在循环经济中，通过田口方法优化氨气脱除工艺，实现厌氧消化物中高效率的锰铁矿回收

《Bioresource Technology Reports》：Taguchi-optimized ammonia stripping for high-efficiency mascagnite recovery from anaerobic digestate in a circular economy

　　摘要：充分利用富含氮的厌氧消化液对于推动循环生物经济体系的发展至关重要。本研究提出了一种经过系统优化的高效方案，通过集成空气吹脱和化学计量酸吸收技术，将液态消化液转化为农业用硫酸铵。研究采用田口L16正交数组方法，探讨了pH值、温度、气流速率及吹脱时间等参数对物质传递过程的复杂影响。方差分析结果显示，流体动力学因素，尤其是气流速率，是影响过程效率的最主要因素，其贡献率达60.1%，这反映出高粘度消化液体系中存在严重的物质传递限制。因此，从热力学和流体动力学角度提升处理效果比过度碱化更为重要（pH值的影响仅为13.7%）。在经统计验证的最佳条件下（pH值10.5，温度50℃，气流速率8升/分钟，吹脱时间3小时），该系统可实现98.3%的氨去除率。后续的酸吸收步骤则能使固体结晶肥的回收率达到97.0%。通过X射线衍射和扫描电子显微镜等先进分析手段，确认所获得的产物为正交晶系的硫酸铵，其化学稳定性极高，纯度可与分析级标准品相媲美。这一方法成功地将一种废弃物转化为高价值矿物产品，既减少了环境污染，又实现了农业养分循环利用。

引言：面对人口快速增长、气候变化以及有限自然资源日益枯竭等严峻挑战，全球亟需从线性生产模式转向以可再生资源为基础的循环经济体系（Siciliano等人，2020；Khan等人，2025；Ritzén和Sandstr?m，2017）。据预测，到2050年全球人口将达到94亿至101亿之间（FAO，2022），届时对食品和能源的需求增长速度将超过人口增长速度本身（FAO，2019）。这一趋势给农业领域带来了巨大压力，使得农业生产不得不依赖大量合成氮肥。仅2000年至2020年间，全球食品消费量就增长了37%（FAO，2022），从而导致用于农业的氨气年产量高达约5亿吨（Montoya等人，2015；Zhang等人，2021）。然而，通过哈伯-博施工艺传统合成氨的方法成本高昂且对环境有害。该工艺需要在400至500℃的温度和100至300巴的压力下进行操作（Humphreys等人，2021），因此氨气合成过程的能耗高达每千克氨6.9至11.7千瓦时（Rouwenhorst等人，2019）。这种对化石燃料的过度依赖不仅会耗尽不可再生的能源储备（Martins，2018），还会导致全球约1%的温室气体排放量（MacFarlane等人，2020）。

在此背景下，循环经济理念为解决上述问题提供了新的思路，其核心目标是通过实现物质循环利用来提高资源利用效率并降低环境负担（Khan等人，2025；Shen等人，2020）。这一理念强调对各类废弃物的回收与再利用，尽可能让资源持续留在经济循环中，从而减少对原始原材料的开采（Ritzén和Sandstr?m，2017；Chojnacka等人，2020；Ellacuriaga等人，2021）。尤其从有机废弃物中回收养分，为摆脱对化石能源的依赖、构建可持续的农业氮循环提供了可行途径（Jin等人，2022；Monfet等人，2018；Malhotra等人，2022）。

厌氧消化技术作为循环经济中的关键技术，能够在无氧环境中实现有机废弃物的可控生物分解（Mignogna等人，2023；Alfa等人，2014；Yu等人，2023）。该技术应用范围广泛，可处理从城市固体废物、食物残渣到动物粪便及工业废水等各类废弃物（Obulisamy等人，2016）。厌氧消化的主要优势在于能够产生生物气，这是一种可再生能源，有助于保障能源安全并减少温室气体排放（Alfa等人，2014；Hu等人，2018）。

不过，厌氧消化技术的广泛应用面临着一个重大瓶颈，那就是如何处理大量产生的消化液。通常情况下，投入消化池的原料中有90%到95%会以消化液的形式残留下来（Luostarinen等人，2011）。仅在欧盟成员国，每年产生的消化液量就已达到1.8亿吨（Kova?i?等人，2022）。虽然这类副产品含有大量部分降解的有机物、矿物质以及浓度较高的氮和磷元素，但直接处理它们会带来严重的物流和环保难题（Dutta等人，2021；Kaur等人，2020）。

如果处理不当，将原始消化液直接施用于土地，会导致甲烷、二氧化碳、一氧化二氮和氨气等气体的排放，进而造成大气污染（Nag等人，2020；Maghfiroh等人，2023）。此外，过量的养分投入还会导致水体富营养化以及地下水污染。同时，还存在病原体可能进入食物链的风险（Nag等人，2020）。从经济角度来看，消化液中含有大量水分，运输到远处农田的成本极高，且由于肥料需求存在季节性波动，还需要建设庞大的储存设施。因此，将消化液从一种废弃物转变为高价值产品，对于保证沼气厂的经济效益具有重要意义（Malhotra等人，2022；Praveen等人，2018；Nkoa，2014）。用消化液替代1吨合成肥料，就能节省1吨石油、108吨水，并避免7吨二氧化碳的排放，这充分体现了养分回收技术的重要性（欧洲沼气协会，2015）。

在各种用于氮回收的物理化学方法中，氨气吹脱被认为是处理像消化液这样高浓度废水最有效的方法之一（Jin等人，2022；Maghfiroh等人，2023；Kinidi等人，2018）。该过程涉及将液体中的挥发性氨气转移到气相中，这一过程受铵离子与游离氨之间的化学平衡关系控制（Kinidi等人，2018；Ashrafizadeh和Khorasani，2010）。如方程式（1）所示，提高pH值可使平衡向游离氨方向移动，随后可通过载气（空气）将游离氨吹出。

NH4++OH?→NH3↑+H2O

该工艺的效率在很大程度上取决于pH值、温度、气流速率以及水力停留时间等操作参数。现有研究表明，最佳处理条件通常为pH值在9至12之间，温度在15至80℃之间（Alhelal等人，2022）。不过，这些参数之间存在相互关联，需要权衡取舍。例如，虽然保持pH值在10.5以上能提高氨的释放效率，但会大幅增加化学处理成本，还可能导致吹脱塔内形成结垢现象（Yuan等人，2016）。同样，虽然较高的温度有助于加快物质传递速度，但也需要大量的热能输入，这可能会抵消该工艺的环保优势。因此，关键在于找到一个既能最大化氨去除效率，又能最小化化学药剂和能源消耗的操作条件。

尽管关于氨气吹脱的研究已经相当丰富，但仍有若干关键问题有待解决，而本研究正是针对这些问题展开的。首先，许多现有研究采用“单因素逐次调整”法进行优化，这种方法效率较低，无法充分考虑各工艺参数之间的相互作用，从而导致设计方案不够理想。为了解决这一问题，需要采用更科学的统计实验设计方法。由田口玄一开发的田口方法，能够以较少的实验次数系统地优化设计参数（Beram，2021；G?k?e和Ta?getiren，2009）。通过运用正交数组，田口方法可以降低那些难以控制的“干扰因素”的影响，重点确定各控制因素的最佳数值，从而确保工艺的稳定性（Kotcioglu等人，2018；Chen等人，2022；Rao和Padmanabhan，2012）。虽然田口设计方法已在多个工程领域得到应用，但将其用于厌氧消化液这类特殊介质，同时实现多参数优化和产品回收，目前还较为少见。

其次，或许更为重要的是，目前该领域的多数研究仅仅关注从废水中去除氨的“去除效率”，缺乏对最终回收产品的全面研究，未能使其达到分析级标准。在循环经济体系中，目标不仅仅是完成废水的处理，更要生产出具有市场价值的商品。本研究不仅着眼于氨的去除，还将吹脱过程与酸吸收过程相结合，从而制得硫酸铵晶体。此外，还通过X射线衍射和扫描电子显微镜等技术，对产品的结构进行了详细鉴定，确认其为硫酸铵的矿物形态——芒硝（Putz和Brandenburg，2024；Comodi等人，2021）。芒硝以其良好的化学稳定性和低吸湿性而著称，非常适合用于碱性土壤作为肥料（Reza和Chen，2021）。

本研究旨在建立一种经过验证的高效方案，用于从沼气厂产生的消化液中回收硫酸铵，从而为可持续农业中的替代肥料生产做出贡献。具体而言，研究采用了L16正交数组实验设计，分析了pH值、温度、气流速率和时间这四个关键参数的影响。本研究的目标包括：首先，通过信噪比分析确定能够最大程度提高氨去除效率的最佳工艺参数水平；其次，通过方差分析找出影响物质传递过程的最关键参数，并量化各因素的贡献比例；最后，通过硫酸吸收将吹脱出的氨转化为固体肥料产品，并通过对比分析确保其纯度和晶体结构符合分析级标准品的要求。

通过将统计过程优化与严格的产品鉴定相结合，本研究为消化液的处理提供了全面的解决方案，实现了技术性能与循环经济理念的有机结合。

原料获取与预处理流程：本研究所使用的液态消化液来自土耳其克尔克勒雷利市一家全规模中温沼气厂的废水流，该工厂可同时处理牛粪和农业废弃物。为确保氨回收过程的稳定性，并消除悬浮固体对气液界面物质传递的干扰，研究采用了严格的机械分离工艺。原始消化液具有较高的浊度和固体含量，……

L16田口矩阵的应用与工艺稳定性：从厌氧消化液中回收氮元素的关键难点，就在于如何克服废水复杂的多相结构所带来的物质传递阻力。本研究通过运用田口L16正交数组，系统地分析了不同的操作条件，找到了氨气吹脱的最佳操作范围。实验结果展示了系统对pH值、温度、气流速率和时间这四个控制因素的反应情况……

结论：本研究成功证明了从厌氧消化液中回收氨态氮并将其转化为高价值矿物肥料的技术可行性。为了在循环经济框架下系统优化这一回收过程，研究采用了田口L16正交数组设计，深入分析了影响氨气吹脱过程的热力学和流体动力学参数之间的复杂相互作用。统计分析为这一过程提供了重要的机理见解，揭示了……

作者贡献说明：Aynur Yildirim：负责原文撰写、可视化处理、方法设计、正式分析、数据整理以及概念构思工作。Ebru K.O.C.A. Akkaya：负责文章审阅与编辑、原文撰写、结果验证、研究监督、项目资金筹措以及概念构思工作。

关于写作过程中使用生成式人工智能技术的声明：在撰写本文时，作者们使用了ChatGPT和Gemini工具来协助翻译、改进语言表达并检查语法错误。在使用这些工具之后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对文章内容的准确性负全部责任。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢：本研究得到了Yildiz技术大学科学研究项目协调处的支持，项目编号为FYL-2023-5638。实验装置图（图1A和B）[Y?ld?r?m, A. (2025) https://BioRender.com/u29z020]以及图形摘要[Y?ld?r?m, A. (2025) https://BioRender.com/u51r151]均是在BioRender平台上制作的。

Aynur Yildirim|Ebru K.O.C.A. Akkaya
土耳其伊斯坦布尔Yildiz技术大学土木工程学院环境工程系