CN102329033A - 独立曝气高压脉冲放电水处理反应器及其污水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立曝气高压脉冲放电水处理反应器及其污水处理方法，包括至少一个高压脉冲放电反应装置和至少一个低于所述高压脉冲放电反应装置的独立曝气装置，本发明更加有效的利用高压脉冲放电产生的O₃进行污水处理，同时能有效克服蠕动泵产生的脉冲作用，并且将多孔的钛基底应用于高压脉冲放电反应器电极，除了发挥电极的作用，同时达到曝气、布液、抑制脉冲和催化目的。

Description

独立曝气高压脉冲放电水处理反应器及其污水处理方法

技术领域

本发明属于低温等离子体技术在环境污染控制领域的应用，具体涉及一种高压脉冲放电作用下在反应器的气液两相都产生强活性化学物质来降解水中有机污染物的装置及方法。

背景技术

随着人们生产、生活活动的扩大，工业化进程速度越来越快，石油、印刷、冶金、皮革、染料及其他各行业的污染物大量增加，带来了严重的水环境污染问题，并且这种污染影响面积大，产生的污染物通常具有生化需氧量高、色度高、pH值高、难生物降解、浓度高、成分复杂、有生物毒性等特点，传统的污水处理方法对之束手无策。近几十年来，针对这些难降解的废水发展了许多新型高效的水处理技术，其中高压脉冲放电污水处理技术因其能有效降解甚至矿化难降解污染物而引起了较为广泛的关注。

高压脉冲放电电压上升时间短（<100ns），脉冲宽度窄（<200ns），因而可以在不使电场内的离子加速的情况下，单使电子加速，从而形成无需屏蔽的高能自由电子。高能电子在加速运动的过程中H₂O、O₂等分子强烈碰撞，使分子离解、重组，产生·OH、·O、H₂O₂、O₃等具有强活性的化学物质，并伴随产生紫外光、冲击波、超声波、局部高温等物理效应，化学效应和物理效应共同作用下，使污染物质中C-C键及其不饱和键，发生断键和开环等一系列反应，或部分使大分子物质变成小分子，从而提高难降解物质的可生化性，乃至最终的矿化。

已有的各类高压脉冲反应器研究证实，向反应器中通入空气或氧气有利于放电产生更多的活性粒子，而这种反应器中产生最多的活性物质之一是O₃，但是现有反应器中臭氧利用仍不够高。另外，在高压脉冲放电与TiO₂催化协同作用研究中，通常将TiO₂纳米颗粒投放入放电反应器中，但这不利于TiO₂从溶液中分离，而将TiO₂负载在活性炭、活性炭纤维、PET、玻璃及其他基底上的方式也存在TiO₂薄膜易碎裂、脱落等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种更加有效的利用高压脉冲放电产生的O₃的独立曝气高压脉冲放电水处理反应器。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种独立曝气高压脉冲放电水处理反应器,包括至少一个高压脉冲放电反应装置和至少一个低于所述高压脉冲放电反应装置的独立曝气装置；

所述高压脉冲放电反应装置包括上部的气室和下部的液室，所述气室中嵌有上多孔钛板作为高压电极，所述液室中嵌有下多孔钛板作为地电极，所述高压电极通过高压导线与高压电源连接，所述地电极通过导线与地线连接，所述高压电极与地电极极性可颠倒，所述上多孔钛板电极与下多孔钛板之间的部分为放电区，所述高压脉冲放电反应装置顶部设有气体入口和气体出口，所述气体入口和所述气室连通，所述高压脉冲放电反应装置底部设有液体入口，所述高压脉冲放电反应装置侧壁设有溢流取样管，所述溢流取样管低于所述下多孔钛板；

所述独立曝气装置包括外壳、外壳内部的气液分离管，所述外壳上设有液体出口，所述气液分离管内部嵌有多孔的曝气头，所述气液分离管的侧壁设置液体溢出孔，所述液体溢出孔的水平位置高于所述曝气头，所述曝气头的下方为曝气气室，所述液体出口与所述液体溢出孔不在同侧的同一水平面上，所述液体出口低于所述气液分离管的顶端，所述独立曝气装置外壳底部设有曝气入口。

作为优选，所述反应器包括一个高压脉冲放电反应装置和一个独立曝气装置，所述独立曝气装置的液体出口和所述高压脉冲放电反应装置上的液体入口连通，所述高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口和所述曝气入口连通。

作为优选，所述反应器为由至少两套上述高压脉冲放电反应装置和独立曝气装置组成的多级反应器，相邻两级分别称为上级高压脉冲放电反应装置、上级独立曝气装置、下级高压脉冲放电反应装置、下级独立曝气装置，其中最上级的高压脉冲放电反应装置上的液体入口和外部水源连通，上级独立曝气装置的液体出口和下级高压脉冲放电反应装置的液体入口连通，每一级的独立曝气装置的曝气入口和同级的高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口连接，最后一级的独立曝气装置的液体出口与其他水处理工艺流程相连或作为最终的出水口。

作为优选，所述反应器包括1个上述高压脉冲放电反应装置和至少两个独立曝气装置，所述独立曝气装置的液体出口之间相互连通并与高压脉冲放电反应装置的液体入口连接，所述独立曝气装置的曝气入口之间相互连通并与所述高压脉冲放电反应装置的气体出口连接，相邻的两个独立曝气装置的壳体通过连通管连通。

作为优选，所述气液分离管内部的曝气头为抗氧化耐腐蚀的微米级孔径的多孔钛板。

作为优选，所述微米级孔径的多孔钛板的孔径为5-50μm。

作为优选，所述高压脉冲放电反应装置的上多孔钛板、下多孔钛板的孔径为微米级。

作为优选，在所述独立曝气装置的液体中含有活性炭颗粒或负载TiO₂颗粒物，在曝气装置最终的液体出口处设置一层或多层50-250目的不锈钢阻挡网。

本发明另一个要解决的技术问题是：提供一种更加有效的利用独立曝气高压脉冲放电水处理反应器的污水处理方法。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种使用独立曝气高压脉冲放电水处理反应器的污水处理方法，所述方法包括如下步骤：待处理液体由所述反应器的独立曝气装置一次性加入，然后被循环至高压脉冲放电反应装置，在液体推流作用下从下多孔钛板穿过后到达放电区表面，经过放电处理的液体再由溢流取样管流出重新进入独立曝气装置，再次与所述高压脉冲放电反应装置产生的O₃反应，以此循环，最终将污染物矿化。

作为优选，所述方法包括如下步骤：使待处理液体被抽至高压脉冲放电反应装置，经高压脉冲放电作用后，液体从溢流取样管溢流至反应器的独立曝气装置，与O₃作用后由下部的液体出口进入至下一级的高压脉冲放电反应装置进行新一轮的放电和曝气，实现废水的多级连续处理。

本发明的特点如下：

1、将多孔钛板应用到反应器中作为电极，除了发挥电极的导电作用，还可以发挥曝气或布液等作用，当放电作用下钛板表面形成TiO₂薄膜后还能在一定程度上发挥催化作用，利用放电产生的紫外光等。

2、放电反应主体中，液体须通过多孔钛板的微孔进入放电区域，有效抑制蠕动泵脉冲作用造成的液面波动；采用推流式进液，使液体在气液界面经放电处理后溢流，这有利于被泵入的所有液体都充分的接受放电处理。

3、放电主体产生的O₃全部导入曝气主体进行独立曝气，曝气气泡细小，有利于气液传质，使O₃与有机物充分反应。

4、气液分离管的设计充分保证曝气产生的气泡和液体进行分离，避免泵抽动时将气泡吸入高压脉冲放电反应装置造成气液界面波动，影响放电的稳定，反应器独立曝气装置的液体出口低于气液分离管上端面，并且尽可能靠近独立曝气装置的外壳体下端，以减小液体循环的死区；气液分离管上的液体溢出孔和独立曝气装置的的液体出口位置不能在同侧的同一水平面上，推荐气液分离管上的液体溢出孔朝向液体出口的对侧。同时，曝气头采用多孔钛板，对O₃的氧化及液体的腐蚀有较强的抵抗能力，延长了反应器的使用寿命。

本发明的有益效果如下：本发明更加有效的利用高压脉冲放电产生的O₃进行污水处理，同时能有效克服蠕动泵产生的脉冲作用，并且将多孔的钛基底应用于高压脉冲放电反应器电极，除了发挥电极的作用，同时达到曝气、布液、抑制脉冲和催化目的。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图。

图2是实施例2的结构示意图。

图3是实施例3的结构示意图。

图4是气液分离管的结构示意图。

其中，1为高压脉冲放电反应装置，2为独立曝气装置，3为气室，4为液室,5为上多孔钛板，6为下多孔钛板，7为地线，8为高压导线，9为放电区，10为气-液界面，11为气体入口，12为气体出口，13为液体入口，14为溢流取样管，15为外壳，16为气液分离管，17为曝气头，18为曝气气室，19为液体出口，20为液体溢出孔，21为曝气入口，22为硅胶导管，23为蠕动泵，24为上级高压脉冲放电反应装置、25为上级独立曝气装置、26为下级高压脉冲放电反应装置、27为下级独立曝气装置、28为外部水源，29为出水口，30为连通管，31为导气管。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1 

如图1所示，一种独立曝气高压脉冲放电水处理反应器,包括一个高压脉冲放电反应装置1和一个低于高压脉冲放电反应装置的独立曝气装置2，所述高压脉冲放电反应装置包括上部的气室3和下部的液室4，所述气室3中嵌有上多孔钛板5作为高压电极，所述液室中嵌有下多孔钛板6作为地电极，所述高压电极通过高压导线8与高压电源连接，所述地电极通过导线与地线7连接，所述高压电极与地电极极性可颠倒，所述上多孔钛板电极与下多孔钛板之间的部分为放电区9，所述高压脉冲放电反应装置顶部设有气体入口11和气体出口12，所述气体入口11和所述气室3连通，所述高压脉冲放电反应装置底部设有液体入口13，所述高压脉冲放电反应装置侧壁设有溢流取样管14，所述溢流取样管低于所述下多孔钛板；

所述独立曝气装置包括外壳15、外壳内部的气液分离管16，所述外壳上设有液体出口19，所述气液分离管16内部嵌有多孔的曝气头17，所述气液分离管16的侧壁设置液体溢出孔20，所述液体溢出孔的水平位置高于所述曝气头17，所述曝气头17的下方为曝气气室18，所述液体出口19与所述液体溢出孔20不在同侧的同一水平面上，优选气液分离管上的液体溢出孔20朝向液体出口19的对侧。所述液体出口19低于所述气液分离管16的顶端，所述独立曝气装置外壳底部设有曝气入口21。

所述独立曝气装置的液体出口19和所述高压脉冲放电反应装置上的液体入口13通过硅胶导管22连通，所述硅胶导管22上设有蠕动泵23，液体由蠕动泵抽动循环，所述高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口12和所述曝气入口21通过导气管31连通。

所述气液分离管内部的曝气头17为抗氧化耐腐蚀的微米级孔径的多孔钛板或多孔砂芯。所述微米级孔径的多孔钛板的孔径为5-50μm。所述高压脉冲放电反应装置的上多孔钛板、下多孔钛板的孔径为微米级。

空气、O₂或其他类型的气体或其混合气体通过压缩机或由钢瓶直接提供，具有一定的压力，气体依次由气体入口11经过上多孔钛板5、放电区9后经导气管31导入到独立曝气装置2的曝气气室18进行曝气，多余气泡穿越独立曝气装置2的液体后排出到空气中；独立曝气装置2的曝气头17为微米级孔径的多孔钛板，孔径为5-50μm，使曝气产生0.2-1.0mm直径的微小气泡，气液分离管避免了独立曝气装置2的的气泡被蠕动泵23抽入高压脉冲放电反应装置1，影响放电形式和气液界面的位置。

当所述独立曝气装置气液分离管上方的液体中包括活性炭颗粒或负载TiO₂等的颗粒物质时，应在曝气装置的液体出口处设置一层或多层50-250目的不锈钢阻挡网。

一种使用所述独立曝气高压脉冲放电水处理反应器的污水处理方法，可以从气体走向和液体走向两个方面来描述其运行过程：

从气体走向来看，压缩空气或O₂经气体流量计控制从高压脉冲放电反应装置1中的气体入口11进入，气体穿过多孔钛板微米级的小孔，使气体均匀分布于高压脉冲放电反应装置1的放电区9，高压脉冲电源向电极施加高压后，放电区9即产生大量等离子体通道，通入的O₂等在电场、粒子流作用下产生O₃，O₃在高速气流下部分直接通过气液传质由气液界面10进入液体直接作用于有机污染物或分解形成等间接的降解有机污染物；未溶解到溶液的部分O₃由高压脉冲放电反应装置1的上部气体出口12随着导气管31被导入到独立曝气装置的曝气气室18，曝气主要由孔径为5-20μm的多孔钛板形成，气体经过多孔钛板曝气后在液体中形成大量均匀的0.2-1.0mm直径的微小气泡，比表面积大，有利于O₃等活性物质向液相中扩散，提高了传质效率和在溶液中的停留时间，大大加速了气液传质，有利于对污染物的降解，小气泡中O₃可与待处理液体作用后溶解于溶液中，将其中的有机物直接或间接氧化，剩余气体穿越液体后排出。

从液体走向来看，开始时待处理液体由反应器的独立曝气装置2一次性加入，在蠕动泵23持续作用下由硅胶导管22被循环至高压脉冲放电反应装置1的液室4，在液体推流作用下从孔径为10-50μm的下多孔钛板电极穿过后，蠕动泵23的脉冲作用被削弱，液体到达放电区9表面的气-液界面10基本没有脉冲波动，在上多孔钛板5和下多孔钛板6施加脉冲高压后，放电能够较均匀稳定的进行，在高压脉冲放电作用下液体中会有·OH、H₂O₂等活性物质生成并与水体中的有机污染物反应，污染物被逐步降解，经过放电反应的液体再由溢流取样管14流出重新进入独立曝气装置2反应区，再次与O₃微气泡充分作用，反应后的液体通过气液分离管16与气泡脱体，再次被蠕动泵23送入高压脉冲放电反应装置1，以此循环，最终将污染物矿化。

在本发明装置中，各接头都采用焊接的方式，降低接头处的电阻，避免了不必要的能耗。装置各部分尽可能采用封装形式，便于拆卸，部分接头采用螺丝-螺母衔接，以方便改变电极连接方式，接地线7和接高压电源的位置可以互换，也可以通过调节高压脉冲电源上的转换开关来决定施加正高压脉冲或负高压脉冲。

在本发明装置中，所采用的多孔钛板纯度为90%以上，多孔钛板直径均为40mm，厚度4mm，孔径变化范围在5-200μm，选取原则为：上多孔钛板电极4主要起电极、供气和布气作用，可以选用较大（50-200μm）孔径的多孔钛板；下多孔钛板电极7主要起电极、布水和抑制脉冲作用，应选用孔径适中（10-50μm）；曝气多孔钛板主要作用是对产生的O₃进行曝气，因此应当选取小孔径的多孔钛板（5-20μm）。

在本发明装置中，当上多孔钛板电极4连接高压脉冲电源并施加正高压来进行污水处理时，经过较长时间放电后，该多孔钛板电极中心大约28mm直径圆形区域表面会逐渐形成一层棕色金属光泽，并且随着时间的增加该金属光泽逐渐变深；当电极的连接方式改为上多孔钛板接地时，随着放电时间的延长，该棕色金属光泽薄膜会逐渐褪去，重新恢复钛的银灰色金属光泽，该金属光泽的产生和消失表明了TiO₂的产生和消失过程。将表面产生了棕色金属光泽的多孔钛板从装置中卸下后进行光催化实验，结果表明，在紫外光照射下，经过放电作用后的多孔钛板对甲基橙具有催化降解作用。因此，在该装置中，多孔钛板在一定程度上可以利用放电产生的紫外光进行催化作用。

实施例2

本实施例中的高压脉冲放电反应装置、独立曝气装置和实施例1基本相同，区别在于：本实施例通过改变该装置中管道的连接方式，形成了多级反应器。

如图2所示，本实施例中的反应器为由至少两套上述高压脉冲放电反应装置和独立曝气装置组成的多级反应器，相邻两级分别称为上级高压脉冲放电反应装置24、上级独立曝气装置25、下级高压脉冲放电反应装置26、下级独立曝气装置27，其中最上级的高压脉冲放电反应装置上的液体入口和外部水源28通过硅胶导管22连通，所述硅胶导管22上设有蠕动泵23，液体由蠕动泵抽动，上级独立曝气装置的液体出口19和下级高压脉冲放电反应装置的液体入口13连通，每一级的独立曝气装置的曝气入口和同级的高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口连接，最后一级的独立曝气装置的液体出口与其他水处理工艺流程相连或作为最终的出水口29。

所述高压脉冲放电反应装置包括上部的气室3和下部的液室4，所述气室3中嵌有上多孔钛板5作为高压电极，所述液室中嵌有下多孔钛板6作为地电极，所述高压电极通过高压导线8与高压电源连接，所述地电极通过导线与地线7连接，所述高压电极与地电极极性可颠倒，所述上多孔钛板电极与下多孔钛板之间的部分为放电区9，所述高压脉冲放电反应装置顶部设有气体入口11和气体出口12，所述气体入口11和所述气室3连通，所述高压脉冲放电反应装置底部设有液体入口13，所述高压脉冲放电反应装置侧壁设有溢流取样管14，所述溢流取样管低于所述下多孔钛板；

所述独立曝气装置包括外壳15、外壳内部的气液分离管16，所述外壳上设有液体出口19，所述气液分离管16内部嵌有多孔的曝气头17，所述气液分离管16的侧壁设置液体溢出孔20，所述液体溢出孔的水平位置高于所述曝气头17，所述曝气头17的下方为曝气气室18，所述液体出口19与所述液体溢出孔20不在同侧的同一水平面上，优选气液分离管上的液体溢出孔20朝向液体出口19的对侧。所述液体出口19低于所述气液分离管16的顶端，所述独立曝气装置外壳底部设有曝气入口21。

所述独立曝气装置的液体出口19和所述高压脉冲放电反应装置上的液体入口13通过硅胶导管22连通，所述硅胶导管22上设有蠕动泵23，液体由蠕动泵抽动循环，所述高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口12和所述曝气入口21通过导气管31连通。

所述气液分离管内部的曝气头17为抗氧化耐腐蚀的微米级孔径的多孔钛板或多孔砂芯。所述微米级孔径的多孔钛板的孔径为5-50μm。所述高压脉冲放电反应装置的上多孔钛板、下多孔钛板的孔径为微米级。

空气、O₂或其他类型的气体或其混合气体通过压缩机或由钢瓶直接提供，具有一定的压力，气体依次由气体入口11经过上多孔钛板5、放电区9后经导气管31导入到独立曝气装置2的曝气气室18进行曝气，多余气泡穿越独立曝气装置2的液体后排出到空气中；独立曝气装置2的曝气头17为微米级孔径的多孔钛板，孔径为5-50μm，使曝气产生0.2-1.0mm直径的微小气泡，气液分离管避免了独立曝气装置2的的气泡被蠕动泵23抽入高压脉冲放电反应装置1，影响放电形式和气液界面的位置。

当所述独立曝气装置气液分离管上方的液体中包括活性炭颗粒或负载TiO₂等的颗粒物质时，应在曝气装置的液体出口处设置一层或多层50-250目的不锈钢阻挡网。

一种使用所述独立曝气高压脉冲放电水处理反应器的污水处理方法，可以从气体走向和液体走向两个方面来描述其运行过程：

从气体走向来看，压缩空气或O₂经气体流量计控制从高压脉冲放电反应装置1中的气体入口11进入，气体穿过多孔钛板微米级的小孔，使气体均匀分布于高压脉冲放电反应装置1的放电区9，高压脉冲电源7向电极施加高压后，放电区9即产生大量等离子体通道，通入的O₂等在电场、粒子流作用下产生O₃，O₃在高速气流下部分直接通过气液传质由气液界面10进入液体直接作用于有机污染物或分解形成等间接的降解有机污染物；未溶解到溶液的部分O₃由高压脉冲放电反应装置1的上部气体出口12随着导气管31被导入到独立曝气装置的曝气气室18，曝气主要由孔径为5-20μm的多孔钛板形成，气体经过多孔钛板曝气后在液体中形成大量均匀的0.2-1.0mm直径的微小气泡，比表面积大，有利于O₃等活性物质向液相中扩散，提高了传质效率和在溶液中的停留时间，大大加速了气液传质，有利于对污染物的降解，小气泡中O₃可与待处理液体作用后溶解于溶液中，将其中的有机物直接或间接氧化，剩余气体穿越液体后排出。

从液体走向来看，待处理液体直接由蠕动泵23通过硅胶导管22从外部水源28抽至反应器的上级高压脉冲放电反应装置24的液室4，在液体推流作用下从孔径为10-50μm的下多孔钛板电极穿过后，蠕动泵23的脉冲作用被削弱，液体到达放电区9表面的气-液界面10基本没有脉冲波动，在上多孔钛板5和下多孔钛板6施加脉冲高压后，放电能够较均匀稳定的进行，在高压脉冲放电作用下液体中会有·OH、H₂O₂等活性物质生成并与水体中的有机污染物反应，污染物被逐步降解，经过放电反应的液体由溢流取样管14流出进入上级独立曝气装置25的反应区，再次与O₃微气泡充分作用，反应后的液体通过气液分离管16与气泡脱体，并从液体出口19经硅胶导管被蠕动泵送入下级高压脉冲放电反应装置26的液体入口13后到达液室4，经高压脉冲放电作用后通过溢流取样管进入下级独立曝气装置27，如此还可经过更多级的高压脉冲放电反应装置和独立曝气装置连续处理下去，最终将污染物矿化。经多级反应的液体从最后一级的独立曝气装置的出水口29流出。经过多级反应实现废水的连续多级处理。在上述方式中，反应器运行时的液体流速可以通过更换不同管径的溢流管管头和调节蠕动泵流速加以控制。

在本发明装置中，各接头都采用焊接的方式，降低接头处的电阻，避免了不必要的能耗。装置各部分尽可能采用封装形式，便于拆卸，部分接头采用螺丝-螺母衔接，以方便改变电极连接方式，接地线8和接高压电源7的位置可以互换，也可以通过调节高压脉冲电源上的转换开关来决定施加正高压脉冲或负高压脉冲。

在本发明装置中，所采用的多孔钛板纯度为90%以上，多孔钛板直径均为40mm，厚度4mm，孔径变化范围在5-200μm，选取原则为：上多孔钛板电极4主要起电极、供气和布气作用，可以选用较大（50-200μm）孔径的多孔钛板；下多孔钛板电极7主要起电极、布水和抑制脉冲作用，应选用孔径适中（10-50μm）；曝气多孔钛板主要作用是对产生的O₃进行曝气，因此应当选取小孔径的多孔钛板（5-20μm）。

在本发明装置中，当上多孔钛板电极4连接高压脉冲电源并施加正高压来进行污水处理时，经过较长时间放电后，该多孔钛板电极中心大约28mm直径圆形区域表面会逐渐形成一层棕色金属光泽，并且随着时间的增加该金属光泽逐渐变深；当电极的连接方式改为上多孔钛板接地时，随着放电时间的延长，该棕色金属光泽薄膜会逐渐褪去，重新恢复钛的银灰色金属光泽，该金属光泽的产生和消失表明了TiO₂的产生和消失过程。将表面产生了棕色金属光泽的多孔钛板从装置中卸下后进行光催化实验，结果表明，在紫外光照射下，经过放电作用后的多孔钛板对甲基橙具有催化降解作用。因此，在该装置中，多孔钛板在一定程度上可以利用放电产生的紫外光进行催化作用。

实施例3

本实施例中的高压脉冲放电反应装置、独立曝气装置和实施例1基本相同，区别在于：本实施例包括1个上述高压脉冲放电反应装置和至少两个独立曝气装置，并改变了装置中管道的连接方式。

如图3所示，所述反应器包括1个上述高压脉冲放电反应装置和至少两个独立曝气装置，所述独立曝气装置的液体出口19之间相互连通并与高压脉冲放电反应装置的液体入口13通过硅胶导管22连通，所述硅胶导管22上设有蠕动泵23，所述独立曝气装置的曝气入口21之间相互连通并与所述高压脉冲放电反应装置的气体出口12连通，相邻的两个独立曝气装置的壳体通过连通管30连通。

所述高压脉冲放电反应装置包括上部的气室3和下部的液室4，所述气室3中嵌有上多孔钛板5作为高压电极，所述液室中嵌有下多孔钛板6作为地电极，所述高压电极通过高压导线8与高压电源连接，所述地电极通过导线与地线7连接，所述高压电极与地电极极性可颠倒，所述上多孔钛板电极与下多孔钛板之间的部分为放电区9，所述高压脉冲放电反应装置顶部设有气体入口11和气体出口12，所述气体入口11和所述气室3连通，所述高压脉冲放电反应装置底部设有液体入口13，所述高压脉冲放电反应装置侧壁设有溢流取样管14，所述溢流取样管低于所述下多孔钛板；

所述独立曝气装置包括外壳15、外壳内部的气液分离管16，所述外壳上设有液体出口19，所述气液分离管16内部嵌有多孔的曝气头17，所述气液分离管16的侧壁设置液体溢出孔20，所述液体溢出孔的水平位置高于所述曝气头17，所述曝气头17的下方为曝气气室18，所述液体出口19与所述液体溢出孔20不在同侧的同一水平面上，优选气液分离管上的液体溢出孔20朝向液体出口19的对侧。所述液体出口19低于所述气液分离管16的顶端，所述独立曝气装置外壳底部设有曝气入口21。

所述独立曝气装置的液体出口19和所述高压脉冲放电反应装置上的液体入口13通过硅胶导管22连通，所述硅胶导管22上设有蠕动泵23，液体由蠕动泵抽动循环，所述高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口12和所述曝气入口21通过导气管31连通。

所述气液分离管内部的曝气头17为抗氧化耐腐蚀的微米级孔径的多孔钛板或多孔砂芯。所述微米级孔径的多孔钛板的孔径为5-50μm。所述高压脉冲放电反应装置的上多孔钛板、下多孔钛板的孔径为微米级。

空气、O₂或其他类型的气体或其混合气体通过压缩机或由钢瓶直接提供，具有一定的压力，气体依次由气体入口11经过上多孔钛板5、放电区9后经导气管31导入到独立曝气装置2的曝气气室18进行曝气，多余气泡穿越独立曝气装置2的液体后排出到空气中；独立曝气装置2的曝气头17为微米级孔径的多孔钛板，孔径为5-50μm，使曝气产生0.2-1.0mm直径的微小气泡，气液分离管避免了独立曝气装置2的的气泡被蠕动泵23抽入高压脉冲放电反应装置1，影响放电形式和气液界面的位置。

当所述独立曝气装置气液分离管上方的液体中包括活性炭颗粒或负载TiO₂等的颗粒物质时，应在曝气装置的液体出口处设置一层或多层50-250目的不锈钢阻挡网。

一种使用所述独立曝气高压脉冲放电水处理反应器的污水处理方法，可以从气体走向和液体走向两个方面来描述其运行过程：

从气体走向来看，压缩空气或O₂经气体流量计控制从高压脉冲放电反应装置1中的气体入口11进入，气体穿过多孔钛板微米级的小孔，使气体均匀分布于高压脉冲放电反应装置1的放电区9，高压脉冲电源7向电极施加高压后，放电区9即产生大量等离子体通道，通入的O₂等在电场、粒子流作用下产生O₃，O₃在高速气流下部分直接通过气液传质由气液界面10进入液体直接作用于有机污染物或分解形成等间接的降解有机污染物；未溶解到溶液的部分O₃由高压脉冲放电反应装置1的上部气体出口12随着导气管31被导入到两个独立曝气装置的曝气气室18，曝气主要由孔径为5-20μm的多孔钛板形成，气体经过多孔钛板曝气后在液体中形成大量均匀的0.2-1.0mm直径的微小气泡，比表面积大，有利于O₃等活性物质向液相中扩散，提高了传质效率和在溶液中的停留时间，大大加速了气液传质，有利于对污染物的降解，小气泡中O₃可与待处理液体作用后溶解于溶液中，将其中的有机物直接或间接氧化，剩余气体穿越液体后排出。

从液体走向来看，开始时待处理液体由反应器的独立曝气装置2一次性加入，在蠕动泵23持续作用下由硅胶导管22被循环至高压脉冲放电反应装置1的液室4，在液体推流作用下从孔径为10-50μm的下多孔钛板电极穿过后，蠕动泵23的脉冲作用被削弱，液体到达放电区9表面的气-液界面10基本没有脉冲波动，在上多孔钛板5和下多孔钛板6施加脉冲高压后，放电能够较均匀稳定的进行，在高压脉冲放电作用下液体中会有·OH、H₂O₂等活性物质生成并与水体中的有机污染物反应，污染物被逐步降解，经过放电反应的液体再由溢流取样管14流出重新进入两个独立曝气装置2的反应区，因为两个独立曝气装置2是通过连通管30彼此连通的，所以液体在两个独立曝气装置2内部可以彼此流动，液体再次与O₃微气泡充分作用，反应后的液体通过气液分离管16与气泡脱体，再次被蠕动泵23送入高压脉冲放电反应装置1，以此循环，最终将污染物矿化。

如此还可连接更多的独立曝气装置连续处理下去，最终将污染物矿化。在上述方式中，反应器运行时的液体流速可以通过更换不同管径的溢流管管头和调节蠕动泵流速加以控制。

在本发明装置中，各接头都采用焊接的方式，降低接头处的电阻，避免了不必要的能耗。装置各部分尽可能采用封装形式，便于拆卸，部分接头采用螺丝-螺母衔接，以方便改变电极连接方式，接地线8和接高压电源7的位置可以互换，也可以通过调节高压脉冲电源上的转换开关来决定施加正高压脉冲或负高压脉冲。

在本发明装置中，所采用的多孔钛板纯度为90%以上，多孔钛板直径均为40mm，厚度4mm，孔径变化范围在5-200μm，选取原则为：上多孔钛板电极4主要起电极、供气和布气作用，可以选用较大（50-200μm）孔径的多孔钛板；下多孔钛板电极7主要起电极、布水和抑制脉冲作用，应选用孔径适中（10-50μm）；曝气多孔钛板主要作用是对产生的O₃进行曝气，因此应当选取小孔径的多孔钛板（5-20μm）。

在本发明装置中，当上多孔钛板电极4连接高压脉冲电源并施加正高压来进行污水处理时，经过较长时间放电后，该多孔钛板电极中心大约28mm直径圆形区域表面会逐渐形成一层棕色金属光泽，并且随着时间的增加该金属光泽逐渐变深；当电极的连接方式改为上多孔钛板接地时，随着放电时间的延长，该棕色金属光泽薄膜会逐渐褪去，重新恢复钛的银灰色金属光泽，该金属光泽的产生和消失表明了TiO₂的产生和消失过程。将表面产生了棕色金属光泽的多孔钛板从装置中卸下后进行光催化实验，结果表明，在紫外光照射下，经过放电作用后的多孔钛板对甲基橙具有催化降解作用。因此，在该装置中，多孔钛板在一定程度上可以利用放电产生的紫外光进行催化作用。

Claims (10)

1.一种独立曝气高压脉冲放电水处理反应器,其特征在于：包括至少一个高压脉冲放电反应装置（1）和至少一个低于所述高压脉冲放电反应装置的独立曝气装置（2）；

所述高压脉冲放电反应装置包括上部的气室（3）和下部的液室（4），所述气室（3）中嵌有上多孔钛板（5）作为高压电极，所述液室中嵌有下多孔钛板（6）作为地电极，所述高压电极通过高压导线（8）与高压电源连接，所述地电极通过导线与地线（7）连接，所述高压电极与地电极极性可颠倒，所述上多孔钛板电极与下多孔钛板之间的部分为放电区（9），所述高压脉冲放电反应装置顶部设有气体入口（11）和气体出口（12），所述气体入口（11）和所述气室（3）连通，所述高压脉冲放电反应装置底部设有液体入口（13），所述高压脉冲放电反应装置侧壁设有溢流取样管（14），所述溢流取样管低于所述下多孔钛板；

所述独立曝气装置包括外壳（15）、外壳内部的气液分离管（16），所述外壳上设有液体出口（19），所述气液分离管（16）内部嵌有多孔的曝气头（17），所述气液分离管（16）的侧壁设置液体溢出孔（20），所述液体溢出孔的水平位置高于所述曝气头（17），所述曝气头（17）的下方为曝气气室（18），所述液体出口（19）与所述液体溢出孔（20）不在同侧的同一水平面上，所述液体出口（19）低于所述气液分离管（16）的顶端，所述独立曝气装置外壳底部设有曝气入口（21）。

2.如权利要求1所述的反应器,其特征在于：所述反应器包括一个高压脉冲放电反应装置和一个独立曝气装置，所述独立曝气装置的液体出口和所述高压脉冲放电反应装置上的液体入口连通，所述高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口和所述曝气入口连通。

3.如权利要求1所述的反应器,其特征在于：所述反应器为由至少两套上述高压脉冲放电反应装置和独立曝气装置组成的多级反应器，相邻两级分别称为上级高压脉冲放电反应装置（24）、上级独立曝气装置（25）、下级高压脉冲放电反应装置（26）、下级独立曝气装置（27），其中最上级的高压脉冲放电反应装置上的液体入口和外部水源（28）连通，上级独立曝气装置的液体出口和下级高压脉冲放电反应装置的液体入口连通，每一级的独立曝气装置的曝气入口和同级的高压脉冲放电反应装置顶部的气体出口连接，最后一级的独立曝气装置的液体出口与其他水处理工艺流程相连或作为最终的出水口（29）。

4.如权利要求1所述的反应器,其特征在于：所述反应器包括1个上述高压脉冲放电反应装置和至少两个独立曝气装置，所述独立曝气装置的液体出口之间相互连通并与高压脉冲放电反应装置的液体入口连接，所述独立曝气装置的曝气入口之间相互连通并与所述高压脉冲放电反应装置的气体出口连接，相邻的两个独立曝气装置的壳体通过连通管（30）连通。

5.如权利要求1至4任意一项所述的反应器,其特征在于：所述气液分离管内部的曝气头为抗氧化耐腐蚀的微米级孔径的多孔钛板。

6.如权利要求5所述的反应器,其特征在于：所述微米级孔径的多孔钛板的孔径为5-50μm。

7.如权利要求1至4任意一项所述的反应器,其特征在于：所述高压脉冲放电反应装置的上多孔钛板、下多孔钛板的孔径为微米级。

8.如权利要求1至4任意一项所述的反应器,其特征在于：在所述独立曝气装置的液体中含有活性炭颗粒或负载TiO₂颗粒物，在曝气装置最终的液体出口处设置一层或多层50-250目的不锈钢阻挡网。

9.一种使用权利要求2所述的独立曝气高压脉冲放电水处理反应器的污水处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

待处理液体由所述反应器的独立曝气装置一次性加入，然后被循环至高压脉冲放电反应装置，在液体推流作用下从下多孔钛板穿过后到达放电区表面，经过放电处理的液体再由溢流取样管流出重新进入独立曝气装置，再次与所述高压脉冲放电反应装置产生的O₃反应，以此循环，最终将污染物矿化。

10.一种使用权利要求3所述的独立曝气高压脉冲放电水处理反应器的污水处理方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

使待处理液体被抽至高压脉冲放电反应装置，经高压脉冲放电作用后，液体从溢流取样管溢流至反应器的独立曝气装置，与O₃作用后由下部的液体出口进入至下一级的高压脉冲放电反应装置进行新一轮的放电和曝气，实现废水的多级连续处理。

Images