采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的装置及工艺方法

摘要

本发明公开一种采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的装置和工艺，套管式反应器包括内管和外管，废水进管、废气出管和镁盐溶液进管设置在内管顶部，液体分布器、上下两层填料层和碱液进管设置在内管上部，空气进管和pH计设置在内管中部，pH计与pH值控制系统和阀门一起控制碱液的投加量，废水出管设置在外管上部，沉淀物排出管设置在外管底部。工艺是：在下填料层底部通入空气，废水和镁盐溶液从内管顶部进入，废水经填料层脱气并发生化学反应，由内管底部进入外管进行鸟粪石晶体的沉淀，在下填料层上方和外管下部投放碱液调节pH值，鸟粪石晶体定期从外管底部排入沉淀池，其上清液与处理过的废水一起流进污水处理系统的集水井。本发明的装置结构简单，操作简便，磷的回收率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的装置及其工艺方法，属于废水处理及其资源化技术领域。

背景技术

磷是包括人类在内的一切生命体的必需元素，它在细胞生命活动中起着关键的作用。磷在自然界主要以磷酸盐岩石以及鸟粪石和动物化石的天然磷酸盐矿石存在。磷在人工开采或天然侵蚀后，最终都随水流归宿到深海的沉积层。沉入深海的磷，只有很少一部分可以通过浅海鱼类或海鸟返回陆地，以至于磷在生物圈中绝大部分是单向流动，从而成为一种不可更新的宝贵资源。但是，磷矿石的储量十分有限，据估计全世界磷矿储量只能维持100年左右，我国磷矿基础储量约41亿吨(矿石)，其中储量约21亿吨，如果仅以富磷矿(P₂O₅)储量来规划，我国磷矿仅能维持到2015年。磷将成为人类和陆地生命活动的限制因素。

另一方面，磷在人类生产、生活使用之后大部分进入污水或废水，最后排入水体，目前已造成严重的水体富应营养化问题。为控制磷的过量排放，目前的污水或废水处理都要求必须进行除磷。

因此，从磷资源的可持续利用和水体富营养化控制的双重目的出发，从废水/污水中回收磷是一种最佳的选择。

目前，从废水/污水中回收磷已得到广泛的重视和研究，而回收装置是实现磷回收的技术关键，也是研究和开发的重点。

采用鸟粪石沉淀法被认为是一种最有可能实现商业化的废水磷回收技术。中国发明专利申请号200910128791.5，题名“磷回收方法及磷回收装置”，公开了一种采用吸附材料对废水中的磷进行吸附，然后使用药液使吸附在吸附材料上的磷解吸到液体中而将磷加以回收的方法和装置，该方法不涉及采用MAP(磷酸氨镁)沉淀方法回收废水中的磷。

中国发明专利申请号200910157928.X，题名“磷回收结晶反应器及磷回收方法”，公开了一种采用内外套管结构、并用空气对废水进行曝气吹脱的磷回收结晶反应器，主要适用于畜禽废水，沉淀物为污泥，其含磷量只有15-20％，未采用填料。

中国发明专利申请号200910051804.3，题名“一种低能耗一体化氮磷回收装置”，以及中国实用新型专利号200720041299.0，题名“新型MAP三相流化氮磷回收反应器”，均采用流化床反应器。不同之处在于流化颗粒，前者直接采用鸟粪石晶体而后者则采用涂布上鸟粪石晶体的填料作为流化颗粒。流化床回收方法的缺点是为了使颗粒达到流化状态需要消耗更多的动力能耗，同时反应后为了使颗粒与空气和废水分离，需要较大的三相分离空间，整个装置的体积较大。

采用空气对废水进行脱气的技术已被较多采用。但国外开发的磷回收技术都是采用先单独进行脱气然后再进行反应和沉淀的工艺流程，且脱气柱都没有装填填料，荷兰DHV公司的专利技术“Crystalator”是这类技术的一个典型代表。而在流化床反应器中，填料经常被用作鸟粪石晶体生长的载体(有些流化床反应器直接采用作鸟粪石晶体作为载体)。虽然流化床反应器因采用空气进行流化，也具有一定的脱气功能，但由于空气和废水的接触时间短，一般不能达到完全脱气。至今未见有在脱气柱中装填填料以及将脱气柱与反应区组合在一个装置中使脱气与结晶反应同时进行的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的装置和工艺方法，以使装置结构简单，操作简便，提高磷的回收率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的装置，由套管式反应器、填料层、废水进管、废水出管、空气进管、废气出管、镁盐溶液进管、碱液进管、沉淀物排出管、液体分布器、pH计及pH值控制系统组成，套管式反应器包括相互套置的内管和外管，废水进管、废气出管和镁盐溶液进管设置在内管的顶部，液体分布器、上下两层填料层和碱液进管设置在内管的上部，空气进管和pH计设置在内管的中部，pH计与pH值控制系统和阀门一起控制碱液的投加量，废水出管设置在外管的上部，沉淀物排出管设置在外管的底部。

上述碱液进管位于上下两填料层的中间。

上述外管的下部还设置了补充碱液进管，外管的上部还设置了pH计，此pH计与另一个pH值控制系统和阀门一起控制补充碱液的投加量。

上述外管由上至下分为上部、变径连接管、下部和封头，上部粗、下部细，上部和下部之间通过变径连接管连接。

采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的工艺方法，在内管中填料层底部通入空气，废水从内管顶部进入，同时打入镁盐溶液，在填料层的上方投加碱液调节填料层下方废水的pH值，废水经填料层脱气并发生化学反应，由内管底部进入外管进行鸟粪石晶体的沉淀，在外管的下部再补充碱液调节废水从外管上部排出前的pH值，鸟粪石晶体定期从外管底部排入沉淀池，其上清液与处理过的废水一起流进污水处理系统的集水井。

本发明采用填料层脱气和鸟粪石结晶反应同时进行的工艺，并将填料层(脱气柱)、反应区和沉淀区组合成一个套管式的磷回收装置。填料层在内管的上段，在填料层底部通入空气，既起搅拌促进反应的作用，又起脱除废水中的二氧化碳从而提高pH、减少碱的用量的作用，填料可增加气液接触的面积从而促进废水中二氧化碳的脱除，又作为磷酸铵镁初生结晶的载体；废水从内管顶部进入，经填料层脱气并同时发生化学反应，在内管底部进一步反应后过渡进入截面积逐渐变大的外管，进行鸟粪石晶体的沉淀，处理后的废水从外管上部排出，沉淀物定期从外管底部排进沉淀池，其上清液与处理过的废水一起流回污水处理系统的集水井。

本发明可实现从污水处理厂的厌氧末端上清液、污泥浓缩池上清液、污泥消化池上清液和消化污泥脱水滤液等氮磷含量较高的废水中回收磷。本发明将填料层脱气柱、反应区和沉淀区组合成一个套管式设备，并采用脱气与结晶反应同时进行的独特工艺，具有结构简单紧凑、占地面积小、投资省、操作简便、磷的回收率高的特点。

本发明对磷回收装置和工艺做了以下三个方面新的设计和安排：

一、将填料层脱气柱、反应区和沉淀区组合成一个套管式的磷回收装置，这样既可使整个装置的结构紧凑，减少占地面积，又可免去反应区与沉淀区之间的连接管，同时避免了鸟粪石结晶在连接管中发生堵塞的问题；

二、采用废水脱气与鸟粪石结晶反应同时进行的工艺，废水在脱气的同时就开始进行鸟粪石的结晶反应，与传统的将脱气柱与反应区分开的方式相比，既可减少脱气柱与反应区之间的连接管，使设备紧凑，又充分利用脱气柱的空间进行反应，大大减少了整个设备所需的体积空间；

三、脱气柱中装填了两层填料层，并采用脱气与投碱分开的工艺，废水在第一层填料中进行脱气并提高pH值，废水中的无机磷就可以在第一层填料中发生初步的反应，在第二层填料上方再投加适量的碱液，使鸟粪石结晶反应进一步进行，填料层增加了气液接触的面积从而促进废水中二氧化碳的脱除，可达到提高废水的pH值、节省碱用量的目的，又作为磷酸铵镁初生结晶的载体，使鸟粪石晶体生长更加容易，解决了一般反应器中鸟粪石晶体生长速度过慢或为了加快鸟粪石晶体生长需外加载体或晶种的问题，由于同时具有以上两个方面的作用，填料的加入大大提高了本发明磷回收装置的操作效率。

附图说明

图1为本发明回收装置的结构示意图；

图2为本发明回收工艺的流程示意图。

1外管          2内管         3废水出管      4空气进管

5填料层        6废水进管     7废气出管      8镁盐溶液进管

9液体分布器    10碱液进管    11阀门         12pH控制系统

13pH计         14阀门        15补充碱液进管 16沉淀物排出管

具体实施形式

以下是实施例对本实用新型的进一步说明，而非限制本实用新型的范围。

如图1所示，采用鸟粪石沉淀法从废水中回收磷的装置，由套管式反应器、填料层5、废水进管6、废水出管3、空气进管4、废气出管7、镁盐溶液进管8、碱液进管10、沉淀物排出管16、液体分布器9、pH计13及pH值控制系统12组成。套管式反应器包括相互套置的内管2和外管1。废水进管6、废气出管3和镁盐溶液进管8设置在内管2的顶部，液体分布器9、填料层5和碱液进管10设置在内管2的上部，空气进管4和pH计13设置在内管2的中部，通过pH值控制系统12控制阀门11的开度以控制碱液的投加量，废水出管3设置在外管1的上部，沉淀物排出管16设置在外管1的底部。图中填料层5分为上下两层，碱液进管10位于上下两填料层5的中间。图中外管2的下部还设置了补充碱液进管15，外管1的上部还设置了pH计13，通过另一个pH值控制系统12控制阀门14的开度以控制补充碱液的投加量。

下面是一个具体实施实例：

外管1上部内径1400mm、长度800mm，废水出管3设置距外管1上端300mm处，外管1下部内径1000mm、长度700mm，上部和下部之间的变径连接管高度400mm，外管1封头高度400mm，沉淀物排出管16设置在外管1的封头底部。内管2内径600mm，总长度3400mm，内管2的底端与外管1封头的上端处于一个水平面，下层填料层5支撑板距内管底端2000mm，上填料层5高度800mm，下填料层5高度300mm，两填料层5之间相距80mm，上下填料层5均装填直径为10mm的塑料鲍尔环。装置内废水有效容积约2.2m³。

本发明工艺如图2所示，通过空气进管4在下填料层5底部通入空气，废水通过废水进管6从内管2顶部进入，同时通过镁盐溶液进管8打入适量的氯化镁溶液，在下填料层5的上方通过碱液进管10投加氢氧化钠溶液调节填料层5下方废水的pH达9.2，废水经填料层5脱气并同时发生化学反应，在内管2底部进一步反应后过渡进入截面积逐渐变大的外管1，进行鸟粪石晶体的沉淀，在外管1的下部再通过补充碱液进管15补充适量的碱，使废水从外管1上部的废水出管3排出前的pH达9.3，鸟粪石晶体定期从外管1底部沉淀物排出管16排出，其上清液与处理过的废水一起流入污水处理系统的集水井。

以处理某污水处理厂消化污泥的脱水滤液为例，废水中含磷87mg/L，采用本发明的回收装置和工艺方法进行处理，处理量1.2吨/小时，磷回收率可达90％以上。

通过本实施实例回收得到的鸟粪石可作为缓释肥使用。