CN103936132B - 一种镁矿渣填料床磷回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种镁矿渣填料床磷回收系统，包括进水区及与进水区联通的反应器，反应器为内外双筒结构，内筒顶部开口，反应器包括位于内筒的结晶反应和捕集区、位于内筒下方的晶体分离区、晶体沉淀区及位于外筒上方的出水区，其中结晶反应和捕集区、晶体分离区和晶体沉淀区自上而下布置，进水区与所述结晶反应和捕集区通过可拆卸管道联通；结晶反应和捕集区内填充镁矿渣颗粒形成镁矿渣颗粒填料层，镁矿渣填料层底部设有筛网及振荡底座。本发明可以不必加入化学药剂，回收成本低，摆脱了磷酸铵镁结晶法回收磷对含镁药剂的依赖，不会引发二次化学污染和产生固体废物，富集的磷酸铵镁和磷吸附饱和镁矿渣颗粒能直接用作肥料，经济高效地从污水中回收磷。

Description

一种镁矿渣填料床磷回收系统及方法

技术领域

本发明涉及环境工程水处理与资源回收领域，具体是一种镁矿渣填料床磷回收系统及方法。

背景技术

全球50-60％的磷矿石用作磷肥生产，然而具有经济价值的磷矿将在2030年消耗殆尽，磷资源短缺的趋势不可逆转。随着欧美生物燃料需求增加，大规模的生物质植被的种植与生产将进一步加剧磷短缺。与此同时，环境水体中80％的磷来源于污水排放，以2000年统计数据为例，我国污水排放的磷占当年磷矿开采量的30％以上。未加有效处置的磷排放不仅导致环境系统不堪重负，还造成严重资源流失。

磷酸铵镁(MAP，MgNH₄PO₄.6H₂O)结晶法是当前最具前途的污水氮磷去除和回收工艺。研究表明，人畜尿液、猪场废水、污泥厌氧消化液、污泥浓缩液、半导体废水添加MgCl₂等液体镁源后，高浓度NH₄ ⁺、PO₄ ^3-极易与Mg²⁺结合成磷酸铵镁沉淀，NH₄ ⁺和PO₄ ^3-去除率通常达90％以上。经过富集提纯的磷酸铵镁结晶是一种极好的缓释肥，1kg/天磷酸铵镁可满足2.6ha耕地的磷肥需求，相当于年施磷肥40kgP₂O₅/ha。

公开号为CN101602535A中国专利公开了一种磷回收结晶反应器及磷回收方法，采用内外双筒结构，包括曝气吹脱区、结晶反应区、沉淀分离区、高浓度污泥区以及缓冲区，通过曝气吹托的方式提高厌氧畜禽废水出水pH值，创造条件生成磷酸铵镁并自由沉降分离。该发明适用于厌氧高浓度含磷畜禽废水；较低的废水自有镁源限制了磷酸铵镁高效生成；磷酸铵镁晶体自由沉降，富集和分离慢。为提高磷酸铵镁生成和回收效率，公开号为CN201506739U的中国专利公开了一种填料床MAP氮磷回收反应器，包括立式罐体、外加镁投加管、混合搅拌池、絮凝沉淀池及网状弹性填料等，通过投加液体镁试剂提高镁源供给，利用网状弹性填料滞留和富集MAP晶体，人工敲打分离附着在弹性网状填料表面的磷酸铵镁晶体。该实用新型使用化学药剂镁源如MgCl₂，增加了磷回收成本，易造成水体二次污染；依靠人工敲打弹性塑料网、自结晶等方式分离磷酸铵镁结晶，效率较低。此外，公开号为CN102773084A的中国专利公开了一种去除废水中含磷物质化学吸附材料的制备方法，通过菱镁矿磨成粉，酸洗碱浸后沉淀，在2.0MPa～3.0MPa，温度为90℃-100℃条件下与聚合有机物和发泡剂等生成含镁离子的吸附材料，经磷酸浸泡后放入填料塔，与铵离子反应生成磷酸铵镁，该发明需高温高压、程序繁琐、化学药剂特别是有机溶剂和强酸使用量大，合成的吸附材料适用处理单一高浓度含磷溶液(1800mg/L-2500mg/L)，难以应用于含磷污水(磷浓度一般不足1mg/L)的磷回收。

因此，目前磷酸铵镁结晶法回收污水中的磷仍然存在一些不足之处：①依赖Mg(OH)₂、MgCl₂.6H₂O、MgSO₄、MgO、MgCO₃等化学药剂作为镁源，增加了磷回收成本，还易造成水体二次污染；②依靠金属网、自结晶或投加晶种等方式分离磷酸铵镁结晶，效率较低；③通过调整pH值、水体氮磷摩尔比等条件优化磷酸铵镁结晶过程，精细化操作难度较高；④磷酸铵镁结晶回收磷适用于高浓度磷浓缩液，应用于一般磷污染污水相对困难。

发明内容

本发明提供一种镁矿渣填料床磷回收系统及方法，可以不必加入化学药剂，回收成本低，摆脱了磷酸铵镁结晶法回收磷对含镁药剂的依赖，不会引发二次化学污染和产生固体废物，富集的磷酸铵镁和磷吸附饱和镁矿渣颗粒能直接用作肥料，经济高效地从污水中回收磷。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种镁矿渣填料床磷回收系统，包括进水区及与所述进水区联通的反应器，所述反应器为内外双筒结构，内筒顶部开口，所述反应器包括位于内筒的结晶反应和捕集区、位于内筒下方的晶体分离区、晶体沉淀区及位于外筒上方的出水区，其中结晶反应和捕集区、晶体分离区和晶体沉淀区自上而下布置，进水区与所述结晶反应和捕集区通过可拆卸管道联通；结晶反应和捕集区内填充镁矿渣颗粒形成镁矿渣颗粒填料层，镁矿渣填料层底部设有筛网及振荡底座。

如上所述的回收系统，镁矿渣颗粒填料层内均匀设置多根孔口朝下的开孔布水管，所述多根开孔布水管与可拆卸管道相连。

如上所述的回收系统，所述镁矿渣颗粒的粒径为5mm-10mm，筛网的孔径为2mm。

如上所述的回收系统，晶体沉淀区为圆锥型，底部设有电动排泥阀，用于排放磷酸铵镁晶体。

如上所述的回收系统，出水区设有集水槽及与集水槽连通的排水管，排水管上安装有磷浓度在线监测装置，在线监测装置用于根据实时监测的出水磷浓度，将出水排出或者将出水回流入进水区。

一种应用上述回收系统进行磷回收的方法，包括如下步骤：

进水步骤：污水经过所述进水区沉淀后进入所述结晶反应和捕集区，结晶反应和捕集区中填充镁矿渣颗粒形成镁矿渣颗粒填料层；

结晶和捕集步骤：进水区流入的NH₄ ⁺、PO₄ ^3-与Mg²⁺在结晶反应和捕集区与镁矿渣释出的Mg²⁺反应生成磷酸铵镁结晶生成磷酸铵镁晶体，利用镁矿渣填料颗粒间的孔隙进行滞留和捕集；

振荡分离步骤：当磷酸铵镁结晶反应和捕集达到饱和后，断开可拆卸管道，通过结晶反应和捕集区下方安装的振荡底座及筛网进行振荡分离，结晶反应和捕集区内生成和滞留的磷酸铵镁晶体经振荡后，从结晶反应和捕集区中脱离，透过筛网进入晶体分离区；

晶体沉淀步骤：晶体分离区下方的晶体沉淀区通过重力作用收集晶体分离区振荡分离后的磷酸铵镁结晶。

如上所述的回收方法，还包括晶体排放步骤：晶体沉淀区底部设置的电动排泥阀将收集的磷酸铵镁晶体进行排放。

如上所述的回收方法，还包括出水步骤：排水管上安装的磷浓度在线监测装置实时监测出水磷浓度，当出水磷浓度高于0.2mg/L时，将出水回流入进水区，进行磷酸铵镁再结晶和填料磷吸附，否则将出水经排水管排出。

如上所述的回收方法，所述进水区为方形浅池，所述进水区的水深不高于0.40m，流速低于0.02m/s。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

1.采用工业副产物镁矿渣为镁源，即达到了废物再利用目的，也摆脱了磷酸铵镁结晶法回收磷对含镁药剂的依赖；

2.与含镁药剂相比，镁矿渣价格低廉，降低了磷酸铵镁结晶磷回收的成本；与含镁药剂相比，不会引发二次化学污染。

3.填料床内的镁矿渣颗粒提供了充足的磷酸铵镁结晶的晶核，还利用自身孔隙捕集新生成的磷酸铵镁结晶，降低了磷酸铵镁结晶反应和捕集的难度。

4.镁矿渣含多种金属氧化物，具有良好磷吸附性能，适用于各种浓度含磷污水；除磷酸铵镁结晶外，磷吸附饱和的镁矿渣颗粒也可直接用作磷肥，系统无固体废物排放。

5.通过振荡分离富集在磷酸铵镁填料层中的晶体，简便高效，还能快速再生填料孔隙，为磷酸铵镁可持续结晶创造良好条件。

6.采用可拆卸管道将进水区与结晶反应和捕集区连接，系统启闭灵活，管理维护简单。

7.出水回流，通过不断循环将系统中的磷以磷酸铵镁结晶和磷饱和吸附镁矿渣形式分离，最大限度回收磷资源。

附图说明

图1是本发明镁矿渣填料床磷回收系统的俯视图；

图2是本发明镁矿渣填料床磷回收系统的剖面结构示意图。

图中：1—进水区，2—结晶反应和捕集区，3—晶体分离区，4—晶体沉淀区，5—出水区，6—进水管，7—电磁流量计，8—可拆卸管道，9—筛网，10—镁矿渣颗粒，11—开孔布水管，12—振荡底座，13—电动排泥阀，14—集水槽，15—排水管，16—磷浓度在线监测装置。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1及图2，为本发明镁矿渣填料床磷回收系统其中一个实施例，包括进水区1及反应器，所述反应器为内外双筒结构，内筒顶部开口，所述反应器包括位于内筒的结晶反应和捕集区2、位于内筒下方的晶体分离区3、晶体沉淀区4及位于外筒上方的出水区5，其中结晶反应和捕集区2、晶体分离区3和晶体沉淀区4自上而下布置，进水区1与所述结晶反应和捕集区2联通。结晶反应和捕集区2内填充镁矿渣颗粒10形成镁矿渣颗粒填料层。镁矿渣填料层底部设有筛网9。筛网9的作用一方面可以避免镁矿渣颗粒流失进入沉淀区，另一方面是为了分离磷酸铵镁结晶。筛网9下部安装有振荡底座12，与所述筛网9构成振荡筛，通过左右往复振荡将结晶反应和捕集区2中积聚的磷酸铵镁结晶分离。

所述进水区1可为方形浅池，用于预沉淀污水中悬浮物，减缓填料床堵塞，其进口设有进水管6，出口设有电磁流量计7，以调节控制进入结晶反应和捕集区2的含磷污水流量；进水区1底部的沉淀物定期进行人工清除。所述进水区1的水深不高于0.40m，流速低于0.02m/s。

进水区1与结晶反应和捕集区2用可拆卸管道8连接。当振荡分离磷酸铵镁结晶时，停止进水，断开进水区1与结晶反应和捕集区2；当磷酸铵镁结晶分离结束时，重新连接管道，继续进水。镁矿渣颗粒填料层内均匀设置多根孔口朝下的开孔布水管11，所述多根开孔布水管11与可拆卸管道8相连，均匀开孔能促使布水与镁矿渣填料充分和均匀接触，提高结晶生成效率。

所述内筒可为高密度聚乙烯塑料柱，底部均匀开孔，形成孔径为2mm的筛网9。结晶反应和捕集区2填充粒径为5mm-10mm的镁矿渣颗粒10形成镁矿渣颗粒填料层，通过镁矿渣不断释出的Mg²⁺提供磷酸铵镁结晶的镁源，进水区1流入的NH₄ ⁺、PO₄ ^3-与Mg²⁺在结晶反应和捕集区2与镁矿渣释出的Mg²⁺反应生成磷酸铵镁结晶生成磷酸铵镁晶体，利用镁矿渣填料颗粒间10的孔隙进行滞留和捕集。镁矿渣颗粒一方面充当晶核促进结晶生成，另一方面利用自身孔隙捕集磷酸铵镁结晶，实现结晶反应和捕集的协同。

当磷酸铵镁结晶反应和捕集达到饱和后，通过结晶反应和捕集区2下方安装振荡底座12及筛网9进行振荡分离。10次/分钟≤振荡频次≤20次/分钟，0.4m≤振幅≤0.6m。振荡一方面将积聚在结晶反应和捕集区2内的磷酸铵镁晶体分离；另一方面实现了镁矿渣颗粒孔隙再生，即结晶反应和捕集区2中的镁矿渣填料重新获得Mg2+释放和磷酸铵镁捕集能力，为后续磷酸铵镁结晶创造条件。

晶体分离区3位于结晶反应和捕集区2下方，间距为0.3-0.4m，结晶反应和捕集区2内生成和滞留的磷酸铵镁晶体经振荡后，逐渐从结晶反应和捕集区中脱离，透过筛网9进入晶体分离区3。晶体分离区3用于分离振荡后的磷酸铵镁晶体和镁矿渣细颗粒，同时避免水流扰动晶体沉淀区4的已沉淀晶体。

晶体沉淀区4可为圆锥型，通过重力作用收集晶体分离区3振荡分离后的磷酸铵镁结晶，底部设有电动排泥阀13，用于排放磷酸铵镁晶体。

出水区5设有集水槽14及与集水槽14连通的排水管15，用于将分离磷酸铵镁结晶后的水体排出；排水管15上还安装有磷浓度在线监测装置16，当出水磷浓度高于0.2mg/L时，将出水回流入进水区1，进行磷酸铵镁再结晶和填料磷吸附，否则将出水经排水管15排出。

系统设计水力停留时间为1天，当连续三天同一时间出水磷浓度监测结果相差小于5％时，更换结晶反应和捕集区2中的镁矿渣填料10；更换出的磷吸附饱和的镁矿渣用作磷肥或土壤改良剂。

本发明还提供一种应用上述系统进行磷回收的方法，包括如下步骤：

进水步骤：污水经过所述进水区1沉淀后进入所述结晶反应和捕集区2，结晶反应和捕集区2填充镁矿渣颗粒10形成镁矿渣颗粒填料层；

结晶和捕集步骤：进水区1流入的NH₄ ⁺、PO₄ ^3-与Mg²⁺在结晶反应和捕集区2与镁矿渣释出的Mg²⁺反应生成磷酸铵镁结晶生成磷酸铵镁晶体，利用镁矿渣填料颗粒10间的孔隙进行滞留和捕集；

振荡分离步骤：当磷酸铵镁结晶反应和捕集达到饱和后，通过结晶反应和捕集区2下方安装的振荡底座12及筛网9进行振荡分离，结晶反应和捕集区2内生成和滞留的磷酸铵镁晶体经振荡后，从结晶反应和捕集区中脱离，透过筛网9进入晶体分离区3；

晶体沉淀步骤：晶体分离区3下方的晶体沉淀区4通过重力作用收集晶体分离区3振荡分离后的磷酸铵镁结晶。

晶体排放步骤：晶体沉淀区4底部设置的电动排泥阀13将收集的磷酸铵镁晶体进行排放。

出水步骤：出水区5设置的集水槽14和排水管15将分离磷酸铵镁结晶后的水体排出。其中，排水管15上还安装有磷浓度在线监测装置16，当出水磷浓度高于0.2mg/L时，将出水回流入进水区1，进行磷酸铵镁再结晶和填料磷吸附，否则将出水经排水管15排出。

本发明摆脱传统磷酸铵镁结晶法对液体镁源的依赖，采用工业副产物镁矿渣为磷酸铵镁结晶这一固体镁源，充分利用填料结晶和磷吸附作用，最大限度将污水中的磷生成磷酸铵镁结晶或吸附于填料表面，并利用填料内孔隙不断截留和富集磷酸铵镁晶体；然后通过镁矿渣填料床的机械振荡，高效分离富集在镁矿渣颗粒孔隙中的磷酸铵镁，同时实现磷饱和镁矿渣再生，从而为磷酸铵镁结晶的持续生成提供可靠镁源。试验表明，该系统对长江科学院内化粪池清夜中磷的富集和回收效率达70％以上。与商业磷肥相比，在同等含磷量基础上，分离获得的磷酸铵镁结晶、以及磷吸附饱和的镁矿渣更能促进小白菜生长，相同培养期内，生物量提高6％-10％。这说明，富集磷酸铵镁和磷吸附饱和的镁矿渣颗粒可直接用作磷肥或土壤改良剂，达到利用工业固体废物高效从污水中回收磷的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种镁矿渣填料床磷回收系统，其特征在于：包括进水区(1)及与所述进水区(1)联通的反应器，所述反应器为内外双筒结构，内筒顶部开口，所述反应器包括位于内筒的结晶反应和捕集区(2)、位于内筒下方的晶体分离区(3)、晶体沉淀区(4)及位于外筒上方的出水区(5)，其中结晶反应和捕集区(2)、晶体分离区(3)和晶体沉淀区(4)自上而下布置，进水区(1)与所述结晶反应和捕集区(2)通过可拆卸管道(8)联通；结晶反应和捕集区(2)内填充镁矿渣颗粒(10)形成镁矿渣颗粒填料层，镁矿渣填料层底部设有筛网(9)及振荡底座(12)。

2.如权利要求1所述的镁矿渣填料床磷回收系统，其特征在于：镁矿渣颗粒填料层内均匀设置多根孔口朝下的开孔布水管(11)，所述多根开孔布水管(11)与可拆卸管道(8)相连。

3.如权利要求1所述的镁矿渣填料床磷回收系统，其特征在于：所述镁矿渣颗粒(10)的粒径为5mm-10mm，筛网(9)的孔径为2mm。

4.如权利要求1所述的镁矿渣填料床磷回收系统，其特征在于：晶体沉淀区(4)为圆锥型，底部设有电动排泥阀(13)，用于排放磷酸铵镁晶体。

5.如权利要求1所述的镁矿渣填料床磷回收系统，其特征在于：出水区(5)设有集水槽(14)及与集水槽(14)连通的排水管(15)，排水管(15)上安装有磷浓度在线监测装置(16)，在线监测装置(16)用于根据实时监测的出水磷浓度，将出水排出或者将出水回流入进水 区(1)。

6.一种应用权利要求1-5中任一所述系统进行磷回收的方法，其特征在于包括如下步骤：

进水步骤：污水经过所述进水区(1)沉淀后进入所述结晶反应和捕集区(2)，结晶反应和捕集区(2)中填充镁矿渣颗粒(10)形成镁矿渣颗粒填料层；

结晶和捕集步骤：进水区(1)流入的NH4+、PO43-与Mg2+在结晶反应和捕集区(2)与镁矿渣释出的Mg2+反应生成磷酸铵镁结晶生成磷酸铵镁晶体，利用镁矿渣填料颗粒(10)间的孔隙进行滞留和捕集；

振荡分离步骤：当磷酸铵镁结晶反应和捕集达到饱和后，断开可拆卸管道(8)，通过结晶反应和捕集区(2)下方安装的振荡底座(12)及筛网(9)进行振荡分离，结晶反应和捕集区(2)内生成和滞留的磷酸铵镁晶体经振荡后，从结晶反应和捕集区中脱离，透过筛网(9)进入晶体分离区(3)；

晶体沉淀步骤：晶体分离区(3)下方的晶体沉淀区(4)通过重力作用收集晶体分离区(3)振荡分离后的磷酸铵镁结晶。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于还包括：

晶体排放步骤：晶体沉淀区(41)底部设置的电动排泥阀(13)将收集的磷酸铵镁晶体进行排放。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于还包括：

出水步骤：排水管(15)上安装的磷浓度在线监测装置(16)实 时监测出水磷浓度，当出水磷浓度高于0.2mg/L时，将出水回流入进水区(1)，进行磷酸铵镁再结晶和填料磷吸附，否则将出水经排水管(15)排出。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述进水区(1)为方形浅池，所述进水区(1)的水深不高于0.40m，流速低于0.02m/s。