本发明涉及水污染控制工程和资源回收利用技术，具体涉及一种用以同时回收污水厂废水中氮磷的循环式一体化流化床。
背景技术：
磷是一种不可再生、不可替代的矿产资源，目前在世界上的储量已难以满足未来社会发展的需要，然而在工农业生产中产生的大量氮磷进入水体，造成严重的水体富营养化，已成为目前我国面临的最主要环保问题之一。城市污水的排放是氮磷进入水体重要途径，因此，回收城市污水中的磷资源，对减少氮磷排放、保护环境具有重要的现实意义。磷酸铵镁结晶技术(俗称鸟粪石法)能同时实现氮磷资源回收和污水处理，具有广阔的开发应用前景。目前国内外关于鸟粪石法回收氮磷的研究大多处于实验室研究阶段，由于生成的鸟粪石结晶细小，难以与水分离，或者纯度下降，影响品质，故普通的沉淀设备很难用于鸟粪石沉淀法回收氮磷。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种循环式一体化流化床，设计理念符合鸟粪石结晶造粒的理论基础，应用晶种循环技术促进鸟粪石长大，减少了碱液投加费用；142L的有效容积可以用于小型污水处理站、工厂的高浓度氮磷废水处理；也可按比例放大加工成适用于污水厂、大水量的工业生产设备；生成的鸟粪石可以作为高品质的农业缓释肥料，在市场销售。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种污水氮磷回收流化床反应器，主要由流化床，圆柱体溢流出水区，循环水泵，配水箱，转子流量计，循环管路，阀门组成，流化床从下到上依次为圆锥体结晶区和圆柱体结晶沉淀区，配水箱底部通过管道与循环水泵相连，连接管段上设有转子流量计；循环水泵出水口连接流化床底部圆锥体锥角；圆锥体结晶沉淀区顶端连接集水围堰，堰底开孔口与出水、回流管段相连；回流管从上端接入配水箱；投药系统由碱式碳酸镁溶药罐、氯化铵溶药罐、计量泵、加药管路组成，与圆柱体结晶区上部相连。
所述配水箱顶部接入原水进水管，在水箱边壁距顶部1/15处设置溢流管，距水箱底部1/15不低于50mm处边壁上设置配水箱出水口，外接出水管，管上设置出水管阀门，同等高度上设置放空管和阀门。
所述流化床床身安装在矩形钢架上，圆锥体结晶区锥形底端与配水箱之间用管段连接，管段上设有循环水泵和转子流量计，循环水泵固定在钢架底端横梁上，与流化床锥底接近。
所述配水箱出口管段和循环水泵吸水口相连，中间设有接头；循环水泵压水口和圆锥体结晶沉淀区锥底进水口之间接“几”字形竖管2段，转弯处用90°弯头连接，竖管高度与围堰底部同高，分两段，流向相反，与水泵相连段设转子流量计，位于管段中部偏上1/4处，转子流量计下部流量控制阀。
所述圆锥体结晶沉淀区圆锥体的半扩角在15°左右；圆锥体结晶沉淀区边壁上沿着母线等距安装3个取样口，圆锥体底部接三通管，三通一侧接循环水泵出口，一侧接排空管，排空管上设有阀门。
所述圆柱体溢流出水区外接的穿孔管上设置三通和2个阀门，三通直向连接2个90°弯头，将水流导入所述配水箱，完成循环，侧向安装外排管，将处理后净水送至后续处理单元。
所述循环管路上有7个90°弯头和2个等径三通，6个阀门。所述圆柱体溢流出水区平行嵌套在所述圆柱体结晶区外，形成“内外套筒式”外观的集水围堰，底部水平焊接到圆柱体结晶沉淀区中部偏上1/3高度，器壁开孔过流，外接回流管。
流化床主体部分按水流流程，由下到上依次为进水管、排空管、圆锥体结晶区、圆柱体结晶沉淀区、圆柱体溢流出水区、取样口等组成。水流从流化床底端的圆锥体进入口泵入，随着过流断面的逐渐扩大，断面流速逐渐减小，由于扩角的合理设计，污水由下到上呈现不同流态，与结晶形成过程的成核、长大机理较好地相符。圆柱形结晶沉淀区设计，不但符合结晶机理，还能高效收集鸟粪石沉淀，含有构晶离子的高浓度氮磷废水在刚进入圆锥体结晶区下部时混合剧烈，增大了各离子接触的机会，有利于结晶初期晶核(晶胚)的形成。晶核随着水流上升，随着外层沉淀的反复覆盖而变大。流化床特殊的锥体结构，可使晶体上下翻腾，提高了晶体不断增大的速度。最后较大粒径的鸟粪石晶体克服浮力向下沉降，较小的颗粒在水中悬浮，继续变大，因此，由下到上，流化床内生成的鸟粪石粒径从大到小。同时锥面斜坡有利于收集重力沉降的大颗粒鸟粪石。在圆锥体斜面设置有3个不同高度的取样口，用来分析反应器内晶体的大小、监测水质是否稳定；圆柱体结晶沉淀区，下端与圆锥体结晶区相连，可以起到过渡作用，有效提高流体循环效果，相比于方形反应器可以有效防止死角的影响，同时防止细小的晶体随水排出，提高结晶效率；圆柱体溢流出水区作用是收集圆柱体结晶区上端溢流的出水。
圆柱体溢流出水区是套在圆柱体结晶区上端1/3处的同心圆柱套筒，比内简直径大150mm左右，高度高出内筒约50mm，外筒底部用同心圆环板焊接密实。反应配套设备主要由配水箱、循环泵、转子流量计、碱式碳酸镁溶药罐、氯化铵溶药罐、搅拌装置、碱式碳酸镁加药泵、氯化铵加药泵、管路阀门等组成。配水箱的功能是储水池，顶端进水管接入来自污水厂或工厂的高浓度氮磷废水，比如污泥区的厌氧消化液、脱水上清液。水箱上端边壁上的溢流管在进水超过容积时，使多余的原水溢流回备用储水池，起到水量调节的作用。放空管在溢流管下方距离箱底不低于50mm，可兼做排空管和排渣管，放空管上设置阀门。配水箱出水口位于距底部1/15高度处，外接配水管路和水量控制阀。
碱式碳酸镁溶药罐、氯化铵溶药罐用来配置生成鸟粪石所需要的镁源、氮源，因为原水含有一定浓度氮磷和镁离子，但是不符合鸟粪石生成的最佳比例，以回收磷为目的，因此需要补充投加一定量的氮源和大量镁源。碱式碳酸镁[(MgCO3)4·Mg(OH)2·5H2O]能贡献一定的OH-，无需用NaOH调节进水pH值到反应所需的8～9，节省了大量药剂投加所带来的费用，同时氯化铵溶药罐可按水质情况进行选用。溶药罐内设有搅拌溶药装置，电机带动浆板将投加进的固体药剂划开，搅拌均匀，碱式碳酸镁为微溶物，形成混浊液，底部设置阀门，连接计量泵，将药剂定量、缓慢投加到流化床反应器中。
配水管路和循环管路连接着配水箱和流化床的上下端，配水管路起于配水箱出水口，中间经过流量控制阀、循环水泵、转子流量计、倒“U”型管路，止于流化床进水口。流量控制阀紧接配水箱，控制配水流量，从而间接控制流化床内原水的水力停留时间。循环水泵将原水打入流化床，提供循环的动力。通过转子流量计可以理论计算流化床的断面流速，有利于对反应过程进行有效控制。倒“U”型管路是为了便于流量计安装、防止静沉时流化床内水回流至配水箱而设计的，分为上流管和下流管。配水管路与流化床进水口三通相连，直通另一侧安装放空管。
循环管路起于流化床圆柱体溢流出水区，中间经过排水管，止于配水箱。出水区安装穿孔管，外接回流管，回流管上安装三通分出排水管，直通通向配水箱，完成处理后水的回流，水中携带的鸟粪石晶体作为诱导晶核继续由配水箱进入流化床参与反应，排水管用来排放处理达标的出水，管段上设置排水阀。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明循环式一体化流化床的结构示意图。
图中：1、配水箱，2、原水进水管，3、进水管阀门，4、溢流管，5、排空管，6、配水箱出水口，7、出水管阀门，8、循环水泵，9、流量控制阀，10、上流管，11、转子流量计，12、下流管，13、流化床进水口，14、放空管，15、圆锥体结晶区，16、圆柱体结晶沉淀区，17、圆柱体溢流出水区，18、取样口，19、溢流堰，21、穿孔管，22、回流管，23、排水阀，24、排水管，25、回流管阀，26、碱式碳酸镁溶药罐，27、氯化铵溶药罐，28、溶药搅拌装置，29、碱式碳酸镁加药泵，30、氯化铵加药泵。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1间歇式运行
对于小水量的氮磷废水，流化床采用间歇式运行方式，水流在形式上为内循环。当处理达标时，流化床自身作为沉淀池，进行鸟粪石与水的分离。具体实施过程为：
如图1所示，一种污水氮磷回收流化床反应器，主要由圆柱体溢流出水区17，流化床，循环水泵8，配水箱1，转子流量计11，循环管路，阀门组成，其特征在于：流化床从下到上依次为圆柱体结晶区16圆锥体结晶沉淀区15，配水箱1底部通过管道与循环水泵8相连，连接管段上设有转子流量计11；循环水泵8出水口连接流化床底部圆锥体锥角；圆锥体结晶沉淀区15顶端连接集水围堰，堰底开孔口与出水、回流管22段相连；回流管22从上端接入配水箱1；投药系统由碱式碳酸镁溶药罐26、氯化铵溶药罐27、计量泵、加药管路组成，与圆柱体结晶区16上部相连。
所述配水箱1顶部接入原水进水管2，在水箱边壁距顶部1/15处设置溢流管4，距水箱底部1/15不低于50mm处边壁上设置配水箱出水口6，外接出水管，管上设置出水管阀门7，同等高度上设置放空管5和阀门。
所述流化床床身安装在矩形钢架上，圆锥体结晶区15锥形底端与配水箱1之间用管段连接，管段上设有循环水泵8和转子流量计11，循环水泵8固定在钢架底端横梁上，与流化床锥底接近。
所述配水箱1出口管段和循环水泵8吸水口相连，中间设有接头；循环水泵压水口和圆锥体结晶沉淀区15锥底进水口之间接“几”字形竖管2段，转弯处用90°弯头连接，竖管高度与围堰底部同高，分两段，流向相反，与水泵相连段设转子流量计11，位于管段中部偏上1/4处，转子流量计11下部流量控制阀9。
所述圆锥体结晶沉淀区15圆锥体的半扩角在15°左右；圆锥体结晶沉淀区15边壁上沿着母线等距安装3个取样口18圆锥体底部接三通管，三通一侧接循环水泵出口，一侧接排空管14，排空管上设有阀门。
所述圆柱体溢流出水区17外接的穿孔管21上设置三通和2个阀门，三通直向连接2个90°弯头，将水流导入所述配水箱1，完成循环，侧向安装外排管，将处理后净水送至后续处理单元。
所述循环管路上有7个90°弯头和2个等径三通，6个阀门。
所述圆柱体溢流出水区17平行嵌套在所述圆柱体结晶区16外，形成“内外套筒式”外观的集水围堰，底部水平焊接到圆柱体结晶沉淀区中部偏上1/3高度，器壁开孔过流，外接回流管22。
本发明污水氮磷回收循环式一体化流化床的运行控制技术为：准备阶段、启动阶段、运行阶段、沉淀出水阶段、鸟粪石收集阶段。
准备阶段为：关闭配水箱出水管阀门7、流化床放空管14、排水阀23，打开流量控制阀9、回流管阀25。首先将工业纯的碱式碳酸镁、氯化铵(可选择不同镁源、物料等)按需用量分别投进碱式碳酸镁溶药罐26，氯化铵溶药罐27，加入适量自来水，启动溶药搅拌装置电机28，将药剂搅拌均匀，搅拌时间持续30min，让碱式碳酸镁部分溶解。然后打开进水管阀门3，污水厂厌氧段出水、污泥消化池出水、污泥脱水间上清液、工厂高浓度氮磷废水车间出水等经过原水进水管2输送至配水箱1，过量的原水经溢流管4进入备用储水池，关闭进水管阀门3，进入启动阶段。
启动阶段为：开启循环水泵8，原水通过出水管阀门7，循环水泵8，流量控制阀9，上流管10，转子流量计11，下流管12，流化床进水口13进入流化床圆锥体结晶区15。在水面上升时，开启碱式碳酸镁加药泵29和氯化铵加药泵30，按照配水箱1的有效水量计算总投药量，控制加药流量，使得水开始溢流时，刚好完成加药操作，让溶液缓慢加入上升水流中，由于底部的剧烈搅拌作用，鸟粪石晶体开始生成，同时由于碱式碳酸镁的缓慢溶解性质，不会因为离子浓度局部过高而生成大量细小的鸟粪石晶体，抑制了晶体的长大。旋转出水管阀门7和流量控制阀9的开合度，观察转子流量计11读数，调节至所需流量并记录。随着原水和药剂混合液充满圆锥体结晶区15，水流流态发生变化，由于扩角存在导致了流态的剧烈紊动，流线为了调整，锥形扩角边壁附近出现涡流，夹杂着水泵吸入的的气泡，综合条件作用有助于鸟粪石大颗粒的生成，并随水流分散，较小颗粒上浮至当水流流经圆柱体结晶沉淀区16，流速趋于平稳，为细小的鸟粪石结晶长大创造了温和的环境，小颗粒晶体之间存在结合位点，相互聚合、粘附，最后长大。形成的大颗粒继续克服浮力下沉，细碎的随水流进入圆柱体溢流出水区17，待水溢流时，关闭碱式碳酸镁加药泵29和氯化铵加药泵30，完成启动阶段，进入运行阶段。
运行阶段：当流化床内的混合液翻过溢流堰，在环状集水区汇流，经过穿孔管21，进入回流管22，水流直接通过回流管阀25进入配水箱1，开始第一次循环。从水溢流时开始计时，流化床运行2h，可根据情况隔一定时间取样分析水质。在运行阶段，随着鸟粪石晶体的不断生成，原水中氮磷含量不断减少，由于碱式碳酸镁对pH的贡献，能维持pH在科学、理想的范围之内，参考国外相关文献，不断调节pH可以让鸟粪石晶体不断长大，在本实例中也得到了印证。
沉淀出水阶段：等到出水水质稳定，依次关闭循环水泵8，放空管14阀门，出水管阀门7，流量控制阀9，开始停泵静沉，这里存在一定的陈化时间，也即分散晶体继续长大的过程，此时，流化床作为沉淀池，将鸟粪石和水分离。静沉30min，打开放空管14阀门，将处理后水磷浓度很低，适宜于回流至生化池或下一工艺单元，或者直接排放。
鸟粪石收集阶段：用毛刷将器壁上的鸟粪石结晶刷扫收集，或者安装配套的半自动收集装置。收集的鸟粪石用编织袋封装。
实施例2连续式运行
针对连续进水的情况，该流化床的实施方式可切换为连续式运行，具体操作方法为：
去掉配水箱1，流化床进水口13接来自污水厂车间的高浓度氮磷废水，处理后水经过穿孔管21，进入回流管22，水流分为两路，一路出水进入回流管阀25，携带鸟粪石颗粒回流继续结晶、造粒；另一路出水流经排水管24，接入到沉淀池，这一路随水流走的是小颗粒鸟粪石，在沉淀池中实现收集。存留在流化床内的较大粒径鸟粪石会沉积在器壁上，待运行结束后进入鸟粪石收集阶段。但是与实施例1不同，这种运行方式下需要配备专门的沉淀池，为了便于在实际中应用，沉淀池还需增设鸟粪石颗粒回流装置，并从进水口13接入，让经过陈化过程粒径增大的鸟粪石作为诱导晶核继续参与流化床中的反应。
除过上述的运行特征，流化床连续式运行控制技术的准备阶段、启动阶段、鸟粪石收集阶段与间歇式运行基本相同。需要做一说明的是，连续式运行在准备阶段的加药量要持续供应，因为溶药罐26、27容积有限，应该计算溶药罐的供给周期，科学地控制整个加药过程。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。