磷是生命体不可或缺的重要元素。由于全球需求量的不断加大,现存的磷矿仅够再使用100年左右,并且由于磷在自然界的单向流动性和磷矿分布不均,磷短缺问题越来越突出;同时,磷是水体富营养化的主控因子,水中过量磷导致的富营养化不仅严重危害到农业、渔业、旅游业等行业的健康发展,而且对食品和饮用水安全构成了极大威胁。因此从废水中回收磷可以实现磷污染治理和资源回收的双重目的。鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)结晶法可以高效地同时从废水中去除和回收高浓度磷,同时鸟粪石产品在水中和土壤湿环境中仅仅微溶于水,它的养分释放速率慢于多数可溶性商品肥,可作为一种高品位缓释磷肥。鸟粪石结晶法近年来受到广泛关注,被认为是最有可能实现商业化生产的一种磷资源回收技术。其中,鸟粪石反应装置是实现磷高效回收的技术关键,成为研究和开发的热点。现阶段常见的流化床反应器包括经典的多段式和在其基础上新开发的锥管式流化床反应器,它们虽然均具有较好的应用前景,但一方面由于流化段复杂结构对加工及材料选择等方面的限制,加大了装置加工的难度与成本;另一方面,进料口处物料的局部过浓是导致装置内晶核爆发性生成的因素之一,这使得单个微晶的生长量减少,从而抑制了大粒径鸟粪石颗粒的生成;此外,废水中存在的大量微晶同时使出水沉降性变差,需要外加大容积沉淀池来截留微晶,但这会明显增加装置的建设与运行成本。针对以上问题,本研究利用计算流体力学CFD与试验相结合的方法,高效地设计出了结构紧凑的一段式鸟粪石流化床反应器,其流化段仅由一管径相同的竖直管组成,装置加工简单,并可通过进水组件对局部过浓的抑制促进大粒径颗粒的生成,实现装置在无外加沉淀池模式下的运行,同时可耐受高过饱和度进水的冲击。主要的研究结论如下:(1)基于计算流体力学CFD的原理,利用Fluent软件建立用于鸟粪石流化床反应器流化段优化的冷态模型:首先,通过模型优化,得出曳力模型Huilin-gidaspow、湍流模型Dispread是最适合体系模拟的模型类型;接着利用模拟结果与试验结果的对比,验证所建立冷态模型对体系的适用性,结果显示:在不同粒径和上升流速条件下,鸟粪石颗粒床层模拟高度与试验高度值的误差均在20%以内,说明所建立的冷态模型适于研究体系的模拟过程;(2)将所建立的冷态模型用于三种流化段内湍流强度及颗粒分层效果的模拟,结果表明:一段式流化段内湍流强度均匀,且粒径分级效果最优,证明其具有潜在的造粒能力。接着利用新加工装置进行配水试验进一步验证一段式流化段的造粒能力,其试验结果表明新装置在常用的外加沉淀池模式下运行时具有良好的磷去除率,造粒效果良好,进一步证明了一段式流化段的造粒性能;(3)针对进水组件内局部过浓对鸟粪石颗粒生长的限制,本研究利用热态模拟与试验相结合的方法进一步优化一段式流化床反应器结构。首先通过耦合群体平衡模型PBM建立热态模型用于进水组件内过饱和度的模拟,其结果显示:与对冲式进水组件相比,分流式进水组件在控制装置局部过浓方面具有良好效果,其内部最大过饱和度较低,且过饱和度分布均匀;同时,试验也证明分流式进料方式可有效控制局部过浓,从而提高大粒径颗粒生成的量。后续针对省略沉淀池运行的配水试验表明:分流式进料方式与顶部储水槽侧面取水回流结合可在无沉淀池条件下运行产出大粒径颗粒,且能能承受高过饱和度的冲击;对冲式进水方式与顶部储水槽侧面取水回流结合可在低过饱和度下运行产生大粒径颗粒,但在高过饱和度下不能生成大粒径颗粒;(4)产品特性和安全性是资源回收过程中必须要考虑的两个重要方面,本研究对利用猪场沼液进行鸟粪石磷回收过程中重金属的迁移行为进行了研究,并进一步验证新设计一段式流化床反应器应用于实际废水处理的可行性。首先对猪场沼液中重金属含量、分布及来源进行调研,结果显示:猪场沼液中重金属以Zn、Mn、Cu含量最高,均在200μg/L以上,其中高浓度的Zn、Cu主要由饲料中重金属添加剂的添加引入,另外,土壤中含有大量重金属元素Mn,并且Mn与水体有高交换通量,使得Mn大量进入猪场沼液而使Mn含量高,同时,除金属Mn外,猪场沼液中重金属多分布在悬浮固体中;然后,对鸟粪石中重金属含量进行测定,通过对比搅拌式和流化床式反应器中含量发现流化床反应器所造产品在产品重金属安全性方面具有明显优势,且鸟粪石中重金属含量主要受流体力学影响,高上升流速可进一步消减重金属含量。热力学影响较小;接着,猪场沼液SS和鸟粪石产品的重金属化学分级试验表明鸟粪石中重金属的富集是随着SS进入的,猪场沼液中酸根离子及有机物会促进富集;最后,新装置同样造出了大量大粒径的鸟粪石颗粒,说明新装置能用于实际废水磷回收过程。