CN108394991B - 一种多级涡流自循环厌氧反应器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

多级涡流自循环厌氧反应器，该反应器的一级三相分离器、二级三相分离器和三级三相分离器都安装在罐体中，二级三相分离器位于一级三相分离器上方，三级三相分离器位于二级三相分离器上方，一级三相分离器下方为一级反应区，一级反应区下方至罐底的空间为布水混合区，一级三相分离器和二级三相分离器之间为二级反应区，二级三相分离器和三级三相分离器之间为三级反应区，三级三相分离器与罐体顶部之间为沉淀出水区。本发明可实现多级内部涡流自循环运行模式或外部动力辅助多级涡流自循环运行模式或外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式的任一种或两种或三种的交替运行模式工作，特别适合高、中、低浓度污水的厌氧高效处理。

Description

一种多级涡流自循环厌氧反应器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于高、中、低浓度污水厌氧处理的反应装置，属于厌氧反应技术领域，具体是一种多级涡流自循环厌氧反应器（Multistage vortex self circulationanaerobic reactor，MV-SC反应器）。

背景技术

针对中高浓度污水处理的生物厌氧反应器，目前发展形成了厌氧滤池（AF）、厌氧流化床和膨胀床反应器（AFBR）、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧折流板反应器（ABR）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环厌氧反应器（IC）、上流式污泥床过滤器（UBF）、上流厌氧复合反应器(UAMR)、上流式多级厌氧反应器（UMAR）等等多种形式的反应器。其中AF、AFBR、UASB、ABR、UBF这类反应器存在上升流速低，混合、传质效率低，抗负荷冲击能力差，进水PH需控制严格等诸多问题，另外的EGSB、IC、UAMR、UMAR这类反应器，虽然上升流速快，但都属于上升沉流式的反应器，需要颗粒污泥启动和运行才能发挥其效率，然而又受制于对PH、温度的严格控制，否则颗粒污泥容易解体，造成跑泥严重，系统抗负荷冲击能力差。

发明内容

本发明针对现有污水厌氧处理反应器的不足，提供一种多级涡流自循环厌氧反应器，该反应器实现了多种运行模式的多级涡流自循环传质，增强了系统反应区浓度梯度，循环流速快且量大，可以用絮状污泥启动，反应器对PH和温度耐受区间宽，系统抗负荷冲击能力强，进水可以连续进水也可脉冲式进水，反应器在进水与间歇时，均能结合工况与水质特点，采用多级内部涡流自循环运行模式或外部动力辅助多级涡流自循环运行模式或外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式的任一种或两种或三种的交替运行模式，特别适合高、中、低浓度污水的厌氧高效处理。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

多级涡流自循环厌氧反应器，该反应器为柱状的罐体结构，包括罐体、外循环泵、内气水分离器、一级气水分离器、二级气水分离器、一级三相分离器、二级三相分离器、三级三相分离器、一级外循环喷头、二级内循环喷头、三级内循环喷头、进水喷头、一级上升管、二级上升管、三级上升管、一级回流管、二级回流管、进水管、外循环进水管、外循环出水管、沼气管、管道射流器、内导流板、中导流板、出水堰、进水阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀、外循环进水阀、控制系统；

一级三相分离器、二级三相分离器和三级三相分离器都安装在罐体中，二级三相分离器位于一级三相分离器上方，三级三相分离器位于二级三相分离器上方，一级三相分离器下方为一级反应区，一级反应区下方至罐底的空间为布水混合区，一级三相分离器和二级三相分离器之间为二级反应区，二级三相分离器和三级三相分离器之间为三级反应区，三级三相分离器与罐体顶部之间为沉淀出水区，

内气水分离器安装在二级反应区，一级三相分离器顶端通过管道与内气水分离器连通，外循环出水管一端连接在内气水分离器上，另一端与外循环泵的进口连接，外循环泵的出口通过三通管一路经过外循环进水阀连接至外循环进水管，另一路经过管道射流器进水阀与管道射流器的进口连接，管道射流器的出口经过管道射流器出水阀连接至外循环进水管，外循环进水管上安装有多个一级外循环喷头；外循环进水管设置于布水混合区；

一级气水分离器安装在罐体顶端，一级上升管下端连接在内气水分离器顶部，上端通过水平管连入一级气水分离器的中部，一级回流管一端连接在一级气水分离器底部，另一端连接至位于二级反应区的二级内循环喷头；

二级气水分离器安装在罐体顶端，二级上升管下端连接在二级三相分离器顶部，上端通过水平管连入二级气水分离器的中部，二级回流管一端连接在二级气水分离器底部，另一端连接至位于三级反应区的三级内循环喷头；

三级三相分离器由多块倒V型板上下错层布置而成，最上层各个倒V型板顶端分别通过管道与三级上升管下端连通，三级上升管上端通过水平管连入二级气水分离器的中部，

沼气管一端连接在一级气水分离器和二级气水分离器顶部，另一端通过三通管一路连接至管道射流器的进气口，另一路为排沼气口；

进水管设置于布水混合区，进水管上安装有进水阀和进水喷头；

所述内导流板和中导流板均为与罐体同圆心的圆弧型，内导流板和中导流板将布水混合区从罐体中心向外依次划分内旋混区、中旋混区和外旋混区。

进一步的，所述内导流板直接固定在罐底，中导流板通过支撑脚固定在罐底；内导流板和中导流板的数量均≥2片，每片所述内导流板和中导流板的弧长均≤1/4圆周，各个内导流板均匀分布在圆周上，各个中导流板也均匀分布在圆周上，内导流板和中导流板交错布置。

进一步的，还包括控制系统，控制系统与外循环泵、进水阀、排泥阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀和外循环进水阀连接以实现自动控制。

进一步的，还包括第一锥形挡流环和第二锥形挡流环；所述一级三相分离器为大径端在下小径端在上的锥形，一级三相分离器大径端与管壁之间为第一环形通道；所述二级三相分离器为大径端在下小径端在上的锥形，二级三相分离器大径端与管壁之间为第二环形通道；第一锥形挡流环设置在第一环形通道下方，第一锥形挡流环大径端在上小径端在下，第一锥形挡流环大径端固定在管壁上；第二锥形挡流环设置在第二环形通道下方，第二锥形挡流环大径端在上小径端在下，第二锥形挡流环大径端固定在管壁上。

进一步的，内气水分离器中与一级三相分离器顶端连接的管道出口高于外循环出水管与内气水分离器连接一端的管口。

进一步的，一级外循环喷头的射流方向、二级内循环喷头的射流方向、三级内循环喷头的射流方向和进水喷头的射流方向均相同且均沿罐体横截面的割线方向；所述一级上升管上端的水平管管口射流方向沿一级气水分离器横截面的割线方向，二级上升管上端的水平管管口射流方向沿二级气水分离器横截面的割线方向。

进一步的，所述外循环进水管为十字形，一级外循环喷头安装在十字形外循环进水管的各个管臂上，进水管为十字形，进水喷头安装在十字形进水管的各个管臂上，十字形外循环进水管和十字形进水管交叉布置。

进一步的，还包括环形出水堰，环形出水堰设置在罐体上端管壁上，罐体为上端敞口或密闭，出水管一端连接在环形出水堰，另一端连接至罐体外。

所述的多级涡流自循环厌氧反应器的工作方法，

运行时，进水由进水阀的启闭控制，通过进水管连接的进水喷头进入布水混合区，进水为连续进水或者脉冲式进水，反应器在进水与间歇时，均能结合工况与水质特点，采用多级内部涡流自循环运行模式、外部动力辅助多级涡流自循环运行模式或外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式的任一种或两种或三种的交替运行模式；

反应器按多级内部涡流自循环运行模式工作时，控制进水阀开启，原水通过进水管和进水喷头进入布水混合区并在一级反应区产生沼气，一级反应区内气、液、固混合水经过内气水分离器由一级上升管气提上升到一级气水分离器，固、液混合水通过一级回流管从二级内循环喷头射出进入二级反应区推动混合液形成涡流旋转下沉，一部分从第一环形通道下沉回流至一级反应区，再次与布水混合区新进水混合后产生沼气，再次被气提形成无限次周而复始的一级反应区与二级反应区内部涡流自循环工作；另一部分混合液上升进入二级三相分离器下方，被沼气形成的气提作用，由二级上升管气提上升到二级气水分离器，气、固、液混合水通过二级回流管从三级内循环喷头射出进入三级反应区推动混合液形成涡流旋转下沉，从第二环形通道再次进入二级反应区，被二级反应区产生的沼气气提形成无限次周而复始的二级反应区与三级反应区内部涡流自循环工作；一级气水分离器与二级气水分离器收集的沼气通过沼气管外排利用；与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器分离后进入沉淀出水区，污泥沉淀回流至三级反应区，清液从出水堰排出进入下一系统；

反应器按外部动力辅助多级涡流自循环运行模式工作时，

外循环泵启动，外循环进水阀开启，管道射流器进水阀、管道射流器出水阀关闭，内气水分离器内的固、液混合水通过外循环出水管，先后经外循环泵、外循环进水阀，由外循环进水管直接接入布水混合区从一级外循环喷头喷射出，推动混合水形成涡流旋转上升，形成反应器外部动力辅助的外循环工作，产生的沼气形成气提作用，把一级反应区的气、液、固混合水经内气水分离器由一级上升管气提上升到一级气水分离器，固、液混合水通过一级回流管从二级内循环喷头射出进入二级反应区推动混合液形成涡流旋转下沉，再从第一环形通道下沉回流至一级反应区，再次与布水混合区新进水混合后产生沼气，再次被气提同步形成反应器的一级反应区与二级反应区无限次周而复始的涡流自循环工作，而二级反应区与三级反应区同样按照内部涡流自循环运行模式的工况运行，同步形成二级反应区与三级反应区无限次周而复始的内部涡流自循环工作；一级气水分离器与二级气水分离器收集的沼气通过沼气管外排利用；与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器分离后进入沉淀出水区，污泥沉淀回流至三级反应区，清液从出水堰排出进入下一系统；

反应器按外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式工作时，外循环泵启动，外循环进水阀关闭，管道射流器进水阀、管道射流器出水阀开启，内气水分离器内的固、液混合水通过外循环出水管，先后经外循环泵、管道射流器进水阀、管道射流器，与管道射流器吸入的沼气混合后，再经管道射流器出水阀由外循环进水管直接接入布水混合区从一级外循环喷头喷射出，再次与布水混合区新进水混合后产生沼气，且推动混合水形成涡流旋转上升，同时由于管道射流器吸入一级气水分离器与二级气水分离器的沼气，造成一级气水分离器与二级气水分离器产生低负压，不仅提高了一级反应区内混合水的密度差，也增强了一级反应区气、液、固混合水的提升量，自动增强一级反应区与二级反应区、二级反应区与三级反应区同步形成无限次周而复始的内部涡流自循环运行模式工况，一级气水分离器与二级气水分离器收集的多余沼气通过沼气管外排利用，与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器分离后进入沉淀出水区，污泥沉淀回流至三级反应区，清液从出水堰排出进入下一系统。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

（1）多种运行模式的多级涡流自循环传质，增强了系统反应区浓度梯度，实现快速混合，传质效果优越，抗负荷冲击能力强，容积负荷高。

（2）内部自循环功能设计巧妙，利用沼气产生密度差使污泥形成多级的涡流内部自循环，能耗低。外部动力辅助循环，增强反应区的气液密度差，快速增强系统循环、混合、搅拌功能。

（3）多级的反应区混合液形成下沉式涡流旋转，系统水力剪切力大，更容易培养出厌氧颗粒污泥。

（4）可以絮状污泥启动，对PH和温度耐受区间宽。

（5）可实现多级内部涡流自循环运行模式或外部动力辅助多级涡流自循环运行模式或外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式的任一种或两种或三种的交替运行模式工作，特别适合高、中、低浓度污水的厌氧高效处理。

附图说明

图1：多级涡流自循环厌氧反应器结构示意图。

图2：布水混合区结构示意图。

图3：罐体、三级三相分离器、二级三相分离器、第二锥形挡流环与三级上升管的装配示意图。

图中：1-罐体、2-布水混合区、3-一级反应区、4-二级反应区、5-三级反应区、6-沉淀出水区、7-外循环泵、8-内气水分离器、9-一级气水分离器、10-二级气水分离器、11-一级三相分离器、12-二级三相分离器、13-三级三相分离器、14-一级外循环喷头、15-二级内循环喷头、16-三级内循环喷头、17-进水喷头、18-一级上升管、19-二级上升管、20-三级上升管、21-一级回流管、22-二级回流管、23-管道射流器、24-内旋混区、25-中旋混区、26-外旋混区、27-内导流板、28-中导流板、29-出水堰、30-进水管、31-进水阀、32-排泥管、33-排泥阀、34-外循环进水管、35-管道射流器进水阀、36-管道射流器出水阀、37-外循环进水阀、38-外循环出水管、39-沼气管、40-控制系统、第一锥形挡流环96和第二锥形挡流环95。

实施方式

下面结合实例、附图对本发明座进一步说明，本发明的实施不限于下列实施例。

实施例1

多级涡流自循环厌氧反应器，该反应器为柱状的罐体结构，包括罐体1、外循环泵7、内气水分离器8、一级气水分离器9、二级气水分离器10、一级三相分离器11、二级三相分离器12、三级三相分离器13、一级外循环喷头14、二级内循环喷头15、三级内循环喷头16、进水喷头17、一级上升管18、二级上升管19、三级上升管20、一级回流管21、二级回流管22、进水管30、外循环进水管34、外循环出水管38、沼气管39、管道射流器23、内导流板27、中导流板28、出水堰29、进水阀31、管道射流器进水阀35、管道射流器出水阀36、外循环进水阀37、控制系统40；

一级三相分离器11、二级三相分离器12和三级三相分离器13都安装在罐体1中，二级三相分离器12位于一级三相分离器11上方，三级三相分离器13位于二级三相分离器12上方，一级三相分离器11下方为一级反应区3，一级反应区3下方至罐底的空间为布水混合区2，一级三相分离器11和二级三相分离器12之间为二级反应区4，二级三相分离器12和三级三相分离器13之间为三级反应区5，三级三相分离器13与罐体1顶部之间为沉淀出水区6，

内气水分离器8安装在二级反应区4，一级三相分离器11顶端通过管道与内气水分离器8连通，外循环出水管38一端连接在内气水分离器8上，另一端与外循环泵7的进口连接，外循环泵7的出口通过三通管一路经过外循环进水阀37连接至外循环进水管34，另一路经过管道射流器进水阀35与管道射流器23的进口连接，管道射流器23的出口经过管道射流器出水阀36连接至外循环进水管34，外循环进水管34上安装有多个一级外循环喷头14；外循环进水管34设置于布水混合区2；

一级气水分离器9安装在罐体1顶端，一级上升管18下端连接在内气水分离器8顶部，上端通过水平管连入一级气水分离器9的中部，一级回流管21一端连接在一级气水分离器9底部，另一端连接至位于二级反应区4的二级内循环喷头15；

二级气水分离器10安装在罐体1顶端，二级上升管19下端连接在二级三相分离器12顶部，上端通过水平管连入二级气水分离器10的中部，二级回流管22一端连接在二级气水分离器10底部，另一端连接至位于三级反应区5的三级内循环喷头16；

三级三相分离器13由多块倒V型板上下错层布置而成，最上层各个倒V型板顶端分别通过管道与三级上升管20下端连通，三级上升管20上端通过水平管连入二级气水分离器10的中部，

沼气管39一端连接在一级气水分离器9和二级气水分离器10顶部，另一端通过三通管一路连接至管道射流器23的进气口，另一路为排沼气口；

进水管30设置于布水混合区2，进水管30上安装有进水阀31和进水喷头17；

所述内导流板和中导流板均为与罐体同圆心的圆弧型，内导流板和中导流板将布水混合区从罐体1中心向外依次划分内旋混区24、中旋混区25和外旋混区26。

进一步的，所述内导流板直接固定在罐底，中导流板通过支撑脚固定在罐底；内导流板27和中导流板28的数量均≥2片，每片所述内导流板27和中导流板28的弧长均≤1/4圆周，各个内导流板27均匀分布在圆周上，各个中导流板28也均匀分布在圆周上，内导流板27和中导流板28交错布置。

进一步的，还包括控制系统40，控制系统40与外循环泵7、进水阀31、排泥阀33、管道射流器进水阀35、管道射流器出水阀36和外循环进水阀37连接以实现自动控制。

进一步的，还包括第一锥形挡流环96和第二锥形挡流环95；所述一级三相分离器11为大径端在下小径端在上的锥形，一级三相分离器11大径端与管壁之间为第一环形通道；所述二级三相分离器12为大径端在下小径端在上的锥形，二级三相分离器12大径端与管壁之间为第二环形通道；第一锥形挡流环96设置在第一环形通道下方，第一锥形挡流环96大径端在上小径端在下，第一锥形挡流环96大径端固定在管壁上；第二锥形挡流环95设置在第二环形通道下方，第二锥形挡流环95大径端在上小径端在下，第二锥形挡流环95大径端固定在管壁上。

进一步的，内气水分离器8中与一级三相分离器11顶端连接的管道出口高于外循环出水管38与内气水分离器8连接一端的管口。

进一步的，一级外循环喷头14的射流方向、二级内循环喷头15的射流方向、三级内循环喷头16的射流方向和进水喷头17的射流方向均相同且均沿罐体1横截面的割线方向；所述一级上升管18上端的水平管管口射流方向沿一级气水分离器9横截面的割线方向，二级上升管19上端的水平管管口射流方向沿二级气水分离器10横截面的割线方向。

进一步的，所述外循环进水管34为十字形，一级外循环喷头14安装在十字形外循环进水管34的各个管臂上，进水管30为十字形，进水喷头17安装在十字形进水管30的各个管臂上，十字形外循环进水管34和十字形进水管30交叉布置。

进一步的，还包括环形出水堰29，环形出水堰29设置在罐体上端管壁上，罐体1为上端敞口或密闭，出水管一端连接在环形出水堰29，另一端连接至罐体外。

实施例2

所述的多级涡流自循环厌氧反应器的工作方法，

运行时，进水由进水阀31的启闭控制，通过进水管30连接的进水喷头17进入布水混合区2，进水为连续进水或者脉冲式进水，反应器在进水与间歇时，均能结合工况与水质特点，采用多级内部涡流自循环运行模式、外部动力辅助多级涡流自循环运行模式或外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式的任一种或两种或三种的交替运行模式；

反应器按多级内部涡流自循环运行模式工作时，控制进水阀31开启，原水通过进水管30和进水喷头17进入布水混合区2并在一级反应区3产生沼气，一级反应区3内气、液、固混合水经过内气水分离器8由一级上升管18气提上升到一级气水分离器9，固、液混合水通过一级回流管21从二级内循环喷头15射出进入二级反应区4推动混合液形成涡流旋转下沉，一部分从第一环形通道下沉回流至一级反应区3，再次与布水混合区2新进水混合后产生沼气，再次被气提形成无限次周而复始的一级反应区3与二级反应区4内部涡流自循环工作；另一部分混合液上升进入二级三相分离器12下方，被沼气形成的气提作用，由二级上升管19气提上升到二级气水分离器10，气、固、液混合水通过二级回流管22从三级内循环喷头16射出进入三级反应区5推动混合液形成涡流旋转下沉，从第二环形通道再次进入二级反应区4，被二级反应区4产生的沼气气提形成无限次周而复始的二级反应区4与三级反应区5内部涡流自循环工作；一级气水分离器9与二级气水分离器10收集的沼气通过沼气管39外排利用；与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器13分离后进入沉淀出水区6，污泥沉淀回流至三级反应区5，清液从出水堰29排出进入下一系统；

反应器按外部动力辅助多级涡流自循环运行模式工作时，

外循环泵7启动，外循环进水阀37开启，管道射流器进水阀35、管道射流器出水阀36关闭，内气水分离器8内的固、液混合水通过外循环出水管38，先后经外循环泵7、外循环进水阀37，由外循环进水管34直接接入布水混合区2从一级外循环喷头14喷射出，推动混合水形成涡流旋转上升，形成反应器外部动力辅助的外循环工作，产生的沼气形成气提作用，把一级反应区3的气、液、固混合水经内气水分离器8由一级上升管18气提上升到一级气水分离器9，固、液混合水通过一级回流管21从二级内循环喷头15射出进入二级反应区4推动混合液形成涡流旋转下沉，再从第一环形通道下沉回流至一级反应区3，再次与布水混合区2新进水混合后产生沼气，再次被气提同步形成反应器的一级反应区3与二级反应区4无限次周而复始的涡流自循环工作，而二级反应区4与三级反应区5同样按照内部涡流自循环运行模式的工况运行，同步形成二级反应区4与三级反应区5无限次周而复始的内部涡流自循环工作；一级气水分离器9与二级气水分离器10收集的沼气通过沼气管39外排利用；与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器13分离后进入沉淀出水区6，污泥沉淀回流至三级反应区5，清液从出水堰29排出进入下一系统；

反应器按外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式工作时，外循环泵7启动，外循环进水阀37关闭，管道射流器进水阀35、管道射流器出水阀36开启，内气水分离器8内的固、液混合水通过外循环出水管38，先后经外循环泵7、管道射流器进水阀35、管道射流器23，与管道射流器23吸入的沼气混合后，再经管道射流器出水阀36由外循环进水管34直接接入布水混合区2从一级外循环喷头14喷射出，再次与布水混合区2新进水混合后产生沼气，且推动混合水形成涡流旋转上升，同时由于管道射流器23吸入一级气水分离器9与二级气水分离器10的沼气，造成一级气水分离器9与二级气水分离器10产生低负压，不仅提高了一级反应区3内混合水的密度差，也增强了一级反应区3气、液、固混合水的提升量，自动增强一级反应区3与二级反应区4、二级反应区4与三级反应区5同步形成无限次周而复始的内部涡流自循环运行模式工况，一级气水分离器9与二级气水分离器10收集的多余沼气通过沼气管39外排利用，与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器13分离后进入沉淀出水区6，污泥沉淀回流至三级反应区5，清液从出水堰29排出进入下一系统。

实施例3

罐体1内自下至上依次设置有布水混合区2、一级反应区3、二级反应区4、三级反应区5、沉淀出水区6；

布水混合区2设置于一级反应区3的一级三相分离器11下部至罐体1底部，占罐体1高度的1/8-1/6，从罐体1中心向外依次设有内旋混区24、中旋混区25、外旋混区26，内旋混区24、中旋混区25分别设置内导流板27和中导流板28，内导流板27和中导流板28均为与罐体1同圆心的圆弧型，内导流板27和中导流板28数量均≥2组，内导流板27和中导流板28长均为≤1/4圆，内导流板27与中导流板28夹角≤90°布置，分别对向均匀布置，内导流板27置于罐体1底部，高度30-150厘米，中导流板28与罐体1底部间隙30-100厘米，高度30-150厘米，外循环进水管34、进水管30在内旋混区24、中旋混区25、外旋混区26分别设置进水喷头17、一级外循环喷头14，喷头出口均沿导流板和罐体1的切向顺时针均匀布置，布水混合区2的外循环进水管34与进水管30交叉45°布置，外循环进水管十字状布置距离罐体1底部50-150厘米，进水管30十字状布置距离罐体1底部30-80厘米，排泥阀33与外循环进水管34和排泥管32连接。

一级反应区3设置于布水混合区2上，占罐体1高度的1/6-2/6，设有一级三相分离器11、内气水分离器8，一级三相分离器11为30°-65°的锥形，锥顶有导管连接内气水分离器8底部并伸至内气水分离器8的中部，内气水分离器8为圆柱体结构，顶部为平顶或锥体结构，内气水分离器8底部有外循环进水管34与设置于罐体1外的外循环泵7连接，内气水分离器8顶部有一级上升管18从一级气水分离器9的中部筒壁切向连接进入。

二级反应区4设置于罐体1中上部，占罐体1高度的1/6-2/6，二级反应区4设有二级三相分离器12，二级三相分离器12为30°-65°的锥形，锥顶有二级上升管19从二级气水分离器10的中部筒壁切向连接进入。

三级反应区5设置于罐体1顶部的沉淀出水区6下，占罐体1高度的1/8-1/6，三级反应区5设有三级三相分离器13，三级三相分离器13为倒V型结构，上下错层布置，倒V型结构为30°-65°的角锥，上层角锥顶有三级上升管20与二级气水分离器10的中部筒壁切向连接进入。

沉淀出水区6位于罐体1顶部至三级三相分离器13，占罐体1高度的1/8-1/6，沉淀出水区6设有出水堰29，出水堰29包括沿罐体1四周均布的圆形与顶面的井字型或米字型布置。

一级气水分离器9设置于罐体1顶部，为圆柱体状，底部设有一级回流管21连接至二级反应区4的二级内循环喷头15，二级内循环喷头15设于二级三相分离器12下，二级内循环喷头15出口方向沿罐体1顺时针切向均匀布置，二级内循环喷头喷头15数量≥3组。

二级气水分离器10设置于罐体1顶部，为圆柱体状，底部设有二级回流管22连接三级反应区5的三级内循环喷头16，三级内循环喷头16设于三级三相分离器13下，三级内循环喷头16出口方向沿罐体1顺时针切向均匀布置，三级内循环喷头16数量≥3组，

一级气水分离器9、二级气水分离器10顶部设有联通的沼气管39，并与管道射流器23连接。

多级涡流自循环厌氧反应器可以絮状污泥启动，运行温度区间10℃-35℃，PH值3.0-9.5，容积负荷3.0-12.0kgCOD/m³.d，其外循环可连续也可间歇工作。

内导流板和中导流板交错布置，意味着，内导流板的圆弧中点与圆心的连线同中导流板的圆弧中点与圆心的连线不重合；最优的内导流板的圆弧中点与圆心的连线同中导流板28的圆弧中点与圆心的连线间隔均匀。

十字形外循环进水管34和十字形进水管30交叉布置，意味着，十字形外循环进水管34和十字形进水管30的中心重合，十字形外循环进水管34的管臂与十字形进水管30的管臂夹角不等于零，优选的，十字形外循环进水管34的管臂与十字形进水管30的管臂夹角为15~45°，一级外循环喷头14和进水喷头17在每条臂上均匀分布。

排泥管32与外循环进水管34连接，排泥管32上设有排泥阀33。

所述锥形挡流环为向罐体中心倾斜的面，锥形挡流环上方的固体下落至锥形挡流环上面时，由于重力而向罐体中心滑落。锥形挡流环从竖直方向在环形通道上的投影与环形通道重合，环形通道的内径大于上述锥形挡流环的投影的内径，因此锥形挡流环将环形通道遮挡，锥形挡流环下方的固体竖直向上运动时无法通过环形通道；使得环形通道仅能由液体和气体通过。例如，二级反应区中的固体先竖直下落至一级三相分离器上面，沿一级三相分离器的锥面向罐壁方向滑落至环形通道，再落到锥形挡流环上，沿锥形挡流环向罐体中心滑落。

Claims (9)

1.多级涡流自循环厌氧反应器，该反应器为柱状的罐体结构，其特征在于，包括罐体（1）、外循环泵（7）、内气水分离器（8）、一级气水分离器（9）、二级气水分离器（10）、一级三相分离器（11）、二级三相分离器（12）、三级三相分离器（13）、一级外循环喷头（14）、二级内循环喷头（15）、三级内循环喷头（16）、进水喷头（17）、一级上升管（18）、二级上升管（19）、三级上升管（20）、一级回流管（21）、二级回流管（22）、进水管（30）、外循环进水管（34）、外循环出水管（38）、沼气管（39）、管道射流器（23）、内导流板（27）、中导流板（28）、出水堰（29）、进水阀（31）、管道射流器进水阀（35）、管道射流器出水阀（36）、外循环进水阀（37）、控制系统（40）；

一级三相分离器（11）、二级三相分离器（12）和三级三相分离器（13）都安装在罐体（1）中，二级三相分离器（12）位于一级三相分离器（11）上方，三级三相分离器（13）位于二级三相分离器（12）上方，一级三相分离器（11）下方为一级反应区（3），一级反应区（3）下方至罐底的空间为布水混合区（2），一级三相分离器（11）和二级三相分离器（12）之间为二级反应区（4），二级三相分离器（12）和三级三相分离器（13）之间为三级反应区（5），三级三相分离器（13）与罐体（1）顶部之间为沉淀出水区（6），

内气水分离器（8）安装在二级反应区（4），一级三相分离器（11）顶端通过管道与内气水分离器（8）连通，外循环出水管（38）一端连接在内气水分离器（8）上，另一端与外循环泵（7）的进口连接，外循环泵（7）的出口通过三通管一路经过外循环进水阀（37）连接至外循环进水管（34），另一路经过管道射流器进水阀（35）与管道射流器（23）的进口连接，管道射流器（23）的出口经过管道射流器出水阀（36）连接至外循环进水管（34），外循环进水管（34）上安装有多个一级外循环喷头（14）；外循环进水管（34）设置于布水混合区（2）；

一级气水分离器（9）安装在罐体（1）顶端，一级上升管（18）下端连接在内气水分离器（8）顶部，上端通过水平管连入一级气水分离器（9）的中部，一级回流管（21）一端连接在一级气水分离器（9）底部，另一端连接至位于二级反应区（4）的二级内循环喷头（15）；

二级气水分离器（10）安装在罐体（1）顶端，二级上升管（19）下端连接在二级三相分离器（12）顶部，上端通过水平管连入二级气水分离器（10）的中部，二级回流管（22）一端连接在二级气水分离器（10）底部，另一端连接至位于三级反应区（5）的三级内循环喷头（16）；

三级三相分离器（13）由多块倒V型板上下错层布置而成，最上层各个倒V型板顶端分别通过管道与三级上升管（20）下端连通，三级上升管（20）上端通过水平管连入二级气水分离器（10）的中部，

沼气管（39）一端连接在一级气水分离器（9）和二级气水分离器（10）顶部，另一端通过三通管一路连接至管道射流器（23）的进气口，另一路为排沼气口；

进水管（30）设置于布水混合区（2），进水管（30）上安装有进水阀（31）和进水喷头（17）；

所述内导流板和中导流板均为与罐体同圆心的圆弧型，内导流板和中导流板将布水混合区从罐体（1）中心向外依次划分内旋混区（24）、中旋混区（25）和外旋混区（26）。

2.如权利要求1所述的多级涡流自循环厌氧反应器，其特征在于，还包括第一锥形挡流环（96）和第二锥形挡流环（95）；所述一级三相分离器（11）为大径端在下小径端在上的锥形，一级三相分离器（11）大径端与管壁之间为第一环形通道；所述二级三相分离器（12）为大径端在下小径端在上的锥形，二级三相分离器（12）大径端与管壁之间为第二环形通道；第一锥形挡流环（96）设置在第一环形通道下方，第一锥形挡流环（96）大径端在上小径端在下，第一锥形挡流环（96）大径端固定在管壁上；第二锥形挡流环（95）设置在第二环形通道下方，第二锥形挡流环（95）大径端在上小径端在下，第二锥形挡流环（95）大径端固定在管壁上。

3.如权利要求2所述的多级涡流自循环厌氧反应器，其特征在于，还包括控制系统（40），控制系统（40）与外循环泵（7）、进水阀（31）、排泥阀（33）、管道射流器进水阀（35）、管道射流器出水阀（36）和外循环进水阀（37）连接以实现自动控制。

4.如权利要求1~3任意一项所述的多级涡流自循环厌氧反应器，其特征在于，所述内导流板直接固定在罐底，中导流板通过支撑脚固定在罐底；内导流板（27）和中导流板（28）的数量均≥2片，每片所述内导流板（27）和中导流板（28）的弧长均≤1/4圆周，各个内导流板（27）均匀分布在圆周上，各个中导流板（28）也均匀分布在圆周上，内导流板（27）和中导流板（28）交错布置。

5.如权利要求1~3任意一项所述的多级涡流自循环厌氧反应器，其特征在于，内气水分离器（8）中与一级三相分离器（11）顶端连接的管道出口高于外循环出水管（38）与内气水分离器（8）连接一端的管口。

6.如权利要求1~3任意一项所述的多级涡流自循环厌氧反应器，其特征在于，一级外循环喷头（14）的射流方向、二级内循环喷头（15）的射流方向、三级内循环喷头（16）的射流方向和进水喷头（17）的射流方向均相同且均沿罐体（1）横截面的割线方向；所述一级上升管（18）上端的水平管管口射流方向沿一级气水分离器（9）横截面的割线方向，二级上升管（19）上端的水平管管口射流方向沿二级气水分离器（10）横截面的割线方向。

7.如权利要求1~3任意一项所述的多级涡流自循环厌氧反应器，其特征在于，所述外循环进水管（34）为十字形，一级外循环喷头（14）安装在十字形外循环进水管（34）的各个管臂上，进水管（30）为十字形，进水喷头（17）安装在十字形进水管（30）的各个管臂上，十字形外循环进水管（34）和十字形进水管（30）交叉布置。

8.如权利要求1~3任意一项所述的多级涡流自循环厌氧反应器，其特征在于，还包括环形出水堰（29），环形出水堰（29）设置在罐体上端管壁上，罐体（1）为上端敞口或密闭，出水管一端连接在环形出水堰（29），另一端连接至罐体外。

9.如权利要求1~3任意一项所述的多级涡流自循环厌氧反应器的工作方法，其特征在于，

运行时，进水由进水阀（31）的启闭控制，通过进水管（30）连接的进水喷头（17）进入布水混合区（2），进水为连续进水或者脉冲式进水，反应器在进水与间歇时，均能结合工况与水质特点，采用多级内部涡流自循环运行模式、外部动力辅助多级涡流自循环运行模式或外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式的任一种或两种或三种的交替运行模式；

反应器按多级内部涡流自循环运行模式工作时，控制进水阀（31）开启，原水通过进水管（30）和进水喷头（17）进入布水混合区（2）并在一级反应区（3）产生沼气，一级反应区（3）内气、液、固混合水经过内气水分离器（8）由一级上升管（18）气提上升到一级气水分离器（9），固、液混合水通过一级回流管（21）从二级内循环喷头（15）射出进入二级反应区（4）推动混合液形成涡流旋转下沉，一部分从第一环形通道下沉回流至一级反应区（3），再次与布水混合区（2）新进水混合后产生沼气，再次被气提形成无限次周而复始的一级反应区（3）与二级反应区（4）内部涡流自循环工作；另一部分混合液上升进入二级三相分离器（12）下方，被沼气形成的气提作用，由二级上升管（19）气提上升到二级气水分离器（10），气、固、液混合水通过二级回流管（22）从三级内循环喷头（16）射出进入三级反应区（5）推动混合液形成涡流旋转下沉，从第二环形通道再次进入二级反应区（4），被二级反应区（4）产生的沼气气提形成无限次周而复始的二级反应区（4）与三级反应区（5）内部涡流自循环工作；一级气水分离器（9）与二级气水分离器（10）收集的沼气通过沼气管（39）外排利用；与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器（13）分离后进入沉淀出水区（6），污泥沉淀回流至三级反应区（5），清液从出水堰（29）排出进入下一系统；

反应器按外部动力辅助多级涡流自循环运行模式工作时，

外循环泵（7）启动，外循环进水阀（37）开启，管道射流器进水阀（35）、管道射流器出水阀（36）关闭，内气水分离器（8）内的固、液混合水通过外循环出水管（38），先后经外循环泵（7）、外循环进水阀（37），由外循环进水管（34）直接接入布水混合区（2）从一级外循环喷头（14）喷射出，推动混合水形成涡流旋转上升，形成反应器外部动力辅助的外循环工作，产生的沼气形成气提作用，把一级反应区（3）的气、液、固混合水经内气水分离器（8）由一级上升管（18）气提上升到一级气水分离器（9），固、液混合水通过一级回流管（21）从二级内循环喷头（15）射出进入二级反应区（4）推动混合液形成涡流旋转下沉，再从第一环形通道下沉回流至一级反应区（3），再次与布水混合区（2）新进水混合后产生沼气，再次被气提同步形成反应器的一级反应区（3）与二级反应区（4）无限次周而复始的涡流自循环工作，而二级反应区（4）与三级反应区（5）同样按照内部涡流自循环运行模式的工况运行，同步形成二级反应区（4）与三级反应区（5）无限次周而复始的内部涡流自循环工作；一级气水分离器（9）与二级气水分离器（10）收集的沼气通过沼气管（39）外排利用；与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器（13）分离后进入沉淀出水区（6），污泥沉淀回流至三级反应区（5），清液从出水堰（29）排出进入下一系统；

反应器按外部动力辅助增强多级涡流自循环运行模式工作时，外循环泵（7）启动，外循环进水阀（37）关闭，管道射流器进水阀（35）、管道射流器出水阀（36）开启，内气水分离器（8）内的固、液混合水通过外循环出水管（38），先后经外循环泵（7）、管道射流器进水阀（35）、管道射流器（23），与管道射流器（23）吸入的沼气混合后，再经管道射流器出水阀（36）由外循环进水管（34）直接接入布水混合区（2）从一级外循环喷头（14）喷射出，再次与布水混合区（2）新进水混合后产生沼气，且推动混合水形成涡流旋转上升，同时由于管道射流器（23）吸入一级气水分离器（9）与二级气水分离器（10）的沼气，造成一级气水分离器（9）与二级气水分离器（10）产生低负压，不仅提高了一级反应区（3）内混合水的密度差，也增强了一级反应区（3）气、液、固混合水的提升量，自动增强一级反应区（3）与二级反应区（4）、二级反应区（4）与三级反应区（5）同步形成无限次周而复始的内部涡流自循环运行模式工况，一级气水分离器（9）与二级气水分离器（10）收集的多余沼气通过沼气管（39）外排利用，与进水量等量的被处理水经过三级三相分离器（13）分离后进入沉淀出水区（6），污泥沉淀回流至三级反应区（5），清液从出水堰（29）排出进入下一系统。