摘要：三相分離器的設計是厭氧顆粒污泥膨脹床(EGSB)反應

1、摘要：三相分離器的設計是厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB ）反應器成功運行的關鍵。通過對三相分離器的工作原理與設計要求的分析，運用流體力學理論，在van Der Mer等人提出的上流式反應器廢水厭氧生物處理數(shù)學描述的基礎上，建立了一種改進結構三相分離器的設計數(shù)學模型，可以求得三相分離器的最佳結構尺寸。此設計在工程中得到了應用驗證。關鍵詞：污水處理；三相分離器；厭氧；顆粒污泥；反應器中圖分類號：X703.3 文獻標識碼：A 文章編號：1009一2455（2003）04一000504Optimized Design of Three-Phase Separator in Anaerobic Granu

2、lar-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 threephase separator of modified structure is established through analyzing the work

3、 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 upflowreactor anaerobic biological treatment of wastewater，with whichoptimum structural dimensions of three

4、-phase separators can be obtained.This design has been used and proven in engineering.Keywords:wastewater treatment;threephase separator;anaerobic;granular sludge;reactor厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）反應器是荷蘭Lettinga教授和他同事在20世紀80年代后期對UASB反應器進行改良而開發(fā)的第三代反應器。因具結構簡單、負荷高、適應性廣等特點，受到國內外普遍重視，已被用于多種工業(yè)有機廢水（如淀粉、啤酒、酒精、屠宰、味精、檸檬等

5、）的處理14。自EGSB開發(fā)以來，因三相分離器是EGSB反應器穩(wěn)定運行的關鍵，而且在日益發(fā)展的三相流態(tài)化技術中也有著廣泛的應用前景，故反應器的設計重點集中在氣一液一固三相分離器方面。但到目前為止，用于大規(guī)模生產(chǎn)的三相分離器結構在國外仍屬專利，有關設計方法也是沿用UASB的設計方法。國內已有的報道對EGSB的三相分離器大多按固液和氣液兩相分離的方法進計設計5，主要是針對低濃度的有機廢水，而對于高濃度的有機廢水分高效果不太理想，出現(xiàn)污泥流失，限制了反應器負荷的提高。因此，在高濃度有機廢水中EGSB反應器的三相分離器設計是一項值得探討的課題。本文運用流體力學理論來對互相分離器進行理論分析和優(yōu)化計算.

6、以便對三相分離器的設計提供理論依據(jù)。1 三相分離器的基本要求及工作原理三相分離器是EGSB反應器的重要結構，它對污泥床的正常運行和獲得良好的出水水質起著十分重要的作用。它同時具有以下兩個功能：一是收集從分離器下反應室產(chǎn)生的沼氣；二是使得在分離器之上的懸浮物沉淀下來。要實現(xiàn)這兩個功能，在厭氧反應器內設置的三相分離器應滿足以下條件：水和污泥的混合物在進入沉淀室之前，氣泡必須得到分離。沉淀區(qū)的表面負荷應在3.0 m3（m2·h）以下，混合液進入沉淀區(qū)前，通過入流孔道的流速不大于顆粒污泥的沉降速度。由于厭氧污泥具有凝結的性質，液流上升通過泥層時，應有利于在沉淀器中形成污泥層。沉淀區(qū)斜壁角度要

7、適當，應使沉淀在斜底上的污泥不積聚，盡快滑回反應區(qū)內。應防止氣室產(chǎn)生大量的泡沫；并控制氣室的高度，防止浮渣堵塞出氣管?，F(xiàn)以圖1所示三相分離器為例來說明其工作原理。氣、液、固混合液上升到三相分離器內，沼氣氣泡碰到分離器下部的反射板時，折向氣室而被有效地分離排出，與固、液分離。與氣泡分離后的污泥在重力作用下一部分落回反應區(qū)，另一部分隨流體沿一狹道上升，進入沉淀區(qū)。澄清液通過溢流堰排出，污泥在沉淀區(qū)絮凝、沉降和濃縮，然后沿斜壁下滑，通過污泥回流口返回反應區(qū)。由于沉淀區(qū)內液體無氣泡，故污泥回流口以上的水柱密度大于反應器內液體密度，使?jié)饪s后的污泥能夠返回反應區(qū)，達到固液分離。2 三相分離器的設計一般來說

8、，三相分離器的設計包括沉淀區(qū)設計、回流縫設計和氣液分離設計。現(xiàn)對矩形結構反應器內的三相分離器設計進行闡述。2.1 沉淀區(qū)設計沉淀區(qū)的設計方法可參考普通二次沉淀池的設計6，主要考慮沉淀面積和水深。沉淀池的面積根據(jù)廢水量和沉淀區(qū)的表面負荷確定，在處理高濃度的有機廢水時，由于在沉淀區(qū)的厭氧污泥與水中殘余的有機物還能產(chǎn)生生化反應，對固液分離有一定的干擾，但EGSB反應器中的顆粒污泥比UASB中的絮狀污泥直徑大，凝聚和沉降性能好，機械強度也較高，不易被水流沖碎而流失，因此，表面負荷UASB（小于1.0m3/（m2·h）中的大，一般小于3.0m3/（m2·h）。對于一個已知的反應器來說

9、，沉淀區(qū)的面積是已知，故只須設汁沉淀區(qū)的水深。根據(jù)淺池沉降原理及工程實踐，一般沉降區(qū)的體積是總體積的1520，這樣不僅能收集部分沼氣，而且能提高反應器的沉降效率。2.2 回流縫的設計由圖2可知，三相分離器由上、下兩組三角形集氣罩所組成，根據(jù)幾何關系可得：tg=h3/b1 (1)b2=b2b1 (2)v1=Q/S1 (3)S1=ab2 (4)v2=Q/S2 (5)S2=2ca(6)其中為下三角形集氣罩斜面的水平夾角，一般采用45600，為了利于回流，取600；h3為下三角形集氣罩的垂直高度，m；b1為下三角形集氣罩的12寬度，m；b2為兩個下三角形集氣罩之間的水平距離，即污泥的回流縫之一，m；b

10、為單元三相分離器的寬度，m；Q為反應器進水流量，m3h；S1為下三角形集氣罩回流縫的總面積，m2；S2為上三角形集氣罩回流縫的總面積，m2；c為 C點到下三角形斜面的垂直距離，即CE，m；a為反應器寬度，即三相分流器的長度，m；v1下三角形集氣罩之間的污泥回流縫中混合液的上升流速，m/h；v2為混合液通過上三角形集氣罩與下三角集氣罩之間回流縫的流速，mh；v0為廢水的上升流速，mh。設=b2/b，則有01，為了使回流縫和沉淀區(qū)的水流穩(wěn)定，確保良好的固液分離效果和污泥的順利回流，通過理論計算和工程經(jīng)驗來優(yōu)化值，使得v2v1。c可以通過調節(jié)h4來實現(xiàn)。最終確定流速池，以使回流縫的水流穩(wěn)定，污泥能順

11、利地回流。一個性能優(yōu)良的三相分離器應使沉淀區(qū)的濃縮污泥能夠順利回流至反應區(qū)，污泥在沉淀區(qū)的停留時間要短。因此分離器設計的關鍵是回流口的尺寸?；亓骺谙路降奈勰酀舛冉切渭瘹庹只亓骺p處的縱向流速增大，又使流速及污泥沉降速度有關。ms可參照文獻ms越低，沉淀區(qū)濃縮污泥回流的ms降低，但同時下三推動力也越大。下三角形集氣罩回流縫面積S1減小，進入三相分離器的氣量減小，7ms增加。ms與懸浮污泥層濃度、通過回流口的氣量、液體計算懸浮層污泥濃度的公式并通過小試實驗歸納為下式：3md為懸浮層污泥濃度，KgSS/m；gd為單位時間每平方米懸浮層頂部產(chǎn)氣體積，m3；"gd為單位時間每平方米反應器產(chǎn)氣體積

12、，m3；Ksg為單位有機物甲烷轉化量，m3CH4/KgCOD；fme為氣體中的甲烷含量；0為進水COD的質量濃度，KgCOD/m3；e為出水COD的質量濃度，KgCOD/m3；vsl為污泥的界面沉降速度，mh；Kls為污泥模型常數(shù)。集氣罩最小斷面的污泥濃度較高，而且被上升氣體夾帶到這一部分的污泥沉降性較差，污泥的沉降為擁擠沉降。污泥的界面沉降速度可用下列經(jīng)驗公式表示vslan7： md （8）有機質的厭氧消化在具有固定床性質的污泥床和具有流化床性質的懸浮層兩部分完成，三相分離器不參與有機質的消化過程。在一定的有機負荷下懸浮層濃度可根據(jù)Van Der Meer等人提出的上流式反應器厭氧消化過程的

13、數(shù)學描述求得。這樣三相分離器的設計首先要找出佳橫向尺寸。2.3 氣液分離設計由圖2可知，欲達到氣液分離的目的，上下三角形集氣罩的斜邊必須重疊，重疊的水平距離越大，氣體分離效果越好，去除氣泡的直徑越小，對沉淀區(qū)同液分離效果的影響越小。由反應區(qū)上升的水流從下三角形集器罩回流縫過渡到上三角形集氣罩回流縫再進入沉淀區(qū)，其水流狀態(tài)比較復雜。當混合液上升到A點后，將沿著AB方向斜面流動，并設流速為Va，同時假定A點的氣泡以速度Vb垂直上升，所以氣泡的運動軌跡將沿著Va和Vb合成的方向運動，根據(jù)速度的平行四邊形法則，有：Vb/Va=BC/AB (9)要使氣泡分離后不進入沉淀區(qū)的必要條件是： ms值最小時的，

14、即可獲得集氣罩的最Vb/VaBC/AB （10）氣泡上升速度Vb與其直徑、水溫、液體和氣體的密度、廢水的粘度系數(shù)等因素有關。當氣泡的直徑很?。╠0.1mm時、在氣泡周圍的水流呈層流狀態(tài)，Re1，這時氣泡的上升速度可用如下的斯托克斯公式計算：Vbd1g（LG）/18 （11）式中：33L為廢水的密度，Kg/m；G為氣泡的密度，Kg/m。由圖二可知，如果c已知，則 BCccos，由式（10），可求得AB，而上三角形集氣罩的高滿足如下的關系式：ABcos+b/2=h4ctg （12）從而可以求得h4。從式（12）可以看出，h4 是依據(jù)而變化的。b1已由前面確定，這樣給定縫隙寬度C即可求出脫除直徑為d

15、b的氣泡所需最小h4。h4越大，上三角形集氣罩的覆蓋面就越寬，氣體的分離效果就越好，去除的氣泡也越小。但h4不能太大，否則上下兩個三角形集氣罩之間的截面面積減少，從而使得流經(jīng)該截面的流速V2高于3m/h，使?jié)饪s污泥回流困難。由于三相混合液在進入三相分離器前大部分氣體已被排除，沉淀區(qū)下方污泥濃度較低，氣量也少，此時濃縮污泥顆粒的沉降速度可用自由沉降速度來代替，并用下列公式來計算不同粒徑的污泥沉降速度vp=（2LG）gdp/18u 9： （Re2） (13)由vpv2 sin及vpv2，即可求出使?jié)饪s污泥能夠順利回流的上部集氣罩最小斷面面積。從而求出上三角形集氣罩的高度?？紤]到顆粒形狀不規(guī)則及仍有

16、一定的干擾作用，實際沉降速度要比計算值低。另外，下部集氣罩最小斷面的污泥沉降速度應高于料液縱向流速，即vslv1。3 模型算法及其設計應用示例在一定的反應器負荷下，目標函數(shù)msf"gd（ms為的單目標函數(shù)，其優(yōu)化模型為： ms最小。 ），v1（） 求，使得約束條件O1。由于目標函數(shù)的表達式復雜，自變量的取值范圍不大，因此可以采用比較法來尋求，其可靠性和準確性通過的離散密集程度來保證。確定下三角形的回流縫寬度以后，就可以求得分離器的其它結構尺寸。計算步驟如下：確定0，e，v0；查Ksg，fme及有關參數(shù)；找出滿足校核。應用此方法對實驗室小試中EGSB反應器的三相分離器進行了設計，用此三

17、相分離器來分離混合液中的氣體和污泥顆粒，取得了較滿意的結果。進水的 COD質量濃度為 4 000 mgL，廢水的上升流速為6 mh，在一定的水力停留時間下可獲得ms最小值的； 由公式（1）（7）和（9）（13）求出b2和h4；80的穩(wěn)定去除率，模型中有關參數(shù)由參照有關資料及菌種馴化實驗所得如下：Ksg=0.35 m3CH4kgCOD；fme0.85；md10kgSSm3；vs131mh；Kts0.2； dp0.5 mm；ll×103kgm3；pl.05kgm3；0.8×10-3N·Sm2；g10Nkg。將上述參數(shù)代入式（1）（13），可得到反應器及三相分離器的最佳

18、結構尺寸，結果如下： 反應器的邊長b16cm；v06mh；=0.38；b26cm；b15cm；Cl.5Cm；BC3cm；AB3cm；h47.5 cm由上述尺寸確定的三相分離器可脫除直徑為0.lmm以上的氣泡，并能使直徑為 0.5 mm的顆粒污泥順利返回反應區(qū)。海南某淀粉廠黃漿廢水EGSB處理工藝中三相分離器的設計采用此方法也獲得了很好的效果。它是由三層多個三相分離器單元組成的箱式設備，具體的單元尺寸為：b100cm；b130Cm；b240cm；=0.4；h452cm；BC35cm；AB20cm4 結語本文運用流體力學理論，根據(jù)EGSB反應器中互相分離器的工作原理，在 Van Der Mer的數(shù)學模型基礎上，建立了一個改進型三相分離器的數(shù)學模型，通過資料及實驗得出一些參數(shù)后，進行了優(yōu)化計算，得出了較為合理的回流縫尺寸和三角形集氣罩的高度，為設計穩(wěn)定高效的EGSB反應器提供理論依據(jù)。 參考文獻：1賀延齡 廢水的厭氧生物處理M北京