CN104478121A - 一种螺旋流除磷反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种螺旋流除磷反应器，包括由下至上设置的待反冲洗区、气提上升区、出水区、过滤区、进水区、反冲洗区、固液分离区；待反冲洗区包括倒台体，倒台体下方设有放空管；气提上升区包括气提管，气提管下端设有气提进气管；出水区包括滤后水收集管，滤后水收集管同轴设于气提管外部；过滤区包括下柱体，下柱体同轴设于滤后水收集管外部；进水区包括进水管，进水管与下柱体上端连接；反冲洗区包括反冲洗空气管，反冲洗空气管与气提管上端连接，高效脱膜管与气提管顶部连接；固液分离区包括上柱体，上柱体与下柱体顶部连接。本发明运行连续、趋于平推流态、死区面积小、过滤与反冲洗效率高，结构合理简洁，加工方便，便于推广应用。

Description

一种螺旋流除磷反应器
技术领域
本发明属废水处理技术领域，特别是涉及一种螺旋流除磷反应器。
背景技术
环境污染和资源短缺是当今世界面临的两大难题。化工厂、养殖场、洗衣房等都会产生大量的含磷废水，如果不加处理直接排放，会使水体富营养化，造成水体污染，继而引发严重的生态问题，如水体富营养化等。而另一方面，磷又是作物生长和化工产品的必要元素，不仅可以作为缓释肥料用于农业生产和花卉种植，甚至还可以制成清洁剂、化妆品。一般的生物除磷方法，受溶解氧、温度、水力冲击负荷、操作条件等的影响很大，除磷效果也不稳定。
目前常用的化学除磷有鸟粪石结晶沉淀法和钙法除磷等。鸟粪石结晶沉淀法是目前处理含磷废水效果较好也较成熟的方法之一，它的基本原理是通过向废水中投加镁盐，使Mg2+与废水中的NH4 +、PO4 3-发生化学反应，生成复盐(MgNH4PO4·6H2O)晶体沉淀，其化学反应方程式为：
Mg2++NH4 ++PO4 3-+6H2O→MgNH4PO4·6H2O   (1)
通过结晶过滤将废水中的NH4 +、PO4 3-去除，同时回收MgNH4PO4·6H2O晶体，变废为宝。该方法除磷高效、完全，产物MgNH4PO4·6H2O可作为复合肥料用于农田或绿化，具有较高的经济和社会价值。
钙法除磷的基本原理是通过投加石灰，使废水中的磷酸氢根离子与钙离子反应，生成羟基磷酸钙沉淀，其化学反应方程式为：
5Ca2++4OH-+3HPO4 2-→Ca5(OH)(PO4)3+3H2O   (2)
研究表明，反应体系的pH值越高，磷的去除率越高。
上述常用化学除磷方法的共同点是利用镁盐或钙盐与磷酸根发生反应形成磷酸盐沉淀，均匀附着在颗粒上形成结晶体，从而达到除磷目的。
对于普通的结晶过滤技术，由于其分为过滤和反冲洗两个独立的操作过程，当滤料层过滤通道被阻塞时，过滤过程不得不停止，进行反冲洗，因此工作效率受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种运行连续、趋于平推流态、死区面积小，集废水中磷的去除与鸟粪石回收于一体，结构合理简洁，加工方便，便于推广应用的螺旋流除磷反应器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：包括由下至上设置的待反冲洗区、气提上升区、出水区、过滤区、进水区、反冲洗区、固液分离区；
待反冲洗区包括倒台体，倒台体下方中心设有放空管，倒台体外侧设有支脚；
气提上升区包括气提管，气提管下端侧面设有气提进气管；
出水区包括滤后水收集管，滤后水收集管同轴设于气提管外部，滤后水收集管顶部设有出水管；
过滤区包括下柱体，下柱体底部与倒台体连接，下柱体同轴设于滤后水收集管外部，下柱体与滤后水收集管之间设有滤料和螺旋导流板，滤料高度不高于滤料高位线；
进水区包括进水管，进水管与下柱体上端连接，加药管连接进水管，加药管与进水管连接处至下柱体之间的管路内设有管道混合器；
反冲洗区包括反冲洗空气管，反冲洗空气管与气提管上端侧面连接，高效脱膜管与气提管顶部连接；
滤料高位线位于出水管之上、反冲洗空气管之下、进水管之下；
固液分离区包括上柱体，上柱体与下柱体顶部连接，上柱体与下柱体连接处设有滤料回流管，上柱体内设有锯齿形溢流堰，锯齿形溢流堰位于高效脱膜管上方，上柱体上端侧面连接反冲洗废水排出管，反冲洗废水排出管位于锯齿形溢流堰上方。
优选地，所述气提管底部设有喇叭口，且喇叭口底面与所述待反冲洗区的底面平行，两底面间的距离为5～8cm。
优选地，所述滤后水收集管底部设有喇叭口，且喇叭口底面与所述待反冲洗区的底面平行，两底面间的距离为7～10cm。
优选地，所述气提管与滤后水收集管的管径比为1∶3～1∶6。
优选地，所述下柱体高径比为3∶1～5∶1，所述上柱体高径比为1∶1～3∶2。
优选地，所述滤料为均匀级配的粗砂滤料，滤料粒径d10为0.9～1.2mm，不均匀系数K80＜1.4。
优选地，所述螺旋导流板高径比为4∶1～6∶1。
优选地，所述高效脱膜管由三个台体串联组成，从下至上三个台体的高度比为2∶2∶1。
优选地，所述高效脱膜管的上表面与锯齿形溢流堰之间的距离为15～20cm。
优选地，所述滤料回流管管径大小为25～50mm。
本发明的开发集成了平推流理论、旋流理论和离心分离技术，在过滤区，采用的螺旋导流板，强化了滤料和废水的平推流流态，减少了死区，提高了反应器效能；在反冲洗区，由于曝气和水流的旋流作用，滤料颗粒相互碰撞、摩擦，并受到空气气泡上升时的冲刷作用，使粘附在滤料表面上的鸟粪石晶体得以剥离；在固液分离区，由于环流产生的离心力，把相对密度较大的滤料颗粒甩向外层并下沉，相对密度较轻的鸟粪石晶体则在旋至分离区中心部位随水溢流带走。同时，本发明的开发结合了直接过滤理论，本发明的进水不经沉淀或澄清处理直接进入滤料层，滤料同时发挥絮凝和过滤截留作用，鸟粪石晶体容易迁移到滤料层深部，有助于提高整个滤料层的含污能力。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)废水过滤与滤料反冲洗同时进行，保证了运行的连续性，提高了过滤效率；
2)气提管与滤后水收集管底部喇叭口具有布水均匀、不易堵塞、易维护等综合性能；
3)过滤区采用螺旋导流板，强化了平推流态，避免了短流，减少了死区；
4)过滤区采用螺旋导流板，有效调节了滤料在竖直方向上的作用力，使滤料均匀、平稳的进入待反冲洗区；
5)采用均质滤料，滤料采取循环形式，使反冲洗过后的洁净滤料位于滤料层的最上部，充分发挥滤料的截留杂质能力，增强过滤效果；
6)滤料含污量从上到下逐渐增加，含污量最大的滤料最先到达待反冲洗区，最先得到反冲洗，提高了反冲洗效率；
7)待反冲洗滤料的提升采用气提技术，具有结构简单、易于控制、能耗较低等优势；
8)高效脱膜管采用多台体组合串联结构，强化了旋流、撞击流的形成，提高了对滤料的反冲洗效果；
9)固液分离区设置的反冲洗废水排出管，可用来收集具有经济价值的鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)等溶液，便于后续处理利用。
附图说明
图1为本发明提供的螺旋流除磷反应器示意图；
其中：
I-待反冲洗区；II-出水区；III-过滤区；IV-进水区；V-固液分离区；VI-反冲洗区；VII-气提上升区；
1-支脚；2-下柱体；3-滤料；4-管道混合器；5-进水管；6-加药管；7-滤料回流管；8-高效脱膜管；9-锯齿形溢流堰；10-反冲洗废水排出管；11-上柱体；12-反冲洗空气管；13-滤料高位线；14-出水管；15-螺旋导流板；16-气提管；17-滤后水收集管；18-气提进气管；19-倒台体；20-放空管。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1为本发明提供的螺旋流除磷反应器示意图，所述的螺旋流除磷反应器由下至上分别为待反冲洗区I、气提上升区VII、出水区II、过滤区III、进水区IV、反冲洗区VI、固液分离区V。
待反冲洗区I包括倒台体19，倒台体19下方中心设有放空管20，外侧设有支脚1。
气提上升区VII包括气提管16，气提管16底部设有喇叭口，且喇叭口底面与待反冲洗区I的底面平行，两底面间的距离为5～8cm。气提管16下端侧面设有气提进气管18。
出水区II包括滤后水收集管17，滤后水收集管17同轴设于气提管16外部，气提管16与滤后水收集管17的管径比为1∶3～1∶6，滤后水收集管17底部也设有喇叭口，且喇叭口底面与待反冲洗区I的底面平行，两底面间的距离为7～10cm。滤后水收集管17顶部设有出水管14。
过滤区III包括下柱体2，下柱体2底部与倒台体19连接，下柱体2同轴设于滤后水收集管17外部，下柱体2与滤后水收集管17之间设有滤料3和螺旋导流板15，螺旋导流板15高径比为4∶1～6∶1。滤料3高度不应高于滤料高位线13。下柱体2高径比为3∶1～5∶1。滤料3为均匀级配的粗砂滤料，滤料粒径d10为0.9～1.2mm，不均匀系数K80＜1.4。
进水区IV包括进水管5、加药管6、管道混合器4，进水管5与下柱体2上端连接，加药管6连接进水管5，加药管6与进水管5连接处至下柱体2之间的管路内设有管道混合器4。
反冲洗区VI包括反冲洗空气管12、高效脱膜管8，反冲洗空气管12与气提管16上端侧面连接，高效脱膜管8与气提管16顶部连接。高效脱膜管8由三个台体串联组成，从下至上三个台体的高度比为2∶2∶1。
滤料高位线13位于出水管14之上、反冲洗空气管12之下、进水管5之下。
固液分离区V包括上柱体11，上柱体11与下柱体2顶部连接，上柱体11与下柱体2连接处设有滤料回流管7，上柱体11内设有锯齿形溢流堰9，锯齿形溢流堰9位于高效脱膜管8上方，高效脱膜管8的上表面与锯齿形溢流堰9之间的距离为15～20cm。上柱体11上端侧面连接反冲洗废水排出管10，反冲洗废水排出管10位于锯齿形溢流堰9上方。上柱体11高径比为1∶1～3∶2，滤料回流管7管径大小为25～50mm。
本发明提供的螺旋流除磷反应器运行方式如下：
含磷废水在进水区IV中，经进水管5与经加药管6进入的镁盐在管道混合器4混合反应，生成鸟粪石晶体(MgNH4PO4·6H2O)后，进入过滤区III，在螺旋导流板15的导流作用下，以平推流的流态通过滤料3进行过滤处理，滤后水在出水区II中，通过滤后水收集管17收集，最后由出水管14引导流出；截留了鸟粪石晶体的滤料在螺旋导流板15的引导下，由于重力作用，进入待反冲洗区I，然后在气体上升区VII中，经气提管16的气提作用，进入反冲洗区VI；粘附有鸟粪石晶体的滤料在高效脱膜管8形成的旋流、撞击流和气水联合反冲洗的作用下，鸟粪石晶体被洗脱下来，反冲洗后的干净滤料与含鸟粪石的溶液进入固液分离区V；在沉淀分离V中，由于环流产生的离心力，把相对密度较大的滤料颗粒甩向外层并下沉，通过滤料回流管7，返回到过滤区III，相对密度较轻的含鸟粪石晶体的反冲洗废水则在旋至分离区中心部位至锯齿形溢流堰9溢流，通过反冲洗废水排出管10排出。
本发明的开发集成了平推流理论、旋流理论和离心分离技术，在过滤区，采用的螺旋导流板，强化了滤料和废水的平推流流态，减少了死区，提高了反应器效能；在反冲洗区，由于曝气和水流的旋流作用，滤料颗粒相互碰撞、摩擦，并受到空气气泡上升时的冲刷作用，使粘附在滤料表面上的鸟粪石晶体得以剥离；在固液分离区，由于环流产生的离心力，把相对密度较大的滤料颗粒甩向外层并下沉，相对密度较轻的鸟粪石晶体则在旋至分离区中心部位随水溢流带走。同时，本发明的开发结合了直接过滤理论，本发明的进水不经沉淀或澄清处理直接进入滤料层，滤料同时发挥絮凝和过滤截留作用，鸟粪石晶体容易迁移到滤料层深部，有助于提高整个滤料层的含污能力。
过滤区利用螺旋导流板对废水和滤料进行引导，使整个过滤器呈现平推流流态，减少死区，既充分发挥了滤料的截留杂质能力，又防止了滤料的堵塞。
高效脱膜管采用多台体组合串联的结构，强化了旋流、撞击流的形成，增强了滤料间的碰撞、摩擦，提高了反冲洗效果。
固液分离区利用环流产生的离心力和滤料与鸟粪石溶液间的密度差，实现相对密度大的滤料被甩向外层并下沉、回流过滤区，相对密度轻的鸟粪石溶液旋至中心溢流堰，通过反冲洗废水排出管排出，具有分离效果好，结构简单等优点。
本发明一种螺旋流除磷反应器，采用连续运行方式，避免了反冲洗时段过滤必须停止的影响，提高了耐水力冲击能力和处理效率。

Claims (10)

1.一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：包括由下至上设置的待反冲洗区(I)、气提上升区(VII)、出水区(II)、过滤区(III)、进水区(IV)、反冲洗区(VI)、固液分离区(V)；
待反冲洗区(I)包括倒台体(19)，倒台体(19)下方中心设有放空管(20)，倒台体(19)外侧设有支脚(1)；
气提上升区(VII)包括气提管(16)，气提管(16)下端侧面设有气提进气管(18)；
出水区(II)包括滤后水收集管(17)，滤后水收集管(17)同轴设于气提管(16)外部，滤后水收集管(17)顶部设有出水管(14)；
过滤区(III)包括下柱体(2)，下柱体(2)底部与倒台体(19)连接，下柱体(2)同轴设于滤后水收集管(17)外部，下柱体(2)与滤后水收集管(17)之间设有滤料(3)和螺旋导流板(15)，滤料(3)高度不高于滤料高位线(13)；
进水区(IV)包括进水管(5)，进水管(5)与下柱体(2)上端连接，加药管(6)连接进水管(5)，加药管(6)与进水管(5)连接处至下柱体(2)之间的管路内设有管道混合器(4)；
反冲洗区(VI)包括反冲洗空气管(12)，反冲洗空气管(12)与气提管(16)上端侧面连接，高效脱膜管(8)与气提管(16)顶部连接；
滤料高位线(13)位于出水管(14)之上、反冲洗空气管(12)之下、进水管(5)之下；
固液分离区(V)包括上柱体(11)，上柱体(11)与下柱体(2)顶部连接，上柱体(11)与下柱体(2)连接处设有滤料回流管(7)，上柱体(11)内设有锯齿形溢流堰(9)，锯齿形溢流堰(9)位于高效脱膜管(8)上方，上柱体(11)上端侧面连接反冲洗废水排出管(10)，反冲洗废水排出管(10)位于锯齿形溢流堰(9)上方。
2.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述气提管(16)底部设有喇叭口，且喇叭口底面与所述待反冲洗区(I)的底面平行，两底面间的距离为5～8cm。
3.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述滤后水收集管(17)底部设有喇叭口，且喇叭口底面与所述待反冲洗区(I)的底面平行，两底面间的距离为7～10cm。
4.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述气提管(16)与滤后水收集管(17)的管径比为1∶3～1∶6。
5.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述下柱体(2)高径比为3∶1～5∶1，所述上柱体(11)高径比为1∶1～3∶2。
6.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述滤料(3)为均匀级配的粗砂滤料，滤料粒径d10为0.9～1.2mm，不均匀系数K80＜1.4。
7.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述螺旋导流板(15)高径比为4∶1～6∶1。
8.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述高效脱膜管(8)由三个台体串联组成，从下至上三个台体的高度比为2∶2∶1。
9.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述高效脱膜管(8)的上表面与锯齿形溢流堰(9)之间的距离为15～20cm。
10.如权利要求1所述的一种螺旋流除磷反应器，其特征在于：所述滤料回流管(7)管径大小为25～50mm。
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