CN103977602A - 气液分离装置和具有该气液分离装置的污水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气液分离装置，包括设置在含气泡液体区和基本不含气泡液体区之间的气液分离区，所述气液分离区具有与含气泡液体区流体连通的入口、与基本不含气泡液体区流体连通的出口以及设置在所述入口和所述出口之间的分离室，所述入口设置在所述出口的上方，所述分离室具有沿所述入口到所述出口的方向上水平截面面积连续增加的扩张段。本发明还涉及具有上述气液分离装置的污水处理装置。本发明的气液分离装置和污水处理装置具有结构简单且紧凑、分离效率高、可靠性高、无运动部件、设备投资小、能耗小、易于操作、可小型化等优点。

Description

气液分离装置和具有该气液分离装置的污水处理装置

技术领域

本发明涉及一种气液分离装置，特别是一种包括具有通孔和挡板的分离气泡和液体的装置。本发明还涉及一种具有该气液分离装置的污水处理装置。

背景技术

用于分离含气泡液体的气液分离装置通常是具有一定深度的容器，含气泡液体进入该容器后，在重力的作用下，气泡上浮并从液面逸出，直至容器底部的液体基本不含气泡，由此实现气液分离。上述气液分离装置通常配有将含气泡液体引入容器的管路和将液体引出容器的管路，因此可能会造成一定的压头损失使得能耗增加。此外，这些管路也可能会使装置更加复杂，维护保养工作增加，建设和运营费用增加，可靠性下降等。

通常在污水处理装置中，混合液在曝气槽中经曝气处理后在沉淀槽中静置以分离得到上清液（或称为“出水”）和浓缩混合液（或称为“污泥”），所述浓缩混合液的至少部分返回曝气槽（或称为“污泥回流”）与污水进料（或称为“进水”）混合。在曝气处理中，曝气气体（通常是空气）经曝气装置进入曝气槽，在曝气槽中形成含气泡混合液。

含气泡混合液中的气泡大多在曝气槽中从混合液的表面逸出，剩下的气泡则可能随混合液进入沉淀槽，然后在沉淀槽中上浮逸出混合液表面，有可能影响沉淀槽中上清液与浓缩混合液之间分离（或称为“泥水分离”）。因此，应当在混合液进入沉淀槽之前尽量使其中的气泡分离，以避免气泡进入沉淀槽而干扰泥水分离。

在一些情况下，用于分离气泡和混合液的装置可以是设置在曝气槽和沉淀槽之间的气液分离槽。来自曝气槽的含气泡混合液进入气液分离槽后，气泡从混合液逸出，而基本不含气泡的混合液从气液分离槽的底部排出并进入沉淀槽。

在另一些情况下，用于分离气泡和混合液的装置可以是设置在曝气槽中的竖管，曝气槽中的含气泡混合液从竖管上端的开口进入，在竖管内完成气泡与混合液的分离，气泡从开口逸出，而基本不含气泡的混合液从竖管底部排出后进入沉淀槽。

然而，仍然需要结构紧凑、高效率、高可靠性、投资小、能耗低的气液分离装置以及具有该气液分离装置的污水处理装置。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种气液分离装置以解决现有技术中的问题，为此本发明尤其提供以下技术方案的气液分离装置：

1、一种气液分离装置，包括设置在含气泡液体区和基本不含气泡液体区之间的气液分离区，所述气液分离区具有与含气泡液体区流体连通的入口、与基本不含气泡液体区流体连通的出口以及设置在所述入口和所述出口之间的分离室，所述入口设置在所述出口的上方并通过所述分离室与所述出口流体连通，所述分离室具有沿所述入口到所述出口的方向上水平截面面积连续增加的扩张段。

2、根据技术方案1的气液分离装置，其中所述扩张段在各处具有相同或不同的水平截面面积增率。

3、根据技术方案1或2的气液分离装置，其中所述扩张段的水平截面面积增率是1.1-1000000m^-1。

4、根据技术方案1-3中任意一项的气液分离装置，其中所述扩张段起始于所述入口并且终止于所述出口。

5、根据技术方案1-4中任一项的气液分离装置，其中所述入口设置于所述分离室的顶部，所述出口设置于所述分离室的底部。

6、根据技术方案1-5中任一项的气液分离装置，其中所述气液分离区由含气泡液体区与基本不含气泡液体区之间的隔板和与所述隔板连接并向下延伸进入基本不含气泡液体区的挡板限定，所述入口是设置在所述隔板上并且接近所述挡板与所述隔板连接处的开口，所述出口是所述挡板的下沿与所述隔板之间的间隙。

本发明的另一个方面提供一种具有本发明气液分离装置的污水处理装置，特别是以下技术方案的污水处理装置。

7、一种污水处理装置，包括根据技术方案1-6中任一项的气液分离装置，其中含气泡液体区是曝气区，基本不含气泡液体区是沉淀区。

8、根据技术方案7的污水处理装置，其中所述污水处理装置还包括浓缩混合液回流设备，所述浓缩混合液回流设备经设置以使用气体驱动来自所述沉淀区的浓缩混合液进入所述曝气区。

9、根据技术方案8的污水处理装置，其中所述浓缩混合液回流设备包括允许所述气体与所述浓缩混合液进入并接触的导管，所述导管具有在所述导管下部的气体入口和浓缩混合液入口、在所述导管中部的气液混合输送段和在所述导管上部的气液混合物出口。

10、根据技术方案8或9的污水处理装置，还包括缺氧处理区，其中所述缺氧处理区经设置以接收污水进料和来自所述浓缩混合液回流设备的所述浓缩混合液并且进行缺氧处理以得到缺氧处理混合液，所述曝气区经设置以接收所述缺氧处理混合液并使其与曝气气体接触以得到曝气处理混合液，所述沉淀区经设置以接收所述曝气处理混合液并分离得到上清液和所述浓缩混合液，并且所述浓缩混合液回流设备经设置以接收所述浓缩混合液并利用来自所述曝气区的曝气气体驱动来自所述沉淀区的所述浓缩混合液进入所述曝气区。

11、根据技术方案10的污水处理装置，其中缺氧处理区、沉淀区和曝气区经设置以使所述污水处理装置形成卧式污水处理装置。

12、根据技术方案11的污水处理装置，其中所述污水处理装置的至少部分设置在地面以下或地面以上，或者所述污水处理装置设置在可移动的平台上。

根据本发明的气液分离装置和具有所述气液分离装置的污水处理装置的有益效果至少在于：结构简单且紧凑、分离效率高、可靠性高、无运动部件、设备投资小、能耗小、易于操作、可小型化等。

根据本发明的气液分离装置的一些实施方式，所述气泡可以是任何气体的气泡，所述液体可以是任何液体，只要所述气泡能够在重力作用下在所述液体中上浮并逸出所述液体。所述气泡可以部分溶于或不溶于所述液体。在本发明的一些实施方案中，所述气泡是含氧气体的气泡，所述液体是水、污水、泥水混合液等。在污水处理的情形下，所述气泡是曝气气体的气泡，所述液体是泥水混合液。

浮力能促使悬浮在液体中的气泡上升到表面并分离出来。表1给出了根据斯托克斯定律计算得到的空气气泡在20℃常压水中的上升终速度。可以看到，直径小于10微米的气泡的上升终速度是很低的，因此分散的很细的气泡需要较长的分离时间。

表1：空气气泡在20℃常压水中上升的终速度

气泡直径，μm	10	30	50	100	200	300
							终速度，mm/s	0.061	0.488	1.433	5.486	21.95	49.38

根据表1，气泡的上升速度随其直径增加而快速增加。此外，直径在100-1000微米的气泡由于存在气泡内气体的循环而使得上升速度的增加尤为显著。因此大气泡的上升速度将远大于液体的向下流速，从而快速上浮并离开液体表面，使得气泡与液体的分离不成为问题。

根据本发明的气液分离装置的一些实施方式，所述扩张段是气液分离区中水平截面面积自上而下逐渐增加的部分。含气泡液体进入扩张段后向下的流速随水平截面面积逐渐增大而逐渐减小。当含气泡液体的流速小于相应直径气泡的上升终速度时，气泡将上浮。上浮气泡相互聚结会形成直径更大的气泡。大气泡加速上浮，由此实现气液分离。根据本发明的气液分离装置的一些实施方式，所述扩张段具有水平截面面积开始增加的起始处和水平截面面积不再增加的终止处，起始处与终止处的水平截面面积比可以是1：1.1-1000000，例如1:1.2-100000,1:1.3-10000,1:1.5-5000等。相应地，液体的向下流速自起始处至终止处将下降1.1-1000000倍，例如1.2-100000倍，1.3-10000倍，1.5-5000倍等。若液体的向下流速在起始处为500mm/s，扩张段的水平截面面积比为1:10000，那么在终止处的流速可降至0.05mm/s，小于直径10微米的气泡的上升终速度0.061mm/s，因此直径10微米以上的气泡将上浮。若直径10微米的气泡在上升时没有聚结，它将悬停于扩张段中液体向下流速等于0.061mm/s的位置，直至与气体气泡聚结形成更大的气泡而继续上浮。这样，气泡不断聚结、变大、上浮，最终逆流穿过扩张段的起始处并从气液分离区的入口返回含气泡液体区，从而实现气液分离。

扩张段的水平截面面积增率是指扩张段在单位高度内水平截面面积的增加倍数。例如，水平截面面积增率100m^-1是指扩张段在1m的高度内水平截面面积增加了100倍。水平截面面积增率可以用起始处水平截面面积与终止处水平截面面积的比再除以起始处至终止处扩张段的高度来计算得到。扩张段的水平截面面积增率可以是1.1-1000000，例如1.2-100000,1.3-10000,1.5-5000等。扩张段在其不同的位置可以具有相同或不同的，优选相同的水平截面面积增率。

扩张段的水平截面可以是任意合适的形状，例如圆形、椭圆形、半圆形、弓形、三角形、四边形以及其他多变形等。扩张段在其不同的位置可以具有相同或不同的，优选相同的水平截面形状。

气液分离区的入口可以是任意合适的具有任意形状的开口，例如通孔、狭缝、栅格或网格等。所述入口允许含气泡液体自含气泡液体区进入气液分离区并且允许上浮的气泡离开气液分离区进入含气泡液体区。在本发明的一些实施方案中，为了允许大气泡通过并避免大气泡再次分散成小气泡，所述入口的尺寸通常大于1mm，例如大于1cm，大于5cm，大于10cm等。当扩张段的起始处位于气液分离区的入口处时，所述入口的面积可以大于、等于或小于，优选基本等于扩张段起始处的水平截面面积。

气液分离区的出口可以是任意合适的具有任意形状的开口，例如通孔、狭缝、栅格或网格等。所述出口允许基本不含气泡液体离开气液分离区进入基本不含气泡液体区。在本发明的一些实施方案中，所述出口的尺寸通常大于1cm，例如大于5cm，大于10cm，大于50cm等。当扩张段的终止处位于气液分离区的出口处时，所述出口的面积可以大于、等于或小于，优选基本等于扩张段终止处的水平截面面积。

气液分离区的分离室可以是任意合适的具有任意形状的空腔。在本发明的一些实施方案中，气液分离区具有一个或多个分离室。多个分离室可以并联设置、串联设置或并联-串联混合设置。在本发明的一些实施方案中，气液分离区中可以设置一个或多个隔板以形成多个分离室。

每个分离室具有一个或多个扩张段。多个扩张段可以并联设置、串联设置或并联-串联混合设置。在本发明的一些实施方案中，分离室中可以设置一个或多个隔板以形成多个并联的扩张段。在本发明的另一些实施方案中，分离室中可以设置一个或多个收束段以形成多个串联的扩张段。

在本发明的一些实施方案中，气液分离区仅具有一个分离室，并且该分离室仅具有一个扩张段，所述扩张段的起始处可以是气液分离区的入口处，终止处可以是气液分离区的出口处。

在本发明的一些实施方案中，所述气液分离区由含气泡液体区与基本不含气泡液体区之间的隔板和与所述隔板连接并向下延伸进入基本不含气泡液体区的挡板限定，所述挡板经设置防止气液分离区中的气体进入基本不含气泡液体区，所述入口是设置在所述隔板上并且接近所述挡板与所述隔板连接处的开口，所述出口是所述挡板的下沿与所述隔板之间的间隙。在一些情况下，挡板的侧沿可以与隔板或者气液分离区的侧壁相接以防止气泡进入基本不含气泡液体区。

根据本发明的一些实施方案，所述隔板是基本竖直的，也就是说，隔板与水平面的夹角接近90°，优选75-105°，更优选85-95°，更优选90±2.5°。

根据本发明的一些实施方案，所述挡板与所述隔板的夹角小于90°，例如15-75°、30-60°、40-50°、约45°等，或者其他任意合适的角度。

根据本发明的一些实施方案，其中所述挡板是平板，所述挡板的上沿与所述隔板相接，并且所述挡板的侧沿与所述基本不含气泡的液体区的侧壁相接。

根据本发明的一些实施方案，其中所述挡板是弯板或折板，并且所述挡板的上沿和侧沿与所述隔板相接。

根据本发明的一些实施方案，其中所述隔板上具有多个通孔并与一个挡板一起限定一个气液分离区，所述多个通孔作为气液分离区的入口流体连通气液分离区和含气泡液体区。

根据本发明的一些实施方案，其中所述隔板上具有多个通孔并与多个挡板一起限定多个气液分离区，每个气液分离区通过一个或多个通孔与含气泡液体区流体连通。

根据本发明的一些实施方案，其中所述通孔的位于所述气液分离区的上端，并且经设置使得所述气液分离区基本不留存分离的气体。

根据本发明的气液分离装置具有结构简单紧凑、体积小、效率高、能耗小，无运动部件、易于维护、投资和运行费用低等有益效果。

在污水处理中，普通曝气装置通常产生平均直径为0.5-1.0mm的气泡，同时也有一些直径小于500μm的微小气泡，而微米气泡曝气装置可以产生直径为5-30μm的气泡。与普通气泡相比，微小气泡直径小，表面积大，停留时间长，因此能够提高传氧速率、溶解氧浓度、污染物去除率以及减少去除时间。然而，如表1所示，微小气泡的上升速度较小，在水中的停留时间较长。因此在一些污水处理装置中，特别是紧凑型污水处理装置中，较难在进入沉淀区之前将曝气混合液中的气泡（特别是微小气泡）充分分离去除。这些气泡进入沉淀区后上浮，会干扰沉淀区中的泥水分离，影响出水水质，严重时会导致不能正常出水。这种情况在因空间狭小或设备布局限制而不能安置足够大小的常规气液分离装置时尤为严重。因此，本发明的另一各方面提供了具有本发明气液分离装置的污水处理装置。

在本发明的一些实施方案中，本发明的污水处理装置包括曝气区、沉淀区和任意合适的根据本发明的气液分离装置，其中曝气区作为含气泡液体区，沉淀区作为基本不含气泡液体区。

根据本发明污水处理装置的一些实施方案，本发明气液分离装置的气液分离区设置在曝气区和沉淀区之间。在一些情况下，气液分离区由曝气区和沉淀区之间的隔板以及与所述隔板连接并向下延伸进入沉淀区的挡板限定，所述气液分离区的入口是设置在所述隔板上并且接近所述挡板与所述隔板连接处的开口，所述气液分离区的出口是所述挡板的下沿与所述隔板之间的间隙。

根据本发明污水处理装置的一些实施方案，由隔板和挡板限定的气液分离区仅具有一个分离室，分离室中仅具有一个扩张段，扩张段在各处具有相同的水平截面面积增率，并且扩张段起始于所述入口并且终止于所述出口。

根据本发明污水处理装置的一些实施方案，曝气区和沉淀区并排安置在连续的筒体内，气液分离区由曝气区与沉淀区之间的隔板、与隔板和筒体壁面相接并向下延伸进入沉淀区的挡板、以及隔板与挡板之间的筒体壁面限定。所述筒体可以是圆形筒体或多边形筒体（优选四、五、六、七、八或更多边筒体）。

根据本发明的污水处理装置的一些实施方式，所述污水处理装置还包括浓缩混合液回流设备，所述浓缩混合液回流设备经设置以使用气体驱动来自所述沉淀区的浓缩混合液进入所述曝气区，其中所述气体可以直接与浓缩混合液接触，优选所述气体与所述浓缩混合液混合，这样所述气体夹带浓缩混合液上浮，从而驱动浓缩混合液流动。

在一些实施方式中，所述浓缩混合液回流设备包括允许所述气体与所述浓缩混合液进入的导管，所述导管具有气体入口、混合液入口和气液混合物出口。当气体从气体入口进入后在导管中与从混合液入口进入的浓缩混合液混合，在气体的压力和上浮作用下，气体和浓缩混合液在导管中形成气液混合物并且并流流动，然后从气液混合物出口排出，从而驱动浓缩混合液流动。在一些实施方式中，所述导管以倾斜向上的方式或基本竖直的方式布置以利于气体上浮。

在一些实施方式中，所述导管的气体入口可以与合适的气源流体连通，并通过流量控制阀以控制进入导管的气体流量，从而控制浓缩混合液的流量。在另一些实施方式中，所述导管的混合液入口的上游设置流量控制阀以控制进入导管的浓缩混合液的流量。

在本发明的一些实施方案中，所述气体可以来自任何可用的气体来源，例如所述气体可以来自于空气压缩机、风机、诸如空气、氧气、臭氧、氮气、惰性气体等气体的储罐。优选所述气体的压力大于或等于大气压。优选所述气体是含氧气体。在本发明的一些实施方案中，至少部分所述气体来自曝气气体。曝气气体可以收集自曝气区内任何位置。优选地，曝气气体是在曝气装置上方收集的从曝气混合液中逸出的曝气气体。通常曝气气体中的氧在曝气处理中不能全部消耗，因此经过曝气处理后的曝气气体仍然含有氧。在本发明的一些实施方案中，也可以设置额外的污泥回流泵以驱动浓缩混合液流动。在本发明的一些实施方案中，可以利用所述气体来驱动额外的污泥回流泵。

本发明的发明人意外地发现，当采用曝气气体与浓缩混合液接触（优选混合）来驱动浓缩混合液流动时，污水处理的脱氮效果和/或去除COD的效果得到了意想不到的提高。不受任何理论的约束，可以认为来自沉淀区的浓缩混合液与含氧气体（优选曝气气体）接触后再与污水进料混合，增强了反硝化作用，由此实现了更好的脱氮和去除COD的效果。

根据本发明的一些实施方式，所述沉淀区可以是任何能够使曝气处理混合液分离形成上清液和浓缩混合液的装置。通常，沉淀区可以是沉淀槽或沉淀池，其中可以设置斜板或斜管以加强分离效果。浓缩混合液通常在沉淀作用下形成于沉淀槽或沉淀池的下部，其中可以设有集泥槽以加强浓缩混合液的沉降效果。沉淀区与浓缩混合液回流设备可以通过污泥回流管流体连通。所述污泥回流管的一端可以设置在沉淀槽或沉淀池的下部，优选设置在集泥槽中，以抽取浓缩混合液。所述污泥回流管的另一端可以与混合液入口流体连通。沉淀区中可以设置混合液分布器以使来自曝气区的曝气处理混合液均匀分布在沉淀区中并避免扰动沉淀区中已经分离的上清液和浓缩混合液。在本发明的一些实施方案中，在沉淀区的上部设有溢流槽以排出上清液作为出水。

在本发明中，缺氧处理可以通过任何能够基本避免含氧气体与混合液接触的方法来实现。通常只要基本上不存在溶解氧，例如溶解氧水平低于0.1mg/L时，即可认为是处于缺氧处理状态。根据本发明的一些实施方式，所述缺氧处理段可以是任何能够使浓缩混合液和污水进料混合后形成的混合液经受缺氧处理的装置。根据本发明的另一些实施方式，所述缺氧处理段可以是任何能够使来自浓缩混合液回流设备的浓缩混合液和污水进料混合并经受缺氧处理的装置。在本发明的一些实施方案中，缺氧处理可以通过在没有曝气的情况下使混合液缓慢流动的方式实现。合适的缺氧处理段可以是允许混合液以平流式、竖流式或辐流式等方式流动的池或槽。

根据本发明的一些实施方式，曝气区可以是任何能够进行混合液曝气处理的装置，例如曝气池或曝气槽。曝气区中可以设置曝气器以强化曝气处理，所述曝气器可以是例如螺旋曝气器、微孔曝气器、板式曝气器、旋混曝气器、管式曝气器、射流式曝气器等。

在本发明的一些实施方案中，曝气区经设置使得来自缺氧处理段的缺氧处理混合液从曝气区的第一端进入曝气区，而曝气处理后形成的曝气处理混合液从曝气区的第二端排出后引入沉淀区，其中曝气区的第一端和第二端经设置彼此远离以尽可能避免沟流和短路。在另本发明的一些实施方案中，在曝气区的第一端和第二端之间还设有折流板以进一步加强曝气处理效果以及避免沟流和短路。

在本发明的一些实施方案中，曝气区中的至少部分，优选全部曝气气体经收集后引入所述浓缩混合液回流设备。

在本发明的一些实施方案中，在曝气区的第二端设置根据本发明的气液分离装置以将曝气气体与曝气处理混合液分离，使曝气处理混合液引入沉淀区并防止曝气气体进入沉淀区。

在一些实施方式中，在曝气区中设置集气装置以收集曝气气体。所述导管的气体入口与集气装置流体连通。所述集气装置可以包括设置在曝气装置上方的集气罩，集气罩的顶部设有导气管以允许集气罩收集的气体由气体入口进入所述导管。在一些实施方式中，在所述导气管上设有流量控制阀以控制进入所述导管的气体的流量，从而控制浓缩混合液的流量。在本发明的一些实施方案中，集气罩还可以设有放空管以将集气罩收集的气体的至少部分排放，在所述放空管上还可以设置控制阀以控制排放气体的流量或比例，进而控制进入所述导管的气体的流量并控制浓缩混合液的流量。

在本发明的一些实施方案中，集气罩可以设置在曝气区的中部或顶部。集气罩的部分可以向上延伸凸出曝气区的顶部壁面以形成集气包。至少部分集气罩的壁面可以是限定曝气区的壁面。在本发明的一些实施方案中，集气罩可以是位于曝气区内部的独立的伞形罩。在另本发明的一些实施方案中，集气罩由曝气区的顶部以及任选的与顶部相接的侧壁限定。

根据本发明的污水处理装置的一些实施方式，所述缺氧处理段、沉淀区和曝气区可以设置在呈卧式布置的同一筒体中。所述筒体可以是圆形筒体或多边形筒体（优选四、五、六、七、八或更多边筒体）。

根据本发明的污水处理装置的一些实施方式，提供所述气体的装置，例如提供曝气气体的风机等，和/或提供污水进料的装置，例如污水进料泵或真空汲水装置（包括真空泵等），可以设置在污水处理装置的内部，例如缺氧处理段、沉淀区和/或曝气区的内部，优选曝气区的内部。这样设置的好处至少是可以减少噪音，便于布置和安装，以利于在小区等人口众多、空间狭小的地方部署。

根据本发明的污水处理装置的一些实施方式，其中所述污水处理装置的至少部分经设置位于地面以下。例如，根据本发明的污水处理装置可以至少部分甚至全部设置于地面以下，例如半地下室或地下室内，以节约用地、减少噪音并避免对景观的影响。在本发明的一些实施方案中，所述污水处理装置可以设置在地面上。当本发明的污水处理装置设置在地面上或半地下室内时，可以置于露天场所或建筑物内。在另本发明的一些实施方案中，本发明的污水处理装置可以设置在可移动的平台上，例如拖车等交通工具上，从而可以方便灵活地在不同的需要污水处理的地点之间运输，快速地部署和投入使用。

本发明的污水处理装置和方法充分利用了污水处理中的曝气气体，可以不再使用污泥回流泵，因此减少了能耗和设备投资，使得装置和工艺的布置更加灵活，并且由于减少了装置的运动部件和管路连接，从而提高其可靠性。此外，本发明的污水处理装置还设置有根据本发明的气液分离装置，因此使得整个装置结构紧凑，减小了整个装置的体积，并且改善了气液分离效果，避免了气泡进入沉淀区后对沉淀区中泥水分离的干扰，提高了出水水质。再者，本发明的污水处理装置和方法使回流的浓缩混合液与曝气气体接触从而强化了脱氮和消除COD的效果，提高了污水处理效果。

因此本发明的污水处理装置和方法具有出水水质好、容积负荷高、节省占地、污泥产量低、对周边环境影响小等优点。

本发明的污水处理装置可以采用卧式布置，适合于置入建筑物中或埋入地下，或者设置在可移动的平台上。并且本发明的污水处理装置尤其适合于小型化和社区化污水处理的需要。

附图说明

图1是本发明气液分离装置的一个实施方式的结构示意图。

图2是本发明气液分离装置的另一个实施方式的结构示意图。

图3是本发明气液分离装置的另一个实施方式的结构示意图。

图4是本发明污水处理装置的一个实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一些实施方式进行进一步的介绍，但并非意欲限制本发明的保护范围。

图1是根据本发明的气液分离装置的一个实施方式的结构示意图，其中所述气液分离装置包括基本不含气泡液体区（I）、气液分离区（II）和含气泡液体区（III），隔板（2）设置在（I）和（III）之间，隔板（2）设有入口（4）以允许（III）中的含气泡液体进入（II）。在入口（4）的上沿设置与隔板（2）相接的挡板（3）。挡板（3）向下延伸进入（I），并且挡板（3）的下沿与隔板（2）之间的间隙作为液体离开气液分离区（II）的出口（1）。

由隔板（2）和挡板（3）限定的气液分离区（II）的水平截面面积沿着从入口（4）到出口（1）的向下方向逐渐增加。因此，当（II）中的含气泡液体从入口（4）向下流向出口（1）时其流速逐渐减小，使得更小气泡因其上浮速度大于含气泡液体的向下流速从而上浮，同时含气泡液体流速减小也提供了足够的时间使得气泡能够充分地聚结而变成上浮速度更大的大气泡，最终具有足够上浮速度的大气泡从入口（4）进入（III）并从（III）中含气泡液体的表面逸出。分离气泡后的液体从气液分离区（II）下部的出口（1）进入（I）。

图2是根据本发明的气液分离装置的另一个实施方式的结构示意图，其中所述气液分离装置包括基本不含气泡液体区（I）、气液分离区（II）、气液分离区（II'）和含气泡液体区（III），隔板（2）设置在（I）和（III）之间，隔板（2）设有入口（4）以允许（III）中的含气泡液体进入（II）。在入口（4）的上沿设置与隔板（2）相接的挡板（3），挡板（3）向下延伸进入（I），并且挡板（3）的下沿与隔板（2）之间的间隙作为出口（1）。挡板(3)的中段具有朝向隔板(2)的弯折（5）,由此使得隔板（2）和挡板（3）限定出以串联方式联接的气液分离区(II)和气液分离区（II'）。

气液分离区（II）和气液分离区（II'）各自的水平截面面积沿着从入口（4）到出口（1）的向下方向逐渐增加。这样，当（II）中的含气泡液体向下流动时其流速逐渐减小，使得更小气泡因其上浮速度大于含气泡液体的向下流速而上浮，同时含气泡液体流速减小也提供了足够的时间使得气泡能够充分地聚结而变成上浮速度更大的大气泡，最终具有足够上浮速度的大气泡从入口（4）返回（III）。在气液分离区（II）下部仍然含有少量未分离气泡的液体从弯折（5）与隔板（2）之间的间隙进入气液分离区（II'），由于（II'）中的含气泡液体向下流动时其流速逐渐减小，使得更小气泡因其上浮速度大于含气泡液体的向下流速而上浮，同时含气泡液体流速减小也提供了足够的时间使得气泡能够充分地聚结而变成上浮速度更大的大气泡，最终具有足够上浮速度的大气泡从弯折（5）与隔板（2）之间的间隙处进入（II）并最终从入口（4）进入（III）。分离气泡后的液体从气液分离区（II'）下部的出口（1）进入（I）。

图2的气液分离装置中的气液分离区(II)和气液分离区（II'）以串联方式连接，使得含气泡液体经历减速-加速-再减速的过程，可以增强气泡之间的聚结，更快形成大气泡，从而提高分离效率。由于分离效率提高并且弯折（5）朝向隔板（2），因此可以减小气液分离区（II和II'）的尺寸。

图3是根据本发明的气液分离装置的再另一个实施方式的结构示意图，其中所述气液分离装置包括基本不含气泡液体区（I）、气液分离区（II和II'）和含气泡液体区（III），隔板（2）设置在（I）和（III）之间，隔板（2）设有入口（4和4'）以允许（III）中的含气泡液体进入（II和II'）。在入口（4）的上沿设置与隔板（2）相接的挡板（3），挡板（3）向下延伸进入（I），并且挡板（3）的下沿与隔板（2）之间的间隙作为出口（1）。挡板（3）与隔板（2）限定气液分离区（II）。在入口（4'）的上沿设置与隔板（2）相接的挡板（3'），挡板（3'）向下延伸进入（I），并且挡板（3'）的下沿与隔板（2）之间的间隙作为出口（1'）。挡板（3'）与隔板（2）限定气液分离区（II'）。

由隔板（2）和挡板（3）限定的气液分离区（II）的水平截面面积沿着从入口（4）到出口（1）的向下方向逐渐增加。因此，当（II）中的含气泡液体从入口（4）向下流向出口（1）时其流速逐渐减小，使得更小气泡因其上浮速度大于含气泡液体的向下流速从而上浮，同时含气泡液体流速减小也提供了足够的时间使得气泡能够充分地聚结而变成上浮速度更大的大气泡，最终具有足够上浮速度的大气泡从入口（4）进入（III）并从（III）中含气泡液体的表面逸出。分离气泡后的液体从气液分离区（II）下部的出口（1）进入（I）。

同样，由隔板（2）和挡板（3'）限定的气液分离区（II'）的水平截面面积沿着从入口（4'）到出口（1'）的向下方向逐渐增加。因此，当（II'）中的含气泡液体从入口（4'）向下流向出口（1'）时其流速逐渐减小，使得更小气泡因其上浮速度大于含气泡液体的向下流速从而上浮，同时含气泡液体流速减小也提供了足够的时间使得气泡能够充分地聚结而变成上浮速度更大的大气泡，最终具有足够上浮速度的大气泡从入口（4'）进入（III）并从（III）中含气泡液体的表面逸出。分离气泡后的液体从气液分离区（II'）下部的出口（1'）进入（I）。图3中气液分离装置的气液分离区（II）和气液分离区（II'）以并联的方式设置。与图1的气液分离装置相比，在相同的含气泡液体流量的情况下，图3的气液分离装置可以用尺寸较小的气液分离区（II）和气液分离区（II'）达到相同的分离效果。尤其在基本不含气泡液体区（I）的尺寸有限的情况下，以上下形式并联设置的气液分离区（II）和气液分离区（II'）在（I）中的水平投影将远小于图1中气液分离区（II）在（I）中的水平投影。

因此，在设备空间有限和/或要求较高分离效果时，图2的串联设置或其类似设置、图3的并联设置或其类似设置，及其任意合适的混合形式能够减小气液分离装置的占地面积、方便布置、提高分离效率。

图4是是本发明污水处理装置的一个实施方式的结构示意图，其中使用了根据图1的本发明的气液分离装置。

所述污水处理装置包括缺氧处理段（S1）、沉淀区（S2）和曝气区（S3），它们设置在同一筒体中，相互之间用隔板隔开。隔板（24）将作为含气泡液体区的曝气区（S3）和作为基本不含气泡液体区的沉淀区（S2）隔开，隔板（24）上设有入口（16）以允许（S3）中的曝气混合液（含气泡液体）进入气液分离区（II）。在入口（16）的上沿设置与隔板（24）相接的挡板（12），挡板（12）向下延伸进入（S2），挡板（12）的侧沿与（S2）的侧壁相接，并且挡板（12）的下沿与隔板（24）之间的间隙作为出口（15）。隔板（24）、挡板（12）以及（S2）和（S3）构成了根据图1的本发明的气液分离装置。

污水进料作为进水通过污水进料供应装置（可以是污水泵或汲水装置，未示出）送入缺氧处理段（S1）。污水进料在缺氧处理段（S1）中与来自浓缩混合液回流设备（包括浓缩混合液槽（13）、浓缩混合液管（14）、导管（21）、气液混合物管（22）和气液分离器（23））的浓缩混合液混合，并从缺氧处理段（S1）中缓慢通过以得到缺氧处理混合液。

来自缺氧处理段（S1）的所述缺氧处理混合液通过缺氧处理混合液管（11）进入曝气区（S3），并与来自曝气器（17）的曝气气体接触以进行曝气处理从而得到曝气处理混合液。曝气气体在曝气区（S3）中上浮并逸出曝气处理混合液的液面，从而在曝气区（S3）的上部积聚。

积聚在曝气区（S3）上部的曝气气体通过集气罩（18）和导气管（20）进入导管（21）。集气罩（18）中多余的曝气气体可以通过放空阀（19）排出。所述曝气气体与来自沉淀区（S2）的浓缩混合液在导管（21）中接触并混合以形成气液混合物。气液混合物在气体的压力和上浮作用下在导管（21）中向上运动并通过气液混合物管（22）进入气液分离装置（23）。气液混合物在气液分离装置（23）中分离成浓缩混合液和曝气气体，其中曝气气体排出，而浓缩混合液被引入缺氧处理段（S1）。

曝气处理混合液（含气泡液体）通过隔板（24）上的入口（16）进入气液分离区（II）。由隔板（24）和挡板（12）限定的气液分离区（II）的水平截面面积沿着从入口（16）到出口（15）的向下方向逐渐增加。因此，当（II）中的含气泡液体从入口（16）向下流向出口（15）时其流速逐渐减小，使得更小气泡因其上浮速度大于含气泡液体的向下流速从而上浮，同时含气泡液体流速减小也提供了足够的时间使得气泡能够充分地聚结而变成上浮速度更大的大气泡，最终具有足够上浮速度的大气泡从入口（16）返回曝气区（S3）。分离后基本不含气泡的混合液从气液分离区（II）下部的出口（15）进入沉淀区（S2）。

混合液进入沉淀区（S2）后分离成在沉淀区（S2）上部的上清液和在沉淀区（S2）下部的浓缩混合液。所述上清液作为出水通过溢流槽（25）排出。位于沉淀区（S2）下部的所述浓缩混合液经过浓缩混合液回流设备（包括浓缩混合液槽（13）、浓缩混合液管（14）、导管（21）、气液混合物管（22）和气液分离器（23））进入缺氧处理段（S1）。

在图4所示的污水处理装置中，用曝气气体驱动浓缩混合液（污泥）流动，并由此带动浓缩混合液在整个污水处理装置中的循环，因此充分利用了气体的能量，其中回流污泥的流量可通过放空阀（19）控制的进入导气管（20）的曝气气体的流量来调节和控制，减少了整个污水处理装置的能耗。此外，由于避免了污泥回流泵的使用，减少了设备投资，增加了污水处理装置的可靠性。

图4所示的污水处理装置通过使曝气气体与浓缩混合液（活性污泥）接触，在其回流的提升过程中对其进行充氧，使得充氧后的浓缩混合液在随后与污水进料混合并进行缺氧处理时能够强化了缺氧处理段中的反硝化作用，从而增强了整个装置的脱氮和消除COD的效果，提高了污水处理的效率，改善了出水水质。

由于使用了根据本发明的气液分离装置（由隔板（24）、挡板（12）以及（S2）和（S3）构成），本发明污水处理装置能够将来自（S3）的曝气混合液中的气泡充分分离，因此极大地减少了气泡对（S2）中泥水分离的影响。这样不但使用该气液分离装置本身能够使整个污水处理装置结构简化和紧凑，同时由于减少了气泡对（S2）中泥水分离的影响，（S2）的尺寸也能相应减小，使得整个污水处理装置更加紧凑。再者，由于能够有效地分离直径较小的气泡，本发明的污水处理装置能够使用微气泡进行曝气来显著改善曝气效率，从而也可以通过减小曝气区的尺寸来减小整个污水处理装置尺寸。此外，由于减少了气泡对（S2）中泥水分离的影响，污水处理装置的出水水质也能得到了进一步的提高。

再有，图4所示的污水处理装置可以为卧式布置，从而减小了整个装置的高度。同时缺氧处理段（S1）、沉淀区（S2）和曝气区（S3）紧凑地集成在一起，减小了占地，简化了结构，方便了维护。因此所述污水处理装置可以设置在地下或半地下构筑物中，或者在需要时可以安装在可移动的平台上（例如交通工具上），有利于节约用地、保持温度、美化环境、方便运输和部署。

以上通过举例说明的方式描述了本发明。但是，应当理解，本发明绝不仅仅限于这些具体实施方式。普通技术人员可以对本发明进行各种修改或变动，而这些修改和变动都属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种气液分离装置，包括设置在含气泡液体区和基本不含气泡液体区之间的气液分离区，所述气液分离区具有与含气泡液体区流体连通的入口、与基本不含气泡液体区流体连通的出口以及设置在所述入口和所述出口之间的分离室，所述入口设置在所述出口的上方并通过所述分离室与所述出口流体连通，所述分离室具有沿所述入口到所述出口的方向上水平截面面积连续增加的扩张段。

2.根据权利要求1的气液分离装置，其中所述扩张段在各处具有相同或不同的水平截面面积增率。

3.根据权利要求1或2的气液分离装置，其中所述扩张段的水平截面面积增率是1.1-1000000m^-1。

4.根据权利要求1-3中任意一项的气液分离装置，其中所述扩张段起始于所述入口并且终止于所述出口。

5.根据权利要求1-4中任一项的气液分离装置，其中所述入口设置于所述分离室的顶部，所述出口设置于所述分离室的底部。

6.根据权利要求1-5中任一项的气液分离装置，其中所述气液分离区由含气泡液体区与基本不含气泡液体区之间的隔板和与所述隔板连接并向下延伸进入基本不含气泡液体区的挡板限定，所述入口是设置在所述隔板上并且接近所述挡板与所述隔板连接处的开口，所述出口是所述挡板的下沿与所述隔板之间的间隙。

7.一种污水处理装置，包括根据权利要求1-6中任一项的气液分离装置，其中含气泡液体区是曝气区，基本不含气泡液体区是沉淀区。

8.根据权利要求7的污水处理装置，其中所述污水处理装置还包括浓缩混合液回流设备，所述浓缩混合液回流设备经设置以使用气体驱动来自所述沉淀区的浓缩混合液进入所述曝气区。

9.根据权利要求8的污水处理装置，其中所述浓缩混合液回流设备包括允许所述气体与所述浓缩混合液进入并接触的导管，所述导管具有在所述导管下部的气体入口和浓缩混合液入口、在所述导管中部的气液混合输送段和在所述导管上部的气液混合物出口。

10.根据权利要求8或9的污水处理装置，还包括缺氧处理区，其中所述缺氧处理区经设置以接收污水进料和来自所述浓缩混合液回流设备的所述浓缩混合液并且进行缺氧处理以得到缺氧处理混合液，所述曝气区经设置以接收所述缺氧处理混合液并使其与曝气气体接触以得到曝气处理混合液，所述沉淀区经设置以接收所述曝气处理混合液并分离得到上清液和所述浓缩混合液，并且所述浓缩混合液回流设备经设置以接收所述浓缩混合液并利用来自所述曝气区的曝气气体驱动来自所述沉淀区的所述浓缩混合液进入所述曝气区。

11.根据权利要求10的污水处理装置，其中缺氧处理区、沉淀区和曝气区经设置以使所述污水处理装置形成卧式污水处理装置。

12.根据权利要求11的污水处理装置，其中所述污水处理装置的至少部分设置在地面以下或地面以上，或者所述污水处理装置设置在可移动的平台上。