訾 燦，李向東，彭 磊，陸飛鵬，鄭曉宇

(光大環(huán)境科技(中國(guó))有限公司，江蘇 南京 210007)

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器是在上流式厭氧反應(yīng)器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的高效反應(yīng)器，依靠沼氣在升流管和回流管間產(chǎn)生的密度差形成流體循環(huán)[1-4]。內(nèi)循環(huán)提高了反應(yīng)區(qū)的液相上升速度[5]，強(qiáng)化了廢水中有機(jī)物和污泥顆粒間的傳質(zhì)[6-8]，提高了處理能力[9-10]。三相分離器作為厭氧反應(yīng)器內(nèi)關(guān)鍵部件，起到氣液固三相分離的作用[11-13]，三相分離器的氣體收集效率、氣相帶水量以及污泥截留率對(duì)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)起到?jīng)Q定性作用。目前三相分離器的研究主要采用實(shí)驗(yàn)和模擬兩種手段，研究三角堰設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)對(duì)三相分離效果的影響[14-17]。但是研究過程中采用的裝置往往過于簡(jiǎn)化，一方面是所含反射板個(gè)數(shù)太少[18]；另一方面模型中將集氣室省略[19-20]，無法反映氣液固三相分離的過程，尤其是氣體收集、氣相帶水過程。因此現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)及模擬研究無法對(duì)三相分離器的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供全面的指導(dǎo)。

本研究建立三相分離器冷模裝置，采用實(shí)驗(yàn)的方法探究了氣液兩相分離過程，以闡述反應(yīng)器中氣體的分離收集過程，并探究進(jìn)氣量、進(jìn)水量對(duì)三相分離器運(yùn)行過程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括進(jìn)水系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)。進(jìn)水系統(tǒng)包括：進(jìn)水箱、進(jìn)水泵、進(jìn)水流量計(jì)，進(jìn)水泵額定流量為6.3 m3·h-1，通過進(jìn)水流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)水量，模擬厭氧反應(yīng)器進(jìn)水。進(jìn)氣系統(tǒng)包括：進(jìn)氣流量計(jì)、減壓閥，壓縮空氣經(jīng)減壓閥減壓后維持進(jìn)氣壓力為20 kPa，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量計(jì)，氣體經(jīng)3個(gè)曝氣盤進(jìn)入反應(yīng)器，曝氣盤產(chǎn)生的氣泡直徑小于2 mm。反應(yīng)器內(nèi)上升的氣液經(jīng)三相分離器分離，三相分離器收集的氣體將攜帶水進(jìn)入提升管，并由提升管進(jìn)入后續(xù)的檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)包括：濾袋、出水水箱，濾袋過濾孔徑為200目，出水水箱體積為0.5 m3。提升管內(nèi)混合流體先經(jīng)濾袋將固體顆粒攔截，然后氣體所攜帶的水進(jìn)入出水水箱，通過檢測(cè)出水水箱液位的變化反映氣相帶水量。

1.進(jìn)水箱；2.進(jìn)水泵；3.進(jìn)水流量計(jì)；4.反應(yīng)器；5.曝氣盤；6.三相分離器；7.進(jìn)氣流量計(jì)；8.氣體減壓閥；9.濾袋；10.出水水箱圖1 三相分離器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為進(jìn)水管布置截面圖。反應(yīng)器整體高度為2.1 m，直徑為1 m，三相分離器安裝高度距反應(yīng)器底部1.28 m。圖4～圖7為三相分離器結(jié)構(gòu)示意圖，三相分離器由三角堰、集氣室、提升管構(gòu)成，三角堰與集氣室連接處開有三角形通氣槽(見圖5)，氣體被三角堰收集后進(jìn)入集氣室然后由提升管排出。

圖2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 進(jìn)水管布置截面圖

圖4 三相分離器俯視圖

圖5 三相分離器A-A截面圖

圖6 三相分離器B-B截面圖

圖7 三相分離器E向視圖

實(shí)驗(yàn)過程中，厭氧反應(yīng)器由進(jìn)水及進(jìn)氣系統(tǒng)分別調(diào)節(jié)進(jìn)水量及進(jìn)氣量，模擬厭氧反應(yīng)器上升的水及沼氣，流量調(diào)節(jié)范圍均為0.4～4 m3·h-1，進(jìn)水量、進(jìn)氣量調(diào)節(jié)范圍均參照工業(yè)厭氧罐上升流速及沼氣產(chǎn)生量進(jìn)行設(shè)定。水的密度為1000 kg·m-3，粘度為0.9 m Pas，空氣密度為1.2 kg·m-3，粘度為1.8×10-5Pas，實(shí)驗(yàn)條件下溫度為25℃。此外，為了模擬厭氧反應(yīng)器內(nèi)的污泥流失過程，采用粒徑0.42 mm，密度1100 kg·m-3的橡膠粉模擬厭氧污泥。

每組實(shí)驗(yàn)固定曝氣量、進(jìn)水量、進(jìn)水方式，運(yùn)行30 min，通過檢測(cè)系統(tǒng)記錄氣相帶水量。以此考察進(jìn)水量、進(jìn)氣量對(duì)三相分離器性能如氣相帶水能力的影響。圖8～圖9為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及三相分離器實(shí)物圖。

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖9 三相分離器實(shí)物圖

2 結(jié)果與討論

2.1 三相分離器內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)

為了觀察三相分離器內(nèi)氣泡分離收集過程，首先在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行氣液兩相實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)水、進(jìn)氣量均為3 m3·h-1條件下，對(duì)三相分離器內(nèi)氣液相分離過程進(jìn)行探究，得到圖10～圖13所示結(jié)果。

圖10為反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相運(yùn)動(dòng)，氣體由反應(yīng)器下部微孔曝氣盤鼓入反應(yīng)器內(nèi)，以氣泡群的方式向上運(yùn)動(dòng)，并在切向進(jìn)水的作用下氣泡群上升路徑出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)并逐漸分散開。氣泡在三相分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程可以分為圖11～圖13所示3個(gè)階段，即氣體首先被三角堰分離收集，然后進(jìn)入集氣室，最后攜帶一定量的液體由集氣室頂部提升管排出。圖11反映了三角堰對(duì)氣泡的分離收集過程，三角堰共有三層且交錯(cuò)排放，氣泡首先經(jīng)最下層三角堰分離收集，大部分氣泡被最下層三角堰分離收集；未收集部分由三角堰兩側(cè)翻至中層三角堰并被分離收集，仍有部分未被及時(shí)分離收集的氣泡則翻至最上層，由圖11可知，絕大部分氣泡經(jīng)過三層三角堰后均被分離收集。

圖10 反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相運(yùn)動(dòng)

圖11 三角堰對(duì)氣泡的分離收集過程

三角堰分離收集氣泡在三角堰上層形成氣層，由通氣槽流入集氣室，并由集氣室上部的提升管排出，如圖12所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最下層及中間層三角堰的氣體向集氣室轉(zhuǎn)移過程較為順暢，但最上層三角堰氣體向集氣室轉(zhuǎn)移困難，并出現(xiàn)集氣室氣體向最上層三角堰倒灌的現(xiàn)象。圖13為集氣室向提升管氣體轉(zhuǎn)移的過程，集氣室收集的氣體在上部匯集，并形成較為紊亂的氣液兩相流，然后進(jìn)入提升管，并在提升管內(nèi)形成向上運(yùn)動(dòng)的氣液湍流，實(shí)現(xiàn)氣相帶水。

圖12 三角堰分離收集氣泡

圖13 集氣室向提升管氣體轉(zhuǎn)移的過程

2.2 曝氣量對(duì)三相分離器氣液兩相過程的影響

曝氣用于模擬厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生沼氣的過程，厭氧罐在運(yùn)行過程中進(jìn)水COD含量會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，沼氣產(chǎn)量也會(huì)相應(yīng)波動(dòng)，因此需要考察曝氣量對(duì)三相分離器運(yùn)行效果的影響。在進(jìn)水量為4 m3·h-1的條件下，考察了不同曝氣量(0.4～4 m3·h-1)下三相分離器的運(yùn)行特性。圖14～圖17為曝氣量為1～4 m3·h-1條件下液面處氣泡溢出情況。由圖14～圖17可知，液面處溢出氣泡數(shù)量隨曝氣量增加有所增加，但總體而言氣泡逃逸數(shù)量均很少，可認(rèn)為氣體均被三相分離器分離收集。

圖14 曝氣量4 m3·h-1時(shí)反應(yīng)器液面氣泡溢出

圖15 曝氣量3 m3·h-1時(shí)反應(yīng)器液面氣泡溢出

圖16 曝氣量2 m3·h-1時(shí)反應(yīng)器液面氣泡溢出

圖17 曝氣量1 m3·h-1時(shí)反應(yīng)器液面氣泡溢出

通過檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣相帶水量進(jìn)行收集計(jì)量，得到不同曝氣量下的氣相帶水量；并且根據(jù)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算氣相帶水能力，即單位時(shí)間單位體積氣體所能攜帶的水量。通過氣相帶水量以及氣相帶水能力反映曝氣量對(duì)三相分離器的影響，結(jié)果如圖18所示。由圖18可知，隨著曝氣量的增加，氣相帶水量逐漸增加，但是增幅逐漸減小。氣相帶水能力則隨著曝氣量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這一變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)結(jié)果一致[21]。

圖18 曝氣量對(duì)氣相帶水量及氣相帶水能力的影響

氣相帶水能力的變化與提升管內(nèi)氣液流型有關(guān)，如圖19～圖22所示。曝氣量為0.4 m3·h-1時(shí)，提升管內(nèi)氣液呈泡狀流，氣體帶水能力最弱；曝氣量增至1 m3·h-1時(shí)，提升管內(nèi)流型由泡狀流轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍?，氣相帶水能力迅速升高；隨著曝氣量進(jìn)一步增加，提升管內(nèi)氣液兩相流型依次轉(zhuǎn)變?yōu)槿闋盍骱铜h(huán)狀流，提升管內(nèi)液體提升速度變小，提升效率降低。提升管氣液流型與氣速相關(guān)，因此這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為提升管管徑設(shè)計(jì)提供參考，建議提升管內(nèi)氣液流型保持為乳狀流。彈狀流下盡管氣相帶水能力最大，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此時(shí)設(shè)備振動(dòng)明顯，應(yīng)避免該流型。

圖19 曝氣量0.4 m3·h-1時(shí)泡狀流氣泡

圖20 曝氣量1 m3·h-1時(shí)彈狀流氣泡

圖21 曝氣量2 m3·h-1時(shí)乳狀流氣泡

圖22 曝氣量4 m3·h-1時(shí)環(huán)狀流氣泡

2.3 進(jìn)水量對(duì)三相分離器氣液兩相過程的影響

現(xiàn)有內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器存在調(diào)試周期長(zhǎng)的問題，通過添加外循環(huán)能夠縮短調(diào)試周期，因此在實(shí)驗(yàn)過程中考察進(jìn)水量對(duì)三相分離器運(yùn)行的影響。在切向進(jìn)水的條件下，保持曝氣量為3 m3·h-1不變，探究進(jìn)水量(1～4 m3·h-1)對(duì)三相分離器的影響。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，不同進(jìn)水量下氣泡逃逸量均較少，即在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)反應(yīng)器進(jìn)水量對(duì)三相分離器氣泡收集效率影響很小。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在厭氧罐運(yùn)行過程中降低外循環(huán)水量無法有效減少氣泡逃逸。

此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)水量對(duì)曝氣盤曝出的氣泡運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生影響，結(jié)果如圖23～圖26所示。由圖可知，隨著切向進(jìn)水量的增加，氣泡隨切向水流旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象更加明顯。圖27為不同進(jìn)水量下氣相帶水能力的變化，由圖27可知，在曝氣量不變的情況下，氣相帶水能力不受進(jìn)水量的影響，即工業(yè)裝置在運(yùn)行過程中外循環(huán)量對(duì)內(nèi)循環(huán)水量不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖23 進(jìn)水量4 m3·h-1時(shí)氣泡上升路徑

圖24 進(jìn)水量3 m3·h-1時(shí)氣泡上升路徑

圖25 進(jìn)水量2 m3·h-1時(shí)氣泡上升路徑

圖26 曝氣量1 m3·h-1時(shí)氣泡上升路徑

圖27 不同進(jìn)水量下氣相帶水能力的變化

2.4 曝氣量及進(jìn)水量對(duì)顆粒流失影響

污泥流失是厭氧反應(yīng)器運(yùn)行過程常見的難題，對(duì)反應(yīng)器處理效率及后續(xù)處理單元均有影響。2.1～2.3小節(jié)為了更好的觀察氣泡運(yùn)行的過程采用氣液兩相進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此本小節(jié)進(jìn)一步在氣相兩相實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)添加橡膠粉模擬氣液固三相，添加橡膠粉后平均固含率為2 g·L-1，以此探究曝氣量、進(jìn)水量對(duì)顆粒跑損的影響。

圖28～圖32為不同曝氣量下氣液固三相流場(chǎng)分布。由圖可知，隨著曝氣量的增加，越來越多的固體顆粒被氣體夾帶上行，反應(yīng)器底部固體顆粒沉積量逐漸減少，反應(yīng)器透光度逐漸變差。圖33和圖34為曝氣量對(duì)顆粒跑損影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖33為各曝氣量下提升管出水中固含率及反應(yīng)器液面處固含率。提升管出水中固含率代表三相分離器下方固含率，反應(yīng)器液面固含率則為三相分離器上方固含率。將液面處固含率除以提升管出水固含率得到圖34所示的顆粒流失率。

圖28 曝氣量4 m3·h-1下氣液相三相流場(chǎng)的變化

圖29 曝氣量3 m3·h-1下氣液相三相流場(chǎng)的變化

圖30 曝氣量2 m3·h-1下氣液相三相流場(chǎng)的變化

圖31 曝氣量1 m3·h-1下氣液相三相流場(chǎng)的變化

圖32 曝氣量0.4 m3·h-1下氣液相三相流場(chǎng)的變化

圖33 曝氣量對(duì)固含率的影響

圖34 曝氣量對(duì)顆粒流失的影響

由圖33可知，隨著曝氣量的增加，提升管出水固含率不斷增加，這是因?yàn)槠貧饬考哟髮?dǎo)致更多的顆粒被流化；液面處固含率一直小于提升管出水固含率，表明三相分離器起到攔截顆粒的作用，但隨著曝氣量增加顆粒流失量不斷加大。圖34所示的顆粒流速率可知，曝氣量超過1 m3·h-1后，顆粒流失率快速增加超過50%，然后緩慢增加。這是因?yàn)槠貧饬吭龃蠛?，氣泡逃逸?shù)量增幅很小，顆粒流失率相對(duì)穩(wěn)定。

在切向進(jìn)水的條件下，保持曝氣量為3 m3·h-1不變，探究進(jìn)水量(0～3 m3·h-1)對(duì)固體顆粒流失的影響。圖35為提升管出水、反應(yīng)器液面處固含率隨進(jìn)水的變化。圖36為顆粒流失率隨進(jìn)水量的變化。由圖35和圖36可知，進(jìn)水量對(duì)提升管處及液面處固含率基本無影響，固體流失率液也無明顯變化。由2.3可知，這是因?yàn)闅馀萏右萘坎皇苓M(jìn)水量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明反應(yīng)器在運(yùn)行過程中降低外循環(huán)量無法有效減少顆粒流失。

圖35 進(jìn)水量對(duì)固含率的影響

圖36 進(jìn)水量對(duì)顆粒流失的影響

3 總結(jié)

文章采用通過建立三相分離器冷漠裝置探究了氣液分離過程。首先揭示了三相分離器內(nèi)氣體的分離收集過程，即氣體首先被多層交錯(cuò)布置的三角堰分離收集，然后由三角堰進(jìn)入集氣室，并在集氣室內(nèi)形成紊亂的氣液交界面，最后氣體進(jìn)入提升段并攜帶部分液體，在提升管內(nèi)形成向上的氣液兩相流。在揭示氣體流動(dòng)過程的基礎(chǔ)上，考察了曝氣量、進(jìn)水量對(duì)氣相帶水量、氣相帶水能力以及顆粒流失等三相分離器性能的影響。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)氣相帶水量隨曝氣量增加而增加，但氣相帶水能力出現(xiàn)先增加后降低的變化。隨著曝氣量的增加，氣相逃逸逐漸增加，顆粒流速加大。進(jìn)水量的變化對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生影響，但不影響三相分離器氣泡收集、顆粒流速等性能參數(shù)。