CN101935093B - 一种高浓度氮磷废水的连续流反应器及其处理废水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高浓度氮磷废水的连续流反应器及其处理废水的方法。本发明反应器包括以下基本组成构件：圆柱形锯齿槽进水保护堰、圆柱形混凝结晶器、漏斗式静沉保护挡板、圆锥形结晶静沉器、贴壁式斜板沉淀器以及贴壁式锯齿槽出水堰。本发明操作步骤：启动阶段，将废水通入圆柱形混凝结晶器内，开启搅拌装置，再加入可溶性镁源，调节pH值使其维持在7～10。稳定阶段，初始出水需回流二次处理，当出水中氮、磷去除率达到95％以上即可进入下一处理单元。本发明克服了目前回收氮磷工艺流程复杂、废水处理量小、反应器紊流影响大、干扰沉淀进行等问题，提高了磷酸铵镁结晶沉淀效果，而且装置流程简单，便于稳定运行。

Description

一种高浓度氮磷废水的连续流反应器及其处理废水的方法
技术领域
本发明涉及氮磷废水的处理装置及处理方法，具体为一种基于磷酸铵镁结晶原理回收废水中氮磷的连续流反应装置及其处理废水方法。
背景技术
近几年全世界人口的不断增长以及工业的迅猛发展使得环境污染问题越来越严重，大量含氮与磷工业及生活污水的排放促使水体富营养化情况日益加剧。目前，国家已经制定出相应的法律法规以及污水排放标准严格控制氮、磷的排放，对于水体中氮磷的控制已经引起广泛的关注。而且，目前世界上磷矿石的已知储量是有限的，有研究认为在未来60-70年间，世界上50％的磷源将被采尽。为了解决目前日益严峻的环境问题以及实现自然资源和社会经济的可持续发展，对营养元素氮、磷进行有效回收利用，实现资源再生已经成为当今最有前景和开发空间的技术拓展领域。
目前，工业及生活污水中的氮、磷元素多以NH4 +、PO4 3-形式存在，这为氮、磷以磷酸铵镁(MAP)结晶方式回收提供技术条件。当向含高浓度氮、磷的废水中添加镁源，会发生如下反应：
Figure BDA00000245392000011
MAP是一种难溶于水的晶体，含有氮、磷两种营养元素，是良好的缓释化肥，相较目前使用的尿素等化肥，MAP具有重金属含量低、释放周期长、植物吸收效率高、成本投入低、对环境无二次污染等优点；目前国外已将MAP作为缓释肥成功推向市场商业化运作，产生良好的市场效益。因此，MAP结晶高效回收氮、磷已成为国内研究的热点方向。利用MAP结晶回收氮、磷目前已在日本、北美、欧洲等地广泛应用，并取得了良好的处理效果。该工艺常用于污水净化的预处理阶段和深度处理阶段，国外有学者研究利用流化床反应器或者球式反应器结合MAP结晶沉淀法处理牛奶厂废液厌氧消化出水、焦化废水、垃圾渗滤液、畜禽废水等，对氮、磷的回收率普遍在80％以上(霍守亮，席北斗，刘鸿亮，宋永会，何连生.磷酸铵镁沉淀法去除与回收废水中氮磷的应用研究进展.化工进展，2007，26(3)：4191-419)。大量研究表明，MAP结晶沉淀回收氮、磷的最佳pH值范围为9.0～10.7(邹安华，孙体昌，邢奕，等.pH对MAP沉淀法去除废水中氨氮的影响.环境科学动态，2005(4)：4-6)；尽管不同实验所采用的方法和检测手段各有差异，得到的MAP最佳沉淀pH值也不完全相同，但一般认为pH值为9.0左右为宜。MAP生成的各组分理论物质的量比n(Mg2+)∶n(NH4 +)∶n(PO4 3-)应为1∶1∶1，但大量实验研究表明，MAP生成的各组分实际物质的量比控制在n(Mg2+)∶n(NH4 +)∶n(PO4 3-)＝1.2～1.4∶1∶0.8～1时，氮、磷的去除率最理想；因此，Mg盐的用量和种类是MAP沉淀形成的关键因素，沉淀剂的选择要紧密结合实际工作中去除与回收氮或(和)磷的具体目的。
目前，国内大量工业废水都面临污染物浓度高，排放量大、处理困难等技术难题，国内外研究MAP结晶沉淀去除回收氮磷的反应器中试试验多以“上进下出”或“下进上出”的序批式流化床形式，这种设计方式具有很大的局限性，存在工艺过程复杂、废水处理量小、反应器紊流影响大、难以同时获得高的氮磷回收率、渣水分离困难、MAP回收纯度低等缺点。针对以上问题，国内外开始有学者探索利用连续式反应器回收氮磷，有文献报道了一种上端进水混凝，下端静沉排泥，中间添加挡板，并在挡板下沿开口出水的连续流反应器，该反应器虽然提高了废水处理量，但是产生的MAP结晶在反应器运行一段时间后易在出口处结垢，影响出水效果，并且受阻于废水快流速、多紊流等不利因素制约，反应效果仍不理想，甚至逊色于序批式反应器(J.A.Wilsenach et al.Phosphate and potassium recoveryfrom source separated urine through struvite precipitation.water research 41(2007)458-466)。将反应器混凝区与沉淀区相对独立、设计斜板沉淀区、废水流向改为“上进上出”的U型流向路线等改进方式目前国内外文献未见相关报道。现绝大多数相关研究均着眼于处理低浓度氮、磷废水，鲜见浓度大于200mg/L的高浓度废水处理报道。因此，开发设计一种高效稳定回收处理高浓度氮、磷废水的连续流反应器成为目前研究的重点。
发明内容
1.发明要解决的技术问题为了克服目前回收氮和磷工艺流程复杂、废水处理量小、反应器紊流影响大、干扰沉淀进行等问题，提高MAP结晶沉淀效果，本发明提供一种高浓度氮磷废水的连续流反应器及其处理废水的方法，可以稳定处理高浓度氮、磷废水。
2.本发明的技术方案本发明的技术方案如下：一种高浓度氮磷废水的连续流反应器，其特征在于包括圆柱形混凝结晶器、漏斗式静沉保护挡板、圆锥形结晶静沉器，圆柱形混凝结晶器的下端面与圆锥形结晶静沉器的上端面连接，漏斗式静沉保护挡板与圆柱形混凝结晶器内壁连接。
圆柱形锯齿槽进水保护堰的下部与圆柱形混凝结晶器的上部连接，圆柱形混凝结晶器的下端面与圆锥形结晶静沉器的上端面连接，漏斗式静沉保护挡板与圆柱形混凝结晶器内壁连接，贴壁式斜板沉淀器侧面与圆柱形混凝结晶器外侧面连接，圆柱形混凝结晶器下部开一映射面为长方形的小口与贴壁式斜板沉淀器相连通，贴壁式锯齿槽出水堰侧面与圆柱形混凝结晶器外侧面连接，贴壁式斜板沉淀器上部与贴壁式锯齿槽出水堰下部连接。
本发明反应器安装圆柱形锯齿槽进水保护堰后，可对圆柱形混凝结晶器进料口进行保护，有效防止由于进水流量过大、圆柱形混凝结晶器下部出口堵塞等意外情况发生所导致的溢流事故。
本发明反应器安装贴壁式锯齿槽出水堰后，可有效截留磷酸铵镁结晶，降低出水浊度，提高贴壁式斜板沉淀器沉淀分离效果，增加氮、磷的去除回收率。
本发明反应器中混凝结晶器设计为圆柱形后，其整体性能明显优于正方体、长方体等其他形状反应器，有利于提高混凝搅拌效果，有效阻止反应器内部紊流及死角对反应过程造成的各种干扰，使反应液得到充分混合反应，大大增加氮磷回收率。
本发明圆柱形混凝结晶器内设有进水管、镁源进料管、机械搅拌器或曝气布气管、动态pH监测计、pH调节液投加管。圆锥形结晶静沉器底部为沉淀结晶排出口，其横截面为圆形，安装阀门加以控制。
本发明反应器的圆柱形混凝结晶器高径比为4∶1～2∶1；漏斗式静沉保护挡板与圆柱形混凝结晶器连接处到圆柱形混凝结晶器底部的距离为圆柱形混凝结晶器高度的1/4～1/3；贴壁式斜板沉淀器高度为圆柱形混凝结晶器高度的3/4～4/5，贴壁式斜板沉淀器斜板与圆柱形混凝结晶器壁面形成的锐角角度为20°～40°；漏斗式静沉保护挡板与圆柱形混凝结晶器壁面形成的锐角角度为60°～80°。
一种高浓度氮磷废水的连续流反应器处理废水的方法，其主要步骤包括：①反应器启动阶段：将含有NH4 +-N和PO4 3--P的废水调节NH4 +-N与PO4 3--P的摩尔比为1～20∶1后通入圆柱形混凝结晶器内，当一次性加入圆柱形混凝结晶器容积4/6～5/6的污水后，调节进水蠕动泵使进水流量为0.5～3L/h，同时开启机械搅拌器或向曝气布气管通入空气(当选择机械搅拌时，机械搅拌器转速为30～150r/min；当选择曝气搅拌时，进气量与进液量体积比为5～20∶1)，再向圆柱形混凝结晶器内加入镁源，调节含Mg2+溶液浓度及进料管流速，使反应器中进水Mg2+与NH4 +的摩尔比为1～5∶1，开启pH调节液投加管使反应液的pH值维持在7～10。
②反应器稳定阶段：反应器初始出水需回流进行二次处理，当反应器出水中氮、磷去除率达到95％以上并保持稳定时，即可将出水通入下一处理单元进一步处理。定时开启圆锥形结晶静沉器底部阀门，排放混凝结晶得到的MAP晶体。
上述pH调节液为HCl溶液(酸液)或NaOH溶液(碱液)。镁源为MgSO4、MgCl或MgO中的一种或几种。
3.有益效果相比于现有技术，本发明的有益效果为：(1)提供一种稳定处理含氮磷废水的连续流反应装置和操作方法。该方法简化了工艺流程，提高了单位时间内废水的处理量，缩短处理时间，节约处理成本。
(2)本发明中废水采用“上进上出”的U型流向处理方式，即反应器上部进水，上部出水。这样增加了反应物的接触时间，使得反应进行的更加彻底，强化了反应液中氮、磷和镁结晶沉淀的过程，提高了MAP结晶回收氮、磷的效率。
(3)本发明将传统的“混凝——沉淀”这一串联流程通过建立圆柱形混凝结晶器、圆锥形结晶静沉器与贴壁式斜板沉淀器3个相对独立的反应装置而分离开来，又增加了漏斗式静沉保护挡板，这样的反应器结构能够极大的降低反应器内液体紊动所产生的负面影响，使混凝和沉淀过程互不干扰，MAP结晶沉淀效果好，出水中携带的残留MAP晶体少、水质更理想。
(4)本发明对于高浓度废水处理效果理想。在同样的运行条件下，当NH4 +-N浓度大于500mg/L，PO4 3--P浓度大于1000mg/L时，氮、磷的去除回收率在95％以上，降低最终出水的氮、磷浓度，有效提高了回收率。
(5)反应过程通过添加pH调节液维持反应液内pH值稳定，促使MAP实现最佳结晶过程，显著提高MAP的沉淀量，保证产物纯度。
附图说明
图1为本发明连续流反应器结构示意图，各部分名称如下：1-圆柱形混凝结晶器，2-圆锥形结晶静沉器，3-贴壁式斜板沉淀器，4-漏斗式静沉保护挡板，5-机械搅拌器，6-pH计，7-进水管，8-镁源进料管，9-pH调节液投加管，10-MAP结晶排出阀门；图2为本发明进一步改进的连续流反应器结构示意图，各部分名称如下：1-圆柱形混凝结晶器，2-圆锥形结晶静沉器，3-贴壁式斜板沉淀器，4-漏斗式静沉保护挡板，5-机械搅拌器，6-pH计，7-进水管，8-镁源进料管，9-pH调节液投加管，10-MAP结晶排出阀门，11-圆柱形锯齿槽进水保护堰，12-贴壁式锯齿槽出水堰。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本发明实施例1：如附图2所示，磷酸铵镁结晶技术回收处理含高浓度氮、磷废水的连续流反应装置包括圆柱形混凝结晶器1，圆锥形结晶静沉器2，贴壁式斜板沉淀器3，漏斗式静沉保护挡板4，机械搅拌器5，pH计6，进水管7，镁源进料管8，pH调节液投加管9，MAP结晶排出阀门10，圆柱形锯齿槽进水保护堰11，贴壁式锯齿槽出水堰12。圆柱形锯齿槽进水保护堰11的下部与圆柱形混凝结晶器1的上部连接，圆柱形混凝结晶器1的下端面与圆锥形结晶静沉器2的上端面连接，漏斗式静沉保护挡板4与圆柱形混凝结晶器1内壁连接，贴壁式斜板沉淀器3侧面与圆柱形混凝结晶器1外侧面连接，圆柱形混凝结晶器1下部开一映射面为长方形的小口与贴壁式斜板沉淀器3相连通，贴壁式锯齿槽出水堰12侧面与圆柱形混凝结晶器1外侧面连接，贴壁式斜板沉淀器3上部与贴壁式锯齿槽出水堰12下部连接。圆柱形混凝结晶器1内设有进水管7、镁源进料管8、机械搅拌器5或曝气布气管、动态pH监测计6、pH调节液投加管9。圆锥形结晶静沉器2底部为沉淀结晶排出口，其横截面为圆形，安装阀门10加以控制。该反应器整体容积为2.0L，圆柱形混凝结晶器1高径比为2∶1；漏斗式静沉保护挡板4与圆柱形混凝结晶器1连接处到圆柱形混凝结晶器1底部的距离为圆柱形混凝结晶器1高度的1/4；贴壁式斜板沉淀器3高度为圆柱形混凝结晶器1高度的4/5，贴壁式斜板沉淀器3斜板与圆柱形混凝结晶器1壁面形成的锐角角度为25°；漏斗式静沉保护挡板4与圆柱形混凝结晶器1壁面形成的锐角角度为60°。
实施例2：如附图2所示，本实施方式与实施例1不同的是反应器整体容积为2.5L，圆柱形混凝结晶器1高径比为3∶1；漏斗式静沉保护挡板4与圆柱形混凝结晶器1连接处到圆柱形混凝结晶器1底部的距离为圆柱形混凝结晶器1高度的1/3；贴壁式斜板沉淀器3高度为圆柱形混凝结晶器1高度的3/4，贴壁式斜板沉淀器3斜板与圆柱形混凝结晶器1壁面形成的锐角角度为30°；漏斗式静沉保护挡板4与圆柱形混凝结晶器1壁面形成的锐角角度为70°。其他与实施例1相同。
实施例3：本发明中磷酸铵镁结晶去除和回收氮、磷的操作方法步骤如下：①反应器启动阶段：将含有NH4 +-N和PO4 3--P的废水调节NH4 +-N与PO4 3--P的摩尔比为1.25∶1后通入圆柱形混凝结晶器1内，当一次性加入圆柱形混凝结晶器1容积5/6的污水后，调节进水蠕动泵使进水流量为1L/h，同时开启机械搅拌器5，调节转速为60r/min，再向圆柱形混凝结晶器1内加入镁源，调节含Mg2+溶液浓度及进料管流速，使反应器中Mg2+与NH4 +的摩尔比为1∶1，开启pH调节液投加管9使反应液的pH值维持在8.5。②反应器稳定阶段：反应器初始出水需回流进行二次处理，当反应器出水中氮、磷去除率达到95％以上并保持稳定时，即可将出水通入下一处理单元进一步处理。定时开启圆锥形结晶静沉器2底部阀门10，排放混凝结晶得到的MAP晶体。
实施例4：本实施方式与实施例3不同的是①反应器启动阶段：利用曝气布气管向圆柱形混凝结晶器通入空气代替机械搅拌器，调节进气量与进液量体积比为10∶1。其他与实施例3相同。
本发明对于高浓度废水处理效果理想。在同样的运行条件下，当NH4 +-N浓度大于500mg/L，PO4 3--P浓度大于1000mg/L时，氮、磷的去除回收率在95％以上。
本发明实施方式中pH调节液为HCl溶液(酸液)或NaOH溶液(碱液)。
本发明实施方式中镁源为MgSO4、MgCl、MgO中的一种或几种。
本发明实施方式中可将产物MAP或者粒径为0.1mm～0.5mm比表面积大的惰性物质(如不锈钢颗粒、沸石颗粒等)直接投加至圆柱形混凝结晶器1内作为晶核。
本发明采用下述实验验证本发明效果：本实验是MAP结晶回收人工模拟含高浓度氮、磷废水的实验。按照MAP结晶去除和回收氮、磷的操作方法步骤，通过蠕动泵，进水管以1L/h的流量向圆柱形混凝结晶器1内泵入人工模拟废水，人工模拟废水性质如下：c(NH4 +-N)＝670mg/L，c(PO4 3--P)＝2800mg/L，初始pH＝6～7。开启机械搅拌器5，调节转速为80r/min，通过镁源进料管8向圆柱形混凝结晶器1内加入镁源MgCl，调节c(MgCl)＝4200mg/L及进料管流速为1L/h，，开启pH调节液投加管9，向圆柱形混凝结晶器1内泵入10mol/L的NaOH溶液使反应液的pH值维持在9左右。初始阶段出水需回流进行二次处理，反应大约进行40min后，出水中氮和磷的去除回收率分别达到95％以上并持续保持，反应器进入稳定运行阶段；如在同一运行条件下向圆柱形混凝结晶器1内加入晶体接种可使NH4 +-N和PO4 3--P的回收率提高约2～3％。
由此，该实验证明本发明提供的处理高浓度氮、磷废水的连续流装置可以提高高浓度氮、磷废水中NH4 +-N和PO4 3--P的回收效率。

Claims (9)

1. 一种高浓度氮磷废水的连续流反应器，其特征在于包括圆柱形混凝结晶器、漏斗式静沉保护挡板、圆锥形结晶静沉器，圆柱形混凝结晶器的下端面与圆锥形结晶静沉器的上端面连接，漏斗式静沉保护挡板与圆柱形混凝结晶器内壁连接；其中斜板沉淀区设计为贴壁式斜板沉淀器，贴壁式斜板沉淀器侧面与圆柱形混凝结晶器外侧面连接，圆柱形混凝结晶器下部开一映射面为长方形的小口与贴壁式斜板沉淀器相连通。
2. 根据权利要求1所述的一种高浓度氮磷废水的连续流反应器，其特征在于在圆柱形混凝结晶器上部安装一个圆柱形锯齿槽进水保护堰，其特征在于圆柱形锯齿槽进水保护堰的下部与圆柱形混凝结晶器的上部连接。
3. 根据权利要求2所述的一种高浓度氮磷废水的连续流反应器，其特征在于混凝结晶器设计为圆柱形，内部设有进水管、镁源进料管、机械搅拌器或曝气布气管、动态pH监测计和pH调节液投加管。
4. 根据权利要求1~3中任一项所述的高浓度氮磷废水的连续流反应器，其特征在于圆柱形混凝结晶器高径比为4:1～2:1；漏斗式静沉保护挡板与圆柱形混凝结晶器连接处到圆柱形混凝结晶器底部的距离为圆柱形混凝结晶器高度的1/4～1/3；漏斗式静沉保护挡板与圆柱形混凝结晶器壁面形成的锐角角度为60°～80°。
5. 根据权利要求2～3中任一项所述的一种高浓度氮磷废水的连续流反应器，其特征在于在贴壁式斜板沉淀器上部安装一个贴壁式锯齿槽出水堰，贴壁式锯齿槽出水堰侧面与圆柱形混凝结晶器外侧面连接，贴壁式斜板沉淀器上部与贴壁式锯齿槽出水堰下部连接。
6. 根据权利要求2～3中任一项所述的一种高浓度氮磷的连续流反应器，其特征在于贴壁式斜板沉淀器高度为圆柱形混凝结晶器高度的3/4～4/5，贴壁式斜板沉淀器斜板与圆柱形混凝结晶器壁面形成的锐角角度为20°～40°；。
7. 一种高浓度氮磷废水的连续流反应器处理废水的方法，其步骤为：
（1）反应器启动阶段：将废水调节NH4 +与PO4 3-的摩尔比为1～20:1后通入圆柱形混凝结晶器内，进水流量调节为0.5～3L/h，同时开启搅拌装置搅拌，加入可溶性镁源，控制反应器中进水Mg2+与NH4 +的摩尔比为1～5:1，开启pH调节液投加管使反应液的pH值维持在7～10；
（2）反应器稳定阶段：反应器初始出水需回流进行二次处理，当反应器出水中氮、磷去除率达到95%以上时，即可将出水通入下一处理单元进一步处理。
8.根据权利要求7所述的连续流反应器处理废水的方法，其特征在于当NH4 +-N浓度大于500mg/L，PO4 3--P浓度大于1000mg/L时，氮、磷的去除回收率在95%以上。
9.根据权利要求7或8中所述的连续流反应器处理废水的方法，其特征在于圆柱形混凝结晶器内混凝搅拌方式选用机械搅拌器或曝气布气管；当选择机械搅拌时，机械搅拌器转速为30～150r/min；当选择曝气搅拌时，进气量与进液量体积比为5～20:1。
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