CN107973399B

CN107973399B - 一种高效三相分离系统

Info

Publication number: CN107973399B
Application number: CN201711245440.3A
Authority: CN
Inventors: 孙法迁; 韩宜航; 苏晓梅; 江国留; 林红军; 陈建荣
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: CN107973399A

Abstract

本发明公开了一种新型高效三相分离系统。该系统基于哈真(Hazen)提出的浅池效应与辐流式沉淀原理，对三相分离器进行独特设计，系统包括壳体，位于壳体内部的导流单元、中央管道、分流单元、辐流式斜板沉淀单元和集泥斗。在导流单元将气体与泥水混合液进行分离，使发酵液产气可用于能源化利用，或进行参与内循环使混合液充分混合；在固液分离单元，污泥悬浮物与上清液发生分离并沉降至反应区，由于分流支管的存在，管内泥水混合液与管外沉降污泥悬浮物不相干扰，污泥悬浮物从而得到沉降至集泥斗回用浓缩。从而可以大幅度提高污泥悬浮物、反应器出水和发酵产气的分离效果，提高反应器微生物持留量。使反应器运行达到稳定、高效和资源化目的。

Description

一种高效三相分离系统

技术领域

本发明涉及生物污水处理中一种应用于高氨氮废水、高浓度有机废水处理反应器的新型高效三相分离系统装置和方法。

背景技术

随着水体污染和富营养化程度的加剧，公众环境意识的提高，国家对含有机物、氮磷污染物的排放限制标准日趋严格，因此，国家和地方政府不断提高污水处理排放标准。因此，污水中污染物的高效处理是实现达标处理的最重要环节。厌氧生物处理技术由于具有能耗低、污泥产量小、可降解的有机物种类多、能承受较大的负荷变化和水质变化、运行可靠等特点成为目前高浓度污水处理最常用的方法。尤其是高氨氮废水、高浓度有机废水处理反应器，随着厌氧发酵工艺处理高氨氮废水、高浓度有机废水广泛应用，日益显示出一些自身无法克服的缺点，例如极容易出现污泥上浮现象，并且无法对泥水进行有效地分离，发生污泥流失而影响了出水水质和污泥床中污泥浓度。为了减少出水所带的悬浮物进入水体，需要额外增加处理分离设备，大大增加了污水处理成本。因此，新型高效的三相分离系统是提高三相分离效果、降低厌氧处理系统运行成本的重要组成部分。

高氨氮废水、高浓度有机废水的厌氧处理作为一种微生物污水处理方法，污水自下而上运动，反应器底部有一个高浓度、高活性的污泥床，污水中的大部分有机污染物在此间经过厌氧发酵降解为甲烷和二氧化碳。而三相分离器的分离效果将直接影响反应器的处理效果。三相分离器由气液分离区、沉淀区、污泥垂直沉降区域(包括集泥斗)和气封组成，其功能是将气体(沼气)、固体(污泥)和液体(废水)等三相进行分离。沼气进入气室，污泥在沉淀区进行沉淀，并经污泥垂直沉降器区域跌落至集泥斗，每一个周期将污泥回流到反应区。经沉淀澄清后的废水作为处理水排出反应器。

本专利试图寻找能够替代传统三相分离器的一种装置和方法，将反应器中固相、液相、气相三种相态进行高效分离，并对发酵产气回收处理，进而强化反应器对高浓度污水的处理能力。传统三相分离器在实际运行过程中，发酵时间影响反应器的产气量，传统气液分离单元无法进行调节，反应器出水往往含有大量气泡；固液分离单元由于只有两级分离过程，出水也含有较多的污泥悬浮物悬浮物。以上缺点是的反应器整体分离效率低下(为60％左右)。如果将气液分离单元更改为能够根据产气量而进行调节导流作用，从而提高气液分离效果；再将哈真(Hazen)提出的浅池效应与伯努利提出的伯努利方程联合应用于固液分离，不仅可以提高分离效果，而且无需占用额外空间面积。因此能够在提高三相分离器分离效果的同时，提高反应器中污泥悬浮物持留量，从而强化反应器的处理能力与提高出水水质和气体容积。实现发酵沼气的资源化利用，极大的降低运营成本，产生成本优势，达到综合利用的效果。

因此，寻找能够替代传统三相分离器的一种装置和方法，将反应器中固相、液相、气相三种相态进行高效分离，并对发酵产气回收处理，进而强化反应器对高氨氮废水、高浓度有机废水的处理能力，正是本发明重点阐述所在。

发明内容

本发明的目的是针对高浓度废水使用高氨氮废水、高浓度有机废水处理过程中三相分离效率低下的问题。通过利用哈真(Hazen)提出的浅池效应与伯努利提出的伯努利方程，提出了一种高效的三相分离系统，能够在提高三相分离器分离效果的同时，提高反应器中污泥悬浮物的持留量，从而强化反应器的处理能力与提高出水水质和气体体积。实现发酵沼气的资源化利用，极大的降低运营成本，产生成本优势，达到综合利用的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高效三相分离系统，该系统安装在有机废水处理反应器内，包括导流单元，和位于导流单元下游的分离单元；所述导流单元由两个具有相同底面直径的圆锥体相向拼接而成，拼接处平滑过渡；所述分离单元包括中央管道、辐流式斜板沉淀单元和集泥斗；所述辐流式斜板沉淀单元由多个同轴布置的辐流式斜板组成，所述辐流式斜板具有倒圆台侧壁的结构，倾斜角为度；两个相邻的辐流式斜板之间具有一根或多根分流支管，分流支管贴附于上层辐流式斜板底面，管径小于辐流式斜板的间距的一半；所述分流支管插于中央管道侧壁，且与中央管道连通。所述中央管道与导流单元同轴，上端封闭，位于辐流式斜板沉淀单元中心，侧壁与各个辐流式斜板之间具有间隙；最上层的辐流式斜板与中央管道之间通过密封胶密封，最上层的辐流式斜板和中央管道上端盖组成中央凹槽；所述集泥斗位于辐流式斜板沉淀单元下方，且与所述中央管道侧壁无缝拼接。

进一步地，所述导流单元中的两个圆锥体，位于上游的圆锥体锥度小于下游的圆锥体锥度，比例为1:2。

进一步地，不同层的分流支管管径不同，从上到下逐渐增大。

本发明的有益效果在于：

1、利用高效三相分离器进行固、液、气分离，可以大幅度提高上流式厌氧污泥床的气体收集量、污泥悬浮物持留量，进而大幅度提高反应器并且降低运行成本。随着水质标准的提高，可为垃圾渗滤液、畜禽废水、食品废水等高浓度行业废水的处理过程中菌种富集难题提供了新的解决方案。

2、将浅池效应与伯努利提出的流体力学原理联合应用于固液分离，在提高 n倍分离效果的同时，无需占用额外空间面积。因此能够在提高三相分离器分离效果的同时，提高反应器中污泥悬浮物持留量，从而强化反应器的处理能力与提高出水水质和气体体积。极大的降低污泥悬浮物富集过程中的运行成本，产生成本优势，达到综合利用的效果。

3、固液分流单元，设置类似于‘立交桥’的分流支管，即两层相邻的辐流式斜板之间具有多根倾斜角为60度的支管，所述支管插于中央管道侧壁，且与中央管道连通。使得泥水混合液在分流支管内流动，污泥悬浮物在分流支管外做垂直沉降运动，两种流体互不干扰，降低污泥悬浮物二次沉淀的可能性。

4、本装置中采用发酵液清液对高效三相分离器进行反冲洗，因此能耗低，处理工艺简单，对于综合解决高氨氮废水、高浓度有机废水厌氧反应器处理中污泥悬浮物分离与持留难题，具有良好的经济效益和环境效益，从而降低污水处理设施运行成本，产生成本优势。

附图说明

图1为本发明即新型高效三相分离器的结构示意图；

图2为本发明的斜板沉淀单元与分流单元结构示意图；

图3为本发明的可调节导流单元工作原理正视剖面图；

图4为本发明的分流单元工作原理俯视剖面图；

图5为本发明的分流支管与斜板布置结构示意图；

图6为本发明的立体半刨正视图；

图7为本发明的浅池原理解释说明示意图；

图8为本发明的辐流式沉淀原理S1与S2截面速率计算图；

图中，导流单元1、分离单元2、辐流式斜板3、中央凹槽4、分流支管5、中央管道21、辐流式斜板沉淀单元22、集泥斗23。

具体实施方式

由于反应器中所特有的污泥悬浮物的物理性质以及混合物流体以较小流速呈向上推流运动，使得斜板沉淀所运用的浅池效应原理与辐流式沉淀原理恰好适用于反应器处理高氨氮废水、高浓度有机废水中气液固三相分离难题。因此本发明将固液分离单元将两种工艺进行结合，在提高处理能力的同时降低后续运营成本与基建费用，具有很好的成本优势。可提高反应器中污泥悬浮物持留量，从而强化反应器的处理能力与提高出水水质和气体容积，实现减少后续构筑物工程建造成本和污染物的减排。

如图1所示，一种高效三相分离系统，该系统安装在有机废水处理反应器内，包括导流单元1，和位于导流单元1下游的分离单元2；

如图3所示，所述导流单元1由两个具有相同底面直径的圆锥体相向拼接而成，拼接处平滑过渡；

如图2和4、5所示，所述分离单元2包括中央管道21、辐流式斜板沉淀单元22和集泥斗23；所述辐流式斜板沉淀单元22由多个同轴布置的辐流式斜板 3组成，所述辐流式斜板3具有倒圆台侧壁的结构，倾斜角为60度；两个相邻的辐流式斜板3之间具有一根或多根分流支管5，分流支管5上部贴附于上层辐流式斜板3底面(贴附长度10～50cm；)，管径小于辐流式斜板3的间距的一半；所述分流支管5的下端插于中央管道21侧壁，且与中央管道21连通。

所述中央管道21与导流单元1同轴，上端封闭，位于辐流式斜板沉淀单元22中心，侧壁与各个辐流式斜板3之间具有间隙，构成污泥垂直沉降环缝；最上层的辐流式斜板3与中央管道21之间通过密封胶密封，最上层的辐流式斜板 3和中央管道2上端盖组成中央凹槽4；

所述集泥斗23位于辐流式斜板沉淀单元22下方，且与所述中央管道21侧壁无缝拼接。集泥斗23需要根据反应器中污泥悬浮物含量进行周期性排泥至下部反应区。为防止污泥悬浮物堵塞斜板辐流式沉降单元，每运行30天关闭出水阀门与进水阀门，将出水反冲洗沉降单元。冲洗30分钟后再进行高效三相分离。

导流单元1的材质可选用橡胶，通过调节导流单元内压大小改变体积，在发酵液产气量变化期间控制气液混合相在三相分离器前的流动方向，使气体流向集气室。与此同时调节进入辐流式斜板沉淀单元的泥水流量，使泥水以缓流状态进入沉淀区。

泥水混合液从由中央管道经分流支管5进入辐流式斜板3之间，而污泥悬浮物在分流支管外做垂直沉降，过程中由于分流支管5的存在，不会与进入沉降区的下一层泥水混合液产生扰流影响，即泥水混合液在分流支管5内流动，污泥在分流支管5外部做垂直沉降运动，使得泥水混合液与沉降的污泥悬浮物不相干扰，最后污泥沉降到集泥斗23，而出水升流至斜板辐流式沉淀单元上部经出水堰集中至中央凹槽4后由管道排出反应器。一定流量泥水混合物被多层斜板分为n层，依据浅池理论沉淀原理，可使得斜板沉淀提高n倍效率，由于流体流经的横截面积(辐流式斜板3的面积)逐渐增大，流速随之减小，从而在斜板沉淀提高n倍效率的基础上再次提高固液分离效率(辐流式沉淀原理)。同时为控制因压强而产生的混合液流速不均匀现象，下层分流支管管径大于上层管径，从而将每层混合液流速控制在一定范围内。此外，可以在辐流式斜板沉淀单元上部设置四个对称分布的出水堰8收集处理后的污水流至中央凹槽4 从而排出反应器外(图6)。

作为优选的方案，所述导流单元1中的两个圆锥体，位于上游的圆锥体锥度小于下游的圆锥体锥度，比例为1:2。

浅池理论沉淀原理为：设斜管沉淀池池长为L，池中水平流速为V，颗粒沉速为u₀，在理想状态下，L/H＝V/u₀。可见L与V值不变时，池身越浅，可被去除的悬浮物颗粒越小。若用水平隔板，将H分成n层，每层层深为H/n，在u₀与v 不变的条件下，只需L/n，就可以将u₀的颗粒去除。也即总容积可减少到原来的 1/n。如果池长不变，由于池深为H/n，则水平流速可增加至nv，仍能将沉速为 u₀的颗粒除去，也即处理能力提高n倍。同时将沉淀池分成n层就可以把处理能力提高n倍。从而能够在不增加空间体积的前体下提高沉降效果。在本新型高效三相分离器中，一般设计为6层隔板即5个沉淀层。每层间隔约为2～10cm 左右。可以根据实际工程应用灵活的改变层间距。

这里结合长方形沉淀池解释浅池理论：

(如图7浅池原理说明图所示，未增加层板前；增加隔板并控制高度、流体速率不变；增加隔板控制高度、长度不变，不控制进水流速V)，设长方形沉淀池长度为L高度为H,污水原始流速速率为V₀,泥水混合物在沉淀池内发生沉淀。

未增加层板前：

已知H,可以得出t

由于混合液在水平方向做匀速运动得出沉淀池长度

L＝V₀·t

增加隔板控制高度、速率不变：

在沉淀池中增加四个水平隔板，将沉淀池水平分为5个区域，每个区域的高度为H/5。

同样地，垂直方向上

得出t₁,

L₁＝V₀·t₁

由于t₁＜t，在V₀保持不变下，L₁＜L，因此，在保证沉淀效果不变的前提下，增加隔板可以减小构筑物的占地面积。

增加隔板控制高度、长度不变，不控制进水流速V：

同样地，垂直方向上

进水流速为

已知沉淀池长度L保持不变，t₁＜t。因此可以得出V₁＞V₀,因此在保证同样沉淀效率前提下，可以缩短处理时间，从而提高处理能力。

如果池长不变，由于池深为H/n，则水平流速可增加至nv，仍能将沉速为 u₀的颗粒除去，也即处理能力提高n倍。同时将沉淀池分成n层就可以把处理能力提高n倍。从而能够在不增加空间体积的前体下提高沉降效果。在本新型高效三相分离器中，一般设计为6层隔板即5个沉淀层。每层间隔约为2～10cm 左右。可以根据实际工程应用灵活的改变层间距。

辐流式沉淀原理：

下面以单个沉淀层为研究对象解释在辐流式斜板沉淀区域边缘流速低于中央流速的原理(如图8辐流式沉淀原理S₁与S₂截面速率计算图所示)：

假设中央区域S₁截面处直径R_s1＝0.5m，辐流式斜板沉淀区边缘区域S₂处的的直径R_s2＝2m,辐流式斜板沉淀的板间距h＝0.1m，泥水混合物的流量Q设为 2m³/h，则可以计算出两个截面处的流体速率V_s1与V_s2：

由速率、流量与流经的横截面积关系式：

其中，

S＝π·R·h

得出

由此可以推知，泥水混合液在辐流式斜板沉淀单元外缘的速率可以远小于中央管道处的速率，当流量保持一定时，流速与横截面积成反比。在设计时处理单元中央横截面积远小于外围横截面积，因此随着多层沉降单元半径的增大，流体流经横截面积变大流速因而下降，泥水混合液在多层斜板沉淀区域出呈缓流状态。由于固液密度不同，污泥悬浮物由于惯性，以较大速度撞击上一层子单元沉淀板后降落至底板逐渐移动到分流支管附近。

工程实例

该新型高效三相分离器适用于高氨氮、高浓度有机物等废水处理。下面结合某食品企业应用上流式厌氧污泥床(UASB反应器)与新型高效三相分离器的工程案例对本发明作进一步说明：

①、某食品废水的UASB反应器进水处(9)启动初期污水的水力负荷为 0.05-0.1m³/m²d·h，随着反应器运行适应，进而将水力负荷提高至0.25m³/m²d·h，最后在稳定阶段，将其提高至0.6m³/m²d·h。

②、反应器中污水pH值为6.8-7.2，污泥产甲烷活性为 0.25KgCODremoved/KgVSS·d。反应器中厌氧悬浮污泥的含量为60-70％，沉降速率20-100m/h,颗粒直径0.5-2mm，污泥含水率为90％，

③、将原始分离器更换为新型高效三相分离器(图1)安装在UASB反应器上部，将污水原液以水力负荷为0.05-0.1m³/m²d·h输入反应器中，经过一段时间反应，逐渐形成的污泥悬浮物随着流体流动上升悬浮至可调节气液导流单元 (1、1’)，混合液中垂直运动的气泡撞击导流单元(1、1’)后，运动方向发生改变做斜向运动，从而进入集气室(7)导出反应器。

④、经气液分离后，夹杂污泥悬浮物的泥水混合液(10)流动至中央管道 (2)。中央管道将泥水混合液均匀地分配至每一层中六个位置的分流支管(3) 中。从而进入沉淀单元。

⑤、沉淀单元中，混合液在每一层沉淀区沿着与垂直轴呈60°的方向做升流运动(11)，与此同时流体横截面积增大，流速随之降低至5m/h。由于固液密度不同，污泥悬浮物由于惯性，以速率20-50m/h撞击上一层子单元沉淀板(4) 后降落至底板逐渐移动到分流支管(3)附近。

⑥、由于分流支管(3)的存在，泥水混合液在分流支管内流动，污泥在分流支管外部做沉降运动，使得做沉降的污泥悬浮物能够在沉降期间，不受混合液流动(12)的影响，得以顺利沉淀集泥斗(6)。

⑦、经过固液分离的上清液流出辐流式斜板沉淀池，出水经过出水堰(8) 进入中央凹槽(5)进而排出反应器。

⑧、为防止污泥悬浮物堵塞斜板辐流式沉降单元，每运行15天关闭出水阀门与进水阀门，将出水反冲洗沉降单元。冲洗30分钟后再进行高效的三相分离。

⑨、与传统分离器相比，气液分离能力可以提高至85％、固液分离能力能提高至95％。经过一个周期沉淀，污泥悬浮物又回到反应区，可以提高10％的污泥悬浮物生物量。表明新型高效三相分离器适用于UASB反应器中的三相分离。可以减少后续沉淀构筑物建造并能提高生物量，进而能够缩短厌氧发酵的启动时间，降低日常运行费用，产生成本优势。

Claims

1.一种高效三相分离系统，该系统安装在有机废水处理反应器内，包括导流单元（1），和位于导流单元（1）下游的分离单元（2）；所述导流单元（1）由两个具有相同底面直径的圆锥体相向拼接而成，拼接处平滑过渡；所述分离单元（2）包括中央管道（21）、辐流式斜板沉淀单元（22）和集泥斗（23）；所述辐流式斜板沉淀单元（22）由多个同轴布置的辐流式斜板（3）组成，所述辐流式斜板（3）具有倒圆台侧壁的结构，倾斜角为60度；两个相邻的辐流式斜板（3）之间具有一根或多根分流支管（5），分流支管（5）贴附于上层辐流式斜板（3）底面，管径小于辐流式斜板（3）的间距的一半；所述分流支管（5）插于中央管道（21）侧壁，且与中央管道（21）连通；所述中央管道（21）与导流单元（1）同轴，上端封闭，位于辐流式斜板沉淀单元（22）中心，侧壁与各个辐流式斜板（3）之间具有间隙；最上层的辐流式斜板（3）与中央管道（21）之间通过密封胶密封，最上层的辐流式斜板（3）和中央管道（2）上端盖组成中央凹槽；所述集泥斗（23）位于辐流式斜板沉淀单元（22）下方，且与所述中央管道（21）侧壁无缝拼接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导流单元（1）中的两个圆锥体，位于上游的圆锥体锥度小于下游的圆锥体锥度，比例为1:2。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，不同层的分流支管（5）管径不同，从上到下逐渐增大。