專利名稱：一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置及方法
技術領域：
本發明屬于環境工程水處理技術領域，尤其涉及一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置及方法。
背景技術：
由于氮磷等植物性營養元素排入水體，造成水體富營養化引發一系列的環境問題；同時磷礦石資源面臨著匱乏的局面，去除水體中過剩的磷并回收作為新型磷資源成為廢水處理領域研究的熱點。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沉淀除磷、生物除磷、誘導結晶除磷。針對化學法、生物法處理成本及運行穩定性上的缺陷，誘導結晶除磷技術已成為一種廣泛認可的既能高效除磷，又能實現磷資源的可持續利用的有效方法。通過調控水質及反應條件產生具有一定晶形的沉淀進并回收，實現處理回收一體化。較之化學法可大幅度減少剩余污泥和運行成本，運行穩定性遠高 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+,不用添加化學藥劑，可以以MAP(磷酸銨鎂又稱“鳥糞石”)的形式回收80%的磷，實現了磷資源的可持續利用。目前相關誘導結晶反應器如DHV反應器，在日本、荷蘭等地已得到實際應用，此類反應器多采用石英砂作為晶種。依據結晶反應中自由能最小原理，石英砂結晶界面自由能較高故其結晶效率較低且諸如此類反應器其結晶周期較長；利用鋼渣制造的具有吸附-緩釋能力的新型晶種(專利號ZL201010176250. 2)，可有效降低結晶界面自由能，實際運用中亦展現了良好的處理能力。目前強化結晶反應的措施主要投加藥劑降低過飽和度，藥劑成本較高同時運行管理較為復雜。考慮到現有的結晶反應工藝對反應條件要求較高、低濃度含磷廢水處理難度大等問題，利用此類新型晶種并施以強化成為問題關鍵。另一方面，有關利用聲波能量影響結晶反應中熱力學平衡及動力學方程進而促進結晶過程的研究在材料、化工及食品領域已較多。超聲作用于二相或多相體系會產生空化效應、微擾效應、界面效應、湍動效應、聚能效應等對晶體的成核和成長過程有明顯的影響。有關超聲對味精結晶過程的影響實驗表明，超聲可以減弱分子間的作用力，降低溶液黏度使得結晶濃度低，晶體產量明顯提高。在超聲場對蔗糖溶液結晶成核過程的影響研究中發現，結晶成核過程可在低飽和度下實現。從上述有關實驗可以看出超聲波在晶核的生成速率、晶體的生長速率以及結晶量上有明顯的誘導促進作用。綜上所述目前大多數結晶除磷都是針對高濃度含磷廢水的情況，對諸如城市低濃度含磷廢水的處理效果較差，且傳統投加藥劑強化法成本較高；目前結晶反應裝置，晶種上多選擇石英砂，晶種難以再循環利用其結晶反應速率較低，反應運行周期長且運行負荷低；有關誘導結晶反應器的研究領域目前大多數仍限于高濃度的模擬含磷廢水且出水磷濃度較大，對低濃度含磷廢水處理效率較低，在設計上，多采用流化床技術，其處理能耗大，運行管理復雜。在水處理領域，利用超聲強化結晶除磷方面的研究仍為一空白區域，未見相關報道。
發明內容
本發明的目的在于，克服現有技術的不足，提供了一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置及方法。本發明耦合超聲技術，利用新型晶種作為濾料形成固定床系統，促進新型晶種的結晶除磷效能，可解決低濃度城市含磷廢水難處理的問題。為解決上述技術問題，本發明的技術方案為一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，包括柱狀過濾器和超聲波發生裝置，所述超聲波發生裝置的一端與原水管連接，另一端通過進水管與過濾器的底部連接，所述過濾器內有濾料層，過濾器的上部有出水管。組合方式上采用前置超聲-晶種過濾的形式，該形式將超聲置于過濾裝置前段，對進水進行超聲處理，降低進水粘度、縮短誘導期，進而促進晶種的誘導結晶過程，裝置構建簡易。所述過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。在所述過濾器濾料層的側壁上有取樣口，在濾料層沿程設有取樣口用于水樣測定與濾料鏡檢。在過濾器的的上部有溢流口。在所述進水管和反沖洗水管上分別有閥門。在進水管上有水泵。所述濾料層為改性顆粒鋼渣。利用鋼渣通過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飽和度有利于結晶過程，本項發明反應器設計上采用基于PF反應器設計理念的固定床，可在保證除磷效果的前提下，最大幅度降低運行能耗；該裝置在反沖洗后再啟動上具有很大優勢，較之常規裝置可有效縮短非穩定運行時間進而提高運行負荷。同時利用聲能可以改變物質狀態促使結晶完成相變的原理，本項發明耦合超聲技術完成強化處理，形成一項新型的環境友好型組合工藝。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含磷廢水領域具有極強的適用性。本發明還提供了一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的方法，包括下列步驟
1)原水預處理加入鈣源調節原水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，水力停留時間為25min;超聲可有效縮短結晶誘導期促使成核，可在反應機制上進行強化；同時有利于提高擴散過程，促使晶體快速成長。頻率參數選擇中，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性的雙頻超聲發生器，頻率分別為39KHz、53KHz，滿功率為180W (功率在40%_100%，步進1%連續功率可調)。3)過濾結晶水力停留時間為30mim。所述步驟3在過濾結晶的同時進行曝氣，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pH;同時曝氣作用可增強結晶界面對流，有助于晶體的快速成長。將曝氣裝置設置于反應器底部，呈現氣水同向；同時為保證吹脫效果，將氣水比設計為3:1。在過濾結晶后對過濾器進行反沖洗，先用氣體進行反沖洗，氣沖洗強度為3-5L/(m2 s)，沖洗時間為3-5min ;然后氣水聯合進行反沖洗，氣水強度均為3_5L/(m2 s)，反沖洗時間5-7min。本方法通過固定床過濾組合反沖洗完成一次處理周期，通過監控出水水質開啟反沖洗階段。較之流化床工藝，反沖洗在能耗及管理上具有很大優勢；基于新型晶種緩釋能力，反沖洗后濾料表面殘余結晶物可有效縮短下一循環結晶誘導期，故其運行負荷較大、運行周期短；為保證反沖洗效果及保持濾層原有結構，采用氣、水反沖洗，較之高速水流反沖洗此方法可有效減少沖洗耗水量。反沖洗過程中，首先關閉進水閥，由鼓風機曝氣進行氣沖，然后打開反沖洗水閥，調節進水流量進行氣水聯合反沖洗。本發明的有益效果是本發明利用新型晶種作為濾料形成固定床系統，耦合超聲技術，促進新型晶種的結晶除磷效能，可解決低濃度城市含磷廢水難處理的問題。考慮到較高的濃度差可提高過飽和度有利于結晶過程，本項發明反應器設計上采用基于PF反應器設計理念的固定床，可在保證除磷效果的前提下，最大幅度降低運行能耗；該裝置在反沖洗后再啟動上具有很大優勢，濾料表面殘余結晶物可有效縮短下一循環結晶誘導期，其促進效應可有效縮短運行周期進而提高運行負荷。同時利用聲能可以改變物質狀態促使結晶完成相變的原理，本項發明耦合超聲技術完成強化處理，形成一項新型的環境友好型組合工 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含磷廢水領域具有極強的適用性。通過實驗分析，利用超聲強化新型晶種結晶除磷的這一方法實現了對低濃度含磷廢水(小于10mg/L)的有效處理，實驗數據表明在進水pH為7. 0-8. O、水力停留時間(HRT)為30mim、進水Ca2+/P為I. 6-2. 5、氣水比為3: I、超聲功率120W、超聲頻率53KHz的運行條件下，實現了羥基磷酸鈣(HAP)結晶，出水磷濃度小于0. 5mg/L，達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)》一級A排放標準。對比分析超聲裝置的作用效果，當進水直接進入過濾裝置時，調控發現當HRT約為50min時，出水達標，由此表明超聲處理對結晶反應過程起到了良好的促進作用。本方法對進水PH要求較低，充分發揮新型濾料的緩釋能力，耦合超聲技術，促使晶核快速形成，較之傳統結晶法具有很大優勢。
附圖I為本發明的裝置結構示意圖。圖中1_原水管，2-超聲波發生裝置，3-進水管，4-水泵，5-閥門，6-承托層，7-濾料層，8-溢流口，9-過濾器，10-出水管，11-取樣口，12-曝氣管，13-反沖洗水管。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步詳細說明。
具體實施例方式根據圖I所示，一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，包括柱狀過濾器9和超聲波發生裝置2，超聲波發生裝置2的一端與原水管I連接，另一端通過進水管3與過濾器9的底部連接，所述過濾器9內有濾料層7，濾料層7的下部有承托層6，在過濾器9濾料層的側壁上有取樣口 11，過濾器9的上部有出水管10，過濾器9的底部連接有反沖洗水管13，下部連接有曝氣管12，過濾器9的的上部有溢流口 8，在進水管3和反沖洗水管13上分別有閥門5，在進水管3上有水泵4，濾料層7為改性顆粒鋼渣。一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的方法，包括下列步驟1)原水預處理加入鈣源調節原水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，水力停留時間為25min；
3)過濾結晶水力停留時間為30mim。步驟3在過濾結晶的同時進行曝氣，通入CO2氣體，氣水比為3:1。在過濾結晶后對過濾器進行反沖洗，先用氣體進行反沖洗，氣沖洗強度為3-5L/(m2 S)，沖洗時間為3-5min ;然后氣水聯合進行反沖洗，氣水強度均為3_5L/(m2 s)，反沖洗時間5_7min。實現了羥基磷酸鈣(HAP)結晶，出水磷濃度小于0. 5mg/L，達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)》一級A排放標準。
權利要求
1.一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，其特征在于包括柱狀過濾器和超聲波發生裝置，所述超聲波發生裝置的一端與原水管連接，另一端通過進水管與過濾器的底部連接，所述過濾器內有濾料層，過濾器的上部有出水管。
2.根據權利要求I所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，其特征在于所述過濾器的底部連接有反沖洗水管。
3.根據權利要求I所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，其特征在于所述過濾器的下部連接有曝氣管。
4.根據權利要求I所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，其特征在于在所述濾料層的下部有承托層。
5.根據權利要求I所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，其特征在于在所述過濾器濾料層的側壁上有取樣口，在所述過濾器的的上部有溢流口。
6.根據權利要求I所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，其特征在于在所述進水管和反沖洗水管上分別有閥門。
7.根據權利要求I所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，其特征在于在所述進水管上有水泵。
8.一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的方法，其特征在于包括下列步驟 1)原水預處理加入鈣源調節原水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，水力停留時間為25min； 3)過濾結晶水力停留時間約為30mim。
9.根據權利要求8所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的方法，其特征在于所述步驟3在過濾結晶的同時進行曝氣，通入CO2氣體，氣水比為3:1。
10.根據權利要求8或9所述的一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的方法，其特征在于在過濾結晶后對過濾器進行反沖洗，先用氣體進行反沖洗，氣沖洗強度為3-5L/(m2 S)，沖洗時間為3-5min ;然后氣水聯合進行反沖洗，氣水強度均為3_5L/(m2 s)，反沖洗時間5_7min。
全文摘要
本發明屬于環境工程水處理技術領域，尤其涉及一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置及方法。本發明的技術方案為一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的裝置，包括柱狀過濾器和超聲波發生裝置，所述超聲波發生裝置的一端與原水管連接，另一端通過進水管與過濾器的底部連接，所述過濾器內有濾料層，過濾器的上部有出水管。本發明還提供了一種基于超聲技術強化新型晶種結晶除磷的方法，本發明耦合超聲技術，利用新型晶種作為濾料形成固定床系統，促進新型晶種的結晶除磷效能，可解決低濃度城市含磷廢水難處理的問題。
文檔編號C02F9/08GK102745851SQ20121024812
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者孟金鳳, 張守彬, 武均均, 王東, 葛麗萍, 邱立平, 黃凱 申請人:濟南大學