基于水热前处理的堆肥渗滤液氮素回收技术：鸟粪石热解循环技术和改性水热炭吸附技术

原创：张涛，武肖莎，李欢欢，李国学

导读：好氧堆肥初期会产生大量的富氮渗滤液，氮素的高效回收不仅减轻渗滤液的环境氮负荷，同时养分得以资源化利用。氮素回收效率主要受制于两种因素：氮素的赋存形式和回收技术。因此，如何实现氮素的高效转化和回收一直是本领域的重难点问题。

本研究基于水热预处理技术，设计温度和时间梯度，以期实现堆肥渗滤液氮素的高效释放。同时，耦合鸟粪石热解循环和改性水热炭吸附两种技术模式，综合多种光谱分析，定量评价铵氮的回收潜能，实现氮素最佳回收率。

3D-EEM谱图分析展现了不同温度和时间梯度下，水热预处理对堆肥渗滤液氮素的赋存形态的影响。结果显示，水热预处理对堆肥渗滤液氮素的赋存形态存在显著影响，通过蛋白质水解、有机质降解，细胞裂解等方式促进了有机氮的释放和难溶性氮素的溶解。氮素释放与水热温度和维持时间存在强烈的正相关性。当温度达到210℃（40min），铵态氮含量增加了22.3%；当水热维持75min（180℃）时，渗滤液中铵态氮比例高达82.2%。

不同水热处理温度和时间下堆肥渗滤液的铵态氮浓度和3D-EEM分析 (a)CK (b)120℃ (c)150℃ (d)180℃ (e)210℃

在此基础上，耦合改性水热炭吸附技术模式，实现堆肥渗滤液中氮素的迁移-吸附-富集。本研究选取自主合成的碱改性-水热炭（260°C）吸附渗滤液赋存的氮素（水热210℃，40min），当吸附温度为45℃时，铵态氮的最佳吸附量高达140.3mg/g。通过计算热力学参数发现，铵态氮的吸附反应属于一个放热，自发进行和熵增的化学吸附主导的过程。除此之外，饱和水热炭（铵态氮吸附量140.3mg/g）浸提实验显示，经五次间歇浸提后，12.2%的铵态氮得以再次释放而被植物吸收利用。综上，水热 水热炭吸附技术模式应用下，堆肥渗滤液中氮素回收率相当于总氮含量的8.9%。

水热炭吸附铵态氮动力学和热力学分析

吸附热力学参数计算和饱和水热炭的浸提氮释放分析

水热处理后渗滤液的氮素被激活，有利于促进后续氮素的结晶沉淀，即鸟粪石结晶技术。鸟粪石热解循环技术解决了常规技术试剂成本高昂和化学污泥大量产生的两大技术难题。本研究基于此，设置热解温度、热解时间和碱含量三个变量，优化热解脱氨参数，最佳条件为热解温度110℃，热解3h，OH^-：NH₄ -N为1:1。除此之外，SEM-EDX分析表明，鸟粪石的热解产物的主要形式为MgNaPO₄·7H₂O。鸟粪石的热解产物脱氨效率与循环频次密切相关，第五次循环时脱氨效率降低至78.1±1.0%。FTIR和粒度分析揭示导致此变化的机理，随着循环频次增加，鸟粪石热解产物中粒度减小，杂质含量明显增加，活性和游离态的镁磷含量减少，从而导致脱氨效率下降。此技术的经济核算表明，鸟粪石热解循环技术较常规技术节约了59.0%的处理成本。因此，水热-鸟粪石热解循环技术模式具有氮素结晶良好和经济成本合理的优势。

不同条件下鸟粪石热解过程中NH₄ -N的释放速率（a）OH^-和热解温度对NH₄ -N释放速率的影响（热解时间3 h）；（b）OH^-和热解时间对NH₄ -N释放速率的影响（热解温度110 ℃）；（c）热解温度和时间对NH₄ -N释放速率的影响（OH^-：NH₄ -N 1：1）。

鸟粪石热解产物成分分析

鸟粪石热解循环频次与脱氨效率影响机理分析

本研究基于水热预处理，促进堆肥渗滤液中氮素转化与释放，同时采用鸟粪石热解循环与改性水热炭吸附两种技术模式，对渗滤液“激活态”氮素进行吸附和捕捉。综合多种检测手段，揭示了水热炭吸附机理和释氮能力，表明了鸟粪石热解产物的真实面貌和脱氮效率下降的真正原因，为渗滤液中氮素循环利用提供崭新的思路。

学术成果发表在环境领域权威期刊Journalof Cleaner Production(5-Year Impact Factor: 7.051), 2020, 242,118442，题目为“Struvitepyrolysate cycling technology assisted by thermal hydrolysispretreatment to recover ammonium nitrogen from compostingleachate”，Journalof Environmental Management(5-Year Impact Factor: 4.962), 2019,236, 108-117，题目为“Cornwaste valorization to generate activated hydrochar to recoverammonium nitrogen from compost leachate by hydrothermal assistedpretreatment”。论文通讯作者为中国农业大学张涛副教授，论文联合作者包括中国农业大学李国学教授，南京大学任洪强教授，香港理工大学DanielC.W. Tsang教授，农业农村部规划设计研究院沈玉君研究员等。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

参考文献：

TaoZhang, Xiaosha Wu, Huanhuan Li, Daniel C.W. Tsang, Guoxue Li,Hongqiang Ren, Struvite pyrolysate cycling technology assisted bythermal hydrolysis pretreatment to recover ammonium nitrogen fromcomposting leachate, Journalof Cleaner Production,2020, 242, 118442.

TaoZhang, Xiaosha Wu, Xing Fan, Daniel C.W. Tsang, Guoxue Li, YujunShen, Corn waste valorization to generate activated hydrochar torecover ammonium nitrogen from compost leachate by hydrothermalassisted pretreatment, Journalof Environmental Management,2019, 236, 108-117.

原文链接：

https:///10.1016/j.jclepro.2019.118442

https:///10.1016/j.jenvman.2019.01.018

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