CN102211800A - 高压脉冲放电等离子体水处理装置及方法 - Google Patents

高压脉冲放电等离子体水处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压脉冲放电等离子体水处理装置，包括高频高压电源、反应器、高压电极、放电介质、地电极；高频高压电源连接高压电极；高压电极固定设置于反应器内，放电介质设置于反应器的底部；放电介质的底部设置地电极，地电极接地。本发明能够有效地去除水中所含的物理、化学和微生物等污染物，处理成本低廉，尤其是针对水中高浓度有机物的去除效果明显。本发明在进行污水处理时，不需要添加化学试剂，处理过程简单，无废弃物和二次污染，同时容易实现自动化控制，在提高水处理效率的同时，极大地减少了能耗。本发明还公开了一种高压脉冲放电等离子体水处理方法。

Description

高压脉冲放电等离子体水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理设备，具体涉及一种高压脉冲放电等离子体水处理装置。本发明还涉及一种高压脉冲放电等离子体水处理方法。
背景技术
现有的利用放电等离子体对污水进行处理或对饮用水进行消毒杀菌处理的方法和技术中，大多数是采用先在气体中放电产生等离子体，然后将含有臭氧等的气体充入水中的方法。由于放电气体中大部分活性粒子的寿命很短，其氧化作用无法得到充分利用；另外，这些方法中，放电电压不是加在水上，高电压对水中杂质的活化、极化和中性化作用并不产生很大影响，从而导致了这些方法水处理效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高压脉冲放电等离子体水处理装置，它可以有效去除水中的高浓度有机物。
为解决上述技术问题，本发明高压脉冲放电等离子体水处理装置的技术解决方案为：
包括高频高压电源、反应器、高压电极、放电介质、地电极；高频高压电源连接高压电极；高压电极固定设置于反应器内，放电介质设置于反应器的底部；放电介质的底部设置地电极，地电极接地。
所述高压电极包括玻璃容器、高压线、高电导率的溶液，高电导率溶液盛装于玻璃容器中，高压线的一端固定设置于玻璃容器内，高压线该端外露的导电部分浸没于玻璃容器内的溶液液面以下；高压线的另一端连接所述高频高压电源；高压线与高电导率溶液构成高压电位。
所述玻璃容器的底部直径小于中间位置的直径。
所述反应器内盛装待处理污水，玻璃容器的底部为平面且置于反应器内的待处理污水液面以下。
所述放电介质的面积比反应器的横截面积大；所述地电极的面积大于放电介质的面积。
所述放电介质的厚度为2～8mm。
所述反应器设有进出水口，进出水口所在的管道上分别设有阀门；反应器的进水口连接污水存储罐下部的出水口；所述进水口设置于反应器的下部；出水口设置于反应器的上部。
本发明还提供一种高压脉冲放电等离子体水处理方法，其技术解决方案为：包括如下步骤：
第一步，使污水存储罐内的水流入反应器；当反应器内的污水流速稳定、液面保持恒定时，打开高频高压电源，高压迅速在高压电极与地电极之间建立；
第二步，当高压电极的玻璃容器与污水液面之间的气隙上的高频电压达到放电起始电压时，气隙中发生介质阻挡放电，在放电期间使气隙上的电压保持恒定；高频电压电源产生脉冲电压，对污水负载进行放电，对污水进行处理。
所述使反应器内的污水流速稳定、液面保持恒定的方法是：使污水存储罐的液面高于反应器的最高液面，并保持污水存储罐的液位恒定，使反应器的进水流速保持恒定；同时将出水口设置于反应器的上部，使反应器通过自然溢流的方法，将液位恒定于出水口的最低点附近。
本发明可以达到的技术效果是：
本发明采用介质阻挡放电形式，利用高频电压电源产生脉冲电压，经变压器谐振产生高压后，对污水负载进行放电，介质阻挡放电布满了整个反应器的空间，放电产生的等离子体由于高温、高压以及富含大量的离子、OH自由基等粒子，使在等离子体通道内的有机物分子会被高温完全热解，并且在自由基的作用下发生高级氧化而化学降解。同时，由于高温、高压等离子体通道的产生，在强烈的紫外光及巨大的冲击波作用下，等离子体通道区域及其外部的溶液中发生几种物理化学过程，即：紫外光光解、液电空化降解、超临界水氧化降解等过程。在这些过程和反应的协同作用下，有机物被降解，从而达到有效分解处理高浓度有机物废水的目的。
本发明能够有效地去除水中所含的物理、化学和微生物等污染物，处理成本低廉，尤其是针对水中高浓度有机物的去除效果明显。
本发明在进行污水处理时，不需要添加化学试剂，处理过程简单，无废弃物和二次污染，同时容易实现自动化控制，在提高水处理效率的同时，极大地减少了能耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明高压脉冲放电等离子体水处理装置的结构示意图；
图2是介质阻挡放电负载等效模型的示意图；
图3是所处理污水的流向图。
图中附图标记说明：
1为高频高压电源，          2为反应器，        3为高压电极，
4为放电介质，              5为地电极。
具体实施方式
如图1所示，本发明高压脉冲放电等离子体水处理装置，包括高频高压电源1、反应器2、高压电极3、放电介质4、地电极5；
放电介质4设置于反应器2的底部；放电介质4的面积比反应器2的横截面积略大。放电介质4的厚度为2～8mm。放电介质4为硅橡胶。
放电介质4的厚度越大，放电电压越高。放电介质4的厚度根据不同的污水水质和放电电压而确定。
根据不同性质的污水，确定所需的放电电压，然后确定放电介质的厚度。例如，针对含苯酚的高浓度有机物废水，所需放电电压在8000V左右，根据实验可以确定介质的厚度在5mm左右。
地电极5设置于放电介质4的底部；地电极5的面积略大于放电介质4的面积；地电极5用于承载反应器2，同时地电极5需要保证可靠接地，与大地同电位。地电极5为铁板。
反应器2内盛装待处理污水，反应器2为圆柱形。反应器2用于污水存储，同时在反应器2内进行介质阻挡放电反应，使污水在反应器2中被处理。
反应器2设有进出水口，进出水口所在的管道上分别设有阀门，通过控制进出水管道上的阀门，可以得到所需的流速和流量。反应过程中利用进水和出水的流速以及流量控制，维持放电过程中的液位恒定。针对不同性质的污水，可采用不同的流速。
进水口设置于反应器2的下部，反应器2的进水口连接污水存储罐下部的出水口，污水存储罐的液面高于反应器的最高液面，反应过程中保持污水存储罐的液面恒定。
出水口设置于反应器2的上部，当反应器2内的液位高于出水口的最低点时，反应器2内的污水将通过出水口流出。反应器2设有多个出水口，并使出水管的直径较大，以保证反应器2的出水流速流量，通过自然溢流的方法，使反应器2的液位恒定在出水口的最低点附近。
高压电极3连接高频高压电源1；高压电极3固定设置于反应器2内，以保证安全。
高压电极3包括玻璃容器、高压线、高电导率的溶液(如NaCl溶液)，高电导率溶液盛装于玻璃容器中，高压线的一端固定设置于玻璃容器内，高压线的另一端连接高频高压电源1；高压线外露的导电部分浸没于玻璃容器内的溶液液面以下；高压线与高电导率溶液构成高压电位。
玻璃容器呈锥形，玻璃容器的底部直径小于中间位置的直径；玻璃容器的底部为平面且置于反应器2内的待处理污水液面以下；整个玻璃容器置于反应器2内。由于玻璃容器的底面浸没于反应器2内的污水液面以下，玻璃容器的底部边缘与污水液面之间存在气隙。
由于玻璃容器的底部直径小于中间位置的直径，当被处理污水的液面高于玻璃容器的底部并低于玻璃容器中间位置的最大直径处，该气隙总是存在。
本发明反应器2下部的进水口与污水存储罐连通，污水存储罐内的污水在水的压力下自动流入反应器2内，由于污水存储罐的液面恒定，故水压恒定，因而进水最大流速恒定，通过调节进水管道的阀门，可以控制进水流速。
本发明通过保持污水存储罐的液位恒定，使反应器2的进水流速保持恒定；同时将出水口设置于反应器2的上部，使反应器2通过自然溢流的方法，将液位恒定于出水口的最低点附近。由此，本发明能够实现反应器2内的液位恒定。本发明的液位控制方法简单实用，不需要机械、电磁等设备元件，避免了在高压放电、气雾场合下某些机械电磁设备的不可靠和失效现象，同时保证了安全可靠的液位控制。
如果反应器2内的液位高低发生变化，或者因水的流动而造成的液面波动都会影响反应器的等效阻抗，因此需要保持反应器的等效阻抗相对恒定。本发明实现了反应器2内的液位恒定，能够在介质阻挡放电反应过程中，保证放电的持续、稳定。
高频高压电源1为高频高压脉冲等离子体电源，用于产生0～20kV的高压交流电，其输出频率通过锁相环实现对负载谐振频率的闭环跟踪。
本发明在高压介质阻挡放电进行处理的过程中，被处理的水以及与其保持连通的水路与其他水路断开，即被处理的水是独立的；而在处理间歇，高压电源关机，无高压存在时，其他水路与被处理的水相连通，用于给盛装待处理水的水池供水，以满足下一次高压放电处理的需要。
如图4所示，虚线和实线分别为不同的水流路径，当虚线所在路径开通时，实线所在路径不通，反之亦然。这样可以保证在高压放电处理时，仅仅处于虚线框内的部分有高压存在。处理间歇，水流路径由实线转为虚色线(或反之)，从而保证下次的正常高压处理。
本发明高压脉冲放电等离子体水处理方法如下：
打开反应器2的进水阀，使污水存储罐内的水通过进水口流入反应器2；当反应器2内的污水流速稳定、液面保持恒定时，打开高频高压电源1，高压迅速在高压电极3与地电极5之间建立；
如图1所示，反应器2内的污水液面恒定于高压电极3的底部以上，而在高压电极3的最大直径以下。
当高压电极3的玻璃容器与污水液面之间的气隙上的高频电压达到放电起始电压(一般为6000V左右)时，气隙中的电子从电场中获得足够的能量，通过碰撞使周围的原子和分子电离，气隙中的气体被击穿。由于绝缘的放电介质4的存在，限制了放电电流的自由增长，因此也阻止了电极间火花和弧光的形成，气隙中发生介质阻挡放电；
在放电期间气隙上的电压近似保持恒定，为放电维持电压UT。这时，高压等离子体污水处理电源负载等效模型可以由多个非线性变化的电容电路并联来等效。如图3所示，其中，Cg和Rg为气隙等效电容和电阻，Cd为介质等效电容，Ls为高频高压变压器的漏感，CA为测量电容。其中负载等效电路的参数无法进行直接测量，但可以利用利萨如图形进行估算。
本发明在放电过程中，气隙上的电压近似保持在放电维持电压UT，因而，整个放电过程放电电压能保持基本稳定，在污水流动的实际处理场合，也可以长时间不间断的稳定工作。针对不同污水，配置不同的介质，放电电压在7～20kV间某个电压值就能开始出现介质阻挡放电现象。在高压电极与被处理污水的界面，能看到明显的放电现象，肉眼能观察到显著的紫色放电区域，且有大量的臭氧产生。在整个放电过程中，仅有连续的细微的放电声响。整个过程安全、稳定、可靠。
本发明用于处理高浓度的自制苯酚水样，用化学需氧量(COD)作为测试指标，用于表征污水处理的效果。实验条件如表1所示。
  电压   功率   放电频率   反应器容积   水流量   处理总水量   处理总时间
  值   8kV   7.5kW   30.5kHz   200L   0.25L/s   1000L   70分钟
表1
实验结果分布如表2所示。
  类型   原液   处理液
  COD(mg/L)   2724   1096
表2
从表2的结果可以看出处理后，COD有显著的降低。对于含苯酚等难降解有机物的废水，其处理是个世界性难题，用高压介质阻挡放电的方法进行处理取得的效果十分明显。
同时，根据苯酚的降解过程和途径，在被氧化后，苯酚首先转化为醌类和有机酸，这些二代产物再被氧化降解成二氧化碳和水。在高压介质阻挡放电过程中，很多苯酚转化为二代产物，这些产物仍然有很高的COD，但相对于苯酚而言，二代产物要容易处理的多，可以采用传统的方法进行处理。因而，尽管表2中处理后的COD仍然较高，但已经较容易处理。从这个角度讲，采用本发明的高压介质阻挡放电的装置和方法，用于处理含高浓度酚类的有机污水或工业废水，效果十分显著。
本发明用于处理含高浓度有机物的废水。

Claims (10)

1.一种高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：包括高频高压电源、反应器、高压电极、放电介质、地电极；高频高压电源连接高压电极；高压电极设置于反应器内，放电介质设置于反应器的底部；放电介质的底部设置地电极，地电极接地。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述高压电极包括玻璃容器、高压线、高电导率的溶液，高电导率溶液盛装于玻璃容器中，高压线的一端固定设置于玻璃容器内，高压线该端外露的导电部分浸没于玻璃容器内的溶液液面以下；高压线的另一端连接所述高频高压电源；高压线与高电导率溶液构成高压电位。
3.根据权利要求2所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述玻璃容器的底部直径小于中间位置的直径。
4.根据权利要求2或3所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述反应器内盛装待处理污水，玻璃容器的底部为平面且置于反应器内的待处理污水液面以下。
5.根据权利要求1所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述放电介质的面积比反应器的横截面积大。
6.根据权利要求1或5所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述地电极的面积大于放电介质的面积。
7.根据权利要求1或5所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述放电介质的厚度为2～8mm。
8.根据权利要求1所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置，其特征在于：所述反应器设有进出水口，进出水口所在的管道上分别设有阀门；反应器的进水口连接污水存储罐下部的出水口；所述进水口设置于反应器的下部；出水口设置于反应器的上部。
9.一种高压脉冲放电等离子体水处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，使污水存储罐内的水流入反应器；当反应器内的污水流速稳定、液面保持恒定时，打开高频高压电源，高压迅速在高压电极与地电极之间建立；
第二步，当高压电极的玻璃容器与污水液面之间的气隙上的高频电压达到放电起始电压时，气隙中发生介质阻挡放电，在放电期间使气隙上的电压保持恒定；高频电压电源产生脉冲电压，对污水负载进行放电，对污水进行处理。
10.根据权利要求9所述的高压脉冲放电等离子体水处理装置的使用方法，其特征在于：所述使反应器内的污水流速稳定、液面保持恒定的方法是：使污水存储罐的液面高于反应器的最高液面，并保持污水存储罐的液位恒定，使反应器的进水流速保持恒定；同时将出水口设置于反应器的上部，使反应器通过自然溢流的方法，将液位恒定于出水口的最低点附近。
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