申请日2004.02.13
公开(公告)日2007.05.16
IPC分类号C02F1/52; B01D9/00; B01J8/24; C02F101/10; C02F101/16
摘要
从废水中除去磷和氮的流化床反应器(14)，其含有包含若干区段(15A、15B、15C、15D)的柱体。柱体的直径在区段之间阶梯式改变。在最低的一个区段中保持超过100cm/min的流速，在随后的区段中保持较低的流速。鸟粪石过饱和率部分地通过从柱体的出口回收废水来控制。周期性地从柱体的底部除去鸟粪石丸粒。
权利要求书
1.用于除去废水中溶解物的流化床反应器，该反应器包括
柱体，所述柱体包括基本上垂直定向的管道，所述管道包含收集段和位于收集段之上的至少两个垂直连续段，在所述区段的相邻段之间管道的横截面积增加;
柱体中废水的入口，在收集段之中或之下;和
回收通道，从管道上部的出口延伸到入口。
2.根据权利要求1的流化床反应器，其中在所述区段的相邻段之间管道的横截面积阶梯式增加。
3.根据权利要求2的流化床反应器，其中入口基本上垂直定向，设计来指引流入废水的湍性射流向上进入柱体。
4.根据权利要求3的流化床反应器，其包括位于收集段中混合区之上的pH传感器。
5.根据权利要求4的流化床反应器，其包括连接来接收来自pH传感器的信号的pH控制系统，所述pH控制系统连接来控制计量装置，所述计量装置设计来将碱性物质引入到柱体中pH传感器下方，对来自pH控制器的pH控制输入做出响应。
6.根据权利要求5的流化床反应器，其中pH控制器设计来控制pH传感器处的pH值为7.4-8.5。
7.根据权利要求5的流化床反应器，其中pH控制器设计来控制pH传感器的pH值小于8。
8.根据权利要求1的流化床反应器，其中顶部区段的横截面积与收集段的横截面积之比为至少10∶1。
9.根据权利要求2的流化床反应器，其中顶部区段的横截面积与收集段的横截面积之比为至少10∶1。
10.根据权利要求9的流化床反应器，其中顶部区段的横截面积与收集段的横截面积之比超过20∶1。
11.根据权利要求8的流化床反应器，其中顶部区段的横截面积与收集段的横截面积之比超过20∶1。
12.根据权利要求10的流化床反应器，其中在所述区段的相邻段之间管道的横截面积以至少1的系数阶梯式增加。
13.根据权利要求8的流化床反应器，其中在所述区段的相邻段之间管道的横截面积以至少1的系数阶梯式增加。
14.根据权利要求1的流化床反应器，包括位于回收通道中的澄清器。
15.根据权利要求1的流化床反应器，包括位于回收通道中的气提器。
16.根据权利要求1的流化床反应器，包括位于与回收通道分离的气提通道中的气提器。
17.根据权利要求1的流化床反应器，包括设计来至少部分地通过控制将废水经由回收通道引入到柱体中的速率与将废水引入到柱体中的的总速率之回收比来控制收集段中鸟粪石、鸟粪石类似物或磷酸盐化合物过饱和率的过饱和控制器。
18.根据权利要求17的流化床反应器，其中过饱和控制器设计来控制过饱和率的值为2-5。
19.根据权利要求17的流化床反应器，其中过饱和控制器设计来控制过饱和率的值为3-4。
20.根据权利要求17的流化床反应器，其中过饱和控制器连接来控制计量装置，所述计量装置设计来将含阳离子的溶液引入到柱体中，对来自过饱和控制器的阳离子控制输入做出响应。
21.根据权利要求16的流化床反应器，其中过饱和控制器连接来控制计量装置，所述计量装置设计来将含阳离子的溶液引入到柱体中，对来自过饱和控制器的阳离子控制输入做出响应。
22.根据权利要求16的流化床反应器，其中过饱和控制器连接来控制计量装置，所述计量装置设计来将含氨的溶液引入到柱体中，对来自过饱和控制器的氨控制输入做出响应。
23.根据权利要求16的流化床反应器，包括连接来控制将废水引入到柱体中的总速率达到一定值的流量控制器，所述值使得收集段内的平均向上流体速度为至少400cm/min。
24.根据权利要求1的流化床反应器，包括位于柱体内的隔离阀，以隔离收集段的至少是主要部分。
25.根据权利要求24的流化床反应器，包括连接来在隔离阀关闭时将流体从输入端导向柱体中隔离阀之上的位置处的旁路管道。
26.根据权利要求1的流化床反应器，其中收集段之上的至少两个垂直连续段包括三个或更多区段。
27.根据权利要求2的流化床反应器，其中收集段之上的至少两个垂直连续段包括三个或更多区段。
28.根据权利要求27的流化床反应器，其中在所述区段的相邻段之间管道的横截面积以至少1的系数阶梯式增加。
29.根据权利要求1的流化床反应器，其中在紧邻顶部区段的区段和顶部区段之间管道的横截面积以至少5的系数阶梯式增加。
30.根据权利要求1的流化床反应器，其中柱体的高度为至少5米。
31.根据权利要求1的流化床反应器，其中柱体中区段的横截面是圆形的。
32.根据权利要求1的流化床反应器，其中管道在所述区段的相邻段之间具有阶梯状过渡。
33.从废水中提取磷和氮中的一种或两种的方法，该方法包括：
将废水引入到柱体中，所述柱体包括基本上垂直定向的管道，所述管道包含收集段和收集段之上的至少两个垂直连续段，其中在所述区段的相邻段之间管道的横截面积增加;
保持收集段中鸟粪石、鸟粪石类似物或磷酸盐化合物的过饱和状态;
回收流经柱体的废水，同时至少部分地通过控制将废水回收进入柱体的速率与将废水引入到柱体中的总速率之回收比来控制收集段中鸟粪石、鸟粪石类似物或磷酸盐化合物的过饱和率;和
从收集段中提取在柱体内形成的丸粒。
34.根据权利要求33的方法，其中在所述区段的相邻段之间管道的横截面积阶梯式增加。
35.根据权利要求34的方法，其中在所述区段的相邻段之间管道的横截面积以至少1的系数阶梯式增加。
36.根据权利要求33的方法，其中保持过饱和状态包括保持收集段内的过饱和率为2-5。
37.根据权利要求36的方法，其中保持过饱和状态包括保持收集段内的pH为7.4-8.5。
38.根据权利要求36的方法，其中保持过饱和状态包括保持收集段内的pH不超过8。
39.根据权利要求33的方法，其中保持过饱和状态包括保持收集段内的过饱和率为3-4。
40.根据权利要求33的方法，其中所述丸粒包括鸟粪石丸粒。
41.根据权利要求33的方法，其中所述丸粒包括鸟粪石类似物丸粒。
42.根据权利要求41的方法，其中鸟粪石类似物是磷酸镁钾。
43.根据权利要求33的方法，其中保持过饱和状态包括将阳离子溶液可控制地引入到柱体中。
44.根据权利要求43的方法，其中阳离子溶液包含镁离子。
45.根据权利要求33的方法，包括保持收集段内镁和氨的浓度高于磷酸盐的浓度。
46.根据权利要求33的方法，包括保持收集段内镁和磷酸盐的浓度高于氨的浓度。
47.根据权利要求45的方法，包括将氨溶液加入到柱体中。
48.根据权利要求35的方法，包括保持收集段内的平均向上流速为至少400cm/min。
49.根据权利要求48的方法，包括保持顶部区段内的平均向上流速不超过75cm/min。
50.根据权利要求48的方法，包括保持收集段内的平均向上流速与顶部区段内的平均向上流速之比为至少10∶1。
51.根据权利要求50的方法，包括保持收集段内的平均向上流速与顶部区段内的平均向上流速之比为至少20∶1。
52.根据权利要求33的方法，包括保持收集段内的平均向上流速为至少400cm/min。
53.根据权利要求52的方法，包括保持顶部区段内的平均向上流速不超过75cm/min。
54.根据权利要求53的方法，包括保持收集段内的平均向上流速与顶部区段内的平均向上流速之比为至少10∶1。
55.根据权利要求35的方法，其中回收流经柱体的废水包括在将废水重新引入到柱体中之前使废水经过澄清器。
56.根据权利要求33的方法，其中回收流经柱体的废水包括在将废水重新引入到柱体中之前使废水经过气提器。
57.根据权利要求33的方法，其中从收集段提取在柱体内形成的丸粒包括以一定速率提取丸粒，使得柱体内丸粒的晶体保留时间为至少一周。
58.根据权利要求33的方法，其中从收集段提取在柱体内形成的丸粒包括以一定速率提取丸粒，使得柱体内丸粒的晶体保留时间为至少四天。
59.根据权利要求33的方法，其中从收集段提取在柱体内形成的丸粒包括以一定速率提取丸粒，使得柱体内丸粒的晶体保留时间为8-12天。
60.从废水中提取磷和氮中的一种或两种的方法，该方法包括：
在基本上垂直定向的柱体中保持固体反应产物的过饱和状态;
将废水引入到柱体中并使得反应产物的颗粒可以在柱体中形成;
保持反应产物的颗粒在柱体内的流化床中，所述流化床跨越柱体内的至少三个垂直连续区域，其中各个区域内的废水具有不同的平均向上流体速度，并且垂直方向上较高区域中的平均向上流体速度小于垂直方向上较低区域中的平均向上流体速度;
使得颗粒可以生长到足以向下移动到收集区域的尺寸，所述收集区域包括所述至少三个区域中最低的一个区域的至少一部分;和
从收集区域收集颗粒。
61.根据权利要求60的方法，其中反应产物包括鸟粪石。
62.根据权利要求60的方法，其中反应产物包括鸟粪石类似物。
63.根据权利要求62的方法，其中鸟粪石类似物是磷酸镁钾。
64.根据权利要求60的方法，包括保持收集区域内的平均向上流速为至少400cm/min。
65.根据权利要求64的方法，包括保持顶部区域内的平均向上流速不超过75cm/min。
66.根据权利要求65的方法，包括保持收集区域内的平均向上流速与顶部区域内的平均向上流速之比为至少10∶1。
67.根据权利要求65的方法，包括保持收集区域内的平均向上流速与顶部区域内的平均向上流速之比为至少20∶1。
说明书
流化床废水处理
技术领域
本发明一般而言涉及从废水中除去磷、氮和类似溶解物。本发明更具体而言涉及在流化床反应器中从废水中除去溶解物。在本发明的一些实施方案中，从废水中除去磷和氮并以鸟粪石、鸟粪石类似物或其它磷酸盐化合物形式回收。在一些实施方案中，本发明用于回收可以用作肥料的产物。
背景技术
包含显著浓度的磷和/或氮的水溶液如果释放到环境中会引起重大问题。这种溶液存在各种来源。这些来源包括例如垃圾填埋场的沥滤物、农业用地的流出物、各种工业生产过程的排出物、市政废水、动物废弃物例如饲养场或其它畜牧业设施的废水等。
这种溶液中，氮通常主要是以氨的形式存在，磷通常主要是以磷酸盐的形式存在。很多管辖区域都有法律限制排放到环境中的处理过的废水中磷和/或氨的容许浓度。
存在各种磷的去除和回收技术。这些技术中有一些提供结晶反应器。在结晶反应器中保持促进磷酸盐化合物结晶的条件。这些技术包括：
.S.Regy et al.Phosphate recovery by struvite precipitation in a stirred reactor，LAGEP(March to December 2001)包括对通过鸟粪石沉淀从废水中除去磷和氮的各种尝试的调查。
.Trentelman，U.S.patent 4,389,317和Piekema et al.，Phosphate Recovery bythe Crystallization Process. Experience and Developments，the 2nd Internationalconference on Phosphate Recovery for Recycling from Sewage and animal Wastes上出现的论文，Noordwijkerhout，The Netherlands，March 12-13，2001公开了沉淀磷酸盐的反应器和方法，磷酸盐为磷酸钙、磷酸镁、磷酸铵镁或磷酸镁钾的形式。
.Ueno et al.，Three years experience on operating and selling recovered styuvitefrom full scale plant(2001)Environmental Technology v.22 p.1373公开了去除磷酸铵镁(也称作鸟粪石)形式的磷酸盐的侧流结晶反应器的用途。
.E.V.Munch et al.，Making a business from struvite crystallization for wastewatertreatment：turning waste into gold，the 2nd International conference on PhosphateRecovery for Recycling from Sewage and animal Wastes上出现的论文，Noordwijkerhout，The Netherlands，March 12-13，2001公开了使用鸟粪石结晶方法以鸟粪石形式从废水中去除氮和磷。
.S.A.Parsons et al.，Assessing the potential for struvite recovery at sewagetreatment works，(2001)Environmental Technology v.22，p.1279调查了以鸟粪石形式从废水中去除氮和磷的各种尝试。
.Tsunekawa et al.Patent Abstracts of Japan No.11-267665公开了从水中去除磷的反应塔。
可以通过下列反应形成鸟粪石：Mg2+NH4+PO43-+6H2OMgNH4PO4·6H2O
通过产生鸟粪石去除磷和氮的好处是鸟粪石可以回收并有作为缓效肥料的价值。
由废水中的磷酸盐和氨产生鸟粪石的现有方法中有一些产生不期望的鸟粪石小颗粒。这些小颗粒削弱了其作为肥料的价值。
因此需要成本有效的方法和设备，以去除废水和其它水溶液中的磷、氮和类似溶解物。
发明内容
本发明提供了可以用来从水溶液例如废水、沥滤物、流出物、动物废弃物、排出物等中除去溶解物例如磷和/或氮的方法和系统。如下提到的，术语“废水”在此通常指的是这些液体。在本发明的许多实施方案中，磷和/或氮以固体产物的丸粒形式回收。在本发明的一些实施方案中，所述丸粒可以用于肥料。所述丸粒例如可以包括鸟粪石、鸟粪石类似物或磷酸盐化合物。
本发明的一个方面提供了用于从废水中去除溶解物的流化床反应器。该反应器包括柱体，所述柱体包括基本上垂直定向的管道，所述管道包含收集段和位于收集段之上的至少两个垂直连续段。在所述区段的相邻段之间管道的横截面积增加。在一些实施方案中，横截面积阶梯式增加。可以改变柱体中区段的数目。柱体中在收集段中或收集段下方提供废水入口。回收通道从管道上部的出口延伸到入口。
在一些实施方案中，入口基本上垂直定向，设计来指引流入废水的湍性射流向上进入柱体。在一些实施方案中，顶部区段的横截面积与收集段的横截面积之比为至少10∶1，并且在一些情况下超过20∶1。在一些实施方案中，在所述区段的相邻段之间管道的横截面积以至少1的系数阶梯式增加。
本发明的另一方面提供了从废水中提取磷和/或氮的方法。该方法包括将废水引入柱体中，所述柱体包括基本上垂直定向的管道，所述管道包含收集段和位于收集段之上的至少两个垂直连续段。在柱体中，所述区段的相邻段之间管道的横截面积增加。在本发明的一些实施方案追踪，所述区段之间的横截面积阶梯式增加。该方法保持收集段中鸟粪石的过饱和状态，并包括回收流经柱体的废水，同时至少部分地通过控制将废水回收进入柱体的速率与将废水引入到柱体中的总速率之回收比来控制收集段中的鸟粪石过饱和率。在一些实施方案中，保持鸟粪石、鸟粪石类似物或磷酸盐化合物在收集段内的过饱和率为2-5。在本发明的一些实施方案中，过饱和率为3-4。丸粒在柱体内形成。所述丸粒可以主要由鸟粪石组成。从收集段中收集丸粒。
在一些实施方案中，从收集段提取丸粒包括以一定速率提取丸粒，使得柱体内丸粒的晶体保留时间为至少一周。在一些实施方案中，晶体保留时间为8-12天。下面定义了晶体保留时间。
该方法可以包括控制pH，例如通过向柱体中加入碱性溶液。可以保持pH在收集段内为7.4-8.5。在一些实施方案中，该方法包括保持pH在收集段内不超过8。
包含镁离子和/或氨的溶液可以可控性地加入，以帮助保持鸟粪石过饱和率在所期望的范围内。
该方法控制柱体中废水的流量。在一些实施方案中，该方法保持收集区内平均向上流速为至少400cm/min，顶部区段内的平均向上流速不超过75cm/min。在一些实施方案中，收集段内的平均向上流速与顶部区段内的平均向上流速之比为至少10∶1并在一些情况下为至少20∶1。
本发明的另一个方面提供从废水中提取磷和氮中的一种或两种的方法。该方法包括在基本上垂直定向的柱体中保持固体反应产物的过饱和状态、将废水引入柱体中以及使得反应产物的颗粒可以在柱体中形成。该方法将反应产物的颗粒保持在柱体内流化床上。流化床跨越柱体内至少三个垂直连续区域。每个区域内的废水具有不同的平均向上流速，使得在垂直方向上较高区域中的平均向上流速小于在垂直方向上较低区域中的平均向上流速。该方法使得颗粒可以增长到足够向下移动到收集区域的大小，所述收集区域包括至少三个区域中最低的一个区域的至少一部分，以及从收集区域收集颗粒。