CN210974185U - 一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置，包括流化床反应器，所述流化床反应器自下向上依次分为浓缩熟化区、诱导结晶区和缓冲区；所述诱导结晶区底部设有进水口、碱液投放口和钙盐投放口，所述诱导结晶区还设有HAP晶种投放口；所述缓冲区为锥形向上扩大段；还包括用于监测诱导结晶区内pH值的pH探测器。本实用新型具有系统结构简单、高度集成化，运行成本低、高效稳定特点，磷的回收利用价值高。

Description

一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置

技术领域

本实用新型涉及污水除磷及磷回收技术领域，尤其涉及一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置。

背景技术

为全面遏制水环境污染，控制水体富营养化，我国正在全面开展污水厂提标改造，将出水标准由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B提升至一级A，其中磷是核心控制指标。一级B和一级A标准中磷的限值分别为1.0mg/L和0.5mg/L。

目前国内外已有较多成熟的污废水控磷技术及装备，如混凝除磷、膜过滤和离子交换等，均可满足污水厂提标改造过程中磷的去除要求，但存在成本高、操作复杂、二次污染等问题。其中，混凝除磷需要投加较多的混凝剂，产生大量含磷污泥难以处理处置；膜过滤可以大幅去除污水中的磷，且与混凝联用后去除效率可以进一步提升，但处理成本高，且存在膜污染的风险；离子交换需要频繁对交换树脂进行再生，再生费用高，且再生废液容易导致二次污染；而且上述方法均不能实现对污水中磷的回收利用。

诱导结晶除磷技术在高浓度含磷废水的处理与资源化利用中已有应用，大幅去除磷的同时还可高效回收磷。该技术在城市污水厂中也有应用，如中国发明专利(CN105540770 A)公布了一种磁诱导结晶去除及回收污水中磷的方法及装置，去除及回收污泥脱水滤液和污泥硝化液中磷，进水磷的浓度在5.9-60mg/L之间，出水磷浓度在0.66-3.2mg/L之间；中国发明专利(CN 104973723 A)公布了一种诱导结晶磷回收的装置及方法，采用方解石作为晶种诱导污水中的磷以羟基磷酸钙(HAP)晶体形式回收，进水磷浓度为38.8-45.9mg/L，出水磷浓度在8.0mg/L以下。上述方法中进水磷浓度远高于污水厂二级出水磷浓度(1mg/L左右)，且出水磷浓度超出一级A标准限值0.5mg/L，无法直接应用于污水厂提标改造对磷的去除要求。

中国发明专利(CN 104310641 A)公布了一种低磷水深度除磷的方法，以改性珊瑚砂为晶种，通过一级流化床结晶和二级固定床结晶，可将二级出水磷降低至0.2mg/L以下，同时磷以结晶产物HAP形式得到回收。但该方法采用流化床与固定床串联形式，各自水力停留时间长达5.46h和4.58h，所需设备或构筑物体积较大。以10万m³/d污水厂为例，所需设备或构筑物总体积达4万m³，这在污水厂提标改造中显然是不适宜的。

总之，迄今为止尚未见有针对污水厂提标改造，既能满足一级A标准关于磷浓度限值要求，又能回收利用磷，同时适宜性强的二级出水深度除磷及磷回收技术方法公开报道。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的目的之一在于提供一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置。该装置采用流化床结构形式，通过高密度诱导结晶，实现对低磷浓度污水处理厂二级出水的深度除磷和磷回收。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置，包括流化床反应器，其特征在于：

所述流化床反应器自下向上依次分为浓缩熟化区、诱导结晶区和缓冲区；

所述诱导结晶区底部设有进水口、碱液投放口和钙盐投放口，所述诱导结晶区还设有HAP晶种投放口；

所述缓冲区为锥形向上扩大段；

还包括用于监测诱导结晶区内pH值的pH探测器。

进一步的，所述流化床反应器位于所述缓冲区的上方还设有沉淀区，所述沉淀区的上方设有溢流口。

进一步的，所述沉淀区的上方设有与溢流口连通的集水槽。

进一步的，所述浓缩熟化区呈倒锥形，且在锥底设有带有排渣阀门的排渣管。

进一步的，还包括通过进药管与所述钙盐投放口连通的CaCl₂溶液箱，所述进药管上设有计量泵和进药阀门。

进一步的，还包括管道混合器和NaOH溶液箱；

所述进水口和碱液投放口共用同一进口，所述管道混合器的其中一进液口与进水管连通，所述管道混合器的另一进液口与NaOH溶液箱的出液管连通，所述管道混合器的出液口与所述进水口连通；

所述出液管上设有pH控制器，所述pH控制器根据pH探测器的监测结果控制NaOH溶液箱的投加量。

进一步的，所述进水管上设有进水阀和进水泵。

进一步的，钙盐包括氯化钙、硝酸钙、硫酸钙和碳酸钙等，因硫酸钙和碳酸钙溶解度小，不宜选用，可选择氯化钙或硝酸钙。碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙，因氢氧化钙溶解度较小，不宜选用，可供选择的为氢氧化钠或氢氧化钾。

原理及优势

发明人研究发现，因二级出水中磷浓度较低(一般在0.6-2.0mg/L的范围)，溶液体系HAP过饱和度较低，结晶反应驱动力不足，PO₄ ^3-和投加的OH^-和Ca²⁺在诱导结晶区无法直接结晶生成结晶产物HAP，此时PO₄ ^3-、OH^-和Ca²⁺以纳米HAP分子团簇形式存在于水中，生成HAP及其前体物的分子团簇。

本申请基于快速团聚结晶的诱导结晶深度除磷及磷回收的总体思路，除磷及磷回收装置采用流化床结构形式，在流化床内投放大量细颗粒的HAP作为晶种，形成高颗粒物数量密度的高密度诱导结晶区，然后分子团簇在上升水流作用下与高颗粒物数量密度的晶种HAP发生快速团聚结晶，生成结晶产物HAP及其前体物，磷得以从二级出水中去除。

本申请中，二级出水、碱液和钙盐自诱导结晶区底部通入流化床中，并在诱导结晶区中投入大量细颗粒的HAP作为晶种，碱液中的OH^-和钙盐中的Ca²⁺与二级出水中低浓度的PO₄ ^3-发生分子团簇反应，生成纳米HAP分子团簇，HAP分子团簇在上升水流的作用下与HAP晶种颗粒进行快速团聚结晶，生成结晶产物HAP及其前体物，随着团聚结晶的进行，结晶产物HAP及其前体物粒径逐渐增加，最终在重力作用下克服上升水流的顶托，下沉到结晶产物底部形成泥渣。

本实用新型中由于结晶区的高颗粒物数量密度特征，相应结晶产物颗粒数量密度也较高，诱导结晶区中结晶产物在上升水流作用下相互摩擦、碰撞，少量结晶产物破碎，形成新的晶核，即二次成核，新晶核随上升水流进入进入缓冲区，因缓冲区通道截面面积沿程增加，相应上升水流流速沿程减小，当新晶核上升到沉淀区，将在重力作用下克服上升水流顶托，重新回落至诱导结晶区，如此发生上升-下沉循环，并在循环中逐渐成长，最终落入诱导结晶区充当新的晶种，补充由于结晶产物HAP排放所引起的晶种流失，经过缓冲区固液分离后的清水则从溢流口排出，二级出水处理过程中，无需再重新添加新的晶种。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果在于：

1、对低磷浓度污废水的适应性强：通过提高晶种颗粒物数量密度，形成高密度诱导结晶区，将结晶过程由构晶离子向晶种表面的逐一附着结晶，调控为HAP分子团簇与晶种颗粒间的团聚结晶过程，使得结晶过程在较低的HAP过饱和度下即可实现，从而提高了对低磷浓度的适应性。

2、除磷效率高，效果稳定：高密度诱导结晶区发生的团聚结晶，可以控制出水磷浓度稳定在0.3mg/L以下，除磷效率高，高密度诱导结晶区同步发生二次成核，采用流化床形式，同时诱导结晶区颗粒物数量密度高，在上升流水作用下，发生晶体颗粒间相互碰撞引起的二次成核，新的晶核在缓冲区成长为晶种，维持结晶区的高颗粒物数量密度水平，除磷效果稳定。

3、药耗小，运行成本低：PO₄ ^3-、OH^-和Ca²⁺的结晶方式为HAP分子团簇与晶种的快速团聚结晶，可以在较低HAP过饱和度下完成，相应节约了NaOH和含钙沉淀剂的药耗，运行成本较低。

4、系统结构简单，高度集成化，易于实现自动化：整个装置除流化床主体外，附属系统仅有pH控制器和含钙沉淀剂投加系统，系统结构简单，流化床主体集高密度诱导结晶、循环造粒、沉淀和结晶产物浓缩熟化等功能于一身，高度集成化，易于实现自动化控制。

5、结晶产物纯度高，磷回收利用价值高：在行业内创新性的首次采用HAP颗粒作为诱导剂；相应的，结晶产物也为HAP及其前体物，结晶产物纯度高。同时，结晶产物在浓缩熟化区中脱除间隙水和结晶水，结晶产物致密性和球形度提高，因此磷的回收利用价值高，可以作为优质的磷肥直接回收利用。

综上所述，本实用新型具有结构简单，运行成本低，高效稳定且易于实现自动控制的优点，磷的回收利用价值高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置，包括流化床反应器，流化床反应器自下向上依次分为浓缩熟化区I、诱导结晶区II、缓冲区III和沉淀区IV。诱导结晶区II底部设有进水口、碱液投放口和钙盐投放口，诱导结晶区II上还设有HAP晶种投放口，还包括用于监测诱导结晶区内pH值的pH探测器11。

其中，诱导结晶区II为小直径圆筒，在其内投放大量的细小HAP颗粒作为晶种，晶种在上升水流作用下呈流化态，形成高颗粒物数量密度的高密度诱导结晶区，缓冲区III为锥筒，其小口端与高密度诱导结晶区II相连。

参见图1，本实施例中，缓冲区III设计成锥筒，由于诱导结晶区II的高颗粒物数量密度特征，相应结晶产物颗粒数量密度也较高，诱导结晶区II中结晶产物在上升水流作用下相互摩擦、碰撞，少量结晶产物破碎，形成新的晶核，即二次成核，新晶核随上升水流进入进入缓冲区III，因缓冲区III设计成锥筒，缓冲区III通道截面面积沿程增加，相应上升水流流速沿程减小，当新晶核上升到沉淀区IV，将在重力作用下克服上升水流顶托，重新回落至诱导结晶区II，如此发生上升-下沉循环，并在循环中逐渐成长，最终落入诱导结晶区充当新的晶种，补充由于结晶产物HAP排放所引起的晶种流失，经过缓冲区固液分离后的清水则从溢流口排出，在二级出水处理过程中，无需再重新添加新的晶种。

需要解释说明的是，在实际设计中，浓缩熟化区I可以采用锥筒，下部接带有排渣阀门16的排渣管15，上部与诱导结晶区II相连。

本实施例通过在流化床底部设置浓缩熟化区I，随着团聚结晶的进行，结晶产物HAP及其前体物粒径逐渐增加，最终在重力作用下克服上升水流的顶托，下沉到结晶产物浓缩熟化区I形成泥渣，因浓缩熟化区呈锥形，结晶产物颗粒通过自重压实，排除泥渣中间隙水，完成泥渣浓缩；结晶产物中HAP前体物随浓缩时间的延长逐渐脱除结晶水，熟化成球形度高的HAP，最终装置排出的结晶产物更加致密，球形度更高，回收利用价值高，而且结晶产物直接为HAP，无需像专利文献CN104310641 A中还需要对结晶产物进行后处理，处理成本大幅度降低。

参见图1，本申请中，在缓冲区III的上方还设置沉淀区IV，在沉淀区IV上设置溢流口和集水槽13，经过缓冲区III固液分离的出水在沉淀区IV实现细小悬浮物的沉淀后，最终清水经过溢流口进入集水槽12，通过排水管13和排水阀门14排出。

参见图1，作为本申请的一种优选方案，本实施例深度除磷及磷回收装置还包括通过进药管6与钙盐投放口连通的CaCl₂溶液箱5、管道混合器4和NaOH溶液箱9，进药管6上设有计量泵7和进药阀门8。进水口和碱液投放口共用同一进口，管道混合器4的其中一进液口与进水管1连通，管道混合器4的另一进液口与NaOH溶液箱9的出液管连通，管道混合器9的出液口与进水口连通；进水管1上设有进水阀3和进水泵2，出液管上设有pH控制器10，pH控制器10根据pH探测器11的监测结果控制NaOH溶液箱9的投加量。至于pH控制器10、pH探测器11及其组成的控制电路的具体结构，均为电控领域常规技术，在此不再赘述。

本实施例中，二级出水由进水管1在进水泵2泵送下，经进水阀门3后，与来自pH控制器10的NaOH溶液在管道混合器4中充分混合，之后进入高密度诱导结晶区II，CaCl₂溶液在计量泵7泵送下，经进药阀门8进入高密度诱导结晶区II，高密度诱导结晶区II中部的pH值由pH探测器11在线连续监测，pH控制器10根据监测结果控制NaOH投加量，稳定高密度诱导结晶区中部pH值在设定范围内，一般为7.5～9.5。本实施例中，NaOH溶液和二级出水在进入高密度诱导结晶区前，通过管道混合器4充分混合，有利于后续团簇反应的进行。

参见图1，采用上述装置对污水处理厂二级出水进行深度除磷及磷回收的过程如下：

二级出水由进水管1在进水泵2泵送下，经进水阀门3后，与来自pH控制器10的NaOH溶液在管道混合器4中充分混合，之后进入诱导结晶区II，CaCl₂溶液在计量泵泵送下，经进药阀门进入诱导结晶区，大量细小颗粒的HAP晶种通过晶种投放口投入诱导结晶区，并在上升水流作用下流化。

低浓度的PO₄ ^3-与OH-和Ca²⁺在高密度诱导结晶区发生分子团簇反应，生成纳米HAP分子团簇；HAP分子团簇与HAP晶种颗粒进行快速团聚结晶，生成结晶产物HAP及其前体物，颗粒较大的结晶产物HAP沉入浓缩熟化区，浓缩和熟化后由排渣管经排渣阀门排出，作为磷肥回收利用。

高密度诱导结晶区II同时发生二次成核，新的晶核在上升水流带动下进入缓冲区，发生“上升-下沉”循环，并在循环中逐渐成长，最终落入高密度诱导结晶区充当新的晶种，补充由于结晶产物HAP排放所引起的晶种流失。

上升水流穿过缓冲区进入沉淀区后，水中悬浮颗粒浓度进一步降低，最终清水进入集水槽12，通过排水管13和排水阀门14达标排放。

上述实施例仅仅是清楚地说明本实用新型所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种污水处理厂二级出水深度除磷及磷回收装置，包括流化床反应器，其特征在于：

所述流化床反应器自下向上依次分为浓缩熟化区、诱导结晶区和缓冲区；

所述诱导结晶区底部设有进水口、碱液投放口和钙盐投放口，所述诱导结晶区还设有HAP晶种投放口；

所述缓冲区为锥形向上扩大段；

还包括用于监测诱导结晶区内pH值的pH探测器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述流化床反应器位于所述缓冲区的上方还设有沉淀区，所述沉淀区的上方设有溢流口。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述沉淀区的上方设有与溢流口连通的集水槽。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述浓缩熟化区呈倒锥形，且在锥底设有带有排渣阀门的排渣管。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括通过进药管与所述钙盐投放口连通的CaCl₂溶液箱，所述进药管上设有计量泵和进药阀门。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括管道混合器和NaOH溶液箱；

所述进水口和碱液投放口共用同一进口，所述管道混合器的其中一进液口与进水管连通，所述管道混合器的另一进液口与NaOH溶液箱的出液管连通，所述管道混合器的出液口与所述进水口连通；

所述出液管上设有pH控制器，所述pH控制器根据pH探测器的监测结果控制NaOH溶液箱的投加量。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述进水管上设有进水阀和进水泵。

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