CN112551500A - 一种由含磷废水制备鸟粪石的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由含磷废水制备鸟粪石的方法，所述方法使用流化床作为生产设备，所述方法包括：根据目标鸟粪石的粒径确定首次投加晶种的粒径；根据流化床的流化段体积确定首次投加的晶种量；根据含磷废水的磷负荷和首次投加晶种的粒径确定目标鸟粪石的出料周期；出料时目标鸟粪石的粒径以下的颗粒作为晶种再次投加回流化床。所述根据目标鸟粪石的粒径确定首次投加晶种的粒径，包括：根据目标鸟粪石的粒径确定流化床的上升流速；根据所述上升流速确定首次投加晶种的最小粒径；所述首次投加晶种的粒径介于所述最小粒径和1/4‑1/2的目标鸟粪石的粒径之间。

Description

一种由含磷废水制备鸟粪石的方法
技术领域
本发明涉及水污染控制与资源再生技术领域，尤其涉及一种由含磷废水制备鸟粪石的方法。
背景技术
磷是生命体不可或缺的重要元素，也是重要的化工原料。由于磷在自然界的单向流动性和磷矿的分布不均，磷短缺问题越发凸显，实现磷的循环利用十分必要；另一方面，磷是造成水体富营养化的主控因子，严重危害到农业、渔业、旅游业等行业的健康发展，而且对食品和饮用水安全构成了极大威胁。因此从废水回收磷可以实现磷污染治理和资源再生利用的双重目的。
鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)结晶法可以高效地去除和回收废水中高浓度磷，所得的鸟粪石产品是一种高品位的缓释磷肥，被认为是最有可能实现商业化生产的一种磷资源回收技术。
流化床是制备高品质鸟粪石产品的结晶装置，其影响因素除了常规的pH、Mg/N/P、回流比和上升流速外，晶种的投加也至关重要。与搅拌式结晶器不同，流化床中投加的晶种既要能流化诱导结晶，又不能被上升水流带走，还要实现拦截微晶自我生长的目的。因此鸟粪石流化床的磷去除效果及产品质量很大程度上取决于晶种的投加。
然而，有关鸟粪石流化床晶种的投加方法尚无精确计量的方法，投加量与投加粒径也多凭经验。目前，当投加相同粒径的鸟粪石晶种时，所有晶种所处的水力学和热力学条件相当，具有相同的生长速率，导致所生成的鸟粪石产品粒度均一，产品长到一定粒度进行收集后，需再次投加晶种。此类晶种投加方式无法保证装置运行的连续性。同时，晶种的投加还需兼顾水力条件，如确保小粒径晶种不流失，大粒径晶种易流化等。本领域需要一种根据制备鸟粪石颗粒的目标产品粒径，即可确定流化床生产工艺的方法。
发明内容
本发明实施例提供一种由含磷废水制备鸟粪石的方法，所述方法使用流化床作为生产设备，所述方法包括：
根据目标鸟粪石的粒径确定首次投加晶种的粒径；
根据流化床的流化段体积确定首次投加的晶种量；
根据含磷废水的磷负荷和首次投加晶种的粒径确定目标鸟粪石的出料周期；
出料时目标鸟粪石的粒径以下的颗粒作为晶种再次投加回流化床。
本发明在生产目标粒径的鸟粪石的实现过程中，根据目标鸟粪石的粒径，便可以确定首次投加晶种的粒径，从而可以有效降低不同工艺条件(首次投加晶种的粒径)对目标鸟粪石的粒径影响的工作量，且能提高目标鸟粪石粒径的控制精度。
可选地，所述根据目标鸟粪石的粒径确定首次投加晶种的粒径，包括：
根据目标鸟粪石的粒径确定流化床的上升流速；
根据所述上升流速确定首次投加晶种的最小粒径；
所述首次投加晶种的粒径介于所述最小粒径和1/4-1/2的目标鸟粪石的粒径之间。
为了晶种的截留及目标鸟粪石的流化，流化床的上升流速需介于最大目标鸟粪石颗粒的最小流化速度(up-mf)及最小晶种的带出速度(us-t)之间，在该实施方式中，通过目标鸟粪石的粒径便可以流化床的上升流速，即最小流化速度(up-mf)，再以目标鸟粪石颗粒的最小流化速度作为最小粒径晶种的带出速度，从而在目标鸟粪石的粒径与首次投加晶种的最小粒径之间建立了联系，进而无需大量实验或凭经验判断就可以确定首次投加晶种的最小粒径，同时有效提高目标鸟粪石的粒径的控制精度和均一度。
可选地，根据所述目标鸟粪石的粒径，采用下式确定所述流化床的上升流速：
Figure BDA0002788247460000031
式中，μl、ρl分别为水的粘度(Pa·s)和密度(kg/m3)，dp为目标鸟粪石的粒径(m)，Rep-mf为目标鸟粪石颗粒的临界雷诺数，可通过下式进行估算：
Rep-mf＝(25.282+0.0571Arp)0.5-25.28
式中，Arp为目标鸟粪石的阿基米德数：
Figure BDA0002788247460000032
式中，ρs为鸟粪石的密度(kg/m3)，g为重力加速度。
可选地，将所述上升流速up-mf作为最小粒径晶种的带出速度，确定所述首次投加晶种的最小粒径；
采用下式确定所述首次投加晶种的最小粒径：
Figure BDA0002788247460000033
式中，us-t等于up-mf(m/s)，Ret为沉降雷诺数，可通过下式进行估算：
Figure BDA0002788247460000034
式中，Ars为最小晶种的阿基米德数：
Figure BDA0002788247460000035
使用Matlab联立上述各个公式，可求得首次投加晶种的最小粒径。
可选地，所述首次投加晶种的粒径介于所述最小粒径和1/3的目标鸟粪石的粒径之间。
本发明中投加具有一定粒径分布的晶种，能够在相同的水力条件下，实现不同粒径鸟粪石晶种在流化床内的空间分层：粒径较大的晶种在流化床下方，结晶速度快，优先出料；粒径较小的晶种在流化床上方，结晶速度慢，在结晶过程中逐渐下落，使得整个生产周期延长。由于流化床底部物料浓度高，结晶速率快，因此，底层流化的大粒径鸟粪石生长速率略高于顶层流化的小粒径鸟粪石。当底层鸟粪石颗粒生长至目标粒径并收集后，顶层鸟粪石颗粒落至底层继续生长。本发明通过控制投加不同粒径的鸟粪石晶种，可以实现目标鸟粪石的连续生产，同时所需的晶种补充周期大大延长。
可选地，所述首次投加的晶种量为流化床的流化段体积的10-40％，所述晶种不仅可以诱导结晶，还可以起到类似滤床的作用，拦截由于局部过饱和所生成的细小鸟粪石微晶，从而提高流化床的总磷去除效果。
可选地，所述首次投加晶种通过搅拌式反应器或流化床制备，或通过商品化的鸟粪石颗粒经过破碎获得，例如将鸟粪石颗粒通过破碎机或搅拌机进行破碎，得到上述粒径范围内的晶种。
可选地，根据含磷废水的磷负荷和首次投加晶种的粒径确定目标鸟粪石的出料周期，采用下式确定所述出料周期：
Figure BDA0002788247460000041
式中，N为目标鸟粪石的出料周期(天)，V为晶种投加量(L)，Cp为含磷废水的初始磷浓度(g/L)，Q为流化床中的废水流量(L/h)，ds为首次投加晶种的粒径平均值(m)；晶种投加量为流化床的流化段体积的10-40％。
当含磷废水的初始磷浓度为10-100mg/L时，a为3.62，b为2.58，c为6.10；
当含磷废水的初始磷浓度为101-500mg/L时，a为2.37，b为1.26，c为1.69；
当含磷废水的初始磷浓度为501-1000mg/L时，a为1.29，b为0.83，c为7.03。
本发明所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，创造性地在目标鸟粪石粒径与首次投加晶种的粒径、晶种量、目标鸟粪石的出料周期之间建立了定量关系，以最终需要的目标鸟粪石的粒径为导向，通过计算即可确定工艺初始条件，这种方法简单易行，能够精确地控制目标鸟粪石的粒径，提高产品均一度。其中，从目标鸟粪石的粒径通过流化床的上升流速建立与最小粒径之间的关系，并提出首次投加晶种的粒径范围和投加量，目标鸟粪石的出料周期则与含磷废水的初始磷浓度和首次投加晶种的粒径建立联系，得出了定量关系。该方法可以避免复杂的流化床设计，在维持高效稳定的磷去除效果的同时，定向制备目标粒径的鸟粪石颗粒，并保证目标鸟粪石生产的连续性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施例。应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
实施例1
本实施例提供一种由含磷废水制备鸟粪石的方法，采用实用新型专利201621141403.9“一种鸟粪石流化结晶装置”的一段式流化床处理养猪废水，废水的初始pH值为6.5，NH4 +和PO4 3-浓度分别为340mg/L和60mg/L。
所述方法包括：
(一)根据目标鸟粪石的粒径确定首次投加晶种的粒径：
(1)根据所述目标鸟粪石的粒径，采用下式确定所述流化床的上升流速：
Figure BDA0002788247460000051
式中，μl、ρl分别为水的粘度(Pa·s)和密度(kg/m3)，dp为目标鸟粪石的粒径(4.5mm)，Rep-mf为目标鸟粪石的颗粒的临界雷诺数，可通过下式进行估算：
Rep-mf＝(25.282+0.0571Arp)0.5-25.28
式中，Arp为目标鸟粪石的阿基米德数：
Figure BDA0002788247460000061
式中，ρs为鸟粪石的密度(kg/m3)，g为重力加速度。
经过计算目标粒径鸟粪石的上升流速up-mf为0.033mm/s。
(2)根据所述上升流速确定首次投加晶种的最小粒径：将上升流速up-mf为0.033mm/s作为最小晶种的us-t，采用下式确定所述首次投加晶种的最小粒径：
Figure BDA0002788247460000062
式中，us-t等于up-mf(m/s)，Ret为沉降雷诺数，可通过下式进行估算：
Figure BDA0002788247460000063
式中，Ars为最小晶种的阿基米德数：
Figure BDA0002788247460000064
使用Matlab联立上述各个公式，可求得首次投加晶种的最小粒径为0.45mm。
(3)所述首次投加晶种的粒径介于所述最小粒径和1/3的目标产品粒径之间，即0.45-1.5mm。
(二)根据流化床的流化段体积确定首次投加的晶种量：所述首次投加的晶种量为流化床的流化段体积300L的10％，即30L；
首次投加的晶种(鸟粪石颗粒)通过破碎机进行破碎得到；
(三)根据含磷废水的磷负荷和首次投加晶种的粒径确定目标鸟粪石的出料周期，采用下式确定所述目标鸟粪石的出料周期：
Figure BDA0002788247460000071
式中，N为目标鸟粪石的出料周期(天)，V为晶种投加量(30L)，Cp为含磷废水的初始磷浓度(0.06g/L)，Q为流化床中的废水流量(300L/h)，ds为首次投加晶种的粒径平均值(0.975×10-3m)；
当含磷废水的初始磷浓度为10-100mg/L时，a为3.62，b为2.58，c为6.10；
经过计算得到出料周期为3天；
(四)出料时目标鸟粪石的粒径(4.5mm)以下的颗粒作为晶种再次投加回流化床。
其它工艺条件为Mg:N:P为1.2:1:1，pH为9.0，回流比(回流流量/废水流量)为20。装置总磷去除率稳定在92％，3天出料一次可使目标鸟粪石的粒径稳定在4.5-5.0mm，并且可使装置长期稳定运行。
实施例2
本实施例的由含磷废水制备鸟粪石的方法和生产装置与实施例1相同，本实施例处理某活性炭厂磷酸废水，废水的初始pH值为2.0，NH4 +和PO4 3-浓度分别为26.4mg/L和1000mg/L。设置目标鸟粪石的粒径为2.5mm。
经过计算目标粒径鸟粪石的上升流速up-mf为0.020mm/s，以此作为上升流速，即最小晶种的us-t，计算得到首次投加晶种的最小粒径为0.32mm。
首次投加晶种的粒径介于最小粒径和1/2的目标鸟粪石的粒径之间，即0.32-1.25mm，首次晶种投加量为流化段体积33L的30％，即9.9L。
流化床中的废水流量为33L/h，首次投加晶种的粒径平均值为0.785×10-3m，目标鸟粪石的出料周期为2天。
出料时目标鸟粪石的粒径(2.5mm)以下的颗粒作为晶种再次投加回流化床。其它工艺条件为Mg:N:P为1:1:1，pH为8.5，回流比(回流流量/废水流量)为30。装置总磷去除率稳定在90％，2天出料一次可使目标鸟粪石的粒径稳定在2.5-3.0mm，并且可使装置长期稳定运行。
实施例3
本实施例的由含磷废水制备鸟粪石的方法和生产装置与实施例1相同，本实施例处理污泥厌氧消化上清液，废水的初始pH值为7.1，NH4 +和PO4 3-浓度分别为790mg/L和120mg/L。设置目标鸟粪石的粒径为3.0mm。
经过计算目标粒径鸟粪石的上升流速up-mf为0.024mm/s，以此作为上升流速，即最小晶种的us-t，计算得到首次投加晶种的最小粒径为0.36mm。
首次投加晶种的粒径介于最小粒径和1/4的目标鸟粪石的粒径之间，即0.36-0.75mm，首次晶种投加量为流化段体积500L的40％，即200L。
流化床中的废水流量为500L/h，首次投加晶种的粒径平均值为0.555×10-3m，目标鸟粪石的出料周期为5天。
出料时目标鸟粪石的粒径(3.0mm)以下的颗粒作为晶种再次投加回流化床。其它工艺条件为Mg:N:P为1.1:1:1，pH为9.5，回流比(回流流量/废水流量)为10。装置总磷去除率稳定在96％，5天出料一次可使目标鸟粪石的粒径稳定在3.0-3.5mm，并且可使装置长期稳定运行。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种由含磷废水制备鸟粪石的方法，所述方法使用流化床作为生产设备，其特征在于，所述方法包括：
根据目标鸟粪石的粒径确定首次投加晶种的粒径；
根据流化床的流化段体积确定首次投加的晶种量；
根据含磷废水的磷负荷和首次投加晶种的粒径确定目标鸟粪石的出料周期；
出料时目标鸟粪石的粒径以下的颗粒作为晶种再次投加回流化床。
2.如权利要求1所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，所述根据目标鸟粪石的粒径确定首次投加晶种的粒径，包括：
根据目标鸟粪石的粒径确定流化床的上升流速；
根据所述上升流速确定首次投加晶种的最小粒径；
所述首次投加晶种的粒径介于所述最小粒径和1/4-1/2的目标鸟粪石的粒径之间。
3.如权利要求2所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，根据所述目标鸟粪石的粒径，采用下式确定所述流化床的上升流速：
Figure FDA0002788247450000011
式中，μl、ρl分别为水的粘度和密度，dp为目标鸟粪石的粒径，Rep-mf为目标鸟粪石颗粒的临界雷诺数，可通过下式进行估算：
Rep-mf＝(25.282+0.0571Arp)0.5-25.28
式中，Arp为目标鸟粪石的阿基米德数：
Figure FDA0002788247450000012
式中，ρs为鸟粪石的密度，g为重力加速度。
4.如权利要求3所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，将所述上升流速up-mf作为最小粒径晶种的带出速度us-t，确定所述首次投加晶种的最小粒径；
采用下式确定所述首次投加晶种的最小粒径：
Figure FDA0002788247450000021
式中，Ret为沉降雷诺数，可通过下式进行估算：
Figure FDA0002788247450000022
式中，Ars为最小晶种的阿基米德数：
Figure FDA0002788247450000023
5.如权利要求4所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，所述首次投加晶种的粒径介于所述最小粒径和1/3的目标鸟粪石的粒径之间。
6.如权利要求2所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，所述首次投加的晶种量为流化床的流化段体积的10-40％。
7.如权利要求5所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，所述首次投加晶种通过搅拌式反应器或流化床制备，或通过商品化的鸟粪石颗粒经过破碎获得。
8.如权利要求6所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，根据含磷废水的磷负荷和首次投加晶种的粒径确定目标鸟粪石的出料周期，采用下式确定所述出料周期：
Figure FDA0002788247450000024
式中，N为目标鸟粪石的出料周期，V为晶种投加量，Cp为含磷废水的初始磷浓度，Q为流化床中的废水流量，ds为首次投加晶种的粒径平均值。
9.如权利要求8所述的由含磷废水制备鸟粪石的方法，其特征在于，当含磷废水的初始磷浓度为10-100mg/L时，a为3.62，b为2.58，c为6.10；
当含磷废水的初始磷浓度为101-500mg/L时，a为2.37，b为1.26，c为1.69；
当含磷废水的初始磷浓度为501-1000mg/L时，a为1.29，b为0.83，c为7.03。
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