CN112266062A - 一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置及污水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置及污水处理方法，其特征在于，所述污水处理装置包括流化床主体、回流装置和投药装置，所述流化床主体由上到下依次设有沉淀区、过渡区和流化区，所述回流装置通过回流管与流化床主体连接，所述回流管由所述沉淀区伸入流化床主体中，并能够通过改变回流管底端的回流口在流化床主体内的高度而控制结晶产品的粒度。通过控制所述回流管在流化床主体内的回流口的位置，结合产品粒度需求，调节回流管***深度，即可灵活调控最终产品粒度，同时提高产品回收率。

Description

一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置及污水处理方法
技术领域
本发明属于污水处理与资源化技术领域，具体涉及一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置及污水处理方法。
背景技术
流化床结晶是废水处理和资源化的常用技术，与传统搅拌式反应器相比，流化床可实现废水的连续处理与结晶产品的间歇出料，污染物去除效果好，抗冲击性能强，所得产品含水率低、粒度大、杂质含量少。同时，***易于自动化控制，在污染物去除和回收(如磷回收、氟去除)、饮用水软化(钙去除)等领域受到广泛关注。
然而，现有的流化床结晶技术普遍存在晶体产品回收率偏低、出水微晶夹带等问题。为防止流化床出水中的微晶对出水水质和后续处理设施的影响，在流化床后端通常会加设沉淀池或固液分离器来提高***对微晶的截流。在中国发明专利CN103935974B中公开了一种将污水中高浓度氨氮回收为高纯度大颗粒鸟粪石的方法，在三段式锥形流化床后加设了二沉池；在中国实用新型专利CN201809171U中公开的鸟粪石生产装置同样也采用沉淀槽来截流流化床出水夹带的微晶。外设沉淀设施的方式不可避免地延长了处理流程、增加了占地，同时，沉淀设施截流的微晶还需额外收集和处置，增加了处理***的运行和维护成本。
此外，研究人员也尝试通过增设内部构件对结晶反应器进行功能分区，并采用内部循环的方式直接将微晶截流在***内。如中国发明专利CN104529027B公开的鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置采用多筒嵌套设计，并将叶轮置于装置内提供内部循环的推动力；类似地，中国发明专利CN104129769B提供了一种高效低耗紧凑型鸟粪石回收装置，同样增设内部构件实现功能分区，并将晶体混合液回流至装置底部以实现内循环。虽然内部循环避免了微晶流失，节省了后续沉淀，但现有采用的内循环设备均无法实现结晶产品的颗粒化，同时设计复杂、运行管理难度大。
综上所述，以上两种常规方法均无法简易高效地同步实现结晶产品的回收及产品粒度的人为控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有流化床结晶技术中无法同步实现晶体的高效截流和颗粒化。本发明基于结晶动力学和流体力学原理，提供一种简易的、可同步提高结晶产品回收率和控制产品粒度的污水处理装置及污水处理方法。
第一方面，本发明提供一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置，所述污水处理装置包括流化床主体、回流装置和投药装置，所述流化床主体由上到下依次设有沉淀区、过渡区和流化区，所述回流装置通过回流管与流化床主体连接，所述回流管由所述沉淀区伸入流化床主体中，并能够通过改变回流管底端的回流口在流化床主体内的高度而控制结晶产品的粒度。
所述流化床主体由上到下依次设有沉淀区、过渡区和流化区，所述流化区的顶端与过渡区相连，所述过渡区的顶端与沉淀区相连，所述沉淀区的顶部设有溢流堰。
所述流化区的底部设有出料口和至少一个进料口，所述进料口位于出料口的上方。污水由所述流化床主体的底部进入，经过结晶处理后，从顶部的溢流堰出水，结晶形成的无机物颗粒从所述出料口排出。
优选的，所述流化区设有多个进料口，并围绕流化区底部的圆周均匀分布。
所述沉淀区与流化区的管径比为(3-5):1，所述沉淀区、过渡区和流化区的高度比为1:(0.8-2):(1-4)，所述过渡区连接在沉淀区与流化区之间，其轴向横截面呈上大下小的梯形。
所述回流装置包括回流口、可伸缩的回流管和回流泵，所述回流管的一端连接所述流化区的底端，另一端设有回流口，并从所述沉淀区的顶部***流化床主体，所述回流泵连接在回流管中，用于为将流化区的料液部分回流到沉淀区或过渡区提供动力。
所述可伸缩的回流管能够调节回流口在流化床主体内的位置，优选的，所述回流口的位置的变化范围为沉淀区顶部的溢流液面到过渡区的底部之间，更优选的，所述回流口的位置变化范围为沉淀区顶部的溢流液面以下1/20-1/5处到过渡区的中部。
所述回流口为喇叭口形状，底端开口与水平面夹角呈30-45°，开口半径为沉淀区半径的1/4-1/2。
所述可伸缩的回流管长度调节方式选自硬连接或软连接，优选的，所述硬连接为PVC管活动连接，所述软连接为金属软管或PVC波纹管活动连接。当然，也可以选择其它活动连接方式，本发明对此不做限制。
优选的，所述回流管设置管道过滤器，滤去进入回流管的小晶体，可加快产品的颗粒化速率，提高最终产品的粒度。
所述回流泵为隔膜泵或叶轮离心泵，优选的，所述回流泵为隔膜泵，可减少水力剪切对进入回流管的微小晶体聚集体的破碎作用，加快产品的颗粒化速率，提高最终产品粒度。
所述投药***包括储药箱、投药泵和投药管，所述投药管一端连接储药箱，另一端分为两路，第一路通过投药泵从所述沉淀区一侧***流化床主体，投药管的第一路***流化床主体内的一端设有顶部投药口，投药管的第二路连接流化区侧壁的中下部，并设有若干个底部投药口。通过改变所述顶部投药口在流化床主体内的位置而协助回流管控制结晶产品的粒度。
优选的，所述顶部投药口包括主管和若干个支管，所述若干个支管设在主管的不同高度，每个支管设有控制阀，用于控制不同高度的支管进行投药，并且能够实时调节每个支管的投药量，这样，可以在不改变投药口总体高度的情况下，通过控制不同支管的投药，实现调节投药高度的目的。
第二方面，本发明提供一种污水处理方法，所述方法使用上述的污水处理装置，能够实现同步提高结晶产品回收率和控制产品粒度，所述方法包括以下步骤：
(1)通过调节所述回流管在流化床主体内的***深度，将所述回流口置于所述过渡区的中部；通过调节所述投药管在流化床主体内的***深度，将所述顶部投药口置于所述沉淀区内；
(2)从所述进料口向所述流化床主体输入污水，启动所述回流泵和投药泵，通过底部投药口进行投药，制备微晶；
(3)反应一段时间后，调节回流管的***深度，将回流口置于流化床主体内的合适位置；启用顶部投料口，调节顶部投药口在不同支管的投药量；
(4)开启所述出料口，获得颗粒状结晶产品。
所述步骤(2)中的污水作为原料，其目标结晶物的无机物浓度范围为50-2000mg/L，污染物浓度范围较宽，适用于多种污水处理***。
优选的，所述步骤(3)中通过调节回流管的***深度，将回流口提升于沉淀区顶部距离溢流液面以下1/20-1/5的位置。
优选的，所述步骤(3)中通过不同高度所述支管的开启，使得顶部投药口位于所述沉淀区和过渡区的范围内。
更优选的，针对污水中的不同污染物，通过调节不同高度的支管的投药量，灵活控制投药情况，协助配合所述回流管不同的***深度和回流比，制备不同粒度的结晶产品。
本发明所述的污水处理装置及污水处理方法适用于各类结晶体系，如鸟粪石结晶、氟化钙结晶、碳酸钙结晶、磷酸钙结晶。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优点：
(1)通过调整所述回流口的高度，实现结晶产品粒度的时空调控：时间上先制备晶种，后完成造粒；空间上在流化床底部实现成核，在流化床的中上部实现晶体生长和聚并，可选的，在所述回流管中实现破碎；
(2)所述流化床主体可实现全量的产品截流，后续无需增设沉淀池；
(3)针对于已建成的结晶流化床，本发明所述的回流装置可加设于已有的流化床中，无需改变原来流化床的结构，改造成本低；
(4)整体装置结构简单，维护运行难度小。
附图说明
图1为本发明实施例的所述污水处理装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的另一种所述污水处理装置的结构示意图。
图3为本发明用于磷回收时鸟粪石粉末产品的电镜图。
图4为本发明用于磷回收时鸟粪石颗粒产品的电镜图。
附图中，1—流化区；2—过渡区；3—沉淀区；4—溢流堰；5—回流管；6—回流口；7—回流泵；8—双由令球阀；9—出料口；10—进料口；11—投药管；1101—底部投药口；1102—顶部投药口；1103—主管；1104—支管；12—投药泵；13—储药箱。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置，如图1所示，所述污水处理装置包括流化床主体、回流装置和投药装置，流化床主体由上到下依次设有沉淀区3、过渡区2和流化区1，回流装置通过回流管5与流化床主体连接，回流管5由沉淀区3伸入流化床主体中，并能够通过改变回流管底端的回流口6在流化床主体内的高度而控制结晶产品的粒度。
本发明通过对回流装置的改进，充分利用流化床主体内晶体生长规律和流体流动特点，创造性地提出高度可变的回流管5，即通过改变回流管底端的回流口6在流化床内的高度位置，调节污水中结晶产品的粒度。晶体成核主要发生在流化床底部，而晶体生长和聚并主要位于流化床上部，回流液携带部分微晶，回流到流化床的沉淀区或过渡区，与这部分正在生长、聚并的晶体混合并相互作用，改变最终的产品粒度。
流化区1的顶端与过渡区2相连，过渡区2的顶端与沉淀区3相连，沉淀区的顶部设有溢流堰4。
流化区的底部设有出料口9和四个进料口10，进料口位于出料口的上方。污水由流化床主体的底部进入，经过结晶处理后，从顶部的溢流堰4出水，结晶形成的无机物颗粒从出料口9排出。
沉淀区与流化区的管径比为3:1，沉淀区、过渡区和流化区的高度比为1:0.8:1，过渡区连接在沉淀区与流化区之间，其轴向横截面呈上大下小的梯形。具体的，设计流化床处理负荷为12m3/d，流化区管径0.6m、高度1.2m，过渡区高度0.96m，沉淀区管径1.8m、高度1.2m。
回流装置包括回流口6、可伸缩的回流管5和回流泵7，回流管的一端连接流化区1的底端，另一端设有回流口6，并从沉淀区3的顶部***流化床主体，回流泵连接在回流管中，用于为将流化区的料液部分回流到沉淀区或过渡区提供动力，回流管5前部设有双由令球阀8。
可伸缩的回流管5能够调节回流口在流化床主体内的位置，优选的，回流口的位置的变化范围为沉淀区顶部的溢流液面到过渡区的底部之间。
回流口6为喇叭口形状，底端开口与水平面夹角呈45°，开口半径为沉淀区半径的1/4。
可伸缩的回流管长度调节方式为PVC管活动连接。
回流管设置管道过滤器，滤去进入回流管的小晶体，可加快产品的颗粒化速率，提高最终产品粒度。
回流泵为隔膜泵，可减少水力剪切对进入回流管的微小晶体聚集体的破碎作用，加快产品的颗粒化速率，提高最终产品粒度。
本发明人发现，流化区1的进料区域浓度极高，不可避免地会发生成核形成微晶，此现象在处理高浓度废水时尤为突出。随着结晶反应的进行，流化床内的过饱和度随轴向高度的增加而降低，较低的过饱和度有助于晶体的生长及聚并，晶体成核主要发生在流化床底部，而晶体生长和聚并主要位于流化床上部。依据以上晶体的成核、生长、聚并现象，结合产品粒度需求，调节回流管5***深度，即可灵活调控最终产品粒度，同时提高产品回收率。
投药***包括储药箱13、投药泵12和投药管11，投药管11一端连接储药箱13，另一端分为两路，第一路通过投药泵12从沉淀区3一侧***流化床主体，投药管的第一路***流化床主体内的一端设有顶部投药口1102，投药管的第二路连接流化区1侧壁的中下部，并设有六个底部投药口1101。通过改变顶部投药口在流化床主体内的位置而协助回流管控制结晶产品的粒度。
本发明人发现，通过控制投药管在流化床主体内的投药位置，能够改变流化床主体内不同区域的结晶情况，协助配合回流口在流化床主体内的高度而控制结晶产品的粒度。
实施例2
本实施例提供一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置，如图2所示，沉淀区与流化区的管径比为5:1，沉淀区、过渡区和流化区的高度比为1:2:4，具体的，设计流化床处理负荷为50m3/d，流化区管径0.6m、高度4.0m，过渡区高度2.0m，沉淀区管径3m、高度1.0m。
回流泵为叶轮离心泵。可伸缩的回流管5能够调节回流口在流化床主体内的位置，回流口的位置变化范围为沉淀区顶部的溢流液面以下1/20-1/5处到过渡区的中部。
回流口6为喇叭口形状，底端开口与水平面夹角呈30°，开口半径为沉淀区半径的1/2。
投药口的顶部投药口包括主管1103和四个支管1104，四个支管设在主管的不同高度，每个支管1103设有控制阀，用于控制不同高度的支管进行投药，并且能够实时调节每个支管的投药量，这样，可以在不改变顶部投药口总体高度的情况下，通过控制不同支管的投药，实现调节投药高度的目的。
本实施例的所述污水处理装置的其它结构与实施例1的相同。
实施例3
本实施例提供一种污水处理方法，使用实施例1的污水处理装置，所述方法包括以下步骤：
(1)通过调节所述回流管在流化床主体内的***深度，将所述回流口置于所述过渡区的中部，通过调节所述投药管的第一路在流化床主体内的***深度，将所述顶部投药口置于所述沉淀区内；
(2)从所述进料口向所述流化床主体输入处理木质活性炭的生产废水，废水中磷酸盐浓度为1500mg/L，启动所述回流泵和投药泵，通过底部投药口进行投药，制备微晶，运行参数：pH为8.5，流化区上升流速0.02m/s，沉淀区流速0.002m/s；通过底部投药口投加氮源和镁源，使用氯化铵或氨水作为氮源，氯化镁、硫酸镁或盐卤作为镁源，控制N/P为1.0，Mg/P为1.5，回流比为30；
(3)反应4小时后，调节回流管和投药管的***深度，将回流口提升至距离顶部溢流液面1/20位置，关闭底部投药口，启用顶部投药口，调节顶部投药口置于过渡区，运行期间，鸟粪石产品实现完全截流；
(4)设置排料周期为4天，开启所述出料口，获得鸟粪石产品。
如图3所示，使用本方法所得鸟粪石的粒度均一，粒径为1.0-1.5mm的颗粒的质量百分比高达95％。
实施例4
本实施例提供一种污水处理方法，使用实施例2的污水处理装置，所述方法包括以下步骤：
(1)通过调节所述回流管在流化床主体内的***深度，将所述回流口置于所述过渡区的中部，通过调节所述投药管的第一路在流化床主体内的***深度，将所述顶部投药口置于所述沉淀区内；
(2)从所述进料口向所述流化床主体输入处理畜禽养殖废水，废水中磷酸盐浓度为100mg/L，启动所述回流泵和投药泵，通过底部投药口进行投药，制备微晶，运行参数：pH为8.5，流化区上升流速0.04m/s，沉淀区流速0.002m/s；通过底部投药口投加氮源和镁源，使用氯化铵或氨水作为氮源，氯化镁、硫酸镁或盐卤作为镁源，控制N/P为1.0，Mg/P为1.5，回流比为20；
(3)反应24小时后，调节回流管和投药管的***深度，将回流口提升至距离顶部溢流液面1/5位置，关闭底部投药口，启用顶部投药口，并将顶部投药口上方的两个支管置于过渡区且投药量不变，下方的两个支管关闭，运行期间，鸟粪石产品实现完全截流；
(4)设置排料周期为10天，开启所述出料口，获得鸟粪石产品。
如图4所示，使用本方法所得鸟粪石的粒度均一，粒径为2.8-3.2mm的颗粒的质量百分比高达85％。
实施例5
本实施例提供一种污水处理方法，使用实施例1的污水处理装置，所述方法包括以下步骤：
(1)通过调节所述回流管在流化床主体内的***深度，将所述回流口置于所述过渡区的中部，通过调节所述投药管的第一路在流化床主体内的***深度，将所述顶部投药口置于所述沉淀区内；
(2)从所述进料口向所述流化床主体输入处理含氟废水，废水中氟离子浓度为1000mg/L，启动所述回流泵和投药泵，通过底部投药口进行投药，制备微晶，运行参数：pH为9.0，流化区上升流速0.02m/s，沉淀区流速0.002m/s；通过底部投药口投加氯化钙，控制Ca/F为0.8，回流比为20；
(3)反应6小时后，调节回流管和投药管的***深度，将回流口提升至距离顶部溢流液面1/20位置，关闭底部投药口，启用顶部投药口调节顶部投药口置于过渡区，运行期间，氟化钙产品实现完全截流；
(4)设置排料周期为4天，开启所述出料口，获得氟化钙产品，粒径为1.0-1.5mm颗粒的质量百分比高达83％。
实施例6
本实施例提供一种污水处理方法，使用实施例2的污水处理装置，所述方法包括以下步骤：
(1)通过调节所述回流管在流化床主体内的***深度，将所述回流口置于所述过渡区的中部，通过调节所述投药管的第一路在流化床主体内的***深度，将所述顶部投药口的四个支管均置于所述沉淀区内；
(2)从所述进料口向所述流化床主体输入处理木质活性炭生产废，废水中磷酸盐浓度为2000mg/L，启动所述回流泵和投药泵，通过底部投药口进行投药，制备微晶，运行参数：pH为9.5，流化区上升流速0.01m/s，沉淀区流速0.002m/s；通过底部投药口投加石灰悬浊液或氯化钙溶液，控制Ca/P为3.0，回流比为20；
(3)反应2小时后，调节回流管和投药管的***深度，将回流口提升至距离顶部溢流液面1/5位置，关闭底部投药口，启用顶部投药口，并将顶部投药口的4个支管置于沉淀区的高度范围内均匀设置，投药量相同，运行期间，磷酸钙产品实现完全截流；
(4)设置排料周期为10天，开启所述出料口，获得磷酸钙产品，粒径为0.8-1.2mm颗粒的质量百分比高达80％。

Claims (10)

1.一种能控制产品结晶粒度的污水处理装置，其特征在于，所述污水处理装置包括流化床主体、回流装置和投药装置，所述流化床主体由上到下依次设有沉淀区、过渡区和流化区，所述回流装置通过回流管与流化床主体连接，所述回流管由所述沉淀区伸入流化床主体中，并能够通过改变回流管底端的回流口在流化床主体内的高度而控制结晶产品的粒度。
2.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述流化区的顶端与过渡区相连，所述过渡区的顶端与沉淀区相连，所述沉淀区的顶部设有溢流堰；
所述流化区的底部设有出料口和至少一个进料口，所述进料口位于出料口的上方。
3.根据权利要求2所述的污水处理装置，其特征在于，所述沉淀区与流化区的管径比为(3-5):1，所述沉淀区、过渡区和流化区的高度比为1:(0.8-2):(1-4)；
所述过渡区连接在沉淀区与流化区之间，其轴向横截面呈上大下小的梯形。
4.根据权利要求3所述的污水处理装置，其特征在于，所述回流装置包括回流口、可伸缩的回流管和回流泵，所述回流管的一端连接所述流化区的底端，另一端设有回流口，并从所述沉淀区的顶部***流化床主体，所述回流泵连接在回流管中。
5.根据权利要求4所述的污水处理装置，其特征在于，所述回流口的位置变化范围为沉淀区顶部的溢流液面以下1/20-1/5处到过渡区的中部。
6.根据权利要求5所述的污水处理装置，其特征在于，所述回流口为喇叭口形状，底端开口与水平面夹角呈30-45°，开口半径为沉淀区半径的1/4-1/2。
7.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述投药***包括储药箱、投药泵和投药管，所述投药管一端连接储药箱，另一端分为两路，第一路通过投药泵从所述沉淀区一侧***流化床主体，投药管的第一路***流化床主体内的一端设有顶部投药口，投药管的第二路连接流化区侧壁的中下部，并设有若干个底部投药口。
8.根据权利要求7所述的污水处理装置，其特征在于，所述顶部投药口包括主管和若干个支管，所述若干个支管设在主管的不同高度，每个支管设有控制阀，用于控制不同高度的支管进行投药，并且能够实时调节每个支管的投药量。
9.一种污水处理方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-8所述的污水处理装置，并包括以下步骤：
(1)通过调节所述回流管在流化床主体内的***深度，将所述回流口置于所述过渡区的中部；通过调节所述投药管在流化床主体内的***深度，将所述顶部投药口置于所述沉淀区内；
(2)从所述进料口向所述流化床主体输入污水，启动所述回流泵和投药泵，通过底部投药口进行投药，制备微晶；
(3)反应一段时间后，调节回流管的***深度，将回流口置于流化床主体内的合适位置；启用顶部投料口，调节顶部投药口在不同支管的投药量；
(4)开启所述出料口，获得颗粒状结晶产品。
10.权利要求9所述的污水处理方法在鸟粪石结晶、氟化钙结晶、碳酸钙结晶、磷酸钙结晶体系中的应用。
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