CN117285139A - 一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，属于含氟废水处理领域。该装置自下而上包括晶粒回收区、进水布水区、微管流化反应区和沉淀出水区。低浓度含氟废水先经过文丘里式射流器与除氟剂充分混合，混合液通过射流器出口快速进入微管流化反应区，含氟废水中的氟离子与除氟剂中的钙离子在微管流化反应区的晶种表面形成氟化钙并逐渐增大。除氟反应后的废水经过沉淀出水区进行排放，较大的氟化钙晶粒通过晶粒回收区及晶粒回收管进行氟资源的回收利用。本发明适用于低浓度含氟废水深度除氟，同时可实现氟资源的回收利用，具有良好的含氟废水深度处理应用前景。
Description
技术领域
本发明属于含氟废水处理领域，具体涉及一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置。
背景技术
氟是人体必需成分之一，适量的氟对人体机能产生有利作用，但当氟浓度过高时，则会危害人体健康。光伏电池和半导体企业在生产过程中会排放大量的含氟废水，对人体健康和生态环境造成严重威胁。
目前，国内外主要的废水除氟工艺包括沉淀法、树脂吸附法、膜分离法、电絮凝等。钙盐沉淀法处理方便，运行费用低，可处理高浓度含氟废水，但对废水中氟的去除程度有限，难以满足日益严格的氟排放标准限值。树脂吸附法操作简单，处理稳定，可用于含氟废水的深度处理，但树脂价格较高，反应后再生成本高。膜分离法杂质分离效果好，可用于废水中水回收利用，但设备投资成本和运行维护费用高。电絮凝法去除效率高，不产生二次污染，可同步去除氟离子和多种污染物，包括微生物、重金属等，但需要消耗大量电能，需及时更换牺牲阳极，运行成本较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置。
本发明所提供的技术方案如下：
本发明提供了一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，自下而上依次包括晶粒回收区I、进水布水区II、微管流化反应区III和沉淀出水区IV；
所述晶粒回收区I为下部逐渐缩小的圆台形结构，晶粒回收区I底部侧方设有第一晶粒回收管，通过第一晶粒回收阀控制晶粒的排出；
所述装置外设有进水管、进水泵、止回阀和文丘里式射流器，低浓度含氟废水由进水管经过进水泵加压输送至文丘里式射流器，与除氟剂混合后进入进水布水区II；
所述进水布水区II设有可移动圆盘式布水管，含氟废水和除氟剂的混合液经布水管快速进入管式流化床反应区III中的各个管道；
所述微管流化反应区III为圆柱形结构，内部由不锈钢隔板分隔为多个平行管道，管道内装填有诱导晶种，诱导进水中的氟离子和钙离子在诱导晶种表面形成氟化钙沉淀；
所述沉淀出水区IV包含气、液、固三相分离结构，沉淀出水区IV下部与微管流化反应区III上部连通，沉淀出水区IV中间设有气体收集装管，气体收集装管顶部管道与大气相通，保证装置内外气压平衡；气体收集装管下部为倾斜的气体导流板，与上部排气管道外壁形成沉淀区，用于分离固体和液体；出水区IV上部为环形的溢流堰，溢流堰中设有在线氟离子检测仪；预留出水管与进水管相通的管道，可通过出水阀切换出水进入进水管。
作为优选，所述晶粒回收区I侧壁与水平夹角为55~60°。
作为优选，所述进水管与进水泵之间设有进水阀，通过调节进水阀调节进水流速，控制微管流化反应区IV中晶粒处于流化状态。
作为优选，所述文丘里管射流器由喷嘴、吸入口和扩压管三部分组成，经过进水泵加压后的含氟废水进入射流器喷嘴，废水被压缩向喷射室并变成高速射流。喷射室内产生真空，将除氟剂通过吸入口吸入，与含氟废水混合。在扩压管中随着射流向射流器出口扩散，水流速度减小，出口处形成湍流，含氟废水与除氟剂进行充分混合。
作为优选，所述沉淀出水区IV的直径与微管流化反应区III的直径之比为3/2~2。
作为优选，所述晶粒回收区I占装置总高度的1/10~3/20，进水布水区II高度占总高度的1/20~1/10，微管流化反应区III高度占总高度的1/2~3/5，沉淀出水区IV高度占总高度1/3~2/5。
作为优选，所述装置内填料的高度与微管流化反应区IV的高度之比为1/4~1/3。
作为优选，所述微管流化反应区中诱导晶粒为石英砂、氟化钙晶种、冰晶石和氟磷灰石的一种或几种等。
作为优选，所述除氟剂为氢氧化钙、氯化钙和钙基液碱的一种或几种等。
作为优选，所述流化床中诱导晶粒尺寸范围为管道直径的1/10-1/5。
作为优选，所述出水区的气体导流板与水平夹角为55~60°。
作为优选，所述沉淀出水区IV下方设有第二晶粒回收管，第二晶粒回收管与沉淀出水区IV侧壁夹角为60~90°。
作为优选，所述文丘里式射流器入口直径与喷嘴直径之比为2~4，喉管直径与喷嘴直径之比为1~2，扩压管的扩散角为10~15°。
作为优选，所述进水泵与文丘里管射流器之间设有止回阀，防止射流器液体回流至进水泵。
作为优选，所述文丘里管射流器吸入器处设有吸入阀，可通过吸入阀调节除氟剂的加药量，调节进水钙氟摩尔比为1/3~2。
与目前现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）各结构单元功能协同，结构紧凑，占地面积小；2）通过文丘里式射流器实现含氟废水和除氟剂的充分混合，提高进水水流流速，有利于减少能耗，提高药剂利用效率，增强除氟效果；3）采用微管流化结晶，进行分流处理，使氟离子和钙离子在诱导晶种表面更快析出沉淀，减少晶种流失，提高除氟效率；4）通过收集产生的含氟晶粒可实现氟资源的回收利用。
附图说明
图1是本装置的一种结构示意图；
图2是本装置的一种A-A截面图；
图3是文丘里射流器的一种结构示意图；
图中：晶粒回收区I、进水布水区II、微管流化反应区III、沉淀出水区IV、进水管1、进水泵2、止回阀3、文丘里式射流器4、射流器入口5、喷嘴6、喷射室7、喉管8、扩压管9、吸入口10、射流器出口11、第一晶粒回收管12、第一晶粒回收阀13、除氟剂进液管14、吸入阀15、布水管16、管道17、诱导晶种18、不锈钢隔板19、第二晶粒回收阀20、第二晶粒回收管21、气体导流板22、气体收集管23、溢流堰24、上部排气管道25、氟离子监测仪26、出水管27、出水阀28、出水口29、气体导流板夹角30、晶粒回收区侧壁夹角31、扩压管夹角32、进水阀33、第二晶粒回收管夹角34。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行具体说明。
如图1-图3所示，本发明提供了一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，自下而上依次包括晶粒回收区I、进水布水区II、微管流化反应区III和沉淀出水区IV。下面对装置结构和连接方式进行具体描述。
晶粒回收区I为下部逐渐缩小的圆台形结构，晶粒回收区I底部侧方设有第一晶粒回收管12，通过第一晶粒回收阀13控制晶粒的排出；
装置外设有进水管1、进水泵2、止回阀3和文丘里式射流器4，低浓度含氟废水由进水管1经过进水泵2加压输送至文丘里式射流器4，与除氟剂混合后进入进水布水区II；
进水布水区II设有可移动圆盘式布水管16，含氟废水和除氟剂的混合液经布水管16快速进入管式流化床反应区III中的各个管道；
微管流化反应区III为圆柱形结构，内部由不锈钢隔板19分隔为多个平行管道17，管道17内装填有诱导晶种18，诱导进水中的氟离子和钙离子在诱导晶种18表面形成氟化钙沉淀；
沉淀出水区IV包含气、液、固三相分离结构，沉淀出水区IV下部与微管流化反应区III上部连通，沉淀出水区IV中间设有气体收集装管23，气体收集装管顶部管道25与大气相通，保证装置内外气压平衡；气体收集装管23下部为倾斜的气体导流板22，与上部排气管道25外壁形成沉淀区，用于分离固体和液体；出水区IV上部为环形的溢流堰24，溢流堰24中设有在线氟离子检测仪26；预留出水管27与进水管1相通的管道，可通过出水阀28切换出水进入进水管1。
晶粒回收区I侧壁与水平夹角31为55~60°；
进水管1与进水泵2之间设有进水阀33，通过调节进水阀33调节进水流速，控制微管流化反应区IV中晶粒处于流化状态。
文丘里管射流器4由喷嘴6、吸入口10和扩压管9三部分组成，经过进水泵2加压后的含氟废水进入射流器喷嘴6，废水被压缩向喷射室7并变成高速射流。喷射室7内产生真空，将除氟剂通过吸入口10吸入，与含氟废水混合。在扩压管9中随着射流向射流器出口11扩散，水流速度减小，出口处形成湍流，含氟废水与除氟剂进行充分混合。
沉淀出水区IV的直径与微管流化反应区III的直径之比为3/2~2。
晶粒回收区I占装置总高度的1/10~3/20，进水布水区II高度占总高度的1/20~1/10，微管流化反应区III高度占总高度的1/2~3/5，沉淀出水区IV高度占总高度1/3~2/5。
装置内填料的高度与微管流化反应区IV的高度之比为1/4~1/3。
微管流化反应区中诱导晶粒18为石英砂、氟化钙晶种、冰晶石和氟磷灰石的一种或几种等。
除氟剂为氢氧化钙、氯化钙和钙基液碱的一种或几种等。
流化床中诱导晶粒18尺寸范围为管道17直径的1/10-1/5。
出水区的气体导流板22与水平夹角30为55~60°。
沉淀出水区IV下方设有第二晶粒回收管21，第二晶粒回收管21与沉淀出水区IV侧壁夹角34为60~90°。
文丘里式射流器入口5直径与喷嘴6直径之比为2~4，喉管8直径与喷嘴6直径之比为1~2，扩压管9的扩散角32为10~15°；
进水泵2与文丘里管射流器4之间设有止回阀3，防止射流器4液体回流至进水泵2。
文丘里管射流器吸入器10处设有吸入阀15，可通过吸入阀15调节除氟剂的加药量，调节进水钙氟摩尔比为1/3~2。
根据以上结构，本发明的详细流程如下：
低浓度（20~100 mg/L）含氟废水通过进水泵加压进入文丘里式射流器中，水流沿着逐渐缩小的内壁高速通过射流器喷嘴，喷射室内压力减小产生真空，产生的压差通过吸入口将除氟剂吸入喷射室内与废水混合。随着扩压管管径增加，水流速度减小，在射流器出口处形成湍流，含氟废水和除氟剂进一步充分混合。通过进水阀门调控进水布水区的进水水流流速。混合液通过布水管均匀进入微管流化反应区中，使流化床中的诱导晶粒处于流化状态，混合液中的氟离子和钙离子在晶粒表面形成氟化钙沉淀，晶粒体积逐渐增大，当微管流化反应区中的大部分晶粒体积达到一定程度时，通过控制进水阀增大进水水流流速，使晶粒被冲出微管流化反应区，在反应沉淀出水区固液分离后落入第二晶粒回收管中，晶粒排入晶粒收集管进行收集。除氟后的废水进入出水区，通过三相分离器进行固液气分离，废气通过气体收集装管直接排放，同时保持装置内外气压平衡。固体颗粒和含氟废水在沉淀区进行分离，废水通过溢流堰进入排放管道，设置氟离子在线分析仪监控出水氟离子浓度。预留出水至进水口的管道，当进水氟离子浓度较高时，可以通过回流部分出水降低进水氟离子浓度。
以下是本发明的若干实施例及相应试验数据，证实了本发明深度除氟的有效性。
实施例1
含氟废水中初始氟离子浓度为100 mg/L，pH为7.1，使用基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置去除废水中的氟离子。向微管流化反应区中添加氟化钙诱导晶种，调整钙氟比为1/2，含氟废水进水流速为6 L/h，药剂流速为3 L/h，使微管流化反应区中晶粒呈流化状态，最终反应后的废水从溢流堰中排出。
经过上述装置处理后，出水中氟浓度5.12 mg/L，除氟率达到94.88%。
实施例2
含氟废水中初始氟离子浓度为60 mg/L，pH为6.4，使用基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置去除废水中的氟离子。向微管流化反应区中添加氟磷灰石诱导晶种，调整钙氟比为1，含氟废水进水流速为15 L/h，药剂流速为15 L/h，使微管流化反应区中晶粒呈流化状态，最终反应后的废水从溢流堰中排出。
经过上述装置处理后，出水中氟浓度5.94 mg/L，除氟率达到90.10%。
实施例3
含氟废水中初始氟离子浓度为80 mg/L，pH为6.8，使用基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置去除废水中的氟离子。向微管流化反应区中添加氟化钙诱导晶种，调整钙氟比为1，含氟废水进水流速为10 L/h，药剂流速为10 L/h，使微管流化反应区中晶粒呈流化状态，最终反应后的废水从溢流堰中排出。
经过上述装置处理后，出水中氟浓度4.37 mg/L，除氟率达到94.54%。
以上实施例仅阐述了本发明的几种实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当理解的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，对其中部分技术特征进行改进，均为本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，自下而上依次包括晶粒回收区I、进水布水区II、微管流化反应区III和沉淀出水区IV；
所述晶粒回收区I为下部逐渐缩小的圆台形结构，晶粒回收区I底部侧方设有第一晶粒回收管（12），通过第一晶粒回收阀（13）控制晶粒的排出；
所述装置外设有进水管（1）、进水泵（2）、止回阀（3）和文丘里式射流器（4），含氟废水由进水管（1）经过进水泵（2）加压输送至文丘里式射流器（4），与除氟剂混合后进入进水布水区II；
所述进水布水区II设有可移动圆盘式布水管（16），含氟废水和除氟剂的混合液经布水管（16）快速进入管式流化床反应区III中的各个管道；
所述微管流化反应区III为圆柱形结构，内部由不锈钢隔板（19）分隔为多个平行管道（17），管道（17）内装填有诱导晶种（18），诱导进水中的氟离子和钙离子在诱导晶种（18）表面形成氟化钙沉淀；
所述沉淀出水区IV包含气、液、固三相分离结构，沉淀出水区IV下部与微管流化反应区III上部连通，沉淀出水区IV中间设有气体收集装管（23），气体收集装管的上部排气管道（25）与大气相通，保证装置内外气压平衡；气体收集装管（23）下部为倾斜的气体导流板（22），与上部排气管道（25）外壁形成沉淀区，用于分离固体和液体；沉淀出水区IV上部为环形的溢流堰（24），溢流堰（24）中设有在线氟离子检测仪（26）；预留出水管（27）与进水管（1）相通的管道，可通过出水阀（28）切换出水进入进水管（1）。
2.根据权利要求1所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述晶粒回收区I的侧壁与水平夹角即晶粒回收区侧壁夹角（31）为55~60°。
3.根据权利要求1所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述进水管（1）与进水泵（2）之间设有进水阀（33），通过调节进水阀（33）调节进水流速，控制微管流化反应区IV中晶粒处于流化状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述文丘里管射流器（4）由喷嘴（6）、吸入口（10）和扩压管（9）三部分组成，经过进水泵（2）加压后的含氟废水进入射流器喷嘴（6），废水被压缩向喷射室（7）并变成高速射流；喷射室（7）内产生真空，将除氟剂通过吸入口（10）吸入，与含氟废水混合；在扩压管（9）中随着射流向射流器出口（11）扩散，水流速度减小，出口处形成湍流，含氟废水与除氟剂进行充分混合。
5.根据权利要求1所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述沉淀出水区IV的直径与微管流化反应区III的直径之比为3/2~2；所述晶粒回收区I占装置总高度的1/10~3/20，进水布水区II高度占总高度的1/20~1/10，微管流化反应区III高度占总高度的1/2~3/5，沉淀出水区IV高度占总高度1/3~2/5；所述装置内填料的高度与微管流化反应区IV的高度之比为1/4~1/3。
6.根据权利要求1所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述微管流化反应区中诱导晶粒（18）为石英砂、氟化钙晶种、冰晶石和氟磷灰石的一种或几种；所述除氟剂为氢氧化钙、氯化钙和钙基液碱的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述流化床中诱导晶粒（18）尺寸范围为管道（17）直径的1/10-1/5。
8.根据权利要求1所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述出水区的气体导流板（22）与水平夹角即气体导流板夹角（30）为55~60°；所述沉淀出水区IV下方设有第二晶粒回收管（21），第二晶粒回收管（21）与沉淀出水区IV侧壁夹角即第二晶粒回收管夹角（34）为60~90°。
9.根据权利要求4所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述文丘里式射流器（4）的射流器入口（5）直径与喷嘴（6）直径之比为2~4，喉管（8）直径与喷嘴（6）直径之比为1~2，扩压管（9）的扩散角即扩压管夹角（32）为10~15°。
10.根据权利要求4所述的一种基于微管流化的低浓度含氟废水深度除氟装置，其特征在于，所述进水泵（2）与文丘里管射流器（4）之间设有止回阀（3），防止文丘里式射流器（4）液体回流至进水泵（2）；所述文丘里管射流器吸入器（10）处设有吸入阀（15），可通过吸入阀（15）调节除氟剂的加药量，调节进水钙氟摩尔比为1/3~2。
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