CN107244726A - 一种处理高氨氮废水的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种处理高氨氮废水的方法及系统，以厌氧发酵后含高氨氮出水作为进水水质、以磷酸盐和镁盐混合溶液作为辅助溶液，采取液‑液超重力反应器强化两种液相混合时的传质效果，利用反应‑沉降一体化超重力反应器在两液相反应同时于反应器底部收集结晶沉降的磷酸铵镁晶体，反应后的液相于反应器顶部溢流出水，磷酸铵镁晶体于反应器底部排出。

Description

一种处理高氨氮废水的方法及系统
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及到一种处理高氨氮废水的方法及系统，液-液超重力反应器将高氨氮废水与磷酸盐溶液、镁盐溶液混合后快速生成磷酸铵镁“鸟粪石”晶体，达到降低废水氨氮和回收氨氮再利用的一种方法。
背景技术
利用微生物对废水进行处理的方法，在我国已经发展近乎成熟。其中厌氧发酵是目前普遍应用的废水处理手段，但在处理过程中出水中氨氮含量非常高。由于水中含有少量的镁离子和磷酸根离子，故在输送过程中会在泵、管道等设备中产生磷酸铵镁沉淀附着在设备及管道上，对设备及管道造成很大的影响。生成的磷酸铵镁又称“鸟粪石”(MAP)，是一种白色的透明晶体，常温下在水中的溶度积为2.5×10-13，鸟粪石中含有氮磷两种营养元素，是一种非常高效的缓释肥料。因此，以鸟粪石沉淀形式既可回收厌氧发酵后出水中的氨氮，又能生产农用磷肥。目前已有许多关于鸟粪石沉淀的研究，但是普遍存在反应时间长、氨氮去除率低等问题，这些问题严重限制了厌氧发酵方法处理废水的工业化应用。为此，研究和开发方便、快速、高效的废水氨氮处理方法有利于应用微生物处理废水的研究和工程推广应用。
发明内容
本发明提出了一种废水氨氮处理方法及系统，目的是为了避免厌氧发酵后出水中高的氨氮与水中磷酸根离子、镁离子生成磷酸铵镁沉淀影响设备性能并且得到可二次利用的磷酸铵镁。
一种处理高氨氮废水的方法，在500至10000m·s-2的超重力离心水平下将氨氮浓度为500至3000mg·L-1的氨氮废水与沉淀剂溶液混合，反应形成六水合磷酸铵镁晶体沉淀；其中：所述沉淀剂为磷酸盐和镁盐，铵根离子、磷酸根离子、镁离子的摩尔浓度比为1:1.05:1.15；混合溶液的pH值范围为8.0-9.0；水力停留时间为5-10min；反应完成后所述氨氮废水中氨氮浓度降至约100mg·L-1以下。
优选的，所述超重力水平为500至2000m·s-2。
优选的，所述超重力水平为2000至5000m·s-2。
优选的，所述超重力水平为5000至10000m·s-2。
优选的，所述磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。
优选的，所述镁盐为氯化镁、硫酸镁或氢氧化镁中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。
优选的，所述方法还包括向反应混合溶液中添加表面活性剂的步骤，所述表面活性剂包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂或聚合物表面活性剂中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。
优选的，所述表面活性剂的添加量为反应混合溶液重量的0.5％-2％。
一种处理高氨氮废水的系统，应用于上述处理高氨氮废水的方法，包括氨氮废水槽，沉淀剂溶液槽，超重力反应器，第一液泵和第一进液管，第二液泵和第二进液管，控制第一水泵和第二水泵的流量控制器；其中：
超重力反应器内部包括丝网填料，下部加装固液沉降分离斗，第一水泵抽取氨氮废水，第二水泵抽取沉淀剂溶液通过进液口进入超重力反应器内部，在丝网填料表面进行反应产生六水合磷酸铵镁晶体，通过重力沉降至分离斗的下部并且通过固体排放口排出；反应液面没过丝网填料层后，通过超重力离心作用，液体在丝网填料层周边沿反应器器壁向上流动，通过液体溢流口排出。
优选的，所述处理高氨氮废水的系统还包括表面活性剂添加装置，所述表面活性剂添加装置连接沉淀剂溶液槽，或者直接连接超重力反应器。
优选的，所述超重力反应器内部提供500至10000m·s-2的超重力离心水平。
本发明的优势主要表现在：
(1)氨氮处理效率高，氨氮去除率高达98％，解决了厌氧发酵后高氨氮废水管路中生成磷酸铵镁沉淀影响设备的问题；
(2)实现了降低废水氨氮的同时生成“鸟粪石”并二次利用，生成的“鸟粪石”晶体颗粒长度均匀，重利用价值高；
(3)改造出一体化超重力反应器，混合、沉降及分离在同一设备中同时进行；
(4)工艺简单，操作方便，成本较低。
附图说明
图1是本发明所提供的处理高氨氮废水的系统的示意图。
图2是超重力反应器的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种处理高氨氮废水的方法及系统进行详细描述。
本发明的作用机理为：通过将进水中的氨根离子与辅助溶液中的镁离子和磷酸根离子按照等化学计量比结晶生成“鸟粪石”(六水合磷酸铵镁MAP)晶体，达到降低水中氨氮的效果，其形式可由一下方程式表示：
结晶后经重力作用实现固液分离的处理后的低氨氮废水与纳米级磷酸铵镁晶体。
本发明中提出的废水氨氮处理方法中使用超重力反应器(又称旋转填料床)，通过旋转产生的离心力实现超重力环境，利用高速旋转的填料产生强大的离心力，将通入反应器的液体在瞬间通过内部填料时被打碎成小液滴，液体在高分散、高混合、强湍流在填料表面相互接触、混合，极大地强化了传质效果。本发明为了使处理过程简便，对传统超重力反应器进行了改造，将以往的固液分离罐和真空抽滤器合并到超重力反应器中，即在反应器中同时进行了物料混合、反应、结晶和沉降的过程。
附图1是实施本发明的处理高氨氮废水的系统，高氨氮进水1被进水底泵2提升，辅助溶液3通过辅助溶液底泵4被吸出，两液体的流量由流量控制器5控制，在管路中混合后调整pH值8.8-9.0，混合管路与超重力反应器8的进液口6相连，进入超重力反应器8的混合液在丝网填料7的表面发生反应，生成的晶体通过超重力反应器底部的固液沉降分离斗9自然沉降，沉降后的固体通过固体排放口10被排出，处理后的液体不断积累，没过丝网填料层，由于超重力离心作用，液体在丝网填料层周边沿反应器器壁向上流动，通过超重力反应器上部的液体溢流口11排出。
上述处理高氨氮废水的系统还包括表面活性剂添加装置，所述表面活性剂添加装置连接沉淀剂溶液槽，或者直接连接超重力反应器。
在上述处理系统中，在500至10000m·s-2的超重力离心水平下将氨氮浓度为500至3000mg·L-1的氨氮废水与沉淀剂溶液混合反应形成六水合磷酸铵镁晶体沉淀；其中：所述沉淀剂为磷酸盐和镁盐，铵根离子、磷酸根离子、镁离子的摩尔浓度比为1:1.05:1.15；混合溶液的pH值范围为8.0-9.0；水力停留时间为5-10min；反应完成后所述氨氮废水中氨氮浓度降至约100mg·L-1以下。
超重力水平可以是500至2000m·s-2，2000至5000m·s-2或5000至10000m·s-2。
磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。镁盐为氯化镁、硫酸镁或氢氧化镁中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。
在使用的表面活性剂的条件下，表面活性剂包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂或聚合物表面活性剂中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。添加量为反应混合溶液重量的0.5％-2％。
如图2中所示，超重力反应器包括电磁组件2-1、轴承2-2、转轴2-3、第一液体出口2-4、液体分布器2-5、液体密封装置2-6、法兰盘2-7、第二液体出口2-8、固体出口2-9、固液分离斗2-10、液体进口2-11、填料2-12、转子2-13。
工作过程：含氨氮混合液通过泵由液体进口2-11进入到超重力反应器中部，加压提升至液体分布器2-5中，由液体分布器2-5将液体分布至外围填料2-12，混合液在填料2-12上发生表面化学反应生成磷酸铵镁晶体，反应器顶部电磁组件2-1、轴承2-2、转轴2-3带动转子2-13转动，液体在填料2-12中由离心力向外运动至填料2-12边缘，于下部固液分离斗2-10中发生固液沉降分离，固体由固体出口2-9排出，处理后的液体由顶部第一液体出口2-4排出。
加装固液分离斗特征参数：分离斗顶部尺寸与超重力反应器罐底尺寸相等，倾斜45°安装；连接方式为法兰连接，法兰盘间密封方式为丁腈橡胶密封圈密封，密封强度符合水压校核；分离斗壁面材质为Q235-A普通碳素钢，厚度5mm，内壁采用一步浸泡法处理或刷涂树脂类表面疏水涂层，防止沉降后的磷酸铵镁晶体生长附着在壁面；
例如，含氨氮废水的混合液进液流量为9.5L/min，氨氮含量为1950mg/L，混合液从进液口进入超重力反应器内的液体分布器，在压差作用下，扩散进入丝网填料，旋转填料转速调至2000rpm，相对离心力600m·s-2。混合溶液中铵根离子、磷酸根离子、镁离子的摩尔浓度比为1:1.05:1.15，反应温度为20℃，压力为1atm，其结果为，稳定连续反应，出水残留氨氮浓度34mg/L，氨氮去除率98.3％，磷酸铵镁晶型沉淀为明显斜方结构，排列规则。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种处理高氨氮废水的方法，其特征在于，在500至10000m·s-2的超重力离心水平下将氨氮浓度为500至3000mg·L-1的废水与沉淀剂溶液混合，反应形成六水合磷酸铵镁晶体沉淀；其中：所述沉淀剂为磷酸盐和镁盐，铵根离子、磷酸根离子、镁离子的摩尔浓度比为1:1.05:1.15；混合溶液的pH值范围为8.0-9.0，水力停留时间为5-10min；反应完成后所述氨氮废水中氨氮浓度降至约100mg·L-1以下。
2.根据权利要求1所述的处理高氨氮废水的方法，其特征在于，所述超重力水平为500至2000m·s-2。
3.根据权利要求1所述的处理高氨氮废水的方法，其特征在于，所述超重力水平为2000至5000m·s-2。
4.根据权利要求1所述的处理高氨氮废水的方法，其特征在于，所述超重力水平为5000至10000m·s-2。
5.根据权利要求1至4中任意一条所述的处理高氨氮废水的方法，其特征在于，所述磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。
6.根据权利要求5述的处理高氨氮废水的方法，其特征在于，所述镁盐为氯化镁、硫酸镁或氢氧化镁中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物。
7.根据权利要求6所述的处理高氨氮废水的方法，其特征在于，所述权利要求1方法还包括向反应混合溶液中添加表面活性剂的步骤，所述表面活性剂包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂或聚合物表面活性剂中的任意一种，或是以上物质中任意两种或三种的混合物；所述表面活性剂的添加量为反应混合溶液重量的0.5％-2％。
8.一种处理高氨氮废水的系统，其特征在于，用于权利要求1或7所述的处理高氨氮废水的方法，包括氨氮废水槽，沉淀剂溶液槽，超重力反应器，第一液泵和第一进液管，第二液泵和第二进液管，控制第一水泵和第二水泵的流量控制器；其中：
超重力反应器内部包括丝网填料，下部加装固液沉降分离斗，第一水泵抽取氨氮废水，第二水泵抽取沉淀剂溶液通过进液口进入超重力反应器内部，在丝网填料表面进行反应产生六水合磷酸铵镁晶体，通过重力沉降至分离斗的下部并且通过固体排放口排出；反应液面没过丝网填料层后，通过超重力离心作用，液体在丝网填料层周边沿反应器器壁向上流动，通过液体溢流口排出。
9.根据权利要求8所述的处理高氨氮废水的系统，其特征在于，所述处理高氨氮废水的系统还包括表面活性剂添加装置，所述表面活性剂添加装置连接沉淀剂溶液槽，或者直接连接超重力反应器。
10.根据权利要求8或9所述的处理高氨氮废水的系统，其特征在于，所述超重力反应器内部提供500至10000m·s-2的超重力离心水平。
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