从高氮液体废料中回收营养成分的系统和方法

相关申请的交叉引用

根据35 U.S.C.§119(e)，本申请要求2020年4月24日递交的题目为“从高氮液体废料中回收营养成分的系统和方法”的美国临时专利申请第63/015,323号的优先权，该申请的全部内容通过引证在此全部并入本文。

技术领域

本文公开的方面和实施方案涉及从高含氮废料中回收营养成分的方法。更具体地，本文所公开的方面和实施方案涉及一种方法，该方法从高含氮废料中回收含氮化合物产生浓缩的液体产品。

发明内容

根据一个方面，这里提供了一种从高含氮废料中回收营养成分的方法。该方法可包括收集高含氮废料。该方法可包括分离高含氮废料以产生固体废料和液体废料。该方法可包括将液体废料和氧化剂引入反应器，以产生包含氮的氧阴离子的中间含氮液体。该方法可包括将中间含氮液体维持在预定的pH值内，以控制氮的氧阴离子的浓度并产生稳定的含氮液体。该方法可包括浓缩稳定的含氮液体以产生浓缩的液体产品和稀释水。

该方法还可包括将碱引入反应器中。

在一些实施方案中，预定pH值可以在3到9之间。

在一些实施方案中，预定pH值可在4.0和8.5之间。

在一些实施方案中，将中间含氮液体保持在预定pH值包括控制氧化剂的引入速度和控制液体废料的引入速度中的至少一种。

在一些实施方案中，将中间含氮液体保持在预定pH值包括将预定量的碱引入反应器。

该方法还可包括将稀释水引导至现场用水需求。

在一些实施方案中，现场用水需求可能是粪肥冲洗、灌溉或工业用水。

该方法可以进一步包括将固体废物引导至堆肥器或厌氧消化器。

在一些实施方案中，该方法还可包括将废液和/或中间含氮液体的总溶解固体浓度保持在约1g/L和约500g/L之间。

在一些实施方案中，该方法还可包括将废液和/或中间含氮液体的总溶解固体浓度保持在约1g/L和约50g/L之间。

该方法可包括将稀释水引导至反应器，以保持废液和/或中间含氮液体的总溶解固体浓度。

该方法还可包括将废液和/或中间含氮液体的温度保持在约4℃和约80℃之间。

在一些实施方案中，氧化剂可包含氧气、臭氧、过氧化物和卤素中的至少一种。

在一些实施方案中，氧化剂可以是液氧。

在一些实施方案中，将氧化剂引入反应器可包括将反应器中的液体废料曝气。

氧化作用可以被微生物催化。

在一些实施方案中，微生物可包含细菌和/或古细菌。

在一些实施方案中，浓缩稳定的含氮液体包括将稳定的含氮液体引导至基于膜的溶解固体浓缩器中或电化学分离装置中。

该方法可以进一步包括从稳定含氮液体中分离悬浮固体。

在一些实施方案中，高含氮废料可包括动物粪便、动物粪便、污水污泥、食物废物、乳制品、有机物废水和氨水废水中的至少一种。

在一些实施方案中，氮的氧阴离子可包含亚硝酸盐和硝酸盐中的至少一种。

该方法还可包括预处理高含氮废物以去除磷。

根据另一方面，这里提供了一种从含有溶解有机物的含氮液体废料中回收营养成分的方法。该方法可包括收集含有溶解有机物的含氮液体废料。该方法可包括将具有溶解有机物和氧化剂的含氮液体废料引入反应器，以产生包含氮的氧阴离子的中间含氮液体。该方法可包括将中间含氮液体维持在预定的pH值，以控制氮的氧阴离子的浓度并产生稳定的含氮液体。该方法可包括浓缩稳定的含氮液体以产生浓缩的液体产品和稀释水。

在一些实施方案中，将中间含氮液体保持在预定pH值包括控制氧化剂的引入速率和控制含有溶解有机物的含氮废液的引入速率中的至少一种。

在一些实施方案中，预定pH值在3和9之间。

根据另一方面，提供了一种从氨蒸馏物中回收营养成分的方法。该方法可包括将氨馏出物和氧化剂引入反应器，以产生包含氮的氧阴离子的中间含氮液体。该方法可包括将中间含氮液体维持在预定的pH值，以控制氮的氧阴离子的浓度并产生稳定的含氮液体。该方法可包括浓缩稳定的含氮液体以产生浓缩的液体产品和稀释水。

在一些实施方案中，将中间含氮液体保持在预定pH值包括控制氧化剂的引入速度和控制氨馏分的引入速度中的至少一种。

在一些实施方案中，预定pH值在3和9之间。

根据另一方面，提供了一种从高含氮废物中回收营养成分的系统。该系统可以包括固液分离器，该固液分离器具有与高含氮废物源流体连接的入口、固体出口和液体废物出口。该系统可包括反应器，该反应器具有与废液出口流体连接的第一入口、与氧化剂源流体连接的第二入口以及稳定的含氮液体出口。该系统可包括pH控制子系统，该子系统配置为保持反应器内的预定pH值。该系统可包括一种溶解固体浓缩器，其入口流体连接至稳定含氮液体出口、浓缩液体产品出口和稀释水出口。

在一些实施方案中，反应器可具有与pH调节器源流体连接的第三入口。

pH调节器的来源可能是碱。

在一些实施方案中，pH控制子系统可包括至少一个流量控制器，其配置用于控制废液的流速或氧化剂的来源。

在一些实施方案中，固液分离器可以是离心机。

该系统还可包括堆肥器或厌氧消化器，其入口流体连接至固体出口。

在一些实施方案中，稀释水出口可以流体连接到现场用水需求。

该系统还可包括第二个固液分离器，其入口流体连接至流体连接至稳定含氮液体出口，液体出口流体连接至溶解固体浓缩器。

在一些实施方案中，第二固液分离器可选自沉降装置、微滤装置和超滤装置。

第二固液分离器可以具有与反应器的第四入口流体连接的固体出口。

该系统还可以包括温度控制子系统，该子系统被配置为在反应器内保持预定温度。

所述温度控制子系统可包括热交换器。

在一些实施方案中，该系统还可包括位于反应器上游的预处理单元。

在一些实施方案中，稀释水出口流体连接到反应器的第五入口。

预处理单元可包括生物除磷单元。

本发明预计包括上述一个或多个方面和/或实施方案的所有组合，以及与具体实施方案和任何实施例中所述的任何一个或更多实施例的组合。

附图简要说明

所附附图没有按照比例绘制。在附图中，各图中所示的每个相同或几乎相同的部件都用相同的数字表示。为了清楚起见，并非每个部件都可以在每个附图中标记。在附图中：

图1A是由氨氧化控制的氮和钾组合物的图；

图1B是由氨氧化控制的液体中K2O的图；

图1C是氨氧化与液体中K2O浓度的函数关系图；

图2是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养素的系统的方框图；

图3是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养素的替代系统的方框图；

图4是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养素的替代系统的方框图；

图5是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养素的替代系统的方框图；

图6是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养成分的替代系统的方框图；

图7是根据一个实施方案的反应器示意图；

图8是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养成分的替代系统的方框图；

图9是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养成分的替代系统的方框图；

图10是示出根据一个实施方案的从含氮液体中回收营养成分的方法的方框图；

图11是根据一个实施方案的用于从含氮液体中回收营养成分的替代系统的方框图；和

图12是根据一个实施方案的示出pH控制作为氧化反应器中含氮液体引入速率的函数的图。

具体实施方案

美国国家工程师学会(National Academy of Engineers of the UnitedStates)将氮循环的管理确定为21世纪十四大工程挑战之一。上个世纪以来，人类通过合成用于肥料生产的活性氮物种和燃烧化石燃料，干扰了氮循环。氮在人类粮食生产中起着至关重要的作用，因为它通常是作物产量的限制养分。据推测，如果不从合成肥料中生产氨，就无法维持世界上现有或未来的人口。然而，目前用于应对全球粮食挑战的方法导致了行星环境中氮的过量，在世界各地产生了令人畏惧的影响。环境中过量的氮可能会因墨西哥湾或切萨皮克湾等水域的富营养化、产生强温室气体加剧全球变暖、湖泊和土壤酸化以及臭氧层破坏而对生态系统造成破坏。人口稠密地区的烟雾扩散和过量环境氮造成的饮用水污染可能对人类健康产生直接影响。氮循环中断对美国的综合影响估计为每年2100亿美元。

据推测，农业对美国50％以上的活性氮输入负有责任。非点源氨污染，如与农业有关的污染，在美国很普遍。由于氨的气态性质及其在动物粪便中的丰富性，在粪便处理和土地施用过程中，大量氨释放到大气中，或淋滤到地表和/或地下水中。回收氨生产肥料可能会减少对大气的投入，抵消合成氮生产的需求。

氨在水中溶解时通常作为碱。某些浓度的氨可能会将液体的pH值提高到有效的值，从而将游离氨释放到大气中。游离氨通常在液态肥料的储存和土地施用过程中释放出来。粪便中的氨排放是环境和人类良好生存环境需要关注的问题。此外，由于氨气具有刺激性和毒性，粪便中的氨气排放也关系到农场动物的健康和良好生存。

为了控制或减少液态物质的氨排放，可以控制pH值，以保持氨的溶解状态。传统方法可能需要添加酸来控制pH值并稳定氨。然而，由于氨水的高浓度以及向液体中添加酸的费用和意外影响，此类用于液态肥料应用的pH控制方法具有挑战性。

此外，尽管动物粪便中的氨浓度很高，足以产生游离氨排放，但粪便作为肥料被视为稀释产品。稀释产品的运输和应用导致了与动物粪便肥料相关的高成本。施用肥料的成本有效区域很小，通常仅限于距离农场几英里的地方。因此，通常使用动物粪便作为肥料，使当地土壤饱和。

因此，通常需要去除液态肥料中的水分，并生产出浓缩、稳定、富含营养的液态产品。浓缩可采用反渗透、正渗透、蒸发等技术。当使用反渗透、纳米过滤或蒸发浓缩肥料时，由于游离氨的挥发性，氨可能会流失。液体酸化可以将游离氨转化为铵离子以减少损失。在没有酸化的情况下，与溶液中氨浓度增加相关的相对较高的pH值可能会导致磷酸盐、钙、镁和硫酸盐等离子沉淀，形成水垢(例如，鸟粪石、方解石、水镁石、水滑石、石膏和其他)，污染膜、管道、阀门和泵。此外，超滤、纳米过滤、电渗析和反渗透膜的膜污染也可能是由于易降解有机物的高浓度导致的生物污染。

根据总凯氏氮(TKN)的测量结果，上述问题在总氮浓度较高的液体废物中更为普遍。高TKN液体废物的实施例包括液体和泥浆，例如动物粪便，例如尿液和固体、液态屠宰场废物、分解有机材料产生的渗滤液、废活性污泥或初级污泥，或此类液体的消化物，例如，当此类液体经过厌氧消化处理时，可以选择在厌氧消化的酸性步骤中进行处理。简而言之，在厌氧消化过程或厌氧消化的酸性步骤中，有机氮大部分转化为氨。消化液包括废活性污泥、废初级污泥、动物粪便残渣、食物垃圾残渣或有机泥浆或固体或泥浆有机材料的一般残渣。

可通过将未经处理的动物粪便(例如，尿液和固体)通过固液分离器(例如过滤器、离心机、水力旋流器、倾析器或其他分离器)分离本文公开的粪便高含氮液体废物，以产生富含固体的第一流和大部分为液体的第二流。大部分液体流可能形成高含氮液体废料。如前所述，本文所公开的垃圾场高含氮液体废物可以是未经处理的垃圾或经过进一步处理以分离固体的垃圾。此类高含氮液体废料可通过本文所公开的方法和系统进行稳定和浓缩。本文所公开的方法和系统是实用且具有成本效益的，可减少环境影响，通过缓解与不受控制的氨排放相关的疾病和条件来改善动物健康，并回收生产可安全储存和准确施用的肥料的宝贵资源。

根据一个或一个以上实施方案，含氮化合物，包括尿素、尿酸、蛋白质和氨，可以从稳定的液体中回收，并转化为可用的肥料，以便在农业生产中重复使用。氮的回收和再利用可以减少对环境的氨排放，并有助于建立更可持续的粮食供应链。本文所公开的系统和方法可用于生产农用溶液中具有选定比例的阴离子和阳离子的肥料液体。在一些实施方案中，用于产酸的氨的氧化在性质上可以是化学的，而在其他实施方案中含氮化合物的氧化生成擦洗酸可以是生物的。

本文所公开的方法涉及含氮化合物(例如氨)的部分氧化，以形成氮的氧阴离子(例如亚硝酸盐或硝酸盐)。特别是，这些方法允许将一部分含氮化合物转化为氮的氧阴离子。转化可以有效地降低液体的pH值，稳定氨并减少游离氨的氨排放。在某些实施方案中，本文所公开的方法可以在不添加外部酸的情况下有效降低液体的pH值。氨在溶液中与氧化剂(如氧气、过氧化物或臭氧)发生氧化反应，可生成氮的氧阴离子。氧化速度可以被控制在理想的程度内。

氨氧化生成氧阴离子的过程会降低溶液的pH值。因此可能需要有效控制pH值，以实现实际有用的氧化速率。在某些实施方案中，可使用外部碱来控制溶液的pH值。氨氧化产生氮氧阴离子(如亚硝酸盐或硝酸盐)的程度可以通过控制含氮液体或氧化剂的添加速率来控制。此外，添加更多或更少的碱以将溶液的pH值保持在理想水平，可以进一步控制氧化反应。

在某些情况下，溶液中的高浓度溶解离子可能会抑制氧化反应。稀释水可与液体混合，以减少氧化抑制。在这些实施方案中，当使用稀释水时，可以通过除去水来浓缩液体产品，以产生浓缩的液体产品。

图1A的图表显示以钾基为例的含氮液体的pH控制。通过添加不同量的碱，例如钾碱，可以控制被氧化的氨的捕获百分比。如图1A所示，当不添加碱时，氨的氧化被控制到约50％。通过添加碱，氨的含量增加到100％时可能会被氧化并转化为氮的氧阴离子。

在本文所公开的一个或多个实施方案中发生的以下化学反应说明了氧化剂、氨和水的组合以在溶液中生成铵盐。有些反应是物理反应，涉及物质转移，而其他反应是化学反应，如水电离。在至少一些实施方案中，一些反应可由液体中自然存在的微生物介导。在一些实施方案中，含氮液体与水和氧化剂的反应可在一个腔室中发生。在其他实施方案中，反应可在单独的腔室中进行。

NH

NH

KOH+H

式(1)说明了溶液中游离氨以氨气的形式释放到大气中。这一反应是氨在高含氮废液中的正常归宿，是造成废液中氨损失和氨对环境影响的原因。式(2)表示溶解在液体中的游离氨形成铵阳离子的酸碱反应。氨和铵阳离子之间的电离程度通常取决于溶液的pH值。溶液中的氨与氧化剂(例如臭氧或氧气)反应，如式(3)至(6)所示，根据溶液的pH值和背景化学基质中的其他化学物质，形成氮的氧阴离子。在这种反应下，净效应是消耗一个阳离子(铵离子)，产生一个阴离子(亚硝酸盐或硝酸盐)，同时损失两个质子当量。如果不添加碱，反应可能会降低pH值。因此，可以通过限制氨氧化的程度和使用含氮废液中的氨作为碱来控制pH值。可通过添加外部碱进一步控制pH值。

在一些实施方案中，可以添加碱。式(7)说明了添加示例性碱钾的效果。根据最终产品的所需成分，可以使用其他碱。反应可产生含有铵离子、氮氧阴离子、来自添加碱的阳离子以及背景阳离子和阴离子的溶液。在一些实施方案中，氮的浓缩溶液可以作为副产品回收。例如，可回收1000至170000mg/L的浓缩氮溶液，并选择氨氧化部分，例如从30％至100％。可以通过控制pH值和/或添加外部碱来控制铵与氧阴离子的比率。

这些反应通常会导致高含氮液体中存在的其他还原化合物氧化。此类化合物的实施例包括还原硫化合物、有机酸和其他有机化合物、还原铁和锰。这些化合物通常包括作为生化需氧量测试(BOD)的一部分而测量的物质。氧化反应可进一步用于将废物稳定为适合储存的形式，例如，散发出低气味。

根据一个方面，提供了一种从高含氮废物中回收营养素的方法。该方法可包括收集高含氮废物。

高含氮废物可能是有机废物。例如，高含氮废物可能包含至少一种动物粪便或动物废料。动物粪便或动物废料可包括例如尿液和/或固体。高含氮废物可能包括污水污泥。高含氮废物可能包括食物废物。高含氮废物可能包括乳制品。在示例性实施方案中，高含氮废物可包括动物粪便，例如尿液和/或固体，例如猪粪、家禽粪便、牛粪或其他牲畜粪便。

在一些实施方案中，高含氮废物可包括有机物、有机物废水和/或部分处理的有机物。例如，高含氮废物可能包括酶解有机废物、有机废物消化物，例如有机物酸消化步骤的消化物。高含氮废物可包括有机物或有机物废水的垃圾场、冷凝液和/或浸出液。

在某些实施方案中，高含氮废物可以是具有溶解有机物的液体废物。溶解的有机物可以是与任何有机物来源相关联的水溶液，例如动物粪便、动物废物、污水污泥、食物垃圾、乳制品、有机物废水和/或部分处理的有机物，如前所述。在某些示例性实施方案中，具有溶解有机物的液体废物是来自高速厌氧消化器的废水。在某些示例性实施方案中，具有溶解有机物的液体废物与有机物的干燥过程无关。

在一些实施方案中，高含氮废物可包含氨水废水。氨水废水可包括将氨水从气体冷凝成液体、氨水馏分、氨水和/或氨水残渣而形成的氨水冷凝液。氨馏分可包括氨馏分的残液、冷凝液和/或浸出液。

在某些示例性实施方案中，含氮废物可包含氨馏分。氨馏出物可包含通过蒸馏从含氮液体源分离的水溶液。在某些实施方案中，含氮液体源是氨或含铵液体。在某些实施方案中，含氮液体源是含有有机物质的液体。

含氮化合物，例如氨和其他含氮物种，可以从含氮废物中回收，以生产适合有机农业的有机产品或生物产品。在一些实施方案中，回收含氮化合物以生产肥料。肥料可以是含氮化合物的液体肥料。在一些实施方案中，肥料可包含铵晶体或硝酸盐晶体。在实施方案中，例如，如果含氮废物是由有机材料产生的，则通过本文所述方法产生的肥料可以是有机肥料，例如，用于有机农场。

本文所公开的方法和系统可生产有机产品，例如，适用于有机农业的认证产品。认证可能取决于起始材料的质量。在一些实施方案中，起始材料(即含氮废物、氧化剂和可选碱)符合有机认证，并生产经认证的有机产品。具体而言，通过所公开方法生产的此类肥料产品可能不需要人工添加材料。采用公开方法生产的肥料产品可能符合有机材料审查研究所(OMRI)概述的要求。在一些实施方案中，本文所公开的方法和系统可生产含有至少16％质量氮的肥料产品。

高含氮废物的特征可能是含氮物种的高浓度，例如总氮。在某些实施方案中，高含氮废物可包含高浓度的总氮，测量为总凯氏氮(TKN)。高含氮废物可包含约1000–12000mg/LN，例如1000–3000mg/L；3000–5000mg/L；5000–10000mg/L；或10000–12000mg/L N。在某些实施方案中，高含氮废物可包含约100000–300000mg/L N，例如200000–300000毫克/L N。

高含氮废物基本上是液体。在一些实施方案中，高含氮废物可具有小于10％的固体，例如，1％-10％的固体、1％-8％的固体、1％-6％的固体、1％-4％的固体或1％-2％的固体。示例性含氮液体废物包括冲洗坑废物，例如动物粪便冲洗坑废物、污水污泥、有机物废水和部分处理的有机物，例如有机废物粪便、冷凝液和/或浸出液。在示例性实施方案中，动物粪便冲洗坑废物可包含猪粪。在某些实施方案中，液态含氮废物可以是具有溶解有机物的液态废物。

高含氮废物可能含有6％以上的固体，例如，6％-10％固体、10％-15％固体、15％-20％固体、20％-25％固体、25％-30％固体或30％-35％固体。典型的高固体含氮废物包括动物粪便和动物废物。在示例性实施方案中，动物粪便和动物废物可包含家禽粪便。

在一些实施方案中，所述方法可包括分离高含氮废物以产生固体废物和液体废物。液体废物可包含少于约1％的固体或约1％-2％的固体。例如，液体废物可包含小于约1％、约1％、大约1.5％或约2％的固体。在某些实施方案中，例如，对于含有小于约1％或约1％-2％固体的高氮废物，高氮废物可称为液体废物。固体废物可含有约15％-35％的固体，例如20％-30％的固体。

所述方法可包括堆肥或消化固体废物。所述方法可包括将固体废物引导至堆肥器或消化器。在堆肥过程中，好氧微生物将有机物分解成堆肥。在厌氧消化过程中，厌氧微生物将固体中的生物降解物质主要转化为水和沼气。特别是，厌氧微生物通过甲烷发酵促进固体中的大分子有机物分解为更简单的化合物和沼气。这种沼气主要是二氧化碳和甲烷，但可能包括其他成分，具体取决于废水的成分。

在一些实施方案中，所述方法可包括从高含氮废物和/或液体废物中去除磷。磷可以通过生物除磷工艺去除。所述方法可包括将高含氮废物和/或液体废物引导至除磷工艺。所述方法可包括从高含氮废物和/或废液中去除磷，以降低液体对任何氧化催化微生物的毒性。在高含氮废物包含有害化合物的实施方案中，所述方法可包括去除至少一些有害化合物以保持微生物的活性。

所述方法可包括氧化废液以产生氮的氧阴离子。具体而言，所述方法可包括将废液与氧化剂接触，例如，通过将废液和氧化剂引入反应器。部分氧化废液可称为中间含氮液体。因此，中间含氮液体可以包括废液和氮的氧阴离子。氮的氧阴离子可以包括，例如，亚硝酸盐和硝酸盐中的至少一种。

可引入氧化剂将预定量的含氮化合物氧化为氮离子。氧化剂可包含氧气、臭氧、过氧化氢(例如过氧化氢)或卤素。在一些实施方案中，引入氧化剂包括使废液与空气接触。根据上述式(3)至(6)，氨水可被部分氧化生成硝酸盐和亚硝酸盐。氧化成氮离子通常会通过将弱酸换成强酸来降低溶液的pH值。控制氧化条件也可以提供更稳定的产品，例如，通过抑制最终产品中气味和腐蚀性化合物的形成。控制溶解固体浓度和氧化反应可以在pH范围内操作，这有利于投资的运营和资本成本。

溶液中的高浓度的溶解离子可以抑制氧化反应。在某些实施方案中，可添加稀释水以减少抑制。例如，可以添加补充水来替代过程中损失的液体和/或稀释废液，以避免对氧化速率产生抑制作用。稀释水可从下游工艺再循环，以减少工艺对环境的影响。当添加稀释水时，随后可使用几种替代方法将产品浓缩，以去除溶液中的水分，从而生产浓缩液体肥料。

如本文所公开的，氧化可包括部分氧化，且无需将氨完全转化为离子。例如，氧化可被控制为氧化约5％-80％的含氮化合物，例如，通过控制氧化剂对液体溶液的供应。氧化可控制在5％-40％、5％-30％、5％-20％、5％-15％、5％-10％、10％-15％、10％-20％、10％-30％、10％-40％、10％-50％、10％-80％、50％-60％、50％-70％或50％-80％之间。氧化可控制为小于5％、小于10％、小于15％、小于20％、小于25％的转化、小于30％的转化、小于35％的转化、小于40％的转化、小于45％的转化、小于50％的转化、小于55％的转化、小于60％的转化、小于65％的转化、小于70％的转化、小于75％的转化，或低于80％的转化。转化程度可根据最终肥料产品的设计要求进行控制。在一些实施方案中，部分液体废物被氧化。

因此，所述方法可包括控制废液的氧化速率。在某些实施方案中，可通过控制液体的pH值来控制氧化速率。所述方法可包括将中间含氮液体保持在预定的pH值，以控制氮的氧阴离子的浓度并产生稳定的含氮液体。所述方法可包括选择预定pH值。所述预定pH值可选择为与所需氧化速率相对应。例如，可以选择预定的pH值来控制液体产品的组成，并生产具有所需组成的液体产品。预定pH值可以在约3到约9之间，例如，在约4.0到约8.5之间，例如在约5.5到约8.5.在示例性实施方案中，约4.5到约8.5％之间的预定pH值可能对应于液体废物中含氮化合物的5％到约80％氧化。

在一些实施方案中，所述方法可包括测量中间含氮液体的pH值。所述方法可包括根据测量调整中间含氮液体的pH值。在一些实施方案中，本文公开的方法可包括保持中间含氮液体的pH值高于3、高于4、高于5、高于6、高于7或高于8。方法可包括将中间含氮溶液的pH值保持在9以下、低于8、低于7、低于6、低于5或低于3。在一些实施方案中，预定pH值约为3、约为4、约为4.5、约为4.7、约为5，约5.5、约5.7、约6、约6.7、约7、约7.3、约7.5、约8、约8.5或约9。

在一些实施方案中，响应于液体废物的不同性质可能产生pH值的波动。实际上，维持液体的pH值可以包括将pH值控制在预定pH值的公差范围内。公差可为预定pH值的±1％、预定pH值±2％、预定pH值的±5％或预定pH值±10％。在其他实施方案中，维持液体的pH值可包括将pH值控制到预定pH值。

可以选择预定的pH值和/或所需的氧化速率来控制液体产品的组成。液体产品可包含氨和氮的氧阴离子。预先确定的pH值通常与含氮化合物向氧阴离子的期望转化有关，即与含氮液体中氮的氧阴离子的预期浓度有关。液体产品的组合物可包含20％-100％氨氧化为氮的氧阴离子。例如，可选择液体产品的组合物含有小于50％的氧化氨。所述液体产品的组合物可以选择为含有50％-100％的氧化氨。通常，pH值越大(接近9)，氧化速率越小(接近20％氧化)。pH值越低(接近5)，氧化速度越快(接近100％)。

在一些实施方案中，将中间含氮液体保持在预定的pH值和/或调整中间含氮溶液的pH值的过程包括控制氧化剂的引入速率和控制废液进入反应器的速率中的至少一个。例如，可以控制氧化剂的流速。也可以控制废液的流速。通常，氧化剂流速越大和/或废液流速越小，pH值越低，氧化速度越快(接近100％氧化)。氧化剂流速越小和/或废液流速越大，pH值越大，氧化速率越小(接近20％)。

在一些实施方案中，该方法可包括将碱引入废液或中间含氮液体中。因此，该方法可进一步包括将基座引入反应器中。将中间含氮液体保持在预定pH值包括向反应器中引入预定量的碱。

根据控制过程溶液氧化或pH值的需要，碱可以是弱碱或强碱。例如，碱可以是碱的盐，如上面的式(7)所示。通常，含氮化合物氧化为氮的氧阴离子的转化率可控制在50％以内，而无需外部添加碱。如图1A-1C所示，可添加钾碱，如氢氧化钾，以控制中间含氮液体的pH值。含氮废物中氨氧化的百分比可以通过添加不同量的钾碱来控制。在不添加钾碱的情况下，氨的氧化量控制在50％。通过添加钾基，氨的氧化量可能会增加到100％，并转化为氮的氧阴离子。添加的碱的量可以选择为与氨到氧阴离子的期望转化率相关，如图1C所示。例如，在一些实施方案中，作为2％氧化钾(K

因此，所述方法可包括通过添加不同量的碱来氧化约50％到约100％的含氮化合物。在一些实施方案中，碱可包含钾，例如氢氧化钾或二氧化钾。碱可包含锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、锶和钡中的任何一种或多种。碱可包含或与弱碱元素相关联，例如氨、碳、氮、氧、氟化物、磷、硫、氯化物、溴和碘。

在一些实施方案中，可通过将盐引入水中以产生盐溶液来制备碱。盐溶液中的离子可以被电分离(例如在电渗析过程中)以产生阳离子流和阴离子流。可以使用阳离子流作为基础，以便根据需要将阳离子流引入废液或中间含氮液体中。阴离子流可用于从含氮气体中产生经处理气体和含氮液体的单独工艺中，如传统做法。可以选择特定的盐来控制最终肥料产品的成分。

微生物可以催化氧化作用。在一些实施方案中，所述方法可包括用生物催化剂对含氮废物或废液进行定量。根据某些实施方案，可使用天然微生物培养物来增强含氮化合物的氧化。过程液体可加入生物催化剂，例如微生物或酶生物。微生物或酶生物可能包含细菌和/或古细菌。微生物或酶生物通常可能是硝化生物。

催化可以通过将催化氧化的生物有机体保留在提供氧化剂(例如氧气)的反应罐中来实现。pH值可控制在4到8.5之间，例如，在4.5到8.1之间，这取决于生物有机体的生存能力，以允许生物有机体生长、增殖和催化。例如，已经发现某些硝化微生物能够在低至4.0的pH水平下生长、增殖和催化。在某些实施方案中，微生物可以在反应器内悬浮生长。在一些实施方案中，微生物可以附着在形成生物膜的表面上生长。在一些实施方案中，微生物可在悬浮生长和生物膜生长的组合中生长。生物膜可能在反应器内静止或移动。

氧化反应可在一个或多个反应器中进行。例如，微生物可以位于多个串联氧化反应器的第一反应器中。微生物可以位于多个串联氧化反应器的第二个或后续反应器中。在某些示例性实施方案中，例如，当在一个以上的反应器中进行氧化时，过量的悬浮固体可能富含磷，从而产生氮和磷流的分离。

一旦生物体生长并在系统中建立，它们可能会从最终液体和/或固体产品中分离出来。根据某些实施方案，分离的生物有机体可返回反应罐以增强培养物，进一步加快氧化反应。因此，在一些实施方案中，方法可以包括从稳定的液体或液体产品中分离固体。固体可能含有生物有机体和/或产品的结晶或沉淀成分。

可通过用水稀释过程液体来控制溶液中最终离子的浓度。在一些实施方案中，可稀释过程液体以保持微生物的活性。例如，稀释水可直接进入反应器，以避免微生物的毒性。可使用有效量的稀释水来降低有毒物质的浓度。

在一些实施方案中，可稀释或蒸发过程液体以诱导晶体的形成。在一些实施方案中，本文所公开的方法包括控制中间含氮液体中总溶解固体(TDS)的浓度。例如，所述方法可包括将中间含氮液体中TDS的浓度保持在约阈值浓度以下，以避免形成晶体。例如，TDS的浓度可保持在约35％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％或50％(m/v)以下。在一些实施方案中，方法包括将TDS的浓度保持在阈值浓度以上以诱导晶体的形成。例如，方法可包括保持TDS浓度高于约46％、47％、48％、49％、50％或55％(m/v)。

阈值浓度通常取决于含氮废物或废液的成分。添加的氧化剂、碱和/或任何其他成分可能会规定阈值浓度，以避免形成晶体。在一些实施方案中，例如，其中含氮废物包含硫物种，阈值浓度可以为46％(m/v)。

本文所公开的示例性方法可包括将TDS的浓度保持在约1g/L和约500g/L之间，例如在约1g/mL和约50g/L之间。因此，所述方法可包括测量中间含氮液体的TDS。所述方法可包括浓缩或稀释响应TDS测量的废液或中间含氮液体。在一些实施例中，该方法包括收集液体产物、晶体或两者。

晶体可进一步被加工为最终产品。例如，晶体可以作为固体肥料进行处理。固体产品可含有至少15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％的氮(按质量计)。在一些实施方案中，固体产品可包含少于1％的磷酸盐和钾。固体产品可能基本上不含磷酸盐和钾。例如，固体产品可含有小于0.1％、0.01％、0.01％或0.001％的磷酸盐和钾。

本文所公开的方法可包括将废液或中间含氮液体的温度保持在约4℃和约80℃之间，例如，保持在约10℃到约80℃之间。所述方法可包括测量废液或中间含氮液体的温度。所述方法可包括根据温度测量结果加热或冷却液体。该工艺的温度可控制为低于约80℃、低于约70℃、低于大约60℃、低于大概50℃、低于大约40℃、低于大约30℃、低于大约20℃、低于大约15℃。在一些实施方案中，所述方法可包括将液体废物或中间含氮液体的温度维持在约4℃、5℃，10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或者80℃的温度，或者任意两者之间的任何范围内的温度。在由微生物催化氧化的实施方案中，所述方法可包括将废液或中间含氮液体的温度控制到有效的温度，以保持微生物的活性。

在一些实施方案中，可以测量一种或多种工艺液体的电导率。达到阈值电导率后，可稀释一种或多种工艺液体，以将电导率保持在工作范围内。阈值电导率值通常会随某些参数而变化。例如，阈值电导率可能是含氮废物的质量或添加的碱、氧化剂和/或盐的组成的一个因数。阈值电导率可以在大约200μS和大约2000μS之间，在大约2000μS和大约20000μS之间，在大约20000μS-大约20000ΜS之间或者大约200000μS--大约120万μS之间。

本文所公开的方法可包括控制废液中含氮化合物的氧化速率，以产生稳定的含氮液体。可将稳定的含氮液体控制在预定的pH范围内，并具有选定的氧化含氮化合物部分。所述方法还可包括浓缩稳定的含氮液体以产生浓缩的液体产品和稀释的水。因此，稳定的含氮液体可以作为最终产品进一步处理。该方法可包括收集包含至少一部分稳定含氮液体、剩余含氮化合物(例如，未被氧化的含氮化合物)和氮的氧阴离子的液体产物。液体产品可以作为液体肥料进行处理，如下所述。

所述方法可包括通过去除多余的水来浓缩稳定的含氮液体。浓缩稳定含氮液体以生产液体产品的过程可包括将稳定含氮液引导至基于膜的溶解固体浓缩器和/或电化学分离装置。溶解固体浓缩器可以是蒸发过程。溶解固体浓缩器可以是反渗透工艺。在一些实施方案中，电化学分离装置可以是电渗析过程。电化学分离装置可以是电容去离子过程。可采用其他浓缩工艺。

在某些实施方案中，所述方法可包括浓缩液体产物以进一步去除多余的水。例如，所述方法可以包括通过第一浓缩过程浓缩稳定的含氮液体以生产液体产品，以及通过第二浓缩过程浓缩液体产品以生产进一步浓缩的液体产品。如上所述，第一和第二浓缩过程可以是相同的单元操作，也可以是不同的单元操作。在示例性实施方案中，所述方法可包括通过反渗透过程浓缩稳定的含氮液体以产生液体产品，以及通过蒸发浓缩液体产品以产生进一步浓缩的液体产品。

在一些实施方案中，所述方法可包括从稳定含氮液体中分离悬浮固体。悬浮固体可在浓缩稳定的含氮液体之前被分离。例如，该方法可以包括将稳定的含氮液体引导至固液分离单元。该方法可包括从稳定含氮液体中分离固体，以产生不含干扰溶解固体浓缩器的固体材料的液体流。分离的固体可在系统内收集或再循环。例如，该方法可包括将多余固体引导至反应器，在反应器中处理高含氮液体。固液分离可包括沉淀、微滤或超滤中的一种或者多种。

在某些实施方案中，从液体流出物流中除去的水可作为稀释水再循环回来，以最小化外部稀释水的使用。例如，在浓缩液体产品的实施方案中，该方法可包括将从产品中去除的多余水的至少一部分返回含氮液体。多余的水可以回流，以控制废液中成分的浓度，例如氧化剂、碱或TDS。根据需要，可将多余的水返回以控制中间含氮液体的pH值

在一些实施方案中，稳定的含氮液体或液体产品包含至少4％(按质量计)的氮。稳定的液体或液体产物可以包含至少4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％或20％(按质量计算)氮。液体产品的质量可以通过将pH值保持在大约3到大约9之间来控制，例如，将pH值维持在大约5.5到8.5之间。pH值通常会通过向前或向后推动式(2)的反应或推动式(1)至式(6)的反应来改变溶液的组成。此外，可通过控制氧化剂(溶液的ORP)的添加来控制液体产品的质量，例如，以保持溶液中氮的含氮化合物和氧阴离子的平衡。在一些实施方案中，液体产物可包含小于1％的磷酸盐和钾。液体产品可能基本上不含磷酸盐和钾。例如，液体产品可含有小于0.1％、0.01％、0.01％或0.001％的磷酸盐和钾。

与高含氮废物相比，本文所公开的方法可产生含氮化合物浓度为2X–10X倍浓缩的液体产品。因此，浓缩的液体产品可能具有50％-10％的高含氮废物体积。在某些实施方案中，浓缩液体产品可具有小于20％的高含氮废物体积。在某些实施方案中，浓缩液体产品可具有小于10％的高含氮废物体积。浓缩液体产品可能比高含氮废物更容易处理、储存和运输。液体产品中的浓缩含氮化合物可能以氨和氮的氧阴离子的形式存在。

浓缩的液体产品可进一步被加工为最终产品。该方法可包括收集包含至少一部分含氮液体、剩余含氮化合物(例如，未被氧化的含氮化合物)和氮的氧阴离子的浓缩液体产品。浓缩的液体产品可以作为液体肥料被处理。在一些实施方案中，所述方法可包括将液体产品与盐结合以生产肥料。可以选择盐和/或添加盐的浓度来控制肥料产品的成分。因此，可以通过收集和处理高含氮废物来生产具有有效量的含氮化合物和所需成分的肥料产品。

浓缩稳定的含氮液体以产生液体产品的过程也可能产生稀释水。稀释水中的含氮化合物可能少于废液的10％w/v。例如，稀释水可能含有少于5％w/v含氮化合物的废液。

本文所公开的方法可包括将稀释水引导至现场用水需求。在一些实施方案中，现场需水量可能是含氮化合物回收系统的一个组成部分。例如，可将稀释水导入反应器，以控制中间液体产品的成分。在一些实施方案中，可将稀释水从反应器引导至上游。可将有效抑制晶体形成的稀释水(如前所述)注入废液或中间废液。

在一些实施方案中，现场用水需求可与含氮化合物回收系统分开。典型的现场用水需求包括粪肥冲洗、灌溉或其他农业和农场用途，如清洁。现场用水需求的实施例包括工业用水。稀释水可直接输送至现场加热或冷却系统。稀释水可直接进入现场废水处理系统。

根据另一方面，这里提供了一种从高含氮废物中回收营养素的系统。该系统可包括一个反应器，该反应器流体连接至废液源和氧化剂源。如前所述，反应器可配置为将废液和氧化剂结合以产生具有氮的氧阴离子的中间废液。反应器可以是罐式反应器。反应器可充气。可以搅拌反应器。

在一些实施方案中，所述反应器可以是生物反应器。生物反应器可包括用于催化氧化反应的微生物。生物反应器的构造和布置可使微生物与液体废物或中间含氮废物接触，以增强氧化作用。生物反应器可被配置为容纳悬浮微生物。生物反应器可以包括附着微生物生物膜的基质。所述基质可以悬浮在生物反应器中。所述基质可在生物反应器中搅拌。

该系统可包括多个反应器。多个反应器可以串联放置。多个反应器可以平行放置。在某些实施方案中，多个反应器的子集可以串联排列，多个子集并行排列，形成一个反应器阵列。在某些实施方案中，一系列中的第一反应器可以是生物反应器。在某些实施方案中，一系列中的第二个或后续反应器可以是生物反应器。

液体废物的来源可以被配置为向反应器提供液体废物。液体废物的来源可能与有机废物有关，例如动物粪便或动物垃圾(包括尿液和/或固体)、污水污泥、食物废物或乳制品。液体废物的来源可包括酶解有机废物、有机废物废料，例如，有机物酸消化步骤产生的废物，或有机物或有机物废水的废物、浓缩物和/或浸出物。在某些实施方案中，液体废物的来源可以是具有溶解有机物的液体废物。液体废物的来源可能与氨废水有关，例如，将气体中的氨冷凝成液体、氨水、氨馏分和/或氨蒸馏物而形成的氨冷凝液。氨蒸馏物可包括例如氨蒸馏物的残液、冷凝液和/或浸出液。在一些实施方案中，该系统可包括液体废物贮存箱、粪肥冲洗坑、化粪池、堆肥器、有机废物或废水处理单元或氨水废水处理单元。

该系统可包含氧化剂源。氧化剂源可被配置为向反应器提供氧化剂。氧化剂源可以是空气、氧气、臭氧、过氧化物或卤素的来源，例如液体罐、气罐或鼓风机。在一些实施方案中，氧化剂源包括曝气孔。氧化剂源可以包括一个或多个氧化剂预处理单元，其被配置成用于从氧化剂中去除污染物。在一些实施方案中，氧化剂源可以被流体连接到反应子系统，例如，通过一个或多个氧化剂预处理单元。

在一些实施方案中，所述氧化剂可以是气体，例如氧气、臭氧气体或空气。反应器可包括气液接触器。气液接触器可将氧化剂气体引入废液中，所述方法是用细雾溶液分散气体或使气体流过一定体积的溶液。所述气液接触器可以是差动气液接触器或分段气液接触器。所述反应器可以包括一个或多个气体分布器、气液柱(例如，降膜柱、填料柱、气泡柱或板柱)、喷雾塔、搅拌容器、洗涤器、旋转盘接触器、文丘里管、分散管或配置为接触气体和液体的任何其他容器。

在一些实施方案中，所述氧化剂可以是液体，例如液氧、过氧化物或液态卤素。在其他示例性实施方案中，氧化剂可以是过氧化氢。也可以使用其他液体氧化剂。氧化剂源可能是液体储罐或储罐。

该系统可包括一个pH控制子系统，该子系统配置为保持反应器内的预定pH值。pH控制子系统可包括一个pH计，其被配置用于测量系统内溶液的pH值，例如废液、中间废液和/或稳定废液。测量pH值后，可手动或自动调整一个或多个设置。pH控制子系统可包括一个与pH计电气连接的控制模块。控制模块可配置为调节子系统内的pH值，例如，手动或自动调节，以响应pH计获得的测量值。可通过添加pH调节器、调整废液流速、调整氧化剂流速(例如，增加或减少曝气)或稀释或蒸发系统内的溶液，根据需要调整pH值。特别是，可以通过调整中间含氮液体或稳定含氮液体中的氧阴离子浓度来调整pH值。

控制模块可以配置为将pH值调整为本文前面描述的值。例如，在一些实施方案中，所述控制模块可以被配置为保持pH值在大约3到大约9之间，保持pH值介于大约5到大约7之间，保持pH值在大约6到大约8.5之间，或者保持pH值大约6.7到大约8.1之间。在一些实施方案中，pH值可以保持在4–5、4–6、4–7、4–8、4–9、5–6、5–7、5–8、5–9、6–7，6–8、6–9、7–8、7–9或8–9之间。控制模块可被配置为保持pH值与溶液中氮氧阴离子的期望浓度相关，例如，如图1A–1C所示。在一些实施方案中，可选择pH值以使至少50％的含氮化合物被氧化。可选择pH值，使至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、99％或100％的含氮化合物氧化为氮的氧阴离子。pH值的选择通常取决于最终产品的所需成分。

在一些实施方案中，pH控制子系统可包括至少一个流量控制器，其配置用于控制废液和/或氧化剂源的流速。流量控制器可操作地连接到控制模块。控制模块可被配置为指示流量控制器根据pH计测量的pH值，增加或减少废液和/或氧化剂源流入反应器的流速。例如，控制模块可配置为指示流量控制器增加或减少废液和/或氧化剂源的流速，以将反应器内的pH值控制在预选的pH值。流量控制器可包括泵。流量控制器可以包括一个阀门。流量控制器可包括流量计。

在一些实施方案中，pH控制子系统可包括pH调节器的源。pH调节器的源可以流体连接到反应器。通常，pH调节器可能是一种碱。在某些实施方案中，pH调节器可以是酸。

该系统可包括一个碱源。所述碱源可以配置为为反应器提供碱。碱源可包括酸碱生产子系统，使得碱源可接收碱和水的盐，并排出阳离子流和阴离子流。酸碱生产子系统的构造和布置可将盐引入水中，并在盐溶液中电分离离子，以产生碱性流(阳离子流)和酸性流(阴离子流)。在一些实施方案中，酸碱生产子系统包括离子交换分离装置或电动膜分离装置，例如电渗析装置。酸碱子系统可具有盐入口、水入口、阳离子流出口和阴离子流出口。酸碱生产子系统可与反应器流体连接，以便阳离子流可作为pH调节器输送至反应器。

碱源还可包括一个或多个碱预处理单元，该单元被配置为从碱、盐、水、阴离子流或阳离子流中去除任何一个或一个以上的污染物。在一些实施方案中，碱可以流体连接到反应器，例如，通过一个或多个碱预处理单元。盐或水可通过一个或多个碱预处理装置与酸碱生产子系统进行流体连接。阴离子流可通过一个或多个碱预处理单元与第二反应子系统流体连接。

该系统可包括溶解固体浓缩器，其被配置用于从稳定含氮废液中产生浓缩液体产品和稀释水。溶解固体浓缩器可在反应器下游进行流体连接。溶解固体浓缩器可采用一种或多种反渗透(RO)、离子交换、电渗析(ED)、电容去离子、蒸发或其他类似工艺将溶解固体从液体产品中分离出来。溶解固体浓缩器可包括产品出口和稀释液体出口。产品可进一步加工使用，例如进一步浓缩和/或作为肥料进行后处理。

在某些实施方案中，该系统可包括多个溶解固体浓缩器，这些浓缩器从反应器下游串联而成。例如，该系统可包括第一溶解固体浓缩器，该浓缩器具有与反应器流体连接的入口，以及第二溶解固体浓缩器，其具有与第一溶解固体浓缩器流体连接的进口。在示例性实施方案中，该系统可包括一个反渗透装置和一个从反应器下游串联的蒸发器。

浓缩的液体产品可直接被输送至肥料生产装置。在一些实施方案中，系统可包括肥料生产单元。在一些实施方案中，浓缩液体产品可输送至场外肥料生产装置。肥料生产装置可包括一个混合室。肥料生产装置可以流体连接到盐源。可以选择盐来控制最终产品的成分。

稀释水可在系统中再循环。例如，溶解固体浓缩器的稀释水出口可以流体连接到反应器或在反应器上游操作的装置。在一些实施方案中，所述系统可包括在溶解固体浓缩器和反应器入口之间延伸的再循环管线。再循环管线的构造和布置可将稀释液体从溶解固体浓缩器重新引入反应器。

再循环管线可在整个过程中进一步控制TDS的浓度。来自反应器的液体可输送至溶解固体浓缩器，例如，输送至蒸发器或反渗透装置，以调整溶解固体浓缩器内的固体浓度。当液体被输送至蒸发器时，浓缩液体随后可被输送至固液分离装置，以去除液体部分中的多余固体。液体部分可用作产品或返回反应器。在本实施方案中，系统可以通过控制操作条件来生产稀释液体产品或浓缩产品。

稀释水可通过流体连接至现场用水需求。在一些实施方案中，现场需水量可能是系统的一个组成部分。例如，稀释水可以通过再循环管路。在一些实施方案中，现场用水需求可以与系统分开。典型的现场用水需求包括粪肥冲洗、灌溉或其他农业和农场用途，如清洁。现场用水需求的实施例包括工业用水。稀释水可直接输送至现场加热或冷却系统。稀释水可直接进入现场废水处理系统。

在某些实施方案中，该系统可包括与高含氮废物源流体连接的固液分离器。固-液分离器可被配置为从高含氮废物中分离固体并产生液体废物，如前所述，液体废物被引导至反应器进行氧化。固体可被引导至固体处理装置。

固液分离器可以是一个过程悬浮固体分离器。在某些示例性实施方案中，固液分离器可以是离心机或水力旋流器。在一些实施方案中，固液分离器可以是沉淀装置。在一些实施方案中，固液分离器可以是过滤器，例如粗过滤器。在特定实施方案中，粗滤器可以是收集粪便的地面中的过滤器。固液分离器可采用一种或多种离心、沉淀(例如，包括澄清剂或增稠剂)、过滤(例如，按尺寸、电荷或密度)(例如，纳滤、微滤、超滤或另一种膜过滤)、蒸发或其他类似工艺，以将悬浮固体从废液中分离出来。

固液分离器的固体出口可连接至固体处理装置。在一些实施方案中，所述系统可包括固体处理单元。在其他实施方案中，固体可输送至场外固体处理单元。所述固体处理单元可包括例如堆肥器和/或厌氧消化器。堆肥器可包括包含需氧微生物的储罐或反应器。厌氧消化器可包括包含厌氧微生物的池或反应器。有助于消化的营养成分可通过流体连接至堆肥器和/或厌氧消化器。

在一些实施方案中，系统可包括位于反应器上游的预处理单元。所述预处理单元可被配置为从反应器上游去除对反应器微生物有害的污染物。在一些实施方案中，所述预处理单元具有一个入口，所述入口流体连接到高含氮废物源，所述预处理单元还具有一个出口，所述出口流体连接到反应器或反应器上游的固液分离单元。在一些实施方案中，预处理单元具有与固液分离单元的废液出口流体连接的入口和与反应器流体连接的出口。

一个示例性预处理单元包括除磷单元。所述除磷单元可被配置为从高含氮废物和/或废液中去除磷。所述除磷单元可以是生物除磷单元，包括包含聚磷生物(PAO)的储罐或反应器。在一些实施方案中，可布置多个反应器以诱导生物除磷。可使用其他预处理装置去除磷或其他污染物。

在某些实施方案中，该系统可以包括第二固液分离器，该固液分离器流体连接至反应器的出口和溶解固体浓缩器的入口。第二固液分离器可以被配置为将固体从稳定的含氮液体中分离出来并产生液体，该液体被引导至溶解固体浓缩器。第二固液分离器可以是细颗粒分离器。在某些示例性实施方案中，第二固液分离器可以是沉淀单元、微滤单元或超滤单元。

在一些实施方案中，第二固液分离器采用过滤(例如通过尺寸、电荷或密度)来分离液体部分和固体部分。在一些实施方案中，所述第二固体-液体分离器采用沉淀(例如，包括澄清器或增稠器)将液体部分与固体部分分离。第二固液分离器可以包括固体产品出口和液体产品出口。液体产品可以包括含氮液体肥料。液体产品可以被进一步加工，例如用作肥料。

第二固液分离器的固体出口可以流体连接到反应器。该系统可包括从第二固液分离器和反应器的固体出口延伸的固体再循环管线。一些固体部分可能返回反应器，而一些固体部分则可能作为废物从系统中清除。在一些实施方案中，例如，在系统使用生物有机体催化氧化反应的实施例中。保留的固体可以包括有机体的生物絮体。生物絮体可返回反应子系统，以进一步催化氧化反应。在一些实施方案中，固体可包含铵盐晶体或其他沉淀物，例如硫酸钙或氧化铁，由水中存在的元素和吸收的气体形成。分离固体的性质通常取决于系统和方法的设计和操作条件。固体和/或液体产品的成分可通过向工艺液体中添加盐来控制。

在一些实施方案中，该系统可包括盐源。盐源可与反应器流体连接。盐源可包括混合室。例如，盐的来源可以包括一个混合室，其构造和布置用于将盐与水或含氮液体结合。盐源可能位于反应器的上游或下游。在一些实施方案中，盐源可配置为将盐引入反应器上游的液体中。盐源可包括一个或多个盐预处理单元，其配置用于去除盐中的污染物。在一些实施方案中，盐可以流体连接到反应器，例如，通过一个或多个盐预处理单元。

该系统可包括温度控制子系统，该子系统被配置为在反应器内保持预定温度。温度控制子系统可包括温度传感器。温度传感器可被配置为测量系统内一种或多种溶液的温度。例如，温度传感器可以配置为测量反应器内中间含氮液体、高含氮废物、液体废物或氧化剂的温度。测量温度后，可以手动或自动调整一个或多个设置。

温度控制系统可包括与温度传感器电气连接的控制模块。控制模块可以被配置为在反应器内保持先前描述的预定温度范围。在一些实施方案中，所述控制模块可以配置为响应温度传感器获得的测量值，例如手动或自动调整反应器内的温度。在一些实施方案中，预定温度范围在约4℃和约80℃之间，例如，在约10℃到约80℃之间。

温度控制子系统可包括热交换器。该系统可采用主动或被动传热来控制温度。在一些实施方案中，温度控制子系统包括冷却器或冷却塔。在一些实施方案中，温度控制子系统包括冷却和加热单元。该系统还可以配置为向高含氮废物的来源提供热量。该系统可配置为向氧化剂源提供热量。该系统可包括一个热交换器，其构造和布置用于在系统组件之间传递热量。热交换器可采用机制在系统内扩散热量，例如，以节省热能。在一些实施方案中，如上文所述，热交换器用于将反应器内的温度调节至工作温度。在一些实施方案中，热交换器可被配置为将反应器内的温度调节至约4℃和约80℃之间，例如，约10℃到约80℃之间。

该系统可包括氧化控制子系统。氧化控制子系统可配置为在反应器内保持预定的氧化还原电位(ORP)。在一些实施方案中，氧化控制系统可以包括ORP传感器，该传感器被配置为测量反应器内溶液的ORP。测量ORP后，可以手动或自动调整一个或多个设置。该系统还可以包括一个与ORP传感器电气连接的控制模块。控制模块可配置为响应ORP传感器获得的测量值，手动或自动调整反应堆内的ORP。控制模块可配置为向反应器提供或多或少的氧化剂，以调整其中的ORP。控制模块可以配置为增加或减少进入反应器的液体废物的流速，以调整其中的ORP。

在一些实施方案中，预定ORP在约+400mV和约+900mV之间。预定ORP可以在约+200mV到约+1200mV之间，在约+400mV到大约+1000mV之间、在约+500mV和大约+700mV之间以及在约+400-600mV之间或在约+500mV至约+800mV之间或者在约+600mV至大约+900mV之间。预定ORP可以是约+400mV、约+500mV，约+600mV、约+700mV、大约+800mV或约+900mV。预定ORP可能小于约+900m V、小于约+800m V、低于约+700m V、少于约+600m V，小于约+500m V或小于约400mV。在一些实施例中，预定ORP可大于约+400m V，大于约+500mV，大于约+600mV、大于约+700mV、超过约+800mV或大于约+900mV。

在一些实施方案中，该系统可包括电导率仪。电导率仪可配置为测量反应器内溶液的电导率。测量电导率后，可以手动或自动调整一个或多个设置。该系统可包括一个与电导率仪电气连接的控制模块。控制模块可配置为调节反应器内溶液的电导率，例如手动或自动调节，以响应电导率仪获得的测量值。在一些实施方案中，控制模块可以通过调节一个或多个pH值、温度、离子浓度(例如，通过添加盐)、废液流速、氧化剂流速或碱流入反应器的流速来调节电导率。

根据某些实施方案，控制模块可配置为保持反应器内溶液中TDS的预定浓度。例如，控制模块可配置为将TDS浓度保持在阈值浓度以下，以避免形成晶体。控制模块可配置为将反应器内溶液中的TDS浓度保持在阈值浓度以上，以诱导晶体形成。阈值浓度可以根据溶液的组成来选择，而溶液的组成通常又取决于废物的组成、氧化剂的选择以及添加的任何碱和/或盐。

在某些实施方案中，可通过选择碱和/或盐来控制或设计最终产品的组成以用于特定用途。在一些实施方案中，控制模块可以通过调节一个或多个pH值、温度、离子浓度(例如，通过添加盐)、废液流速、氧化剂流速或碱流入反应器的流速来调节反应子系统内的TDS浓度。

所述系统可能包括一个或多个控制模块。所述控制模块可以是计算机或移动设备。所述控制模块可以包括触摸板或其他操作界面。例如，可以通过键盘、触摸屏、轨迹板和/或鼠标操作控制模块。控制模块可以配置为在本领域普通技术人员已知的操作系统上运行软件。控制模块可以电气连接到电源。控制模块可以数字连接到一个或多个部件。控制模块可以通过无线连接连接到一个或多个部件。例如，控制模块可以通过无线局域网(WLAN)或短波长超高频(UHF)无线电波连接。控制模块还可以操作性地连接到系统内的任何附加泵或阀，例如，使控制模块能够根据需要引导液体或添加剂。控制模块可以耦合到内存存储设备或基于云的内存存储。

可以对多个控制模块进行编程，以共同操作系统。例如，控制模块可以编程为与外部计算设备一起工作。在一些实施方案中，可以集成控制模块和计算设备。在其他实施方案中，本文公开的一个或多个过程可以手动或半自动执行。

图2给出了该系统的一个示例性实施实施方案。图2显示了以液体产品形式回收含氮化合物的示例性系统的示意图。可将含有含氮化合物114的液体引入反应器100，并与氧化剂104接触。可选择将碱102引入反应器100。pH控制子系统174配置为保持反应器100内液体的预定pH值。稳定的含氮液体122可转移至溶解固体浓缩器120，以去除稀释水124并产生浓缩产品126。多余的固体108可从系统中输送出去。稀释水124可直接用于现场需求。

图3示出了另一个实施方案。在图3的示例性实施方案中，在将含氮化合物114的液体引入反应器100之前，固液分离器134可位于反应器100的上游。例如，当含氮废物123具有更高浓度的固体时，可采用此配置。含氮废物123可被引导至固液分离器134，以产生含有含氮化合物114的液体，该液体被输送至反应器100。含有分离固体136的流可被引导到固体处理单元138。

图4示出了另一个实施方案。在图4的示例性实施方案中，固液分离器130可以在稳定的含氮液体122被输送到溶解固体浓缩器120之前连接到反应器100。例如，当氧化反应被微生物催化时，可以使用这种配置。反应后的液体产物121可输送至固液分离器120。含有分离固体132的流可返回反应器100。多余固体109可从反应器100中除去。

图5示出了另一个实施方案。在图5的示例性实施方案中，稀释水128被引导至反应器100。反应器100的温度可以被控制。在一些实施方案中，可以从系统的一个或多个组件添加或移除热量106。可以使用热交换器或通过蒸发或冷凝系统中的水来控制温度，从而从系统中添加或除去热量106。

图6示出了另一个实施方案。在图6的示例性实施方案中，稀释水124从溶解固体浓缩器120引导至反应器100。

图7说明了反应器100的一个实施方案。在图7的示例性实施方案中，使用了一个装有中间含氮液体和浸没式气体喷射器的储罐。例如，根据上述等式(1)至(7)，气体喷射器产生氧化剂的细气泡，诱导含氮液体氧化。

图8示出了系统的另一个实施方案。在图8的示例性实施方案中，溶解固体浓缩器120之后的浓缩液体产品126可以在混合室150中与盐152结合。可以选择盐来控制最终产品154的组成。在某些实施方案中不向反应室100中添加碱，而可以在混合室内150中添加碱152的盐，根据需要，控制最终产品154的成分。

图9示出了另一个实施方案。在图9的示例性实施方案中，该工艺采用酸碱生产室160。来自酸碱生产的阳离子流可作为碱102引入反应器100。阴离子流可作为酸162用于现场或场外目的。这种安排可以根据需要使用盐152和水128来捕获含氮化合物，以生产所需的最终产品。

本文所公开的系统可以包括在系统的单独组件之间延伸的多个通道，用于在系统的组件之间输送气体和溶液。系统可能包括一个或多个泵、鼓风机或风扇，以驱动系统内的气体和溶液。该系统还可包括一个或多个用于盛装气体或溶液的储罐，例如，用于盛装液体产品和/或包含固体的产品的产品储罐。

图10示出了从含氮废物中回收含氮化合物的方法的一个示例性实施方案。图10的示例性实施方案说明了一种方法，其中分离来自猪冲洗坑的有机废物以产生液体废物和固体。液体废物被导入氧化反应器。在图10的示例性实施方案中，氧化剂(例如氧气)与废液结合。氧化生成一种含有氮的氧阴离子的稳定含氮液体。稳定的含氮液体通过超滤反渗透进行浓缩，以去除稀释水并生成浓缩的液体产品。下面更详细地描述图10的方法的实验室试验。

图11示出了系统的另一个实施方案。图11的示例性实施方案包括含氮废物来源112、预处理单元136、固液分离器134、反应器100、第二固液分离器130和溶解固体浓缩器120。在图11的示范性实施方案中，含氮废物112被引导至预处理单元137以去除污染物。预处理单元可以是除磷单元，例如生物除磷单元或任何其他污染物去除单元。在图11中，预处理单元136位于固液分离器134的上游。但是，预处理装置136可以位于固液分离器134的下游。

废物被引导至固液分离器134以产生固体和液体废物。废液被导入反应器100。氧化剂104源和碱102源与反应器100流体连接。废液、氧化剂和碱可以在反应器100中组合。盐117源可以流体连接到反应器100，这取决于最终产品的所需成分。可选地，稀释水128可以流体连接到反应器100。在某些实施例中，稀释水28可以从溶解固体浓缩器120导入(如图6所示)。

pH控制单元174可为系统提供pH控制。pH控制单元174可操作地连接到废液流量控制器143和/或氧化剂流量控制器145。pH控制单元175可操作连接到底座102的电源。温度控制单元190可为系统提供温度控制。温度控制单元190可操作地连接到热交换器106。氧化控制单元176可为系统提供氧化控制。离子浓度控制单元178可为系统提供离子浓度控制。

传感器或仪表182(例如，温度传感器、pH计、ORP传感器和/或电导率计)可配置为在反应器100内进行测量。控制模块170可通过一根或多根电线(未显示)或无线方式与传感器或仪表181电性连接。控制模块170可以操作地连接到pH控制单元174、温度控制单元190、氧化控制单元176和离子浓度控制单元178中的任何一个或多个。

稳定的含氮液体可从反应器100中除去并浓缩，例如在溶解固体浓缩器120中，以产生浓缩液体产品和稀释水。浓缩产品可储存在储罐142中。浓缩产品可存储、使用或加工以供进一步使用。稀释水可储存在储罐146中。稀释水可存储、使用或处理以供进一步使用。固体液体分离器134去除的多余固体可储存在储罐144中。多余固体可存储、使用或处理以备进一步使用。从第二固体液体分离器130中除去的多余固体可返回反应器100。

实施例

从以下实施例可以更好地理解本发明这些和其他实施方案的功能和优点。这些实施例旨在说明性质，并不被视为限制本发明的范围。

实施例1:回收含氮化合物的系统

利用实验室结果评估了含氮化合物回收示例性系统的运行情况。图10示出了该系统从粪便冲洗坑中处理5000头猪的粪便的估计性能，对应于约1300ft3/天的估计含氮废物量。表1显示了工艺流的估算流速和氮、磷和钾含量。

表1:处理流

如图10的示例性实施方案中所示，含氮废泥浆被输送至倾析器以分离固体和液体。液体废物估计为1100ft

生物氧化后，具有约50％氨和50％硝酸盐比例的稳定含氮液体被导入超滤反渗透装置进行浓缩。预计从稳定含氮液体(反渗透渗透渗透)中去除的水约为1025ft

因此，从高含氮废物中回收养分的系统产生浓缩液体产品，可有效地在农业应用中重复使用。

实施例2:pH控制系统

根据本文所公开的方法操作示例性pH控制系统。结果如图12所示。结果对应于将高含氮废液输送至生物反应器以将含氮化合物氧化为硝酸盐的示例性泵的操作。pH传感器测量生物反应器内液体的pH值。在示例性实施方案中，通过控制进入反应器的高含氮废液的流速，将pH值控制到约7.3。曝气量基本保持不变。

图12的图表显示了生物反应器的pH值与高含氮废水泵开启时间的函数关系。泵的操作是高含氮液体废物进入反应器的速率的代表，因为泵保持在恒定设置。

如图12的数据所示，通过控制废液进入反应器的速率，可以将pH值控制到选定的目标pH值(此处约为7.3)。因此，高含氮废液的氧化(通过控制废液的输送速度)可以在不添加外部试剂(如酸)的情况下控制液体的pH值和组成。

此处使用的措辞和术语仅用于描述，不应被视为具有限制性。如本文所用，术语“多个”是指两个或多个项目或组件。无论在书面描述或权利要求书等中，术语“包含”、“包括”、“携带”、“拥有”、“包含”和“涉及”都是开放式术语，即意味着“包括但不限于”。因此，此类术语的使用意在包括下文所列项目及其等价物，以及附加项目。就权利要求而言，只有“由……组成”和“基本上由……构成”这两个过渡短语分别是封闭式或半封闭式过渡短语。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语来修改权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先权、优先权或顺序，也不意味着执行方法行为的时间顺序，但仅用作标签，以区分具有特定名称的一个某一元素和具有相同名称的另一个元素(但用于使用序数术语)，以区分要求保护的元素。

因此，在描述了至少一个实施方案的几个方面之后，应当理解，本领域技术人员将很容易进行各种更改、修改和改进。任何实施方案中描述的任何特征都可以包括在任何其他实施例的任何特征中，或替换为任何其他实施方案的任何特征。此类更改、修改和改进旨在成为本发明的一部分，并在本发明的范围内。因此，上述描述和图纸仅作为示例。

本领域技术人员应理解，本文所述的参数和配置是示例性的，实际参数和/或配置将取决于使用所公开方法和材料的具体应用。本领域技术人员还应认识到或能够确定(仅使用常规实验)与所公开的具体实施方案具有相同效果的等同物。