CN100471796C - 利用低温等离子体处理工业废水的方法及处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用低温等离子体处理工业废水的方法及处理装置，旨在提供一种消耗能量小，时间短、效率高的废水处理技术，方法包括下述步骤：(1)调节废水的电导率；(2)将废水间歇通入等离子反应器内；(3)等离子反应器接通电源，调节电压在100～700V，形成辉光等离子体；(4)利用辉光等离子体进行废水处理，时间10～30分钟；(5)将处理后的废水排出，静置后分离排放；处理装置是由电源和等离子反应器组成，等离子反应器中的阴电极阳电极的表面积之比为1∶(1.5～50)，阳电极和阴电极之间的中心距离为4～5cm。本发明用于工业废水净化处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业废水处理技术，尤其是一种利用低温等离子体处理工业废水的方法，本发明还涉及实施该方法的处理装置。
背景技术
随着社会经济的发展、人口的增加和生活水平的不断提高，世界范围内对淡水资源的需求和消耗不断增多，相应的城市污水和工业废水的排放量也在不断增多；由于污水处理设施的滞后和污染源控制不够得力，使全球水污染严重，淡水资源正面临重大问题。随着我国经济的高速增长，城市化水平不断提高，也面临着相同的问题，水污染问题日趋严重，据统计，1999年全国城镇工业废、生活污水排放总量为606亿吨，其中工业废水量占67％，废、污水排放总量较1980年增加了近1倍，与此同时，处理废、污水的效率仅18％左右。因此，解决水污染迫在眉睫。
目前，工业污水的处理方法主要分为物理处理法、化学处理法和生物处理法三类，其中物理处理法是通过物理作用，以分离、回收污水中的不溶解的呈悬浮状态的污染物(包括油膜、油珠等)，常用的方法是通过过滤、沉淀、浮选等技术手段分离污水中的悬浮污染物，其缺点是处理效果甚微，有机物处理率很低。化学处理法是通过一些化学反应清除污水中的污染物或使其转化为其它物质，从而化有害为无害、有毒为无毒等，常用的方法有中和法、氧化法、凝聚法、石灰解析法等，其中凝聚法又分为化学凝聚法和电解凝聚法，化学凝聚法是处理污水常用的一种方法，当污水中含有许多胶体物质，用物理方法不易除去时，常加入凝聚剂，如硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁、明矾、铝酸钠、氧化铁等，以清除胶体带的电荷，使之变成絮状，迅速下沉。其缺点是：凝聚剂的用量大，有机物降解率低，对于毒性大，难降解的污水效果更差；电解凝聚法与化学凝聚法基本相同，即清除胶体上的电荷，使其发生凝聚作用，缺点是耗电量大、设备复杂。而生物处理法是通过微生物的代谢作用，使污水溶液、胶体以及微悬浮状态的有机物、有毒物等污染物质，转化为稳定、无害的物质，生物处理法又分为需氧处理和厌氧处理两种方法，需氧处理法目前常用的有活性污泥法、生物滤池和氧化塘等，厌氧处理法又叫生物还原处理法，主要是用于处理高浓度有机废水和污泥，使用设备主要为消化池等，缺点是培养费用高、使用范围小、且微生物的性能难于控制。
等离子体化学随当代高技术的发展应运而生，作为一个学科交叉的前沿研究领域，自兴起以来的短短20多年中，已在化学合成、新材料研制、精细化工等领域开拓出一系列新技术、新工艺；本申请的发明人在利用液体低温等离子技术直接处理工业废水方面进行了的研究，发现由于等离子体中的活性粒子能量高，因此适用于处理常规方法难于处理的工业废水，可以弥补当今废水处理方面的不足，提供一种新的工业污水处理方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种消耗能量小，时间短、效率高的利用低温等离子体处理工业废水的方法。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种结构简单、使用方便的实施上述方法的处理装置。
本发明的前一技术方案是这样的：一种利用低温等离子体处理工业废水的方法，包括下述步骤：(1)在废水中加入电解质调节废水的电导率至15mS/cm～20mS/cm；(2)将废水间歇通入设有阴、阳电极的等离子反应器内；(3)将等离子反应器接通直流电源或脉冲直流电源，根据不同的水质调节电压在100～700V，使废水从常规电解开始向辉光等离子电解过渡，并形成辉光等离子体；(4)利用辉光等离子体进行废水处理，处理时间10～30分钟；(5)将处理后的废水排出，静置后分离排放。
上述的利用低温等离子体处理工业废水的方法中所述的电解质是指碱性化合物或酸性化合物；碱性化合物以氢氧化钠或氢氧化钙为佳，酸性化合物以盐酸为佳。
本发明的后一技术方案是这样的：一种利用低温等离子体处理工业废水的处理装置，包括电源、至少一组等离子反应器，其中所述的等离子反应器是由带阳极室和阴极室的反应容器，分别设置在阳极室和阴极室上部的端盖，分别设置在阳极室、阴极室内的阳电极、阴电极和设置在反应容器外围的冷凝器组成，阳极室和阴极室下部相互连通，反应容器设有进液口和出液口，冷凝器设有冷却水进口和冷却水出口；在阴电极外围设有套管，套管的上端部与端盖固定连接，阴电极的下端从套管的下端部伸出并可沿套管上、下移动，伸出套管下端部的阴电极与阳电极的表面积之比为1：(1.5～50)，阳电极和阴电极之间的中心距离为4～5cm；在阳极室和阴极室上部的端盖上分别设有排气管分别与阳极室和阴极室连通；阳电极、阴电极与电源之间电路连接。
上述的处理装置中所述的阳电极材料为不锈钢，形状为棒状或网状；阴电极材料为钨/铂合金。
上述的处理装置中所述的等离子反应器的反应容器材料为pvc、石英、绝缘陶瓷的其中一种。
本发明中所述的等离子体(Plasma)是一种电离气体，由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体，也是一个由含足够多的正负电荷数目近于相等的带电离子组成的非凝聚系统，从化学角度看，等离子体空间富集离子、电子、分子及自由基，都是极活跃的高活性物质，这些高活性物质在普通的热化学反应中不易得到，但在等离子体中可源源不断的产生，等离子体的这种非平衡性对等离子体化学与工艺过程非常重要，一方面离子有足够高的能量使反应物激发、离解和电离，另一方面反应体系又得以保持低温乃至接近室温，这样一来不仅设备投资小，又可以节约能源消耗。
本发明与现有技术相比，具有下述优点：
(1)本发明以液下放电等离子体作为处理废水的手段，简化了传统的工业废水处理工艺过程，等离子体技术处理废水消耗能量小，时间短、效率高，是传统常规处理技术所无法达到的。
(2)等离子技术可以降解有毒性，难降解的工业废水，为医药、印染、染料、电镀等行业提供了解决废水处理的方案。
(3)处理装置的体积小、占地面积少，可以常年使用，因而处理废水的成本较低，同时可以避免地域的限制，特别适宜由于资金不足而需要对废水处理的中小型企业。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明的结构示意图。
图中：反应容器1、阳极室1a、阴极室1b、进液口1c、出液口1d、端盖2、阳电极3、阴电极4、冷凝器5、冷却水进口5a、冷却水出口5b、套管6、排气管7、整流器8、高频电压发生器9、控制器10。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明的处理装置，包括电源、一组等离子反应器，也可以根据废水的处理量由相同的多组等离子反应器并联成废水处理系统，其中电源采用220V交流电源，经整流器8整流后连接到由高频振荡、保护、稳压部件组成的高频电压发生器9，产生高频的300-1200V的直流电压，高频电压发生器9输出端连接到等离子反应器，高频电压发生器9的输出电压由控制器10控制；等离子反应器是由带阳极室1a和阴极室1b的U形反应容器1，分别设置在阳极室1a和阴极室1b上部的端盖2，分别设置在阳极室1a、阴极室1b内的阳电极3、阴电极4和设置在反应容器1外围的冷凝器5组成，阳极室1a和阴极室1b下部相互连通，反应容器1下部设有进液口1c和出液口1d，反应容器1材料可以采用pvc、石英、绝缘陶瓷的其中一种；阳电极3材料为不锈钢，形状为棒状或网状；阴电极4材料为钨/铂合金，形状为针状；在冷凝器5两边均设有冷却水进口5a和冷却水出口5b，在阴电极4外围设有套管6，套管6的上端部与端盖2固定连接，阴电极4的下端从套管6的下端部伸出并可沿套管6上、下移动，可以根据需要调整阴电极4与阳电极3的表面积比值，伸出套管6下端部的阴电极4与阳电极3的表面积之比为1：(1.5～50)，阳电极3和阴电极4之间的中心距离为4～5cm；在阳极室1a和阴极室1b上部的端盖2上分别设有排气管7分别与阳极室1a和阴极室1b连通；阳电极3、阴电极4与电源之间电路连接。
本发明在工作时，阳电极3和阴电极4接通电源(电源为高压直流电源或是高压直流脉冲电源)，电源接通后，两极进行常规电解，阴电极4释放氢气，阳电极3释放的是氧气，升高两电极电压，在电压高于160V时常规电解开始向接触辉光电解过渡，阴电极3周围溶液急剧蒸发而形成气体鞘层，电流降低，电流电压变化不成比例，电压出现激烈的波动。继续升高电压，阴电极3周围的气体鞘层被击穿，辉光等离子体形成，等离子体层中发出明显的辉光，利用辉光等离子体进行废水处理，处理时间10～30分钟，然后将处理后的废水排出，静置后分离排放。
实施例1
条件：阴、阳电极的中心距离5cm，阴电极与阳电极的面积比为：1：20。
废水品种：皮革处理加工废水。
处理方法：取200ml皮革废水，用盐酸调节其电导率为15mS/cm，倒入等离子反应器中，调节电压在150V，使废水从常规电解向辉光等离子电解过渡，直至阴电极周围气体鞘层被击穿，形成辉光等离子体；调节电压至600V，此时在等离子体的作用下，废水沸腾剧烈，废水中的物质被快速分解，反应时间为10min；将处理后的废水排出并静置30min，此时溶液分层，取上清夜分别测其色度与COD值。
结果如下：
原溶液：COD＝1322.3082mg/L，吸光度：A＝0.316。
反应后：COD＝219.5mg/L，吸光度：A＝0.030。
COD降解率为：83.4％，脱色率为：95.3％。
实施例2
条件：阴、阳电极的中心距离4cm，阴电极与阳电极的面积比为：1：20。
废水品种：印染处理加工废水
处理方法：取200ml纺织废水，用氢氧化钙调节其电导率为20mS/cm，倒入等离子反应器中，调节电压在100V，使废水从常规电解向辉光等离子电解过渡，直至阴极周围气体鞘层被击穿，形成辉光等离子体；调节电压至600V，此时在等离子体的作用下，废水沸腾剧烈，废水中的物质被快速分解，反应时间为10min；将处理后的废水排出并静置30min，此时溶液分层，取上清夜分别测其色度与COD值。
结果如下：
原溶液：COD＝1105.6mg/L，吸光度：A＝0.432。
处理后：COD＝95.3mg/L，吸光度：A＝0.012。
COD降解率为：91.4％，脱色率为：97.2％。
实施例3
条件：阴、阳电极的中心距离4cm，阴电极与阳电极的面积比为：1：20。
废水品种：造纸处理加工废水。
取200ml造纸废水，用氢氧化钠调节其电导率为20mS/cm，倒入等离子反应器中，调节电压在100V，使废水从常规电解向辉光等离子电解过渡，直至阴电极周围气体鞘层被击穿，形成辉光等离子体；调节电压至600V，此时在等离子体的作用下，废水沸腾剧烈，废水中的物质被快速分解，反应时间为10min；将处理后的废水排出并静置30min，此时溶液分层，取上清夜分别测其色度与COD值。
结果如下：
原溶液：COD＝867.4mg/L，吸光度：A＝0.351。
处理后：COD＝74.3mg/L，吸光度：A＝0.012。
COD降解率为：91.4％，脱色率为：96.7％。
实施例4
条件：阴、阳电极的中心距离4cm，阴电极与阳电极的面积比为：1：1.5。
废水品种：印染处理加工废水。
取200ml印染废水，用氢氧化钠调节其电导率为20mS/cm，倒入等离子反应器中，调节电压在150V，使废水从常规电解向辉光等离子电解过渡，直至阴电极周围气体鞘层被击穿，形成辉光等离子体；调节电压至500V，此时在等离子体的作用下，废水沸腾剧烈，废水中的物质被快速分解，反应时间为15min；将处理后的废水排出并静置30min，此时溶液分层，取上清夜分别测其色度与COD值。
结果如下：
原溶液：COD＝1105.6mg/L，吸光度：A＝0.432。
处理后：COD＝185.74mg/L，吸光度：A＝0.037。
COD降解率为：83.2％，脱色率为：91.5％。
实施例5
条件：阴、阳电极的中心距离4cm，阴电极与阳电极的面积比为：1：50。
废水品种：皮革处理加工废水。
取200ml皮革废水，用氢氧化钠调节其电导率为5mS/cm，倒入等离子反应器中，调节电压在150V，使废水从常规电解向辉光等离子电解过渡，直至阴电极周围气体鞘层被击穿，形成辉光等离子体；调节电压至700V，此时在等离子体的作用下，废水沸腾剧烈，废水中的物质被快速分解，反应时间为30min；将处理后的废水排出并静置30min，此时溶液分层，取上清夜分别测其色度与COD值。
结果如下：
原溶液：COD＝1322.3082mg/L，吸光度：A＝0.316。
反应后：COD＝821.15mg/L，吸光度：A＝0.093。
COD降解率为：37.9％，脱色率为：70.6％。
实施例6
比较：药剂：液体聚合硫酸铁
取100ml废水，加入药剂的量与废水的量为：1：10，用氢氧化钠或硫酸调节pH为7～9之间，搅拌5min，让其沉降30min，取上清夜分别测其COD与脱色率，结果如下：
1.皮革处理加工废水：COD降解率：51.3％，脱色率为：76.4％。
2.印染处理加工废水：COD降解率为：56.2％，脱色率为：87.5％。
造纸处理加工废水：COD降解率为：53.7％，脱色率为：91.2％。
Claims (6)
1.一种利用低温等离子体处理工业废水的方法，其特征是包括下述步骤：(1)在废水中加入电解质调节废水的电导率至5mS/cm～20mS/cm；(2)将废水间歇通入设有阴、阳电极的等离子反应器内；(3)将等离子反应器接通直流电源或脉冲直流电源，根据不同的水质调节电压在100～700V，使废水从常规电解开始向辉光等离子电解过渡，并形成辉光等离子体；(4)利用辉光等离子体进行废水处理，处理时间10～30分钟；(5)将处理后的废水排出，静置后分离排放。
2.根据权利要求1所述的利用低温等离子体处理工业废水的方法，其特征是所述的电解质是指碱性化合物或酸性化合物。
3.根据权利要求2所述的利用低温等离子体处理工业废水的方法，其特征是所述的碱性化合物为氢氧化钠或氢氧化钙，酸性化合物为盐酸。
4.一种实现权利要求1所述方法的处理装置，包括电源、至少一组等离子反应器，其特征是所述的等离子反应器是由带阳极室(1a)和阴极室(1b)的反应容器(1)，分别设置在阳极室(1a)和阴极室(1b)上部的端盖(2)，分别设置在阳极室(1a)、阴极室(1b)内的阳电极(3)、阴电极(4)和设置在反应容器(1)外围的冷凝器(5)组成，阳极室(1a)和阴极室(1b)下部相互连通，反应容器(1)设有进液口(1c)和出液口(1d)，冷凝器(5)设有冷却水进口(5a)和冷却水出口(5b)，在阴电极(4)外围设有套管(6)，套管(6)的上端部与端盖(2)固定连接，阴电极(4)的下端从套管(6)的下端部伸出并可沿套管(6)上、下移动，伸出套管(6)下端部的阴电极(4)与阳电极(3)的表面积之比为1：(1.5～50)，阳电极(3)和阴电极(4)之间的中心距离为4～5cm；在阳极室(1a)和阴极室(1b)上部的端盖(2)上分别设有排气管(7)分别与阳极室(1a)和阴极室(1b)连通；阳电极(3)、阴电极(4)与电源之间电路连接。
5.根据权利要求4所述的处理装置，其特征是所述的阳电极(3)材料为不锈钢，形状为棒状或网状；阴电极(4)材料为钨/铂合金。
6.根据权利要求4所述的处理装置，其特征是所述的等离子反应器的反应容器(1)材料为pvc、石英、绝缘陶瓷的其中一种。
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