顏智勇，胡勇有，凌霄
（華南理廠大學 造紙與環境廠程學院，廣東 廣州 510641）

　　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

　　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，已被用于多種工業有機廢水（如淀粉、啤酒、酒精、屠宰、味精、檸檬等）的處理^［1—4］。自EGSB開發以來，因三相分離器是EGSB反應器穩定運行的關鍵，而且在日益發展的三相流態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，用于大規模生產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化計算.以便對三相分離器的設計提供理論依據。

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：
　　①水和污泥的混合物在進入沉淀室之前，氣泡必須得到分離。
　　②沉淀區的表面負荷應在3.0 m³／（m²·h）以下，混合液進入沉淀區前，通過入流孔道的流速不大于顆粒污泥的沉降速度。
　　③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。沉淀區斜壁角度要適當，應使沉淀在斜底上的污泥不積聚，盡快滑回反應區內。
　　④應防止氣室產生大量的泡沫；并控制氣室的高度，防止浮渣堵塞出氣管。
　　現以圖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，另一部分隨流體沿一狹道上升，進入沉淀區。澄清液通過溢流堰排出，污泥在沉淀區絮凝、沉降和濃縮，然后沿斜壁下滑，通過污泥回流口返回反應區。由于沉淀區內液體無氣泡，故污泥回流口以上的水柱密度大于反應器內液體密度，使濃縮后的污泥能夠返回反應區，達到固液分離。

2 三相分離器的設計

　　一般來說，三相分離器的設計包括沉淀區設計、回流縫設計和氣液分離設計。現對矩形結構反應器內的三相分離器設計進行闡述。
2.1 沉淀區設計
　　沉淀區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。沉淀池的面積根據廢水量和沉淀區的表面負荷確定，在處理高濃度的有機廢水時，由于在沉淀區的厭氧污泥與水中殘余的有機物還能產生生化反應，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，沉淀區的面積是已知，故只須設汁沉淀區的水深。根據淺池沉降原理及工程實踐，一般沉降區的體積是總體積的15％－20％，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，根據幾何關系可得：

　　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為下三角形集氣罩斜面的水平夾角，一般采用45－60⁰，為了利于回流，θ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1／2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為單元三相分離器的寬度，m；Q為反應器進水流量，m³／h；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，m／h；v₀為廢水的上升流速，m／h。
　　設λ=b₂/b，則有0＜λ＜1，為了使回流縫和沉淀區的水流穩定，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驗來優化λ值，使得v₂＜v₁。c可以通過調節h₄來實現。最終確定流速池，以使回流縫的水流穩定，污泥能順利地回流。
　　一個性能優良的三相分離器應使沉淀區的濃縮污泥能夠順利回流至反應區，污泥在沉淀區的停留時間要短。因此分離器設計的關鍵是回流口的尺寸。回流口下方的污泥濃度ρ_ms越低，沉淀區濃縮污泥回流的推動力也越大。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，ρ_ms降低，但同時下三角形集氣罩回流縫處的縱向流速增大，又使ρ_ms增加。ρ_ms與懸浮污泥層濃度、通過回流口的氣量、液體流速及污泥沉降速度有關。ρ_ms可參照文獻^［7］計算懸浮層污泥濃度的公式并通過小試實驗歸納為下式：

　　ρ_md為懸浮層污泥濃度，Kg［SS］/m³；Φ＇＇_gd＇為單位時間每平方米懸浮層頂部產氣體積，m³；Φ"_gd‘為單位時間每平方米反應器產氣體積，m³；Ksg為單位有機物甲烷轉化量，m³［CH4］/Kg［COD］；f_me為氣體中的甲烷含量；ρ₀為進水COD的質量濃度，Kg［COD］/m³；ρ_e為出水COD的質量濃度，Kg［COD］/m³；v_sl為污泥的界面沉降速度，m／h；K_ls為污泥模型常數。
　　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驗公式表示^［7］：

　　 v_sl＝aρ^—n_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Van Der Meer等人提出的上流式反應器厭氧消化過程的數學描述求得。這樣三相分離器的設計首先要找出ρ_ms值最小時的λ，即可獲得集氣罩的最佳橫向尺寸。
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，對沉淀區同液分離效果的影響越小。由反應區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，其水流狀態比較復雜。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的必要條件是：

　　Vb/Va＞BC/AB　　　　　　 （10）

　　氣泡上升速度Vb與其直徑、水溫、液體和氣體的密度、廢水的粘度系數等因素有關。當氣泡的直徑很小（d＜0.1mm＝時、在氣泡周圍的水流呈層流狀態，Re＜1，這時氣泡的上升速度可用如下的斯托克斯公式計算：

　　　Vb＝d₁g（ρ_L—ρ_G）/18μ　　　 （11）

　　式中：ρ_L為廢水的密度，Kg/m³；ρ_G為氣泡的密度，Kg/m³。

　　由圖二可知，如果c已知，則 BC＝c／cosθ，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：

　　ABcosθ+bλ/2=h₄ctgθ　　　　　　　 （12）

　　從而可以求得h₄。從式（12）可以看出，h₄ 是依據λ而變化的。

　　b₁已由前面λ確定，這樣給定縫隙寬度C即可求出脫除直徑為d_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，從而使得流經該截面的流速V2高于3m/h，使濃縮污泥回流困難。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^［9］：

　　　 v_p=（ρ_L—ρ_G）gd²_p/18u　 （Re≤2）　　　 (13)

　　由v_p＞v₂ sinθ及v_p＞v₂，即可求出使濃縮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。考慮到顆粒形狀不規則及仍有一定的干擾作用，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v_sl＞v₁。

3 模型算法及其設計應用示例

　　在一定的反應器負荷下，ρ_ms為λ的單目標函數，其優化模型為：
　　目標函數ρ_ms＝f［Φ"_gd（λ），v₁（λ）］　　 求λ，使得ρ_ms最小。
　　約束條件O＜λ＜1。
　　由于目標函數的表達式復雜，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λ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：
　　①確定ρ₀，ρ_e，v₀；
　　②查Ksg，f_me及有關參數；
　　③找出滿足ρ_ms最小值的λ；
　　④由公式（1）～（7）和（9）～（13）求出b₂和h₄；
　　⑤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 mg／L，廢水的上升流速為6 m／h，在一定的水力停留時間下可獲得80％的穩定去除率，模型中有關參數由參照有關資料及菌種馴化實驗所得如下：
　　Ksg=0.35 m³［CH₄］／kg［COD］；f_me＝0.85；
　　ρ_md＝10kg［SS］／m3；vs₁＝31m／h；
　　Kts＝0.2；　　　 dp＝0.5 mm；
　　ρ_l＝l×10³kg／m3；ρ_p＝l.05kg／m³；
　　μ＝0.8×10^-3N·S／m²；g＝10N／kg。
　　將上述參數代入式（1）～（13），可得到反應器及三相分離器的最佳結構尺寸，結果如下：
　　反應器的邊長b＝16cm；v₀＝6m／h；λ=0.38；
　　 　　　　　 b₂＝6cm；b₁＝5cm；C＝l.5Cm；
　　　　　　 　 BC＝3cm；AB＝3cm；h4＝7.5 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。
　　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：
　　 b＝100cm；b₁＝30Cm；b₂＝40cm；λ=0.4；
　　 h₄＝52cm；BC＝35cm；AB＝20cm

4 結語

　　本文運用流體力學理論，根據EGSB反應器中互相分離器的工作原理，在 Van Der Mer的數學模型基礎上，建立了一個改進型三相分離器的數學模型，通過資料及實驗得出一些參數后，進行了優化計算，得出了較為合理的回流縫尺寸和三角形集氣罩的高度，為設計穩定高效的EGSB反應器提供理論依據。

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　作者簡介：顏智勇（1971一），男，湖南寧鄉人，在讀博士，主要從事水環境和水處理技術方面的研究，電話（020）85294582，zhyyan71@sohu.com。