CN101817581B - 一体化鸟粪石法氮磷回收装置 - Google Patents

Abstract

一体化鸟粪石法氮磷回收装置，涉及环境工程水处理领域，是一种物理化学法处理含氮、磷废水反应器。它是以磷酸铵镁(鸟粪石)形式去除废水中氮、磷物质，并进行回收再利用。反应装置为一体化形式，由下到上依次设置沉淀区、混合反应区、晶体生长区、晶体捕集及出水区，混合反应区设有第一级曝气器，主要为废水和药剂充分混合反应区；晶体生长区设有第二级曝气器，主要为鸟粪石生长区；沉淀区内主要沉积大颗粒鸟粪石晶体；晶体捕集及出水区则通过滤网捕集来回收鸟粪石晶体。此外，装置还通过外回流来强化控制鸟粪石反应的过饱和率，促进晶体生长。本发明装置工艺流程简单，具有水力停留时间短，氮磷回收效率高，回收纯度高，占地面积小，运行维护费用低等优点。

Description

一体化鸟粪石法氮磷回收装置

技术领域

本发明属于环境工程水处理领域，涉及物理化学法处理含氮、磷废水反应装置，尤其以磷酸铵镁结晶(鸟粪石)回收污水中氮磷的装置。

背景技术

富含PO₄ ^3--P和NH₄ ⁺-N的废水是造成水体富营养化的重要原因。这种废水来源广，排水量大，污染性不容忽视。同时磷又是一种非常重要的不可再生资源，据美国地质调查局(USGS)的资料估计，地球上的磷矿资源储量只能维持90年。而我国磷矿储量中杂质含量低，品位高的磷矿预计在未来10～15年将被开采完，因此国土资源部已将磷矿资源列为2010年后不能满足国民经济发展要求的20种矿石之一。与之形成对比，污水中流失的磷量是非常巨大的，自然界中的磷80％来自生活污水的排放，因此现在许多国家都非常重视从污水中回收磷进行再利用。瑞典政府已明确规定，在2015年之前的中期目标是从污水中回收不少于60％的磷用于生产用地，其中不少于50％用于可耕地。

鸟粪石法脱氮除磷，不仅可以减少进入水环境的氮、磷量，而且可以回收部分磷，进行再利用，缓解磷资源的匮乏。当污水中存在Mg²⁺、NH₄ ⁺以及PO₄ ^3-，且离子浓度积大于溶度积常数Ksp时，会自发生成鸟粪石并形成沉淀，进而实现NH₄ ⁺以及PO₄ ^3-同时去除。反应式为：Mg²⁺+NH₄ ⁺+PO₄ ^3-+6H₂O→MgNH₄PO₄·6H₂O↓

鸟粪石法回收氮磷仍存在一些重要问题，即鸟粪石晶体生长缓慢，处理水力停留时间长，脱氮除磷效率低下，回收效率差。虽然可以通过改变pH值、氮磷镁的摩尔比，调整沉淀反应条件，投加晶种等措施提高晶体生长速度，但是容易引起副反应，降低鸟粪石纯度及回收量。

目前鸟粪石回收氮磷的装置主要有三类：流化床、沉淀池、结晶反应器。这些反应装置虽然各具优势，在实际过程中都有所应用，并取得了一定的脱氮除磷效果及回收效率。但是也存在一些不足之处：①流化床反应装置通常在反应器外部配有投加外源晶种设备或鸟粪石载体填料脱膜分离器，增加了装置结构的复杂性，配套设备投资多，操作难度增大；②沉淀池反应装置通常采用鸟粪石沉淀至反应器底部，定期排除。实际废水中含有大量悬浮固体及有机颗粒，在鸟粪石沉淀过程中，会网捕这些颗粒，使得沉淀中杂质含量增多，增加了后续回收利用的麻烦；③结晶反应器装置通常结构复杂，能耗较大，操作流程复杂，应用不多；④当溶液过饱和度较大时，鸟粪石在短时间内结晶，形成细微粒子，容易从出水流失，使鸟粪石回收率降低至大约60～70％；⑤鸟粪石易于结垢，目前许多反应器挂壁现象显著，严重影响了鸟粪石的回收效率，而且减小了反应器的有效体积，降低了反应器的效率。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种改进的流化床氮磷回收一体化装置，以弥补上述鸟粪石沉淀装置的不足之处，解决鸟粪石回收氮磷的具体问题，提高废水处理效果，增加鸟粪石回收量及纯度，以便后续利用。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：一种一体化鸟粪石法氮磷回收装置，由下而上依次设置沉淀区、混合反应区、晶体生长区、晶体捕集及出水区等功能区，各功能区段横截面积呈阶梯式增加；

沉淀区底部为圆锥形，锥形底部设有排泥阀，定期排出沉淀物质；

混合反应区设有进水口、药剂投加口、碱液投加口、回流液入口及第一级环状曝气器；

晶体生长区设有第二级环状曝气器；

晶体捕集及出水区底部设有回流液出水口，并设有多层锥形滤网，通过支架固定在晶体捕集及出水区。

此外，还设有锯齿形出水堰和收集水槽。

晶体生长区底部设有第二级环状曝气器。装置内部采取二级曝气进行混合液的混合和提升。其中，第一级环状曝气器为促进大量鸟粪石微细晶体快速形成；第二级环状曝气器为促进晶体成长，并防止晶体在反应器内壁结垢。

进水口、药剂投加口、回流液入口在反应装置混合反应区的同一横截面积上，碱液投加口在它们略上方的位置，有利于反应效果提高。

反应装置设有回流，通过回流可强化控制鸟粪石的过饱和率。

多层锥形滤网，采用不同规格孔径(例如0.1mm～1mm)的不锈钢丝网或改性工业滤布组成，孔径沿水流方向逐级减小。当混合液流经多层锥形滤网时，鸟粪石在其表面吸附、生长，通过定期将多层锥形滤网提升出反应装置，则可刮除并回收其累积的晶体物质。

回流比可通过调节回流泵的流速进行控制；取进水口附近水样进行离子浓度及pH值的测定，通过计算可得过饱和率，进而可调节回流泵流速。

滤网的层数视反应器大小及出水效果而定。滤网边缘附着于锥形支架上，锥顶部可设置开口以使水流通畅，开口的口径大小视情况而定。滤网可采用改性工业滤布替代，其中“改性”指在滤布上涂上一些有机材料，纳米材料等，优化滤布性能。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

1、本发明装置在出水区设有多层滤网，为鸟粪石晶体提供结晶种，逐级吸附颗粒较小的鸟粪石晶体，有效防止细微粒子随出水流失，增加了鸟粪石的回收效率。而且，滤网可从装置中取出，鸟粪石晶体干燥后，刮刷即可得到，操作方便。

2、滤网吸附鸟粪石晶体，纯度可达96％以上，无重金属污染。

3、通过调节适当的回流比，可以强化控制鸟粪石反应的过饱和率，防止饱和度过大引起鸟粪石急速反应，鸟粪石晶体细小、不均等现象。同时，以回流的鸟粪石晶体作为晶种，缩短了晶体生长的时间，使装置内保有一定的固相量，提高了回收晶体的纯度。装置不需要连续投加外源晶种，降低了运行成本和操作难度。

4、反应装置由下至上各区段横截面积逐级增加，有利于保持晶体生长区的过饱和度。

5、反应装置内设有两级环状曝气器，为鸟粪石反应提供混合能及上升流的推动力。混合反应区曝气量较大，为鸟粪石反应提供适当的搅拌强度；晶体生长区曝气量较小，促进鸟粪石晶体生长，防止鸟粪石晶体在反应器内壁结垢。

6、反应装置运行过程中，控制溶液过饱和率在2～5以内，可使晶体成核及成长速率较快，进而缩短水力停留时间。

附图说明

图1为一体化氮磷回收装置的平面图。

图2为一体化氮磷回收装置去掉滤网后的平面图。

图3为一体化氮磷回收装置的A-A剖面图。

图4为一体化氮磷回收装置的B-B剖面图。

图5为滤网及支架的平面图。

图6为滤网及支架的剖面图。

图中编号：1为出水管，2为回流出水口，3为回流进水口，4为药剂投加口，5为进水口，6为出水堰；7为反应装置的沉淀区，8为反应装置的混合反应区，9为反应装置的晶体生长区，10为反应装置的晶体捕集及出水区，11为滤网，12为滤网支架，13为碱液投加口，14为第一级环状曝气器，15为第一级进气管，16为第二级环状曝气器，17为第二级进气管，18为排泥阀，19为收集水槽。

具体实施方式

以下结合附图说明本反应装置的具体实施方式。

一种一体化鸟粪石法氮磷回收装置，由下而上依次设置沉淀区7、混合反应区8、晶体生长区9、晶体捕集及出水区10等功能区，各功能区段横截面积呈阶梯式增加。沉淀区7底部为圆锥形，锥形底部设有排泥阀18，为保持反应装置内一定的固相量，定期由沉淀区底部漏斗排出沉淀物质；混合反应区8设有进水口5、药剂投加口4、碱液投加口13、回流液入口3及第一级环状曝气器14；晶体生长区9为鸟粪石晶体生长区段，在晶体生长区9的底部设有第二级环状曝气器16；晶体捕集和出水区10底部设有回流出水口2，并设有多层锥形滤网11，通过支架12固定在晶体捕集区及出水区10，此外，还设有锯齿形出水堰6和收集水槽19。

本发明中，装置内部采取二级曝气进行混合液的混合和提升。其中，第一级环状曝气器14为促进大量鸟粪石微细晶体快速形成；第二级环状曝气器16为促进晶体成长，并防止晶体在反应器内壁结垢。

本发明中，进水口5、药剂投加口4、回流液入口3在反应装置混合反应区8的同一横截面积上，碱液投加口13在它们略上方的位置，有利于反应效果提高。

本发明中，反应装置设有回流，通过回流可强化控制晶体生长区段中鸟粪石反应的过饱和率。回流液入口和出口通过回流泵连接。本发明中，多层锥形滤网11采用不同规格孔径(例如0.1mm～1mm)的不锈钢丝网或改性工业滤布组成，孔径沿水流方向逐级减小。当混合液流经多层锥形滤网11时，鸟粪石在其表面吸附、生长，通过定期将多层锥形滤网11提升出反应装置，则可刮除并回收其累积的晶体物质。

本反应装置运行过程中，废水经由位于混合反应区的进水口5，药剂经由位于混合反应区的药剂投加口4，碱液经由位于混合反应区的碱液投加口13进入本反应装置。调节pH值在7.5～9.5，在第一级环状曝气器14作用下，废水与药剂、碱液在混合反应区充分混合，形成鸟粪石微细晶体。混合液夹杂晶体进入晶体生长区9，晶体继续长大，调节第二级环状曝气器16曝气量，促进晶体生长，并防止晶体在反应器内壁结垢。

第一段环状曝气量为：3～5L/min，第二段环状曝气量为：1～2L/min。

环状曝气器内接在反应器内壁上，分别位于混合反应区和晶体生长区底部。

形成的大颗粒晶体沉降至沉淀区7，小颗粒随水流进入晶体捕集及出水区10，吸附在滤网11上逐渐长大，定期将滤网11从反应装置中取出、刮刷得到晶体。出水经由锯齿形出水堰6，由收集水槽19收集，经由出水管1排出。沉淀区7底部为圆锥形，设有排泥阀18，控制晶体停留时间，可定期排除沉淀区的沉积物。

晶体捕集及出水区10设有多层锥形滤网11，滤网配有支架12。滤网11可通过支架12固定于反应器的晶体捕集及出水区，也可通过支架12从中取出反应装置，通过刮刷滤网上吸附的鸟粪石晶体来进行回收。滤网11呈倒置漏斗形，可采用不同规格孔径(0.1mm～1mm)的不锈钢丝网或改性工业滤布材料，目前不锈钢丝网应用较广，但其加工烦琐，考虑采用复合滤布材料，方便加工，并可以提高操作的灵活性。支架顶部伸出反应装置部分设有三个架脚，架在反应装置外缘上。

反应装置设有二级环状曝气器，配合不同目的，调节不同曝气量。混合反应区8的第一级环状曝气器14，提供反应充分混合的混合能，推动反应液夹杂鸟粪石晶核向上流动；晶体生长区9柱状区底部的第二级环状曝气器16，促进鸟粪石晶体生长，防止其在反应器内壁结垢。

通过调节回流量，确定适宜的回流比，强化控制鸟粪石的过饱和率，回流部分新生鸟粪石晶体作为晶种，提高回收率，改善晶体的沉淀性能。取进水口附近水样进行离子浓度的测定，通过计算可得过饱和率，进而调节回流泵流速。

实施例

养鸡场发酵池废水，COD(化学耗氧量)浓度为10000mg/L左右，氨氮3000～4000mg/L，总磷400～500mg/L，经过60目筛子筛滤预处理，以MgCl₂□6H₂O和Na₂HPO₄□12H₂O为沉淀剂，10％的NaOH溶液调节pH值，进行鸟粪石脱氮除磷及回收。

反应器总高度52cm，有效高度49cm，总体积为4L。底部设有锥形漏斗收集沉淀，漏斗体积为0.09L，漏斗上端缓冲层高度3cm，混合反应区高度为10cm，直径7cm，底端设有环状曝气，使废水与投加药剂充分混合，晶体生长区高度20cm，直径11cm，底部设有环状曝气，冲刷内壁，防止鸟粪石晶体在晶体生长区内壁结垢。混合反应区和晶体生长区横截面积不同，形成渐扩区域，高度2cm。晶体生长区上部为晶体捕集及出水区域，高度9cm，直径15cm。内部设有锯齿形出水堰及捕集晶体的滤网，滤孔面积1mm²。滤网呈倒置漏斗形，底部直径2cm，上部直径13cm，高度9cm，总面积212cm²。滤网上部设有7cm高的提升支架，方便将滤网从反应器内取出。

进水口，进药口与回流口位于距渐扩区域底部4cm处，废水和沉淀剂以镁氮磷摩尔比1.2∶1∶1进入反应器，10％NaOH溶液从位于进水口上端2cm的进碱口进入反应器，调节混合液pH在9.5左右。回流量3～4mL/min，用以调节反应器内部的过饱和率，混合反应区曝气量为4～5L/min，晶体生长区曝气量为1～2L/min，水力停留时间为54min。连续运行，每2天排一次泥。氨氮去除率在87％左右，总磷去除率为82％，COD去除率也可达到38.3％。回收的鸟粪石晶体纯度可达96％以上，方便回收利用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种一体化鸟粪石法氮磷回收装置，由下而上依次设置如下功能区：沉淀区(7)、混合反应区(8)、晶体生长区(9)、晶体捕集及出水区(10)，其特征在于：

沉淀区(7)底部为圆锥形，锥形底部设有排泥阀(18)，定期排出沉淀物质；

混合反应区(8)设有进水口(5)、药剂投加口(4)、碱液投加口(13)、回流液入口(3)及第一级环状曝气器(14)；

晶体捕集和出水区(10)设有回流液出水口(2)，并设有多层锥形滤网(11)，滤网通过支架(12)固定在晶体捕集及出水区(10)。

2.根据权利要求1所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：所述各功能区段横截面积呈阶梯式增加。

3.根据权利要求1所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：所述晶体生长区(9)为鸟粪石晶体生长区段，在晶体生长区(9)的底部设有第二级环状曝气器(16)。

4.根据权利要求1所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：还设有锯齿形出水堰(6)和收集水槽(19)。

5.根据权利要求1、3所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：所述第一级环状曝气器(14)为促进大量鸟粪石微细晶体快速形成；第二级环状曝气器(16)为促进晶体成长，并防止晶体在反应器内壁结垢。

6.根据权利要求1所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：进水口(5)、药剂投加口(4)、回流液入口(3)在反应装置混合反应区(8)的同一横截面积上，碱液投加管(13)在它们上方的位置。

7.根据权利要求1所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：还设有回流装置以强化控制鸟粪石的过饱和率。

8.根据权利要求1所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：多层锥形滤网(11)由不锈钢丝网或改性工业滤布组成，孔径沿水流方向逐级减小。

9.根据权利要求8所述的一体化鸟粪石法氮磷回收装置，其特征在于：所述不锈钢丝网或改性工业滤布的孔径为0.1mm～1mm。 

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