申请日2014.12.23
公开(公告)日2015.04.22
IPC分类号C02F9/08
摘要
本发明涉及一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置，包括外部筒体、收水导流筒、循环回流管及推流循环组件，外部筒体由顺序连接的上部直筒、中部锥筒及底部封头组成，上部直筒外部设置出水槽;收水导流筒位于外部筒体内部中轴线上，由导流筒和收水筒组成;循环回流管由导流直管和进水管组成，导流直管竖直设置，其上端伸入到导流筒内部，下端靠近底部封头，进水管贯穿中部锥筒，并与导流直管连通;推流循环组件包括伸入到导流直管内部的搅拌轴、设置在搅拌轴上的推流叶轮及带动搅拌轴带动的变频电机。与现有技术相比，本装置可以实现反应、回流、颗粒生长、自动筛选、鸟粪石出料、沉淀和排水一体化，设备紧凑、节省占地面积和减少投资。
摘要附图
权利要求书
1.一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置，其特征在于，包括外部 筒体(1)、收水导流筒(2)、循环回流管(4)及推流循环组件(3)，其中，
所述的外部筒体(1)由顺序连接的上部直筒(11)、中部锥筒(12)及底部封 头(13)组成，所述的上部直筒(11)外部设置出水槽(17);
所述的收水导流筒(2)位于外部筒体(1)内部中轴线上，由上下连接的导流 筒(22)和收水筒(21)组成，收水导流筒内部构成回流区(6)，位于收水筒(21) 下沿以下的外部筒体(1)内部区域为鸟粪石颗粒生成区(5)，收水筒(21)下沿 以上至与外部筒体(1)与出水槽(17)相交处之间的区域为沉淀区(7)，外部筒 体(1)内部与出水槽(17)相交以上的区域为出水区(8);
所述的循环回流管(4)由导流直管(41)和进水管(43)组成，所述的导流 直管(41)竖直设置在外部筒体(1)内部中轴线上，其上端伸入到导流筒(22) 内部，下端靠近底部封头(13)，所述的进水管(43)贯穿中部锥筒(12)，并与导 流直管(41)连通;
所述的推流循环组件(3)伸入到导流直管(41)内部;
含磷废水从进水管(43)进入导流直管(41)内，与循环回流水充分混合，在 推流循环组件(3)作用下进入鸟粪石颗粒生成区(5)形成结晶颗粒，大部分水流 从回流区(6)流回导流直管(41)内，小部分水流进入沉淀区(7)，尚未被鸟粪 石颗粒生成区(5)有效截留的初生态鸟粪石在沉淀区(7)分离，沉淀下滑回至鸟 粪石颗粒生成区(5)，而出水继续上行进入出水区(8)排出。
2.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的底部封头(13)的上方正中位置设有固定的导流锥(14)，锥 顶向上伸入到导流直管(41)内部，所述的导流锥(14)的锥角为30～60°，导流 锥(14)与底部封头(13)的连接处加工成流线状，导流锥(14)高度为底部封头 (13)宽度的1/3～2/5。
3.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的中部锥筒(12)采用上宽下窄形结构，其锥角在10～30°之间， 所述的中部锥筒(12)下端设置有出料管(15)。
4.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的上部直筒(11)顶部设有出水堰(19)，上部直筒(11)顶部 外侧与出水槽(17)相接，出水槽(17)环绕上部直筒(11)的四周，出水槽(17) 的槽底呈0.01～0.1的坡度，出水槽(17)的最低处设出水管(18)。
5.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的中部锥筒(12)的外壁中部设置观察视镜(11)。
6.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的导流筒(22)为圆筒形，导流筒(22)的顶端与上部直筒(11) 顶端相齐平，导流筒(22)内径为导流直管(41)内径的2.5～5倍;所述的收水筒 (21)呈下大上小锥筒状，收水筒(21)的收缩角为50～65°，收水筒(21)的下 端外延与中部锥筒(12)内壁间留有一缝隙。
7.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的导流直管(41)下端为喇叭口(42)，喇叭口(42)与底部封 头(13)之间留有间隙。
8.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的推流循环组件(3)包括伸入到导流直管(41)内部的搅拌轴 (34)、设置在搅拌轴(34)上的推流叶轮(35)及带动搅拌轴(34)带动的变频 电机(31);所述的变频电机(31)与减速机(32)连接，减速机(32)通过联轴 器(33)与搅拌轴(34)连接，所述的推流叶轮(35)设置在搅拌轴(34)上，所 述的变频电机(31)与减速机(32)通过机架(37)固定在出水槽(17)上，该机 架(37)同时将收水导流筒(2)顶部与出水槽(17)相连。
9.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的推流叶轮(35)的外延直径与导流直管(41)内径比为0.98～0.90。
10.根据权利要求1所述的一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置， 其特征在于，所述的搅拌轴(34)上设置有扩散体(36)，该扩散体(36)位于推 流叶轮(35)的下方。
说明书
鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置
技术领域
本发明涉及一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置，属于含磷废 (污)水处理及磷资源回收装置。
背景技术
2007年无锡太湖出现了蓝藻爆发事件造成地表水水质恶化、严重威胁当地的 饮用水安全并造成恶劣社会影响等后果，其主因是企业废水、城市废水处理厂尾水 等排放中N、P的超标排放。在我国，工农业中大量的各种含磷原料开发利用，大 部分磷元素通过各种途径进入水体环境造成污染，据统计每年磷直接或间接进入水 体环境高达一百多万吨。与此同时，磷矿已经于2010年被我国国土资源部列为不 能保证需求的矿种之一，在已探明的储量中高品位矿仅能开采10～15年。因此，磷 的可持续利用问题已严峻地摆在了我们面前，从生产、生活中的各个环节实现磷的 人工再循环利用，已成为资源与环境管理方面的热点问题。
以鸟粪石颗粒结晶技术处理回收废(污)水中磷酸盐所得到的产品主要为鸟 粪石(磷酸铵镁，MAP)，MAP是一种白色晶体状物质，分子式为MgNH4PO4·6H2O， 可以通过在含氮、含磷的废(污)水中添加镁离子并控制适宜的pH值形成并得到 结晶颗粒，一方面可去除了废(污)水中的氮、磷污染物,另一方面也兼有磷资源 的回收价值。此外，MAP在自然界中储量极少，是一种高品位的磷矿石，可以作 为工业生产的原料，也可以作为高效的农业缓释肥。在废(污)水处理系统中，在 特定的水质条件下，镁离子(Mg2+)、氨离子(NH4+)和正磷酸盐(PO43-)的浓度 达到过饱和度时，自然形成的结晶沉积并容易引起管道堵塞现象。因此，回收不仅 可以获取有价值的产品，还能有效降低废(污)水处理设施中的氮磷负荷，避免废 (污)水在管道输送过程中产生设备和管道的结晶堵塞，同时避免采用化学法除磷 而实现化学污泥的减量和磷的资源化。然而，传统的颗粒磷结晶法的磷酸盐处理和 回收装置往往存在着装置高度大、制造成本高、需要独立的外部沉淀装置，需在外 部设置单独的回流系统使得工艺设备占地面积大，工程投资大的缺点，不利于推广 利用。
中国专利CN 102690000 A公布了一种用鸟粪石生产工艺回收磷化工废水中磷 的方法，按以下步骤进行：首先将磷化工废水经过初沉池，沉淀去除废水中的杂质， 处理后的废水收集在第一收集槽中;第一收集槽中废水采用一级生石灰法去除废水 中的无机氟离子，处理后的废水收集在第二收集槽中;第二收集槽中废水经过阳离 子交换设备去除废水中的无机阳离子，处理后的离子交换废水收集在第三收集槽 中;最后经离子交换后废水在鸟粪石反应器中，用碱液调节pH值7～9之间，并 投加镁源和氮源，且镁/磷摩尔比为1.0～1.5，氮/磷摩尔比为1.0～1.5，在反应器中 生成结晶状态的磷酸铵镁颗粒肥料。鸟粪石反应器后的出水《废水综合排放标准》 的二级标准，可以直接回用到磷化工生产系统，或者达标排放。上述专利回收废水 中磷的方法工艺繁琐，所需设备占地面积大，工程投资大，运行成本高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、设 备紧凑和效率高的鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
在设计装置构造尺寸和运行技术参数之前，首先应掌握相关含磷废(污)水的 水量和水质指标状况特征，其中水质主要包括正磷(PO43--P)、氨氮(NH4+-N)和 镁离子(Mg2+)的浓度以及原水pH的状况，从经济性上预评估磷回收的经济价值， 并从技术上判断若实施磷高效回收方案时仍所需补充添加的相关化学物质的投加 量和控制条件。一般而言，具有良好的磷回收价值的含磷废(污)水，其正磷浓度 宜大于40mg/L，并随废(污)水中的正磷浓度的增高、水量愈大，其磷回收而产 生的经济效益和环境效益也愈高;同时废(污)水中含有较高浓度的氨氮、镁离子 或适宜的pH值(pH值宜8.3～9.0)也有利于降低辅助药剂的添加成本，提高磷回 收所产生的经济效益。另外对于含悬浮物较多的废(污)水，宜采取表面负荷较低 的预沉池进行悬浮物沉淀预处理，减少磷回收装置的杂质固体负荷，一般而言，预 沉池的表面负荷应小于装置内沉淀区所设计的表面负荷值。
一种鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置，包括外部筒体、收水导流筒、 循环回流管及推流循环组件。其中，所述的外部筒体由顺序连接的上部直筒、中部 锥筒及底部封头组成，所述的中部锥筒下端设置有出料管，出料管上设置有出料阀， 所述的上部直筒外部设置出水槽;所述的收水导流筒位于外部筒体内部中轴线上， 由上下连接的导流筒和收水筒组成;所述的循环回流管由导流直管和进水管组成， 所述的导流直管竖直设置在外部筒体内部中轴线上，其上端伸入到导流筒内部，下 端靠近底部封头，所述的进水管贯穿中部锥筒，并与导流直管连通，所述的进水管 上设置有辅助加药管;所述的推流循环组件包括伸入到导流直管内部的搅拌轴、设 置在搅拌轴上的推流叶轮及带动搅拌轴带动的变频电机。
进一步地，所述的中部锥筒采用上宽下窄形结构，为鸟粪石颗粒生成的主体结 构部分，其锥角在10～30°之间。
为了降低制作成本，底部封头可以采用标准化的定型产品，可以是市场上能购 得的标准椭圆封头或碟形封头。
所述的底部封头的上方正中位置设有固定的导流锥，锥顶向上伸入到导流直管 内部，所述的导流锥的锥角为30～60°，导流锥与底部封头的连接处加工成流线状， 以保证装置使用过程中有良好的水力状态、防止死角和降低阻力损失，导流锥高度 为底部封头宽度的1/3～2/5。
所述的上部直筒顶部设有出水堰，出水堰选择三角堰、矩形堰或淹没出水孔等 多种形式之一，上部直筒顶部外侧与出水槽相接，出水槽环绕上部直筒的四周，出 水槽的槽底呈0.01～0.1的坡度，出水槽的最低处设出水管，用于排放经回收处理后 的出水，出水槽的顶部高出上部直筒顶部200mm～400mm，出水槽呈方形环状。
所述的中部锥筒的外壁中部设置具透视功能的观察视镜，观察视镜材料宜为有 机玻璃或PVC板等，其顶端与收水筒下端齐平，观察视镜高度为300～600mm，其 大小视磷回收装置规格尺寸而定，较大尺寸的装置宜取上限值，观察视镜的作用是 为了方便观察装置在运行期间反应器内部颗粒床形成效果及颗粒层界面状况等。
进一步地，所述的导流筒为圆筒形，导流筒的顶端与上部直筒顶端相齐平，导 流筒内径为导流直管内径的2.5～5倍;所述的收水筒呈下大上小锥筒状，收水筒的 收缩角为50～65°，收水筒的下端外延与中部锥筒内壁间留有一缝隙，其缝隙宽度 宜使过缝隙断面的出水上升流速不大于0.1m/s，导流筒与上部直筒间保证一定的间 距，使得出水上升流速不大于1.0m/s，以保证较好的沉淀效果，防止细小的鸟粪 石颗粒物的流失。
进一步地，导流直管功能是在推流循环装置的作用下，产生向下的水流循环， 其导流直管内径宜使断面内水流流速为0.5～2.0m/s，所述的导流直管下端为喇叭 口，喇叭口作用使得循环水流具有良好的扩散状态，喇叭口与底部封头之间留有间 隙，该间隙宽度宜使缝隙断面流速不小于0.2m/s。进水管与导流直管相接处大致 位于导流直管的中部和收水筒的下侧位置，进水管上设置的辅助加药管根据需要可 选择性添加氨氮、镁盐和碱剂等化学物质，以提高磷酸盐的去除和回收效率。
进一步地，所述的变频电机与减速机连接，减速机通过联轴器与搅拌轴连接， 所述的推流叶轮设置在搅拌轴上，所述的变频电机与减速机通过机架固定在出水槽 上，该机架同时将收水导流筒顶部与出水槽相连。其中变频电机和减速机组成推流 循环的动力机构，并可以通过变频调节控制推流循环装置的转速大小，从而可以在 运行时可根据不同的水质条件使循环流量控制在最佳状态;变频电机和减速机通过 联轴器和搅拌轴将动力传输给推流叶轮，轴流式的推流叶轮迫使水流在管内向下流 动，所述的推流叶轮的外延直径与导流直管内径比为0.98～0.90。
所述的搅拌轴上还设置有扩散体，该扩散体位于推流叶轮的下方。扩散体采用 流线型结构，可使得向下流动的水流流态更顺畅，阻力更小。
上述鸟粪石颗粒结晶法去除废水中磷酸盐的装置在正常运行时，位于收水筒下 沿以下的外部筒体内部区域形成鸟粪石颗粒生成区、收水导流筒内部构成回流区， 收水筒下沿以上至与外部筒体与出水槽相交处之间的区域为沉淀区，外部筒体内部 与出水槽相交以上的区域为出水区。
首先含磷废水从进水管进入，由辅助加药管补充所需要的药剂，进入导流直管 内，与循环回流水充分混合，在推流叶轮的作用下水流在导流直管内自上而下流动 至底部封头后，在导流锥的辅助作用下水流从导流直管底部四周流出，同时改变流 动方向，使得水流在鸟粪石颗粒生成区自下而上反向运动，形成内循环流化状态。 水流经过鸟粪石颗粒生成区再分两部分水流分别进入回流区和沉淀区，沉淀区保证 足够容积和水平断面面积，保证水力停留时间宜不小于1小时，表面负荷宜不大于 1m3/m2.hr，以保证充分的沉淀效果。其中大部分循环水流经收水筒和导流筒又回 流至导流直管内，另外的小部分水流，其水量与废水进水量相当，通过收水筒和中 部锥筒间的缝隙进入沉淀区，尚未被鸟粪石颗粒生成区有效截留的初生态鸟粪石在 沉淀区分离，沉淀至收水筒和中部锥筒的斜坡上，并下滑回至鸟粪石颗粒生成区， 而出水继续上行进入出水区，通过出水堰进入出水槽，最终通过出水管排出，此时 水体中的大多数正磷在鸟粪石生成区内形成结晶颗粒。初生态鸟粪石在鸟粪石颗粒 生成区，晶体逐渐陈化、不断地生长变大，缓慢向下移动，最终大颗粒鸟粪石到达 装置底部，通过开启出料阀由出料管排出，获得大颗粒的鸟粪石成品。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明的外部筒体采用上宽下窄的中部锥筒的结构特征，使得鸟粪石颗粒 生成区内的上升流速可以缓慢连续地由大变小，从而将不同粒径的鸟粪石颗粒自动 筛分开来，形成沿竖直方向自上而下为粒径从小到大的鸟粪石颗粒，出料阀设置在 底部，定期将大颗粒鸟粪石排出，大量的鸟粪石颗粒床有利于悬浮态的磷酸铵镁沉 淀物向颗粒床结晶转移，有效提高装置效率和避免成品鸟粪石结晶颗粒物过小。
2.本发明为鸟粪石颗粒生成、沉淀、循环回流和出水一体化结构形式，无需 外设沉淀区或外设回流装置，大大减少了工艺装置的占地面积和投资成本以及结构 复杂程度，有利于鸟粪石结晶工艺的广泛实施。
3.本发明采用推流循环装置形式，与传统的水泵回流方式相比，具有流量大、 电机装机功率低、无需管道及阀件和效率高等优点，并可以根据水质特点变频调整 电机的转速，从而能有效控制回流量，进一步达到节能目的，有利于降低废水中磷 酸盐在去除和回收过程中的动力消耗，提高经济效益。
4.采用大角度(10～30°)锥角的中部锥筒结构，除了能有效筛选不同粒径鸟 粪石颗粒物外，还使得装置在同样的有效容积或同样的磷酸盐去除能力时，装置高 度大大降低，降低装置的加工和安装难度，也相应地降低了装置的制作成本。
5本发明采取特色的底部封头和导流锥构造，其流水型的结构特征使得循环 回流水能更平顺地进入鸟粪石颗粒生成区，回流和生成区无需管道连接，结构紧凑， 从而提高装置效率。