CN102745851A - 一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境工程水处理技术领域，尤其涉及一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置及方法。本发明的技术方案为：一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，包括柱状过滤器和超声波发生装置，所述超声波发生装置的一端与原水管连接，另一端通过进水管与过滤器的底部连接，所述过滤器内有滤料层，过滤器的上部有出水管。本发明还提供了一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的方法，本发明耦合超声技术，利用新型晶种作为滤料形成固定床系统，促进新型晶种的结晶除磷效能，可解决低浓度城市含磷废水难处理的问题。

Description

一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置及方法

技术领域

本发明属于环境工程水处理技术领域，尤其涉及一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置及方法。

背景技术

由于氮磷等植物性营养元素排入水体，造成水体富营养化引发一系列的环境问题；同时磷矿石资源面临着匮乏的局面，去除水体中过剩的磷并回收作为新型磷资源成为废水处理领域研究的热点。城市废水在其大流量前提下，具有很大的回收潜力，目前主要除磷工艺包括化学沉淀除磷、生物除磷、诱导结晶除磷。针对化学法、生物法处理成本及运行稳定性上的缺陷，诱导结晶除磷技术已成为一种广泛认可的既能高效除磷，又能实现磷资源的可持续利用的有效方法。通过调控水质及反应条件产生具有一定晶形的沉淀进并回收，实现处理回收一体化。较之化学法可大幅度减少剩余污泥和运行成本，运行稳定性远高于生物法。Battistoni等以石英砂为晶种，采用吹脱CO₂的方法，利用原水中的Mg⁺和NH₄ ⁺，不用添加化学药剂，可以以MAP（磷酸铵镁又称“鸟粪石”）的形式回收80%的磷，实现了磷资源的可持续利用。目前相关诱导结晶反应器如DHV反应器，在日本、荷兰等地已得到实际应用，此类反应器多采用石英砂作为晶种。依据结晶反应中自由能最小原理，石英砂结晶界面自由能较高故其结晶效率较低且诸如此类反应器其结晶周期较长；利用钢渣制造的具有吸附-缓释能力的新型晶种（专利号：ZL201010176250.2），可有效降低结晶界面自由能，实际运用中亦展现了良好的处理能力。目前强化结晶反应的措施主要投加药剂降低过饱和度，药剂成本较高同时运行管理较为复杂。考虑到现有的结晶反应工艺对反应条件要求较高、低浓度含磷废水处理难度大等问题，利用此类新型晶种并施以强化成为问题关键。

另一方面，有关利用声波能量影响结晶反应中热力学平衡及动力学方程进而促进结晶过程的研究在材料、化工及食品领域已较多。超声作用于二相或多相体系会产生空化效应、微扰效应、界面效应、湍动效应、聚能效应等对晶体的成核和成长过程有明显的影响。有关超声对味精结晶过程的影响实验表明，超声可以减弱分子间的作用力，降低溶液黏度使得结晶浓度低，晶体产量明显提高。在超声场对蔗糖溶液结晶成核过程的影响研究中发现，结晶成核过程可在低饱和度下实现。从上述有关实验可以看出超声波在晶核的生成速率、晶体的生长速率以及结晶量上有明显的诱导促进作用。

综上所述目前大多数结晶除磷都是针对高浓度含磷废水的情况，对诸如城市低浓度含磷废水的处理效果较差，且传统投加药剂强化法成本较高；目前结晶反应装置，晶种上多选择石英砂，晶种难以再循环利用其结晶反应速率较低，反应运行周期长且运行负荷低；有关诱导结晶反应器的研究领域目前大多数仍限于高浓度的模拟含磷废水且出水磷浓度较大，对低浓度含磷废水处理效率较低，在设计上，多采用流化床技术，其处理能耗大，运行管理复杂。在水处理领域，利用超声强化结晶除磷方面的研究仍为一空白区域，未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供了一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置及方法。本发明耦合超声技术，利用新型晶种作为滤料形成固定床系统，促进新型晶种的结晶除磷效能，可解决低浓度城市含磷废水难处理的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，包括柱状过滤器和超声波发生装置，所述超声波发生装置的一端与原水管连接，另一端通过进水管与过滤器的底部连接，所述过滤器内有滤料层，过滤器的上部有出水管。组合方式上采用前置超声-晶种过滤的形式，该形式将超声置于过滤装置前段，对进水进行超声处理，降低进水粘度、缩短诱导期，进而促进晶种的诱导结晶过程，装置构建简易。

所述过滤器的底部连接有反冲洗水管。反冲洗水管接反冲洗水箱。

所述过滤器的下部连接有曝气管。

在所述滤料层的下部有承托层。为砾石承托层。

在所述过滤器滤料层的侧壁上有取样口，在滤料层沿程设有取样口用于水样测定与滤料镜检。

在过滤器的的上部有溢流口。在所述进水管和反冲洗水管上分别有阀门。在进水管上有水泵。

所述滤料层为改性颗粒钢渣。利用钢渣通过水热法制备的具有一定的缓释吸附能力的改性颗粒钢渣除磷晶种作为固定床滤料。

考虑到较高的浓度差可提高过饱和度有利于结晶过程，本项发明反应器设计上采用基于PF反应器设计理念的固定床，可在保证除磷效果的前提下，最大幅度降低运行能耗；该装置在反冲洗后再启动上具有很大优势，较之常规装置可有效缩短非稳定运行时间进而提高运行负荷。同时利用声能可以改变物质状态促使结晶完成相变的原理，本项发明耦合超声技术完成强化处理，形成一项新型的环境友好型组合工艺。此装置可有效减少占地面积，在城市污水深度处理阶段及工业含磷废水领域具有极强的适用性。

本发明还提供了一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的方法，包括下列步骤：

1）原水预处理：加入钙源调节原水pH为7.0-8.0，Ca²⁺/P为1.6-2.5；

2）超声处理：超声功率120W、超声频率53KHz，水力停留时间为25min；超声可有效缩短结晶诱导期促使成核，可在反应机制上进行强化；同时有利于提高扩散过程，促使晶体快速成长。频率参数选择中，频率较高不利于其空化作用且功率上难以提升，本方法采用具有功率可调性的双频超声发生器，频率分别为39KHz、53KHz，满功率为180W（功率在40%-100%，步进1%连续功率可调）。

3）过滤结晶：水力停留时间为30mim。

所述步骤3在过滤结晶的同时进行曝气，通入CO₂气体，气水比为3:1。曝气有利于吹脱体系中CO₂维持反应pH；同时曝气作用可增强结晶界面对流，有助于晶体的快速成长。将曝气装置设置于反应器底部，呈现气水同向；同时为保证吹脱效果，将气水比设计为3:1。

在过滤结晶后对过滤器进行反冲洗，先用气体进行反冲洗，气冲洗强度为3-5L/(m²·s)，冲洗时间为3-5min；然后气水联合进行反冲洗，气水强度均为3-5L/(m²·s)，反冲洗时间5-7min。本方法通过固定床过滤组合反冲洗完成一次处理周期，通过监控出水水质开启反冲洗阶段。较之流化床工艺，反冲洗在能耗及管理上具有很大优势；基于新型晶种缓释能力，反冲洗后滤料表面残余结晶物可有效缩短下一循环结晶诱导期，故其运行负荷较大、运行周期短；为保证反冲洗效果及保持滤层原有结构，采用气、水反冲洗，较之高速水流反冲洗此方法可有效减少冲洗耗水量。反冲洗过程中，首先关闭进水阀，由鼓风机曝气进行气冲，然后打开反冲洗水阀，调节进水流量进行气水联合反冲洗。

本发明的有益效果是：本发明利用新型晶种作为滤料形成固定床系统，耦合超声技术，促进新型晶种的结晶除磷效能，可解决低浓度城市含磷废水难处理的问题。考虑到较高的浓度差可提高过饱和度有利于结晶过程，本项发明反应器设计上采用基于PF反应器设计理念的固定床，可在保证除磷效果的前提下，最大幅度降低运行能耗；该装置在反冲洗后再启动上具有很大优势，滤料表面残余结晶物可有效缩短下一循环结晶诱导期，其促进效应可有效缩短运行周期进而提高运行负荷。同时利用声能可以改变物质状态促使结晶完成相变的原理，本项发明耦合超声技术完成强化处理，形成一项新型的环境友好型组合工艺。此装置可有效减少占地面积，在城市污水深度处理阶段及工业含磷废水领域具有极强的适用性。

通过实验分析，利用超声强化新型晶种结晶除磷的这一方法实现了对低浓度含磷废水（小于10mg/L）的有效处理，实验数据表明在进水pH为7.0-8.0、水力停留时间（HRT）为30mim、进水Ca²⁺/P为1.6-2.5、气水比为3:1、超声功率120W、超声频率53KHz的运行条件下，实现了羟基磷酸钙（HAP）结晶，出水磷浓度小于0.5mg/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》一级A排放标准。对比分析超声装置的作用效果，当进水直接进入过滤装置时，调控发现当HRT约为50min时，出水达标，由此表明超声处理对结晶反应过程起到了良好的促进作用。本方法对进水pH要求较低，充分发挥新型滤料的缓释能力，耦合超声技术，促使晶核快速形成，较之传统结晶法具有很大优势。

附图说明

附图1为本发明的装置结构示意图。

图中：1-原水管，2-超声波发生装置，3-进水管，4-水泵，5-阀门，6-承托层，7-滤料层，8-溢流口，9-过滤器，10-出水管，11-取样口，12-曝气管，13-反冲洗水管。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

具体实施方式

根据图1所示，一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，包括柱状过滤器9和超声波发生装置2，超声波发生装置2的一端与原水管1连接，另一端通过进水管3与过滤器9的底部连接，所述过滤器9内有滤料层7，滤料层7的下部有承托层6，在过滤器9滤料层的侧壁上有取样口11，过滤器9的上部有出水管10，过滤器9的底部连接有反冲洗水管13，下部连接有曝气管12，过滤器9的的上部有溢流口8，在进水管3和反冲洗水管13上分别有阀门5，在进水管3上有水泵4，滤料层7为改性颗粒钢渣。

一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的方法，包括下列步骤：

1）原水预处理：加入钙源调节原水pH为7.0-8.0，Ca²⁺/P为1.6-2.5；

2）超声处理：超声功率120W、超声频率53KHz，水力停留时间为25min；

3）过滤结晶：水力停留时间为30mim。

步骤3在过滤结晶的同时进行曝气，通入CO₂气体，气水比为3:1。

在过滤结晶后对过滤器进行反冲洗，先用气体进行反冲洗，气冲洗强度为3-5L/(m²·s)，冲洗时间为3-5min；然后气水联合进行反冲洗，气水强度均为3-5L/(m²·s)，反冲洗时间5-7min。

实现了羟基磷酸钙（HAP）结晶，出水磷浓度小于0.5mg/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》一级A排放标准。

Claims (10)

1.一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，其特征在于：包括柱状过滤器和超声波发生装置，所述超声波发生装置的一端与原水管连接，另一端通过进水管与过滤器的底部连接，所述过滤器内有滤料层，过滤器的上部有出水管。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，其特征在于：所述过滤器的底部连接有反冲洗水管。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，其特征在于：所述过滤器的下部连接有曝气管。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，其特征在于：在所述滤料层的下部有承托层。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，其特征在于：在所述过滤器滤料层的侧壁上有取样口，在所述过滤器的的上部有溢流口。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，其特征在于：在所述进水管和反冲洗水管上分别有阀门。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的装置，其特征在于：在所述进水管上有水泵。

8.一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）原水预处理：加入钙源调节原水pH为7.0-8.0，Ca²⁺/P为1.6-2.5；

2）超声处理：超声功率120W、超声频率53KHz，水力停留时间为25min；

3）过滤结晶：水力停留时间约为30mim。

9.根据权利要求8所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的方法，其特征在于：所述步骤3在过滤结晶的同时进行曝气，通入CO₂气体，气水比为3:1。

10.根据权利要求8或9所述的一种基于超声技术强化新型晶种结晶除磷的方法，其特征在于：在过滤结晶后对过滤器进行反冲洗，先用气体进行反冲洗，气冲洗强度为3-5L/(m²·s)，冲洗时间为3-5min；然后气水联合进行反冲洗，气水强度均为3-5L/(m²·s)，反冲洗时间5-7min。

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