摘 要：氣、液、固混合液上升到三相分離器內(nèi)，沼氣氣泡碰到分離器下部的反射板時(shí)，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(yīng)區(qū)，另一部分隨流體沿一狹道上升，進(jìn)入沉淀區(qū)。澄清液通過(guò)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(guò)污泥回流口返回反應(yīng)區(qū)。

厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）反應(yīng)器是荷蘭Lettinga教授和他同事在20世紀(jì)80年代后期對(duì)UASB反應(yīng)器進(jìn)行改良而開(kāi)發(fā)的第三代反應(yīng)器。因具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、負(fù)荷高、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外普遍重視，已被用于多種工業(yè)有機(jī)廢水（如淀粉、啤酒、酒精、屠宰、味精、檸檬等）的處理。自EGSB開(kāi)發(fā)以來(lái)，因三相分離器是EGSB反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，而且在日益發(fā)展的三相流態(tài)化技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用前景，故反應(yīng)器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)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(jié)構(gòu)在國(guó)外仍屬專(zhuān)利，有關(guān)設(shè)計(jì)方法也是沿用UASB的設(shè)計(jì)方法。國(guó)內(nèi)已有的報(bào)道對(duì)EGSB的三相分離器大多按固液和氣液兩相分離的方法進(jìn)計(jì)設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)低濃度的有機(jī)廢水，而對(duì)于高濃度的有機(jī)廢水分高效果不太理想，出現(xiàn)污泥流失，限制了反應(yīng)器負(fù)荷的提高。因此，在高濃度有機(jī)廢水中EGSB反應(yīng)器的三相分離器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)值得探討的課題。本文運(yùn)用流體力學(xué)理論來(lái)對(duì)互相分離器進(jìn)行理論分析和優(yōu)化計(jì)算.以便對(duì)三相分離器的設(shè)計(jì)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(yīng)器的重要結(jié)構(gòu)，它對(duì)污泥床的正常運(yùn)行和獲得良好的出水水質(zhì)起著十分重要的作用。它同時(shí)具有以下兩個(gè)功能：一是收集從分離器下反應(yīng)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(lái)。要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能，在厭氧反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置的三相分離器應(yīng)滿足以下條件：

①水和污泥的混合物在進(jìn)入沉淀室之前，氣泡必須得到分離。
②沉淀區(qū)的表面負(fù)荷應(yīng)在3.0 m3／（m2·h）以下，混合液進(jìn)入沉淀區(qū)前，通過(guò)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(jié)的性質(zhì)，液流上升通過(guò)泥層時(shí)，應(yīng)有利于在沉淀器中形成污泥層。沉淀區(qū)斜壁角度要適當(dāng)，應(yīng)使沉淀在斜底上的污泥不積聚，盡快滑回反應(yīng)區(qū)內(nèi)。
④應(yīng)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。
現(xiàn)以圖1所示三相分離器為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。氣、液、固混合液上升到三相分離器內(nèi)，沼氣氣泡碰到分離器下部的反射板時(shí)，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(yīng)區(qū)，另一部分隨流體沿一狹道上升，進(jìn)入沉淀區(qū)。澄清液通過(guò)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(guò)污泥回流口返回反應(yīng)區(qū)。由于沉淀區(qū)內(nèi)液體無(wú)氣泡，故污泥回流口以上的水柱密度大于反應(yīng)器內(nèi)液體密度，使?jié)饪s后的污泥能夠返回反應(yīng)區(qū)，達(dá)到固液分離。

2 三相分離器的設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，三相分離器的設(shè)計(jì)包括沉淀區(qū)設(shè)計(jì)、回流縫設(shè)計(jì)和氣液分離設(shè)計(jì)?，F(xiàn)對(duì)矩形結(jié)構(gòu)反應(yīng)器內(nèi)的三相分離器設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

2.1 沉淀區(qū)設(shè)計(jì)
沉淀區(qū)的設(shè)計(jì)方法可參考普通二次沉淀池的設(shè)計(jì)，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(fù)荷確定，在處理高濃度的有機(jī)廢水時(shí)，由于在沉淀區(qū)的厭氧污泥與水中殘余的有機(jī)物還能產(chǎn)生生化反應(yīng)，對(duì)固液分離有一定的干擾，但EGSB反應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度也較高，不易被水流沖碎而流失，因此，表面負(fù)荷UASB（小于1.0m3/（m2·h））中的大，一般小于3.0m3/（m2·h）。對(duì)于一個(gè)已知的反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，沉淀區(qū)的面積是已知，故只須設(shè)汁沉淀區(qū)的水深。根據(jù)淺池沉降原理及工程實(shí)踐，一般沉降區(qū)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(yīng)器的沉降效率。

2.2 回流縫的設(shè)計(jì)
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(guān)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(gè)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(yīng)器進(jìn)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(diǎn)到下三角形斜面的垂直距離，即CE，m；a為反應(yīng)器寬度，即三相分流器的長(zhǎng)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(guò)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(shè)λ=b2/b，則有0＜λ＜1，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(guò)理論計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化λ值，使得v2＜v1。c可以通過(guò)調(diào)節(jié)h4來(lái)實(shí)現(xiàn)。最終確定流速池，以使回流縫的水流穩(wěn)定，污泥能順利地回流。
一個(gè)性能優(yōu)良的三相分離器應(yīng)使沉淀區(qū)的濃縮污泥能夠順利回流至反應(yīng)區(qū)，污泥在沉淀區(qū)的停留時(shí)間要短。因此分離器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是回流口的尺寸。回流口下方的污泥濃度ρms越低，沉淀區(qū)濃縮污泥回流的推動(dòng)力也越大。下三角形集氣罩回流縫面積S1減小，進(jìn)入三相分離器的氣量減小，ρms降低，但同時(shí)下三角形集氣罩回流縫處的縱向流速增大，又使ρms增加。ρms與懸浮污泥層濃度、通過(guò)回流口的氣量、液體流速及污泥沉降速度有關(guān)。ρms可參照文獻(xiàn)計(jì)算懸浮層污泥濃度的公式并通過(guò)小試實(shí)驗(yàn)歸納為下式：

ρmd為懸浮層污泥濃度，Kg［SS］/m3；Φ＇＇gd＇為單位時(shí)間每平方米懸浮層頂部產(chǎn)氣體積，m3；Φ"gd‘為單位時(shí)間每平方米反應(yīng)器產(chǎn)氣體積，m3；Ksg為單位有機(jī)物甲烷轉(zhuǎn)化量，m3［CH4］/Kg［COD］；fme為氣體中的甲烷含量；ρ0為進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度，Kg［COD］/m3；ρe為出水COD的質(zhì)量濃度，Kg［COD］/m3；vsl為污泥的界面沉降速度，m／h；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(yàn)公式表示：

 vsl＝aρ—nmd　 （8）

有機(jī)質(zhì)的厭氧消化在具有固定床性質(zhì)的污泥床和具有流化床性質(zhì)的懸浮層兩部分完成，三相分離器不參與有機(jī)質(zhì)的消化過(guò)程。在一定的有機(jī)負(fù)荷下懸浮層濃度可根據(jù)Van Der Meer等人提出的上流式反應(yīng)器厭氧消化過(guò)程的數(shù)學(xué)描述求得。這樣三相分離器的設(shè)計(jì)首先要找出ρms值最小時(shí)的λ，即可獲得集氣罩的最佳橫向尺寸。
2.3 氣液分離設(shè)計(jì)
由圖2可知，欲達(dá)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(duì)沉淀區(qū)同液分離效果的影響越小。由反應(yīng)區(qū)上升的水流從下三角形集器罩回流縫過(guò)渡到上三角形集氣罩回流縫再進(jìn)入沉淀區(qū)，其水流狀態(tài)比較復(fù)雜。當(dāng)混合液上升到A點(diǎn)后，將沿著AB方向斜面流動(dòng)，并設(shè)流速為Va，同時(shí)假定A點(diǎn)的氣泡以速度Vb垂直上升，所以氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡將沿著Va和Vb合成的方向運(yùn)動(dòng)，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(jìn)入沉淀區(qū)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(shù)等因素有關(guān)。當(dāng)氣泡的直徑很小（d＜0.1mm＝時(shí)、在氣泡周?chē)乃鞒蕦恿鳡顟B(tài)，Re＜1，這時(shí)氣泡的上升速度可用如下的斯托克斯公式計(jì)算：

　Vb＝d1g（ρL—ρG）/18μ　 （11）

式中：ρL為廢水的密度，Kg/m3；ρG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(guān)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(jù)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db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(gè)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(jìn)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(shí)濃縮污泥顆粒的沉降速度可用自由沉降速度來(lái)代替，并用下列公式來(lái)計(jì)算不同粒徑的污泥沉降速度［9］：

　 vp=（ρL—ρG）gd2p/18u　 （Re≤2）　 (13)

由vp＞v2 sinθ及vp＞v2，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。考慮到顆粒形狀不規(guī)則及仍有一定的干擾作用，實(shí)際沉降速度要比計(jì)算值低。另外，下部集氣罩最小斷面的污泥沉降速度應(yīng)高于料液縱向流速，即vsl＞v1。

3 模型算法及其設(shè)計(jì)應(yīng)用示例

在一定的反應(yīng)器負(fù)荷下，ρms為λ的單目標(biāo)函數(shù)，其優(yōu)化模型為：
目標(biāo)函數(shù)ρms＝f［Φ"gd（λ），v1（λ）］ 求λ，使得ρms最小。
約束條件O＜λ＜1。
由于目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式復(fù)雜，自變量的取值范圍不大，因此可以采用比較法來(lái)尋求，其可靠性和準(zhǔn)確性通過(guò)λ的離散密集程度來(lái)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(jié)構(gòu)尺寸。計(jì)算步驟如下：
①確定ρ0，ρe，v0；
②查Ksg，fme及有關(guān)參數(shù)；
③找出滿足ρms最小值的λ；
④由公式（1）～（7）和（9）～（13）求出b2和h4；
⑤校核。
應(yīng)用此方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室小試中EGSB反應(yīng)器的三相分離器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用此三相分離器來(lái)分離混合液中的氣體和污泥顆粒，取得了較滿意的結(jié)果。
進(jìn)水的 COD質(zhì)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(shí)間下可獲得80％的穩(wěn)定去除率，模型中有關(guān)參數(shù)由參照有關(guān)資料及菌種馴化實(shí)驗(yàn)所得如下：
Ksg=0.35 m3［CH4］／kg［COD］；fme＝0.85；
ρmd＝10kg［SS］／m3；vs1＝31m／h；
Kts＝0.2；　 dp＝0.5 mm；
ρl＝l×103kg／m3；ρp＝l.05kg／m3；
μ＝0.8×10-3N·S／m2；g＝10N／kg。
將上述參數(shù)代入式（1）～（13），可得到反應(yīng)器及三相分離器的最佳結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)果如下：
反應(yīng)器的邊長(zhǎng)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(yīng)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(shè)計(jì)采用此方法也獲得了很好的效果。它是由三層多個(gè)三相分離器單元組成的箱式設(shè)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(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用流體力學(xué)理論，根據(jù)EGSB反應(yīng)器中互相分離器的工作原理，在 Van Der Mer的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)改進(jìn)型三相分離器的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)資料及實(shí)驗(yàn)得出一些參數(shù)后，進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)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(shè)計(jì)穩(wěn)定高效的EGSB反應(yīng)器提供理論依據(jù)。

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