CN100368317C - 用于内循环厌氧反应器的三相前端处理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于内循环厌氧反应器的三相前端处理器，它包括至少两层呈交叉配置的倒V字形水平集气槽和顶部连接有提升管的“π”形水平汇流槽，集气槽的一端垂直连接于汇流槽的侧板上，水平相邻集气槽下端之间留有流体和颗粒通道，特征是：集气槽的中下部与汇流槽在侧板上连接的通道口的形状为梯形，梯形通道口的下沿高于集气槽的下沿，在集气槽的另一端设有与集气槽等截面的三角形堵块，在集气槽的梯形通道口的上方形成气室。因此本发明具有有利于颗粒污泥生长及以该形式运行、有利于大幅度减小微小颗粒污泥流失和改善生化反应区的液流、结构简单、建造成本低的优点。

Description

用于内循环厌氧反应器的三相前端处理器

技术领域

本发明涉及内循环(IC)厌氧处理设备，尤其是涉及一种用于旋流内循环(EIC)厌氧反应器的高效的三相前端处理器。

背景技术

提高厌氧反应器的容积有机负荷和去除率、降低反应器的造价，一直是科技人员的努力方向。在第二代代表性工艺——上流式污泥床厌氧反应器(UASB)的基础上，涌现出第三代厌氧反应器。它们的典型代表有污泥膨胀床反应器(EGSB)、内循环厌氧反应器(IC)、厌氧折流板反应器(ABR)。EGSB虽具有容积有机负荷高的优点，但存在着运行控制严格、反应器容积放大时设计困难、缺少精处理和通常去除率低、存在后端处理和污泥回流处理装置的缺点。ABR由于工艺分段，可追求更高的去除率，但串联隔室间没有反馈功能，隔室大小难于控制，工艺运行条件差异较大，一般容积有机负荷不如EGSB和IC。

通常IC运行，第一反应室(即下反应室，主反应区)工作情况类似于EGSB；第二反应室(即上反应室，辅反应区)为精处理区，运行情况类似于UASB。由于采用了有效利用气提能量的内循环系统，实现了变紊流能量为大循环主反应区的搅拌能量，无需外界能量实现污泥回流和进一步改善主反应区搅拌混合传质特性，内循环的反馈特性又使得运行的稳健性增强，有其综合优势。

我们从下述三个方面对IC进行改进，形成旋流内循环厌氧反应器(EIC)雏型。实例(多套1000m³以上EIC)表明：旋流气液分离在避免对颗粒污泥冲击力的同时，提高了气液分离和循环利用率；回流混合旋流布水，能布水均匀提高传质效果；多循环、多旋流系统，解决了很宽范围外形尺寸的放大，从能量、空间利用的不同角度适应需要，且均衡了污泥负载。并公开了相应的专利(ZL03227936.1，CN1562495A，ZL200420023281.4)。

高效厌氧反应器的基础是以颗粒污泥形式的运行，污泥流失的状态则是决定高效厌氧反应器去除率高低的关键之一。已知合理的物理环境(包括结构所形成的)和运行条件是颗粒污泥生长和存在的必要条件。恰当的UASB、ABR物理结构及启动和运行方式能生成和以颗粒污泥方式运行。内循环厌氧反应器，因颗粒污泥的培养较难，通常都是以颗粒污泥启动。即便是稳定运行，循环系统内与反应区内的应力场有很大区别，反应室中的颗粒污泥进入循环系统更易破碎，是剪切力增大和颗粒内外应力场剧变的必然结果。虽有精处理区，但破碎后的细微颗粒污泥还是容易流失。因此，通常内循环厌氧反应器的去除率只有80％左右。

现有的三相分离器，均针对UASB在颗粒污泥和絮状污泥状态下，进行三相有效分离而设计。高效三相分离器，一般结构较复杂，并仍在不断改进中。例近期公布的三相分离器专利CN1406879A、ZL200420026297.0。对于内循环厌氧反应器，内循环系统内已有气液分离器，且前端物理通道(气液分离器之前的循环系统)需要夹带或提升大量促使能量利用最大化的混合液。这种厌氧反应器一般也有两个三相前端处理器。主反应区和辅反应区三相前端处理器处理的混合液，固体形态、浓度及生化反应的情况不同，与UASB也有差异。三相前端处理器，若仅考虑完全收集气体和能量转换功能，采用结构简单的集气罩，则易出现颗粒污泥难于培养、细小污泥容易产生和流失、导致容积有机负荷难于提高、去除率较低的问题。合理的功能目标设计，针对所处理的物质状态，物质间相互作用和作用力传递的正确分析，解决好三相前端处理器的物理设计，是装配有内循环系统的厌氧反应器、提高容积有机负荷和净化率、简化结构、降低造价的关键之一。

发明内容

本发明的目的在于为内循环厌氧反应器的内循环系统，提供一种对提高容积有机负荷和净化率更为有效、结构简单的三相前端处理器。

本发明的目的是这样实现的：本发明的三相前端处理器，包括至少两层呈交叉配置的倒V字形水平集气槽和顶部连接有提升管的“π”形水平汇流槽，集气槽的一端垂直连接于汇流槽的侧板上，水平相邻集气槽下端之间留有流体和颗粒通道，特征是：集气槽的中下部与汇流槽在侧板上连接的通道口的形状为梯形，在集气槽的另一端设有与集气槽等截面的三角形堵块；在运行中，在集气槽的梯形通道口的上方形成气室。

倒V字形集气槽下端开口宽度L₁大于同层集气槽下端之间的流体和颗粒通道宽度L₂，最佳为(1/3)L₁≤L₂≤(2/3)L₁。

梯形通道口的下边沿线高于倒V字形集气槽下端连线，运行中，易形成气液固三相界面层；倒V字形集气槽的侧板的宽度l、梯形通道口的上边沿线顶点到三角形顶点的长度l₁和梯形通道口的侧边沿线的长度l₂之间的关系为：0.6l≤l₁≤0.75l，0.85l≤l₁+l₂≤0.9l(l＞0.6m)。

集气槽长度L、三相前端处理器对应处理的生化反应区的产气速率V、生化反应区的横截面面积为S、集气槽顶角α，则梯形通道口的气体流量为2lLVSin(α/2)/S，梯形通道口水平流的水平压强梯度差正比于最大可能极限压强ρ(l-l₁)Cos(α/2)。

主反应区三相前端处理器的集气槽和辅反应区三相前端处理器的集气槽在水平方向上呈正交配置。

辅反应区三相前端处理器的集气槽顶角α：90°≤α≤120°，主反应区三相前端处理器的集气槽顶角α：60°≤α≤90°。

正常运行状态下，三相前端处理器所处理的混合液有如下特点：主反应区，颗粒污泥是处于膨胀态(固体占固液混合物体积的70％-90％)和密集漂浮态(固体占固液混合物体积的50％-70％，等直径球相互接触最小排列占空间体积为52％)。辅反应区底部颗粒污泥也处于较密集漂浮态(流态化底层的稠密相)。由于反应器较高，重力的分层作用使得到达辅反应区三相前端处理器的物体，只可能是涌动的细小颗粒污泥(一般直径1mm以内)或微细污泥与处理后的废水的稀疏混合流。因此，三相前端处理器上、下间的液、固通道，只需考虑颗粒污泥波动流通和稀疏混合流的通畅。一般情况下，主反应区生化反应所生成的气体是辅反应区生化反应所产生的气体的4倍左右，这是主、辅三相前端处理器面临的又一差异。

根据本发明的三相前端处理器，气室中的气体横截断面基本相同，集气槽对气泡的不断捕捉作用，产生被迫水平方向逐渐加速向汇流槽通道口的流动。

辅反应区集气槽、启动运行时主反应区集气槽和正常运行状态下主反应区集气槽中远离汇流槽部分，由于气体流速较低，气液界面水平方向相对静止。水平相对静止的气液界面，除释放气泡中的气体之外，上升气泡的尾吸和形成的微涡对沉降性较差的污泥和上升气泡界面吸附的微细颗粒污泥，也有明显的吸附捕捉作用，形成气液固三相界面层。该界面层除本身缩短了颗粒污泥间距离、增强了粒间相互作用外，有着远比内部更为剧烈的气液湍流分布，后者对颗粒污泥间的相互作用更强。两种作用均对颗粒污泥的碰撞生长、强化和去湿有明显的促进作用。而辅反应区的三相前端处理器对微小颗粒污泥吸附捕捉作用，还明显降低了污泥的流失、提高了去除率。

众所周知，水平方向的三相流动，由于重力的影响有使三相分开流动的倾向。集气槽中从距汇流槽最远端开始，气体流动水平方向缓慢从零加速。由于粘滞力和惯性的不同，气体流速达到一定数量时，液体随之水平流动；液体到达一定流速时，曳力才能带动颗粒污泥水平移动。通常情况下，通道口处多相的流型是分层流和波状分层流型。此时，由气液界面对沉降性较差颗粒吸附捕捉而形成的气、液、固界面层，在近通道口处也会出现分叉消失。这就极大地改变了进入汇流槽的三相比例。由于气体的完全收集，汇流槽中的含气量由反应区的生化产气量决定，进入汇流槽中液、固之间的比例，则取决于通道口的水平流状态。三相前端处理器对应的生化反应区产气速率为V、生化反应区的横截面面积为S、单个集气槽的底面积为S₁、集气槽顶角为α、集气槽长度为L、三相前端处理器对应的混合液密度为ρ，由于S₁＝2l LSin(α/2)，则通道口的气体流量必须为S₁V/S，气体的流速取决于通道口面积和水平梯度压差。水平流的水平压强梯度差正比于最大可能极限压强ρ(l-l₁)Cos(α/2)。因比，集气槽顶角α调整着压差和集气槽的捕捉气泡量，α也就在很大程度上控制着集气槽内多相流的水平流型和通道口的多相流入状态。

汇流槽有与集气槽类似的水平流特性，汇流槽中的多相流由于重力的影响，进一步减少了由提升管进入循环系统中混合液的污泥比例，改善了颗粒污泥生存及粒径较为一致的特性，也改善了反应器的去除率。

根据本发明的三相前端处理器，主、辅反应区的集气槽水平方向正交配置。辅反应区中，底部纵向液流水平方向波浪形差异到达顶部会出现正交扭转，产生有序的微旋涡分布。这种液流强化了传质过程和微小颗粒污泥的下沉，进一步提高辅反应区精细生化反应的程度。

因此本发明具有有利于颗粒污泥生长及以该形式运行、有利于大幅度减小微小颗粒污泥流失和改善生化反应区的液流、结构简单、建造成本低的优点。它仅是简单集气罩改变通道孔的位置和形状，形成压力气室和渐增速的水平多相流，实现厌氧反应器所需的目标功能。本发明是一种厌氧废水处理设备的内循环系统中，为废水处理实现高有机负荷和去除率的三相前端处理器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为图1的右视剖面示意图；

图3为集气槽中水平液流及气液界面特征示意图；

图4为旋流内循环厌氧反应器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的三相前端处理器，包括至少两层呈交叉配置的倒V字形水平集气槽1和顶部连接有提升管5的“π”形水平汇流槽2，集气槽1的一端垂直连接于汇流槽2的侧板12上，水平相邻集气槽1下端之间留有流体和颗粒通道10，集气槽1的中下部与汇流槽2在侧板12上连接的通道口4的形状为梯形，在集气槽1的另一端设有与集气槽1等截面的三角形堵块11；在运行中，在集气槽1的梯形通道口4的上方形成气室3。

倒V字形集气槽1下端开口宽度L₁大于同层集气槽1下端之间的流体和颗粒通道10的宽度L₂，最佳为(1/3)L₁≤L₂≤(2/3)L₁。

梯形通道口4的下边沿线8高于倒V字形集气槽1下端连线，倒V字形集气槽1的侧板6的宽度l、梯形通道口4的上边沿线7顶点到三角形顶点的长度l₁和梯形通道口4的侧边沿线9的长度l₂之间的关系为：0.6l≤l₁≤0.75l，0.85l≤l₁+l₂≤0.9l(l＞0.6m)。

集气槽1长度L、三相前端处理器对应处理的生化反应区的产气速率V、生化反应区的横截面面积为S、集气槽1顶角α，则梯形通道口4的气体流量为2 l LV Sin(α/2)/S，梯形通道口4水平流的水平压强梯度差正比于最大可能极限压强ρ(l-l₁)Cos(α/2)。

主反应区13三相前端处理器的集气槽和辅反应区14三相前端处理器的集气槽在水平方向上呈正交配置。

辅反应区三相前端处理器的集气槽顶角α：90°≤α≤120°，主反应区三相前端处理器的集气槽顶角α：60°≤α≤90°。

进入厌氧反应器的待处理废水与循环回流废水混合后，进入膨胀态或初始流态化污泥的主反应区，并与厌氧污泥发生生化反应。生化反应产生的气泡，主反应区处理过的废液和沉降性较差的污泥组成的三相混合液，向上流动至主反应区的三相前端处理器。

向上流动的三相混合液将分成两部份。一部份不含气泡，主反应区处理过的废液和沉降性较差的污泥所组成的两相混合液，将通过集气槽的间隙向上流动，穿过主反应区三相前端处理器。另一部份，如图3所示，在集气槽中，由于界面处气泡的合并和不断释放的作用，被迫产生三角形堵块处为零、梯形通道口最大流速的水平气体流。而在水平方向相对静止的气液界面，由于上升气泡而产生的对沉降性较差的颗粒污泥吸附捕捉作用，形成了气液固三相界面层。在气液固三相界面层内的污泥密度会高于其下方漂浮的污泥密度，增加了颗粒间的作用概率。上升气泡在三相界面层的合并、释放形成远比反应区内部更为剧烈得多的湍流。强烈的气、液小旋涡有两个作用：剪切应力加大，旋涡引起的颗粒自旋，迫使自旋颗粒污泥在旋涡的并合或消亡过程中获得能量，碰撞聚合的作用力极大增强，为颗粒污泥的强化、去湿和增长创造了有利条件，沉降性明显改善的颗粒污泥将下沉。与此同时，在水平方向上，由于粘滞力的存在和不同，界面层及紧连区域内的三相混合液会有低于气体流且逐步扩散拖动的速度差异巨大的三相水平流动。由于重力对水平三相流的影响和梯形通道口处形成的纵向较大旋涡的双重作用，在近通道口处，气液固三相界面层将会消失，形成分层液流和波状分层流。比例发生极大改变的这一部份三相混合液，将通过梯形通道口进入汇流槽。汇流槽中污泥进一步减少的三相混合液，由于密度差的原因，通过提升管进入循环系统。

由于通过提升管进入内循环系统大幅度的分流，通过主反应区三相前端处理器进入辅反应区的流量大幅度下降。前述二相液流上升速率的大幅下降及上升气泡对污泥抬升作用的去除，使得到达辅反应区的颗粒污泥，在重力作用下，会在辅反应区底层形成流态化底层的稠密相。上升废液中的剩余可溶有机物在辅反应区与颗粒污泥发生生化反应，进一步清除了液体中的可溶有机物。辅反应区生化反应所产生的气泡，经精细生化反应处理后的废水、上升气泡及其液流所夹带的微小污泥颗粒，向上流动至辅反应区三相前端处理器。

与前述主反应区三相前端处理器内情况基本类似，不同的是辅反应区所产生的气泡少得多，气体增速大幅下降，导致水平流速较小，气液界面形成三相界面层吸附捕捉面大幅度增大。且此时，微小颗粒污泥在上升液中分布并不均匀，主要由气泡的尾流和近泡的微小旋涡所携带。由于辅反应区三相前端处理器的集气槽与主反应区三相前端处理器的集气槽正交配置，将会形成分布的上升小旋涡，气泡及其携带的微小颗粒污泥很容易进入这些分布上升的小旋涡中，发生并合。一部份以气液为主要相的溶液将通过辅反应区三相前端处理器、提升管进入循环系统。不含气泡，含微小颗粒污泥浓度很小(远小于辅反应区液体中漂浮所含微小颗粒污泥的浓度)的精处理后的废水将通过辅反应区三相前端处理器。

同理，上升液流速将进一步下降，它对μm数量级以上污泥有着进一步的沉淀作用。到达出水口的将一般只剩下精处理后的废水溶液。而进入循环系统的三相混合液通过气液分离器分离，回流废液进入主反应区与待处理废水混合。

Claims (7)

1.一种用于内循环厌氧反应器的三相前端处理器，包括至少两层呈交叉配置的倒V字形水平集气槽(1)和顶部连接有提升管(5)的“π”形水平汇流槽(2)，集气槽(1)的一端垂直连接于汇流槽(2)的侧板(12)上，水平相邻集气槽(1)下端之间留有流体和颗粒通道(10)，其特征在于：集气槽(1)的中下部与汇流槽(2)在侧板(12)上连接的通道口(4)的形状为梯形，在集气槽(1)的另一端设有与集气槽(1)等截面的三角形堵块(11)；在运行中，在集气槽(1)的梯形通道口(4)的上方形成气室(3)。

2.如权利要求1所述的三相前端处理器，其特征在于：倒V字形集气槽(1)下端开口宽度L₁大于同层集气槽(1)下端之间的流体和颗粒通道(10)的宽度L₂。

3.如权利要求2所述的三相前端处理器，其特征在于：(1/3)L₁≤L₂≤(2/3)L₁。

4.如权利要求1所述的三相前端处理器，其特征在于：梯形通道口(4)的下边沿线(8)高于倒V字形集气槽(1)下端连线，倒V字形集气槽(1)的侧板(6)的宽度l、梯形通道口(4)的上边沿线(7)顶点到三角形顶点的长度l₁和梯形通道口(4)的侧边沿线(9)的长度l₂之间的关系为：0.6l≤l₁≤0.75l，0.85l≤l₁+l₂≤0.9l，l＞0.6m。

5.如权利要求1所述的三相前端处理器，其特征在于：集气槽(1)长度L、三相前端处理器对应处理的生化反应区的产气速率V、生化反应区的横截面面积为S、集气槽(1)顶角α，则梯形通道口(4)的气体流量为2lLV Sin(α/2)/S，梯形通道口(4)水平流的水平压强梯度差正比于最大可能极限压强ρ(l-l₁)Cos(α/2)。

6.如权利要求1所述的三相前端处理器，其特征在于：主反应区(13)三相前端处理器的集气槽和辅反应区(14)三相前端处理器的集气槽在水平方向上呈正交配置。

7.如权利要求6所述的三相前端处理器，其特征在于：辅反应区(14)三相前端处理器的集气槽顶角α：90°≤α≤120°，主反应区(13)三相前端处理器的集气槽顶角α：60°≤α≤90°。

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