申请日2009.09.23
公开(公告)日2014.06.25
IPC分类号C02F3/28
摘要
本发明涉及三相分离器或沉降装置(2)或者包含所述沉降装置(2)的消化器(1)。所述沉降装置可以容纳含有液体、气体和颗粒材料的流体。所述沉降装置(2)包含沉降室(3)，其用以装满此流体。所述装置还可包含排液口(5)，其用于从所述沉降室排出液体并且安装在接近于液体水平(30)之处;流体入口(6)，其用于将所述流体供入所述沉降室(3)中;颗粒材料分离装置(7)以及所述沉降室(3)的污泥出口(8)。根据本发明的方法，将流体流供入或排出所述沉降装置(2)和沉降室(3)。根据本发明的一个方面，所述沉降室(3)的入口(6)包含用于从所述流体中分离气体的包含通道的气体分离装置(4)，所述入口(6)位于流体水平(30)附近。根据本发明的另一方面，设置进入所述沉降室的入口(6)和转接处(75)，以形成包括大体上为层状液体流的预分离流体模式。
权利要求书
1.用于含有液体、气体和颗粒材料的流体的沉降装置(2)，其包含：
-沉降室(3)，其设置用以装满所述流体;
-排液口(5)，其构造用于从所述沉降室排出液体，所述排液口(5)设置 在接近运行时的液体水平(30)处;
-流体入口(6)，其设置用以将所述流体供入所述沉降室(3)中，并且设 置在与所述排液口(5)基本上相同水平之处;
-放置在沉降室(3)和排液口(5)之间的颗粒材料分离装置(7);和
-所述沉降室(3)的污泥出口(8)，
其中所述入口(6)包含气体分离装置(4)，其设置用于从所述流体中分离 气体，所述气体分离装置(4)包含成排的倾斜平行板(13)，所述倾斜平行板(13) 叠置且平行排列，并且它们的纵轴相对于水平方向的角度使通过所述入口 (6)供给的流体沿着所述倾斜平行板倾斜地向下流动，而使气泡(34)和/或液 体中所含的颗粒材料中的轻颗粒聚集在一块或多块所述倾斜平行板(13)的 下侧，向上流动并流出在所述入口(6)处的气体分离装置(4)。
2.根据权利要求1所述的沉降装置，其中所述气体分离装置(4)包含在 接近于所述液体水平(30,H1)的高水平处的入口(6)以及位于所述沉降室(3) 中较低水平(H2)处的出口(75)。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的沉降装置，其中设置所述入口装 置(4)的倾斜平行板(13)以形成进入所述沉降室(3)中的流体的半层流。
4.根据权利要求1或2所述的沉降装置，其中所述颗粒材料分离装置 (7)包含成排的倾斜平行板(14)。
5.根据权利要求4所述的沉降装置，其中构造和设置所述气体分离装 置(4)的倾斜平行板(13)和所述颗粒材料分离装置(7)的倾斜平行板(14)，以产 生从所述入口(6)至所述沉降室(3)的向下的流体以及从所述沉降室(3)至所 述排液口(5)的向上的流体。
6.根据权利要求1或2所述的沉降装置，其中所述倾斜平行板(13,14) 的长度是50-200cm。
7.根据权利要求1或2所述的沉降装置，其中所述气体分离装置(4) 和颗粒材料分离装置(7)在所述沉降室(3)的上方相邻设置并且与所述沉降 室(3)相连。
8.根据权利要求1或2所述的沉降装置，其中所述污泥出口(8)安装在 所述沉降室(3)的底部附近并且由狭缝(15)形成。
9.根据权利要求8所述的沉降装置，其中所述污泥出口(8)至少位于经 所述入口(4,6)进入所述沉降室(3)的流体路径中或流体路径外。
10.根据权利要求4所述的沉降装置，其中所述颗粒材料分离装置(7) 和气体分离装置(4)由分离板(77)分开。
11.根据权利要求1或2所述的沉降装置，其中所述气体分离装置(4) 的倾斜板从入口(6)向下延伸到气体分离装置出口(11)，从而引导从气体分 离装置(4)排出的液体向下流。
12.根据权利要求1或2所述的沉降装置，其中所述气体分离装置(4) 的倾斜板包含垂直放置的挡板(66)以引导流体大体上向下。
13.净化器(1)，其用于需氧或厌氧净化废水，其包含：
-反应室(24)，其包含处理室(25)，如发酵室，
-根据前述权利要求中任一项所述的沉降装置(2)，其安装于所述处理 室(25)的上方，
-与所述沉降装置(2)的入口(4,6)相连的脱气室(50)，其位于液体水平 (30)的附近。
14.使用根据权利要求1-12中任一项所述的沉降装置(2)需氧或厌氧净 化废水流体的方法，所述方法包括：
-通过所述入口(6)供给流体并使所述流体斜向下流动;
-使液体中所含的气泡(34)和/或轻颗粒聚集在倾斜平行板(13)的下 侧，向上流动并从所述入口(6)排出所述气体分离装置(4);
-使剩余的流体继续向下流入所述沉降室(3)中。
15.使用配有容纳流体的沉降室(3)和放置在沉降室(3)和排液口(5)之间 的颗粒材料分离装置(7)的沉降装置(2)需氧或厌氧净化废水流体的方法，其 中将含有液体、气体和颗粒材料的流体流通过沉降室(3)供入和排出所述沉 降装置(2)，其中气体和颗粒材料在所述沉降装置中从所述流体中分离，其 中液体作为流出物经排液口(5)从所述沉降装置(2)排出，流入所述沉降装置 (2)的流体在接近于所述流体的液体水平处供给，其中通过成排的倾斜平行 板(13)从位于沉降室(3)上游的入口中的流体中分离气体，所述倾斜平行板 (13)叠置且平行排列，并且它们的纵轴相对于水平方向的角度使通过所述入 口(6)供给的流体沿着所述倾斜平行板(13)倾斜地向下流动。
16.根据权利要求15所述的方法，其中进入所述沉降室(3)的流体与从 所述沉降室(3)流向所述流出物出口(26)的排出流相邻并且方向大体上相 反。
说明书
沉降装置、包含沉降装置的净化器及厌氧或需氧净化废水的方法
本发明涉及用于含有流体、气体和颗粒材料的流体的沉降装置。本发明还涉及包含这样的沉降装置的净化器。在另一个实施方案中，本发明还涉及需氧或厌氧净化废水的方法。
此类沉降装置是现有技术已知的。EP 0820335A1中公开了一个实例。净化器和沉降装置可以用于需氧或厌氧净化废水。所述废水包含流体，其可以含有溶解的和不溶解的有机的和/或无机材料。
厌氧废水处理是不使用空气或元素氧的废水生物处理。许多应用涉及除去废水、泥浆和污泥中的有机污染物。有机污染物被厌氧微生物转化成含有甲烷和二氧化碳的气体，称为“生物气”。
在废水工程领域，通过化学氧化有机污染物所需的氧的重量来测量有机污染物。所述氧的重量被称为“化学需氧量”(COD)。COD基本上是有机物含量或浓度的量度。评价厌氧废水处理的最好方法是将其COD余值(balance)与需氧废水处理的COD余值比较。
在厌氧处理中，甲烷可以是反应产物。甲烷是重要的燃料。很小的COD被转化成污泥(小于10%)。在需氧废水处理中，通常50%以上被转化。
大部分现有设备采用上流式厌氧污泥床(UASB)或膨胀颗粒污泥床(EGSB)。
上流式厌氧污泥床(UASB)方法是高负荷方法，其通常采用含有颗粒厌氧污泥床的反应器。流入的废水均匀地分配在此床下，并且通过此生物质床向上流动。通过湍流分布和生物气生成发生生物质/底物接触。在此反应器的顶部采用三相分离器以从所述液体分离生物气和固体。UASB方法的适当运行取决于颗粒或絮凝的污泥的生长。
厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)技术是现有技术中应用的另一种技术。污泥性质关键取决于注入流/循环流的有效分配以确保通过反应器床的快速的均匀的流动和充足的生物质增长。
沉降装置可以与不同的技术(混合型反应器系统)如厌氧过滤器和/或厌氧塘组合使用。
本发明涉及所有的应用，其中流体含有气体和/或颗粒材料，并且其中三相分离器或以下沉降装置用于至少部分地从该流体中分离两相或三相。
包含本发明的沉降装置的净化方法的应用包括反应器。其实例是需氧、厌氧或缺氧的反应器。
厌氧颗粒污泥床技术是指用于厌氧处理废水的反应器概念或净化器。
本发明的(UASB/EGSB/需氧)反应器包括具有发酵室的罐。将废水分配入罐中，在一个实施方案中，所述罐为适当间隔的进口。废水向上通过(厌氧)污泥床，其中污泥中的微生物与废水底物接触。在一个实施方案中，在发酵室中发生的厌氧降解过程导致生成气体(如含有CH4和CO2的生物气)。释放的气泡向上运动产生湍流，这在无任何机械部件的情况下提供反应器混合。由于通过此流体向液体表面的上升气流，流体在发酵室中连续运动。
在反应器的顶部，在三相分离器(也称为气-液-固分离器)或沉降装置中，水相从污泥固体和气体中分离。所述三相分离器通常是气顶(gas cap)，并且沉降器位于其上。在此气顶的开口下方，可以使用挡板使气体转向至此气顶的开口。
沉降装置至少包括沉降室。来自处理(如发酵)室的流体可以进入沉降装置和沉降室。沉降室的优选的条件是相对低的湍流。存在于沉降室中的流体是相对静止的事实是指存在于该流体中的颗粒能够沉降，这些颗粒能够返回处理室。为了(进一步)分离流体中的气体和/或液体和/或颗粒物，构造并设置沉降装置。沉降装置排出物优选地含有净化的流体/液体。
发明内容
本发明的主要目的是提供分离装置，其中可以分离液体、气体和颗粒材料，从而在沉降装置的出口处收集的液体基本上不含有颗粒材料和/或，优选地，基本上不含有气体。
本发明的目的是改善在所述沉降装置中从流体中分离颗粒材料的状况。另一个目的是，相对于现有技术而言，提高分离效率和/或每单位体积 产能。
在一个实施方案中，提供沉降装置用于含有流体、气体和颗粒材料(污泥)的流体。所述沉降装置可以包含：
-沉降室，其构造用以装满所述流体;
-排液口，其用于从所述沉降室排出液体，所述排液口设置在接近运行时的液体水平处;
-流体入口，其构造用以将所述流体供入所述沉降室，并且设置在与所述排液口基本上相同水平之处;
-颗粒材料分离装置，和
-污泥出口，其用于排出含有污泥的流体。
在所述沉降装置中，通过提供一个或多个分离装置完成流体的分离。排液口处于所述沉降室的下游。所述排液口优选地是流出物排出口。液体仅在通过所述入口，通过所述分离装置和所述沉降室之后方可到达所述排出口。
所述沉降装置优选地安装在反应器中。入口和污泥出口与所述反应器连接。所述污泥出口是回流出口，其与所述入口一起使流体能够总体地循环流动。此循环的驱动力可以是所述流体中的密度差。优选地，所述流体的驱动力是所述流体的密度差，即所述沉降装置之外的流体比其内的流体含有更多气体(密度较低)。
所述入口优选地与反应器的脱气室连接。从所述脱气室进入的流体是所述流出物流量和所述污泥回流量的总和。所述流出物流也通过所述沉降室，其中颗粒从所述流体中分离，然后所述流体被排出(离开所述反应器)。流出物流量可以用进入所述反应器的流入量进行控制。
流体可以到达所述沉降室，并且颗粒材料可以与液体分离。所述颗粒材料和部分的所述流体可以通过污泥出口离开所述沉降室，该出口将密度大的材料带回所述处理室或发酵室。可以提供分离装置如颗粒材料分离装置以进一步促进分离。
在本发明的实施方案中，所述入口构件包含用于从所述流体分离气体的气体分离装置。由于所述入口构件包含所述气体分离装置，而且优选地所述入口构件由气体分离装置构成，因此，存在于所述沉降室中的气体量会更低，从而在所述颗粒材料从所述流体中进一步分离时产生小的扰动。这会提高所述沉降装置的效率。
本发明的气体分离装置包含被构造和排列以有效地从流体分离气体的装置。本发明的气体分离装置在所述流体通过所述气体分离装置过程中分离至少50%的所述流体中所含的气体。在一个优选的实施方案中，至少70%，进一步优选至少90%的气体含量从所述流体中分离。
若所述入口与所述脱气室相连，并且包含本发明的气体分离装置，则漂浮的污泥不能进入所述沉降装置/沉降室。
从现有技术已知，提供气体进入所述入口/沉降室的阈。由EP 0820335已知，提供朝向所述沉降室的向下入口。然而，这不是分离装置。它构造和设置并非用于从流体中分离气体。
本领域技术人员不会倾向于在入口中设置分离装置，因为它会部分地阻挡流体进入沉降室的流入量。然后，出人意料地发现，进一步的气体分离功能提高所述沉降装置的效率。提高的效率超过摩擦损失。
在一个实施方案中，所述气体分离装置包含通道，优选地倾斜(相对于垂直)的通道。现有技术提供包含加长通道的气体分离装置的不同实施方案。在倾斜通道中，由于浮力，气体会聚集在所述通道的上部。
在另一个实施方案中，所述气体分离装置包含接近于流体水平的入口和处于较低水平的所述沉降室中的出口。此高度的差异会为到达所述沉降室的气态部分提供阈。流体中的气泡密度较低，并且会倾向于上浮。在一个实施方案中，气体分离装置包含向下的分隔物。
在一个实施方案中，所述气体分离装置包含成排的倾斜的平行板。倾斜板或倾斜板沉降装置或Lamella沉降器能够使一部分从流体分离。流体会在此构建物的顶部供给，并且会以部分向下的方向流动。向下通过此类板结构的流动会使气体聚集于较高板的下侧附近，而颗粒材料会聚集在其间形成通道的较低板的上侧附近。在倾斜流动过程中，其中存在的气泡会上升，由于它们的上升能力，比流体的其它部分更急剧，最终会与倾斜设置的板的下侧接触。在此板下侧聚集的气泡会导致气流(向下)减缓，并且会最终逆转气态部分的流向，返向气体分离器的入口。气体的聚集会导致在上述较高板的下侧与向下流体流相反的逆流。气体会通过与其进入处同侧 的入口从板结构排出。
优选的实施方案的气体分离装置不仅会分离气泡，而且较重的颗粒会沉降在所述分离器的板上。污泥聚集在较低的板上。由于摩擦接触(污泥负荷;即kg污泥/h)，沉降板上聚集的污泥的流量低于所述板之间的流体流量。
本发明的分离装置的倾斜板通常会以相对于水平方向30°-80°的角度设置。在一个实施方案中，此角度是55°-65°。其值可取决于处理条件和要处理的流体的组成。已表明，在多种处理条件下以及对于要处理的流体的多种组成，约50°-65°的角度，例如，约55°的角度，产生良好的结果。
根据本发明，可以实现所述板之间的半层流，其中存在于流体中的颗粒可以容易地沉降，其中所述板以彼此水平间隔约2-18cm，优选地4-12cm，甚至更优选地8-13cm，叠置排列设置。所述板的长度是至少50cm，优选地80cm，在一个优选的实施方案中，至少长115cm，并在优选的实施方案中用于气体分离。在一个实施方案中，所述板至多200cm长。
根据本发明的一个方面，半层流包括接近于流体的液体部分的层流的流体流。所述流体不是湍流。优选地，进入所述沉降装置的流体流，而且优选地当流体到达沉降室时，接近于层流。以下称为半层流，其是指通常的液体层流和其它流如污泥流的组合。这些污泥流可以是层流，并且可以是相似的速度，或较低的流速，例如，由于污泥负荷和/或污泥密度。
在一个实施方案中，流体首先到达或几乎到达罐的水的水平，以下此罐的脱气室，所述罐配有本发明的沉降装置。大部分气体已从流体中释放，然后进入所述沉降装置。流体被迫沿着所述气体分离装置的倾斜板向下流。更下游接近于所述倾斜板的末端，固体继续向下流入所述沉降室。所述沉降室包含适合体积的沉降装置中的腔。
在优选的实施方案中，将污泥颗粒返回至所述处理室中。适合的出口处于所述沉降室中使得流体流出所述沉降室。在优选的实施方案中，从所述沉降装置的入口经所述沉降室的污泥颗粒流大体是非扰流。
在一个实施方案中，在所述沉降室中提供朝向所述液体排出装置的流体，其中引导朝向所述液体排出装置的流体至少部分地以与从入口进入所述沉降室的输入流相反的方向流动。在此实施方案中，进入所述分离室的输入流未被导向所述排液口。这进一步阻碍污泥颗粒到达所述排液口。在 一个实施方案中，提供排出流，使出自入口的液体流转弯流入所述沉降室中。在一个实施方案中，朝向所述排液口的流体被引导向上。
在一个实施方案中，设置形成所述沉降室的入口的气体分离装置，以具有约1.5-4倍于所述沉降装置的排液流出量的容量。
在一个实施方案中，构造和设置所述气体分离装置，以及优选地所述倾斜板，来获得进入所述沉降室的流体的半层流。优选所述半层流，因为它没有扰动，并且可以在小扰动的情况下进行后续的分离步骤。
在一个实施方案中，设置所述气体分离装置的倾斜板以产生进入所述沉降室的大体上向下的流动。在一个实施方案中，设置所述颗粒材料分离装置以产生从所述沉降室至所述排液口的大体上向上的流体。
在一个实施方案中，气体分离装置和沉降室之间的转接处提供向下的挡板。所述挡板可以将流体导向大体上垂直向下的方向。
在一个实施方案中，颗粒分离装置位于所述沉降室的下游和所述排液口的上游。
在一个实施方案中，所述气体分离装置和颗粒分离装置置于与所述沉降室相邻的位置。在一个实施方案中，流入所述沉降室的入口和流出所述沉降室的出口相邻地设置。两个分离装置都与所述沉降室相连。朝向所述排液口的排出流仅在通过所述颗粒材料分离装置之后到达排出口(流出物)。尽管本领域技术人员不会倾向于使所述流体彼此相对，但是，发现通常在所述沉降室中流体扰动仍然很低，而且实际上所述沉降室中的分离效率增大。
所述气体分离装置的出口优选地朝向远离所述颗粒分离装置的入口的方向。在一个实施方案中，所述排液装置位于所述颗粒分离装置的下游，并且要排出的液体需要最终从所述气体分离装置的流出流中得到以到达所述排液口。
在一个有利的实施方案中，出自所述气体分离装置的流出流向下，同时通过从所述向下的流体中分流出液体获得液体流。这通过不产生或产生小的扰动提高所述沉降室的分离效率。
在一个实施方案中，所述沉降室包含流体和颗粒材料的出口，在一个实施方案中，所述出口形成狭缝或纵向的开口，在一个实施方案中，包含 用于控制流出量的可调狭缝。
在一个实施方案中，所述颗粒分离装置和排气装置包含倾斜板。在一个实施方案中，倾斜平行板形成被分离板分开的气体分离装置和颗粒分离装置。所述结构是成本有效的。
根据本发明的一个方面，提供净化器，用于例如需氧或厌氧净化废水。在一个实施方案中，所述净化器包含具有反应室如发酵室的处理罐。在一个实施方案中，沉降装置是所述净化器的一部分。所述沉降装置可以设置于所述净化器的内部，或者在外部设置。在一个实施方案中，所述沉降装置单独地进行制造。在一个实施方案中，所述沉降装置包含上述沉降装置的特征的组合。所述沉降装置具有接近于所述罐的流体水平的入口。使所述沉降器的入口置于接近流体水平之处，会使所述流体在进入所述沉降装置之前总体上几乎完全被脱气，产生进入所述沉降装置的低气体流入物。
在一个实施方案中，本发明的净化器包含脱气室。所述脱气室优选地位于与沉降装置相邻或毗连之处。在一个实施方案中，富含气体的第一室与所述处理室(例如发酵室)相连。
在另一个实施方案中，气体收集装置设置在所述发酵室与所述沉降装置的沉降室的入口之间。所述气体收集装置收集所述发酵室中上升的气泡。
在脱气室的顶部，接近于流体水平之处，气体能够从流体中逸出。然后所述逸出的气体可以被排出，其后，剩下气体含量较少的流体。随后向前引导气体含量较少的流体经所述沉降装置的入口以到达所述沉降室。在一个实施方案中，因为流体通过由叠置排列的倾斜板形成的气体分离装置进行向下运动，部分的气泡可以反方向流回，从而在所述脱气室的顶部从流体中逸出，并且能够被排出。在所述沉降室和所述脱气室中沉降的颗粒借助于通过所述沉降装置(接近于与该处理室相连的沉降室的底部)的污泥出口的流体，返回至所述处理室。
使用所述净化器，废水，例如来自如酿酒厂或食品业的废水，或者含有悬浮固体的废水可以很好地被净化。
在一个实施方案中，废水从泵坑(pump pit)泵入反应器中。在进入所述反应器之前，废水可以与来自所述反应器的再循环水混合。此再循环可以提供所述反应器内部的充分混合。在废水和循环水的混合流(反应器注入流) 中可以掺入营养物和腐蚀性物质。
在一个实施方案中，产生的生物气上升至所述反应器的顶部，并且从水相中释放入所述反应器的顶部空间。优选地水和污泥流入本发明的沉降装置的气体分离器或3-相分离器中。所述反应器中的上升生物气产生所谓的气升(gas lift)。因此，比通过排液口离开所述反应器/沉降室的实际流出量更多的水流入所述沉降装置的入口。这产生通过所述气体分离器的循环。
所述反应器流出物在颗粒材料分离器中向上流动，在一个实施方案中，其由倾斜的叠置板形成，其中悬浮的细小材料从水中分离。液体作为流出物被排出，经溢流堰流入中间的流出物槽。从此槽，所述流出物经例如内部竖管(水闸)离开所述反应器，以防止生物气通过流出物管逸出。
通过使用所述沉降装置中的板式分离器，产生大的沉降表面(投影面)，由此产生更好的分离。除了去除污泥之外，经处理的废水还在所述三相分离器中被部分地脱气。
为了在所述反应器中提供充分混合，在一个实施方案中，通过低剪切泵在整个所述反应器中循环流体。在一个实施方案中，此流体循环通过有孔环进行，所述有孔环位于本发明的3相分离器/沉降装置的下方。因此，此再循环流不影响三相分离器中的上升流。
本发明还涉及使用本发明的装置厌氧或需氧净化废水的方法。
根据本发明的另一个方面，提供需氧或厌氧净化废水流体的方法，其采用配有容纳流体的沉降室的沉降装置，其中含有流体、气体和颗粒材料的流体流通过所述沉降室供给。在一个实施方案中，所述流体通过流体中的密度差提供。在本发明的方法的一个实施方案中，气体和颗粒材料在所述沉降装置中从流体中分离。所述流体经充分净化后作为流出物被排出。在一个实施方案中，所述流体包括层流，优选地，所述层流作为流体流流入所述沉降室。所述层流是无扰动湍流(其可能干扰沉降装置的沉降性质)的稳流。
所述层流优选地是竖直方向。优选地，颗粒材料沿着层流流向所述沉降室的出口返回入所述发酵室中。在一个实施方案中，排出流，优选地排出液体流被导出所述层流。优选地，预分离进入所述沉降室的流体流，例如，已部分地分离液相和固相。
优选地，液体排出流被导出进入所述沉降室的流入物。优选地所述流入流的方向是远离所述排出口的大体上相反方向。与本领域技术人员的认知相反，这样的相反的/垂直方向的流动产生很小的扰动，特别是在已完成液体和污泥相之间的分离第一步的情况中，但是分离效率改进。
根据本发明的另一个方面，提供需氧或厌氧净化废水流体的方法，其采用配有容纳所述流体的沉降室的沉降装置，其中含有流体、气体和颗粒材料的流体流通过所述沉降室供给。在沉降装置中，气体和颗粒材料从所述流体中被分离。所述液体作为流出物排出。流体流通过沉降室供入和排出所述沉降装置。在接近流体的液体水平流体流入所述沉降装置。本发明的方法的特征在于，在流体供入所述沉降室过程中，气体从流体中分离。分离气体是所述沉降装置的作用，并且从流体中有效分离气体是所述沉降装置防止气体渗入所述沉降室并在其中产生扰动的第一步。
虽然本发明在此借助于具体的实施方案进行描述，但是，本领域的阅读者能够理解，本发明不限于这些具体的实施方案。本发明包括本发明所述的发明特征(包括本文公开的指明的或隐含的任何特征)的任何组合。本申请的公开不限于随附的权利要求书所述的特征的组合，并且可以涉及本文公开的任何指明的或隐含的特征。
