CN114409070B - 一种一气两用的双循环厌氧反应器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一气两用的双循环厌氧反应器及其方法，属于污水厌氧处理领域，反应器设有沼气导流提升装置、沼气收集装置，沼气提升装置在收集和提升沼气过程中，其内部泥水由上而下形成由高到低的密度差，利用沼气上升过程中产生的密度差为动力，将泥水提升至一定高度，当所提升的泥水量大于进水量时，大于进水量部分的泥水，在厌氧反应器的局部区域形成自循环A；沼气收集装置利用沼气集气过程中形成的压力为动力，将泥水提升至厌氧反应器水面以上，通过提升泥水的回流，实现自循环B，该发明不仅能提高传质效果，且对厌氧反应器高径比的要求不苛刻，在低高径比的厌氧反应器中也可实现泥水的自循环，在污水厌氧处理中具有良好的应用前景。

Description

一种一气两用的双循环厌氧反应器及其方法

技术领域

本发明涉及一种一气两用的双循环厌氧反应器及其方法，属于污水厌氧处理领域。

背景技术

良好传质是厌氧反应器高效稳定运行重要环节。目前，厌氧反应器主要通过机械搅拌、泥水外循环（EGSB工艺）、泥水自循环（IC工艺）等方式，提高传质。现有提高厌氧反应器传质的技术，一般存在能耗大（如机械搅拌和泥水外循环等）、对厌氧反应器设计及运行要求较为苛刻（如IC工艺）等问题。研发高传质、低能耗的厌氧反应器，具有重要意义。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的技术问题，提供一种高传质、低能耗的一气两用的双循环厌氧反应器及其方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种一气两用的双循环厌氧反应器，所述反应器包括进水***、布水***、出水***，其特征是，所述反应器还设有具有收集和提升沼气功能的沼气导流提升装置、具有提升泥水使泥水回流的沼气收集装置，所述沼气导流装置位于沼气收集装置下方且之间留有间隙，所述沼气提升装置在收集和提升沼气过程中，其内部泥水由上而下形成由高到低的密度差，利用沼气上升过程中产生的密度差为动力，将泥水提升至一定高度，当所提升的泥水量大于进水量时，大于进水量部分的泥水，在厌氧反应器的局部区域，以沼气导流装置为中心，由内（上升）而外（下降）形成自循环A；所述沼气收集装置利用沼气集气过程中形成的压力为动力，将泥水提升至厌氧反应器水面以上，通过提升泥水的回流，实现自循环B。

优选的，所述沼气导流装置为若干个，若干个沼气导流装置并列分布在反应器内；所述沼气导流提升装置包括集气罩、导流管，所述集气罩上方垂直连接导流管；所述集气罩呈下宽上窄形状，由下而上逐渐缩小；所述反应器内壁设有第一导流片，所述若干沼气导流装置之间分别设有第二导流片，所述第一导流片、第二导流片均设置在沼气导流装置下方，第一导流片、第二导流片将产生的沼气导入沼气导流提升装置内。

优选的，所述沼气收集装置从下至上依次设有第三导流片、若干三相分离器、集气箱、顶部水箱，所述若干三相分离器之间上下错位设置，所述第三导流片设置在反应器内壁，且位于若干三相分离器下方，所述若干三相分离器上分别设有气/液导流管，气/液导流管的另一端与集气箱顶部连接，所述集气箱与顶部水箱之间设有上升流管，上升流管的一端（进口）设置在集气箱内底部，所述集气箱的顶部设有排气管，排气管上设有排气阀，所述顶部水箱的底部设有下降流管，下降流管的另一端与布水***连接，均匀布水，沼气收集装置利用收集的沼气产生的压力为动力使泥水实现回流。

优选的，所述集气箱、顶部水箱的下降流管设置在反应器内。

优选的，所述集气箱、顶部水箱的下降流管设置在反应器外侧。

优选的，所述集气箱上沿其高度方向分别设有第一液位计、第二液位计，所述第一液位计位于集气箱顶部，可以通过第一液位计和第二液位计实现排气阀门的自动开启和关闭。

优选的，所述反应器内有主反应器设计液位、主反应器下降液位，所述集气箱的顶部设置在主反应器设计液位以下，所述顶部水箱的底部设置在主反应器的设计液位以上；所述集气箱的底部设置在上层三相分离器的顶部以上，使沼气能够顺利进入集气箱内，所述上层的三相分离器的顶部至主反应器设计液位的垂直高度（h1）大于上升流管的垂直高度（h4）；所述集气箱的顶部与主反应器设计液位垂直高度（h2）大于当反应器排出集气箱等体积水量时，主反应器下降液位与主反应器设计液位的垂直高度（h3），当排气阀在开启状态时，使反应器内泥水自动流入并装满集气箱。

一种一气两用的双循环厌氧反应器的方法，将污水经进水***进入反应器通过布水***均匀布水，污水与反应器内厌氧颗粒污泥均匀混合，产生的沼气通过第一导流片、第二导流片导流到集气罩内，在沼气导流提升过程中，在沼气导流提升装置内的泥水从下到上，形成由高到低的密度差，以沼气导流装置内形成的密度差为动力，沼气导流装置内的泥水被提升，当提升的水量大于进水***进水量时，大于进水量部分的泥水，在反应器局部区域，以沼气导流装置为中心，由内（上升）而外（下降），形成自循环A；

反应器产生的沼气再通过第三导流片，在三相分离器内经气、液、固分离后，沼气通过气/液导流管进入集气箱，分离的液体从三相分离器边缘流出，经出水***排出反应器，当开启集气箱的排气阀时，在水位差的作用下，反应器内的泥水经气/液导流管自然流入并装满集气箱，当泥水装满集气箱，如水位达到第一液位计时，关闭排气阀，沼气通过气/液导流管流入并积累在集气箱内，沼气积累过程中形成的压力，将集气箱内的泥水，经上升流管挤压提升至顶部水箱，提升至顶部水箱的泥水，经下降流管自动回流到反应器的底部，再经布水***均匀布水，完成一轮泥水自循环B；当集气箱内的水位下降到第二液位计时，通过重新开启和关闭排气阀，开始下一轮的自循环B，实现泥水自循环B。

通过本发明利用沼气实现两个自循环，一是，导流提升沼气过程中产生的密度差为动力，在厌氧反应器的局部区域，将沼气导流装置下方泥水提升至导流管的出口处，当所提升的泥水水量大于进水量时，大于进水量部分的泥水，在厌氧反应器内局部区域，以沼气导流装置为中心，由内（上升）而外（下降）形成自循环，即实现泥水第一个自循环A；二是，以沼气在集气箱内集气过程中形成的压力为动力，将集气箱内的泥水挤压提升至主反应器设计液位以上，通过所提升泥水的回流，实现泥水第二个自循环B。

本发明通过沼气导流和集气过程中，分别获得2种泥水自循环动力，实现厌氧反应器的双循环，即实现一气两用。

本发明，通过一气两用的双循环技术，充分利用厌氧反应器产生的沼气，提高厌氧反应器的传质效果。

本发明具有以下有益效果：本发明通过导流提升沼气过程中产生的密度差为动力，在厌氧反应器内局部区域，以沼气导流装置为中心，由内（上升）而外（下降），实现泥水第一个自循环A；自循环A可以提高厌氧反应器局部区域泥水传质效果，利用自循环过程中形成的下降流，促进污泥回流及抑制污泥上浮，利用导流管内形成的高剪切力，为颗粒污泥的形成创造有力条件。

本发明通过以沼气集气过程中形成的压力为动力，将集气箱内泥水挤压提升至主反应器设计液位以上，通过所提升泥水的回流，实现第二个自循环B，自循环B进一步提高厌氧反应器的传质效果，自循环水量与总产气量有关，不受产气强度的影响，沼气利用效率高；和传统IC反应器相比，该发明对厌氧反应器自循环的设计要求不苛刻，在低高径比的厌氧反应器中，也能实现泥水自循环，且运行稳定。

一气两用的双循环技术，充分利用厌氧反应器产生的沼气，提高沼气利用效率，在不需要投入额外能耗的情况下，为厌氧反应器高效稳定运行创造有利条件。

本发明结构简单、使用方便，该发明对厌氧反应器高径比的要求不苛刻，在低高径比的厌氧反应器中也可实现泥水的自循环，在污水厌氧处理中具有良好的应用前景，通过导流提升沼气过程中产生的密度差为动力，在厌氧反应器内局部区域，实现泥水第一个自循环A，提高污泥沉降速度，提高传质效果；以沼气集气过程中形成的压力为动力，将泥水挤压提升至主反应器液面以上，通过所提升泥水的回流，实现第二个自循环B，进一步提高泥水传质效果。即充分利用沼气（一气两用），优化厌氧反应器的运行条件，为厌氧反应器高效稳定运行提供技术支撑，且能耗低。

附图说明

图1是本发明集气箱、顶部水箱在反应器内的结构示意图。

图2是本发明集气箱、顶部水箱在反应器外侧的结构示意图。

图中：1进水***、2布水***、3下降流管、4第一导流片、5第二导流片、6集气罩、7三相分离器、8气/液导流管、9上升流管、10集气箱、11第三导流片、12出水***、13排气管、14导流管、15顶部水箱、16排气阀、17第一液位计、18第二液位计、19主反应器设计液位、20主反应器下降液位。

具体实施方式

下面结合附图以及附图说明书对本发明做进一步说明。

如图1、2所示，一种一气两用的双循环厌氧反应器，所述反应器包括进水***1、布水***2、出水***12，所述反应器还设有具有收集和提升沼气功能的沼气导流提升装置、具有提升泥水使泥水回流的沼气收集装置，所述沼气导流装置位于沼气收集装置下方且之间留有间隙，所述沼气提升装置在收集和提升沼气过程中，其内部泥水由上而下形成由高到低的密度差，利用沼气上升过程中产生的密度差为动力，将泥水提升至一定高度，当所提升的泥水量大于进水量时，大于进水量部分的泥水，在厌氧反应器的局部区域形成自循环A；所述沼气收集装置利用沼气集气过程中形成的压力为动力，将泥水提升至厌氧反应器水面以上，通过提升泥水的回流，实现自循环B。

本发明所述的一种一气两用的双循环厌氧反应器，包括进水***1、布水***2、出水***12、若干沼气导流提升装置、三相分离器7、集气箱10、三相分离器7与集气箱10连接的气/液导流管8、排气管13、排气阀16、上升流管9、顶部水箱15、下降流管3。

反应器从下至上依次设有若干沼气导流提升装置、三相分离器7、集气箱10、顶部水箱15，若干导流提升装置并列分布，所述沼气导流提升装置包括集气罩6、导流管14，集气罩6上方垂直连接导流管14，导流管14的出口设置在三相分离器7下方，与三相分离器7之间留有间隙，所述集气罩6呈下宽上窄形状，由下而上逐渐缩小，所述反应器内壁设有第一导流片4，若干导流装置之间分别设有第二导流片5，第一导流片4、第二导流片5均设置在沼气导流提升装置下方；利用设在集气罩6下方的第一导流片4、第二导流片5，将集气罩6下方的沼气导流到集气罩6内，在沼气导流提升过程中，在沼气导流提升装置内泥水从下到上，形成由高到低的密度差；以沼气导流装置内形成的密度差为动力，沼气导流装置内的泥水被提升，当所提升水量大于进水量时，以沼气导流装置为中心，在厌氧反应器局部区域形成自循环A。

进一步，沼气导流装置的泥水提升效率，与导流管14的管径、与垂直高度以及集气罩6面积相关，当导流管14的管径越小、垂直高度越高、集气罩6底部面积越大时，泥水提升效率越高，反之亦然。

如图1所示，所述沼气收集装置在反应器内从下至上依次设有第三导流片11、若干三相分离器7、集气箱10、顶部水箱15，所述若干三相分离器7之间上下错位设置，所述第三导流片11设置在反应器内壁，且位于若干三相分离器7下方，所述若干三相分离器7上分别设有气/液导流管8，气/液导流管8的另一端与集气箱10顶部连接，所述集气箱10与顶部水箱15之间设有上升流管9，上升流管9的一端（进口）设置在集气箱10内底部，所述集气箱10的顶部设有排气管13，排气管13上设有排气阀16，所述顶部水箱15的底部设有下降流管3，下降流管3的另一端与布水***2连接，均匀布水。

如图2所示，所述沼气收集装置在反应器内从下至上依次设有第三导流片11、若干三相分离器7、集气箱10、顶部水箱15，所述若干三相分离器7之间上下错位设置，所述第三导流片11设置在反应器内壁，且位于若干三相分离器7下方，所述若干三相分离器7上分别设有气/液导流管8，气/液导流管8的出气口与集气箱10连接，厌氧反应器产生的沼气再三相分离器7内经气、液、固分离后，进入集气箱10。反应器外侧垂直高度上从下至上依次集气箱10、顶部水箱15，集气箱10与顶部水箱15之间用上升流管9连接，上升流管9的一端（进口）设置在集气箱10内近底部；集气箱10上方连接排气管13，排气管13上设置排气阀16；顶部水箱15与反应器之间用下降流管3连接，下降流管3一端连接在反应器的近底部，均匀布水。

进一步，下降流管3管径大小，满足顶部水箱15的泥水能够顺畅回流。

进一步，集气箱10的顶部设置在主反应器设计液位19以下，顶部水箱15的底部设置在主反应器设计液位19以上，集气箱10的底部设置在上层三相分离器7的顶部以上，且上层三相分离器7的顶部至主反应器设计液位19垂直高度（h1）（见图），应大于上升流管9的垂直高度（h4），h1＞h4。其目的：一是，防止反应器产生的沼气积累在三相分离器7内或从三相分离器7基部溢出；二是，确保厌氧反应器产生的沼气，全部导入到集气箱10中。

为了确保开启集气箱10的排气阀16时，反应器的泥水自动流入集气箱10并加满，集气箱10的顶部与主反应器设计液位19垂直高度（h2）（见图），应大于反应器排出集气箱10等体积水量时，主反应器下降液位20与主反应器设计液位19之间的垂直高度h3，h2>h3。

排气阀16在开启状态时，在水位差的作用下，使反应器的泥水自然流入并装满集气箱10中。

排气阀16在关闭状态时，反应器的沼气流入并积累在集气箱10内。沼气积累过程中形成的压力，将集气箱10中的泥水，经上升流管9挤压提升至顶部水箱15。

提升至顶部水箱15的泥水，经下降流管3自动回流到反应器的底部，实现泥水自循环B。

通过控制反应器、集气箱10、顶部水箱15之间的水位差，实现三者间泥水流态控制为单向流。如反应器泥水流入集气箱10，集气箱10的泥水挤压提升至顶部水箱15，顶部水箱15泥水回流至反应器内。

综上所述，本发明以沼气积累过程中产生的压力为动力，实现了泥水在有厌氧反应器的自循环B。

实施例1

本发明中集气箱10和顶部水箱15的规格与安装，应符合设计要求，泥水在传质过程中产生沼气，在沼气导流提升装置内泥水从下到上，形成由高到低的密度差，这部分密度差为沼气导流装置内的泥水提升提供动力，使所提升水量大于进水量，以沼气导流装置为中心，在厌氧反应器局部区域形成自循环A ，沼气导流装置的泥水提升效率，与导流管14的管径与垂直高度以及集气罩10底部的面积相关，通过缩小导流管14的管径、加高垂直高度、加大集气罩6底部面积等，可提高泥水提升效率，导流管14的管径（＞3.0cm）不宜过小，以防堵塞；

自循环B，集气箱10上沿其高度方向分别设有第一液位计17、第二液位计18，具体工作流程为：一，开启排气阀16，在水位差的作用下，使反应器的泥水自然流入集气箱10，当集气箱10水位达到第一液位计17的高度时，关闭排气阀16，泥水停止流入；二，排气阀16保持关闭状态时，反应器产生的沼气流入并积累在集气箱10内，沼气积累过程中形成的压力，将集气箱10中的泥水，经上升流管9挤压提升至顶部水箱15，通过所提升泥水的回流，完成一轮自循环B，当集气箱10水位下降到第二液位计18高度时，通过重新开启和关闭排气阀16，实现下一轮的泥水自循环B。

实施例2

本发明中集气箱10和顶部水箱15的规格与安装，应符合设计要求，泥水在传质过程中产生沼气，在沼气导流提升装置内泥水从下到上，形成由高到低的密度差，这部分密度差为沼气导流装置内的泥水提升提供动力，使所提升水量大于进水量，以沼气导流装置为中心，在厌氧反应器局部区域形成自循环A ，沼气导流装置的泥水提升效率，与导流管14的管径与垂直高度、集气罩6底部面积相关，通过缩小导流管14的管径、加高垂直高度、增加集气罩6底部面积等，可提高泥水提升效率，导流管14的管径（＞3.0cm）不宜过小，以防堵塞；

自循环B，根据反应器的产气情况，按一定的时间间隔排放沼气；根据集气箱10内沼气的体积，采用人工方式控制排气阀16。通过严格控制三相分离器7、集气箱10、顶部水箱15的垂直高度，如如h1>h4、h2>h3、顶部水箱设在反应器设计液面以上等，实现自循环B的水流为单向流，即反应器的泥水自然流入集气箱10，集气箱10中的泥水挤压提升至顶部水箱15，顶部水箱15泥水回流到反应器内，三者间泥水不可倒流。

一种一气两用的双循环厌氧反应器的方法，将污水经进水***1进入反应器通过布水***2均匀布水，污水与反应器内厌氧颗粒污泥均匀混合，产生的沼气通过第一导流片4、第二导流片5导流到集气罩6内，在沼气导流提升过程中，在沼气导流提升装置内的泥水从下到上，形成由高到低的密度差，以沼气导流装置内形成的密度差为动力，沼气导流装置内的泥水被提升，当提升的水量大于进水***1进水量时，大于进水量部分的泥水，在反应器局部区域，以沼气导流装置为中心，由内而外，形成自循环A；

反应器产生的沼气再通过第三导流片11，在三相分离器7内经气、液、固分离后，沼气通过气/液导流管8进入集气箱10，分离的液体从三相分离器7边缘流出，经出水***12排出反应器，当开启集气箱10的排气阀16时，在水位差的作用下，反应器的泥水自然流入并装满集气箱10；当泥水装满集气箱10时关闭排气阀16，沼气通过气/液导流管8流入并积累在集气箱10内，沼气积累过程中形成的压力，将集气箱10中的泥水，经上升流管9挤压提升至顶部水箱15，提升至顶部水箱15的泥水，经下降流管3自动回流到反应器的底部，再经布水***2均匀布水，形成一轮泥水自循环B；当集气箱10内的水位下降到第二液位计18时，通过重新开启和关闭排气阀16，开始下一轮的自循环B，以此实现泥水自循环B。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，然而并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，可利用上述揭示的技术内容对本发明做出可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，在未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均落在本发明技术方案保护范围内。

Claims (6)

1.一种一气两用的双循环厌氧反应器，所述反应器包括进水***（1）、布水***（2）、出水***（12），其特征是，所述反应器还设有具有收集和提升沼气功能的沼气导流提升装置、具有提升泥水使泥水回流的沼气收集装置，所述沼气导流装置位于沼气收集装置下方且之间有间隙，所述沼气提升装置在收集和提升沼气过程中，其内部泥水由上而下形成由高到低的密度差，利用沼气上升过程中产生的密度差为动力，将泥水提升至一定高度，当所提升的泥水量大于进水量时，大于进水量部分的泥水，在厌氧反应器的局部区域形成自循环A；所述沼气收集装置利用沼气集气过程中形成的压力为动力，将泥水提升至厌氧反应器水面以上，通过提升泥水的回流，实现自循环B；

所述沼气收集装置从下至上依次设有第三导流片（11）、若干三相分离器（7）、集气箱（10）、顶部水箱（15），所述若干三相分离器（7）之间上下错位设置，所述第三导流片（11）设置在反应器内壁，且位于若干三相分离器（7）下方，所述若干三相分离器（7）上分别设有气/液导流管（8），气/液导流管（8）的另一端与集气箱（10）顶部连接，所述集气箱（10）与顶部水箱（15）之间设有上升流管（9），上升流管（9）的一端设置在集气箱（10）内底部，所述集气箱（10）的顶部设有排气管（13），排气管（13）上设有排气阀（16），所述顶部水箱（15）的底部设有下降流管（3），下降流管（3）的另一端与布水***（2）连接；

所述沼气导流装置为若干个，若干个沼气导流装置并列分布在反应器内；所述沼气导流提升装置包括集气罩（6）、导流管（14），所述集气罩（6）上方垂直连接导流管（14）；

所述集气罩（6）呈下宽上窄形状，由下而上逐渐缩小；

所述反应器内有主反应器设计液位（19）、主反应器下降液位（20），所述集气箱（10）的顶部设置在主反应器设计液位（19）以下，所述顶部水箱（15）的底部设置在主反应器设计液位（19）以上；所述集气箱（10）的底部设置在上层三相分离器（7）的顶部以上，所述上层的三相分离器（7）的顶部至主反应器设计液位（19）的垂直高度大于上升流管（9）的垂直高度；所述集气箱（10）的顶部与主反应器设计液位（19）垂直高度大于当反应器排出集气箱（10）等体积水量时，主反应器下降液位（20）与主反应器设计液位（19）的垂直高度。

2.根据权利要求1所述一种一气两用的双循环厌氧反应器，其特征是，所述反应器内壁设有第一导流片（4），所述若干沼气导流装置之间分别设有第二导流片（5），所述第一导流片（4）、第二导流片（5）均设置在沼气导流装置下方。

3.根据权利要求1所述一种一气两用的双循环厌氧反应器，其特征是，所述集气箱（10）、顶部水箱（15）的下降流管（3）设置在反应器内。

4.根据权利要求1所述一种一气两用的双循环厌氧反应器，其特征是，所述集气箱（10）、顶部水箱（15）的下降流管（3）设置在反应器外侧。

5.根据权利要求1所述一种一气两用的双循环厌氧反应器，其特征是，所述集气箱（10）上沿其高度方向分别设有第一液位计（17）、第二液位计（18），所述第一液位计（17）位于集气箱（10）顶部。

6.利用权利要求1-5中任一项权利要求所述一种一气两用的双循环厌氧反应器的方法，其特征是，将污水经进水***（1）进入反应器通过布水***（2）均匀布水，污水与反应器内厌氧颗粒污泥均匀混合，产生的沼气通过第一导流片（4）、第二导流片（5）导流到集气罩（6）内，在沼气导流提升过程中，在沼气导流提升装置内的泥水从下到上，形成由高到低的密度差，以沼气导流装置内形成的密度差为动力，沼气导流装置内的泥水被提升，当提升的水量大于进水***（1）进水量时，大于进水量部分的泥水，在反应器局部区域，以沼气导流装置为中心，由内而外，形成自循环A；

反应器产生的沼气再通过第三导流片（11），在三相分离器（7）内经气、液、固分离后，沼气通过气/液导流管（8）进入集气箱（10），分离的液体从三相分离器（7）边缘流出，经出水***（12）排出反应器，当开启集气箱（10）的排气阀（16）时，在水位差的作用下，反应器的泥水自然流入并装满集气箱（10）；当泥水装满集气箱（10）时关闭排气阀（16），沼气通过气/液导流管（8）流入并积累在集气箱（10）内，沼气积累过程中形成的压力，将集气箱（10）中的泥水，经上升流管（9）挤压提升至顶部水箱（15），提升至顶部水箱（15）的泥水，经下降流管（3）自动回流到反应器的底部，再经布水***（2）均匀布水，完成一轮泥水自循环B；当集气箱（10）内的水位下降到第二液位计（18）时，通过重新开启和关闭排气阀（16），开始下一轮的自循环B，以此实现泥水自循环B。