用于從廢水中沉淀溶質(zhì)的反應(yīng)器及相關(guān)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于從廢水中除去溶質(zhì)的裝置和方法。一個(gè)實(shí)施方式提供了反應(yīng)器罐，其具有位于或靠近具有第一橫截面的較低(上游)段和具有比第一橫截面小的第二橫截面的較高(下游)段之間的邊界的歧管。用于使廢水進(jìn)入反應(yīng)器罐的入口位于第一橫截面或在第一橫截面下方。再循環(huán)路徑被設(shè)置為用于從歧管中除去廢水，并將至少部分的除去的廢水回收至反應(yīng)器罐中。用于將水排出反應(yīng)器罐的出口位于所述歧管的下游。
【專利說明】用于從廢水中沉淀溶質(zhì)的反應(yīng)器及相關(guān)方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求了在2011年3月10日提交的標(biāo)題為“用于從廢水中沉淀溶質(zhì)的反應(yīng)器”的美國專利申請(qǐng)第61/451，518號(hào)的優(yōu)先權(quán)。在美國，該申請(qǐng)要求享受在2011年3月10日提交的美國專利申請(qǐng)第61/451，518的35U.S.C.§ 119的權(quán)益，其通過引用的方式并入到本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及廢水處理。實(shí)施方式涉及用于從廢水中沉淀溶解的材料的反應(yīng)器，及用于從廢水中沉淀溶解的材料的方法。例如，本發(fā)明可以用于鳥糞石沉淀反應(yīng)器中。
【背景技術(shù)】
[0004]一般的反應(yīng)器，以及特別是流化床反應(yīng)器已經(jīng)被用于從包含顯著濃度的磷，通常以磷酸鹽形式的廢水中除去并回收磷。這樣的廢水可以來自廣泛的來源。這些包括如下來源，例如，來自垃圾填埋場(chǎng)的浙濾、來自農(nóng)業(yè)用地的徑流、來自工業(yè)過程的流出物、城市廢水、動(dòng)物糞便等。這樣的廢水，如果未經(jīng)處理排放至環(huán)境中可以導(dǎo)致過量的排出物磷濃度。
[0005]存在多種磷除去和回收技術(shù)。一些技術(shù)提供了硫化床反應(yīng)器來通過產(chǎn)生丸粒形式的鳥糞石(MgNH4P046H20)或鳥糞石類似物或磷酸鹽化合物而從水溶液中除去磷。鳥糞石可以通過如下反應(yīng)形成:
[0006]Mg2++NH4++P0廣+6H20 <- MgNH4PO4.6H20
[0007]多個(gè)參考文獻(xiàn)中已經(jīng)描述了用`于從廢水溶液中除去和回收磷的反應(yīng)器的實(shí)例。其中包括如下文獻(xiàn):
[0008]Regy 等人，Phosphate recovery by struvite precipitation in a stirredreactor), LAGEP (2001年3月至12月)，包括進(jìn)行了多種嘗試以通過鳥糞石沉淀從廢水中除去磷和氮。
[0009]Trentelman,美國專利申請(qǐng)第 4，389, 317 號(hào)，以及 Piekema 等人，PhosphateRecovery by the Crystallization Process !Experience and Developments,在關(guān)于Phosphate Recovery for Recycling from Sewage and Animal Wastes 的第二屆國際會(huì)議上提交的論文，Noordwijkerhout,荷蘭,2001年3月12-13,公開了以磷酸鈣、磷酸鎂、磷酸銨鎂或磷酸鎂鉀的形式沉淀磷酸鹽的反應(yīng)器和方法。
[0010]Ueno 等人，Three years experience on operating and selling recoveredstruvite from full scale plant (2001), Environmental Technology,第 22 卷,第 1373頁，公開了使用側(cè)流結(jié)晶反應(yīng)器從而以磷酸鎂銨(又稱作鳥糞石)的形式除去磷酸鹽。
[0011]Tsunekawa等人，日本第11-267665號(hào)的專利摘要公開了用于從水中除去磷的反應(yīng)器。
[0012]Koch 等人，F(xiàn)luidized bed wastewater treatment,美國專利第 7，622，O47 號(hào)。
[0013]在廢水處理和反應(yīng)器中可能出現(xiàn)的一些問題包括在處理的廢水中的溶質(zhì)的沉淀不充分，以及沉淀的粒子夾帶在經(jīng)處理的廢水中。需要有成本效益的方法和系統(tǒng)以解決這些問題中的一些或所有的這些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明具有多個(gè)方面。一個(gè)方面提供了流化床反應(yīng)器及其部件。例如，這樣的反應(yīng)器可以應(yīng)用于例如由廢水產(chǎn)生鳥糞石、鳥糞石類似物和其它含磷的化合物。另一方面提供了用于廢水處理的方法。在本文中描述了這樣的裝置和方法的多個(gè)實(shí)例，并且示出在附圖中。多個(gè)示出的示例性實(shí)施方式的特征可以以其它方式結(jié)合以提供其它實(shí)例的實(shí)施方式。
[0015]一個(gè)實(shí)例方面提供了流化床反應(yīng)器，其具有在出口上游的澄清段。所述澄清段被配置成提供低流體流速。因此，所述澄清段有助于防止鳥糞石等的小粒子排出反應(yīng)器。在澄清段下方的至少一個(gè)段的流體流速高于在澄清段的流體流速。通過在流體進(jìn)入澄清段之前除去流體，可以降低在澄清段中的流體流速。這可能涉及將流體抽吸至在澄清段邊界處或其附近的歧管中等。排出的流體可以部分地或全部地回收至在澄清段下方的反應(yīng)器的段。在一些實(shí)施方式中，澄清段的橫截面積小于澄清段下方的一個(gè)或多個(gè)段的橫截面積，其中，在所述一個(gè)或多個(gè)段中流體流速大于在澄清段中的流體流速。
[0016]另一方面提供了廢水處理系統(tǒng)，其包括:從第一橫截面至小于第一橫截面的第二橫截面變細(xì)的反應(yīng)器罐。所述第一橫截面在第二橫截面上方。設(shè)置入口用于使廢水進(jìn)入在所述第二橫截面底部下方或其附近的反應(yīng)器罐中。設(shè)置再循環(huán)路徑以從第一橫截面下游的進(jìn)口吸入廢水，并將至少部分的除去的廢水返回至進(jìn)口上游的反應(yīng)器罐。再循環(huán)路徑進(jìn)口下游設(shè)置用于使水從再循環(huán)反應(yīng)器罐排出的出口。澄清段可以被設(shè)置在再循環(huán)路徑的進(jìn)口與出口之間。
[0017]在一些實(shí)施方式中，配置流量分配器以從反應(yīng)器罐中采集廢水，并將其輸送至進(jìn)口。所述流量分配器可以配置為導(dǎo)致通過進(jìn)口抽吸的廢水基本均勻地被從所述反應(yīng)器罐的橫截面抽吸。例如，所述流量分配器可以包括歧管、流槽、水平流動(dòng)分配板和位于所述流量分配板正下方的水下堰等。`
[0018]一些實(shí)施方式包括連接用來使試劑與進(jìn)入的廢水混合的計(jì)量機(jī)構(gòu)。例如，所述試劑包括如下的一種或多種物質(zhì)的源:鎂離子和銨離子。
[0019]另一方面提供了用于處理廢水的方法。根據(jù)該方面的方法包括:使廢水從反應(yīng)器罐入口向上流動(dòng)經(jīng)過反應(yīng)器罐；降低廢水向入口下游流動(dòng)的流速；從所述反應(yīng)器罐出口上游除去降低流速的廢水；和將除去的廢水再引入至反應(yīng)器罐，該反應(yīng)器罐在除去的廢水被除去處的上游。
[0020]其它方面提供了包括在本文中公開的任何新穎的、創(chuàng)造性的特征、特征的組合或特征的子組合的裝置，和包括在本文中描述的任何新穎的、創(chuàng)造性步驟、行為、步驟和/或行為的組合或步驟和/或行為的子組合的方法。
[0021]在附圖中示出和/或在下面描述本發(fā)明的其它方面和本發(fā)明的示例性實(shí)施方式?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0022]附圖將顯示本發(fā)明的非限定性的實(shí)施方式。
[0023]圖1為根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。[0024]圖2為根據(jù)示例性實(shí)施方式的逐步變細(xì)的流化床反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。
[0025]圖3為根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。
[0026]圖4為根據(jù)示例性實(shí)施方式的逐步變細(xì)的流化床反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。
[0027]圖4A為示于圖4中的反應(yīng)器的歧管的俯視剖面圖。
[0028]圖5為根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器的側(cè)面剖視圖。
[0029]圖6為根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。
[0030]圖6A為示于圖6中的反應(yīng)器的流槽陣列的俯視剖面圖。
[0031]圖7為根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的方法的流程圖。
[0032]圖8為根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。
[0033]圖9為根據(jù)示例性實(shí)施方式的逐步變細(xì)的流化床反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。
[0034]圖10為包括導(dǎo)流管的實(shí)例反應(yīng)器的立式圖式側(cè)面剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]在整個(gè)下面的描述中說明了具體的細(xì)節(jié)，從而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供更透徹的理解。然而，公知的元件可能沒有顯示或詳細(xì)地描述，以避免不必要地使本公開不清楚。因此，所述描述或附圖被認(rèn)為是說明性的，而不是限制意義上的。
[0036]在下面的描述中的 本發(fā)明的一些實(shí)施方式涉及反應(yīng)器裝置或方法，其中，廢水中的磷以鳥糞石或鳥糞石類似物或磷酸鹽化合物的形式沉淀。實(shí)例的這種選擇與具有顯著商業(yè)實(shí)用性的實(shí)施方式一致。然而，本發(fā)明的范圍不限于這些實(shí)例。
[0037]為了便利起見，術(shù)語“廢水”被用于下面的說明書和權(quán)利要求中來描述水溶液，例如，工業(yè)廢水或城市廢水、浸出液、徑流、動(dòng)物糞便、排出物等。術(shù)語“廢水”并不限于來自城市污水、動(dòng)物糞便或任何其他具體來源的排出物。一些實(shí)施方式提供了用于處理城市污水和/或動(dòng)物糞便的方法。一些實(shí)施方式提供了用于處理其它種類的廢水，例如尾礦等的方法和裝置。在本文中描述的裝置和方法并不限于處理廢水，而是也具有其它應(yīng)用。所述裝置和方法可以應(yīng)用于使物質(zhì)從組成離子獲自除廢水之外的源的溶液中沉淀，例如，鳥糞石、鳥糞石類似物或其它含磷的化合物。
[0038]圖1為示意性圖示根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器10的圖，所述流化床10可以用于從廢水中沉淀溶解的固體。反應(yīng)器10包含錐形反應(yīng)器罐12、位于罐12的底部的入口 14和位于罐12頂部的出口 16。來自供料18的廢水在入口 14處進(jìn)入反應(yīng)器罐12，并向上流動(dòng)經(jīng)過罐12朝向出口 16。供料18可以包含未處理的廢水，或未處理的廢水和試劑的組合。廢水在出口 16處排出罐12至連接的排出物管道系統(tǒng)(未示出)。錐形形狀的罐12導(dǎo)致從入口 14至出口 16下降的廢水流速梯度。
[0039]廢水中的溶質(zhì)在罐12中沉淀為固體粒子22 (例如，鳥糞石或其它含磷的化合物)。廢水的向上流動(dòng)抵消了粒子22上的重力。固體粒子22被流化，其中，在罐12中的廢水的流速足夠大使得廢水對(duì)粒子22的力與重力平衡,或超過重力。由于廢水對(duì)粒子22的力遵循廢水流速的梯度，不同大小的粒子22將通過在罐12中不同的高度來分類，在罐中重力與廢水流動(dòng)之間平衡。較小的粒子趨向于存在于罐12的頂部附近，而較大的粒子趨向于存在于接近罐12的底部。
[0040]隨著粒子22生長(zhǎng)(即，由于團(tuán)聚和/或晶體生長(zhǎng))，它們?cè)诠?0中趨向于向下移動(dòng)。在一些實(shí)施方式中，廢水在反應(yīng)器12中向上流動(dòng)支撐了鳥糞石或其它含磷化合物的丸粒，所述含磷化合物是在反應(yīng)器中通過使溶解的物質(zhì)沉淀而形成的。由于丸粒隨著時(shí)間而長(zhǎng)大，可以根據(jù)在反應(yīng)器內(nèi)的不同區(qū)域內(nèi)的廢水流動(dòng)速率比的差異導(dǎo)致的尺寸而將它們分類。
[0041]在丸粒被采集之前，通常允許它們生長(zhǎng)至至少最小的尺寸(例如，在一些應(yīng)用中，較合意地采集具有Imm或更大直徑的丸粒的鳥糞石)。具有可采集尺寸的丸?？梢在呄蛴诰奂诓杉瘏^(qū)，從所述采集區(qū)域中可以除去它們。反應(yīng)器10包括任選的析出段26，其可以用于從采集區(qū)中采集丸粒。析出段26與反應(yīng)器罐12和析出流體源(未示出)流體連通。析出流體從析出段26底部向上流動(dòng)。同時(shí)，沉淀物粒子重力加料至析出段26的頂部，并以與析出流體流逆流向下移動(dòng)經(jīng)過析出段26。析出流體的向上流動(dòng)使沉淀物粒子的向下流動(dòng)流化。例如，析出流體可以為來自城市供應(yīng)的水。在一些實(shí)施方式中，在析出段中的沉淀物粒子被來自供料18的廢水流化。析出段26可以包含可操作地中斷沿析出段26的流體連通的閥?？梢允褂昧黧w控制器(例如，轉(zhuǎn)子流量計(jì)、流量控制閥、泵等)調(diào)節(jié)在析出段26中的流體流動(dòng)以選擇性地拒絕低于希望的最小尺寸的粒子，并將它們返回至反應(yīng)器中以允許它們?cè)诓杉斑M(jìn)一步生長(zhǎng)。以這種方式，通過析出段26僅從反應(yīng)器中除去大于所希望的尺寸的粒子。更小的粒子被留下生長(zhǎng)直至它們達(dá)到所希望的尺寸。在析出段26中的流體流動(dòng)可以由單獨(dú)的水源(例如，工藝用水、飲用水等)供給，或者可以從反應(yīng)器再循環(huán)或排出物流中抽吸。
[0042]為了避免在連接的排出物管道系統(tǒng)中污垢的聚集，以及確保高沉淀產(chǎn)率，較合意的是排出罐12的廢水包含低濃度的某種溶質(zhì)，以及通過從罐12運(yùn)載沉淀物粒子22至排出物管道幾乎沒有沉淀物粒子損失。在排出罐12的廢水中溶質(zhì)的濃度可以通過延長(zhǎng)廢水在罐12中消耗的停留時(shí)間而降低，從而為發(fā)生沉淀提供更好的機(jī)會(huì)。例如，這可以通過相對(duì)于在入口 14處的流速增加罐12的體積而實(shí)現(xiàn)。通過加大罐12在其頂端(即，澄清段)的橫截面可以減少在出口 16附近的廢水的沉淀物粒子22的存在，從而在罐12的頂端的流體速度足夠低使得在進(jìn)入出口 16附近之前除了非常小的沉淀物粒子22之外，所有的沉淀物粒子都沉降。
[0043]圖2為示意性地顯示根據(jù)示例性實(shí)施方式的流化床反應(yīng)器30的圖。反應(yīng)器30包括逐步變細(xì)的反應(yīng)器罐32，其具有增大的澄清段，即，上段38，和下段34和中段36。上段38的橫截面積大于中段36的橫截面積，中段36進(jìn)而大于下段34的橫截面積?？梢赃\(yùn)行反應(yīng)器30使得入口流速相對(duì)于罐32的上段38的橫截面積比例足夠小使得靜止區(qū)40存在于罐的上段40中。在靜止區(qū)40中，流體流速足夠低使得沉淀物粒子趨向于從靜止區(qū)40沉降。
[0044]大橫截面積的澄清區(qū)與一些成本相關(guān)。更大的橫截面對(duì)應(yīng)于澄清段中更大質(zhì)量的廢水。為了提供涉及的通常質(zhì)量概念，考慮直徑為5米高度為1.5米的圓柱段的水，將具有大約29.4公噸的質(zhì)量。在提高大的澄清段以提供廢水的逆重力流動(dòng)之處，可能需要結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)支撐體以支撐在澄清段中包含的廢水的質(zhì)量。在反應(yīng)器30中，在上段38中廢水的重量是由結(jié)構(gòu)支撐體42和44支撐的。更大的罐還具有更高的結(jié)構(gòu)成本和更大的安裝空間。更大的罐會(huì)在制備和運(yùn)輸罐至它們將被安裝的位置的過程中引入了實(shí)際困難。
[0045]反應(yīng)器10具有任選的再循環(huán)路徑24，通過它，廢水被供料回至入口 14上游的反應(yīng)器。再循環(huán)路徑24導(dǎo)致在排出排出物管道系統(tǒng)之前至少一些廢水再循環(huán)通過罐超過一次，由此為粒子形成(例如，通過成核)和生長(zhǎng)(例如，通過團(tuán)聚和/或晶體生長(zhǎng))提供了更好的機(jī)會(huì)。再循環(huán)路徑24還提高了流體流動(dòng)速率，以及相應(yīng)地在罐12中的在返回至再循環(huán)路徑24至罐12的頂部之間的流體流速。
[0046]由于再循環(huán)路徑24提高了在罐12中的流體流速，其導(dǎo)致提高了在出口 16區(qū)的流體流速。這將增加沉淀物粒子的粒徑和沉淀物粒子數(shù)量，所述沉淀物粒子可以受到在出口16附近的流體流動(dòng)的支撐，以及其進(jìn)而可以導(dǎo)致更多數(shù)量的沉淀物粒子從罐12被夾帶通過出口 16。盡管由于再循環(huán)路徑24的影響而增加排出罐12的沉淀物粒子可以通過相對(duì)于入口流速增加罐12的橫截面積來補(bǔ)償，以允許更好地沉降(例如，如圖2所示)，但是這將降低再循環(huán)效率，因?yàn)槠鋵?dǎo)致更少的粒子被再循環(huán)以經(jīng)歷團(tuán)聚和晶體生長(zhǎng)(例如，由于粒子趨向于沉降而離開再循環(huán)路徑24進(jìn)口再循環(huán))，并且具有需要更大的罐的缺點(diǎn)。
[0047]再循環(huán)流量對(duì)通過反應(yīng)器10的出口 16的沉淀物粒子夾帶的影響也可能與反應(yīng)器10的從具有高濃度磷的廢水供料18中得到高回收率的鳥糞石的用途相沖突。在一些應(yīng)用中，廢水供料18可以具有超過60mg/L(以PO-P計(jì))，以及高達(dá)10，000mg/L(以P04-P計(jì))的磷濃度。為了作為大的鳥糞石丸粒得到高回收率的磷酸鹽(例如超過70%或超過90%)(例如，0.5mm至5_的直徑)，在罐12中應(yīng)該保持相對(duì)低的過飽和率(例如，過飽和率低于5)。為了在高濃度的供料的存在下保持這樣低的過飽和率，至少3:1至100:1或更大的再循環(huán):供料比可能是希望的。
[0048]圖3為示意性地顯示根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器50的圖。反應(yīng)器50包括錐形反應(yīng)器罐52、入口 54和出口 56。例如，入口 54可以位于或接近反應(yīng)器罐52的下部。在一些實(shí)施方式中，入口 54位于反應(yīng)器罐52的底部。在一些實(shí)施方式中，入口 54在反應(yīng)器罐52的底部二分之一處。在一些實(shí)施方式中，入口 54在反應(yīng)器罐52的底部三分之一處。在一些實(shí)施方式中，入口 54在反應(yīng)器罐52的底部四分之一處。出口 56可以例如，位于或接近反應(yīng)器罐52的上部。在一些實(shí)施方式中，出口 56位于反應(yīng)器罐52的頂部。在一些實(shí)施方式中，出口 56在反應(yīng)器罐52的頂部四分之一處。一些實(shí)施方式包括多個(gè)入口和/或出口。
[0049]來自供料58的廢水在入口 54處進(jìn)入反應(yīng)器罐52，并在出口 56排出罐52。在示出的實(shí)施方式中，入口 54朝上，并且從入口 54引入到罐52中的流體的流動(dòng)是朝上的。入口 54和/或出口 56也可以與反應(yīng)器罐52基本垂直地、基本水平地或與之呈一定的角度定向。
[0050]反應(yīng)器50包括再循環(huán)路徑60。廢水在位于入口 54的下游和出口 56上游的進(jìn)口62處進(jìn)入再循環(huán)路徑60。再循環(huán)路徑60將至少部分的除去的廢水在回路64處返回至進(jìn)口62上游的罐52。在示出的實(shí)施方式中，進(jìn)口 62位于入口 54的上方和出口 56的下方。由于再循環(huán)路徑60抽吸出口 56上游的流體，進(jìn)口 62下游的罐52 (例如，上述)中的流體流速不會(huì)顯著程度地依賴于再循環(huán)路徑60的流量。因此，可以提高再循環(huán)路徑60的流量，而不會(huì)相應(yīng)地提高在出口 56附近的流體流速。結(jié)果，可以以高再循環(huán)比率地運(yùn)行反應(yīng)器50，而在進(jìn)口 62和出口 56之間具有相對(duì)小體積(例如，就橫截面積和/或體積而言)的靜止區(qū)65。
[0051]在示出的實(shí)施方式中，再循環(huán)路徑60包括流量控制單元61。流量控制單元61可以包含節(jié)流元件，例如閥等。流量控制單元61可以包含泵等。彎頭泵(elbow pump)、軸流泵和導(dǎo)流管為趨向有利于高流量、低揚(yáng)程用途的泵的類型。這樣的泵可以并入到流量控制單元61中。然而，其它合適類型的泵也可以用于本申請(qǐng)中。有利地，并入到流量控制單元61中的泵為提供相對(duì)低的湍流的類型，因?yàn)楫?dāng)處理用CO2飽和的廢水時(shí)，這種泵比導(dǎo)致更多湍流的類型的泵更低可能性地形成鳥糞石污垢沉積。低湍流泵送裝置也更低可能地導(dǎo)致再循環(huán)通過再循環(huán)路徑的細(xì)小的鳥糞石粒子的機(jī)械損壞或磨耗再循環(huán)再循環(huán)，因此促進(jìn)了在反應(yīng)器中形成更大的粒子。
[0052] 例如，流量控制單元61可以連接至流體供應(yīng)處，并將流體引入至再循環(huán)路徑60中，例如，洗滌流體(例如，非飲用水、礦物質(zhì)或有機(jī)酸)。
[0053]在一些實(shí)施方式中，再循環(huán)路徑60的流量為供料58的流量的至少三倍。在一些實(shí)施方式中，再循環(huán)路徑60的流量與供料58的流量的比率可以為100:1或更大。在用于高強(qiáng)度的廢水應(yīng)用(例如10，000mg/LP)的實(shí)施方式中，高再循環(huán)比率可能是有用的。這種再循環(huán)比率可以為300:1或更大
[0054]在一些實(shí)施方式中，與其中再循環(huán)路徑從其反應(yīng)器罐的頂部抽吸水的類似尺寸的反應(yīng)器相比，在進(jìn)口 62上方的靜止區(qū)的橫截面積可以縮小至三分之一或更小。
[0055]流量控制單元61或再循環(huán)路徑60的其它特征可以使更大的沉淀物粒子破裂成更小的沉淀物粒子。如果更大的沉淀物粒子被抽吸至再循環(huán)路徑60中并破裂成更小的沉淀物粒子，可能破壞反應(yīng)器50在形成大的鳥糞石丸粒方面的效率。反應(yīng)器罐52從進(jìn)口 62下方的第一橫截面66至第一橫截面66的上游和下方的更小的第二橫截面68變細(xì)。從第一橫截面66至第二橫截面68變細(xì)的罐52導(dǎo)致廢水流速的梯度，和相應(yīng)的根據(jù)尺寸的沉淀物粒子的梯度分布。由于進(jìn)口 62位于第一橫截面66的上方,可以這樣運(yùn)行反應(yīng)器50使得進(jìn)入再循環(huán)路徑60的廢水包含相對(duì)細(xì)小的沉淀物粒子，如果有的話，而不是相對(duì)大的粒子。相對(duì)細(xì)小的沉淀物粒子的再循環(huán)可以促進(jìn)更均勻地晶體生長(zhǎng)。
[0056]在反應(yīng)器50中，再循環(huán)路徑60的回路64位于入口 54的上游。在入口 54處或在入口 54的下游，再循環(huán)的廢水可以通過外部再循環(huán)導(dǎo)管，或例如通過導(dǎo)流管被引入反應(yīng)器52的底部。在反應(yīng)器52的入口的上游和/或靠近反應(yīng)器52的入口再引入細(xì)小的沉淀物粒子允許再循環(huán)的廢水與新鮮供料和試劑混合，這可以促進(jìn)再循環(huán)的廢水中任何細(xì)小沉淀物粒子的快速生長(zhǎng)。
[0057]反應(yīng)器50包含任選的流量分配器69。流量分配器69配置為收集來自罐52的廢水并將其輸送至進(jìn)口 62。流量分配器69可以包括一個(gè)或多個(gè)端口(未示出)，在所述端口處通過流量分配器69可以抽吸來自罐52的廢水。流量分配器69的端口可以設(shè)置為從反應(yīng)器罐52的不同位置抽吸廢水。在一些實(shí)施方式中，流量分配器69的端口設(shè)置為從罐52的橫截面的不同位置抽吸廢水。例如，流量分配器69可以包含一系列設(shè)置為從跨越罐52的橫截面分布的多個(gè)不同位置抽吸廢水的端口。在一些實(shí)施方式中，流量分配器69的端口設(shè)置為使得流量分配器69可以基本均勻地從罐52的橫截面抽吸水。
[0058]再循環(huán)廢水的均勻抽吸可以有助于保持在進(jìn)口 62下方的流化床中流動(dòng)的均勻分布，并且可以避免從入口 54至再循環(huán)路徑60的廢水流動(dòng)短路。流量分配器69可以例如，包括流量分配歧管、水下堰等。
[0059]在示出的實(shí)施方式中，流量分配器69是基本平面的，流量分配器69的端口可以設(shè)置為從跨過罐52的相應(yīng)的平面的橫截面抽吸廢水。在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)器包括非平面的流量分配器(例如，錐形形狀的流量分配器等)，以及流量分配器的端口以可以設(shè)置為從跨過相應(yīng)的罐52的非平面的表面抽吸廢水。
[0060]在許多情況下，由流經(jīng)流量分配器導(dǎo)致的壓頭損失將足以導(dǎo)致在流量分配器中從溶液中除去一些溶解的氣體。例如，在其中用CO2或碳酸使待處理的廢水飽和的情況下，在流量分配器中可能出現(xiàn)CO2的脫氣(伴隨著PH升高)。這會(huì)促進(jìn)鳥糞石在流量分配器中的沉淀(例如在歧管、孔、泵葉輪和/或管道中沉淀)?；谠摾碛?，有利地，將流量分配器的表面涂布耐污垢涂層，例如Teflon ，Kynar (PVDF)、HyIar ，或搪玻璃。鳥糞石也不粘附到這樣的涂層上。結(jié)果，在流量分配器中沉淀的鳥糞石將作為細(xì)小成粒物質(zhì)被夾帶在流中，而不會(huì)在歧管的壁上形成大塊或堵塞歧管的孔等。在流量分配器或再循環(huán)線中的污垢的形成是保養(yǎng)的負(fù)擔(dān)，因?yàn)槲酃感纬蓵?huì)堵塞管道使流動(dòng)受阻的程度，還因?yàn)槿绻试S污垢積聚，那么大到足以損害下游泵送設(shè)備的硬污垢的碎片將破裂。
[0061]一些實(shí)施方式包括多個(gè)流量分配器。一些這樣的實(shí)施方式的流量分配器可以配置為使得從具有大致相同的流體流動(dòng)流速的不同區(qū)域抽吸廢水。例如，在一些實(shí)施方式中，靠近罐中心的廢水流速大于靠近罐壁的廢水的流速。朝上開口錐形反應(yīng)器可以包括配置為導(dǎo)致從中心區(qū)域抽吸廢水的第一流量分配器，和位于第一流量分配器下方且配置為導(dǎo)致從與中心區(qū)域同心地并徑向朝外的外周區(qū)域抽吸廢水的第二流量分配器?？梢耘渲枚鄠€(gè)流量分配器以將廢水導(dǎo)引至一個(gè)或多個(gè)再循環(huán)路徑的相同或不同的進(jìn)口。
[0062]在一些實(shí)施方式中，可以監(jiān)測(cè)和/或控制再循環(huán)比率(例如，通過再循環(huán)路徑60的流量與在出口 56處的流量的比率)。一些實(shí)施方式包括控制系統(tǒng)，例如過程控制器，配置為例如通過調(diào)節(jié)在進(jìn)口 62處的閘，在回路64處的閘、在流量分配器69處的閘來控制再循環(huán)比率，和/或配置為通過再循環(huán)路徑60抽吸流體的泵。例如，一些實(shí)施方式包括具有在美國專利第7，622，047號(hào)(Koch等人，標(biāo)題為流化床廢水處理，通過引用的方式并入到本文中)中描述的特征的控制系統(tǒng)。
`[0063]在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)器罐52逐步變細(xì):也就是，其包括多個(gè)具有不同橫截面的相鄰段。例如，罐52可以包括具有采集段和采集段上方一個(gè)或多個(gè)段的基本垂直定向的導(dǎo)管。在導(dǎo)管中的段的數(shù)量可以變化。在一些情況下，在采集區(qū)上方存在兩個(gè)或更多的垂直-連續(xù)的段。例如，導(dǎo)管的段可以為圓柱形。
[0064]在一些實(shí)施方式中，在進(jìn)口 62上方的罐52的橫截面與進(jìn)口 62處或在其緊下方的橫截面一樣。在一些實(shí)施方式中，在進(jìn)口 62上方的罐52的橫截面小于在進(jìn)口 52處的橫截面。
[0065]在一些實(shí)施方式中，反應(yīng)器罐52的體積和在進(jìn)口 62處引入的流體的體積使得廢水在進(jìn)口 62下游(上部)的罐52中的平均停留時(shí)間為至少數(shù)分鐘。在一些實(shí)施方式中，平均停留時(shí)間在3至100分鐘的范圍內(nèi)。例如，在一些實(shí)施方式中，供料速率和再循環(huán)速率使得流體在再循環(huán)歧管上游的反應(yīng)器罐52中的停留時(shí)間小于10分鐘。例如，在一些實(shí)施方式中為大約3至7分鐘。
[0066]可以選擇反應(yīng)器的高度使得反應(yīng)器體積足夠大以允許丸粒生長(zhǎng)至所希望的尺寸。在原型實(shí)施方式中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鳥糞石丸粒的直徑以大約0.1-0.3mm/天的速率生長(zhǎng)。在這些生長(zhǎng)速率下，允許丸粒生長(zhǎng)至3_直徑將需要丸粒在反應(yīng)器罐52中的停留時(shí)間為大約10-30天。例如，在一些實(shí)施方式下，在5-15天內(nèi)可以生長(zhǎng)出尺寸在0.5至4.0mm范圍內(nèi)的丸粒。
[0067]圖4為示意性地顯示根據(jù)示例性實(shí)施方式的錐形流化床反應(yīng)器70的圖。反應(yīng)器70包括逐步變細(xì)的反應(yīng)器罐72、入口 74和出口 76。所述逐步變細(xì)的罐72定義了四個(gè)段:澄清段72A、沉降段72B、反應(yīng)段72C和采集段72D。應(yīng)該理解到為段72A-72D指定的名稱僅用于闡述的目的，而不能解釋成將任何段的功能限定為由其名稱所指示或表示的功能，或者解釋成從任何段的功能排除由任何其它段的名稱所指示或表示的功能。澄清段72A的橫截面小于沉降段72B的橫截面。沉降段72B的橫截面大于反應(yīng)段72C的橫截面。反應(yīng)段72C的橫截面大于采集段72D的橫截面。應(yīng)該理解到逐步變細(xì)的罐可以包括更多或更少數(shù)量的段。入口 74位于采集段72D的底部。出口 76位于澄清段72A的頂部。
[0068]逐步變細(xì)的反應(yīng)器罐72可以導(dǎo)致在不同的段中根據(jù)尺寸分類沉淀物粒子。在示出的實(shí)施方式中，罐72的段的壁是垂直的，并通過水平架連接。在一些實(shí)施方式中，罐的段的壁通過傾斜的架連接。傾斜的架可以促進(jìn)沉淀物粒子從較高的罐段向較低的罐段的向下移動(dòng)。
[0069]反應(yīng)器70包括再循環(huán)路徑80，所述再循環(huán)路徑從位于沉降段72B的底部的進(jìn)口歧管82延伸至入口 74上游的回路84。如在圖4A中所示，歧管82包括歧管集頭84和從其中向外延伸的多個(gè)歧管臂86。歧管集頭84和歧管臂86包括端口，例如，孔88，通過它廢水被抽吸至再循環(huán)路徑80中?？梢赃@樣設(shè)置歧管82的孔88使得歧管82可以從罐72的橫截面基本均勻地抽吸廢水。在一些實(shí)施方式中，孔88朝上。這有利于使用例如壓力洗滌器或長(zhǎng)刷從反應(yīng)器的頂部清洗孔。所述歧管可以延伸至或延伸通過容器壁。所述歧管可以在一端或兩端處具有檢修端口(access port)(未示出)以允許從容器的外面清洗歧管的里面。
[0070]通過在沉降區(qū)域72B底部抽走再循環(huán)廢水，在澄清段72A和在沉降段72B的上部中的流體流速基本不受在入口 74處的流量的影響，并主要為供料78的速率和段72A和72B的橫截面積的函數(shù)。通過降低進(jìn)入澄清段72A的流量相對(duì)于再循環(huán)路徑80的流量的比率，可以獨(dú)立于澄清段72A的橫截面 地控制澄清段72A中的流體流速。以足夠低的比率，在相對(duì)小的澄清段72A中的流體流速可以被降低至如下程度:任意小的沉淀物粒子沒有受到支撐來對(duì)抗重力，并且可以使得在澄清段中的平均停留時(shí)間任意長(zhǎng)。因此，使用相對(duì)小的澄清段72A(例如，就橫截面積和/或體積而言)可以實(shí)現(xiàn)可接受程度的溶質(zhì)沉淀，并且與更大的澄清段72A相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):降低了施工費(fèi)用(例如，較小的澄清段將包含較小質(zhì)量的廢水，而因此可以由結(jié)實(shí)程度較低的升降支撐結(jié)構(gòu)支撐)、降低的安裝空間和降低的運(yùn)輸成本(例如，在運(yùn)輸異地制造的反應(yīng)器罐方面難度降低)。
[0071]在一些實(shí)施方式中，歧管82或其它類型流量分配器位于反應(yīng)段72C的頂部。在一些實(shí)施方式中，歧管82或其它類型的流量分配器定位為橫跨沉降段72B和反應(yīng)段72C的邊界。在實(shí)施方式中，在流量分配器定位為橫跨具有不同的橫截面的相鄰段的邊界的情況下，在相鄰段之間流量將不同。歧管82可以位于澄清段72A或定位為橫跨澄清段72A和沉降段72B之間的邊界。
[0072]在一些實(shí)施方式中，歧管82位于具有第一橫截面的較低(上游)段和具有比第一橫截面小的第二橫截面的較高(下游)段之間的邊界處。在一些這樣的實(shí)施方式中，所述歧管的進(jìn)口速率大于閾值Fk，其中Fk由如下公式定義，
【權(quán)利要求】
1.一種廢水處理系統(tǒng)，其包括: 從第一橫截面至小于所述第一橫截面的第二橫截面變細(xì)的反應(yīng)器罐，所述第一橫截面在所述第二橫截面的上方； 入口，其用于使廢水在所述第二橫截面底部下方或接近所述第二橫截面底部進(jìn)入反應(yīng)器罐中； 再循環(huán)路徑，其被設(shè)置為從第一橫截面下游的進(jìn)口吸入廢水，并將至少部分的除去的廢水返回至進(jìn)口上游的反應(yīng)器罐；和 出口，用于使水從再循環(huán)路徑進(jìn)口下游的反應(yīng)器罐排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢水處理系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括流量分配器，所述流量分配器配置為收集來自反應(yīng)器罐的廢水并將其輸送至進(jìn)口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述流量分配器配置為導(dǎo)致通過進(jìn)口抽吸的廢水從所述反應(yīng)器罐的橫截面基本均勻地被抽吸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3中任一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述流量分配器包括歧管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2和3中任一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述流量分配器包括流槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求2和3中任意一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述流量分配器包括水平的流量分配板和位于流量分配板正下方的水下堰，所述流量分配板配置為使廢水外圍地或同心地轉(zhuǎn)向水下堰。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)器罐逐步變細(xì)以至少限定包括第一橫截面的第一段和包括第二橫截面的第二段，以及其中，所述流量分配器位于所述第一段的底部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)器罐逐步變細(xì)以至少限定:包括第一橫截面的第一段和包括第二橫截面的第二段，以及其中，所述流量分配器位于所述第二段的頂部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述反應(yīng)器罐逐步變細(xì)以至少限定:包括第一橫截面的第一段和包括第二橫截面的第二段，以及其中，所述流量分配器定位為橫跨所述第一段和第二段的邊界。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，所述再循環(huán)路徑包括設(shè)置在所述反應(yīng)器罐中的導(dǎo)流管。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的廢水處理系統(tǒng)，其中，設(shè)置入口以將廢水引入到導(dǎo)流管中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的廢水處理系統(tǒng)，其包括計(jì)量機(jī)構(gòu)，連接它來混合試劑和進(jìn)入的廢水。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的廢水處理系統(tǒng)，其中所述試劑包括如下的一種或多種物質(zhì)的源:鎂離子和銨離子。
14.一種用于處理廢水的方法，所述方法包括: 從反應(yīng)器罐入口使廢水向上流動(dòng)經(jīng)過反應(yīng)器罐； 降低廢水向入口下游流動(dòng)的速度； 從所述反應(yīng)器罐出口上游除去降低流速的廢水；和將除去的廢水再引入至其中除去的廢水被除去處上游的反應(yīng)器罐。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其進(jìn)一步包括: 在所述反應(yīng)器罐的出口除去降低流速的廢水。
16.根據(jù)權(quán)利要求14和15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，從入口向上流動(dòng)的廢水包含來自供料的廢水。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，降低廢水從入口向下游流動(dòng)的流速包括使所述廢水流動(dòng)經(jīng)過橫截面增大的導(dǎo)管。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，降低廢水從入口向下游流動(dòng)的流速包括使所述廢水流動(dòng)經(jīng)過連續(xù)變細(xì)的導(dǎo)管。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，降低廢水從入口向下游流動(dòng)的流速包括使所述廢水流動(dòng)經(jīng)過逐步變細(xì)的導(dǎo)管。
20.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中，從所述反應(yīng)器罐出口上游除去降低流速的廢水包括除去具有基本恒定流速的降低流速的廢水。
21.根據(jù)權(quán)利要求14至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將除去的廢水再引入至其中再循環(huán)廢水被除去處上游的反應(yīng)器罐包括在反應(yīng)器罐入口處再引入除去的廢水。
22.根據(jù)權(quán)利要求14至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將除去的廢水再引入至其中再循環(huán)廢水被除去處上游的反應(yīng)器罐包括使除去的廢水與供料混合。
23.根據(jù)權(quán)利要求14至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將除去的廢水再引入至其中再循環(huán)廢水被除去處上游的反應(yīng)器罐包括在反應(yīng)器罐入口下游再引入除去的廢水。`
24.根據(jù)權(quán)利要求14至23中任一項(xiàng)所述方法，其中，廢水包含溶解的磷。
25.根據(jù)權(quán)利要求14至24中任一項(xiàng)所述方法，其中，廢水包含作為磷酸鹽的溶解的磷。
26.根據(jù)權(quán)利要求14至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中，除去所述反應(yīng)器罐出口上游的廢水包括將所述廢水抽吸至導(dǎo)流管中。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述入口位于導(dǎo)流管內(nèi)，以及所述方法包括在使廢水向上流動(dòng)經(jīng)過所述反應(yīng)器罐之前允許廢水與導(dǎo)流管中的流體混合。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其包括使進(jìn)入的廢水與包含一種或多種Mg源和銨源的試劑混合。
29.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的裝置用于從包含溶解的磷酸鹽的廢水中沉淀鳥糞石的用途。
30.根據(jù)權(quán)利要求14至28中任一項(xiàng)所述的方法用于從包含溶解的磷酸鹽的廢水中沉淀鳥糞石的用途。
31.包括在本文中公開的任何新穎的、創(chuàng)造性的特征，特征的組合或特征的子組合的裝置。
32.包括在本文中描述的任何新穎的、創(chuàng)造性的步驟、行為、步驟和/或行為的組合或步驟和/或行為的子組合的方法。
【文檔編號(hào)】C01B25/45GK103492322SQ201280020011
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月10日
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