厌氧颗粒污泥膨胀床中三相分离器的优化设计

厌氧颗粒污泥膨胀床中三相分离器的优化设计

颜智勇，胡勇有，凌霄

（华南理厂大学造纸与环境厂程学院，广东广州510641）

摘要：三相分离器的设计是厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB ）反应器成功运行的关键。通过对三相分离器的工作原理与设计要求的分析，运用流体力学理论，在van Der Mer等人提出的上流式反应器废水厌氧生物处理数学描述的基础上，建立了一种改进结构三相分离器的设计数学模型，可以求得三相分离器的最佳结构尺寸。此设计在工程中得到了应用验证。

关键词：污水处理；三相分离器；厌氧；颗粒污泥；反应器

中图分类号：X703.3文献标识码：A文章编号：1009一2455（2003）04一0005－04

Optimized Design of Three-Phase Separator in Anaerobic Granular-Sludge，Expanded-Bed（EGSB）Reactor

Abstract：The design of the three-phase Separator is the key to the successful running of an anaerobic granular-sludge expanded-bed（EGSB）reactor.A design mathematical model of the three－phase separator of modified structure is established through analyzing the work principle of and design requirement for three-phase separator and by applying the theory of hydrodynamics on the basis of mathematical description brought forward by Van Der Mer and others on upflow－reactor anaerobic biological treatment of wastewater，with which optimum structural dimensions of three-phase separators can be obtained.This design has been used and proven in engineering.

Keywords:wastewater treatment;three—phase separator;anaerobic;granular sludge;reactor 厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器是荷兰Lettinga教授和他同事在20世纪80年代后期对UASB反应器进行改良而开发的第三代反应器。因具结构简单、负荷高、适应性广等特点，受到国内外普遍重视，已被用于多种工业有机废水（如淀粉、啤酒、酒精、屠宰、味精、柠檬等）的处理［1—4］。自EGSB开发以来，因三相分离器是EGSB反应器稳定运行的关键，而且在日益发展的三相流态化技术中也有着广泛的应用前景，故反应器的设计重点集中在气一液一固三相分离器方面。但到目前为止，用于大规模生产的三相分离器结构在国外仍属专利，有关设计方法也是沿用UASB的设计方法。国内已有的报道对EGSB的三相分离器大多按固液和气液两相分离的方法进计设计［5］，主要是针对低浓度的有机废水，而对于高浓度的有机废水分高效果不太理想，出现污泥流失，限制了反应器负荷的提高。因此，在高浓度有机废水中EGSB反应器的三相分离器设计是一项值得探讨的课题。本文运用流体力学理论来对互相分离器进行理论分析和优化计算.以便对三相分离器的设计提供理论依据。

1 三相分离器的基本要求及工作原理

三相分离器是EGSB反应器的重要结构，它对污泥床的正常运行和获得良好的出水水质起着十分重要的作用。它同时具有以下两个功能：一是收集从分离器下反应室产生的沼气；二是使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。要实现这两个功能，在厌氧反应器内设置的三相分离器应满足以下条件：

①水和污泥的混合物在进入沉淀室之前，气泡必须得到分离。

②沉淀区的表面负荷应在3.0 m3／（m2·h）以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于颗粒污泥的沉降速度。

③由于厌氧污泥具有凝结的性质，液流上升通过泥层时，应有利于在沉淀器中形成污泥层。沉淀区斜壁角度要适当，应使沉淀在斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内。

④应防止气室产生大量的泡沫；并控制气室的高度，防止浮渣堵塞出气管。

现以图1所示三相分离器为例来说明其工作原理。气、液、固混合液上升到三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出，与固、液分离。与气泡分离后的污泥在重力作用下一部分落回反应区，另一部分随流体沿一狭道上升，进入沉淀区。澄清液通过溢流堰排出，污泥在沉淀区絮凝、沉降和浓缩，然后沿斜壁下滑，通过污泥回流口返回反应区。由于沉淀区内液体无气泡，故污泥回流口以上的水柱密度大于反应器内液体密度，使浓缩后的污泥能够返回反应区，达到固液分离。

2 三相分离器的设计

一般来说，三相分离器的设计包括沉淀区设计、回流缝设计和气液分离设计。现对矩形结构反应器内的三相分离器设计进行阐述。

2.1 沉淀区设计

沉淀区的设计方法可参考普通二次沉淀池的设计［6］，主要考虑沉淀面积和水深。沉淀池的面积根据废水量和沉淀区的表面负荷确定，在处理高浓度的有机废水时，由于在沉淀区的厌氧污泥与水中残余的有机物还能产生生化反应，对固液分离有一定的干扰，但EGSB反应器中的颗粒污泥比UASB中的絮状污泥直径大，凝聚和沉降性能好，机械强度也较高，不易被水流冲碎而流失，因此，表面负荷UASB（小于 1.0m3/（m2·h））中的大，一般小于3.0m3/（m2·h）。对于一个已知的反应器来说，沉淀区的面积是已知，故只须设汁沉淀区的水深。根据浅池沉降原理及工程实践，一般沉降区的体积是总体积的15％－20％，这样不仅能收集部分沼气，而且能提高反应器的沉降效率。

2.2 回流缝的设计

由图2可知，三相分离器由上、下两组三角形集气罩所组成，根据几何关系可得：

tgθ=h3/b1(1)

b2=b—2b1(2)

v1=Q/S1 (3)

S1=ab2(4)

v2=Q/S2(5)

S2=2ca(6)

其中θ为下三角形集气罩斜面的水平夹角，一般采用45－600，为了利于回流，θ取600；h3为下三角形集气罩的垂直高度，m；b1为下三角形集气罩的1／2宽度，m；b2为两个下三角形集气罩之间的水平距离，即污泥的回流缝之一，m；b为单元三相分离器的宽度，m；Q为反应器进水流量，m3／h；S1为下三角形集气罩回流缝的总面积，m2；S2为上三角形集气罩回流缝的总面积，m2；c为C点到下三角形斜面的垂直距离，即CE，m；a为反应器宽度，即三相分流器的长度，m；v1下三角形集气罩之间的污泥回流缝中混合液的上升流速，m/h；v2为混合液通过上三角形集气罩与下三角集气罩之间回流缝的流速，m／h；v0为废水的上升流速，m／h。

设λ=b2/b，则有0＜λ＜1，为了使回流缝和沉淀区的水流稳定，确保良好的固液分离效果和污泥的顺利回流，通过理论计算和工程经验来优化λ值，使得v2＜v1。c可以通过调节h4来实现。最终确定流速池，以使回流缝的水流稳定，污泥能顺利地回流。

一个性能优良的三相分离器应使沉淀区的浓缩污泥能够顺利回流至反应区，污泥在沉淀区的停留时间要短。因此分离器设计的关键是回流口的尺寸。回流口下方的污泥浓度ρms