CN102491485B - 一种用于有机污水处理的壅塞空化器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力空化污水处理装置。一种用于有机污水处理的壅塞空化器，其特征在于包括入流接头、喷嘴体、壅塞体和背压罩，喷嘴体和壅塞体相配合形成环形喷嘴，壅塞体内开有壅塞管，壅塞体和背压罩相配合形成溃灭腔，背压罩径向开有背压孔。壅塞空化器根据气液两相临界流的壅塞现象设计，污水经环形喷嘴射入壅塞体内的壅塞管产生空泡，在壅塞管的出口附近形成壅塞截面，空泡通过壅塞截面后在背压罩内溃灭。本发明结构简单，产生空泡量大，空化强度高，具有处理有机污水能力强，能量利用率高，无二次污染等特点，特别适用于难降解有毒有机污染物的处理。

Description

一种用于有机污水处理的壅塞空化器

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体提供了一种用于有机污水处理的壅塞空化器。

背景技术

随着我国经济的快速发展，环境问题也凸显出来。工业污水和生活污水由于得不到有效地处理，严重污染了人们赖以生存的宝贵水资源。常规的物理、化学、生物处理方法难以满足对难于生物降解、对人类危害极大的“三致”有机污染物进行处理的技术和经济上的要求，寻找经济、易行、有效的水处理新技术成为当务之急。

以自由基参加氧化反应为主要特征的现代高级氧化技术，如超临界水氧化技术、电化学技术、光催化氧化技术、光电催化技术和超声空化技术等，虽然都有较强的氧化能力，但因其工业应用时的成本问题，只能适用于小规模的污水处理过程。水力空化能在常温、常压下，不添加（或少添加）化学药剂，就能实现对污染物的氧化。因此，水力空化技术被认为是一种很有发展潜力的水处理新技术。

超声空化装置产生的能量集中、空化效应强烈，对各类有机物有良好的氧化效果，得到了众多学者广泛深入的研究，在理论和实验研究方面已取得了大量的成果。但是由于超声空化效应只在超声探头附近产生，能量利用率低，空化反应器放大效果差，难以对污水实现工业化处理。相对而言，水力空化的能量利用率高，比尺效应影响小，易于放大，因而被业界认为是很有潜力的有机污水（特别是有毒难降解污水）处理和水净化的新途径。

水力空化根据产生空化的不同方法，目前国内外的研究主要表现为三种形式：射流空化、孔板空化和漩涡空化。

射流空化是指水流通过特殊结构设计的空化喷嘴，人为地在射流中诱发空化，并控制适当的靶距，使射流冲击靶盘时空泡在滞止压力作用下溃灭。空化射流用于破碎和清洗领域取得了很好的效果，它充分发挥了射流的冲击效应和空化的疲劳破坏的协同效应。但空化射流用于水处理领域却暴露出其短处，产生空化的喷嘴入口压力要求较高，一般为几个MPa以上（CN200610054461.2）,能量利用率不高。这是因为空化射流中空化区域的体积占水体的比例低，且由于射流冲击靶盘时的水垫作用，降低了滞止点附近以外区域的压力梯度，使本不多的空泡还有部分未能有效溃灭。所谓有效溃灭是指一定直径的空泡在较高的当地压力作用下快速溃灭，空泡的溃灭时间一般应在1微妙级以下。

US 6,200,486 B1对射流装置进行了改进设计,使空化效应能在1MPa下产生。虽采用了多喷嘴结构，但处理时间仍然过长，说明空泡有效溃灭的问题仍未能解决。

孔板是一块具有圆形开孔的金属薄板,圆孔壁与孔板前端面成直角,安装时孔板轴心与管道轴线同心。当管道中的液体流经孔板时，由于流速的突然增加，流体内出现空泡，并在孔板的下游压力恢复区溃灭。由于多洞孔板空化要求的管道入口压力低，能在较大范围水体内诱发空化，结构简单，孔板空化用于水处理的研究取得了较大的进展（CN 102026718A，CN 101343108A）。但是，空泡是在孔板下游管道内的压力恢复区溃灭的，溃灭区压力梯度小，空泡尚不能有效溃灭，空化强度不高。

涡流空化是指用于产生空化效应的装置是一个位于组合仓中的圆柱形涡流仓,在涡流仓的壁上有4个呈直角的切向入射口,液体在水泵的作用下进入组合仓,通过切向入射口射入涡流仓，如US 6,221,260 B1。当液体不断循环进入涡流仓时,会形成中心压力低于液体蒸气压的涡流,空化气泡会在涡流中心形成。当流体冲出涡流仓撞击到组合仓的底壁时,压力会急速升高导致空化气泡溃灭,形成空化效应。由于漩涡空化所需入口压力低，能在较大范围水体内（大于射流空化，小于孔板空化）产生空化，但是空泡的溃灭与射流空化类似，部分空泡没有得到有效溃灭。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，特提供一种新型的水力空化产生装置（壅塞空化器）用于有机污水的处理。壅塞空化器的设计充分利用汽液两相临界流的壅塞现象产生的特殊流场特性，通过设计特定的空化器结构，巧妙地同时解决在更大范围水体内产生空化和使空泡有效溃灭这两大技术难题，大大提升空化效应处理有机污水的能力和效率，从而可冲破水力空化技术处理有机污水走向工业应用的瓶颈。

空化现象是指液体内部局部压力降低时,液体内部或液固交界面上内含蒸汽、气体或挥发性有机物的空泡初生、长大和溃灭的过程。空泡溃灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲,气泡周围微小空间形成局部热点，产生极端的高温、高压环境，局部温度可达5 000 K的高温和超过50 MPa的高压。温度变化率高达10⁹K/s,并伴有强烈的冲击波和速度高达100 m/s的微射流。这样的极端条件将为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供一种非常特殊的物理环境。

水溶液中发生空化时，空化泡内由空化气体、水蒸气及易挥发溶质的蒸气组成。在空化泡崩溃的极短时间内，空泡内处于空化时的极端条件，泡内的水蒸气可直接发生热分解反应，产生·OH和·H，且非极性、易挥发溶质的气态分子在泡内也会直接热分解。空化泡表面层是围绕气相的一层很薄的超热液相层，它处于空化时的中间条件，此处存在高浓度的·OH，使水呈超临界状态，极性难挥发溶质可在该区域内进行·OH氧化和超临界氧化反应。在远离空泡溃灭点的水体内，进行剩余自由基的氧化反应。一般而言，水中有机污染物的降解主要发生在空化气泡及其表面层两个区域，降解途径可单独或同时为直接热分解、·OH等自由基的氧化和超临界水氧化等三种途径。

如图1所示，本发明的水流从储液腔经环状喷嘴A射入壅塞管B内，在壅塞管B的前部形成低压区并开始出现大量的空泡，随着携带大量空泡的流体（气液两相流）在壅塞管B内流动，管内气相含量快速增加，当地音速急剧下降。在壅塞管B后部的某断面当地马赫数Ma=1（称为壅塞截面）时，出现了所谓的气液两相流“壅塞”现象。根据气液两相临界流理论，壅塞截面下游的流场压力变化（低于临界压力）不会影响上游流场的压力。一旦在壅塞空化器内建立起了稳定的壅塞流动，当地马赫数为1的壅塞截面就把管内流场一分为二，壅塞截面相当于一扇天然的闸门，把管内流场分为了两个区域。其上游为空泡的产生区和长大区（低压区），下游为空泡的溃灭区（高压区）。大量的空泡穿过壅塞截面后，在壅塞管B的出口附近和溃灭腔C内溃灭。这样，一个壅塞空化器就同时满足了空化效应的空泡产生和溃灭需要不同流场的要求，使空化过程中所产生的空泡几乎在溃灭腔C内全部得到有效溃灭。

本发明提供的壅塞空化器，其特征在于：它包括入水接头1、喷嘴体2、壅塞体3和背压罩4，喷嘴体2和壅塞体3相配合形成环形喷嘴A，壅塞体3和背压罩4相配合形成溃灭腔C，环形喷嘴A的当量直径为d。

环形喷嘴A，其特征在于喷嘴体2和壅塞体3相配合形成环形喷嘴A，环形喷嘴A的环缝宽度小于2mm，环形喷嘴A的锥形收缩角为10°～70°。

喷嘴体2，其特征在于与壅塞体3相配合形成环形喷嘴A，具有环状均布的轴向孔G用于整流，其当量直径大于2d。

壅塞体3，其特征在于壅塞体3与喷嘴体2配合形成环形喷嘴A，壅塞3与背压罩4配合形成溃灭腔C，壅塞体内开有壅塞管B，壅塞管B的内径D为(1～6)d，长度为(1～10)D。

背压罩4，其特征在于背压罩4与壅塞体3配合形成溃灭腔C，背压罩4的径向开有背压孔F，背压孔F的当量直径为(1～3)d。

溃灭腔C，其特征在于溃灭腔C的直径为(1～10)D，轴向长度为(1～10)D。

入水接头1，其特征在于与外部供水管连接，与喷嘴体配合形成储液腔E。

本发明用于有机污水处理，解决了其工业化的三个瓶颈问题：即降低喷嘴入口压力、增加空化区域占水体的比例和使空泡有效溃灭。

本发明的优点

本发明结构简单，空化效果好，能在更大范围水体内产生空化，并能使空泡有效溃灭（已产生的空泡绝大多数都能快速溃灭），用于有机污水的处理具有能量利用率高，氧化能力强，有机物降解率高，无需添加任何化学药剂，不造成二次污染，特别适用于难降解有毒有机污染物的处理。

本发明可单独用于水处理，也可与其他水处理方法联合使用。本发明还可用于水的净化过程。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为本发明的结构示意图；

图2为入水接头结构示意图；

图3为喷嘴体结构示意图；

图4为壅塞体结构示意图；

图5为背压罩结构示意图；

图6为水力空化处理污水的实验系统；

图7为苯酚去除率随处理时间变化曲线图。

在图7中，曲线1、2和3分别指壅塞空化器背压孔径为4mm、5mm和6mm时的试验结果，曲线4和5分别指振荡腔喷嘴和普通喷嘴的试验结果。

具体实施方式

本发明的实施方式以采用三种不同的空化发生器在同样的实验条件下进行苯酚降解能力的对比试验来说明。壅塞空化器即为本发明；振荡腔空化喷嘴是一种具有振荡腔的喷嘴，其出口具有锥形扩展段，锥角为30°；普通喷嘴是具有60°收缩角的普通喷嘴。

1）本发明的实施参数

如图1，入水接头1、喷嘴体2和壅塞体3用螺栓连接，壅塞体3与背压罩4用螺纹连接，入水接头1与外部供水管用螺纹连接。各连接部位采用相应的密封形式。环形喷嘴的当量直径为2.8mm，环缝宽度为0.2mm，环形喷嘴的锥形收缩角为28°，溃灭腔的直径为50mm，轴向长度为40mm。

如图3，喷嘴体2具有环状均布的轴向孔6个，直径为12mm。

如图4，壅塞体3的壅塞管B内径10mm，长度为50mm，

如图5，背压罩4的背压孔直径分别取4mm、5mm和6mm。

2）实验系统

实验系统如图6所示。水力空化处理污水的实验系统为封闭循环系统，包括：水槽（20L），冷凝管，蜗旋泵，管道，压力表和水力空化器等。处理对象为人工配制的苯酚溶液。

3）空化发生器及试验参数

壅塞空化器：泵压为0.95MPa，环形喷嘴的当量直径为2.8mm，背压孔直径分别取4mm，5mm和6mm。

振荡腔空化喷嘴：泵压为0.75MPa，喷嘴直径3.7mm，靶距为30mm，淹没深度为300mm。

普通喷嘴：泵压为0.79MPa，喷嘴直径3.5mm，靶距为30mm，淹没深度为300mm。

空化发生器均采用环氧树脂制作，避免与水中成份发生反应。

4）实验条件

在水槽中配置浓度为100mg/L的苯酚溶液10L，苯酚溶液PH值为6.5。处理时间分别为20min, 30min, 40min, 50min和60min；环境水温23℃，反应时溶液温度                                               

38℃，处理后溶液静置30min后取样。

5）样品检测与分析

根据GB7490-87，采用4-氨基安替比林分光光度法测量苯酚溶液浓度。其原理为：酚类化合物，于PH值为10±0.2的介质中，在铁氰化钾存在下，与4-氨基安替比林反应生成橙红色的吲哚安替比林染料。其水溶液在波长510nm可见光时有最大吸光度，从而利用吸光度间接测量苯酚含量。在测量吸光度时采用723N型可见分光光度计。

苯酚去除率按下式计算：

苯酚去除率＝(C₀-C_t)/C₀×100% 

式中，C₀——空化处理前苯酚溶液的浓度，mg/L

C_t——空化处理后苯酚溶液浓度，mg/L

6）处理结果

图7为苯酚去除率随处理时间的变化曲线图。图中曲线1、2和3分别指壅塞空化器背压孔直径分别为4 mm、5 mm和6mm的试验结果，曲线4和5分别指振荡腔空化喷嘴和普通喷嘴的试验结果。

从图7可以看出，总体而言，随处理时间的增加苯酚的去除率增大。处理60min后，背压孔直径为4mm、5mm和6mm时苯酚的去除率分别达到41.59%、40.92%和5.59%；振荡腔空化喷嘴苯酚去除率为9.21%，普通喷嘴为6.27%。

当背压孔直径为6mm时，溃灭腔内背压值较小，此时虽然上游产生大量空泡，但空泡没有得到及时有效地溃灭，空化强度低，所以苯酚去除率很低。当背压孔径为4mm,5mm时，背压罩内背压值较大，壅塞管内建立了较为稳定的壅塞现象，上游产生的大量空泡在溃灭腔得到有效溃灭，空化强度高。此时产生苯酚的直接热分解、·OH等自由基的氧化和超临界水氧化等三种途径的反应，促使大量苯酚分子降解，所以苯酚去除率较大。说明空泡有效溃灭需要一定的背压。

处理60min后，就苯酚的去除率而言，振荡腔空化喷嘴比普通喷嘴后者提高47%，说明振荡腔空化喷嘴的空化强度确实明显优于普通喷嘴。

壅塞空化器背压孔径为4mm时，苯酚去除率分别是振荡腔喷嘴和普通喷嘴的4.5倍和6.6倍，充分说明了本发明在技术与经济上的巨大潜力。

以上所述仅为本发明示范性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种用于有机污水处理的壅塞空化器，其特征在于它包括入水接头（1）、喷嘴体（2）、壅塞体（3）和背压罩（4），喷嘴体（2）和壅塞体（3）相配合形成环形喷嘴（A），壅塞体（3）和背压罩（4）相配合形成溃灭腔（C），壅塞体（3）内开有壅塞管（B），背压罩（4）的径向开有背压孔（F），环形喷嘴的当量直径为d，环形喷嘴（A）的环缝宽度小于2mm，环形喷嘴（A）的锥形收缩角为10°～70°，壅塞管（B）的内径D为(1～6)d，长度为(1～10)D，溃灭腔（C）的直径为(1～10)D、轴向长度为(1～10)D，背压孔（F）的当量直径为(1～3)d。

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