專利名稱：一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置及方法。
背景技術(shù)：
由于氮磷等植物性營(yíng)養(yǎng)元素排入水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化引發(fā)一系列的環(huán)境問(wèn)題；同時(shí)磷礦石資源面臨著匱乏的局面，去除水體中過(guò)剩的磷并回收作為新型磷資源成為廢水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。城市廢水在其大流量前提下，具有很大的回收潛力，目前主要除磷工藝包括化學(xué)沉淀除磷、生物除磷、誘導(dǎo)結(jié)晶除磷。針對(duì)化學(xué)法、生物法處理成本及運(yùn)行穩(wěn)定性上的缺陷，誘導(dǎo)結(jié)晶除磷技術(shù)已成為一種廣泛認(rèn)可的既能高效除磷，又能實(shí)現(xiàn)磷資源的可持續(xù)利用的有效方法。通過(guò)調(diào)控水質(zhì)及反應(yīng)條件產(chǎn)生具有一定晶形的沉淀進(jìn)并回收，實(shí)現(xiàn)處理回收一體化。較之化學(xué)法可大幅度減少剩余污泥和運(yùn)行成本，運(yùn)行穩(wěn)定性遠(yuǎn)高 于生物法。Battistoni等以石英砂為晶種，采用吹脫CO2的方法，利用原水中的Mg+和NH4+,不用添加化學(xué)藥劑，可以以MAP(磷酸銨鎂又稱“鳥糞石”)的形式回收80%的磷，實(shí)現(xiàn)了磷資源的可持續(xù)利用。目前相關(guān)誘導(dǎo)結(jié)晶反應(yīng)器如DHV反應(yīng)器，在日本、荷蘭等地已得到實(shí)際應(yīng)用，此類反應(yīng)器多采用石英砂作為晶種。依據(jù)結(jié)晶反應(yīng)中自由能最小原理，石英砂結(jié)晶界面自由能較高故其結(jié)晶效率較低且諸如此類反應(yīng)器其結(jié)晶周期較長(zhǎng)；利用鋼渣制造的具有吸附-緩釋能力的新型晶種(專利號(hào)ZL201010176250. 2)，可有效降低結(jié)晶界面自由能，實(shí)際運(yùn)用中亦展現(xiàn)了良好的處理能力。目前強(qiáng)化結(jié)晶反應(yīng)的措施主要投加藥劑降低過(guò)飽和度，藥劑成本較高同時(shí)運(yùn)行管理較為復(fù)雜。考慮到現(xiàn)有的結(jié)晶反應(yīng)工藝對(duì)反應(yīng)條件要求較高、低濃度含磷廢水處理難度大等問(wèn)題，利用此類新型晶種并施以強(qiáng)化成為問(wèn)題關(guān)鍵。另一方面，有關(guān)利用聲波能量影響結(jié)晶反應(yīng)中熱力學(xué)平衡及動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)而促進(jìn)結(jié)晶過(guò)程的研究在材料、化工及食品領(lǐng)域已較多。超聲作用于二相或多相體系會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)、湍動(dòng)效應(yīng)、聚能效應(yīng)等對(duì)晶體的成核和成長(zhǎng)過(guò)程有明顯的影響。有關(guān)超聲對(duì)味精結(jié)晶過(guò)程的影響實(shí)驗(yàn)表明，超聲可以減弱分子間的作用力，降低溶液黏度使得結(jié)晶濃度低，晶體產(chǎn)量明顯提高。在超聲場(chǎng)對(duì)蔗糖溶液結(jié)晶成核過(guò)程的影響研究中發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶成核過(guò)程可在低飽和度下實(shí)現(xiàn)。從上述有關(guān)實(shí)驗(yàn)可以看出超聲波在晶核的生成速率、晶體的生長(zhǎng)速率以及結(jié)晶量上有明顯的誘導(dǎo)促進(jìn)作用。綜上所述目前大多數(shù)結(jié)晶除磷都是針對(duì)高濃度含磷廢水的情況，對(duì)諸如城市低濃度含磷廢水的處理效果較差，且傳統(tǒng)投加藥劑強(qiáng)化法成本較高；目前結(jié)晶反應(yīng)裝置，晶種上多選擇石英砂，晶種難以再循環(huán)利用其結(jié)晶反應(yīng)速率較低，反應(yīng)運(yùn)行周期長(zhǎng)且運(yùn)行負(fù)荷低；有關(guān)誘導(dǎo)結(jié)晶反應(yīng)器的研究領(lǐng)域目前大多數(shù)仍限于高濃度的模擬含磷廢水且出水磷濃度較大，對(duì)低濃度含磷廢水處理效率較低，在設(shè)計(jì)上，多采用流化床技術(shù)，其處理能耗大，運(yùn)行管理復(fù)雜。在水處理領(lǐng)域，利用超聲強(qiáng)化結(jié)晶除磷方面的研究仍為一空白區(qū)域，未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置及方法。本發(fā)明耦合超聲技術(shù)，利用新型晶種作為濾料形成固定床系統(tǒng)，促進(jìn)新型晶種的結(jié)晶除磷效能，可解決低濃度城市含磷廢水難處理的問(wèn)題。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，包括柱狀過(guò)濾器和超聲波發(fā)生裝置，所述超聲波發(fā)生裝置的一端與原水管連接，另一端通過(guò)進(jìn)水管與過(guò)濾器的底部連接，所述過(guò)濾器內(nèi)有濾料層，過(guò)濾器的上部有出水管。組合方式上采用前置超聲-晶種過(guò)濾的形式，該形式將超聲置于過(guò)濾裝置前段，對(duì)進(jìn)水進(jìn)行超聲處理，降低進(jìn)水粘度、縮短誘導(dǎo)期，進(jìn)而促進(jìn)晶種的誘導(dǎo)結(jié)晶過(guò)程，裝置構(gòu)建簡(jiǎn)易。所述過(guò)濾器的底部連接有反沖洗水管。反沖洗水管接反沖洗水箱。 所述過(guò)濾器的下部連接有曝氣管。在所述濾料層的下部有承托層。為礫石承托層。在所述過(guò)濾器濾料層的側(cè)壁上有取樣口，在濾料層沿程設(shè)有取樣口用于水樣測(cè)定與濾料鏡檢。在過(guò)濾器的的上部有溢流口。在所述進(jìn)水管和反沖洗水管上分別有閥門。在進(jìn)水管上有水泵。所述濾料層為改性顆粒鋼渣。利用鋼渣通過(guò)水熱法制備的具有一定的緩釋吸附能力的改性顆粒鋼渣除磷晶種作為固定床濾料。
考慮到較高的濃度差可提高過(guò)飽和度有利于結(jié)晶過(guò)程，本項(xiàng)發(fā)明反應(yīng)器設(shè)計(jì)上采用基于PF反應(yīng)器設(shè)計(jì)理念的固定床，可在保證除磷效果的前提下，最大幅度降低運(yùn)行能耗；該裝置在反沖洗后再啟動(dòng)上具有很大優(yōu)勢(shì)，較之常規(guī)裝置可有效縮短非穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間進(jìn)而提高運(yùn)行負(fù)荷。同時(shí)利用聲能可以改變物質(zhì)狀態(tài)促使結(jié)晶完成相變的原理，本項(xiàng)發(fā)明耦合超聲技術(shù)完成強(qiáng)化處理，形成一項(xiàng)新型的環(huán)境友好型組合工藝。此裝置可有效減少占地面積，在城市污水深度處理階段及工業(yè)含磷廢水領(lǐng)域具有極強(qiáng)的適用性。本發(fā)明還提供了一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的方法，包括下列步驟
1)原水預(yù)處理加入鈣源調(diào)節(jié)原水pH為7.0-8. 0，Ca2VP為I. 6-2. 5 ；
2)超聲處理超聲功率120W、超聲頻率53KHz，水力停留時(shí)間為25min;超聲可有效縮短結(jié)晶誘導(dǎo)期促使成核，可在反應(yīng)機(jī)制上進(jìn)行強(qiáng)化；同時(shí)有利于提高擴(kuò)散過(guò)程，促使晶體快速成長(zhǎng)。頻率參數(shù)選擇中，頻率較高不利于其空化作用且功率上難以提升，本方法采用具有功率可調(diào)性的雙頻超聲發(fā)生器，頻率分別為39KHz、53KHz，滿功率為180W (功率在40%_100%，步進(jìn)1%連續(xù)功率可調(diào))。3)過(guò)濾結(jié)晶水力停留時(shí)間為30mim。所述步驟3在過(guò)濾結(jié)晶的同時(shí)進(jìn)行曝氣，通入CO2氣體，氣水比為3:1。曝氣有利于吹脫體系中CO2維持反應(yīng)pH;同時(shí)曝氣作用可增強(qiáng)結(jié)晶界面對(duì)流，有助于晶體的快速成長(zhǎng)。將曝氣裝置設(shè)置于反應(yīng)器底部，呈現(xiàn)氣水同向；同時(shí)為保證吹脫效果，將氣水比設(shè)計(jì)為3:1。在過(guò)濾結(jié)晶后對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗，先用氣體進(jìn)行反沖洗，氣沖洗強(qiáng)度為3-5L/(m2 s)，沖洗時(shí)間為3-5min ;然后氣水聯(lián)合進(jìn)行反沖洗，氣水強(qiáng)度均為3_5L/(m2 s)，反沖洗時(shí)間5-7min。本方法通過(guò)固定床過(guò)濾組合反沖洗完成一次處理周期，通過(guò)監(jiān)控出水水質(zhì)開啟反沖洗階段。較之流化床工藝，反沖洗在能耗及管理上具有很大優(yōu)勢(shì)；基于新型晶種緩釋能力，反沖洗后濾料表面殘余結(jié)晶物可有效縮短下一循環(huán)結(jié)晶誘導(dǎo)期，故其運(yùn)行負(fù)荷較大、運(yùn)行周期短；為保證反沖洗效果及保持濾層原有結(jié)構(gòu)，采用氣、水反沖洗，較之高速水流反沖洗此方法可有效減少?zèng)_洗耗水量。反沖洗過(guò)程中，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，由鼓風(fēng)機(jī)曝氣進(jìn)行氣沖，然后打開反沖洗水閥，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量進(jìn)行氣水聯(lián)合反沖洗。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用新型晶種作為濾料形成固定床系統(tǒng)，耦合超聲技術(shù)，促進(jìn)新型晶種的結(jié)晶除磷效能，可解決低濃度城市含磷廢水難處理的問(wèn)題?？紤]到較高的濃度差可提高過(guò)飽和度有利于結(jié)晶過(guò)程，本項(xiàng)發(fā)明反應(yīng)器設(shè)計(jì)上采用基于PF反應(yīng)器設(shè)計(jì)理念的固定床，可在保證除磷效果的前提下，最大幅度降低運(yùn)行能耗；該裝置在反沖洗后再啟動(dòng)上具有很大優(yōu)勢(shì)，濾料表面殘余結(jié)晶物可有效縮短下一循環(huán)結(jié)晶誘導(dǎo)期，其促進(jìn)效應(yīng)可有效縮短運(yùn)行周期進(jìn)而提高運(yùn)行負(fù)荷。同時(shí)利用聲能可以改變物質(zhì)狀態(tài)促使結(jié)晶完成相變的原理，本項(xiàng)發(fā)明耦合超聲技術(shù)完成強(qiáng)化處理，形成一項(xiàng)新型的環(huán)境友好型組合工 藝。此裝置可有效減少占地面積，在城市污水深度處理階段及工業(yè)含磷廢水領(lǐng)域具有極強(qiáng)的適用性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，利用超聲強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的這一方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)低濃度含磷廢水(小于10mg/L)的有效處理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在進(jìn)水pH為7. 0-8. O、水力停留時(shí)間(HRT)為30mim、進(jìn)水Ca2+/P為I. 6-2. 5、氣水比為3: I、超聲功率120W、超聲頻率53KHz的運(yùn)行條件下，實(shí)現(xiàn)了羥基磷酸鈣(HAP)結(jié)晶，出水磷濃度小于0. 5mg/L，達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比分析超聲裝置的作用效果，當(dāng)進(jìn)水直接進(jìn)入過(guò)濾裝置時(shí)，調(diào)控發(fā)現(xiàn)當(dāng)HRT約為50min時(shí)，出水達(dá)標(biāo)，由此表明超聲處理對(duì)結(jié)晶反應(yīng)過(guò)程起到了良好的促進(jìn)作用。本方法對(duì)進(jìn)水PH要求較低，充分發(fā)揮新型濾料的緩釋能力，耦合超聲技術(shù)，促使晶核快速形成，較之傳統(tǒng)結(jié)晶法具有很大優(yōu)勢(shì)。


附圖I為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_原水管，2-超聲波發(fā)生裝置，3-進(jìn)水管，4-水泵，5-閥門，6-承托層，7-濾料層，8-溢流口，9-過(guò)濾器，10-出水管，11-取樣口，12-曝氣管，13-反沖洗水管。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖I所示，一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，包括柱狀過(guò)濾器9和超聲波發(fā)生裝置2，超聲波發(fā)生裝置2的一端與原水管I連接，另一端通過(guò)進(jìn)水管3與過(guò)濾器9的底部連接，所述過(guò)濾器9內(nèi)有濾料層7，濾料層7的下部有承托層6，在過(guò)濾器9濾料層的側(cè)壁上有取樣口 11，過(guò)濾器9的上部有出水管10，過(guò)濾器9的底部連接有反沖洗水管13，下部連接有曝氣管12，過(guò)濾器9的的上部有溢流口 8，在進(jìn)水管3和反沖洗水管13上分別有閥門5，在進(jìn)水管3上有水泵4，濾料層7為改性顆粒鋼渣。一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的方法，包括下列步驟1)原水預(yù)處理加入鈣源調(diào)節(jié)原水pH為7.0-8. 0，Ca2VP為I. 6-2. 5 ；
2)超聲處理超聲功率120W、超聲頻率53KHz，水力停留時(shí)間為25min；
3)過(guò)濾結(jié)晶水力停留時(shí)間為30mim。步驟3在過(guò)濾結(jié)晶的同時(shí)進(jìn)行曝氣，通入CO2氣體，氣水比為3:1。在過(guò)濾結(jié)晶后對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗，先用氣體進(jìn)行反沖洗，氣沖洗強(qiáng)度為3-5L/(m2 S)，沖洗時(shí)間為3-5min ;然后氣水聯(lián)合進(jìn)行反沖洗，氣水強(qiáng)度均為3_5L/(m2 s)，反沖洗時(shí)間5_7min。實(shí)現(xiàn)了羥基磷酸鈣(HAP)結(jié)晶，出水磷濃度小于0. 5mg/L，達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，其特征在于包括柱狀過(guò)濾器和超聲波發(fā)生裝置，所述超聲波發(fā)生裝置的一端與原水管連接，另一端通過(guò)進(jìn)水管與過(guò)濾器的底部連接，所述過(guò)濾器內(nèi)有濾料層，過(guò)濾器的上部有出水管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，其特征在于所述過(guò)濾器的底部連接有反沖洗水管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，其特征在于所述過(guò)濾器的下部連接有曝氣管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，其特征在于在所述濾料層的下部有承托層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，其特征在于在所述過(guò)濾器濾料層的側(cè)壁上有取樣口，在所述過(guò)濾器的的上部有溢流口。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，其特征在于在所述進(jìn)水管和反沖洗水管上分別有閥門。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，其特征在于在所述進(jìn)水管上有水泵。
8.一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的方法，其特征在于包括下列步驟 1)原水預(yù)處理加入鈣源調(diào)節(jié)原水pH為7.0-8. 0，Ca2VP為I. 6-2. 5 ； 2)超聲處理超聲功率120W、超聲頻率53KHz，水力停留時(shí)間為25min； 3)過(guò)濾結(jié)晶水力停留時(shí)間約為30mim。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的方法，其特征在于所述步驟3在過(guò)濾結(jié)晶的同時(shí)進(jìn)行曝氣，通入CO2氣體，氣水比為3:1。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的方法，其特征在于在過(guò)濾結(jié)晶后對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗，先用氣體進(jìn)行反沖洗，氣沖洗強(qiáng)度為3-5L/(m2 S)，沖洗時(shí)間為3-5min ;然后氣水聯(lián)合進(jìn)行反沖洗，氣水強(qiáng)度均為3_5L/(m2 s)，反沖洗時(shí)間5_7min。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境工程水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的裝置，包括柱狀過(guò)濾器和超聲波發(fā)生裝置，所述超聲波發(fā)生裝置的一端與原水管連接，另一端通過(guò)進(jìn)水管與過(guò)濾器的底部連接，所述過(guò)濾器內(nèi)有濾料層，過(guò)濾器的上部有出水管。本發(fā)明還提供了一種基于超聲技術(shù)強(qiáng)化新型晶種結(jié)晶除磷的方法，本發(fā)明耦合超聲技術(shù)，利用新型晶種作為濾料形成固定床系統(tǒng)，促進(jìn)新型晶種的結(jié)晶除磷效能，可解決低濃度城市含磷廢水難處理的問(wèn)題。
文檔編號(hào)C02F9/08GK102745851SQ20121024812
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者孟金鳳, 張守彬, 武均均, 王東, 葛麗萍, 邱立平, 黃凱 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)