浓缩沼液的三效节能蒸发工艺研究

唐弓斌， 陈一帆， 卢誉远， 周淑珍， 黄福川

(1.广西大学 化学化工学院， 广西 南宁 530004； 2.广西石化资源加工与过程强化重点实验室， 广西 南宁 530004； 3.广西玉林大智生物科技有限公司， 广西 玉林 537000； 4.广西畜禽养殖废弃物综合利用工程技术研究中心， 广西 南宁 530004)

项目来源： 星火计划(2015GA790003)

浓缩沼液的三效节能蒸发工艺研究

唐弓斌1，2， 陈一帆1,2， 卢誉远3,4， 周淑珍3,4， 黄福川1，2

(1.广西大学 化学化工学院， 广西 南宁 530004； 2.广西石化资源加工与过程强化重点实验室， 广西 南宁 530004； 3.广西玉林大智生物科技有限公司， 广西 玉林 537000； 4.广西畜禽养殖废弃物综合利用工程技术研究中心， 广西 南宁 530004)

沼液的无害化处理排放因成本过高，影响了沼气工程的推广。文章在传统多效蒸发浓缩技术的基础上，利用MVR技术及空气源热泵技术，开发1种适用于中小型沼气工程配套的沼液浓缩三效蒸发工艺。经处理后的水能到达Ⅱ类水标准，并获得浓缩液，为沼液的资源化处理、减少污水排放处理成本，进行新的探索。

沼气工程； 沼液； 资源化处理； 三效蒸发

随着人们生活质量的提高，对畜禽产品的需求量也在不断提升，因此极大地促进了畜禽养殖业的发展。而畜禽养殖业中的污水排放，始终是制约其快速发展的技术瓶颈。沼气工程的实施有利于减轻养殖排泄物对环境的影响。

沼气是有机质(如农作物、秸秆、人畜粪便、生活垃圾、有机废弃物等及污水)在厌氧的条件下，通过特定微生物的作用形成的[1]。在厌氧发酵过程中，发酵原料中的大部分有机质被分解成蛋白质、氨基酸等多种水溶性物质，形成厌氧发酵液(即沼液)；而原料中不能被微生物分解或分解不完全的物质形成了沼渣[2]。这些沼渣、沼液如不能妥善的处理，直接排放不仅会对环境造二次污染，更是一种巨大的资源浪费[3]。尽管沼渣、沼液的物质组成与比例会因发酵原料的不同而有所差异，但是对其进行资源化综合利用十分必要，并且是可行的。沼渣的处理工艺已较为成熟，脱水后可制成有机肥或有机复混肥[4]。目前，沼液的处理途径大致有两种：一是生化处理，即降解其中的污染物，使其达到相关排放标准；二是农业资源化利用，即对沼液进行浓缩，回收其有效营养物，减少体积以便于运输，使其用途商业化[5]。浓缩沼液经过处理回收后，通常应用于3个方面：用作液体肥料、用来防治病虫害、用来浸种与催芽。

目前，沼液一般是进行常规的排污水处理后，才能达到排放标准。其设备投资大、运行成本高，普通中小畜禽养殖企业难以承受。因此，有必要开发新的工艺进行沼液处理，使之既投资小、运行成本低、操作简单，又能达到排放的法规要求。

对于我国大部分中小畜禽养殖企业而言，一套年处理量3000吨～5000吨传统工艺的污水处理装置大约需300万至500万元人民币，成本过高，且运行费、能耗也较高，企业普遍无法承受。目前，有部分企业将沼液直接排放，污染水体环境。

1 沼液浓缩的技术现状

沼气的发展前景十分广阔，但是厌氧发酵后沼液的处理影响了其综合经济效益。国内外学者针对沼液的资源化处理做了大量的研究工作。目前，对沼液的浓缩技术的研究，主要集中在膜过滤浓缩技术和负压蒸发浓缩技术。此外，还有电絮凝法、冷冻浓缩法[6-7]。但因都存在投资巨大、运行成本高等问题，难以投入实际应用。

1.1 膜过滤浓缩技术

膜分离技术是一项物理分离技术，是指在一定温度和压力下，通过膜两侧的压力差，使沼液进行渗透分离。在利用膜技术浓缩沼液的过程中，清水富集在膜的渗透侧，而其浓缩液被挡在未渗透侧，从而达到分离的效果。

国内外学者对此领域研究也较多。例如梁康强[8]等采用碟管式反渗透膜进行沼液的分离，沼液浓缩后的清水可回收并用于调浆；浓缩液则用于大白菜的种植实验，且提高了大白菜的品质。徐国锐[9]利用纳滤膜对以畜禽粪便为发酵原料的沼液进行浓缩，研制出沼液氨基酸水溶性肥料产品，验证了使用沼液浓缩液配无土栽培营养液的可行性。宋成芳[10]等采用超滤膜将畜禽养殖废弃物产生的沼液进行了浓缩，测定结果显示浓缩液的营养浓度远高于原溶液，且重金属含量远远低于国家的肥料标准限制。

虽然膜技术具有简单、高效、节能、分离效率高等特点，但因存在膜受污染导致寿命短缺及维护费用高等问题，制约了它的推广，只有突破技术瓶颈才有可能推广应用。

1.2 负压蒸发浓缩技术

在一定温度压力下，液体在蒸馏釜中被加热，当温度达到混合液的泡点，液体开始汽化，生产的气相被引出并经冷凝冷却后收集起来。泡点受压力、温度等因素影响，压力愈小，泡点愈低。负压蒸发浓缩技术就是根据泡点随压力变化的特点，利用提高真空度，降低泡点的方法，实现对沼液的浓缩。

负压蒸发是一种成熟而有效的液体浓缩技术。焦有宙[11]对沼液负压蒸发浓缩装置中的蒸发罐、冷凝器、循环液槽、真空泵进行了参数计算与设备选型，并进行了实验。实验结果表明：负压浓缩技术在沼液的浓缩中，既能有效防止沼液内有效成分的流失，又能起到浓缩效果。邓蓉[12]采用负压真空浓缩法对沼液浓缩进行研究，该实验发现：沼液的浓缩效果与速度随真空度的升高呈上升趋势；当真空度为90%时，冷凝液水质能达到了GB18596-2001标准。

综上所述，膜技术在沼液浓缩的工业化应用中因膜污染的制约还无法推广应用，高效膜的制造与清洗问题是制约其进一步发展的主要原因之一；负压蒸发技术，理论上可实现对沼液的浓缩，但是因工艺和设备上的原因，影响了负压蒸发技术在沼液浓缩上的应用。该研究就是利用负压蒸发和机械蒸汽再压缩(MVR)的原理，引入多效蒸发工艺对禽畜养殖废弃物和厌氧发酵处理后的沼液进行浓缩。沼液的浓缩液可用于制造液肥的基础肥，其冷凝水可达到直排标准；并根据沼液浓缩的工况，进行工艺参数的优化设计，以实现对能量的综合利用和沼液的高值化利用，为沼液浓缩的工业化应用进行新的探索。

2 多效蒸发的工艺研究

多效蒸发技术在制糖、制药、食品、石化、废水处理等领域早已实现了工程上的应用，且效果良好[13-15]。但是在沼液浓缩处理领域，国内外未见报道。笔者针对以畜禽养殖废弃物进行厌氧发酵后所产生的沼液，开发对沼液进行浓缩的新工艺。

2.1 多效蒸发的原理

沼液的蒸发过程是沼液不断地从热源吸热，并不断地沸腾让水分汽化的过程，作为蒸发热源的高温蒸汽成为加热蒸汽。为了多次利用蒸汽，通常把第一效蒸发罐所产生的蒸汽用做第二效蒸发罐的加热蒸汽，而第二效所产生的蒸汽又进入第三效蒸发罐作为加热蒸汽。依此类推，以达到节省蒸汽的目的。

蒸发系统的效数越多，蒸汽反复利用的次数也越多。为了保证蒸发过程传热的进行，各效蒸发罐必须具有必要的传热温差。在建立多效蒸发系统的总温差(首效罐的加热蒸汽与末效罐蒸汽之间的温度差)之后，各效罐的温度差可自动调节以建立蒸汽的产供平衡关系。各效罐间的温度的分配只随单效蒸发罐产生的蒸汽的变化而变化，不能随意变化。最后排出的低焓蒸汽经过换热冷凝成水，可达Ⅱ类水质以上，可直接排放。换热产生的热能可预热沼液，冷凝水的低焓能可采用热声发动机回收发电。

采用多效蒸发工艺可以节省蒸汽。然而，效数过多是不经济的；同时，效数的增加会增加有效温差的损失。因为蒸发系统的温差是有限的，效数的增加会使每效罐所能分得的温差减少，从而会降低蒸发罐的蒸发强度，导致蒸发罐的传热系数下降。因此，在沼液浓缩工艺中采用三效的蒸发工艺，其具有较高的能耗比。

2.2 三效蒸发装置设计

沼液成分复杂，含水率高。沼液的主要成分为氨基酸。笔者工艺设计中，以甘氨酸(C2H5NO2)代替复杂的氨基酸成分，按沼液的质量浓度为10%进行研究。针对沼液特性,设计的三效蒸发工艺中采用新的节能技术。

(1)引入多效蒸发工艺用于沼液浓缩，并优化其浓缩工艺；

(2)利用空气能热泵和热声发动机回收二次蒸汽中的余热。空气能热泵收集的热量用于发酵池的加热及沼液的预热；热声发动机产生的机械能可用于发电，向压缩机或真空泵提供能量；

(3)利用MVR蒸汽压缩机将低品质蒸汽转变为高品质蒸汽，而压缩机所需的电能由热声发动机回收的余热转化而来，当能量不足时，可外接电源；

(4)笔者设计的多效蒸发节能工艺，利用集成模块一体化设计，该工艺装置的综合成本远低于目前常规沼液处理的装置成本，可实现沼液的高值化利用。

2.2.1 系统的工作原理

三效蒸发工艺是将3个蒸发罐串联在一起运行蒸发操作，沼液与加热蒸汽采用并联的方式进入蒸发罐。

第一效的加热蒸汽来自于锅炉蒸汽(来自于沼气锅炉)，第一效产生的二次蒸汽经MVR蒸汽压缩系统后用于对第二效里沼液的加热。同样，第二效产生的二次蒸汽经处理后用于第三效里沼液的加热。

沼液在第一效被加热后，在压力差的条件下，依次经过各效蒸发罐，在蒸发罐里被前一效的蒸汽加热。

2.2.2 系统的组成

三效浓缩蒸发系统基本构成如图1所示。蒸汽通过的设备有：泵、蒸发罐、MVR蒸汽压缩系统、气水分离器、空气能热泵、热声发动机、平衡箱；沼液通过的设备有：泵、预热器、真空罐；除此还有温度计、压力表、真空表、安全阀等。

图1 系统基本构成

2.2.2.1 系统工艺流程

(1)沼液由泵抽出，经预热器然后送入一效蒸发罐加热管里；同时锅炉产生的饱和蒸汽进入一效蒸发罐的加热室；

(2)第一效中的加热蒸汽通过加热管壁将热量传给沼液；沼液受热沸腾，部分水分蒸发成二次蒸汽。二次蒸汽经MVR压缩机增温提压成高品质蒸汽，进入二效蒸发罐。然后打开阀门，浓缩后的沼液在压差的存在下，自动流入二效蒸发罐；

(3)进入第二效的沼液，被第一效进入的加热蒸汽加热，蒸发生产二次蒸汽；同样，沼液进入第三效蒸发罐；

(4)第二效产生的二次蒸汽经MVR压缩机变为高品质蒸汽进入第三效；沼液自第二效进入第三效蒸发罐后，进一步被浓缩，最后排出；系统运行的过程中，真空系统一直运作，保持足够的真空度；

(5)沼液被加热产生的二次蒸汽，经空气能热泵回收余热。空气能热泵收集的热能用于发酵池的升温及沼液的预热；热声发动机输出的机械能用于发电，供MVR压缩机及泵使用；

(6)各效蒸发罐中加热蒸汽换热后冷凝成汽凝水。而汽凝水具有很高的温度，将其排入自蒸发器中，自蒸发生成蒸汽。自蒸发生成的蒸汽与第三效沼液蒸发生成的蒸汽由空气能热泵与热声发动机回收余热。而从自蒸发器中排出的冷凝水由热声发动机回收能量，然后可作为工业用水。

2.2.2.2 该系统的设备相关参数

(1)蒸发罐是三效蒸发工艺中的关键设备,系统中选用升膜式蒸发罐。蒸发罐加热室中的换热管选用φ25 mm×2.5 mm的不锈钢管，长度1.5 m；蒸发室的高度可设为换热管长度的1.5～2倍；换热管的数量可根据相应工况下的换热面积进行计算设定；

(2)MVR蒸汽压缩机选用离心压缩机对二次蒸汽加热；

(3)真空泵选用隔膜式真空泵；

(4)气水分离器选用填料除沫分离器；

(5)自蒸发器选用柱式自蒸发器；

(6)空气能热泵、热声发动机和太阳能热水器。空气能热泵采用太阳能辅助的空气源热泵，热声发动机选用以氦气为工质的行波热声发动机；

(7)锅炉。在沼液的浓缩工艺中，采用沼气锅炉；

(8)系统采用水压实验检测。

2.2.3 沼液浓缩的工艺模拟

笔者以甘氨酸代替复杂的氨基酸成分，但是沼液成分复杂，且随着温度的升高会释放氨氮。在负压条件下，沼液蒸发的温度也随之降低，有机物分子化学键更加稳定牢固，从而能有效防止其分解挥发[16]。由文献[16]可知，在减压蒸发的条件下，投入硫酸溶液将沼液的pH值控制在5以下时，能有效防止氨氮等营养物质的挥发。

为了使模拟试验更加简化、减少沼液因高温导致营养成分的流失，笔者设计的三效蒸发工艺将3个蒸发罐的压力分别控制在0.050 Mpa，0.035 Mpa，0.020 Mpa,使得沼液的泡点控制在85℃以内。按沼液的流量每小时1000 kg·h-1，预热后温度70℃。利用Aspen plus模拟沼液的浓缩过程的工况，且对模型做了如下假设： 1)不计传热过程中的温差损失； 2)沼液在各效蒸发罐浓缩过程中及时加入试剂以控制pH值在5下，不计氨氮等元素的挥发； 3)不考虑因蒸发罐表面积垢而导致传热系数的改变。沼液和加热蒸汽的模拟流程见图2。

图2 沼液浓缩流程图

如图2所示：第一效蒸发罐由E1-A，E1-B和FL1模拟，第二效蒸发罐由E2-A，E2-B和FL2模拟，第三效蒸发罐由E3-A，E3-B和FL3模拟；压缩机C和补水装置MIXER模拟机械蒸汽再压缩部分中的压缩机模块。模拟后，沼液蒸发过程的热力状况见表1，蒸汽变化量见表2，工艺中排出的汽凝水及补水参数见表3，换热量见表4。

表1 沼液蒸发过程的热力状况

表2 蒸汽变化量

表3 排出的汽凝水及补水量

表4 换热量

由表1可知：第一效排出的浓缩液(NSY1)流量为781.4 kg·h-1，沼液浓度为12.8%；第二效的浓缩液(NSY2)流量为546.7 kg·h-1，沼液浓度为18.3%；第三效排出的浓缩液流量为291.2 kg·h-1，沼液浓度为34.3%；

由表2和表3可知：流量为240 kg·h-1，温度100.0℃的锅炉饱和蒸汽ZQ1-IN(STREAM)进入第一效蒸发罐，将沼液加热后变为温度91.0℃的汽凝水1；第一效蒸发罐生成的二次蒸汽ZQ1-OUT(流量为218.6 kg·h-1，温度81.6℃)经压缩机增压提温后，再经补水装置补水后，变为高品质饱和蒸汽ZQ2-IN(流量226.1 kg·h-1，温度89.8℃)。经第二效换热后，变成81.8℃的汽凝水2；第二效生成的二次蒸汽ZQ2-OUT(流量234.7 kg·h-1，温度75.7℃)，同样变成高品质饱和蒸汽ZQ3-IN(流量242.8 kg·h-1，温度83.7℃)后进入第三效加热沼液。最后，蒸汽经换热后变为73.7℃的汽凝水3。

上述蒸发过程中，各效蒸发罐中分离室E1-B，E2-B，E3-B的压力分别为0.045 MPa，0.035 MPa，0.020 MPa；Ⅰ效，Ⅱ效，Ⅲ效蒸发罐的筒体规格分别为：φ200 mm×2300 mm，φ400 mm×2300 mm，φ500 mm×2300 mm，沼液在各效蒸发罐内的流量分别为：0.278 kg·s-1，0.217 kg·s-1，0.08 kg·s-1；利用ASME等熵模型模拟压缩机做功，效率为0.72，模拟结果显示压缩机C1，C2的功率分别为6.41 kW，6.94 kW。

从模拟结果可知：沼液经三效蒸发后，浓度由10.0%提升到34.3%；沼液的体积缩小了70.9%。

该工艺具有如下特征：

(1)采用三效蒸发工艺来浓缩沼液，减少排污量，从应用工艺方面来说是可行的，且其浓缩后的沼液可作为液肥的基础肥；

(2)在工艺装置中采用的太阳能、热声发动机、空气能热泵等模块的节能技术是可行的，且综合效益显著，可适用于中小型禽畜养殖场沼液的处理；

(3)采用工艺进行沼液减排装置的投资比常规污水处理要低30%～50%，且运行费用较低，操作简便，可实施24小时无人值守。

3 结论

笔者开发的三效蒸发中试工艺中：利用MVR技术对二次蒸汽高质化处理，节省了锅炉蒸汽的用量；利用空气能热泵及热声发动机回收了蒸汽中的余热，到达了节能的目的；沼液浓缩后可商品化(即液肥的基础肥)，有效避免了资源的浪费以及对环境的污染，排放的冷凝水可达到Ⅱ类水标准，对沼液资源化利用进行新的尝试。

[1] Holm Nielsen J B, Seadi T A, Oleskowicz-Popiel P. The future of anaerobic digestion and biogas utilization[J].Bioresource Technology, 2009, 100(22):5478-84.

[2] Weiland P. Biogas production: current state and perspectives[J].Applied Microbiology Biotechnology, 2010, 85(4):849-860.

[3] Garg R N, Pathak H, Das D K, et al. Use of flyash and biogas slurry for improving wheat yield and physical properties of soil.[J].Environmental Monitoring Assessment, 2005, 107(1-3):1-9.

[4] 李 伟,吴树彪,Hamidou Bah,庞昌乐,董仁杰. 沼气工程高效稳定运行技术现状及展望[J].农业机械学报,2015,4607:187-196，202.

[5] 隋倩雯,董红敏,朱志平,黄宏坤. 沼液深度处理技术研究与应用现状[J].中国农业科技导报,2011,13，7701:83-87.

[6] 闫园园,李子富,程世昆,白晓凤,周晓琴. 养殖场厌氧发酵沼液处理研究进展[J].中国沼气,2013,05:48-52.

[7] 夏昌林. 中药浓缩方式的应用[J].机电信息,2011,29614:4-8.

[8] 梁康强,阎 中,魏泉源,朱民,林秀军. 沼气工程沼液高值的利用研究[J].中国农学通报,2012,28，28732:198-203.

[9] 徐国锐. 沼液纳滤膜浓缩技术及其液体有机肥开发研究[D].杭州：浙江大学,2012.

[10] 宋成芳,单胜道,张妙仙,文先红. 畜禽养殖废弃物沼液的浓缩及其成分[J].农业工程学报,2011,12:256-259.

[11] 焦有宙,关山月,李鹏飞,王少鹏,贺 超,李 刚,丁 攀. 沼液负压蒸发浓缩装置的设计与试验[J].农业工程学报,2015,31，27624:72-76.

[12] 邓 蓉. 畜禽养殖场沼液的负压浓缩与纳滤膜浓缩研究[D].重庆：西南大学,2014.

[13] 史 昱,赵志坚,于少华. 五效蒸发在废水处理中的应用[J].无机盐工业,2012,44，28508:55-56.

[14] 刘 洋. 真空制盐五效蒸发生产工艺改造探索[J].中国井矿盐,2007,06:14-17.

[15] 刘天柱,张 华,赵东风,薛建良,李 石,刘 伟.多效蒸发技术浓缩石化企业含盐废水的操作方案优化分析[J].现代化工,2014,11:140-143，145.

[16] 白晓凤,李子富,尹福斌,程世昆,白 雪,张 扬. 蒸发法处理厌氧发酵沼液试验研究[J].农业机械学报,2015,05:164-170.

ConcentrationofBiogasSlurrybyThree-effectEvaporation/

TANGGong-bin1,2,CHENYi-fan1,2,LUYu-yuan3,4,ZHOUShu-zhen3,4,HUANGFu-chuan1,2/

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering，GuangxiUniversity,Nanning530004，China; 2.KeyLaboratoryofGuangxiPetrochemicalResourceProcessingandProcessIntensificationTechnology,Nanning530004，China; 3.GuangxiYulinDazhiBiotechnologyCoLtd,Yulin537000，China; 4.EngineeringTechnologyCenterofGuangxiComprehensiveUtilizationofLivestockandPoultryWastes,Nanning530004,China)

Because of excessive costs, the biosafety disposal of biogas slurry affected the promotion of biogas projects. Based on the traditional multi-effect evaporation concentration techniques, adopting MVR technology and air-source heat pump technology, a three-effect evaporation process was developed for concentration of biogas slurry from small and medium biogas projects. After the treatment, it could obtain a standardⅡwater and a concentrated solution. It is a new way of resourceful disposal and reducing discharge cost for biogas slurry

Biogas project； biogas slurry； recycling； three-effect evaporation

2016-08-03

2016-09-18

唐弓斌(1991-)，男，在读硕士，主要从事节能技术及设备方面的研究工作，E-mail：tanggongbin@sina.com

黄福川，E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0061-06