CN107445266A - 一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置。它具有反应器主体和沉淀区，反应器主体自下而上包括结晶生成区和流化层两部分，结晶生成区下部设有曝气口，曝气口上方为进水口。流化层与沉淀区之间通过导流管联通，沉淀区底部通过回流管连接结晶生成区底部。沉淀区中下部设有水平隔板，沉淀区右上方设有溢流堰。本发明的优点有：(1)装置可实现强化气液流化，促进鸟粪石晶体形成与结晶长大；最终实现鸟粪石晶体颗粒化，提高鸟粪石晶体的沉降性能，减少出水中的悬浮物浓度，确保出水澄清；(2)强化循环可增强装置内的传质效果，提高反应效率，强化废水脱氮除磷效果，实现从废水中高效回收氮磷；(3)可便捷回收大颗粒鸟粪石。

Description

一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置
技术领域
本发明涉及废水脱氮除磷领域，特别涉及一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置。
背景技术
“十二五”期间，化学需氧量排放得到有效控制，氨氮上升为地表水的主要污染物，全国地表水氨氮超标现象普遍存在，所致的水体富营养化十分严重，严重危及居民的身心健康和社会稳定。我国已将氨氮纳入“十三五”污染物总量控制体系。同时，磷作为一种不可再生、不可替代的资源目前存在着磷矿资源匮乏与水环境中磷含量超标导致水体富营养化的矛盾。因此水体氮磷污染控制已成为当前亟待解决的重大环保课题。
磷酸铵镁(鸟粪石)结晶法是从废水中回收氮磷元素的新方法，其基本反应过程为溶液中的铵根、镁离子、磷酸根相结合形成磷酸铵镁沉淀(式1)
NH4 ++PO4 3-+Mg2+＝MgNH4PO4↓ (式1)
鸟粪石法脱氮除磷技术具有反应速度快，氮磷去除率高，工艺简单等特点，并且生成的产物是一种高纯度、无副作用的缓释肥，具有良好的经济效益。
但是，目前的鸟粪石结晶技术生成的磷酸铵镁多为粉末状，颗粒很小，沉降性能不佳，容易随水流失，不仅降低了回收效率，也容易导致出水水质不达标。本反应器利用初期生成的晶体在循环条件下可与混合液长时间接触的特点，提供了晶体粒径增大的可能，提高了鸟粪石晶体的回收效率，稳定了污染物去除率和出水水质。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，包括竖直设置的反应器主体和沉淀区，反应器主体的下部为结晶生成区，上部为流化层，结晶生成区和流化层之间通过呈上宽下窄的漏斗状的第一渐扩管连接；结晶生成区设有与氮磷进水管相连的氮磷进水口、与镁离子进水管相连的镁离子进水口，与气泵相连的曝气口和用于增大湍流度的文丘里管；流化层顶部设有pH调节管和出气管，所述的沉淀区设置于反应器主体外部一侧并通过导流管连接反应器主体的流化层，沉淀区下部设有占沉淀区横截面积一半的水平隔板，水平隔板的上方设有溢流堰和出水口，沉淀区在未设半圆形隔板的位置设置回流管，回流管的一端管口与出水口以沉淀区的轴线对称设置且在水平方向上低于出水口，另一端与反应器主体底端呈上宽下窄的漏斗状的第二渐扩管相连；导流管在沉淀区的出口低于回流管在沉淀区的管口和水平隔板所在位置。
所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，所述的结晶生成区为圆筒形，径高比为1:6～1:8，结晶生成区下部设有文丘里管，氮磷进水口和镁离子进水口分别紧邻文丘里管的下端和上端设置且关于结晶生成区的轴线对称，曝气口位于氮磷进水口下方，气流速度为16L/min～40L/min。
所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，所述的文丘里管总长与反应器本体长度之比为8:1～12:1，内径与结晶生成区内径之比为1:1.8～1:2.2。
所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，所述的沉淀区的下部设有倒锥形区域，回流管在沉淀区的管口位于倒锥形区域上方，水平隔板设置于倒锥形区域的顶部，隔板上均匀分布有直径2mm的圆孔。
所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，结晶生成区与沉淀区之间的回流管上还设有回流泵，沉淀区流回反应器主体的水量和反应器进水水量之比为500～2000:1。
所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，所述的溢流堰包括相错设置的第一隔板和第二隔板，第一隔板靠近沉淀区的轴线设置且上缘与出水口平齐，第二隔板靠近沉淀区侧壁设置且上缘与沉淀区上缘平齐，第一隔板和第二隔板的长度相同且为沉淀区总高度的1/3-1/2，第一隔板与沉淀区的轴线的距离为沉淀区半径的1/3-1/2，两隔板间距为沉淀区半径的1/4-1/3。
所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，反应器主体的顶部还设有与pH调节管连接的pH调节口和与出气管连接的出气口。
本发明的优点是：1)所设置的反应器主体具有较高的高径比，可保证在反应过程中鸟粪石晶核与溶液中各组元的充分接触，延长接触反应时间。2)两个进水管交错设置，并且中间以文丘里管相连，充分保证了反应物在进入反应器后的混合程度，尽量避免因反应初期溶质分布不均导致的纯度降低现象。3)进水管之间设有曝气口，与两进水方向呈垂直分布，适当的曝气不仅可以强化反应器上方的流化现象，提高结晶生长效率，也能提高整个反应体系pH值，降低运行成本。4)pH调节管位于反应器主体上方，保障整个反应器中溶液pH值处在8.6～9.0，减少杂质的生成。5)沉淀区半圆形水平隔板起到降低水流扰动并且收集结晶颗粒的作用，循环过程中的气泡会集中从左侧上浮至空气中而不会对右侧的沉降造成影响。6)出水区采用溢流堰，双层平行隔板可以有效降低左侧回流液形成的扰动，有效降低随出水流失的鸟粪石数量，保障鸟粪石回收效率和出水水质。7)外循环系统充分延长了整个体系的接触反应时间，并且回流的鸟粪石结晶可以作为新反应中的晶核，提高反应效率。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中A-A’向剖视图，即结晶生成区的横截面图，其中R1为文丘里管的半径，R2为结晶生成区的半径，R3为流化层的半径；
图3为图1中B-B’向剖视图，即沉淀区的横截面图；
图4为气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置运行过程的出水pH值变化；
图5为气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置运行过程的污染物去除率变化示意图，其中(a)为氨氮污染物去除率，(b)为磷酸盐污染物去除率；
图6为从本反应器收集到的鸟粪石晶体图片。
其中，氮磷进水口1、镁离子进水口2、曝气口3、文丘里管4、结晶生成区5，流化层6、pH调节管7、出气管8、导流管9、沉淀区10、水平隔板11、溢流堰第一隔板12、溢流堰第二隔板13、出水口14、回流管15、回流泵16。
具体实施方式
如附图1所示，本实施例包括竖直设置的反应器主体和沉淀区，反应器主体的下部为结晶生成区，上部为流化层，结晶生成区和流化层之间通过呈上宽下窄的漏斗状的第一渐扩管连接；结晶生成区设有与氮磷进水管相连的氮磷进水口、与镁离子进水管相连的镁离子进水口，与气泵相连的曝气口和用于增大湍流度的文丘里管；流化层顶部设有pH调节管和出气管，沉淀区设置于反应器主体外部一侧并通过导流管连接反应器主体的流化层，沉淀区下部设有占沉淀区横截面积一半的水平隔板，水平隔板的上方设有溢流堰和出水口，沉淀区在未设半圆形隔板的位置设置回流管，回流管的一端管口与出水口以沉淀区的轴线对称设置且在水平方向上低于出水口，另一端与反应器主体底端呈上宽下窄的漏斗状的第二渐扩管相连；导流管在沉淀区的出口低于回流管在沉淀区的管口和水平隔板所在位置。
其中结晶生成区为圆筒形，径高比为1:6～1:8，结晶生成区下部设有文丘里管，氮磷进水口和镁离子进水口分别紧邻文丘里管的下端和上端设置且关于结晶生成区的轴线对称，曝气口位于氮磷进水口下方，气流速度为16L/min～40L/min。
为了较好的进行反应，文丘里管总长与反应器本体长度之比为8:1～12:1，内径与结晶生成区内径之比为1:1.8～1:2.2。
为了强化结晶的生长，沉淀区的下部设有倒锥形区域，回流管在沉淀区的管口位于倒锥形区域上方，水平隔板设置于倒锥形区域的顶部，隔板上均匀分布有直径2mm的圆孔。
为了使回流的水量可控，结晶生成区与沉淀区之间的回流管上还设有回流泵，沉淀区流回反应器主体的水量和反应器进水水量之比为500～2000:1。
为了降低沉淀区水面扰动造成的出水水质不稳定，溢流堰包括相错设置的第一隔板和第二隔板，第一隔板靠近沉淀区的轴线设置且上缘与出水口平齐，第二隔板靠近沉淀区侧壁设置且上缘与沉淀区上缘平齐，第一隔板和第二隔板的长度相同且为沉淀区总高度的1/3-1/2，第一隔板与沉淀区的轴线的距离为沉淀区半径的1/3-1/2，两隔板间距为沉淀区半径的1/4-1/3。
为了进行反应器内部的pH调节并排出气体，反应器主体的顶部还设有与pH调节管连接的pH调节口和与出气管连接的出气口。
本装置由有机玻璃和钢板构建，流化层位于结晶生成区的上方；沉淀区位于流化层右下方。含有氮磷的模拟废水自下部进水口进入，补充的镁源从右上方对应的进水口进入，经回流泵和气泵的提升作用在文丘里管出口处充分混合反应。多余空气从反应器主体上方排出。NaOH溶液从上方pH调节管进入流化层并与反应器内溶液充分混合，反应器运行过程中可以保证整个体系pH值稳定。鸟粪石结晶在流化层反复与体系中的各结晶组元接触生长，颗粒逐渐增大，混合液经导流管进入右侧沉淀区后，大颗粒晶体可以有效沉降于水平隔板上，晶体进一步生长，出水经过溢流堰后从出水管排出，细微鸟粪石颗粒随水流进入回流管，经回流泵重新进入结晶生成区参与新的结晶反应，从而达到鸟粪石结晶颗粒长大，出水悬浮物浓度降低的目的。
采用气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，模拟氨氮浓度1000mg/L，磷酸盐浓度800mg/L的废水，通过所述的酸碱调控和独特的溢流出水系统连续运行15天，装置出水pH值始终稳定于8.6～9.0，对氨氮的去除率95％以上，对磷酸盐去除率82％左右。实验结果表明，该装置在氮磷脱除效率和鸟粪石结晶效果上均优于文献报道鸟粪石法脱氮除磷实验结果。

Claims (7)

1.一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，其特征在于，包括竖直设置的反应器主体和沉淀区，反应器主体的下部为结晶生成区，上部为流化层，结晶生成区和流化层之间通过呈上宽下窄的漏斗状的第一渐扩管连接；结晶生成区设有与氮磷进水管相连的氮磷进水口、与镁离子进水管相连的镁离子进水口，与气泵相连的曝气口和用于增大湍流度的文丘里管；流化层顶部设有pH调节管和出气管，所述的沉淀区设置于反应器主体外部一侧并通过导流管连接反应器主体的流化层，沉淀区下部设有占沉淀区横截面积一半的水平隔板，水平隔板的上方设有溢流堰和出水口，沉淀区在未设半圆形隔板的位置设置回流管，回流管的一端管口与出水口以沉淀区的轴线对称设置且在水平方向上低于出水口，另一端与反应器主体底端呈上宽下窄的漏斗状的第二渐扩管相连；导流管在沉淀区的出口低于回流管在沉淀区的管口和水平隔板所在位置。
2.根据权利要求1所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，其特征在于，所述的结晶生成区为圆筒形，径高比为1:6～1:8，结晶生成区下部设有文丘里管，氮磷进水口和镁离子进水口分别紧邻文丘里管的下端和上端设置且关于结晶生成区的轴线对称，曝气口位于氮磷进水口下方，气流速度为16L/min～40L/min。
3.根据权利要求1、2所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，其特征在于，所述的文丘里管总长与反应器本体长度之比为8:1～12:1，内径与结晶生成区内径之比为1:1.8～1:2.2。
4.根据权利要求1所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，其特征在于，所述的沉淀区的下部设有倒锥形区域，回流管在沉淀区的管口位于倒锥形区域上方，水平隔板设置于倒锥形区域的顶部，隔板上均匀分布有直径2mm的圆孔。
5.根据权利要求1所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，其特征在于，结晶生成区与沉淀区之间的回流管上还设有回流泵，沉淀区流回反应器主体的水量和反应器进水水量之比为500～2000:1。
6.根据权利要求1所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，其特征在于，所述的溢流堰包括相错设置的第一隔板和第二隔板，第一隔板靠近沉淀区的轴线设置且上缘与出水口平齐，第二隔板靠近沉淀区侧壁设置且上缘与沉淀区上缘平齐，第一隔板和第二隔板的长度相同且为沉淀区总高度的1/3-1/2，第一隔板与沉淀区的轴线的距离为沉淀区半径的1/3-1/2，两隔板间距为沉淀区半径的1/4-1/3。
7.根据权利要求1所述的一种气液流化强化鸟粪石结晶成粒装置，其特征在于，反应器主体的顶部还设有与pH调节管连接的pH调节口和与出气管连接的出气口。
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