用AD或沼气发电的余热时。萃取出的氨可以被酸吸收，用于生产铵盐肥料，从而实现资源回收和增值利用[3]。这种方法在实际农场应用中展示了巨大的潜力。例如，在农场规模的沼气项目中，放大系统的氨去除效率达到了60%，处理成本约为�5.80/t，副产品硫酸铵的收入为�3.00/t[4]。此外，氨萃取还具有高去除效率、操作简单以及与现有沼气设施兼容等优点[5]、[6]。例如，将萃取作为鸟粪石（铵镁磷酸盐）沉淀的预处理方法，可以实现总氨氮（TAN）和总磷（TP）的同步回收，回收率分别为88.03%和96.07%[7]。当与厌氧过程结合使用时，特别是对于富含氮的原料，这种方法可以保持消化物中的TAN浓度低于3.0 g/L，从而确保稳定的甲烷生产[8]。
氨萃取本质上是一个由液相和萃取气体之间自由氨（FAN）的分压梯度驱动的气液传质过程。过程性能受多种操作参数的影响，包括pH值、气体流量、温度和反应器配置[9]。在氨萃取过程中，pH值调节主要依赖于化学试剂如Ca(OH)2或NaOH[10]。沼气浆液中碳酸盐-碳酸氢盐缓冲系统的高浓度进一步复杂化了这一过程。高能耗、过量的碱需求以及萃取塔内的结垢等问题严重限制了其大规模工程应用[11]。这些综合限制突显了需要全面评估关键过程参数（特别是pH值和温度）以实现高效氨回收的必要性。
预萃取溶解的二氧化碳（CO2）可以提高浆液的pH值，从而降低后续氨萃取阶段的碱需求[12]、[13]。基于这一原理，提出了一种两阶段萃取过程：在第一阶段去除CO2，为第二阶段的氨萃取创造有利的pH条件，最终降低运营成本[14]、[15]。然而，沼气浆液的物理化学特性非常复杂，受原料组成、消化器配置和操作参数等因素的影响[16]。此外，连续生产的沼气浆液与季节性作物施肥之间的不匹配通常需要储存，在储存过程中废液的性质可能会发生显著变化[17]。了解储存期间沼气浆液的物理化学特性至关重要，因为这些变化会影响氨萃取效率。尽管先前的研究表明新鲜沼气浆液中的TAN更难去除[18]，但关于浆液特性变化对氨萃取性能影响的研究仍然有限。
虽然之前的研究分别考察了CO2预萃取、碱剂量和温度，但它们在集成系统中的协同潜力尚未得到充分探索。本研究通过在两阶段闭环系统中独特地整合这些操作因素，填补了这一空白。提出了一种顺序批次分离控制策略来处理CO2-NH3。首先，在不同的温度和pH条件下比较了新鲜和老化沼气浆液的TAN去除性能。随后，使用两阶段闭环萃取系统分析了pH值、CO2负荷、TAN和有机物降解的动态变化。这些发现为开发CO2和NH3的顺序批次分离和控制策略奠定了坚实的基础，为从沼气浆液中更可持续和高效地回收氨铺平了道路。
实验材料
沼气浆液取自中国湖北省鄂州市一个生态农业养猪场中的500 m3中温（35 ± 2 °C）连续搅拌反应器（CSTR）。该反应器的水力停留时间（HRT）为60天，主要处理猪粪，并加入少量鸡粪和生活污水。收集后，新鲜浆液在4小时内被运输到实验室，并储存在密封的500 L容器中
TAN去除性能
储存三个月后，新鲜沼气浆液转变为老化浆液，其物理化学性质发生了显著变化（表1）。总固体（TS）含量从1.85%下降到0.88%，挥发性固体（VS）含量从0.85%下降到0.45%。对于储存的猪粪消化物也有类似的趋势，TS含量减少了6%–10%，化学需氧量（SCOD）减少了6.6%–29.0%[25]。这些减少可以归因于消化物中的残留有机物，因为TS含量和COD通常
结论
本研究系统地阐明了沼气浆液特性、萃取温度和pH调节策略对氨萃取性能的联合作用。研究表明，两阶段萃取方法在高效TAN回收方面具有优势。研究结果揭示了两阶段闭环萃取方法作为传统单阶段系统的优越替代方案的优势。储存过程中浆液的成熟显著改变了其物理化学性质
作者贡献声明
Jingjing Peng：撰写——原始草案、研究、数据分析、数据管理。Aibin Hu：撰写——审稿与编辑、验证、资金获取。Xin Zhang：方法论、数据分析。Ping Ai：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了湖北省自然科学基金（2025AFD338）的资助。
