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鸟粪石结晶流化床结构优化

蔡佳盛, 叶欣, 叶志隆, 陈少华. 鸟粪石结晶流化床结构优化[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130
引用本文: 蔡佳盛, 叶欣, 叶志隆, 陈少华. 鸟粪石结晶流化床结构优化[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130
CAI Jiasheng, YE Xin, YE Zhilong, CHEN Shaohua. Geometry optimization of struvite crystallization fluidized bed[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130
Citation: CAI Jiasheng, YE Xin, YE Zhilong, CHEN Shaohua. Geometry optimization of struvite crystallization fluidized bed[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130

鸟粪石结晶流化床结构优化

    作者简介: 蔡佳盛(1993—),男,硕士研究生。研究方向:水污染控制技术。E-mail:jscai@iue.ac.cn
    通讯作者: 叶欣(1985—),男,博士,副研究员。研究方向:水污染控制技术。E-mail:xye@iue.ac.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51608503)
  • 中图分类号: X703

Geometry optimization of struvite crystallization fluidized bed

    Corresponding author: YE Xin, xye@iue.ac.cn
  • 摘要: 针对鸟粪石结晶流化床结构设计的不确定性及复杂性,采用数值模拟的方法模拟多粒径体系下不同构型流化床的湍流强度、分级特性和微晶截留效率。模拟结果表明,一段式流化床对鸟粪石颗粒的分级效果及湍流条件均优于多段式和锥体式流化床;沉淀区内增设沉淀组件未能显著提升微晶截留效率。验证实验结果表明,在不同的进水磷浓度(240,480和1 000 mg·L−1)下,一段式流化床对磷的去除效果与传统的多段式流化床无显著差异,且具有良好的造粒效果,大于1.25 mm的产品占比分别为88.1%、96.4%和70.1%。实验结果验证了数值模拟优化方法的可靠性和合理性,简化后的一段式鸟粪石结晶流化床具备良好的磷处理效果及产品特性,是理想的鸟粪石流化结晶反应器。
  • 突发环境事件是由污染物排放或者生产安全事故、自然灾害等次生的,短时间内可能导致环境质量下降或者造成生态环境破坏的事件[1]。云南省矿产资源极为丰富,尤以有色金属及磷矿著称,被誉为“有色金属王国”,尾矿库泄漏事故次生环境风险突出;地形以高原、山地为主,地势起伏,交通险阻,江河纵横,湖库棋布,道路运输事故引发的突发环境事件高发;位于亚欧板块和印度洋板块交界地带,地质运动活跃导致地震多发和地质灾害频发,易造成企业环保设施受损,导致环境事件发生;地处上游地区,河流和湖泊众多,多数河流具有落差大、水流湍急、流量变化大的特点,且跨国境、跨省界河流多,防范流域突发水污染事件压力大。总体来说,云南省突发环境事件风险特征明显且面临易发多发的高风险态势。

    “十四五”期间,云南省突发环境事件的高风险态势加剧,生态环境应急形势更加严峻。在重金属、跨界污染风险突出的形势下,随着原油、成品油输送网络的形成和石化产业链的延伸,应对石化相关产业存储、运输和生产环节的环境风险挑战逐渐增多。加快推进的交通运输建设,加之公路货运仍占主体地位,危险化学品运输次生突发环境事件概率增加;水运业务快速增长,港口、码头环境风险增大。7级地震平静时长突破历史记录,“十四五”时期地震形势更加严峻复杂。基础设施重大工程建设将加剧地质灾害次生突发环境事件的概率。

    在把握云南省突发环境事件风险特征的基础上,根据云南省“十四五”经济社会发展规划,深入分析产业结构、运输结构、能源结构布局和重点行业发展变化趋势,提前研判“十四五”云南省生态环境应急形势的新特点新趋势,研究生态环境应急规划的思路和重点,针对性做好风险防控和应急准备,提高应急处置及其保障能力,推进生态环境应急体系和能力现代化,对于妥善应对突发环境事件,维护生态环境安全底线,具有十分重要的现实意义。文章立足于云南省环境应急的现状和问题,结合生态环境应急形势分析,提出了云南省“十四五”生态环境应急规划的思路和建议。

    “十三五”时期,云南省管控违法排污造成突发环境事件的成效显著,因违法排污引起的突发环境事件明显减少,但仍需严厉打击危险废物非法转移和倾倒等违法犯罪活动造成的突发环境事件。生产安全事故、道路运输事故和自然灾害次生的突发环境事件多发频发情况短期内难以改变。

    支撑云南省高质量发展的基础仍不牢固,在产业发展方面的短板仍然明显,主要表现在发展方式粗放,制造业产业层次普遍偏低[2]。目前,涉及重大环境风险工艺及物质的石化、化纤、医药、化工、轻工、冶炼、港口/码头、石油天然气及其长输管道等行业在全省均有分布。全省共有尾矿库588座,位居全国第四。2021年,云南省生产事故总量仍然偏大,除道路运输事故外,全省发生各类生产安全事故443起,可能次生突发环境事件的金属非金属矿山事故32起,化工和危险化学品事故5起,工贸行业事故75起[3]

    “十三五”期间,中缅油气管道建成运营,云南省建成投运油气管道总里程达到4 914 km,原油、成品油、天然气三大管网已初成体系,中石油云南石化1 300万吨/年炼油项目建成投产。“十四五”期间,将建设覆盖全省各州、市的天然气支线管道,建成一批原油和成品油储备项目,形成以昆明市为中心的放射状成品油管道输送网络,成品油管道达2 500 km以上,输送能力达3 128万吨/年;将推进石化产业向下游产业链延伸,大力发展功能性化学品、化工新材料等精细化工[2]

    云南省山地面积约占全省总面积的94%左右,地形地貌复杂,道路坡陡弯急,路网安全运行基础薄弱,安全防护设施历史欠账较多,极易发生交通事故并次生突发环境事件。2021年,全省发生道路运输事故1 035起,其中较大事故16起,水上交通事故1起,铁路运输事故9起[3]

    到2025 年,云南省综合交通实体线网总里程将达到36万km,其中高速公路通车里程新增6 000 km、达到1.5万 km,新改建国省道3 000 km,新改建农村公路6万km,铁路营运里程新增1 800 km、达到6 000 km。在建及运营运输机场总数量达到20个。新增及改善航道里程1 000 km、达到5 300 km,新增内河港口泊位60个。预计2021~2035年,公路货运仍占主体地位,货物运输仍然集中在滇中地区,水富港至长江中下游水上运输业务快速增长[4-5]。“十四五”规划的37条国家和地方高速公路项目线路涉及54个集中式饮用水水源保护区,规划的13条铁路项目线路涉及34个集中式饮用水水源地保护区[4-5]

    云南省自然灾害种类多、分布地域广、发生频率高,属地质灾害多发频发区和地震多发省份,地质、地震和洪涝等自然灾害诱发突发环境事件风险隐患大,各类灾害风险交织叠加,不确定因素多。2021年与近5年灾害发生频次均值相比,地质灾害增加126.56%、洪涝灾害增加44.23%。2021年因地震灾害共造成10个州(市)的23个县(市、区)不同程度受灾[6]

    云南省地质构造复杂,地层岩性复杂,近地表岩土体破碎,不稳定岩土体广泛分布,稳定性差。复杂脆弱的地质环境背景条件,遭遇高强度降雨(雪)或长时间连续降雨等极端天气以及强烈地震,导致滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害多发频发。“十四五”交通、水利和能源等大规模基础设施建设工程将加剧地质灾害的发生。地处印度洋板块与亚欧板块碰撞带附近,地壳运动比较强烈,沿构造线或大的断裂带,常有强烈地震发生,具有频度高、强度大、震源浅、分布广的特征。全省91.2%的国土面积处于7度以上地震高烈度区,1 500万人居住并在活动断层控制的盆地区域内从事生产活动。7级地震平静时长突破历史记录,“十四五”时期震情形势更加严峻复杂,大量长距离、大跨度油气管线等基础设施邻近或直接处于大震危险源地带[7-8]

    目前,云南省县级及以上城市集中式饮用水水源地共236个,除7个为地下水型饮用水源地外,其他均为湖库型和河流型饮用水水源地;“千吨万人”饮用水水源共330个,湖库型和河流型260个,占比78.8%;乡镇级集中式饮用水源共966个,湖库型和河流型685个,占比70.9%。总体来说,全省湖库型和河流型饮用水水源占比大,环境风险受体敏感性突出。存在交通穿越的县级以上集中式饮用水水源地共69个,因流动源造成突发环境事件的风险较大。“十四五”期间,将新建和续建大、中、小型水库13个[2]

    云南省是“一带一路”建设、长江经济带两大国家发展战略的重要交汇点,涉及水系包括长江(金沙江)水系、珠江(南盘江)水系、元江(红河)水系、澜沧江(湄公河)水系、怒江(萨尔温江)水系和大盈江(伊洛瓦底江)水系。全省跨国境、跨省界河流众多,与缅甸、越南存在跨国境断面,与西藏、四川、贵州和广西省(自治区)存在跨省界断面。16个州(市)中,8个州市涉及跨国境河流,9个州(市)涉及跨省界河流。跨国境断面共22个,涉及红河水系、澜沧江水系、怒江水系和大盈江水系的河流干流及其一、二级支流共20条。跨省界断面共36个,涉及长江水系、珠江水系、怒江水系和大盈江水系的河流干流及其一、二级支流共26条。

    云南省产业结构性、布局性环境风险依旧突出。产业结构以资源型产业为主,大部分产业处于全球产业价值链中低端,企业“乱、散、小”问题突出,发展质量亟待提高。各类化工园区、企业依水而建,沿江、沿河10 km范围内风险企业较多。全省“一废一库一品”企业较多。云南省是长江经济带省(市)中尾矿库数量最多的省份,纳入监管尾矿库588座,涉及16个州(市)。截至2021年12月底,全省危险废物经营许可证持证企业共100家。目前,共有重大突发环境事件风险企业90余家,较大突发环境事件风险企业近400家。“十四五”全省按照“大抓产业、主攻工业”思路,将着力扩大工业投资,实现规模以上工业企业数量翻番,大力发展新材料、生物医药、先进装备制造、绿色食品加工、电子信息、化工、卷烟及配套产业[9]

    突发环境事件的妥善应对,需要结合本省环境风险源和风险受体特点,针对风险源可能造成的环境影响范围和程度,提前做好风险管控和应急准备。云南省生态环境应急工作起步较晚,应对突发环境事件的准备基础十分薄弱,存在明显的短板和不足,体制机制还未完全理顺,风险底数尚不清楚,应急保障极不充分,应急能力亟须提升。

    当前云南省环境应急管理的体制机制与“十四五”环境安全形势发展的要求不相适应,环境应急管理体制不够完善,联动机制不够健全。云南省生态环境厅突发环境事件应急响应预案以及各州(市)突发环境事件应急预案和响应预案更新滞后,不能满足环境应急预案修订时限和环境应急工作高质量发展要求。缺乏生态环境应急管理制度、管理办法和工作规范,环境应急制度化和规范化工作格局尚未形成。与四川、贵州、广西和西藏省(自治区)签订了跨省(区)流域上下游突发水污染事件联防联控机制合作协议,但省内相邻流域、区域的应急协调联动机制普遍未建立,省政府组成机构间生态环境应急协作联动机制尚未建立。

    云南省至今未开展过突发环境事件风险专项调查和评估工作,全省突发环境事件风险底数不清,包括环境风险源基本情况、环境风险受体信息、环境风险防控与应急处置能力。因此,不能通过分析建立环境风险源和敏感受体之间的影响关联,不能识别环境风险源及其风险物质特点,不能明确风险源可能造成的环境影响途径、范围和程度。进一步导致政府和部门突发环境事件应急预案编制的支撑基础不牢,开展风险防控和应急准备工作的针对性不足,无法构建与风险水平相适应的环境应急技术和保障能力。

    由于云南省突发环境事件风险底数不清,尚未建立全省突发环境事件风险源和风险受体分类分级风险管控和隐患排查治理监管机制,未能从源头着手防范化解重特大突发环境事件风险。企业编制的应急预案普遍流于形式、质量不高,针对性、实用性和操作性差,不重视、不执行、不管用的问题突出,事件场景设置不合理,且应急资源种类和数量不足,未与政府预案形成体系。集中式饮用水水源地环境应急预案覆盖不全面,并存在针对性和科学性不足的问题。

    云南省于2021年成立了省生态环境应急调查投诉中心,曲靖市和昭通市建立了专职环境应急机构,其余14个州、市均未组建专职的环境应急机构和队伍,开展生态环境应急工作的人员多数为兼职人员,人员流动频繁,难以满足当前敏感严峻的环境应急形势需要。无论专职还是兼职环境应急人员,均缺乏系统性和规范化培训。未针对云南省突发环境事件风险特征和形势开展相关技术开发和应用研究,难以科学支撑复杂、难度较大突发环境事件的应对和处置,全省环境应急队伍专业能力亟须提升。

    云南省未设立各级环境应急专项资金保障突发环境事件的处置。环境应急装备更新较慢,不能达到应急现场防护和快速监测的要求。应急物资信息库管理有待加强,全省未建设环境应急物资储备库和建立应急物资管理、调运机制。多数企业没有根据自身的环境风险特征储备足量的应急物资。环境应急综合管理和指挥平台开发缓慢,信息化工作有待进一步加强,数据共享机制有待建立,不能有效支撑环境应急管理体系和能力现代化要求。总体来说,一旦遭遇重特大突发环境事件,将面临不能充分保障突发环境事件处置的问题。

    李昌林等[10]从国家层面提出突发环境事件应急体系及完善建议,着重强调法律法规的衔接性、应急预案编制技术规范、多元主体参与机制、应急技术研发、应急人才培养和应急物资储备规划。朱文英等[11]也从国家层面提出环境应急管理制度体系发展建议,侧重完善事前防范和管理标准体系、提高事中处置规范化水平、增强事后赔偿和修复规范化水平。云南省生态环境应急工作在发展阶段和发展水平上均同国家环境应急整体发展状况存在较大差距,需立足云南省生态环境应急现状及存在的主要问题,基于突发环境事件风险特征和“十四五”生态环境应急面临的形势,按照“强体系、摸底数、防风险、提能力、促保障”的总体工作思路,基于可推动实现的目标,全面贯彻分类分级的理念和主线,“十四五”期间以突发水环境事件为重心,突出重点行业、重点企业、重点环节、重点风险物质,针对性做好风险防控和应急准备,着力防范和应对重特大突发环境事件发生,推进生态环境应急体系与能力现代化。

    加快修订云南省生态环境厅突发环境事件应急响应预案,理顺厅内应急响应程序和机制,明确厅内各部门分级应对突发环境事件的职能职责。形成以风险评估为基础编制政府及其部门突发环境事件应急预案的导向,推进州(市)政府及生态环境部门按期修订突发环境事件应急预案及应急响应预案。根据环境应急重点工作需要,制定出台一系列管理制度、管理办法和工作规范,提高生态环境应急工作制度化和规范化水平。加强区域、流域和部门间协调协作,推进建立高效顺畅的相邻区域、流域应急协调联动机制,推动建立与应急管理、消防救援、水利、能源、交通运输、自然资源和地震等部门的联动协作机制,尤其要建立与应急管理、消防救援、交通运输和水利部门间的信息共享机制。

    对16个州(市)开展区域突发环境事件风险评估,全面掌握全省突发环境事件风险底数,为提升政府及其部门应急预案的针对性提供支撑,为实现分类分级、重点精准风险管控奠定基础,针对性做好应急准备,构建与风险水平相适应的环境应急技术和保障能力。同时,将风险评估成果信息化,集成在环境应急管理和指挥系统平台,及时根据环境风险源和风险受体变化情况实时更新,实现突发环境事件风险动态管理目标,提高生态环境应急管理精准化和信息化水平。积极推动流域突发环境风险评估试点工作。

    提升突发环境事件风险管控水平,健全环境风险防范化解机制,突出重点行业和企业,坚持从源头上防范化解重特大突发环境事件风险。在掌握风险底数和实现动态更新的基础上,从企业和流域层面系统构建多层级的突发环境事件风险防控体系,推进风险管控能力现代化。建立企业突发环境事件风险分级管控和隐患排查治理双重防控机制。提升应急预案规范化和精准化管理水平,建立企业应急预案核查管理技术要点和方法体系,开展企业突发环境事件应急预案抽查复核。推动县级及以上集中式饮用水水源地环境应急预案全覆盖。全面推广应用“以空间换时间”的“南阳实践”,以“南阳实践”为抓手防控流域突发水污染事件,实现重点河流“一河一策一图”全覆盖。

    在目前我国应急管理体系为政府主导的治理模式下,着力推动基层生态环境应急机构和队伍建设,推动建立州(市)、县(区)环境应急专职机构。制定环境应急人员系统性、长期性培训计划,提高应对突发环境事件的专业素质和能力,重点强化基层应急人员信息报告和先期处置能力。重视应急技术深化应用,加强与环境应急技术研究单位的交流合作,结合全省产业结构、运输结构、能源结构布局和重点行业发展水平,根据风险评估成果针对性建立环境应急处置技术库并进一步研究提高应用水平,以支撑现场应急处置。完善环境应急监测和应急处置专家库。推动依托企业和社会组织,组建突发环境事故专业救援队伍。

    推动在省和州(市)层面设立生态环境应急专项资金,确保环境应急资金保障。加强环境应急监测能力建设,探索建立企业、市场、政府多方参与的应急监测保障机制。在继续做好环境应急物资信息库建设和管理的基础上,根据区域行业特点、风险源分布和风险物质类型,研究细化应急物资种类、数量及其储备布局、模式和更新周期,建立实物储备、合同储备和生产储备相结合的应急物资储备模式,推动建设常用应急物资储备库。加快建设环境应急综合管理和指挥平台,初步实现环境应急管理和指挥“一张图”。加强环境应急信息化建设,首要以信息化提高环境风险防控精准化及动态管理水平、促进环境应急物资管理、储备和调运等保障能力。

  • 图 1  不同外部构型/内部构件流化床几何建模及网格划分

    Figure 1.  Geometries and mesh of FBR with different outer shapes and inner modules

    图 2  一段式流化床实验装置图

    Figure 2.  Illustration of the one-sectional fluidized bed reactor

    图 3  网格无关性检验

    Figure 3.  Grid-independence analysis

    图 4  不同构型流化床的鸟粪石固含率分布云图

    Figure 4.  Solid hold-ups of struvite under different structure of FBRs

    图 5  不同外部构型流化床产品分级效果对比

    Figure 5.  Comparison of product classification profiles under different FBR geometries

    图 6  不同构型流化床流化段湍动能对比

    Figure 6.  Comparison of turbulent kinetic energies under different FBR geometries

    图 7  不同内部构件微晶流失对比

    Figure 7.  Comparison of fines entrainment using different inner modules

    图 8  不同进水磷浓度下一段式流化床磷去除情况

    Figure 8.  Phosphorus removal profiles of one-sectional FBR under different influent phosphate concentrations

    图 9  不同进水磷浓度下一段式流化床产品粒径分布

    Figure 9.  Product particle size distributions under different influent phosphate concentrations using one-sectional FBR

    图 10  不同进水磷浓度下一段式流化床产品形貌

    Figure 10.  Product morphology under different influent phosphate concentrations using one-sectional FBR

    表 1  模拟条件设定

    Table 1.  Modeling conditions set-up

    工况粒径组成特征粒径/mm外部构型内部构件
    1宽粒径组合0.5/1.0/4.0锥体/多段/一段
    2小粒径组合0.2/0.5/1.0锥体/多段/一段
    3大粒径组合2.0/3.0/4.0锥体/多段/一段
    4宽粒径组合0.2/0.5/1.0一段三相分离器
    5宽粒径组合0.2/0.5/1.0一段斜板
    工况粒径组成特征粒径/mm外部构型内部构件
    1宽粒径组合0.5/1.0/4.0锥体/多段/一段
    2小粒径组合0.2/0.5/1.0锥体/多段/一段
    3大粒径组合2.0/3.0/4.0锥体/多段/一段
    4宽粒径组合0.2/0.5/1.0一段三相分离器
    5宽粒径组合0.2/0.5/1.0一段斜板
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-18
  • 录用日期:  2019-05-12
  • 刊出日期:  2019-09-01
蔡佳盛, 叶欣, 叶志隆, 陈少华. 鸟粪石结晶流化床结构优化[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130
引用本文: 蔡佳盛, 叶欣, 叶志隆, 陈少华. 鸟粪石结晶流化床结构优化[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130
CAI Jiasheng, YE Xin, YE Zhilong, CHEN Shaohua. Geometry optimization of struvite crystallization fluidized bed[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130
Citation: CAI Jiasheng, YE Xin, YE Zhilong, CHEN Shaohua. Geometry optimization of struvite crystallization fluidized bed[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(9): 2092-2101. doi: 10.12030/j.cjee.201812130

鸟粪石结晶流化床结构优化

    通讯作者: 叶欣(1985—),男,博士,副研究员。研究方向:水污染控制技术。E-mail:xye@iue.ac.cn
    作者简介: 蔡佳盛(1993—),男,硕士研究生。研究方向:水污染控制技术。E-mail:jscai@iue.ac.cn
  • 1. 中国科学院城市环境研究所,城市污染物转化重点实验室,厦门 361021
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049
基金项目:
国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51608503)

摘要: 针对鸟粪石结晶流化床结构设计的不确定性及复杂性,采用数值模拟的方法模拟多粒径体系下不同构型流化床的湍流强度、分级特性和微晶截留效率。模拟结果表明,一段式流化床对鸟粪石颗粒的分级效果及湍流条件均优于多段式和锥体式流化床;沉淀区内增设沉淀组件未能显著提升微晶截留效率。验证实验结果表明,在不同的进水磷浓度(240,480和1 000 mg·L−1)下,一段式流化床对磷的去除效果与传统的多段式流化床无显著差异,且具有良好的造粒效果,大于1.25 mm的产品占比分别为88.1%、96.4%和70.1%。实验结果验证了数值模拟优化方法的可靠性和合理性,简化后的一段式鸟粪石结晶流化床具备良好的磷处理效果及产品特性,是理想的鸟粪石流化结晶反应器。

English Abstract

  • 磷是生命体不可或缺的营养元素,在生物的生长、发育和繁殖过程中起着至关重要的作用[1]1。它是一种不可再生资源,主要源自磷矿石的开采。有研究表明,按目前的开采速率,现存的磷矿储备最多仅够维持372a[2]。另一方面,水体中过量的磷容易引发水体富营养化,进而破坏生态环境[3]。为了保护资源和环境,磷回收技术应运而生,并逐渐受到人们的关注。其中,鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)结晶法由于具备氮磷去除效果好、反应速率快、产品为优质缓释肥料等特点而备受青睐[4-5]

    鸟粪石产品的商品化是鸟粪石法能否实际应用的关键,而鸟粪石的商品化价值取决于其产品质量。鸟粪石的产品质量与所使用的结晶反应器密切相关,目前主流的鸟粪石结晶反应器为搅拌釜和流化床[6]。有研究表明,完全混合式的搅拌釜无法将杂质与鸟粪石产品进行有效分离,所得的鸟粪石污染物含量较高;流化床采用上升水流作为物料混合和颗粒流化的推动力,可实现轴向上的水力分级,大幅降低产品中杂质含量,所得产品纯度高,安全性好[7-8]

    截至目前,鸟粪石结晶流化床尚无设计规范。研究人员多根据经验或半经验公式计算流化速度,并设计不同的管径以实现鸟粪石在反应器中的分级[9-11]。管径的变化除了具备分级效果,还可创造一定的湍流以促进物料的混合及晶体的聚并[12]。目前较为常见的流化床构型主要有多段式和锥体式。FATTAH等[11]使用多段式流化床对污水处理厂的污泥压滤浓缩液开展磷回收,磷酸盐去除率超过90%,磷回收率高于85%,所得产品中鸟粪石纯度高达96%。李咏梅等[7]采用锥体式流化床反应器对污泥脱水上清液进行处理,PO34-P的去除率最高可达90.5%,产生颗粒的最大粒径在2.0~3.2 mm之间,纯度在80%以上。2种流化床反应器构型均具备理想的磷去除效果及产品特性,但结构较复杂,加工难度大。鸟粪石微晶的流失会导致总磷(TP)去除率下降,是鸟粪石流化床面临的首要问题,目前主要通过设置沉淀池、安装筛网或投加混凝剂进行截留[13-15]。其中,外置沉淀池的目的是为了保证沉淀效果,须设计较大容积的沉淀池,从而增加了基建成本;安装筛网虽经济有效,但须频繁清理,人工维护成本较高;投加混凝剂则需额外的药剂费用及污泥处置费用。综上所述,无论是复杂的反应器外部构型或是额外的微晶截留措施,均不可避免地增加了加工难度及运行维护成本。鉴于结晶反应器内流体运动的复杂性,完全从实验角度开展反应器优化研究将会非常费时、费力。随着计算机性能的不断提高,计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)已被广泛应用于反应器结构的优化,其避免了传统经验方法中繁复的实验过程,对结晶反应器的设计、优化及放大提供更加可靠的依据和详尽的信息。

    针对鸟粪石结晶流化床构型设计的不确定性及复杂性,本研究首先采用数值模拟的方法,探明多粒径体系下不同构型流化床的湍流强度、分级特性和微晶截留效率;然后通过实验研究新构型鸟粪石结晶流化床的磷去除效果与产品特性,以验证数值模拟优化方法的可靠性和合理性。

  • 采用冷态数值模拟的方法研究流化床外部构型对鸟粪石产品分级情况与湍流强度的影响以及内部构件对鸟粪石微晶截留的影响,确定适宜鸟粪石流化床的外部构型及内部构件。

  • 考察的流化床外部构型包括目前常见的多段圆柱式、一段锥体式和一段圆柱式。3种构型的流化床均由反应区和沉淀区组成。所对比的流化床内部构件为三相分离器及斜板,安装于沉淀区中,用以考察其对鸟粪石微晶的截留效果。鉴于流化床结构的规则性,采用Gambit 2.4软件建立流化床二维模型(X-Z平面),并采用四边形结构性网格进行划分。流化床外部构型及内部构件的具体构型与尺寸如图1所示。

  • 根据文献中报道的鸟粪石粒径设置模拟粒径[10],考察流化床外部构型对3类混合粒径的分级情况及湍流特性,同时明确内部构件对小粒径鸟粪石的截留情况。具体条件设定如表1所示。

  • 研究表明,曳力是固液相间运动的主要作用力。前期研究结果[16]已证实了曳力模型对鸟粪石流化体系模拟精度的重要性。由于Syamlal-O′Brien曳力模型在较宽的流速及粒径范围内对鸟粪石床层膨胀的模拟精度优于其他曳力模型,因此,本研究选用Syamlal-O′Brien曳力模型开展模拟研究。其余控制方程的表达式见鸟粪石冷态流化模拟的研究[16],模拟参数设定如下。基本设置:分离式求解器,欧拉双流体模型,Dispersed湍流模型,一阶迎风格式,残差为1×10−3,最大迭代次数为100次;边界条件:速度进口v=0.05 m·s−1,压力出口,无滑移壁面,标准壁面函数;液相参数:密度为998.2 kg·m−3,黏度为1.003×10−3;固相参数:密度为1 580.23 kg·m−3,粒径分别为0.2、0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mm,初始固相体积分数为60%,颗粒床层体积为380 cm3

  • 流化床反应器数值模拟计算采用Fluent 14.5,后处理采用Ensight 10.0。程序运行平台的主要参数:Intel Xeon十二核处理器(2颗),主频3.1 GHz,64 GB DDR3双通道内存。

  • 为验证数值模拟结果的可靠性,明确结构优化后流化床的运行效果,本研究采用人工配水的方式考察不同进水磷浓度条件下,流化床的磷去除及产品颗粒粒径分布情况。配制的进水磷浓度为240、480和1 000 mg·L−1,采用磷酸二氢铵(纯度≥98%,武汉无机盐化肥有限公司)为磷源和氮源,采用六水合氯化镁(纯度≥99%,REDOX公司)为镁源,控制反应过程Mg/N/P摩尔比为1∶1∶1。采用氢氧化钠(纯度≥96%,沪试)调节反应液pH。

  • 实验装置为一段式流化床,材质为有机玻璃,有效容积为50 L,由流化区和沉淀区组成(图2)。实验过程pH设置为8.5,进水流量为33 L·h−1。采用流化床出水回流作为物料混合及流化的推动力,设置流化区的上升流速为50 mm·s−1

  • pH采用PC-3100(Suntex)在线pH计进行测定;PO34-P和TP采用钼锑抗分光光度法测定(HACH DR5000,USA);鸟粪石产品于38 ℃烘干24 h,采用标准筛(0.3 mm/1.25 mm/2.5 mm/3.2 mm)测定粒径;使用扫描电子显微镜(S-4800,Hitachi,Japan)观察鸟粪石产品的微观形貌。

  • 数值计算的基础是网格划分。当前的主流偏微分方程数值离散方法都是先计算节点上的物理量,而后通过插值方式求得节点间的值。因此,理论上网格点布置得越密集,所得到的计算结果也越精确。但网格加密带来了较大的计算量及舍入误差,所以从计算的效率及求解结果的精度来说,网格并非越多越好。网格过疏或过密均可能产生误差过大的计算结果。只有当网格数的增加对计算结果影响不大时,此时的数值模拟计算结果才具有意义,因此,首先必须进行网格无关性检验,可采用一段式流化床进行网格无关性研究(图3)。设置2.0、3.0、4.2、5.0、6.0和8.0 mm这6种网格尺寸,对应的网格数量分别为53 433、23 863、12 099、8 624、5 844和3 335个。通过对比体积平均粒径为1 mm和3 mm的鸟粪石颗粒在特定上升流速和初始堆积高度条件下的床层膨胀情况来判断其网格无关性。

    图3为不同网格尺寸下,模拟床层与实验床层的膨胀情况对比。由图3可知,所建立的冷态流化模型对3 mm颗粒的模拟精度较好,不同网格尺寸差异较小,与实验结果偏差均在6%以内;但对1 mm颗粒的模拟结果波动较大,与实验偏差为3.3%~12.4%,其中,网格尺寸为3 mm和4.2 mm的精度最佳。综合考虑模拟精度与计算成本,选择尺寸为4.2 mm、数量为12 099个网格以供后续模拟。

  • 图4模拟了3种不同构型流化床在流化区进口上升流速为50 mm·s−1时,鸟粪石固含率随时间的分布云图。为了突出流化床构型对不同粒径鸟粪石产品的空间分级特性,选择颗粒粒径分别为0.5、2.0和4.0 mm。由图4可知,水流从流化床底部沿轴线穿过颗粒床层向上运动,此时空隙率的增大造成床层抬升,床层平均密度下降。在密度差的作用下,颗粒在反应器内循环运动。由于粒径的自由沉降速度随颗粒粒径的增大而增加,在相同的上升流速下,不同粒径颗粒的膨胀高度不同。反应器构型上的差异也导致了不同轴向高度上流速的不同。除了一段式流化床在流化区内上升流速不变外,锥体式流化床与多段式流化床的上升流速均随轴向高度的升高而减小,其中,锥体式流化床为逐步减小,而多段式流化床为阶梯性减小(图1)。粒径的不同与上升流速的变化综合导致了颗粒分级效果的差异。由图4可知,在相同操作条件下,多段式和一段式流化床均能对3种粒径的鸟粪石颗粒实现空间分级(图4(d)~(f)(g)~(i)),锥体式流化床对大粒径颗粒的分级效果较差(图4(b)图4(c))。

  • 流化床结构是影响颗粒分级特性的关键因素。图5系统对比了不同鸟粪石粒径组合在3种不同流化床构型下的分级情况。

    当鸟粪石粒径较大时(0.5、2.0和4.0 mm),锥体式流化床仅能将0.5 mm的颗粒与2.0 mm和4.0 mm的颗粒分离开,但不能将2.0 mm颗粒与4.0 mm颗粒分开(图5(a));多段式与一段式流化床均展示了良好的分级效果,3种粒径颗粒分布在不同的轴向位置(图5(d)图5(g))。

    当鸟粪石粒径较大时(2.0、3.0和4.0 mm),3种粒径的颗粒在锥体式流化床内混合在一起,分布在同一轴向高度上(图5(b))。多段式流化床仅能将部分4.0 mm颗粒与2.0 mm和3.0 mm颗粒分开,而对2.0 mm和3.0 mm颗粒无分级效果(图5(e)),这与多段式流化床的流化区管径设置有关[17]。在此案例中,为了确保3种流化床的流化段体积相同,多段式流化床的底部第1流化段管径较小,体积有限,4.0 mm颗粒部分被挤至中部第2流化段。另一方面,第2流化段的上升流速由于管径的增大而下降,仅略高于2.0 mm和3.0 mm颗粒的初始流化速度[17],因此,无法分离这2种粒径的颗粒。一段式流化床由于整个流化段管径无变化,水流的上升流速维持恒定,不同粒径颗粒所承受的上升推动力差异较大,因此,能较好地实现大粒径鸟粪石颗粒的分级(图5(h))。

    当鸟粪石粒径较小时(0.2、0.5和1.0 mm),锥体式和多段式流化床均无法实现颗粒的分级(图5(c)图5(f)),一段式流化床也仅能将1.0 mm颗粒与0.2 mm和0.5 mm颗粒分开,而对0.2 mm和0.5 mm颗粒无分级效果(图5(i))。

    根据以上数值模拟结果,当流化段体积相同时,一段式流化床对3种不同粒径组合的分级效果最优,多段式流化床次之,锥体式流化床无分级效果。当采用多段式流化床时,为确保分离效果,流化段的管径与高度选择至关重要。

  • 截至目前,湍流对鸟粪石颗粒化的影响并不明确。FATTAH等[18]通过调节上升流速,间接得出当上升流速高于500 cm·min−1时,上升水流产生的湍流会导致颗粒破碎的结论。YE等[10]明确了上升流速与鸟粪石颗粒粒径的正相关性。尽管上升水流形成的湍流是物料混合和颗粒流化及碰撞的推动力,但以上研究均没有直接分析湍流大小。由于实验测定湍流难度较大,本节采用数值模拟的方式对比3种构型流化床流化段的湍动能,来表征流化床结构对湍流的影响程度。

    图6可知,3种构型流化床的湍动能大小为锥体式最大,多段式次之,一段式最小,且随着流化粒径的减小而增大。由于存在变径,锥体式和多段式流化床内大粒径颗粒(如2.0、3.0和4.0 mm)的湍动能与小粒径(如0.2、0.5和1.0 mm)相差较小,导致鸟粪石粒径变大后速度波动仍然剧烈,对流明显,碰撞强度较大,这可能是前人报道的大粒径破碎的主要原因[18]。一段式流化床不存在变径,颗粒的运动速度随粒径的增大而减小,因此,颗粒粒径增大后碰撞强度降低。综上所述,一段式流化床的湍流特征可能更有助于鸟粪石造粒,此推测在2.2节的实验中也得到证实。

  • 流化床采用上升水流作为物料混合和流化的推动力,细小的鸟粪石微晶易受上升水流夹带而流失,进而影响流化床的磷回收率。已有研究表明,提高回流比或降低上升流速等方式能有效减少微晶的流失[10]。但在相同的处理负荷条件下,提高回流比将增大流化床容积,同时须使用更大的回流水泵,从而不可避免地增加了基建与运行成本。降低上升流速从力学角度上虽能减少部分微晶流失,但同时也降低了物料混合效果,易造成构晶离子的局部过饱和,进而产生更多的微晶。

    增加内部固液分离构件是增强颗粒沉淀效果的一种方式,本节通过数值模拟,在一段式流化床内流化粒径为0.2 mm的鸟粪石微晶,比较流化床沉淀区内安装构件前后鸟粪石微晶的截留效果。

    图7所示,增加内部构件后,流化前期(200 s和400 s)的微晶流失量略高于不加内部构件的工况,这是由于内部构件的设置减小了上升水流的过流面积,致使流速增大,加快了微晶的流失。在流化后期(800 s),3个工况的微晶总流失量差别不大,因此,通过增加内部固液分离构件来增强鸟粪石微晶截留的效果并不显著。

  • 采用不带内部固液分离构件的一段式流化床反应器开展鸟粪石结晶连续实验。由于操作条件对除磷效果影响的研究已较为成熟,主要考察不同进水浓度下,一段式流化床反应器对磷的去除效果及鸟粪石的产品特性。

    图8所示,PO34-P去除率及TP去除率均随着进水磷浓度的升高而降低。当进水磷浓度为240 mg·L−1时,PO34-P去除率与TP去除率相当,分别为90.9%和90.4%,说明在该浓度下,生成的鸟粪石均能截留在流化床内,几乎没有鸟粪石微晶流失。当进水磷浓度增至480 mg·L−1时,PO34-P和TP的去除率分别降至87.4%和73.9%;继续增高至1 000 mg·L−1时,二者的去除率分别为81.0%和68.2%。在相同的pH、Mg/N/P及水力条件下,PO34-P去除率的略微降低主要缘于水力停留时间不足,而TP去除率的降低说明存在鸟粪石微晶的流失。在处理高浓度含磷废水时,反应段构晶离子局部的过饱和现象是导致微晶生成及流失的主要原因,可通过提高回流比和分散进料等方式[10]进行改善。有研究[10]表明,多段式流化床同样存在类似的问题。因此,从磷去除的角度来看,一段式流化床与多段式流化床并无显著差别。

    在3种进水磷浓度下,一段式流化床所得的鸟粪石产品粒径较大。其中,大于1.25 mm的产品占比分别为88.1%、96.4%和70.1%(图9),且呈规则椭球状(图10)。从2.1节的数值模拟结果得知,一段式流化床具有良好的颗粒分级特性及适合造粒的湍流强度,实验所得的颗粒特征也较好地验证了这一结论。

  • 1)一段式流化床的颗粒分级效果最佳,多段式次之,锥体式较差。针对不同粒径混合体系,一段式流化床均能表现出良好的分级效果。

    2)锥体式流化床的湍流强度最大,多段式次之,一段式最小,且随着流化粒径的减小而增大;一段式流化床的湍流特征可能更有助于鸟粪石造粒。

    3)增设内部固液分离构件对增强鸟粪石微晶截留效果不显著。

    4)验证实验结果表明,在不同的进水磷浓度条件下,一段式流化床的磷去除率与多段式流化床相当,所得的鸟粪石产品粒径多大于1.25 mm,呈规则椭球状,确证了一段式流化床是理想的鸟粪石结晶反应器。

参考文献 (18)

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