楊 露,平 倩,李詠梅(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

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低磷濃度下鳥糞石結(jié)晶成粒及反應(yīng)器流態(tài)模擬

楊 露,平 倩,李詠梅*(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

摘要：為擴(kuò)大鳥糞石(MAP)結(jié)晶成粒技術(shù)的應(yīng)用范圍,對(duì)低磷濃度下MAP成粒最優(yōu)條件進(jìn)行了研究.試驗(yàn)得出該技術(shù)應(yīng)用的磷濃度應(yīng)大于50mg/L,并在此基礎(chǔ)上研究得到低磷濃度條件下MAP結(jié)晶成粒的最佳條件:pH 9.0,磷氮物質(zhì)的量比 1:8.此時(shí)生成的MAP平均粒徑為0.56mm,總體積生長(zhǎng)率為4.95c m3/h,純度可達(dá)99.9%.為進(jìn)一步優(yōu)化流化床反應(yīng)器中MAP成粒條件,利用CFD商用軟件(Fluent 6.3)對(duì)反應(yīng)器流態(tài)進(jìn)行了模擬.結(jié)果表明:MAP流化床反應(yīng)器的生長(zhǎng)區(qū)能夠形成明顯的自下而上的水力分級(jí),截面流速也較為均勻,有利于顆粒的生成,但沉淀區(qū)和進(jìn)水區(qū)存在死區(qū)、渦流等不利條件.因此,有必要改進(jìn)生長(zhǎng)區(qū)和沉淀區(qū)的連接方式以及進(jìn)水管的分布,以獲得更為優(yōu)質(zhì)的MAP顆粒.關(guān)鍵詞：鳥糞石成粒；低磷濃度；最佳條件；顆粒品質(zhì)；CFD流態(tài)模擬

* 責(zé)任作者, 教授, liyongmei@#edu.cn

磷是一種不可更新、難以替代與再生的資源.而如今,全球范圍內(nèi)普遍存在著陸地磷礦產(chǎn)資源日益匱乏與水環(huán)境中磷含量過(guò)高而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化這一矛盾,推動(dòng)著以“回收磷”代替“去除磷”理念的快速傳播以及研發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[1-3].

磷酸銨鎂(MgNH4PO4?6H2O,MAP,俗稱鳥糞石)結(jié)晶法磷回收技術(shù)因其具有氮磷去除率高、反應(yīng)速率快、工藝操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[4-5].Yoshino等[6]采用鳥糞石結(jié)晶法對(duì)厭氧消化上清液中的磷進(jìn)行回收時(shí),回收率約為92%;李詠梅等[7]以MAP顆粒形式從污泥脫水液中回收氮磷,磷回收率可達(dá)90.5%.雖然國(guó)內(nèi)外MAP結(jié)晶成粒技術(shù)的研究較多,但多數(shù)集中在對(duì)高氨氮、高磷濃度污水的研究上,而當(dāng)原污水磷濃度較低時(shí),生成的MAP多為粉末狀,顆粒細(xì)小,導(dǎo)致其難以從水中分離,易隨出水流失,不利于MAP的收集與再利用[8].在污泥濃縮上清液、未經(jīng)消化的污泥脫水液中,磷濃度較低,往往小于100mg/L.因此,有必要針對(duì)100mg/L以下的低磷溶液開展研究.另外,目前的研究中,鳥糞石結(jié)晶成粒反應(yīng)器流態(tài)對(duì)MAP形成的影響鮮有報(bào)道.Rahaman等[9]模擬了簡(jiǎn)化后的鳥糞石結(jié)晶流化床反應(yīng)器,了解其流體動(dòng)力學(xué)以及MAP晶體的混合行為,但模擬的反應(yīng)器為簡(jiǎn)單的圓柱形,對(duì)錐形漸變反應(yīng)器尚未進(jìn)行研究.

鑒于上述原因,本試驗(yàn)研究了低磷濃度條件下形成MAP顆粒的最佳工況,旨在擴(kuò)大MAP結(jié)晶成粒技術(shù)的應(yīng)用范圍,并進(jìn)一步利用CFD流體力學(xué)軟件模擬研究本課題組開發(fā)的錐形漸變式流化床反應(yīng)器流態(tài)對(duì)MAP成粒的影響,以期為優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和促進(jìn)此技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐和理論基礎(chǔ).

1　材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

本研究采用模擬污泥脫水液進(jìn)行試驗(yàn),以準(zhǔn)確地確定低磷濃度下MAP成粒最佳條件.模擬污泥脫水液采用自來(lái)水配制,PO43--P質(zhì)量濃度為30～110mg/L,NH4+-N質(zhì)量濃度為113～ 181mg/L,外加Mg2+質(zhì)量濃度25.7～93.8mg/L,外加堿液物質(zhì)的量濃度0.25mol/L.試驗(yàn)分別采用磷酸氫二鈉(Na2HPO4?12H2O),氯化銨(NH4Cl)和六水合氯化鎂(MgCl2?6H2O)為磷、氮和鎂源,氫氧化鈉溶液為外加堿液.

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行

試驗(yàn)裝置為流化床結(jié)晶成粒反應(yīng)器(圖1),主要包括漸變式流化床主反應(yīng)器、沉淀池、pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)加藥系統(tǒng)4部分.流化床主反應(yīng)器由沉淀區(qū)、生長(zhǎng)區(qū)、收集區(qū)和進(jìn)水區(qū)組成,總體積為5.80L[10].模擬污泥脫水液在進(jìn)水區(qū)與外加鎂液迅速混合,繼而與反應(yīng)器內(nèi)MAP晶種接觸反應(yīng).當(dāng)晶體粒徑增大后,可以克服上升水流的作用落入反應(yīng)器底部.反應(yīng)器每周期連續(xù)運(yùn)行4d,每隔24h取進(jìn)水、流化床出水和沉淀池出水,測(cè)定NH4+-N、PO43--P、Mg2+等的濃度,并在反應(yīng)周期結(jié)束后,從收集區(qū)取出MAP顆粒進(jìn)行顆粒品質(zhì)分析.

試驗(yàn)主要研究了低磷濃度下MAP的形成情況,并通過(guò)探究磷氮物質(zhì)的量比、pH值和反應(yīng)器流態(tài)優(yōu)化低磷濃度下的MAP結(jié)晶成粒條件.初始運(yùn)行工況為前期試驗(yàn)得出的最優(yōu)工況[7]:進(jìn)水流量140mL/min,水力停留時(shí)間HRT 41min,上升流速400cm/min,顆粒培養(yǎng)時(shí)間4d,離子物質(zhì)的量比為PO43-:NH4+:Mg2+=1:6:1.1,pH值為8.2.在每周期運(yùn)行開始時(shí)投加150g MAP晶種[平均粒徑(220±30μm)],以提高M(jìn)AP結(jié)晶速率[11].

圖1　MAP流化床結(jié)晶成粒反應(yīng)器系統(tǒng)Fig.1　Schematic diagram of the bench-scale struvite pellet crystallization reactor

1.3 水質(zhì)分析方法及MAP顆粒品質(zhì)表征方法

NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定(UV-754),PO43--P采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定(UV-754),Mg2+、Ca2+等金屬離子采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(Agilent-ICP-720ES)測(cè)定.

晶體總體積生長(zhǎng)速率為4d內(nèi)顆粒體積差與時(shí)間的比值.MAP平均粒徑[7]計(jì)算如下:將顆粒采用不同目數(shù)的篩子逐級(jí)篩取,稱量不同粒徑區(qū)間內(nèi)的MAP質(zhì)量,平均粒徑計(jì)算如式(1)所示:

式中:ai、bi分別為粒徑區(qū)間邊界值;wi為此區(qū)間顆粒質(zhì)量百分比.

MAP純度計(jì)算公式[12]如下:

式中:μMAP為MAP純度;nN為NH4+-N摩爾數(shù);MMAP為MAP摩爾質(zhì)量;mc為MAP質(zhì)量.

利用PHREEQC軟件對(duì)鳥糞石共沉淀物進(jìn)行模擬分析,并利用掃描電子顯微鏡(SEM,型號(hào)PHLIPS-XL30)和X射線能量散射譜分析儀(EDX,型號(hào)PHLIPS-FD-1C-80)對(duì)MAP顆粒進(jìn)行形態(tài)分析.

1.4 反應(yīng)器建模及模擬條件設(shè)定

1.4.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分 利用Gambit 2.4 對(duì)MAP流化床主反應(yīng)器進(jìn)行二維幾何建模及網(wǎng)格劃分(圖2).進(jìn)水區(qū)、收集區(qū)及沉淀區(qū)的網(wǎng)格類型及劃分方法為四邊形結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,而生長(zhǎng)區(qū)由于其幾何形狀的不規(guī)則性,網(wǎng)格類型及劃分方法為三角形非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格.經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn),確定網(wǎng)格數(shù)量為34024個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)量為26203個(gè).網(wǎng)格單元長(zhǎng)寬比(Aspect Ratio:4)、通過(guò)單元夾角計(jì)算的歪斜度(EquiAngle Skew:0.35)、通過(guò)單元邊重點(diǎn)連線夾角計(jì)算的歪斜度(MidAngle Skew: 0.01)均顯示此網(wǎng)格具有較好的網(wǎng)格質(zhì)量[13],可以保證后續(xù)模擬精度的需要.

1.4.2 模擬條件設(shè)定 利用Fluent 6.3對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行模擬.經(jīng)計(jì)算可知進(jìn)水區(qū)雷諾數(shù)Re為 3732.1,屬于過(guò)渡區(qū)(2300

圖2　MAP流化床主反應(yīng)器幾何建模及網(wǎng)格劃分Fig.2　Geometry based modeling and meshing of the fluidized bed crystallizera:反應(yīng)器;b:沉淀區(qū);c:生長(zhǎng)區(qū);d:收集區(qū);e:進(jìn)水區(qū)

表1　單相流模擬條件設(shè)定Table 1　Model settings of single-phase flow

表2　固液兩相流模擬條件設(shè)定Table 2　Model settings of solid-liquid two phase flow

2　結(jié)果與討論

2.1 低磷濃度條件下MAP成粒最佳條件

圖3　不同磷濃度條件下PO43--P的去除Fig.3　The removal of PO43--P at different phosphorus concentrations

2.1.1 磷濃度的影響 不同磷濃度下的氮磷去除情況如圖3所示.隨著進(jìn)水磷濃度的提高, PO43--P的去除率明顯提高,反應(yīng)器出水PO43--P保持在24.33mg/L左右.表3的數(shù)據(jù)表明,隨著磷濃度的升高,MAP的平均粒徑、顆粒生長(zhǎng)速率和晶體總體積生長(zhǎng)速率都增加了,這是因?yàn)殡S著磷濃度的升高,進(jìn)水氨氮和鎂離子的濃度也相應(yīng)增加,使得反應(yīng)器內(nèi)溶液的過(guò)飽和度提高,使MAP生成的推動(dòng)力增大,生長(zhǎng)速率加快,因此,磷去除率、鳥糞石平均粒徑都有所增加[15].當(dāng)磷濃度為30mg/L,各離子去除率較低,鳥糞石的生長(zhǎng)速率非常緩慢,總體積生長(zhǎng)速率為1.22cm3/h,粒徑生長(zhǎng)速率僅為0.02mm/d;而當(dāng)磷濃度為50mg/L時(shí),可以獲得平均粒徑為0.5mm的顆粒,且MAP純度較高,為98.7%(表3).因此,要獲得較高的離子去除率及優(yōu)質(zhì)的MAP顆粒,進(jìn)水磷濃度應(yīng)高于50mg/L.

表3 不同磷濃度條件下MAP顆粒生長(zhǎng)情況

Tab.3 Growth of MAP at different phosphorus concentrations

PO43--P (mg/L)平均粒徑(mm)顆粒生長(zhǎng)速率(mm/d)晶體總體積生長(zhǎng)速率(cm3/h)純度(%) 30 　0.27 　0.02 　1.22 　98.6 50 　0.47 　0.07 　3.16 　98.7 70 　0.63 　0.11 　5.50 　97.1 90 　0.74 　0.14 　8.65 　99.6 110 　0.88 　0.17 　13.88 　96.9

2.1.2 磷氮物質(zhì)的量比的影響 在低磷濃度(50mg/L)條件下,PO43--P的去除率隨著磷氮物質(zhì)的量比的減小而升高(圖4).表4的數(shù)據(jù)表明,隨著磷氮物質(zhì)的量比的提高,MAP的平均粒徑、顆粒生長(zhǎng)速率和晶體總體積生長(zhǎng)速率均有所增大,由MAP生成反應(yīng)方程式可知,氨氮濃度的升高有利于反應(yīng)向正方向進(jìn)行,從而提高磷的去除率.氨氮濃度的升高,也使得溶液過(guò)飽和度增加,反應(yīng)推動(dòng)力增大,MAP的生長(zhǎng)速率和平均粒徑都有增大的趨勢(shì).此外,由于在MAP結(jié)晶反應(yīng)過(guò)程中,溶液的pH值會(huì)逐漸降低,因此需要向反應(yīng)體系中不斷補(bǔ)充堿液以維持偏堿性環(huán)境,而過(guò)量的NH4+可能起到了穩(wěn)定溶液pH值和增加溶液緩沖能力的作用,從而有利于MAP的生成[16-17].當(dāng)磷氮物質(zhì)的量比為1:4時(shí),晶體的總體積生長(zhǎng)速率為0.5cm3/h,當(dāng)磷氮物質(zhì)的量比為1:8時(shí),其值可達(dá)到1.96cm3/h.且MAP粒徑為0.425mm,純度為97.9%(表4).綜合考慮離子去除率及MAP的品質(zhì)特征,選擇P/N物質(zhì)的量比為1:8為最佳條件.

圖4　不同磷氮物質(zhì)的量比條件下各離子去除率Fig.4　The removal efficiencies of PO43--P,NH4+-N and Mg2+at different P/N molar ratios

表4　不同磷氮物質(zhì)的量比條件下MAP顆粒生長(zhǎng)情況Table 4　Growth of MAP at different P/N molar ratios

2.1.3 pH的影響 隨著pH值的升高,PO43--P 和Mg2+的去除率均有所提高(圖5).pH值會(huì)影響MAP中3種構(gòu)晶離子(NH4+、PO43-和Mg2+)的存在形式,進(jìn)而影響過(guò)飽和度.當(dāng)溶液中的pH值較低時(shí),磷酸根以酸式鹽的形式存在;當(dāng)pH值過(guò)高時(shí),溶液中的NH4+會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔鈁18].當(dāng)pH值為8.2～9.0時(shí),隨著pH值的升高,溶液過(guò)飽和度增加,有利于MAP的生成,從而提高離子去除率[19];pH值為9.0～9.8時(shí),溶液處于極度過(guò)飽和狀態(tài),pH值的增加對(duì)各離子去除率無(wú)明顯提高作用,但能較大程度地促進(jìn)晶體總體積生長(zhǎng)速率的提高(表5). 當(dāng)pH值為9.0時(shí),各離子去除率及晶體平均粒徑(0.56mm)和總體積生長(zhǎng)率(4.95cm3/h)均較大,因此,選擇pH=9.0為低磷濃度下(50mg/L)MAP結(jié)晶成粒的最佳條件.

圖5　不同pH值條件下各離子去除率Fig.5　The removal efficiencies of PO43--P, NH4+-N and Mg2+at different pHs

表5　不同pH值條件下MAP顆粒生長(zhǎng)情況Table 5　Growth of MAP at different pHs

2.2 MAP顆粒品質(zhì)表征

2.2.1 PHREEQC軟件模擬共沉淀物 試驗(yàn)測(cè)得不同條件下生成的MAP純度較高,都大于97.2%,折算成P2O5標(biāo)準(zhǔn)量為50.3%,可認(rèn)為是富磷礦[20].隨著磷氮物質(zhì)的量比的增加,MAP的純度基本穩(wěn)定在99%左右,利用PHREEQC模擬來(lái)看,生成雜質(zhì)沉淀:Mg(OH)2、無(wú)定形磷酸鈣(Ca3(PO4)2?xH2O,ACP)、CaMg(CO3)2、CaCO3等沉淀產(chǎn)物的潛能基本不變.但隨著pH值的升高,純度有先上升后下降的趨勢(shì),從PHREEQC軟件模擬結(jié)果來(lái)看(圖6),高pH值條件下,生成Mg(OH)2、ACP、CaMg(CO3)2、CaCO3的潛能均有所增加,而生成MAP的潛能在pH值為9.0之后有所下降,這也與試驗(yàn)所得的結(jié)果相符.王建森等[21]對(duì)磷濃度為100mg/L時(shí)生成MAP的模擬研究也得到過(guò)相似的結(jié)果.

2.2.2 晶體形貌特征 選取不同pH值條件下粒徑相似的MAP顆粒拍攝掃描電鏡(SEM),結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看到MAP屬斜方晶系,晶型成短柱狀,與Le Corre等[22]報(bào)道的結(jié)果一致.隨著反應(yīng)pH值的升高,短柱狀晶體變得細(xì)小且不規(guī)則,晶體排列變得不規(guī)律.當(dāng)反應(yīng)pH值為9.8 時(shí),晶體排列雜亂無(wú)章,這也可能與其生成了除MAP之外的其他物質(zhì)有關(guān).試驗(yàn)表明,在最優(yōu)條件(pH=9.0)下,MAP顆粒內(nèi)晶體排列規(guī)則,是較為優(yōu)質(zhì)的鳥糞石沉淀產(chǎn)物.但是,低磷濃度下生成的MAP顆粒仍不夠密實(shí),需要通過(guò)其他方式如優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等方面繼續(xù)提高鳥糞石品質(zhì).

圖6　PHREEQC軟件模擬結(jié)果Fig.6　Simulation results of PHREEQC

圖7　不同pH值條件下MAP的SEM圖Fig.7　SEM images of the MAP at different pHs

圖8　最佳條件下(pH =9.0,磷氮物質(zhì)的量比=1:8)MAP顆粒的EDX圖Fig.8　EDX images of MAP under the optimal conditions (pH=9.0, P/N molar ratios=1:8)

表6　EDX定量分析表Table 6　Quantitative analysis of MAP by EDX

2.2.3 MAP顆粒的元素分析 對(duì)最佳條件下(pH =9.0,磷氮物質(zhì)的量比=1:8)形成的MAP顆粒進(jìn)行EDX分析,其譜圖如圖8所示:MAP顆粒中存在Ca、Mg、O、P、C等元素.由于試驗(yàn)采用自來(lái)水配水,而自來(lái)水中Ca2+的濃度較高,經(jīng)ICP檢測(cè)得平均Ca2+濃度為40mg/L,因此EDX能譜中含有Ca元素.此外,由于試驗(yàn)采用外加NaOH的方法維持反應(yīng)器的pH值,而NaOH溶液放置一段時(shí)間后會(huì)與空氣中的CO2結(jié)合,生成Na2CO3,CO32-會(huì)隨著堿液的加入而進(jìn)入流化床反應(yīng)器中,同時(shí),儀器測(cè)量時(shí)含有碳元素的導(dǎo)電紙,也會(huì)激發(fā)出C的X線.EDX中元素的定量分析結(jié)果如表6所示:鎂磷摩爾比為1.28,說(shuō)明除MAP 外,還存在其他鎂鹽雜質(zhì),如Mg(OH)2等;而少量Ca元素的存在說(shuō)明MAP顆粒中會(huì)含有少量的鈣鹽雜質(zhì),如自來(lái)水中的Ca2+可與PO43-結(jié)合形成無(wú)定型磷酸鈣(Ca3(PO4)2?xH2O,ACP)[23],流化床反應(yīng)器中存在的少量CO32-也會(huì)與Ca2+生成CaCO3沉淀.EDX元素分析結(jié)果也與PHREEQC軟件模擬共沉淀物結(jié)果一致.

2.3 MAP反應(yīng)器流態(tài)模擬

圖9　MAP流化床主反應(yīng)器液相流速分布(m/s)Fig.9　Velocity magnitude of liquid phase in the fluidized bed crystallizer (m/s)a:反應(yīng)器;b:沉淀區(qū);c:生長(zhǎng)區(qū);d:進(jìn)水區(qū);e:進(jìn)水區(qū)上部流速矢量圖;f:進(jìn)水區(qū)中部流速矢量圖;g:進(jìn)水區(qū)下部流速矢量圖

MAP流化床主反應(yīng)器的液相流速分布圖顯示(圖9),反應(yīng)器進(jìn)水區(qū)流態(tài)比較復(fù)雜,隨著高度的增加,流態(tài)趨于穩(wěn)定,且生長(zhǎng)區(qū)能夠形成明顯的自下而上的水力分級(jí),截面流速也較為均勻,與理論上流化床的特點(diǎn)相符[24],有利于反應(yīng)的進(jìn)行以及顆粒的生成.但反應(yīng)器沉淀區(qū)下部存在死區(qū),較大范圍流速均為0m/s,這大大減少了反應(yīng)器的有效利用空間.由于含氮、磷廢水進(jìn)水口、鎂溶液進(jìn)水口以及回流口位置的原因,在進(jìn)水區(qū)的下部、中部及上部分別存在一處渦流,此渦流的存在會(huì)增加能量的損耗和晶體間額外的摩擦,降低整體的水力效率[25].其中,進(jìn)水區(qū)下部和中部的渦流最強(qiáng),可能的原因是回流流量較大(回流比為7.58:1),在進(jìn)口處集中進(jìn)入反應(yīng)器,產(chǎn)生了較強(qiáng)的水力沖擊.因此可以考慮改善進(jìn)水管分布,盡可能降低渦流的產(chǎn)生.MAP流化床主反應(yīng)器的固相體積分?jǐn)?shù)分布圖(圖10)能夠進(jìn)一步顯示反應(yīng)器進(jìn)水區(qū)存在明顯渦流現(xiàn)象,而生長(zhǎng)區(qū)的顆粒分布均勻,有利于顆粒與液體的充分接觸從而生成顆粒.但反應(yīng)器的沉淀區(qū)下部較大范圍內(nèi)存在顆粒沉積的現(xiàn)象,造成死區(qū),此部分顆粒的生長(zhǎng)會(huì)受到極大的限制.沿著反應(yīng)器高度的中心流速分布(圖11)顯示:進(jìn)水區(qū)流速混亂、無(wú)規(guī)則;而隨著高度的增大,中心流速在收集區(qū)有略微升高的趨勢(shì);在生長(zhǎng)區(qū)和沉淀區(qū)則逐步減小.最大中心流速在收集區(qū)和生長(zhǎng)區(qū)交界處,為0.249m/s.這是由于連續(xù)進(jìn)水時(shí),收集區(qū)水流的動(dòng)能仍然較大,使得收集區(qū)的流速增大;而隨著生長(zhǎng)區(qū)直徑的增大,使得其流速有明顯下降的趨勢(shì).

圖10　MAP流化床主反應(yīng)器固相體積分?jǐn)?shù)分布圖(a:反應(yīng)器;b:沉淀區(qū);c:生長(zhǎng)區(qū);d:進(jìn)水區(qū))Fig.10　Volume fraction of solid phase in the fluidized bed crystallizer(a:the crystallizer;b:settling zone;c:growing zone;d:influent zone)

圖11　沿著反應(yīng)器高度的中心流速分布Fig.11　Central velocity magnitude along the height of crystallizer

從反應(yīng)器不同高度處截面流速(圖12)可以看出,隨著反應(yīng)器高度(Y)的增加,整個(gè)截面上的流速越均勻,也越接近活塞式流動(dòng)[26].當(dāng)Y=0.50m(收集區(qū)中部)時(shí),截面流速分布均勻,最高流速為0.246m/s,平均流速為0.202m/s.此時(shí),X軸方向流速幾乎為0m/s.由此可知:在反應(yīng)器的生長(zhǎng)區(qū)(Y=0.06～Y=0.14),水流以活塞式流動(dòng),流速分布均勻,能夠形成明顯的自下而上的水力分級(jí),有利于MAP的生成及生長(zhǎng).

綜上所述,流化床反應(yīng)器生長(zhǎng)區(qū)的錐形漸變形式非常有利于鳥糞石的生長(zhǎng),而沉淀區(qū)下部存在死區(qū),廢水進(jìn)口處存在渦流,大大減少了反應(yīng)器的有效利用空間.因此,可以考慮在生長(zhǎng)區(qū)和沉淀區(qū)的連接處設(shè)置錐形漸變接口,代替原來(lái)的垂直連接,以形成良好的水力過(guò)渡.另外,可設(shè)置兩處回流進(jìn)口,將流量較大的回流水均勻分布在進(jìn)水區(qū)兩側(cè)進(jìn)入反應(yīng)器,以減少渦流的產(chǎn)生,提高整體空間利用效率.

圖12　反應(yīng)器不同高度處截面流速Fig.12　Velocity magnitude in the cross-section at different height of the crystallizer

3　結(jié)論

3.1 采用流化床結(jié)晶成粒反應(yīng)器,當(dāng)磷濃度低于50mg/L時(shí),磷、氮去除率較低,MAP的生長(zhǎng)速率非常緩慢,不利于以鳥糞石結(jié)晶形式回收磷.

3.2 低磷濃度條件下MAP結(jié)晶成粒的最佳條件:pH值為9.0,磷氮物質(zhì)的量比為1:8.此時(shí)生成的MAP平均粒徑為0. 56mm,總體積生長(zhǎng)率為4.95cm3/h,純度可達(dá)99.9%,但低磷濃度下生成的MAP顆粒不夠密實(shí).

3.3 當(dāng)pH值大于9.0時(shí),生成的顆粒物純度有所降低,通過(guò)PHREEQC軟件模擬和EDX分析表明生成了Mg(OH)2、ACP等物質(zhì).

3.4 利用CFD商用軟件(Fluent 6.3)進(jìn)行流態(tài)模擬發(fā)現(xiàn):本試驗(yàn)采用的MAP流化床反應(yīng)器,在生長(zhǎng)區(qū)能夠形成明顯的自下而上的水力分級(jí),截面流速也較為均勻,呈活塞式向上流動(dòng),與理論上流化床的特點(diǎn)相符,有利于反應(yīng)的進(jìn)行以及顆粒的生成.但反應(yīng)器沉淀區(qū)存在死區(qū),減少了反應(yīng)器的有效利用空間,且進(jìn)水區(qū)存在的三處渦流會(huì)增加能量的損耗和晶體間額外的摩擦,降低整體的水力效率.因此,有必要改進(jìn)生長(zhǎng)區(qū)和沉淀區(qū)的連接方式以及進(jìn)水管的分布,以獲得更為優(yōu)質(zhì)的MAP顆粒.

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Struvite pellet crystallization at low phosphorus concentration and fluidization simulation of the reactor.

YANG Lu, PING Qian, LI Yong-mei*(State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1017～1026

Abstract：In order to expand the application field of struvite (MAP) pellet crystallization technology, the optimal conditions for struvite pellet formation at low phosphorus concentrations were investigated. Results show that the phosphorus concentration over 50mg/L would be better for application of this technology. The optimal conditions for struvite pellet formation were as follows: pH = 9.0 and phosphorus to nitrogen molar ratio = 1:8. Under the conditions, the average size of harvested struvite particle reached 0.56mm, the volume growth rate was 4.95cm3/h and the struvite purity reached 99.9%. In order to further optimize MAP formation in the fluidized bed reactor, CFD software (Fluent 6.3) was used to simulate the flow fed to the reactor. It turned out that the bottom-up hydraulic classification was formed obviously in the growing zone of the crystallizer. Velocity in the cross-section was relatively uniform, which is beneficial to struvite formation. But some adverse conditions such as dead zone, vortexes and circulation loops were also present in the settling and influent zones. Therefore, it is necessary to improve the connection between the growing zone and settling zone as well as the distribution of inlet pipes to obtain high-quality MAP pellets.

Key words：struvite pellet crystallization；low-phosphorus concentration；optional conditions；pellet quality；CFD simulation

作者簡(jiǎn)介：楊 露(1990-),女,浙江寧波人.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事污水處理與資源化方面的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA060902)

收稿日期：2015-07-30

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)04-1017-10