一种鸟粪石流化结晶装置的制作方法

本发明涉及水污染控制及资源再生领域，特别是指一种鸟粪石流化结晶装置。

背景技术：

磷是生命体不可或缺的重要元素。由于全球需求量的不断加大，现存的磷矿仅够再使用100年左右，并且由于磷在自然界的单向流动性和磷矿的分布不均，磷短缺问题越发凸显；同时，磷是水体富营养化的主控因子，水中过量磷导致的富营养化不仅严重危害到农业、渔业、旅游业等行业的健康发展，而且对食品和饮用水安全构成了极大威胁。因此从废水回收磷可以实现磷污染治理和资源回收的双重目的。

鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O)结晶法可以高效地去除和回收废水中高浓度磷，所得的鸟粪石产品是一种高品位的缓释磷肥。鸟粪石结晶法近年来受到广泛关注，被认为是最有可能实现商业化生产的一种磷资源回收技术，其中，反应装置是实现磷高效回收的技术关键，成为研究和开发的热点。

发明专利200480041593.0“流化床废水处理”及实用新型专利201020544132.8“鸟粪石生产装置”中采用的均为液-固流化床反应器，二者的反应器主体包括若干区段的柱体，柱体的管径在区段之间呈现阶梯式改变。不同柱体管径的设置虽有利于流化床内的颗粒粒径分级，但同时增加了装置加工的难度与成本。发明专利申请201210454919.9“将污水中氮磷制备成鸟粪石晶体的装置和工艺”对流化段进行简化，采用倒置锥管代替管径阶梯式增加的若干区段柱体。以上专利均具有良好的造粒效果，但由于进水加药方式未加以控制，进水加药口附近局部过高的过饱和度诱发了均相成核，致使生成大量的小粒径鸟粪石晶体即微晶，需通过外接沉淀池的方式来截留微晶以提高装置的除磷效果。外设的沉淀装置通常占地面积大、基建费用高，同时，过长的回流管路也增加了堵塞的风险，增大了装置运行维护的难度。

鸟粪石颗粒化是晶体成核、生长、聚并及破碎机理的综合体现。过饱和度作为结晶反应的主要推动力，决定了结晶反应的过程及速率，直接影响到产品的粒度及粒径分布。因此，通过控制反应器的过饱和度可最大限度地强化晶体生长及聚并机制，使小粒径晶体逐渐长成较大的颗粒，从而实现污染物定向转化为大粒径颗粒产品的目的。反应器的进水口及加药口附近过饱和度通常较高，易导致爆发式的初级成核，是微晶生成的主要区域，通过调节进水方式理论上可有效地控制局部过饱和度，但至今在鸟粪石结晶领域未见相关的专利或研究报道。因此，在此背景下提出了一种对进水及加药方式进行优化的紧凑型鸟粪石流化结晶装置的发明。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种鸟粪石流化结晶装置，该装置能够控制进水加药口附近的局部过饱和度，避免爆发式的初级成核，控制形成的鸟粪石晶体的粒度及粒径分布。

基于上述目的本发明提供的一种鸟粪石流化结晶装置，所述装置包括流化结晶管、沉淀槽和储水槽，所述沉淀槽的底部与流化结晶管的顶部连通，所述沉淀槽的顶部设有溢流堰，所述储水槽套接在沉淀槽的外部，储水槽的底部与沉淀槽的外壁固定连接，所述流化结晶管用于流化生成目标粒径的鸟粪石晶体，所述沉淀槽用于降低流化结晶管的回流液上升速度，所述储水槽用于储水回流并回收通过沉淀槽顶部的溢流堰溢出的小粒径晶体。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述沉淀槽底部的横截面逐渐减小，其底部最小横截面与流化结晶管的横截面相同。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述流化结晶管为单个圆柱直管。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述储水槽槽壁一侧设有溢流口，对面一侧设有回流液出口，所述溢流口的高度低于溢流堰的高度。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述回流液出口的高度低于溢流口的高度。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述储水槽底部横截面逐渐减小，储水槽槽底与沉淀槽底部最大横截面处平齐，储水槽槽底设有排放口，所述排放口用于排出储水槽收集到的小粒径晶体，储水槽槽底与侧壁形成钝角θ。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述结晶装置还包括进水加药系统，所述进水加药系统包括进药管、回流液进水管及产品排放管，所述进药管的顶部与流化结晶管的底部相连，所述进药管的底部与产品排放管相连，所述回流液进水管与产品排放管连通，所述回流液进水管用于与回流液出口相连，所述进药管上开设有多组进水加药口，所述多组进水加药口沿着进药管的轴向依次设置，而且每组进水加药口包括至少2个进水加药口。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述产品排放管位于进药管的最下方，所述回流液进水管与所述产品排放管垂直连通。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述产品排放管的底部还设有阀门，且阀门位置低于回流液进水管。

根据本发明的一种鸟粪石流化结晶装置，所述产品收集系统还包括自动控制系统；所述自动控制系统包括pH探头及pH自动控制器，所述自动控制系统与所述流化结晶管和所述进水加药系统相连。

本发明中采用的进水管沿轴向依次设置多组进水加药口，进水加药口分别为镁液、碱液及待处理废水的进口，进水管轴向方向的进水加药口间距为进水加药口口径的2倍；该组件将待处理废水及生成鸟粪石晶体所需的镁液和碱液分别通过多个不同的进水加药口加入流化结晶管，从而使待处理废水及镁液和碱液实现空间上的分流，有效控制局部过饱和度；而现有技术中鸟粪石流化结晶装置主要采用的是将待处理废水采用单管给药，且镁液和碱液也单管给药，反应器的进水口及加药口附近过饱和度通常较高，易导致爆发式的初级成核，是小粒径晶体形成的主要区域，直接影响了鸟粪石产品的粒度及粒径分布；本发明装置的进水管有效的解决了这一问题。

本发明中流化结晶管采用的是单个圆柱直管，而目前国际及国内都下意识地认为需要采用管径变化的分段柱体，因此可以认为本发明中采用的单个圆柱直管克服了技术偏见；本发明单个圆柱直管的采用可以得到粒径均一的产品，本装置可以根据目标产品所需要的粒径，确定所需要的管径及操作条件，装置加工难度降低，制得的鸟粪石晶体粒径均匀，因此在装置加工及产品质量上均优于传统阶梯式变化的流化结晶管。

从上面所述可以看出，本发明提供的装置具有如下优点：

1.结构简单：流化结晶管仅为单个圆柱直管，管径无改变，易加工。

2.占地面积小：采用轴向依次设有多组进水加药口的进药管将待处理废水及生成鸟粪石晶体所需的镁液和碱液分别通过多个不同的进水加药口加入反应系统中，从而使待处理废水及镁液和碱液实现空间上的分流，优化了进水加药口附近的局部过饱和现象，目标粒径的晶体产率高，小粒径晶体的生成量小，无需外置沉淀池，大大节省了安装空间。

3.总磷去除率高：沉淀槽和流化结晶管上端直接相连，沉淀槽底部横截面积逐渐减小，最小横截面与流化结晶管的横截面相同，可以有效降低流化结晶管的回流液上升流速，减少小粒径晶体的流失；并且进水加药系统采用轴向依次设有多组进水加药口的进药管，将待处理废水及生成鸟粪石晶体所必须的镁液和碱液分别通过多个不同进水加药口加入反应系统中，使待处理废水及镁液和碱液实现空间上的分流，优化进水加药口附近的局部过饱和现象，小粒径晶体的生成量小，目标粒径晶体产率高，因此总磷去除率高。

4.晶体粒度均一且调控灵活：流化结晶管为单个圆柱直管，水力条件一致，生成的鸟粪石晶体粒径均一；可以适时排放生成的晶体以控制流化结晶管的晶体浓度，达到调控晶体粒径的目的。

5.管理方便：整个装置回流管路大大缩短，管路结垢概率降低，维护清洗成本降低。

附图说明

图1为本发明实施例鸟粪石流化结晶装置的线框图；

图2为本发明实施例鸟粪石流化结晶装置的结构示意图；

图3为本发明实施例鸟粪石流化结晶装置的进水管俯视图(3组4口)；

图4为本发明实施例鸟粪石流化结晶装置的进水管的A-A剖面图(3组4口)；

图5为本发明实施例鸟粪石流化结晶装置的进水管的B-B剖面图(3组4口)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种鸟粪石流化结晶装置，所述装置包括流化结晶管、沉淀槽和储水槽，所述沉淀槽的底部与流化结晶管的顶部连通，所述沉淀槽的顶部设有溢流堰，所述储水槽套接在沉淀槽的外部，储水槽的底部与沉淀槽的外壁固定连接，所述流化结晶管用于流化生成目标粒径的鸟粪石晶体，所述沉淀槽用于降低流化结晶管的回流液上升速度，所述储水槽用于储水回流并回收通过沉淀槽顶部的溢流堰溢出的小粒径晶体。

图1为本发明实施例的鸟粪石流化结晶装置的线框图。如图1所示，该装置包括自上而下依次设有的反应系统、进水加药系统和产品收集系统，其中，反应系统用于流化结晶生成目标粒径的鸟粪石晶体。进水加药系统位于反应系统的下方，用于将生成鸟粪石晶体所需的镁液和碱液以及待处理废水分别加入反应系统中，采用了轴向依次设有多组进水加药口的进药管将待处理废水及镁液和碱液分别通过多个不同的进水加药口加入反应系统内，从而使待处理废水及镁液和碱液实现空间上的分流，有效控制局部过饱和度，提高目标粒径的鸟粪石晶体收率。反应系统的回流液出口与进水加药系统的回流液进水管形成回流循环系统，上升水流依次通过流化结晶管和沉淀槽，由沉淀槽顶部的溢流堰溢出进入储水槽，并通过回流液出口进入回流管路，再由回流液进水管返回流化结晶管，实现上升水流在反应系统和进水加药系统的循环。产品收集系统位于进水加药系统的下方，用于收集反应系统生成的鸟粪石晶体。

作为本发明的又一个实施例，所述鸟粪石流化结晶装置还可以包括自动控制系统，自动控制系统与反应系统中的流化结晶管和进水加药系统相连，用于监测流化结晶管的pH值，并进一步控制进水加药系统的启动和停止。当反应系统中的鸟粪石晶体达到一定量时，打开产品排放管收集鸟粪石晶体。

图2为本发明实施例的鸟粪石流化结晶装置的结构示意图；图3为本发明实施例的鸟粪石流化结晶装置的进水管俯视图(3组4口)；图4为本发明实施例的鸟粪石流化结晶装置的进水管的A-A剖面图(3组4口)；图5为本发明实施例的鸟粪石流化结晶装置的进水管的B-B剖面图(3组4口)。结合图2、图3、图4和图5对本发明实施例的鸟粪石流化结晶装置进行详细说明。

其中，反应系统包括流化结晶管11、沉淀槽12和储水槽13，所述沉淀槽12的底部与流化结晶管11的顶部连通，所述沉淀槽12的顶部设有溢流堰121，所述储水槽13套接在沉淀槽12的外部，储水槽13的底部与沉淀槽12的外壁固定连接，所述流化结晶管11用于流化生成目标粒径的鸟粪石晶体，所述沉淀槽12用于降低流化结晶管11的回流液上升速度，所述储水槽13用于储水回流并回收通过沉淀槽12顶部的溢流堰121溢出的小粒径晶体。

作为本发明的另一个实施例，所述沉淀槽12底部的横截面逐渐减小，其底部最小横截面与流化结晶管11的横截面相同，因此沉淀槽12可以降低流化结晶管11的回流液上升速度，防止鸟粪石晶体在没有达到目标粒径时便随回流液流走，从而减少小粒径晶体的流失。

优选地，所述流化结晶管11可以为单个圆柱直管，即流化结晶管11的管径保持一致，采用单个圆柱直管作为流化结晶区可以有效地控制流化结晶管11水力条件一致，使生成粒径均一的鸟粪石晶体，而且单个圆柱直管易于加工，大大降低鸟粪石流化结晶装置的加工难度。优选地，所述流化结晶管11的高径比可以为4～30。

在本发明的另一个实施例中，所述储水槽13槽壁一侧设有溢流口133，对面一侧设有回流液出口132，所述溢流口133的高度低于溢流堰121的高度。进一步地，所述回流液出口132的高度低于溢流口133的高度，有利于装置中液体回流。

作为本发明的又一个实施例，所述储水槽13底部横截面逐渐减小，储水槽13槽底与沉淀槽12底部最大横截面处平齐，储水槽13槽底设有排放口131，所述排放口131用于排出储水槽13收集到的小粒径晶体，储水槽13槽底与侧壁形成钝角θ，有利于汇集通过沉淀槽12顶部的溢流堰121溢出的小粒径晶体。较佳地，钝角θ为90°<θ≤135°，钝角θ的形成有利于汇集通过沉淀槽12顶部的溢流堰121溢出的小粒径晶体。

待处理废水及镁液和碱液在流化结晶管11内部发生鸟粪石结晶反应生成鸟粪石晶体，沉淀槽12自下而上横截面积逐渐增大，虽然沉淀槽12这一结构特点可以有效降低流化结晶管11内回流液的上升流速，减少小粒径晶体的流失，但是在反应过程中还是不可避免的会有少量小粒径晶体生成，小粒径晶体通过沉淀槽12顶部的溢流堰121溢出至储水槽13，当储水槽13中累积的小粒径晶体的高度接近回流液出口132时，打开储水槽13底部的排放口131放出小粒径晶体。

在本发明的又一个实施例中，所述进水加药系统包括进药管21、回流液进水管22及产品排放管23，所述进药管21的顶部与流化结晶管11的底部相连，所述进药管21的底部与产品排放管23相连，所述回流液进水管22与产品排放管23连通，所述回流液进水管22用于与回流液出口132相连，所述进药管21上开设有多组进水加药口212，所述多组进水加药口212沿着进药管21的轴向依次设置，而且每组进水加药口212包括至少2个进水加药口212。需要说明的是，如图2所示，在该实施例中，所述进药管21上开设有三组进水加药口212，即三组进水加药口212沿着进药管21的轴向从上至下依次设置，而且每组进水加药口212之间的间距可以相同，可以不同；进一步地，在每组进水加药口212中，均沿着进药管21的径向设置，在每组进水加药口212中的多个进水加药口212可以沿着进药管21的径向均匀分布。

优选地，进水加药口212不限于附图3～5所示的3组4口，也可以为3～6组，每组中进水加药口212的数量数可以为2～10口。较佳地，轴向方向的进水加药口212间距为进水加药口212口径的2倍。进药管21将待处理废水及生成鸟粪石晶体所需的镁液和碱液分别通过多个不同的进水加药口212加入流化结晶管11内，使得待处理废水及镁液和碱液实现空间上的分流，优化了进水加药系统附近的局部过饱和现象。

优选地，所述产品排放管23位于进药管21的最下方，回流液进水管22与产品排放管23垂直连通。较佳地，所述产品排放管23的底部还设有阀门，且阀门位置低于回流液进水管22。

进药管21将待处理废水及生成鸟粪石晶体所需的镁液和碱液分别加入流化结晶管11内，使待处理废水及镁液和碱液实现空间上的分流，优化了进水加药系统附近的局部过饱和现象。回流液进水管22通过回流管路与回流液出口132相连，实现上升水流在反应系统和进水加药系统的循环。产品排放管23上设有的阀门在反应开始时是关闭的，当装置内生成的鸟粪石结晶膨胀高度达到沉淀槽12高度一半位置时，打开阀门，通过产品排放管23放出鸟粪石晶体，晶体排放完成后，关闭阀门。

较佳地，所述进药管21与流化结晶管11及产品排放管23分别通过连接阀相连，以便于流化结晶和产品的排放，连接阀可以为双由令球阀或蝶阀。

进一步地，进水加药系统还可以包括水泵(未标出)与药桶(未标出)，进水加药口212与水泵及药桶相连，药桶中分别盛有镁液和碱液，提供生成鸟粪石晶体所需的原料。其中，水泵、药桶分别与多个进水加药口212相连。

具体地，回流液进水管22与产品排放管23垂直放置且相互连通，回流液进水管22通过回流管路与回流液出口132相连，上升水流依次通过流化结晶管11和沉淀槽12，由溢流堰121进入储水槽13，并通过回流液出口132进入回流管路，再由回流液进水管22返回流化结晶管11，实现上升水流在反应系统和进水加药系统的循环。

其中，产品收集系统包括产品收集装置31，当通过产品排放管23放出反应系统中生成的鸟粪石晶体后，通过产品收集装置31对鸟粪石晶体进行后续处理。

具体地，启动装置运行一段时间后，当装置内生成的鸟粪石晶体膨胀高度达到沉淀槽12高度一半位置时，打开产品排放管23上的阀门，通过产品排放管23放出鸟粪石晶体，并通过产品收集装置31对鸟粪石晶体进行后续处理。

其中，自动控制系统包括pH探头41和pH自动控制器42，pH探头41安装在流化结晶管11上，并通过电极信号线与pH自动控制器42相连，pH自动控制器42的输出信号线则与进水加药系统中的药桶及水泵相连。pH探头41监测反应系统流化结晶管11内的pH值，并通过电极信号线传输到pH自动控制器42，pH自动控制器42通过输出信号线进一步控制加药泵及水泵的启动和停止。

本发明的鸟粪石流化结晶装置的使用方法包括如下步骤：

a.配置一定浓度的镁液和碱液，分别放于进水加药系统的药桶内，将进水管21的进水加药口212与水泵及药桶分别相连，将反应系统的流化结晶管11中注满待处理废水，并加入适量鸟粪石晶种；

b.启动装置，设置反应系统中流化结晶管11内反应的pH值、进水加药系统中进水泵的流量及加药泵的流量，调节流化结晶管11内回流液上升流速，自动控制系统的pH探头41监测流化结晶管11内的pH值，并通过电极信号线传输到pH自动控制器42，pH自动控制器42通过输出信号线进一步控制加药泵的启动和停止，并且进水管21将待处理废水和生成鸟粪石晶体所需的镁液和碱液分别通过多个不同的进水加药口212加入流化结晶管11内，从而使待处理废水及镁液和碱液实现空间上的分流，优化进水加药系统附近的局部过饱和现象，使待处理废水与碱液和镁液生成目标粒径的鸟粪石晶体，减少小粒径晶体的生成；

c.运行过程中，不可避免会有小粒径晶体通过沉淀槽12顶部的溢流堰121溢出至储水槽13，当储水槽13中累积的小粒径晶体的高度接近回流液出口时，开启储水槽13底部的排放口131，排出沉积于储水槽13内部的小粒径晶体；

d.监测装置内鸟粪石晶体的生成量，当装置内生成的鸟粪石晶体膨胀高度达到沉淀槽12高度一半位置时，打开产品排放管23上的阀门，通过产品排放管23放出装置内的鸟粪石晶体，并通过产品收集装置31进行后续处理。

实施例一

一种应用本发明装置处理养猪废水沼液的方法。废水的初始pH值为6.5，NH₄⁺和PO₄^3-浓度分别为340mg/L和60mg/L。采用本发明的装置处理该养猪废水沼液，装置的有效容积40L，其中流化结晶管5L，高径比为30，沉淀槽35L，控制流化结晶管与沉淀槽上升流速分别为70mm/s和2mm/s。废水的进水量为60L/h，控制反应体系pH为8.0，Mg/P为1.2，回流比为20，采用3组2口的进水组件。稳定运行情况下，装置PO₄^3--P和TP去除率分别可达95％和80％。运行15天后放出产品，并在38℃温度下烘干，颗粒外观近似球形，表面光滑，主要成分为鸟粪石颗粒，纯度约为98％。与传统单一进口的加药方式对比，本装置粒径为2.0-2.5mm的产品颗粒质量百分比高达80％。

实施例二

一种应用本发明装置处理某污泥厌氧消化上清液的方法。废水的初始pH值为7.6，NH₄⁺和PO₄^3-浓度分别为720mg/L和133mg/L。采用本发明的装置处理该污泥厌氧消化上清液，装置的有效容积100L，其中流化结晶管40L，高径比为15，沉淀槽60L，控制流化结晶管与沉淀槽上升流速分别为50mm/s和1.5mm/s。废水的进水量为150L/h，控制反应体系pH为9.0，Mg/P为1.2，回流比为15，采用3组8口的进水组件。稳定运行情况下，装置PO₄^3--P和TP去除率分别可达92％和76％。运行5天后放出产品，并在38℃温度下烘干，颗粒外观近似球形，表面光滑，主要成分为鸟粪石颗粒，纯度约为95％。与传统单一进口的加药方式对比，本装置粒径为2.0-2.5mm的产品颗粒质量百分比高达77％。

实施例三

一种应用本发明装置处理某污泥厌氧消化上清液为例。废水的初始pH值为7.6，NH₄⁺和PO₄^3-浓度分别为540mg/L和80mg/L。采用本发明的装置处理该污泥厌氧消化上清液，装置的有效容积200L，其中流化结晶管80L，高径比为4，沉淀槽120L，控制流化结晶管与沉淀槽上升流速分别为30mm/s和1mm/s。废水的进水量为300L/h，控制反应体系pH为10.0，Mg/P为1.2，回流比为10，采用6组10口的进水组件。稳定运行情况下，装置PO₄^3--P和TP去除率分别可达90％和74％。运行30天后放出产品，并在38℃温度下烘干，颗粒外观近似球形，表面光滑，主要成分为鸟粪石颗粒，纯度约为90％。与传统单一进口的加药方式对比，本装置粒径为2.0-2.5mm的产品颗粒质量百分比高达73％。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。