本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置及方法。
背景技术：
氮、磷是水体富营养化的主要元素，但也属宝贵资源。随着世界人口增长和工农业生产快速发展，人们对氮、磷的需求量日益增大。而污水中含有“较丰富”的氮、磷,回收潜力巨大。如果将污水中的氮、磷回收，不仅能避免水体富营养化，还能实现资源的循环利用，具有经济和环境双重效益。
氮、磷的回收方法较多，例如吸附、化学沉淀、诱导结晶等。由于吸附法需要进行脱吸附和吸附剂的再生，生产成本较高；化学沉淀除磷法会产生大量沉淀污泥，且产物含水率高、纯度低以及回收难度较大；诱导结晶法是指通过在结晶反应器中加入适量的诱导结晶载体(晶种)降低反应界面能，然后投加特定的化学药剂使污水中的磷酸根离子或铵根离子和磷酸根离子同时以结晶形式析出在晶种表面。结晶产物便于分离且纯度较高，具有一定的优势。目前，诱导结晶回收污水中磷元素的方法主要有两种：鸟粪石(map)结晶法和羟基磷酸钙结晶法(hap)。map法可以同时去除污水中高浓度的氨氮和磷酸盐，反应速度快，受水力条件和废水中悬浮物的影响小，其生成物map沉降性能好，并具有很高的利用价值，是目前回收废水中氮、磷元素研究领域的热点。城镇生活污水的氨氮浓度较低，因此很少采用map结晶回收城镇生活污水中的磷。hap结晶回收污水中的磷的应用范围较广，可以处理不同浓度的含磷废水，但不能实现污水中氮元素的去除。
目前主要的氮、磷结晶反应器有dhv结晶反应器,csir流化床结晶柱和kurita固定床结晶柱等,但是普遍都存在结晶效率低，产物含水量高和晶种分离效果差等缺点。以曝气为搅拌动力的流态化反应器因操作简单、无需添加碱性药剂提高反应体系ph、回收率高和产物纯度高等优点而备受关注。因此发明一种从污水中回收氮、磷效果好、产物品质高、成本低、操作简便的曝气扰动式诱导结晶反应器对水环境保护和资源回收具有重要意义。
因此，如何提供一种效率高、回收的产物品质高、经济成本低、操作方便的曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置及方法，将污水中含有“较丰富”的氮、磷进行回收，不仅避免了水体富营养化，还能实现资源的循环利用，具有经济和环境双重效益；
同时，本发明装置结构紧凑，操作简便，适用于羟基磷酸钙和磷酸铵镁结晶，对磷酸盐和氨氮有高效的去除和回收效果，回收产品纯度高，应用前景良好。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，包括污水池、曝气扰动式诱导结晶反应器和药剂池；其中所述污水池和所述药剂池分别与所述曝气扰动式诱导结晶反应器连通；
所述曝气扰动式诱导结晶反应器包括曝气升流筒和结晶反应筒；所述结晶反应筒置于所述曝气升流筒内，并且能够自由分离；所述曝气升流筒侧壁上开设有与进水口、出水口和进药口，所述进水口通过进水管道与所述污水池连通，所述进药口通过进药管道与所述药剂池连通，并且所述进水管道和所述进药管道上均设置有计量型蠕动泵；所述曝气升流筒底部设置有曝气装置；
所述结晶反应筒为顶部开口结构，所述结晶反应筒的筒壁和筒底均匀开设有多个等内径的通孔，并且所述结晶反应筒的筒壁和筒底包裹一层丝网；所述结晶反应筒内添加有诱导结晶晶种。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置中，所述药剂池包括钙离子药剂池和镁离子药剂池；所述进药口设置有两个，两个所述进药口分别通过进药管道和计量型蠕动泵与所述钙离子药剂池和镁离子药剂池连通。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置中，所述污水池内盛放有含磷污水或盛放有同时含氮和磷的污水。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置中，所述诱导结晶晶种为石英砂，石英砂粒径在0.10～0.30mm之间，添加量为30～60g/l。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置中，所述丝网为200目不锈钢丝网，可实现液体自由扩散和晶种的拦截。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置中，所述曝气装置上方设置有防水透气膜，实现气水分离。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置中，所述通孔直径为0.5cm。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置中，所述曝气装置的曝气量控制在1.0～3.0l/min。
一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的方法，包括以下步骤：
步骤一，设备连接：将污水池和药剂池分别与曝气扰动式诱导结晶反应器连通，并向曝气扰动式诱导结晶反应器的结晶反应筒内加入石英砂作为诱导结晶晶种，石英砂粒径在0.10～0.30mm之间，添加量为30～60g/l；
步骤二，泵入反应物：利用计量型蠕动泵按照一定比例把污水池中污水和药剂池中药剂同时泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内；
步骤三，曝气反应：开启曝气装置，曝气量控制在1.0～3.0l/min，在曝气扰动作用下实现反应体系的充分混合和ph的提升，诱导结晶反应同时进行；曝气反应过程中，曝气扰动式诱导结晶反应器内反应体系的水溶液通过结晶反应筒筒壁的通孔流出，诱导结晶晶种则被不锈钢丝网拦截，实现固液分离；
步骤四，分离回收：当诱导结晶晶种吸附饱和后，停止曝气，静止沉淀10～30min后，取出结晶反应筒，倒出并回收诱导结晶晶种及其表面结晶产物，并且曝气升流筒内水经出水口排出。
优选的，在上述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的方法中，在所述步骤二中，当所述污水池内污水为含磷污水时，将钙离子药剂池中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内，进行除磷处理；
当所述污水池内污水为同时含氮和磷的污水时，将钙离子药剂池中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内，仅进行除磷处理；或者将镁离子药剂池中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内，同时进行除磷和除氮处理。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置及方法，将污水和药剂同时泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内，反应体系采用曝气扰动，反应体系呈流态化，有利于结晶反应的进行，同时曝气能提升反应体系ph值，因而无需添加氢氧化钠提高反应体系的ph；诱导结晶体系饱和后，对结晶产物进行回收。
采用曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的方法主要包括设备连接、泵入反应物、曝气反应和分离回收四个步骤，可实现污水中氮、磷资源的去除和回收；采用诱导结晶的方式，回收产物效率高、纯度高，晶种易于分离和回收；以石英砂作为诱导结晶晶种，材料便宜，可与回收产物一同直接应用于农业，作为农作物的缓释肥料；
本发明装置结构紧凑，操作简便，占地面积和能耗小，产物分离高效，适用于羟基磷酸钙和磷酸铵镁结晶，对磷酸盐和氨氮有高效的去除和回收效果，回收产品纯度高，应用前景良好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明中装置的结构示意图；
图2附图为本发明中方法的流程框图；
图3附图为本发明方法中曝气扰动式诱导结晶反应器处于曝气反应状态示意图；
图4附图为本发明方法中曝气扰动式诱导结晶反应器处于静置沉淀状态示意图；
图5附图为本发明方法中曝气升流筒与结晶反应筒进行分离回收状态时的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置及方法，不仅避免了水体富营养化，还能实现资源的循环利用，具有经济和环境双重效益；
一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，包括污水池1、曝气扰动式诱导结晶反应器2和药剂池3；其中污水池1和药剂池3分别与曝气扰动式诱导结晶反应器2连通；
曝气扰动式诱导结晶反应器2包括曝气升流筒21和结晶反应筒22；结晶反应筒22置于曝气升流筒21内，并且能够自由分离；曝气升流筒21侧壁上开设有与进水口23、出水口24和进药口25，进水口23通过进水管道26与污水池1连通，进药口25通过进药管道27与药剂池3连通，并且进水管道26和进药管道27上均设置有计量型蠕动泵28；曝气升流筒21底部设置有曝气装置29；
结晶反应筒22为顶部开口结构，结晶反应筒22的筒壁和筒底均匀开设有多个等内径的通孔，并且结晶反应筒22的筒壁和筒底包裹一层丝网210；结晶反应筒22内添加有诱导结晶晶种211。
为了进一步优化上述技术方案，药剂池3包括钙离子药剂池31和镁离子药剂池32；进药口25设置有两个，两个进药口25分别通过进药管道27和计量型蠕动泵28与钙离子药剂池31和镁离子药剂池32连通。
为了进一步优化上述技术方案，污水池1内盛放有含磷污水或盛放有同时含氮和磷的污水。
为了进一步优化上述技术方案，诱导结晶晶种211为石英砂，石英砂粒径在0.10～0.30mm之间，添加量为30～60g/l。
为了进一步优化上述技术方案，丝网210为200目不锈钢丝网，可实现液体自由扩散和晶种的拦截。
为了进一步优化上述技术方案，曝气装置29上方设置有防水透气膜212，实现气水分离。
为了进一步优化上述技术方案，通孔直径为0.5cm。
为了进一步优化上述技术方案，曝气装置29的曝气量控制在1.0～3.0l/min。
为了进一步优化上述技术方案，曝气升流筒21的顶部开口上设置有可开启封盖213。
一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的方法，包括以下步骤：
步骤一，设备连接：将污水池1和药剂池3分别与曝气扰动式诱导结晶反应器2连通，并向曝气扰动式诱导结晶反应器2的结晶反应筒22内加入石英砂作为诱导结晶晶种211，石英砂粒径在0.10～0.30mm之间，添加量为30～60g/l；
步骤二，泵入反应物：利用计量型蠕动泵28按照一定比例把污水池1中污水和药剂池3中药剂同时泵入曝气扰动式诱导结晶反应器2内；
步骤三，曝气反应：开启曝气装置29，曝气量控制在1.0～3.0l/min，在曝气扰动作用下实现反应体系的充分混合和ph的提升，诱导结晶反应同时进行；曝气反应过程中，曝气扰动式诱导结晶反应器2内反应体系的水溶液通过结晶反应筒22筒壁的通孔流出，诱导结晶晶种211则被不锈钢丝网210拦截，实现固液分离；
步骤四，分离回收：当诱导结晶晶种211吸附饱和后，停止曝气，静止沉淀10～30min后，取出结晶反应筒22，倒出并回收诱导结晶晶种211及其表面结晶产物，并且曝气升流筒21内水经出水口24排出。
为了进一步优化上述技术方案，在步骤二中，当污水池1内污水为含磷污水时，将钙离子药剂池31中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器2内，进行除磷处理；
当污水池1内污水为同时含氮和磷的污水时，将钙离子药剂池31中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器2内，仅进行除磷处理；或者将镁离子药剂池32中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器2内，同时进行除磷和除氮处理。
工作原理：
对于任何类型的富含氮、磷的废水，在经过生化或物化反应转变为磷酸根、铵根离子后，均可以采用结晶的方式进行回收。但均相结晶即无晶种诱导条件下形成的结晶颗粒产物结构松散，且与各种杂质混杂在一起，无法实现磷资源的有效回收；而非均相结晶即有结晶诱导条件下形成的结晶颗粒产物生长致密，纯度高，利于回收。这是因为在结晶反应器中加入适量的诱晶载体即晶种能降低结晶反应的界面能，使结晶产物以晶体的形式析出在晶种表面。
对于单一含有磷酸根的污水，可通过添加钙离子，结晶形成羟基磷酸钙，即hap结晶法，实现磷酸根的去除和回收；对于同时含有磷酸根和铵根离子的污水，可通过添加镁离子，结晶形成鸟粪石也称磷酸铵镁，即map结晶法，实现磷酸根和铵根离子的同步去除。
由于hap和map结晶反应都需要在碱性条件下(ph＝8.5～9.5)，传统方式通过添加氢氧化钠提高反应体系的ph，机械搅拌混合反应体系。
本发明采用曝气扰动方式，不仅可以实现反应体系的充分混合，还可通过曝气吹脱方式去除污水中碳酸根，提高反应体系ph值，有利于hap和map结晶反应的进行。
实施例1，对于仅含磷的实验室配置污水处理：
以实验室配置浓度为20mg/l的单一含磷污水，研究发明装置及方法基于诱导hap结晶方式回收磷的效率。含磷污水初始ph6.95，碱度～65.20mg/l。曝气扰动式诱导结晶反应器2的反应容腔高度为20cm，内径为10cm，总容积为大约为1.5l，有效容积为1.2l，进水量1.6l/h，水力停留时间45min，石英砂作为诱导结晶晶种211，添加量按照30g/l，曝气装置29的曝气速率为2.0l/min。反应过程中按ca:p摩尔比2:1，从钙离子药剂池31中泵入cacl2溶液。实验结果：该装置出水磷浓度0.5mg/l以下，污水中磷回收率在90％以上，达到城镇污水处理厂污染物排放标准(gb18918-2002)中一级a标准。
实施例2，对于同时含磷和氮的污水处理厂污水，仅进行除磷处理：
从污水处理厂取厌氧池混合液，沉淀后取上清液进行诱导结晶反应，其水质特征如下：po43--p～21.20mg/l；nh4 -n～38.45mg/l；cod～78.65mg/l；ph～7.23；碱度～321.23mg/l；曝气扰动式诱导结晶反应器2的反应容腔高度为20cm，内径为10cm，总容积大约为1.5l，有效容积为1.2l，进水量1.6l/h，水力停留时间45min，石英砂作为诱导结晶晶种211，添加量为40g/l，曝气装置29曝气速率2.5l/min。反应过程中按ca:p摩尔比2.5:1，从钙离子药剂池31中泵入cacl2溶液。实验结果：该装置出水磷浓度0.5mg/l以下，污水中磷回收率在85％以上，达到城镇污水处理厂污染物排放标准(gb18918-2002)中一级a标准。
实施例3，对于同时含磷和氮的实验室配置污水，同时进行除磷和除氮处理：
实验室配置同时含氮、磷的污水，氮、磷浓度均为60mg/l，污水初始ph7.12，碱度～86.35mg/l；曝气扰动式诱导结晶反应器2的反应容腔高度为20cm，内径为10cm，总容积大约为1.5l，有效容积为1.2l，进水量1.6l/h，水力停留时间45min，石英砂作为诱导结晶晶种211，添加量30g/l，曝气装置29曝气速率2.0l/min。反应过程中按mg:n:p摩尔比1:1:1，从镁离子药剂池32中泵入mgcl2溶液。实验结果：该装置出水氮、磷浓度分别为8.0mg/l和15mg/l以下，污水中磷回收率在82％以上，氮的回收率在75％以上，出水水质达到畜禽养殖业污染物排放标准(gb18596-2001)。
实施例4，对于同时含磷和氮的畜禽养殖废水，同时进行除磷和除氮处理：
从某养猪厂废水处理装置厌氧沉淀池中取上清液，其水质特征如下：po43--p～81.45mg/l；nh4 -n～156.48mg/l；cod～1203.25mg/l；ph～7.35；碱度～489.65mg/l。曝气扰动式诱导结晶反应器2的反应容腔高度为20cm，内径为10cm，总容积大约为1.5l，有效容积为1.2l，进水量1.2l/h，水力停留时间60min，石英砂作为诱导结晶晶种211，添加量40g/l，曝气装置29曝气速率2.5l/min。反应过程中按mg:n摩尔比1:1，从镁离子药剂池32中泵入mgcl2溶液。实验结果：该装置出水氮、磷浓度分别为8.0mg/l和80mg/l以下，污水中磷回收率在80％以上，氮的回收率在48％以上，出水水质达到畜禽养殖业污染物排放标准(gb18596-2001)。
本发明装置和方法适用于城镇生活污水、养殖废水、含氮磷工业废水污水、肉食品加工污水和综合污水等，具有广阔应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，包括污水池、曝气扰动式诱导结晶反应器和药剂池；其中所述污水池和所述药剂池分别与所述曝气扰动式诱导结晶反应器连通；
所述曝气扰动式诱导结晶反应器包括曝气升流筒和结晶反应筒；所述结晶反应筒置于所述曝气升流筒内，并且能够自由分离；所述曝气升流筒侧壁上开设有与进水口、出水口和进药口，所述进水口通过进水管道与所述污水池连通，所述进药口通过进药管道与所述药剂池连通，并且所述进水管道和所述进药管道上均设置有计量型蠕动泵；所述曝气升流筒底部设置有曝气装置；
所述结晶反应筒为顶部开口结构，所述结晶反应筒的筒壁和筒底均匀开设有多个等内径的通孔，并且所述结晶反应筒的筒壁和筒底包裹一层丝网；所述结晶反应筒内添加有诱导结晶晶种。
2.根据权利要求1所述的一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，所述药剂池包括钙离子药剂池和镁离子药剂池；所述进药口设置有两个，两个所述进药口分别通过进药管道和计量型蠕动泵与所述钙离子药剂池和镁离子药剂池连通。
3.根据权利要求2所述的一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，所述污水池内盛放有含磷污水或盛放有同时含氮和磷的污水。
4.根据权利要求1所述的一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，所述诱导结晶晶种为石英砂，石英砂粒径在0.10～0.30mm之间，添加量为30～60g/l。
5.根据权利要求1所述的一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，所述丝网为200目不锈钢丝网。
6.根据权利要求1所述的一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，所述曝气装置上方设置有防水透气膜，实现气水分离。
7.根据权利要求1所述的一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，所述通孔直径为0.5cm。
8.根据权利要求1所述的一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的装置，其特征在于，所述曝气装置的曝气量控制在1.0～3.0l/min。
9.一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设备连接：将污水池和药剂池分别与曝气扰动式诱导结晶反应器连通，并向曝气扰动式诱导结晶反应器的结晶反应筒内加入石英砂作为诱导结晶晶种，石英砂粒径在0.10～0.30mm之间，添加量为30～60g/l；
步骤二，泵入反应物：利用计量型蠕动泵按照一定比例把污水池中污水和药剂池中药剂同时泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内；
步骤三，曝气反应：开启曝气装置，曝气量控制在1.0～3.0l/min，在曝气扰动作用下实现反应体系的充分混合和ph的提升，诱导结晶反应同时进行；曝气反应过程中，曝气扰动式诱导结晶反应器内反应体系的水溶液通过结晶反应筒筒壁的通孔流出，诱导结晶晶种则被不锈钢丝网拦截，实现固液分离；
步骤四，分离回收：当诱导结晶晶种吸附饱和后，停止曝气，静止沉淀10～30min后，取出结晶反应筒，倒出并回收诱导结晶晶种及其表面结晶产物，并且曝气升流筒内水经出水口排出。
10.根据权利要求9中所述一种曝气扰动式诱导结晶回收污水中氮磷的方法中，其特征在于，在所述步骤二中，当所述污水池内污水为含磷污水时，将钙离子药剂池中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内，进行除磷处理；
当所述污水池内污水为同时含氮和磷的污水时，将钙离子药剂池中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内，仅进行除磷处理；或者将镁离子药剂池中药剂泵入曝气扰动式诱导结晶反应器内，同时进行除磷和除氮。
技术总结