申请日2013.11.28
公开(公告)日2014.03.26
IPC分类号C01B25/45
摘要
本发明公开了废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置及其动态监测与调控方法。本发明装置：结晶调控器通过排泥管与过滤器连接，过滤器通过泵液管与饱和液缓冲槽连接，饱和液缓冲槽分别与动态监控槽连接和结晶调控器连接，动态监控槽与结晶调控器连接。本发明方法：调控动态监控槽中废水磷素浓度、镁盐浓度和pH值，动态监测并调控鸟粪石诱晶液过饱和状态处于亚稳态，与饱和液缓冲槽加入的晶种在结晶调控器中流化态反应，晶泥经过滤器分离，晶渣外排，饱和液排入饱和液缓冲槽分层后，澄清饱和液排入动态监控槽，沉淀细晶排入结晶调控器。本发明废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置及其动态监测与调控方法，可提高鸟粪石晶析效能，废水磷素晶析效率大于99%。
权利要求书
1.一种废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置，其特征在于：
所述反应装置包括结晶调控器、过滤器、饱和液缓冲槽和动态监控槽;
由上至下，所述结晶调控器包括相连通的养晶罐和集晶罐，所述养晶罐的顶端开 口处连接一溢流堰;
所述动态监控槽包括诱晶液槽、激光发射器、激光接收器和温控器，所述激光发 射器和所述激光接收器分别设置于所述诱晶液槽相对的两侧，所述温控器设置于所述 诱晶液槽的底部;所述诱晶液槽上设有进水管、镁剂进料管和pH值调液管;
所述集晶罐的排泥管与所述过滤器相连通;所述过滤器的液体出口与所述饱和液 缓冲槽相连通;所述饱和液缓冲槽的固体出口与所述养晶罐相连通，所述饱和液缓冲 槽的液体出口与所述诱晶液槽相连通;
所述诱晶液槽的液体出口与所述养晶罐相连通。
2.根据权利要求1所述的循环流化结晶控制反应装置，其特征在于：所述过滤 器为布袋过滤器;
所述布袋过滤器的高径比为0.5～1：1。
3.根据权利要求1或2所述的循环流化结晶控制反应装置，其特征在于：所述 溢流堰具有内外双层的正三角形结构。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的循环流化结晶控制反应装置，其特征在于： 所述养晶罐的高径比为2～4：1;
所述集晶罐的高径比为1～2：1;
所述饱和液缓冲槽的高径比为2～4：1;
所述诱晶液槽的高径比为1～2：1。
5.一种废水磷素增效晶析的动态监测与调控方法，包括如下步骤：
(1)将废水和镁盐溶液加入至权利要求1-4中任一项所述循环流化结晶控制反应 装置中的诱晶液槽中，并通过pH值调节液控制其pH值为8.0～10.0;然后与从所述饱 和液缓冲槽中泵入的澄清鸟粪石饱和液混合得到鸟粪石诱晶液，并通过所述激光发射 器和所述激光接收器监测所述鸟粪石诱晶液为过饱和状态时，将所述鸟粪石诱晶液泵 入至所述养晶罐的底部;
(2)所述饱和液缓冲槽中下层沉淀得到的鸟粪石细晶泵入所述养晶罐的底部， 与步骤(1)中泵入的所述鸟粪石诱晶液进行上升流式流化态反应;经所述流化态反应 后得到上清液和鸟粪石晶泥，所述上清液经所述溢流堰排出，所述鸟粪石晶泥沉淀于 所述集晶罐后排入所述过滤器中;
(3)所述鸟粪石晶泥经所述过滤器过滤后得到鸟粪石饱和液和鸟粪石晶渣;所 述鸟粪石饱和液泵入至所述饱和液缓冲槽中;
(4)所述鸟粪石饱和液在所述饱和液缓冲槽中经静置分层，上层得到所述澄清 鸟粪石饱和液，下层得到所述鸟粪石细晶;
所述澄清鸟粪石饱和液泵入所述诱晶液槽中，所述鸟粪石细晶泵入所述养晶罐 中。
6.根据权利要求5所述的动态监测与调控方法，其特征在于：步骤(1)中，所 述废水中磷酸盐的含量为200～500mg/L;
所述镁盐溶液中镁离子与所述磷酸盐中磷酸根的摩尔比为1～2：1;
所述镁盐为氯化镁或硫酸镁;
所述pH值调节液为氢氧化钠或盐酸溶液。
7.根据权利要求5或6所述的动态监测与调控方法，其特征在于：步骤(1)中， 所述激光发射器以波长为632.8nm、输出功率为1～5mW的激光信号透射所述诱晶液 槽，并用所述激光接收器接收激光信号;
加热所述诱晶液槽中的鸟粪石诱晶液，所述激光接收器接收到的激光信号逐渐增 强至信号稳定时，冷却所述诱晶液槽中的鸟粪石诱晶液，当所述激光接收器接收到的 激光信号开始降低时，即得到过饱和状态的鸟粪石诱晶液。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的动态监测与调控方法，其特征在于：步骤(2) 中，
泵入的所述鸟粪石细晶与泵入的所述鸟粪石诱晶液的体积比为1：10～50;
所述流化态反应的时间为1～3h，温度为10～60℃;
所述鸟粪石诱晶液与所述鸟粪石细晶的混合液的上升流速为0.1～1m/min;
所述集晶罐采用间歇式方式排出所述鸟粪石晶泥。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的动态监测与调控方法，其特征在于：步骤(3) 中，所述过滤器过滤时的压力为0.1～0.3Mpa，且采用间歇式方式进行过滤。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的动态监测与调控方法，其特征在于：步骤 (4)中，所述鸟粪石饱和液在所述饱和液缓冲槽中静置的时间为1～3h。
说明书
一种废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置及其动态监测与调控方法
技术领域
本发明涉及一种废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置及其动态监测 与调控方法，属于农业资源环境技术领域。
背景技术
近年，随着全球经济社会的迅猛发展，环境污染与资源紧张的矛盾日益严重，大 量含磷废水的过量排放，不仅造成水体富营养化情况日益加剧，而且造成磷素资源的 巨大浪费。从废水中回收磷素资源，对于解决全球范围日益严峻的环境污染问题和人 类可持续发展问题，具有非常重要的意义。因此，废水磷素回收技术的开发与应用， 成为目前资源环境领域的重要内容。
磷素晶析技术通过投加成晶剂镁盐，与废水中磷素结晶，生成鸟粪石晶体而被回 收，回收产品鸟粪石是良好的肥料资源，相比于过磷酸钙等常规磷肥，具有重金属含 量低、释放周期长、植物吸收效率高，无环境二次污染等优点。因此，磷素晶析技术 已成为废水磷素高效回收的国内外研究热点方向。
国内外学者在磷素晶析的最佳结晶条件、反应器构造、数学建模等方面开展了深 入的研究工作。但是，由于废水存在大量可溶性有机质和无机杂质，使鸟粪石以异相 结晶的方式析出，导致大量鸟粪石细晶形成而随出水流失，影响磷素回收效率，是目 前该技术能否推广应用的焦点问题。
针对此问题，国内外学者通过添加石英砂、不锈钢等晶种的方法，增加了鸟粪石 结晶的介稳区宽度，使鸟粪石结晶过饱和状态易处于介稳区之间，促进鸟粪石结晶造 粒，可有效防止细晶流失，提高废水磷素回收效率。但是，石英砂、不锈钢等晶种的 添加会降低鸟粪石晶体纯度，影响其农用价值。因此，国内外学者进一步采用鸟粪石 晶粒作晶种，可避免其它材质作晶种影响磷素产品鸟粪石纯度的缺点。专利 CN202297252U公开了一种低能耗一体化氮磷回收装置，内置鸟粪石晶种颗粒，提高 了磷素回收率。
但是，由于废水水质水量、镁盐加药方式、pH值调控方式等诸多因素会造成鸟 粪石结晶过饱和状态发生动态变化，现有投加鸟粪石晶粒作晶种的技术无法动态调控 结晶介稳区位置和宽度，难以高效结晶造粒，影响磷素晶析效能。因此，开发设计一 种废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置，进行动态监测与调控，高效能鸟 粪石结晶造粒，实现磷素的增效晶析，成为研究与实践的重点内容，目前未见文献报 道和专利公开。
发明内容
本发明的目的是提供一种废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置及其 动态监测与调控方法，有效克服鸟粪石晶析易受废水水质水量、镁盐加药方式、pH值 调控方式等因素影响，难以监测鸟粪石结晶过饱和状态，无法有效调控鸟粪石结晶造 粒过程，晶析效能有限等问题。
本发明所提供的一种废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置，它包括结 晶调控器、过滤器、饱和液缓冲槽和动态监控槽;
由上至下，所述结晶调控器包括相连通的养晶罐和集晶罐，所述养晶罐的顶端开 口处连接一溢流堰;
所述动态监控槽包括诱晶液槽、激光发射器、激光接收器和温控器，所述激光发 射器和所述激光接收器分别设置于所述诱晶液槽相对的两侧，所述温控器设置于所述 诱晶液槽的底部;所述诱晶液槽上设有进水管、镁剂进料管和pH值调液管;
所述集晶罐的排泥管与所述过滤器相连通;所述过滤器的液体出口与所述饱和液 缓冲槽相连通;所述饱和液缓冲槽的固体出口与所述养晶罐相连通，所述饱和液缓冲 槽的液体出口与所述诱晶液槽相连通;
所述诱晶液槽的液体出口与所述养晶罐相连通。
上述的循环流化结晶控制反应装置中，所述过滤器为布袋过滤器;
所述布袋过滤器的高径比可为0.5～1：1。
上述的循环流化结晶控制反应装置中，所述溢流堰具有内外双层的正三角形结 构。
上述的循环流化结晶控制反应装置中，所述养晶罐的高径比可为2～4：1;
所述集晶罐的高径比为1～2：1;
所述饱和液缓冲槽的高径比可为2～4：1;
所述诱晶液槽的高径比可为1～2：1。
本发明进一步提供了一种废水磷素增效晶析的动态监测与调控方法，包括如下步 骤：
(1)将废水和镁盐溶液加入至所述循环流化结晶控制反应装置中的诱晶液槽中， 并通过pH值调节液控制其pH值为8.0～10.0;然后与从所述饱和液缓冲槽中泵入的澄 清鸟粪石饱和液混合得到鸟粪石诱晶液，并通过所述激光发射器和所述激光接收器监 测所述鸟粪石诱晶液为过饱和状态时，将所述鸟粪石诱晶液泵入至所述养晶罐的底部;
(2)所述饱和液缓冲槽中下层沉淀得到的鸟粪石细晶泵入所述养晶罐的底部， 与步骤(1)中泵入的所述鸟粪石诱晶液进行上升流式流化态反应;经所述流化态反应 后得到上清液和鸟粪石晶泥，所述上清液经所述溢流堰排出，所述鸟粪石晶泥沉淀于 所述集晶罐后排入所述过滤器中;
(3)所述鸟粪石晶泥经所述过滤器过滤后得到鸟粪石饱和液和鸟粪石晶渣;所 述鸟粪石饱和液泵入至所述饱和液缓冲槽中;
(4)所述鸟粪石饱和液在所述饱和液缓冲槽中经静置分层，上层得到所述澄清 鸟粪石饱和液，下层得到所述鸟粪石细晶;
所述澄清鸟粪石饱和液泵入所述诱晶液槽中，所述鸟粪石细晶泵入所述养晶罐 中。
上述的动态监测与调控方法中，步骤(1)中，所述废水中磷酸盐的含量可为 200～500mg/L;
所述镁盐溶液中镁离子与所述磷酸盐中磷酸根的摩尔比可为1～2：1;
所述镁盐可为氯化镁或硫酸镁;
所述pH值调节液可为氢氧化钠或盐酸溶液。
上述的动态监测与调控方法中，步骤(1)中，所述激光发射器以波长为632.8nm、 输出功率为1～5mW的激光信号透射所述诱晶液槽，并用所述激光接收器接收激光信 号;
加热所述诱晶液槽中的鸟粪石诱晶液，所述激光接收器接收到的激光信号逐渐增 强至信号稳定时，冷却所述诱晶液槽中的鸟粪石诱晶液，当所述激光接收器接收到的 激光信号开始降低时，即得到过饱和状态的鸟粪石诱晶液。
上述的动态监测与调控方法中，步骤(2)中，
泵入的所述鸟粪石细晶与泵入的所述鸟粪石诱晶液的体积比可为1：10～50，具体 可为1：10、1：20、1：30或1：50;
所述流化态反应的时间可为1～3h，具体可为1h、2h或3h，温度为10～60℃，具 体可为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃或60℃;
所述鸟粪石诱晶液与鸟粪石细晶的混合液的上升流速可为0.1～1m/min，具体可为 0.1～0.5m/min、0.1m/min或1m/min;
所述集晶罐采用间歇式方式排出所述鸟粪石晶泥，如每个周期包括排泥0.5～1.5h、 空载0.5～1.5h。
上述的动态监测与调控方法中，步骤(3)中，所述过滤器过滤时的压力可为 0.1～0.3Mpa，且采用间歇式方式进行过滤，如每个周期包括排泥0.5～1.5h、空载 0.5～1.5h，空载期间用于更换过滤袋并收集鸟粪石晶渣。
上述的动态监测与调控方法中，步骤(4)中，所述鸟粪石饱和液在所述饱和液 缓冲槽中静置的时间可为1～3h，具体可为1h、2h或3h。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种废水磷素增效晶析的循环流化结晶控制反应装置及其动 态监测与调控方法，可以提高鸟粪石晶析效能，废水磷素晶析效率大于99%。
(2)本发明中采用激光透射响应法，可以动态监测鸟粪石诱晶液过饱和状态。
(3)本发明中采用循环流化结晶控制反应装置，可以动态调控鸟粪石结晶造粒 过程。