CN103492322A - 用于从废水中沉淀溶质的反应器及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于从废水中除去溶质的装置和方法。一个实施方式提供了反应器罐，其具有位于或靠近具有第一横截面的较低(上游)段和具有比第一横截面小的第二横截面的较高(下游)段之间的边界的歧管。用于使废水进入反应器罐的入口位于第一横截面或在第一横截面下方。再循环路径被设置为用于从歧管中除去废水，并将至少部分的除去的废水回收至反应器罐中。用于将水排出反应器罐的出口位于所述歧管的下游。

Description

用于从废水中沉淀溶质的反应器及相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求了在2011年3月10日提交的标题为“用于从废水中沉淀溶质的反应器”的美国专利申请第61/451,518号的优先权。在美国，该申请要求享受在2011年3月10日提交的美国专利申请第61/451,518的35U.S.C.§119的权益，其通过引用的方式并入到本文中。

技术领域

本发明涉及废水处理。实施方式涉及用于从废水中沉淀溶解的材料的反应器，及用于从废水中沉淀溶解的材料的方法。例如，本发明可以用于鸟粪石沉淀反应器中。

背景技术

一般的反应器，以及特别是流化床反应器已经被用于从包含显著浓度的磷，通常以磷酸盐形式的废水中除去并回收磷。这样的废水可以来自广泛的来源。这些包括如下来源，例如，来自垃圾填埋场的沥滤、来自农业用地的径流、来自工业过程的流出物、城市废水、动物粪便等。这样的废水，如果未经处理排放至环境中可以导致过量的排出物磷浓度。

存在多种磷除去和回收技术。一些技术提供了硫化床反应器来通过产生丸粒形式的鸟粪石(MgNH₄P0₄6H₂0)或鸟粪石类似物或磷酸盐化合物而从水溶液中除去磷。鸟粪石可以通过如下反应形成：

Mg²⁺+NH₄ ⁺+P0₄ ^3-+6H₂0←→MgNH₄P0₄.6H₂0

多个参考文献中已经描述了用于从废水溶液中除去和回收磷的反应器的实例。其中包括如下文献：

Regy等人，Phosphate recovery by struvite precipitationin a stirred reactor),LAGEP(2001年3月至12月)，包括进行了多种尝试以通过鸟粪石沉淀从废水中除去磷和氮。

Trentelman，美国专利申请第4,389,317号，以及Piekema等人，Phosphate Recovery by the Crystallization Process：Experienceand Developments，在关于Phosphate Recovery for Recycling fromSewage and Animal Wastes的第二届国际会议上提交的论文，Noordwijkerhout，荷兰，2001年3月12-13，公开了以磷酸钙、磷酸镁、磷酸铵镁或磷酸镁钾的形式沉淀磷酸盐的反应器和方法。

Ueno等人，Three years experience on operating and sellingrecovered struvite from full scale plant(2001),EnvironmentalTechnology,第22卷，第1373页，公开了使用侧流结晶反应器从而以磷酸镁铵(又称作鸟粪石)的形式除去磷酸盐。

Tsunekawa等人，日本第11-267665号的专利摘要公开了用于从水中除去磷的反应器。

Koch等人，Fluidized bed wastewater treatment,美国专利第7,622,047号。

在废水处理和反应器中可能出现的一些问题包括在处理的废水中的溶质的沉淀不充分，以及沉淀的粒子夹带在经处理的废水中。需要有成本效益的方法和系统以解决这些问题中的一些或所有的这些问题。

发明内容

本发明具有多个方面。一个方面提供了流化床反应器及其部件。例如，这样的反应器可以应用于例如由废水产生鸟粪石、鸟粪石类似物和其它含磷的化合物。另一方面提供了用于废水处理的方法。在本文中描述了这样的装置和方法的多个实例，并且示出在附图中。多个示出的示例性实施方式的特征可以以其它方式结合以提供其它实例的实施方式。

一个实例方面提供了流化床反应器，其具有在出口上游的澄清段。所述澄清段被配置成提供低流体流速。因此，所述澄清段有助于防止鸟粪石等的小粒子排出反应器。在澄清段下方的至少一个段的流体流速高于在澄清段的流体流速。通过在流体进入澄清段之前除去流体，可以降低在澄清段中的流体流速。这可能涉及将流体抽吸至在澄清段边界处或其附近的歧管中等。排出的流体可以部分地或全部地回收至在澄清段下方的反应器的段。在一些实施方式中，澄清段的横截面积小于澄清段下方的一个或多个段的横截面积，其中，在所述一个或多个段中流体流速大于在澄清段中的流体流速。

另一方面提供了废水处理系统，其包括：从第一横截面至小于第一横截面的第二横截面变细的反应器罐。所述第一横截面在第二横截面上方。设置入口用于使废水进入在所述第二横截面底部下方或其附近的反应器罐中。设置再循环路径以从第一横截面下游的进口吸入废水，并将至少部分的除去的废水返回至进口上游的反应器罐。再循环路径进口下游设置用于使水从再循环反应器罐排出的出口。澄清段可以被设置在再循环路径的进口与出口之间。

在一些实施方式中，配置流量分配器以从反应器罐中采集废水，并将其输送至进口。所述流量分配器可以配置为导致通过进口抽吸的废水基本均匀地被从所述反应器罐的横截面抽吸。例如，所述流量分配器可以包括歧管、流槽、水平流动分配板和位于所述流量分配板正下方的水下堰等。

一些实施方式包括连接用来使试剂与进入的废水混合的计量机构。例如，所述试剂包括如下的一种或多种物质的源：镁离子和铵离子。

另一方面提供了用于处理废水的方法。根据该方面的方法包括：使废水从反应器罐入口向上流动经过反应器罐；降低废水向入口下游流动的流速；从所述反应器罐出口上游除去降低流速的废水；和将除去的废水再引入至反应器罐，该反应器罐在除去的废水被除去处的上游。

其它方面提供了包括在本文中公开的任何新颖的、创造性的特征、特征的组合或特征的子组合的装置，和包括在本文中描述的任何新颖的、创造性步骤、行为、步骤和/或行为的组合或步骤和/或行为的子组合的方法。

在附图中示出和/或在下面描述本发明的其它方面和本发明的示例性实施方式。

附图说明

附图将显示本发明的非限定性的实施方式。

图1为根据示例性实施方式的锥形流化床反应器的立式图式侧面剖视图。

图2为根据示例性实施方式的逐步变细的流化床反应器的立式图式侧面剖视图。

图3为根据示例性实施方式的锥形流化床反应器的立式图式侧面剖视图。

图4为根据示例性实施方式的逐步变细的流化床反应器的立式图式侧面剖视图。

图4A为示于图4中的反应器的歧管的俯视剖面图。

图5为根据示例性实施方式的锥形流化床反应器的侧面剖视图。

图6为根据示例性实施方式的锥形流化床反应器的立式图式侧面剖视图。

图6A为示于图6中的反应器的流槽阵列的俯视剖面图。

图7为根据本发明示例性实施方式的方法的流程图。

图8为根据示例性实施方式的锥形流化床反应器的立式图式侧面剖视图。

图9为根据示例性实施方式的逐步变细的流化床反应器的立式图式侧面剖视图。

图10为包括导流管的实例反应器的立式图式侧面剖视图。

具体实施方式

在整个下面的描述中说明了具体的细节，从而为本领域的技术人员提供更透彻的理解。然而，公知的元件可能没有显示或详细地描述，以避免不必要地使本公开不清楚。因此，所述描述或附图被认为是说明性的，而不是限制意义上的。

在下面的描述中的本发明的一些实施方式涉及反应器装置或方法，其中，废水中的磷以鸟粪石或鸟粪石类似物或磷酸盐化合物的形式沉淀。实例的这种选择与具有显著商业实用性的实施方式一致。然而，本发明的范围不限于这些实例。

为了便利起见，术语“废水”被用于下面的说明书和权利要求中来描述水溶液，例如，工业废水或城市废水、浸出液、径流、动物粪便、排出物等。术语“废水”并不限于来自城市污水、动物粪便或任何其他具体来源的排出物。一些实施方式提供了用于处理城市污水和/或动物粪便的方法。一些实施方式提供了用于处理其它种类的废水，例如尾矿等的方法和装置。在本文中描述的装置和方法并不限于处理废水，而是也具有其它应用。所述装置和方法可以应用于使物质从组成离子获自除废水之外的源的溶液中沉淀，例如，鸟粪石、鸟粪石类似物或其它含磷的化合物。

图1为示意性图示根据示例性实施方式的锥形流化床反应器10的图，所述流化床10可以用于从废水中沉淀溶解的固体。反应器10包含锥形反应器罐12、位于罐12的底部的入口14和位于罐12顶部的出口16。来自供料18的废水在入口14处进入反应器罐12，并向上流动经过罐12朝向出口16。供料18可以包含未处理的废水，或未处理的废水和试剂的组合。废水在出口16处排出罐12至连接的排出物管道系统(未示出)。锥形形状的罐12导致从入口14至出口16下降的废水流速梯度。

废水中的溶质在罐12中沉淀为固体粒子22(例如，鸟粪石或其它含磷的化合物)。废水的向上流动抵消了粒子22上的重力。固体粒子22被流化，其中，在罐12中的废水的流速足够大使得废水对粒子22的力与重力平衡，或超过重力。由于废水对粒子22的力遵循废水流速的梯度，不同大小的粒子22将通过在罐12中不同的高度来分类，在罐中重力与废水流动之间平衡。较小的粒子趋向于存在于罐12的顶部附近，而较大的粒子趋向于存在于接近罐12的底部。

随着粒子22生长(即，由于团聚和/或晶体生长)，它们在罐10中趋向于向下移动。在一些实施方式中，废水在反应器12中向上流动支撑了鸟粪石或其它含磷化合物的丸粒，所述含磷化合物是在反应器中通过使溶解的物质沉淀而形成的。由于丸粒随着时间而长大，可以根据在反应器内的不同区域内的废水流动速率比的差异导致的尺寸而将它们分类。

在丸粒被采集之前，通常允许它们生长至至少最小的尺寸(例如，在一些应用中，较合意地采集具有1mm或更大直径的丸粒的鸟粪石)。具有可采集尺寸的丸粒可以趋向于聚集在采集区，从所述采集区域中可以除去它们。反应器10包括任选的析出段26，其可以用于从采集区中采集丸粒。析出段26与反应器罐12和析出流体源(未示出)流体连通。析出流体从析出段26底部向上流动。同时，沉淀物粒子重力加料至析出段26的顶部，并以与析出流体流逆流向下移动经过析出段26。析出流体的向上流动使沉淀物粒子的向下流动流化。例如，析出流体可以为来自城市供应的水。在一些实施方式中，在析出段中的沉淀物粒子被来自供料18的废水流化。析出段26可以包含可操作地中断沿析出段26的流体连通的阀。可以使用流体控制器(例如，转子流量计、流量控制阀、泵等)调节在析出段26中的流体流动以选择性地拒绝低于希望的最小尺寸的粒子，并将它们返回至反应器中以允许它们在采集前进一步生长。以这种方式，通过析出段26仅从反应器中除去大于所希望的尺寸的粒子。更小的粒子被留下生长直至它们达到所希望的尺寸。在析出段26中的流体流动可以由单独的水源(例如，工艺用水、饮用水等)供给，或者可以从反应器再循环或排出物流中抽吸。

为了避免在连接的排出物管道系统中污垢的聚集，以及确保高沉淀产率，较合意的是排出罐12的废水包含低浓度的某种溶质，以及通过从罐12运载沉淀物粒子22至排出物管道几乎没有沉淀物粒子损失。在排出罐12的废水中溶质的浓度可以通过延长废水在罐12中消耗的停留时间而降低，从而为发生沉淀提供更好的机会。例如，这可以通过相对于在入口14处的流速增加罐12的体积而实现。通过加大罐12在其顶端(即，澄清段)的横截面可以减少在出口16附近的废水的沉淀物粒子22的存在，从而在罐12的顶端的流体速度足够低使得在进入出口16附近之前除了非常小的沉淀物粒子22之外，所有的沉淀物粒子都沉降。

图2为示意性地显示根据示例性实施方式的流化床反应器30的图。反应器30包括逐步变细的反应器罐32，其具有增大的澄清段，即，上段38，和下段34和中段36。上段38的横截面积大于中段36的横截面积，中段36进而大于下段34的横截面积。可以运行反应器30使得入口流速相对于罐32的上段38的横截面积比例足够小使得静止区40存在于罐的上段40中。在静止区40中，流体流速足够低使得沉淀物粒子趋向于从静止区40沉降。

大横截面积的澄清区与一些成本相关。更大的横截面对应于澄清段中更大质量的废水。为了提供涉及的通常质量概念，考虑直径为5米高度为1.5米的圆柱段的水，将具有大约29.4公吨的质量。在提高大的澄清段以提供废水的逆重力流动之处，可能需要结实的结构支撑体以支撑在澄清段中包含的废水的质量。在反应器30中，在上段38中废水的重量是由结构支撑体42和44支撑的。更大的罐还具有更高的结构成本和更大的安装空间。更大的罐会在制备和运输罐至它们将被安装的位置的过程中引入了实际困难。

反应器10具有任选的再循环路径24，通过它，废水被供料回至入口14上游的反应器。再循环路径24导致在排出排出物管道系统之前至少一些废水再循环通过罐超过一次，由此为粒子形成(例如，通过成核)和生长(例如，通过团聚和/或晶体生长)提供了更好的机会。再循环路径24还提高了流体流动速率，以及相应地在罐12中的在返回至再循环路径24至罐12的顶部之间的流体流速。

由于再循环路径24提高了在罐12中的流体流速，其导致提高了在出口16区的流体流速。这将增加沉淀物粒子的粒径和沉淀物粒子数量，所述沉淀物粒子可以受到在出口16附近的流体流动的支撑，以及其进而可以导致更多数量的沉淀物粒子从罐12被夹带通过出口16。尽管由于再循环路径24的影响而增加排出罐12的沉淀物粒子可以通过相对于入口流速增加罐12的横截面积来补偿，以允许更好地沉降(例如，如图2所示)，但是这将降低再循环效率，因为其导致更少的粒子被再循环以经历团聚和晶体生长(例如，由于粒子趋向于沉降而离开再循环路径24进口再循环)，并且具有需要更大的罐的缺点。

再循环流量对通过反应器10的出口16的沉淀物粒子夹带的影响也可能与反应器10的从具有高浓度磷的废水供料18中得到高回收率的鸟粪石的用途相冲突。在一些应用中，废水供料18可以具有超过60mg/L(以PO-P计)，以及高达10,000mg/L(以PO4-P计)的磷浓度。为了作为大的鸟粪石丸粒得到高回收率的磷酸盐(例如超过70%或超过90%)(例如，0.5mm至5mm的直径)，在罐12中应该保持相对低的过饱和率(例如，过饱和率低于5)。为了在高浓度的供料的存在下保持这样低的过饱和率，至少3：1至100：1或更大的再循环：供料比可能是希望的。

图3为示意性地显示根据示例性实施方式的锥形流化床反应器50的图。反应器50包括锥形反应器罐52、入口54和出口56。例如，入口54可以位于或接近反应器罐52的下部。在一些实施方式中，入口54位于反应器罐52的底部。在一些实施方式中，入口54在反应器罐52的底部二分之一处。在一些实施方式中，入口54在反应器罐52的底部三分之一处。在一些实施方式中，入口54在反应器罐52的底部四分之一处。出口56可以例如，位于或接近反应器罐52的上部。在一些实施方式中，出口56位于反应器罐52的顶部。在一些实施方式中，出口56在反应器罐52的顶部四分之一处。一些实施方式包括多个入口和/或出口。

来自供料58的废水在入口54处进入反应器罐52，并在出口56排出罐52。在示出的实施方式中，入口54朝上，并且从入口54引入到罐52中的流体的流动是朝上的。入口54和/或出口56也可以与反应器罐52基本垂直地、基本水平地或与之呈一定的角度定向。

反应器50包括再循环路径60。废水在位于入口54的下游和出口56上游的进口62处进入再循环路径60。再循环路径60将至少部分的除去的废水在回路64处返回至进口62上游的罐52。在示出的实施方式中，进口62位于入口54的上方和出口56的下方。由于再循环路径60抽吸出口56上游的流体，进口62下游的罐52(例如，上述)中的流体流速不会显著程度地依赖于再循环路径60的流量。因此，可以提高再循环路径60的流量，而不会相应地提高在出口56附近的流体流速。结果，可以以高再循环比率地运行反应器50，而在进口62和出口56之间具有相对小体积(例如，就横截面积和/或体积而言)的静止区65。

在示出的实施方式中，再循环路径60包括流量控制单元61。流量控制单元61可以包含节流元件，例如阀等。流量控制单元61可以包含泵等。弯头泵(elbow pump)、轴流泵和导流管为趋向有利于高流量、低扬程用途的泵的类型。这样的泵可以并入到流量控制单元61中。然而，其它合适类型的泵也可以用于本申请中。有利地，并入到流量控制单元61中的泵为提供相对低的湍流的类型，因为当处理用CO₂饱和的废水时，这种泵比导致更多湍流的类型的泵更低可能性地形成鸟粪石污垢沉积。低湍流泵送装置也更低可能地导致再循环通过再循环路径的细小的鸟粪石粒子的机械损坏或磨耗再循环再循环，因此促进了在反应器中形成更大的粒子。

例如，流量控制单元61可以连接至流体供应处，并将流体引入至再循环路径60中，例如，洗涤流体(例如，非饮用水、矿物质或有机酸)。

在一些实施方式中，再循环路径60的流量为供料58的流量的至少三倍。在一些实施方式中，再循环路径60的流量与供料58的流量的比率可以为100:1或更大。在用于高强度的废水应用(例如10,000mg/LP)的实施方式中，高再循环比率可能是有用的。这种再循环比率可以为300:1或更大

在一些实施方式中，与其中再循环路径从其反应器罐的顶部抽吸水的类似尺寸的反应器相比，在进口62上方的静止区的横截面积可以缩小至三分之一或更小。

流量控制单元61或再循环路径60的其它特征可以使更大的沉淀物粒子破裂成更小的沉淀物粒子。如果更大的沉淀物粒子被抽吸至再循环路径60中并破裂成更小的沉淀物粒子，可能破坏反应器50在形成大的鸟粪石丸粒方面的效率。反应器罐52从进口62下方的第一横截面66至第一横截面66的上游和下方的更小的第二横截面68变细。从第一横截面66至第二横截面68变细的罐52导致废水流速的梯度，和相应的根据尺寸的沉淀物粒子的梯度分布。由于进口62位于第一横截面66的上方，可以这样运行反应器50使得进入再循环路径60的废水包含相对细小的沉淀物粒子，如果有的话，而不是相对大的粒子。相对细小的沉淀物粒子的再循环可以促进更均匀地晶体生长。

在反应器50中，再循环路径60的回路64位于入口54的上游。在入口54处或在入口54的下游，再循环的废水可以通过外部再循环导管，或例如通过导流管被引入反应器52的底部。在反应器52的入口的上游和/或靠近反应器52的入口再引入细小的沉淀物粒子允许再循环的废水与新鲜供料和试剂混合，这可以促进再循环的废水中任何细小沉淀物粒子的快速生长。

反应器50包含任选的流量分配器69。流量分配器69配置为收集来自罐52的废水并将其输送至进口62。流量分配器69可以包括一个或多个端口(未示出)，在所述端口处通过流量分配器69可以抽吸来自罐52的废水。流量分配器69的端口可以设置为从反应器罐52的不同位置抽吸废水。在一些实施方式中，流量分配器69的端口设置为从罐52的横截面的不同位置抽吸废水。例如，流量分配器69可以包含一系列设置为从跨越罐52的横截面分布的多个不同位置抽吸废水的端口。在一些实施方式中，流量分配器69的端口设置为使得流量分配器69可以基本均匀地从罐52的横截面抽吸水。

再循环废水的均匀抽吸可以有助于保持在进口62下方的流化床中流动的均匀分布，并且可以避免从入口54至再循环路径60的废水流动短路。流量分配器69可以例如，包括流量分配歧管、水下堰等。

在示出的实施方式中，流量分配器69是基本平面的，流量分配器69的端口可以设置为从跨过罐52的相应的平面的横截面抽吸废水。在一些实施方式中，反应器包括非平面的流量分配器(例如，锥形形状的流量分配器等)，以及流量分配器的端口以可以设置为从跨过相应的罐52的非平面的表面抽吸废水。

在许多情况下，由流经流量分配器导致的压头损失将足以导致在流量分配器中从溶液中除去一些溶解的气体。例如，在其中用CO₂或碳酸使待处理的废水饱和的情况下，在流量分配器中可能出现CO₂的脱气(伴随着pH升高)。这会促进鸟粪石在流量分配器中的沉淀(例如在歧管、孔、泵叶轮和/或管道中沉淀)。基于该理由，有利地，将流量分配器的表面涂布耐污垢涂层，例如Teflon　,Kynar　(PVDF)、Hylar　，或搪玻璃。鸟粪石也不粘附到这样的涂层上。结果，在流量分配器中沉淀的鸟粪石将作为细小成粒物质被夹带在流中，而不会在歧管的壁上形成大块或堵塞歧管的孔等。在流量分配器或再循环线中的污垢的形成是保养的负担，因为污垢形成会堵塞管道使流动受阻的程度，还因为如果允许污垢积聚，那么大到足以损害下游泵送设备的硬污垢的碎片将破裂。

一些实施方式包括多个流量分配器。一些这样的实施方式的流量分配器可以配置为使得从具有大致相同的流体流动流速的不同区域抽吸废水。例如，在一些实施方式中，靠近罐中心的废水流速大于靠近罐壁的废水的流速。朝上开口锥形反应器可以包括配置为导致从中心区域抽吸废水的第一流量分配器，和位于第一流量分配器下方且配置为导致从与中心区域同心地并径向朝外的外周区域抽吸废水的第二流量分配器。可以配置多个流量分配器以将废水导引至一个或多个再循环路径的相同或不同的进口。

在一些实施方式中，可以监测和/或控制再循环比率(例如，通过再循环路径60的流量与在出口56处的流量的比率)。一些实施方式包括控制系统，例如过程控制器，配置为例如通过调节在进口62处的闸，在回路64处的闸、在流量分配器69处的闸来控制再循环比率，和/或配置为通过再循环路径60抽吸流体的泵。例如，一些实施方式包括具有在美国专利第7,622,047号(Koch等人，标题为流化床废水处理，通过引用的方式并入到本文中)中描述的特征的控制系统。

在一些实施方式中，反应器罐52逐步变细：也就是，其包括多个具有不同横截面的相邻段。例如，罐52可以包括具有采集段和采集段上方一个或多个段的基本垂直定向的导管。在导管中的段的数量可以变化。在一些情况下，在采集区上方存在两个或更多的垂直-连续的段。例如，导管的段可以为圆柱形。

在一些实施方式中，在进口62上方的罐52的横截面与进口62处或在其紧下方的横截面一样。在一些实施方式中，在进口62上方的罐52的横截面小于在进口52处的横截面。

在一些实施方式中，反应器罐52的体积和在进口62处引入的流体的体积使得废水在进口62下游(上部)的罐52中的平均停留时间为至少数分钟。在一些实施方式中，平均停留时间在3至100分钟的范围内。例如，在一些实施方式中，供料速率和再循环速率使得流体在再循环歧管上游的反应器罐52中的停留时间小于10分钟。例如，在一些实施方式中为大约3至7分钟。

可以选择反应器的高度使得反应器体积足够大以允许丸粒生长至所希望的尺寸。在原型实施方式中，已经发现鸟粪石丸粒的直径以大约0.1-0.3mm/天的速率生长。在这些生长速率下，允许丸粒生长至3mm直径将需要丸粒在反应器罐52中的停留时间为大约10-30天。例如，在一些实施方式下，在5-15天内可以生长出尺寸在0.5至4.0mm范围内的丸粒。

图4为示意性地显示根据示例性实施方式的锥形流化床反应器70的图。反应器70包括逐步变细的反应器罐72、入口74和出口76。所述逐步变细的罐72定义了四个段：澄清段72A、沉降段72B、反应段72C和采集段72D。应该理解到为段72A-72D指定的名称仅用于阐述的目的，而不能解释成将任何段的功能限定为由其名称所指示或表示的功能，或者解释成从任何段的功能排除由任何其它段的名称所指示或表示的功能。澄清段72A的横截面小于沉降段72B的横截面。沉降段72B的横截面大于反应段72C的横截面。反应段72C的横截面大于采集段72D的横截面。应该理解到逐步变细的罐可以包括更多或更少数量的段。入口74位于采集段72D的底部。出口76位于澄清段72A的顶部。

逐步变细的反应器罐72可以导致在不同的段中根据尺寸分类沉淀物粒子。在示出的实施方式中，罐72的段的壁是垂直的，并通过水平架连接。在一些实施方式中，罐的段的壁通过倾斜的架连接。倾斜的架可以促进沉淀物粒子从较高的罐段向较低的罐段的向下移动。

反应器70包括再循环路径80，所述再循环路径从位于沉降段72B的底部的进口歧管82延伸至入口74上游的回路84。如在图4A中所示，歧管82包括歧管集头84和从其中向外延伸的多个歧管臂86。歧管集头84和歧管臂86包括端口，例如，孔88，通过它废水被抽吸至再循环路径80中。可以这样设置歧管82的孔88使得歧管82可以从罐72的横截面基本均匀地抽吸废水。在一些实施方式中，孔88朝上。这有利于使用例如压力洗涤器或长刷从反应器的顶部清洗孔。所述歧管可以延伸至或延伸通过容器壁。所述歧管可以在一端或两端处具有检修端口(access port)(未示出)以允许从容器的外面清洗歧管的里面。

通过在沉降区域72B底部抽走再循环废水，在澄清段72A和在沉降段72B的上部中的流体流速基本不受在入口74处的流量的影响，并主要为供料78的速率和段72A和72B的横截面积的函数。通过降低进入澄清段72A的流量相对于再循环路径80的流量的比率，可以独立于澄清段72A的横截面地控制澄清段72A中的流体流速。以足够低的比率，在相对小的澄清段72A中的流体流速可以被降低至如下程度：任意小的沉淀物粒子没有受到支撑来对抗重力，并且可以使得在澄清段中的平均停留时间任意长。因此，使用相对小的澄清段72A(例如，就横截面积和/或体积而言)可以实现可接受程度的溶质沉淀，并且与更大的澄清段72A相比，具有如下优点：降低了施工费用(例如，较小的澄清段将包含较小质量的废水，而因此可以由结实程度较低的升降支撑结构支撑)、降低的安装空间和降低的运输成本(例如，在运输异地制造的反应器罐方面难度降低)。

在一些实施方式中，歧管82或其它类型流量分配器位于反应段72C的顶部。在一些实施方式中，歧管82或其它类型的流量分配器定位为横跨沉降段72B和反应段72C的边界。在实施方式中，在流量分配器定位为横跨具有不同的横截面的相邻段的边界的情况下，在相邻段之间流量将不同。歧管82可以位于澄清段72A或定位为横跨澄清段72A和沉降段72B之间的边界。

在一些实施方式中，歧管82位于具有第一横截面的较低(上游)段和具有比第一横截面小的第二横截面的较高(下游)段之间的边界处。在一些这样的实施方式中，所述歧管的进口速率大于阈值F_R，其中F_R由如下公式定义，

$F_R=F_L(1-\frac{{\mathrm{\σ}}_H}{{\mathrm{\σ}}_L})$

其中，F_L为在较低段废水的流量，σ_L为第一横截面(较低段)的面积以及σ_H为第二横截面(较高段)的面积。将理解到在这样的实施方式中，减小较低段与较高段之间的导管横截面对流动流速的影响至少通过减小在较高段流量的影响来补偿。

图5为示意性地显示根据示例性实施方式的锥形流化床反应器90的图。反应器90包括锥形的反应器罐92、入口94和出口96。反应器90包括再循环路径100，所述再循环路径从位于任选的流量分配板104下方的水下进口堰102延伸至入口94上游的回路106。流量分配板104导致向上流动的流体至少部分地外周地(例如，径向向外地)转向堰102，它的嵴限定了端口。流量分配板104可以被穿孔(例如，流量分配板104可以包含滤网)。在一些实施方式中，流量分配板的向下的面向下倾斜(例如，向下的圆锥，向下的角锥体等)。在一些实施方式中，流量分配板的向上的面为向上的凸面(例如，向上的圆锥，向上的角锥体等)。

图6为示意性地显示根据示例性实施方式的锥形流化床反应器110的图。反应器110包括反应器罐112、入口114和出口116。反应器110包括再循环路径120，所述再循环路径从水下流槽阵列122延伸至入口114上游的回路126。如图6A所示，流槽阵列122包括多个径向设置的端口，即，流槽124。流槽阵列122将流动的流体跨过罐112的横截面抽吸至再循环路径120中。

通过在流槽阵列122处抽走再循环废水，在流槽阵列122上方的反应器罐112部分中的流体流量和流速基本不受在流槽阵列122下方的反应器112部分中的流体流量和流速的影响。通过降低在流槽阵列122上方的流量相对于流槽阵列122下方的流量的比率(例如通过增加再循环路径120的流量)，可以独立于反应器罐112的那部分的横截面地控制流槽阵列122上方的反应器罐112部分中的流体流速。以足够低的比率，在流槽阵列122上方的反应器罐112部分中的流体流速可以被降低至如下程度：任意小沉淀物粒子没有被支撑以对抗重力，并且可以使得废水在反应器罐112的那部分中的平均停留时间任意长。因此，使用相对小的反应器罐112(例如，就横截面积和/或体积而言)，反应器110可以实现可接受程度的溶质沉淀，且与更大的反应器罐112相比具有如下优点：降低了施工费用(例如，反应器罐将包含较小质量的废水，因此可以由结实程度较低的升降支撑结构支撑)、降低的安装空间和降低的运输成本(例如，在运输异地制造的反应器罐方面难度将低)。

图7为根据示例性实施方式的用于在反应器罐中从废水中沉淀溶质的方法130的流程图。在步骤140中，废水从反应器罐的入口或入口歧管流进反应器罐中。步骤140可以包括将供料废水引入至反应器罐(即，在步骤140中流至入口的废水可以包含供料废水)。

在步骤160中，从反应器罐的排出物出口的上游的反应器罐除去废水。在一些实施方式中，步骤160包括在反应器罐的供料入口上方的至少12至30英尺的垂直距离处除去废水。步骤160可以包括从反应器罐的多个不同的位置抽吸废水以除去。例如，步骤160可以包括用一个或多个流量分配器除去废水，所述流量分配器设置有端口，该端口设置为横跨反应器罐的横截面分配的不同位置抽吸废水。步骤160可以包括从反应器罐的横截面基本均匀地除去废水。在一些实施方式中，步骤160包括从其中废水流速基本相同的反应器罐的多个不同区域抽吸废水以除去。

步骤160可以包括节流、泵送或其它控制从反应器罐中除去废水的速率。在一些实施方式中，步骤160包括以正比于供料废水引入至反应器罐(例如在步骤140中)速率的速率除去废水。在一些实施方式中，步骤160包括以供料废水引入至反应器罐中的速率的3至300倍的速率除去废水。

在一些实施方式中，步骤160包括以这样的速率除去废水使得在除去用于再循环的废水的位置的紧上游再循环废水的流速在约50至200cm/min的范围内。例如，在其中除去用于再循环的废水的位置紧下方平均流体流速与其中除去用于再循环的废水的位置紧上方的平均流体流速的比率可以在大约4至300的范围内。

在步骤170中，将除去的废水再引入到在步骤160中除去废水处上游的反应器罐。步骤170可以包括在反应器罐入口处、反应器罐的入口的上游和/或反应器罐的入口的下游再引入除去的废水。在一些实施方式中，步骤170包括将除去的废水再引入到其中在步骤160中除去再循环废水处上游的多个不同的位置。步骤170可以包括使除去的废水与洗涤流体(例如非饮用水、无机酸或有机酸)，试剂(例如，Mg源，如Mg(OH)₂、MgCl₂、MgSO₄等；氨源，如氨气、无水氨、氢氧化铵、硫酸铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、多磷酸铵等和/或磷酸盐源，如磷酸三钠、磷酸、磷酸二氢铵、多磷酸铵、磷酸一氢铵等)混合。

一些实施方式包括任选的步骤150。在步骤150中，降低废水流向入口下游的流速。可以合并步骤140和步骤150。在其中方法130包括步骤150的实施方式中，步骤160可以包括除去具有低于在步骤170中再引入再循环废水的位置的废水的流速的流速的废水。步骤150可以包括使废水向入口下游流动经过横截面增大的反应器罐段，例如，连续变细或逐步变细的导管。在其中在废水中由沉淀的溶质形成粒子的情况下，降低向上流动的废水的流速可导致粒子沿着流速梯度分布。

在步骤180中，在步骤160中除去废水的位置(例如再循环进口)的下游的水向上流动。在步骤200中，在反应器罐的排出物出口处除去废水。步骤200可以包括以基本等于在步骤140中供料废水引入至反应器罐处速率的速率除去废水。在一些实施方式中，步骤200包括在步骤160中除去废水的位置上方至少30至150cm的垂直距离处除去废水。

一些实施方式包括任选的步骤190。在步骤190中，降低了废水向在步骤160中除去用于再循环废水的位置(例如再循环进口)下游流动的流速。可以合并步骤180和步骤190。在其中方法130包括步骤190的实施方式中，步骤200可以包括除去具有低于在步骤160中除去用于再循环废水的位置的废水的流速的流速的废水。步骤190可以包括使水向再循环进口下游流动经过具有大于在再循环进口处的反应器罐横截面的横截面的反应器罐段。

在一些实施方式中，步骤190包括降低废水的流速使得在步骤200中在排出物出口处除去废水的位置的上游(例如，在反应器罐的澄清段中)的废水的流速足够小以防止大于给定尺寸的粒子在排出物出口处排出反应器罐。

图8为示意性地显示根据示例性实施方式的锥形流化床反应器250的图。图8实施方式的反应器250通常类似于图3实施方式的反应器50，以及除了反应器250的部件的附图标记前面加上数字“2”之外，类似的附图标记用于表示类似的部件。反应器250与反应器50的区别在于反应器250的再循环路径260在与入口254分开的回路264处将水从进口262运载到反应器罐252中，其中入口254将供料258引入至罐252中。在示出的实施方式中，回路264位于入口254的下游。在其它实施方式中，回路264可以位于入口254的上游和/或入口254下方。在一些实施方式中，再循环路径在多个不同位置将再循环废水返回至反应器罐中。在一些实施方式中，多个再循环路径在单个位置将再循环废水返回至反应器罐中。在一些实施方式中，多个再循环路径在多个不同位置将再循环废水返回至反应器罐中。

图9为示意性地显示根据示例性实施方式的锥形流化床反应器300的图。反应器300包括逐步变细的反应器罐302。所述逐步变细的罐302定义了四个段：澄清段302A、沉降段302B、反应段302C和采集段302D。应该理解到指定至段302A-302D的名称仅用于阐述的目的，而不能解释成将任何段的功能限定为由其名称所指示或表示的功能，或者解释成从任何段的功能排除由任何其它段的名称所指示或表示的功能。澄清段302A的横截面大于沉降段302B的横截面。沉降段302B的横截面大于反应段302C的横截面。反应段302C的横截面大于采集段302D的横截面。

废水供料310是通过控制阀312提供至采集段302D的底部。废水向上流动经过罐302至位于澄清段302A的顶部的可调节的堰316。水溢流过可调节的堰316至排出物流槽318中。排出物流槽318的底板在堰316底部的下方，并倾斜以在连接至排出物管的流槽上的一个或多个位置收集排出物。在排出物管或漏斗320高度的上方的流槽318中的排出物被运离流槽318至排出物出口322。

废水再循环进口330位于沉降段302B的顶部与澄清段302A的底部之间的边界上。废水再循环进口330包括阀332，所述阀332可操作地控制废水流经进口330的流量。废水再循环进口330将再循环废水提供至再循环路径340中。再循环路径340将再循环废水再引入至再循环回路350处的采集段302D。泵送系统(未示出)使废水沿着再循环路径340移动。

析出段被连接至采集段302D。将来自流体源373的流体通过泵374输送至析出段302D。析出段302D包括节流阀372，节流阀372可操作地与泵374相连以控制在析出段302D中的流体流速。足够大的沉淀物粒子可以对抗流体流动地进入析出段302D。来自采集段302D的这样的沉淀物粒子(例如鸟粪石丸粒)可以沿着析出段302D流至阀378。可以使沉淀物粒子与少量的废水一起通过阀378排放用于排水和产品处理、存储或包装。

再循环路径在反应器的外部并不是强制的。在一些实施方式中，再循环路径的部分或全部位于反应器的体积内。图10为示意地表示锥形流化床反应器400的图，所述流化床反应器300具有从位于出口420下方的再循环歧管409延伸通过导流管型流动控制器406的内再循环路径。在示出的实施方式中，通过合适的马达(未示出)驱动位于导流管406中的叶轮或螺旋桨408以使流体向下流动经过导管406。通过控制器和/或可变挡板可以控制操作或螺旋桨408，或者可以在导管406中提供阀以对流体在导流管406中的再循环速率提供控制。再循环流体朝向反应器400的底部。在反应器400的底部，提供基本为圆锥形或曲线形流量分配器410以使再循环流体转向至反应器周边并向上。在一些实施方式中，流量分配器410为环形对称的(具有旋转的实体形式)。在示出的实施方式中，反应器400的底部411为基本平坦的并按级（on grade）支撑在典型的(例如混凝土)地基上，因此，显著地降低或减少对结构支撑部件的需求，以及与具有相同体积或容量的其它容器相比，减少了反应器400的总高度。

在这个实施方式中，供料废水和/或试剂可以被引导通过水平、垂直或倾斜的管道、设置的鼓风口或歧管以在靠近导流管的底部(或者在导流管排放部中或其下方)排放流体。可以设置流入通道以使供料水和试剂在进入在反应器的最底部的采集段414的产物丸粒床之前与再循环流混合。

示出的实施方式包括废水入口导管404，其在靠近导流管406的底部引入进来水。还示出了计量机构407，其设置为将试剂(例如，Mg源，如Mg(OH)₂、MgCl₂、MgSO₄等；氨源，如氨气、无水氨、氢氧化铵、硫酸铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、多磷酸铵等和/或磷酸盐源，如磷酸三钠、磷酸、磷酸二氢铵、多磷酸铵、磷酸一氢铵等)引入至进来废水和/或引入至导流管406中。这样的计量机构可以设置在本文中所述的任何实施方式中。

装配有导流管的流化床反应器可以用于控制反应过饱和，这是通过相对于其中废水和/或试剂引入至反应器中的速率控制通过导管的再循环流来进行的。从采集区414收集在反应器400中形成的鸟粪石、鸟粪石类似物或其它含磷的化合物的较大粒子。在示出的实施方式中，在析出段412中收集较大的粒子。

如在本文中所描述的装置可以与设计用于降低在装置表面形成污垢的可能性的操作方法一起构造和使用。饱和的CO₂溶液由于CO₂在降低压力或高湍流区域中脱气而趋向于pH提高。pH提高可以驱动导致设备结垢的结晶反应(例如鸟粪石形成)。在一些实施方式中，在易于结垢的区域的表面上涂布耐结垢涂料，例如Teflon　、Kynar　(PVDF)、Hylar或玻璃。低压区域趋向于出现在泵送元件的吸入侧的流量分配歧管中。湍流或反应器组件的级联也趋向于导致CO₂在例如溢流堰、重力抽吸管等区域脱除。在一些实施方式中，在一些区域的结垢通过如下方式控制：加入稀释水以使试剂浓度在升高pH时降低至饱和以下，和/或通过加入酸性物质以降低pH，和/或向溶液中加入CO₂。

术语解释

除非在上下中清楚地另有要求，在整个说明书和权利要求书中：

“包括”、“包含”等解释成包容的含义，与排它或穷举的含义相对；也就是说，具有如下意义“包括，但不限于”；

“连接”、“耦合”或其任何变形形式，表示两个或更多个元件之间或者直接或间接的任何连接或耦合；元件之间的耦合或连接可以为物理的、逻辑的或其组合。

“在本文中”、“上述”、“下面”和类似引用的单词，当用于描述本说明书时将表示说明书整体，而不是该说明书的任何特定的部分；

“或”在表示列举两个以上项目时涵盖了所有的下面单词的解释：在列举中的任何项目，在列举中的所有的项目，和在列举中的项目的所有组合；

单数形式“一个”、“一种”和“该”也包括任何合适的复数形式的含义。

在本说明书和在任何所附的权利要求中(其中存在的情况)使用的指示方向的单词，例如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“竖直”、“横跨”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下方”、“上方”、“下面”等取决于描述或示出的装置的具体方向。在本文中描述的主题可以假定为多种替换的方向。因此，这些方向术语并不是严格的限定，不能狭义地解释。

在参照部件(例如，罐、机构、泵、导管、组件、装置等)的情况下，除非特别指出，对所述部件(包括参考“装置”)的参考应该解释为包括起到与所述组件相同作用(即，也就说功能上等同)的任何组件的等价物,包括与起到在本发明中示出的示例性实施方式中的作用的公开的结构在结构上不等同的部件。

基于说明的目的，在本文中已经描述的系统、方法和装置的具体的实施例。这些仅为实例。在本文中提供的技术可以应用于除了在上述的示例性系统之外的系统。在本发明的实践范围内的许多变化、修改、添加、省略和置换都是可能的。本发明包括对于本领域的技术人员显而易见的描述的实施方式的变体，包括通过如下方式得到的变体：替换特征、要素和/或具有等同特征行为；组合并匹配来自不同实施方式的特征、要素和/或与行为；组合来自在本文中描述的实施方式的特征、要素和/或行为与其它技术的特征、要素和/或行为；和/或省略来自所描述的实施方式的组合特征、要素和/或行为。

尽管已经描述一系列的示例性的权利要求实施方式，本领域的技术人员将认识到某些修改、排列、添加和子组合。因此，只要合理地推断，在下文中引入的所附的权利要求解释为包括所有的这样的修改、排列、添加、省略和子组合。权利要求的范围不应该解释成受限于在实施例中提出的优选的实施方式，而是应该与说明书整体一致的最宽范围的解释提供。

Claims (32)

1.一种废水处理系统，其包括：

从第一横截面至小于所述第一横截面的第二横截面变细的反应器罐，所述第一横截面在所述第二横截面的上方；

入口，其用于使废水在所述第二横截面底部下方或接近所述第二横截面底部进入反应器罐中；

再循环路径，其被设置为从第一横截面下游的进口吸入废水，并将至少部分的除去的废水返回至进口上游的反应器罐；和

出口，用于使水从再循环路径进口下游的反应器罐排出。

2.根据权利要求1所述的废水处理系统，其进一步包括流量分配器，所述流量分配器配置为收集来自反应器罐的废水并将其输送至进口。

3.根据权利要求2所述的废水处理系统，其中，所述流量分配器配置为导致通过进口抽吸的废水从所述反应器罐的横截面基本均匀地被抽吸。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的废水处理系统，其中，所述流量分配器包括歧管。

5.根据权利要求2和3中任一项所述的废水处理系统，其中，所述流量分配器包括流槽。

6.根据权利要求2和3中任意一项所述的废水处理系统，其中，所述流量分配器包括水平的流量分配板和位于流量分配板正下方的水下堰，所述流量分配板配置为使废水外围地或同心地转向水下堰。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的废水处理系统，其中，所述反应器罐逐步变细以至少限定包括第一横截面的第一段和包括第二横截面的第二段，以及其中，所述流量分配器位于所述第一段的底部。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的废水处理系统，其中，所述反应器罐逐步变细以至少限定：包括第一横截面的第一段和包括第二横截面的第二段，以及其中，所述流量分配器位于所述第二段的顶部。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的废水处理系统，其中，所述反应器罐逐步变细以至少限定：包括第一横截面的第一段和包括第二横截面的第二段，以及其中，所述流量分配器定位为横跨所述第一段和第二段的边界。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的废水处理系统，其中，所述再循环路径包括设置在所述反应器罐中的导流管。

11.根据权利要求10所述的废水处理系统，其中，设置入口以将废水引入到导流管中。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的废水处理系统，其包括计量机构，连接它来混合试剂和进入的废水。

13.根据权利要求12所述的废水处理系统，其中所述试剂包括如下的一种或多种物质的源：镁离子和铵离子。

14.一种用于处理废水的方法，所述方法包括：

从反应器罐入口使废水向上流动经过反应器罐；

降低废水向入口下游流动的速度；

从所述反应器罐出口上游除去降低流速的废水；和

将除去的废水再引入至其中除去的废水被除去处上游的反应器罐。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：

在所述反应器罐的出口除去降低流速的废水。

16.根据权利要求14和15中任一项所述的方法，其中，从入口向上流动的废水包含来自供料的废水。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，降低废水从入口向下游流动的流速包括使所述废水流动经过横截面增大的导管。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，降低废水从入口向下游流动的流速包括使所述废水流动经过连续变细的导管。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，降低废水从入口向下游流动的流速包括使所述废水流动经过逐步变细的导管。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中，从所述反应器罐出口上游除去降低流速的废水包括除去具有基本恒定流速的降低流速的废水。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其中，将除去的废水再引入至其中再循环废水被除去处上游的反应器罐包括在反应器罐入口处再引入除去的废水。

22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其中，将除去的废水再引入至其中再循环废水被除去处上游的反应器罐包括使除去的废水与供料混合。

23.根据权利要求14至22中任一项所述的方法，其中，将除去的废水再引入至其中再循环废水被除去处上游的反应器罐包括在反应器罐入口下游再引入除去的废水。

24.根据权利要求14至23中任一项所述方法，其中，废水包含溶解的磷。

25.根据权利要求14至24中任一项所述方法，其中，废水包含作为磷酸盐的溶解的磷。

26.根据权利要求14至25中任一项所述的方法，其中，除去所述反应器罐出口上游的废水包括将所述废水抽吸至导流管中。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述入口位于导流管内，以及所述方法包括在使废水向上流动经过所述反应器罐之前允许废水与导流管中的流体混合。

28.根据权利要求27所述的方法，其包括使进入的废水与包含一种或多种Mg源和铵源的试剂混合。

29.根据权利要求1至13中任一项所述的装置用于从包含溶解的磷酸盐的废水中沉淀鸟粪石的用途。

30.根据权利要求14至28中任一项所述的方法用于从包含溶解的磷酸盐的废水中沉淀鸟粪石的用途。

31.包括在本文中公开的任何新颖的、创造性的特征，特征的组合或特征的子组合的装置。

32.包括在本文中描述的任何新颖的、创造性的步骤、行为、步骤和/或行为的组合或步骤和/或行为的子组合的方法。

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