专利名称：流化床废水处理的制作方法
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 wastewatertreatmentturning 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。
以下描述了本发明的其它方面和本发明具体实施方案的特征。
在描述本发明的非限制性实施方案的附图中， 图1是根据本发明一个实施方案的流化床反应器的框图； 图2是描述鸟粪石溶解度与pH函数关系的图； 图3是描述从废水中以鸟粪石的形式去除磷和氮的方法的流程图。
具体实施例方式 在整个下文描述中，为了对本发明有更彻底的理解列出了具体细节。然而，本发明可以没有这些细节实行。在其它实例中，没有显示或描述熟知的元件以避免不必要的本发明的混淆。因此，说明书和附图具有举例说明，而不是限制的意义。
以下描述了从废水中以鸟粪石的形式去除磷和氮的本发明实施方案。实施例的选择符合本发明具有显著商业实用性的方面。本发明的范围不限于鸟粪石的产生，除非在所附权利要求书中特别指出。在本发明的一些实施方案中，以鸟粪石类似物的形式从废水中去除磷和氮。根据本发明可以产生的鸟粪石类似物包含磷酸镁钾。在本发明的一些实施方案中，以磷酸盐化合物例如磷酸钙或磷酸镁形式从废水中去除磷。
为了方便起见，在下面的描述和权利要求书中一般使用术语废水描述这样的水溶液。除非另外指明，“废水”不限于城市污水、动物废弃物或任何其它特定来源的流出物。
图1示出流化床反应器系统12。系统12具有接收废水的入口13，所述废水例如来自市政、工业或农业废水处理设施。此废水包含需要去除的磷和/或氮。下列实施例描述了本发明从废水中去除磷的应用。
在期望把磷作为去除目标时，柱体14内物种的浓度可以保持在一定的水平，使得磷的浓度限制产生最终产物如鸟粪石的反应。本领域技术人员将了解，通过调整柱体14内物种的浓度，使得氨的浓度限制最终产物的形成，也可以将氨作为去除目标。
在该实施例中，磷是磷酸盐(PO43-)和相关物种例如HPO42-的形式。废水中磷酸盐浓度例如可以是50mg/L-200mg/L。
系统12包含基本上垂直的柱体14。柱体14包含许多垂直的连续区段。所描述的反应器包含四个区段15A、15B、15C和15D(总起来说是区段15)。区段15A可以称为“收集段”，因为在柱体14中形成的丸粒在它们增长到适当的大小后可以从区段15中提取出来，如下所述。在所描述的实施方案中，柱体14在相邻区段15的每对区段之间的界面处具有阶梯间断17。柱体14的横截面积在每个阶梯间断17处阶梯式改变。
术语“阶梯状过渡”在此用来指区段15之间的过渡，其中阶梯状过渡下方的区段的壁与过渡面之间的角θ(见图1)为80度或更大。目前认为，在区段15之间提供阶梯式过渡或至少是阶梯状过渡增强柱体14内颗粒的量径分级，尤其是过渡接近柱体14顶部的时候。
柱体14的尺寸和区段15的数目可以根据下面进一步讨论的待处理废水的量而改变。在本发明的一些小规模实验性实施方案中，每一节段都是圆柱状的。表I提供了本发明的几个实验性实施方案中使用的节段直径。
顶部区段15的横截面积与底部区段15的横截面积之比通常为10∶1或更大，也可以为20∶1或更大。例如，在表I的样品1中，区段15D和区段15A的横截面积之比为约25∶1。相邻区段15的横截面积之比通常为1.5∶1-10∶1，并且横截面朝向柱体14的顶部增加。
在一些实施方案中，相邻段的横截面积以至少1的系数增加。紧邻顶部区段的区段和顶部区段之间的横截面积可以以更大的系数增加。例如，在一些实施方案中，顶部区段的横截面积5倍于紧邻顶部区段的区段的横截面积。
表II中给出了样品反应器中节段的长度。
由于使流体循环通过柱体所需能量的量随着柱体高度而增加，通常希望限制柱体14的高度为5米左右。可以使用较高的柱体但这由于增加泵送费用因而是不利的，除非在压力下接收废水。
在柱体14的底部提供注射端口20。在柱体14的顶端提供流体去除端口22。提供回收通道23使得可以从柱体14的顶部或顶部附近到柱体14的底部或底部附近回收流体。下面进一步详细描述反应器14的结构。
操作中，在柱体14内保持鸟粪石(或鸟粪石类似物或其它所期望的固体反应产物)的过饱和状态。通过下面的等式得到鸟粪石溶度积Ksp Ksp＝[Mg2+]eq[NH4+]eq[PO43-]eq 其中分别以平衡状态的可溶性镁、氨和正磷酸盐测量不同物种(即[Mg2+]eq、[NH4+]eq和[PO43-]eq)的活性。通过下面的等式得到过饱和率(SSR) SSR＝[Mg2+][NH4+][PO43-]/Ksp。
SSR的增加推动结晶。理想的是在注射端口20附近的SSR保持为约2-5。在本发明的一些目前优选的实施方案中，SSR保持在约3-4。当柱体14内SSR增加至超过约4或5的SSR时，在将废水引入到柱体14中时形成的产物的晶体趋向于减小尺寸。如果最初形成过多过小的晶体，那么在反应器内形成大的产物丸粒的效率就会降低。
直接测量SSR可能是复杂的，因为氨和磷酸盐根据pH而具有不同的形状。氨和磷酸盐的活性系数是pH依赖性的并且难以估计。因此，在Ksp的估值基于所测得的离子物种浓度的情况下，Ksp的估值会是pH依赖性的。通常较为简单的是，在各种操作条件下直接测量最终产物(例如鸟粪石)的条件溶解度，和基于一个或多个物种的测量浓度控制反应器12的操作。
典型的情况是，给定来源的废水的组成随着时间的过去相对地恒定或只有缓慢的改变。这种情况下可足以控制柱体14内废水的pH以具有设定值，并足以周期性地调节pH设定值或柱体14操作的其它参数以保持SSR在期望的范围内。
在图1所描述的实施方案中，通过调节柱体14内液体的pH、加入镁离子、或通过两者来控制SSR。图2示出鸟粪石的溶解度随着pH的升高急剧降低。通过加入碱例如NaOH来升高pH，可以因此用于增加柱体14内的SSR。对于来自于一些典型来源的废水，可以通过将pH提高0.5-1.5个单位来升高SSR到足以实现可接受的磷的去除的水平。本发明的实施方案已经在柱体14的区段15A中pH为约7.4-7.5的情况下令人满意地实施。对于超过90％的磷酸盐去除率，发现有必要将pH升高到8.3。
对于鸟粪石结晶，通常希望加入镁离子来提供具有约1∶1∶1的Mg∶N∶P之比的化学计量混合物。很多来源的废水包含的镁离子比鸟粪石最有效结晶所期望的要少。一般来说，对于固定的N∶P比，已经发现增加Mg的浓度趋向于增加可以去除的磷酸盐的量。已经发现在Mg∶P之比小于1并且系统因此不能最佳地去除磷酸盐的情况下，平均P-去除率随着Mg∶P的摩尔比的增加而几乎线性地增加。
控制SSR的最佳方法取决于进入系统12的废水的质量。根据例如进入废水的pH、废水中的溶解气体量、温度、废水中存在的可以抑制结晶的物种、废水接近于饱和的程度等因素，通过在柱体14中调节pH、调节阳离子浓度或通过调节pH和调节阳离子浓度的某种组合来控制柱体14中的SSR可以更节约成本。
在图1的实施方案中，通过过饱和控制器30控制SSR。过饱和控制器可以包含任何适当的过程控制器。适当的可编程的过程控制器普遍有用。例如，比例反馈控制器可以用于执行过饱和控制器30。本发明领域的技术人员熟悉这种控制器的选择和编程。
过饱和控制器30从pH探头32接收输入信号。pH探头32位于柱体14中刚好初始混合区33的上游区。在混合区33上方，基本完全地混合流入的废水(包含任何回收的废水)和任何加入来控制柱体14内pH的化学品。
过饱和控制器30控制向柱体14中加入碱例如氢氧化钠(NaOH)、阳离子源例如可以以氯化镁溶液的形式提供的镁、或者以上两者。在所描述的实施方案中，过饱和控制器30控制计量装置34和计量装置36，所述计量装置34计量从容器35进入柱体14的氢氧化钠溶液，所述计量装置36计量从容器37进入柱体14的氯化镁溶液。任何适当的计量装置可以用于控制向柱体14中引入用于控制SSR的化学品。这种计量装置可以包括泵、可调阀门等。广泛的适当的计量装置是可以买到的。
过饱和控制器30也控制流量控制装置38，所述流量控制装置38决定多少已经流经柱体14的流体在回收通道23中被回收。流量控制装置38通常包括进料泵，其可以是低剪切泵。回收比提供了在喷嘴20处引入的流量比例的量度，所述流经过通道23回收。通过下面的等式得到回收比RR 其中Qr是回收流量，Qt-inf是进入柱体14的总流入流量。
在本发明的一个实施方案中，过饱和控制器30包括pH控制器组件30A，其计量来自容器35的碱性(即碱)溶液以保持pH传感器32的pH为期望值。过饱和控制器30还包括SSR控制器组件30B，所述SSR控制器组件30B控制通过回收回路23进入柱体14的回收废水与从入口13进入柱体14的原废水的比例，以调节SSR，如果需要，从容器37加入镁离子以保持SSR在期望的范围内。在所描述的实施方案中，过饱和控制器30还包括流量控制组件30C，其控制经过柱体14的流体的全部流量。
SSR控制器组件30B可以从一个或多个传感器获得实时反馈，所述传感器是监控温度、离子浓度、pH和其它影响SSR的因素。在一些典型的应用中，进入反应器12的废水的组成只是非常缓慢地改变，温度只是缓慢地改变，pH通过pH控制器组件30A保持在期望范围内。在这些应用中，SSR控制器组件30B只需要基于指示SSR的测量值周期性地进行调节。这种周期性测量和调节可以人工进行或自动控制。
喷嘴20将废水以湍流形式注入柱体14。操作中，保持柱体14内流体的向上流动。当流体进入每个连续的区段15时流动流体的速度减小。当废水进入柱体14时形成鸟粪石晶体。晶体在流动的流体中被迫向上并形成流化床。流化床贯穿几个区段15。晶体通过结合晶体生长和聚集而生长。当晶体生长时，它们变得更重并趋向于在柱体14内向下移动。
由于区段15的每个区段中的平均向上流体速度是不同的，因此鸟粪石颗粒趋向于在不同的区段15中通过大小分级。最初所有的颗粒都很小。柱体14中的颗粒通过晶体生长过程和凝聚而生长。当晶体生长时，一些晶体变得足够大以至掉入柱体14内的较低区段中。
随着时间过去，最大的颗粒趋向于在区段15A中聚集。最小的颗粒趋向于在区段15D中聚集。中间大小的颗粒趋向于位于中间区段15B和15C内。柱体14可以包括更多中间区段以在柱体14内的流化床中提供对颗粒通过大小进行的更精密标度的分级。
流体以一定速率向上流动经过柱体14，所述速率足以保持在不同区段中期望的平均向上流体速度。每个区段15中的平均向上流体流动速度可以用区段的横截面积除流速来确定。
在底端部件中的平均流体流动速度足以保持鸟粪石丸粒悬浮。该流动速度通常为超过100cm/min。在本发明的一些实施方案中，区段15A中的平均向上流体流动速率为约500cm/min。一般来说，在从中收集鸟粪石丸粒的区段中期望保持相对高的流体速度。该速度有利地超过400cm/min，在一些实施方案中可以明显更高，例如，800-1000cm/min。
柱体14的顶端区段中的向上流动速度优选地比底部区段中的低得多。例如，在本发明的一些实施方案中，顶端区段15中的向上流动速度平均为75cm/min或更低，优选地为55cm/min或更低。在本发明的一个实施方案中，区段15D中的平均向上流动速度为约50cm/min。
废水流经柱体14的速率可以通过调节入口进料泵39和回收流量控制装置38来控制，以提供所期望的组合流。在所描述的实施方案中，通过并入过饱和控制器30的流速控制组件30C控制流速。
回收通道23包括澄清器50，用于从反应器12的流出物中去除超细颗粒。流出物出口52使得流出物从反应器12中排出。
反应器12任选地包括气提柱54。气提柱54从经过它的回收废水中去除溶解的二氧化碳，因此升高了回收废水的pH。通过气提器升高pH减少了加入碱例如NaOH以将SSR保持在期望范围内的需要。气提柱54可以位于回收通道23内，如所示，或可以位于独立于回收通道23的流动通道内。在气提器54在独立于回收通道23的流动通道内的情况下，可以例如通过pH控制器组件30A来控制流体从柱体14经过气提柱循环的速率。这提供了对柱体14内流体的pH的额外控制，并可以减少或在一些情况下消除从容器35加入碱溶液的需要。
反应器12运行足够的时间后，第一区段15A将包含大到可以收集的鸟粪石丸粒。在由本发明人操作的实验性反应器中，在约8-20天内可以开始收集第一批鸟粪石丸粒。
隔离阀40位于柱体14的较低部分并将区段15A的至少主要部分与柱体14的上半部分隔离。隔离阀40优选地位于或低于区段15A和区段15B之间的分界处。聚集在区段15A内的丸粒可以通过打开隔离阀40和关闭阀门42和44暂时隔离区段15A来收集。当区段15A被隔离时，流体可以通过旁路管道41继续流入柱体14的上半部分，所述旁路管道41从入口20延伸到柱体14中在隔离阀40之上的位置处。区段15A的内容物，包括聚集在区段15A中的鸟粪石丸粒，可以通过打开阀门46来收集。
已经从柱体14去除之后可以将丸粒干燥。可以使用任何适当的干燥系统。在所描述的实施方案中，丸粒落在筛子48上并从其上沉积到干燥传送器49上。来自区段15A的流体经过筛子48落下。可以捕获流体并将其重新引入到系统12中或丢弃。
在反应器12中生长的鸟粪石丸粒的质量和大小取决于很多因素，包括SSR、在柱体14中的流速和晶体年龄。柱体14中较低的SSR、较大的晶体年龄和较高的向上流速都趋向于产生较硬的、在一些情况下较大的鸟粪石丸粒。
在柱体14内聚集的丸粒组的晶体保留时间CRT可以定义为自从一定量的丸粒从反应器中去除所经过的天数。例如，如果在柱体14中所沉降的所有丸粒的体积为7.8L，并且每2天从反应器的区段15A中收集1.3L丸粒，那么所聚集丸粒的CRT就是12天。在一些实验中已经发现，8-12天的CRT产生具有足以忍受收集和干燥的结构强度的良好分级的丸粒。在本发明的一些实施方案中，操作该过程以提供4天或更长的CRT，在一些情况下为1周或更长。
在根据本发明的实施方案构建的样品反应器中，发现废水中高达约90％的磷酸盐可以鸟粪石丸粒的形式被去除。鸟粪石丸粒的直径为约0.5mm-约10mm。发现该过程的流出物中磷酸盐浓度低至5mg/L。
图3描述了根据本发明的实例实施方案的方法100。方法100取原废水101和回收废水102并将废水送入方块104的柱体中。控制过程106持续控制方块106A中的pH、方块106B中的镁离子浓度、方块106C中的回收比和方块106D中的流速。
柱体中的流出物在方块108中澄清。一些流出物如所示通过路线110回收得到回收的废水102。剩余的流出物在方块112处被排出。
从方块120中的柱体中周期性地提取鸟粪石丸粒。在方块122处干燥丸粒以在方块124处得到干燥的丸粒。干燥的丸粒可以用于各种用途，例如，作为肥料。
除非特别指出，在组件(例如反应器、控制器、管道、泵、计量装置等)如上所述的情况下，提及组件(包括提及“工具”)应该解释为包括那些组件的等价物，任何执行所述组件功能(即，功能性等价)的组件，包括与所公开的结构在结构上不等同但执行本发明所描述的示例性实施方案中的功能的组件。
按照前述的公开文本，对那些本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离其精神或范围的情况下可以在实施本发明的过程中进行许多变更和改进。例如.反应器12的容量可以通过操作彼此平行的多个柱体14而增加。.对于含有超过200mg/L的磷酸盐浓度的废水，可以期望提供初始的预处理阶段，该阶段降低来自反应器12的上游磷酸盐浓度。例如，预处理阶段可以将磷酸盐浓度降低至少于约200mg/L。
.反应器可以包括加入氨的设备作为另外的、或者作为替代方案的控制SSR的装置。
.反应器14的区段的横截面不一定是圆形的。其它形状也可以，例如，所述区段可以是多边形的。
.区段的数目是可变的。
.可以通过创造铵离子限制鸟粪石产生的条件来操作反应器以最大化地去除铵。
.尽管目前认为优选的是柱体14的区段15之间的过渡是明显的阶梯式过渡，但是一些或全部的过渡可以是渐变的。例如，柱体14中最下面的几个区段15之间的过渡可以是渐变的。在柱体14包括渐变过渡的情况下，认为渐变的过渡是阶梯状过渡是有利的。然而，在一些情况下锥角可以是45度或更大或者60度或更大。
.过饱和控制器30的组件一般不需要定位或封装，而是可以以任何适当的方式分布。
.任何区段15的横截面积不一定是沿着区段恒定的，而是可以以不明显干扰柱体14内颗粒大小分级的方式改变。
因此，本发明的范围应根据所附权利要求定义的内容进行诠释。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号C02F101/10GK1964921SQ20048004159
公开日2007年5月16日 申请日期2004年2月13日 优先权日2004年2月13日
发明者弗雷德·科克, 唐纳德·马维尼克, 诺博鲁·约内米苏, 阿伦·托马斯·布里顿 申请人:不列颠哥伦比亚大学