CN101602535B - 磷回收结晶反应器及磷回收方法 - Google Patents
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Abstract
一种磷回收结晶反应器及磷回收方法，所述反应器为内外双筒结构，其内筒位于反应器外筒的中心位置处，所述反应器包括：曝气吹脱区、结晶反应区、沉淀分离区、高浓度磷污泥区以及缓冲区；其中，该结晶反应区和该沉淀分离区通过该缓冲区的上部相连通，以使得在该结晶反应区结晶反应后的污水进入该沉淀分离区而不对高浓度磷污泥区产生影响。本发明充分利于高浓度畜禽废水的厌氧处理出水中的有效成份，通过曝气吹脱的方式提高厌氧出水的pH值，利用畜禽废水中较高的磷和氨氮浓度，把磷通过磷酸铵镁结晶体的形式从废水中去除，总磷的去除率可以达到50-60％，而不需要添加任何化学药剂，所回收磷为结晶体的形式，有利于回收磷的利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于畜禽废水处理和磷资源回收的装置，特别是涉及一种磷回收结晶反应器及从畜禽废水中高效进行磷回收的方法。
背景技术
畜禽废水处理是环境治理中最重要的组成部分之一。目前，畜禽废水的处理主要以末端处理达标排放为主，同时，在处理的过程中通过厌氧处理回收部分能源——沼气。近年来，随着磷等矿产资源的日益枯竭，人们开始关注废水中磷等矿产资源的回收。磷回收的理论和技术也得到了一定的发展。目前回收的主要方法是通过向含磷浓度比较高的废水中投加药剂，调节废水的pH值，同时投加镁盐，形成鸟粪石(MgNH4PO4)固体并通过沉淀或结晶的方式从废水中分离出来。但是现有技术的一个重要特点是需要通过投加化学药剂的方式，提高废水的pH值，降低鸟粪石离子浓度积，进一步降低其溶解度，形成鸟粪石固体。此外，也有现有技术是通过投加石灰水提高pH值和钙离子的浓度，形成CaNH4PO4沉淀，把磷从废水回收出来。但是，目前这些技术还处于实验室研究阶段。虽然，通过上述方法可以实现把磷从水中回收，但是需要投加化学药剂，调节***的pH值，操作比较复杂，运行费用比较高。
从理论到应用最重要的是通过反应器把实验室内的成果转化出来。从目前提出的反应器形式来看，主要是通过在反应器投加石英砂或钢丝网等作为晶核，鸟粪石逐渐在晶核上长大，然后通过晶核把固体鸟粪石分离出来；也有通过沉淀的方式把不含晶核的含磷固体分离出来。但是，目前这些反应器都还没有在实际工程中使用。
发明内容
为了更好的实现从高含磷废水中回收磷，特别是为了能够经济高效地从畜禽废水中回收磷，本发明利于厌氧反应器的出水中饱和二氧化碳对水质酸碱平衡的影响，通过吹脱的方式，提高出水的pH值，从而为磷酸氨镁的结晶创造条件，在不投加药剂的情况下，形成磷酸铵镁沉淀，达到高效低耗从污水中回收磷的目的。
为实现上述目的，本发明包括一种内外双筒的结构的反应器，通过隔板实现隔离，使不同的区域具有不同的功能。
根据本发明的技术方案的一个方面，一种磷回收结晶反应器，所述反应器为内外双筒结构，所述反应器包括：曝气吹脱区，位于所述反应器的内筒的上部；结晶反应区，位于所述反应器的内筒的底部；沉淀分离区，位于所述反应器的内筒和外筒之间并呈环状；高浓度磷污泥区，位于所述反应器的底部；以及缓冲区，位于该沉淀分离区和该高浓度磷污泥区之间，并处在该内筒下方，在该内筒底部和该高浓度磷污泥区之间形成缓冲高度；其中，在该曝气吹脱区底部安装有微孔曝气***，在该曝气吹脱区的顶部设有进水***，来自该进水***的废水的水流方向和来自该微孔曝气***的气体的气流方向逆向流动；以及其中，该结晶反应区和该沉淀分离区通过该缓冲区的上部相连通，以使得在该结晶反应区结晶反应后的污水进入该沉淀分离区而不对高浓度磷污泥区产生影响。
根据本发明的技术方案的另一个方面，一种磷回收方法，其应用上述的磷回收结晶反应器，所述方法包括以下步骤：进水步骤，经过厌氧反应后的畜禽废水经由该进水***进入该曝气吹脱区中；曝气吹脱步骤，由该曝气吹脱区底部的微孔曝气***送气，所送入的空气以微小气泡的形式进入该曝气吹脱区的废水中，来自该进水***的废水的水流方向和来自该微孔曝气***的气体的气流方向逆向流动，使得废水中的磷、氨氮与镁离子形成固态的磷酸铵镁并从水中析出；结晶步骤，从该曝气吹脱区出来的废水进入该结晶反应区，在该曝气吹脱区形成的磷酸铵镁的微小晶体与其它晶体相碰撞而形成更大晶体颗粒，并通过重力沉淀的方式从水中分离出来；沉淀分离步骤，该结晶反应区的出水经过该缓冲区上部的水流通道进入该沉淀分离区，在该沉淀分离区的水流的方向是向上和向外的，含有磷酸铵镁的固体颗粒由于重力的原因，一部分随水流流走，而粒径较大的颗粒则沉入该高浓度磷污泥区中；浓缩步骤，随着时间的延长，沉入该高浓度磷污泥区中的污泥沿着其锥形结构继续下沉，后沉入的颗粒对先沉入的颗粒形成挤压，把污泥中的水挤压出去，以提高污泥的浓度。
本发明的有益效果是：充分利于高浓度畜禽废水的厌氧处理出水中有效的成份，通过曝气吹脱的方式提高厌氧出水的pH值，利用畜禽废水中较高的磷和氨氮浓度，把磷通过磷酸铵镁结晶体的形式从废水中去除，总磷的去除率可以达到50-60％，而不需要添加任何化学药剂，从降低了磷回收的费用，提高了磷回收的效益，同时所回收磷为结晶体的形式，有利于回收磷的利用，有机的把污水处理与资源回收有益的结合起来。通过该反应器进行磷的回收具有投资省，占地少，运行费用低的特点。
附图说明
图1示出本发明的磷回收结晶反应器的剖面结构示意图
图2示出图1所示的磷回收结晶反应器的俯视图
图3示出应用本发明的磷回收结晶反应器进行畜禽废水处理的运行过程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1、2所示：本发明的磷回收结晶反应器为内外筒结构，其内筒位于反应器外筒的中心位置处；所述反应器包括：位于该内筒中部的曝气吹脱区1、位于该内筒底部的结晶反应区2、位于该外筒中上部的沉淀分离区3、位于该外筒底部的高浓度磷污泥区4、以及位于该沉淀分离区3和该高浓度磷污泥区4之间的缓冲区5，该缓冲区5同时还位于该结晶反应区2之下；在曝气吹脱区1底部安设有微孔曝气***6，顶部设有进水***7；在沉淀分离器区3的顶部设有集水***8；集水***8由集水槽9和排水管10组成；在高浓度磷污泥区4的底部为排泥***11；结晶反应区2和缓冲区5及沉淀分离区3相连通；反应器各部分的形状并不以圆形为标准，在水力条件适当的情况下也可以变为矩形和正方形。
在所述的磷回收结晶反应器的曝气吹脱区1底部安装有微孔曝气***6，进入曝气吹脱区1的气泡直径比较微小，保证微孔曝气***6的吹脱效果；进水***7在曝气吹脱区1的顶部，进入曝气吹脱区1的液体向下流动，而气泡向上流动，形成水流方向和气体方向的逆向流动，达到更好的吹脱效果。
所述的磷回收结晶反应器的沉淀分离区3的顶部设有集水***8，集水***8由集水槽9和排水管10组成，所述集水槽在沉淀分离区3顶部均匀布置，保证***的出水均匀向上，避免出现短流，以使***的固液分离效率保持在较高的水平，经过分离后的污水经集水***8流出结晶反应器，其出水中总磷的去除率可以达到50-60％。经过固液分离，结晶体被截留在结晶反应器内，最终沉淀在高浓度磷污泥区4，高浓度磷污泥区4底部设有排泥***11，排泥由配套自动控制***来控制排泥电动阀定时排泥，所排出的污泥含磷量为15-20％。
所述的磷回收结晶反应器的微孔曝气***6的总面积不少于内筒总面积的5-10％，微孔曝气***6的曝气量不少于5-10m3/m3池容.h。
所述的磷回收结晶反应器的沉淀分离区3和曝气吹脱区1分别由内外同心的圆筒组成，外筒环面积和内筒的面积比在1∶1-2∶1之间，反应器内筒比外筒短500-1000mm，以保证污水顺利进入沉淀分离区，外筒的高度一般在2000-4000mm，高径比一般在1∶1-1∶3之间，外筒和内筒间水流的上升流速不大于0.8m/h。
所述的磷回收结晶反应器在沉淀分离区3和结晶反应区2的下部设有缓冲区5，缓冲区5用于避免水流对高浓度磷污泥区4的已沉淀污泥造成干扰而重新进入沉淀分离区3，缓冲区的高度为300-400mm。
本发明还包括一套完整的自动控制***，可以完成曝气吹脱区1中根据进出pH值变化对曝气量的自动调整。该自动控制***的硬件部分为公知技术，软件部分则根据本发明的畜禽高效磷回收结晶反应器的工作流程设定适宜的控制参数。
应用本发明反应器进行畜禽废水处理的运行过程和运行方式：
如图3所示：本发明的磷回收结晶反应器在反应器内为隔离分区的结构，形成了曝气吹脱区1、结晶反应区2、沉淀分离区3、高浓度磷污泥区4和缓冲区5。本反应器所处理的畜禽废水为厌氧反应后的污水，首先进入曝气吹脱区1。在曝气吹脱区1内经过曝气吹脱之后，其废水中二氧化碳浓度大幅降低，pH值大幅度上升，降低了磷酸铵镁的沉淀溶度积，部分溶解态的磷酸铵镁变成细小的固态晶体，在结晶反应区2内，细小的磷酸铵镁结晶体之间以及与其它固体颗粒之间进一步聚集形成能够沉淀更大的颗粒，然后进入沉淀分离区3，结晶体从废水中分离出来，经过缓冲区5进入高浓度磷污泥区4，废水经过沉淀分离区3顶部的集水***8从反应器中排出。所回收的磷以高浓度磷污泥的形式存在，经过干化等处理后可用于农业或化工用途。
进入本反应器的必须是经过厌氧反应器处理的废水。由于畜禽废水的有机物浓度都比较高，单纯的采用好氧处理或物化处理成本过高，采用基本不需要动力而且可用回收部分沼气的厌氧处理是绝大部分畜禽废水处理必须采取的一个步骤，以大幅度降低废水中有机物的浓度。在厌氧反应器中有机物被厌氧细菌转换为沼气、二氧化碳和水，因此在厌氧反应器的出水中二氧化碳的浓度基本都是饱和的。溶解态的二氧化碳对水中酸碱平衡有着重要的影响，当水中二氧化碳浓度降低后，废水中的酸碱平衡将会向偏碱性方向移动，pH值升高，这是磷结晶的关键。因此，进入本反应器的废水必须是厌氧反应器的出水。厌氧反应器的出水进入结晶反应器必须首先通过进水***7而进入反应器的曝气吹脱区1。
在曝气吹脱区1的底部安设有微孔曝气***6，空气通过微孔曝气***6后以微小气泡的形式释放到水中。为了保证微小气泡的分布的均匀程度，微孔曝气***6的总面积不少于内筒总面积的5-10％，微孔曝气***6的曝气量不少于5-10m3/m3池容.h。微小的空气泡在浮力的作用下向上运动，与从上部进入曝气吹脱区1并利用重力向下流动的废水逆向流动，两者充分接触。由于空气中二氧化碳的含量比较少，其二氧化碳的分压比较低，而废水中的二氧化碳处于饱和状态，其二氧化碳的分压非常高，因此二氧化碳分子将向分压低的方向移动，进入空气泡中，随着空气泡从废水中逸出。由于二氧化碳的吹脱，废水的pH值迅速升高，降低了磷酸铵镁的溶度积。由于畜禽废水中磷酸根和氨氮的浓度都比较高，在高pH值下，两者浓度的积远大于其溶度积。磷、氨氮与废水中的镁离子形成固态的磷酸铵镁并从水中析出。
从曝气吹脱区1出来的废水进入结晶反应区2，结晶反应区2是相对稳定的区域，给了在曝气吹脱区1形成的微小晶体与其它晶体或固体颗粒相碰撞形成更大晶体颗粒的机会，以便能够通过重力沉淀的方式从水中分离出来。经过在结晶反应区2的反应，磷变成了固态的磷酸铵镁，并形成了足够大的颗粒，为后续的固液分离创造了条件。
结晶反应区2的出水经过缓冲区5的上部进入沉淀分离区3，在结晶反应区2的底部(即内筒的底部)处可以不设置隔板，即内外筒之间在此处是完全连通的。在沉淀分离区3的水流的方向是向上和向外的，在水流流动的过程中，含有磷酸铵镁的固体颗粒由于重力的原因，一部分随水流流走，而粒径较大的颗粒下沉速度大于水流速度，便沉入高浓度磷污泥区4中，实现了磷从废水中的回收。而经过固液分离后的污水由沉淀分离区3的集水***8从反应器中排出，进出水总磷的去除率在50-60％。集水***8主要由集水槽9和排水管10组成。集水槽9的主要作用是保证来自沉淀分离区3的污水均匀的从整个沉淀分离区3排出，最大程度地减少对固液分离过程的干扰。为了沉淀分离区3的分离效果，沉淀分离区3外圆环和曝气吹脱区内筒的面积比在1∶1-2∶1之间，在反应器的下部，内筒比外筒短500-1000mm，以保证污水顺利进入沉淀分离区3，外筒的高度一般为2000-4000mm，高径比一般在1∶1-1∶3之间，外筒和内筒间水流的上升流速不大于0.8m/h。
沉淀分离出来的固态的磷酸铵镁沉入高浓度磷污泥区4。随着时间的延长，沉入高浓度磷污泥区4的污泥越来越多，该高浓度磷污泥区4为锥形结构，后沉入的颗粒会对先沉入的颗粒形成挤压作用，把污泥之间的水挤压出去，起到了重力浓缩的作用。在高浓度磷污泥区4中，随着固体颗粒在时间上的变化，从上到下污泥浓度逐渐升高。设在高浓度磷污泥区4的排泥***11位于其底部，由自动控制***控制自动完成***的定时排泥，保证***排出的含磷沉淀污泥的浓度处于较高的水平，污泥含磷量在15-20％左右。
位于高浓度磷污泥区4和沉淀分离区3中间的缓冲区5的主要作用是为了保证从结晶反应区2过来的水流不对已经沉入高浓度磷污泥区4的固态颗粒造成影响，以免处于沉淀临界状态的固体颗粒重新进入沉淀分离区3。缓冲区的高度在300-400mm之间。
***的自动控制***，负责完成根据进出pH值变化对曝气吹脱区1中曝气量的自动调整和排泥***的定时排泥，设定适宜的控制参数。
测试条件及方法：
测试采用的磷回收结晶反应器容积为4m3，处理水量为40m3/d，总停留时间为3小时；反应器的内筒直径为1.9m，反应器的外筒直径为3m，反应器高度为2.5m。反应器进水为经过厌氧反应器的养猪废水。
连续监测***出水20天，每天取样分析反应器进出水总磷浓度。同时测定污泥内含磷的浓度，其测试结果见下表1和2：
表1测试时间内反应器进出水悬浮物浓度和进出COD浓度
表2测试时间内其它工艺参数
| 序号 | 名称 | 数量 | 备注 |
| 1 | 曝气强度 | 5m3/m3 | |
| 2 | 停留时间 | 3h | |
| 3 | 能耗 | 0.4kwh/吨污水 |
根据试验所得，磷回收结晶反应器对畜禽废水中总磷的去除率可以达到50％左右，污泥的含磷量可以达到15～20％，反应器的去除率和污泥含磷量满足了设计要求。
Claims (9)
1.一种磷回收结晶反应器，所述反应器为内外双筒结构，所述反应器包括：
曝气吹脱区(1)，位于所述反应器的内筒的上部；
结晶反应区(2)，位于所述反应器的内筒的底部；
沉淀分离区(3)，位于所述反应器的内筒和外筒之间；
高浓度磷污泥区(4)，位于所述反应器的底部；以及
缓冲区(5)，位于该沉淀分离区(3)和该高浓度磷污泥区(4)之间，并处在该内筒下方，在该内筒底部和该高浓度磷污泥区(4)之间形成缓冲高度；
其中，在该曝气吹脱区(1)底部安装有微孔曝气***(6)，在该曝气吹脱区(1)的顶部设有进水***(7)，来自该进水***(7)的废水的水流方向和来自该微孔曝气***(6)的气体的气流方向逆向流动；以及
其中，该结晶反应区(2)与该缓冲区(5)相连通，并通过该缓冲区(5)和该沉淀分离区(3)相连通，以使得在该结晶反应区(2)结晶反应后的污水进入该沉淀分离区(3)而不对高浓度磷污泥区(4)产生影响。
2.根据权利要求1所述的磷回收结晶反应器，其中，在所述的沉淀分离区(3)的顶部设有集水***(8)，该集水***(8)由集水槽(9)和排水管(10)组成，经过分离后的污水经该集水***(8)流出所述反应器。
3.根据权利要求1所述的磷回收结晶反应器，其中，该高浓度磷污泥区(4)呈上宽下窄的圆锥形，在该高浓度磷污泥区(4)底部设有排泥***(11)，该排泥***(11)的运行由配套的自动控制***控制其排泥电动阀来自动完成。
4.根据权利要求1至4中任意一个所述的磷回收结晶反应器，其中，该缓冲区(5)的高度为300-400mm。
5.一种磷回收方法，其应用根据权利要求1至4中任意一个所述的磷回收结晶反应器，所述方法包括以下步骤：
进水步骤：经过厌氧反应后的畜禽废水经由该进水***(7)进入该曝气吹脱区(1)中；
曝气吹脱步骤：由该曝气吹脱区(1)底部的微孔曝气***(6)送气，所送入的空气以微小气泡的形式进入该曝气吹脱区(1)的废水中，来自该进水***(7)的废水的水流方向和来自该微孔曝气***(6)的气体的气流方向逆向流动，使得废水中的磷、氨氮与镁离子形成固态的磷酸铵镁并从水中析出；
结晶步骤：从该曝气吹脱区(1)出来的废水进入该结晶反应区(2)，在该曝气吹脱区(1)形成的磷酸铵镁的微小晶体与其它晶体相碰撞而形成更大晶体颗粒，并通过重力沉淀的方式从水中分离出来；
沉淀分离步骤：该结晶反应区(2)的出水经过该缓冲区(5)上部的水流通道进入该沉淀分离区(3)，在该沉淀分离区(3)的水流的方向是向上和向外的，含有磷酸铵镁的固体颗粒由于重力的原因，一部分随水流流走，而粒径较大的颗粒则沉入该高浓度磷污泥区(4)中；
浓缩步骤：随着时间的延长，沉入该高浓度磷污泥区(4)中的污泥沿着其锥形结构继续下沉，后沉入的颗粒对先沉入的颗粒形成挤压，把污泥中的水挤压出去，以提高污泥的浓度。
6.根据权利要求5所述的磷回收方法，其中，还包括排水步骤，在沉淀分离步骤之后，经过固液分离后的污水由该沉淀分离区(3)上部的集水***(8)从反应器中排出，所排出的废水中总磷的去除率为50-60％。
7.根据权利要求5所述的磷回收方法，其中，还包括排泥步骤，在浓缩步骤之后，在该自动控制***的控制下，设在该高浓度磷污泥区(4)底部的排泥***(11)自动完成所述反应器的定时排泥。
8.根据权利要求5至7中任意一个所述的磷回收方法，其中，该外筒和该内筒之间水流的上升流速不大于0.8m/h。
9.根据权利要求5至7中任意一个所述的磷回收方法，其中，在经过上述步骤之后，经过厌氧处理的畜禽废水中总磷的浓度降低50-60％，同时所获得的高浓度磷污泥的磷含量达到15-20％以上。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |