CN102491486A - 强化水射流空化降解含苯酚废水的设备 - Google Patents

Abstract

一种强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，储水池、高压泵、射流空化喷嘴通过管道依顺序连接，射流空化喷嘴安装在反应容器的进水端，反应容器的出水端通过回流管与储水池相连，反应容器内设有一空化射流靶盘，空化射流靶盘距射流空化喷嘴的距离为射流空化喷嘴的喷射孔直径的20～40倍，空化射流靶盘与一调节杆连接固定，调节杆的外伸端连接操纵装置。它使从射流空化喷嘴喷出的空化泡与空化射流靶盘撞击，加速空化泡溃灭，将空化泡的溃灭集中在射流空化喷嘴与空化射流靶盘之间区域，使空化泡溃灭产生的极端高热聚集在该区域，形成一个相对集中高温高压的溃灭区，加速含苯酚废水中苯酚有机物的分解，由此提高含苯酚废水的处理效果。

Description

强化水射流空化降解含苯酚废水的设备

技术领域

本发明涉及水射流空化领域，特别涉及一种强化水射流空化降解含苯酚废水的设备。

背景技术

随着国家各行业经济发展，机污染物的排放日益增多，尤其是来自农药、制药、炼焦、炼油、塑料、纺织印染等行业的污水，含有多种毒害大、难降解的芳香类有机污染物成分，给生态环境、人民生命安全及健康造成极大危害。苯酚是其中的一种典型污染物，属我国优先控制的污染物之一，同时也是美国环保局列出的 129种优先控制的污染物之一。对含苯酚的废水处理日益受到重视。

国内外对含苯酚等有机废水的处理有多种方法，分为生物氧化法、物理法和化学氧化法。生物氧化法降解速度慢，只适用低浓度废水降解。物理法存在处理容量有限，设备再生往往能耗大，废弃物排放易造成二次污染等缺点。化学氧化法需要高温、高压，添加氧化剂等，投资大，处理成本高。

目前，随着水射流空化技术的发展，水射流空化降解处理有机废水成为一种有效的处理方法。水射流空化技术是一种水处理新技术，空泡溃灭时形成极端高温高压环境，产生强烈的冲击波和微射流，引起复杂的物理和化学效应，产生活性极强的·OH和·H自由基，再通过自由基与有机化合物之间的加合、取代、电子转移断键等，使水体中难降解有机物大分子氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO₂和H₂O，接近完全矿化，从而有效降解有机废水。

众多相关的文献及专利研究了水射流空化降解苯酚等有机废水的方法。相关文献“水力空化技术降解含苯酚、二甲苯废水的实验研究”（乔慧琼，兰州交通大学环境与市政工程学院，《能源环境保护》2007年 第2期，18-20页），描述了采用水力空化技术的新方法降解水体中的有机污染物苯酚，对水力空化的循环时间、苯酚初始浓度等因素对降解率的影响以及水温、PH值随循环时间的变化进行了研究，也描述了水力空化技术对苯酚溶液的降解率最高可达51.7%。但文中没有涉及水力空化降解的空化装置的构成，以及具体实施的方法、措施等。

相关文献“空化水射流-双氧水处理苯酚废水的机理分析”（卢义玉，重庆大学学报:自然科学版，2008，31(10)：19-22），阐述了双氧水联合空化水射流氧化法降解苯酚可使苯酚转化为其它较易被氧化的有机物，使苯酚更易于被彻底处理，在特定情况下，其苯酚的去除率达到99.85%。但该文献描述的是空化水射流与双氧水联合作用对苯酚废水进行降解，没有涉及到采用什么结构的水射流空化装置进行降解。

美国专利6502979、7086777、7207712都描述了用于产生水力空化的方法和装置。该装置包括具有上游部和下游部的流通室，其中下游部具有大于上游部的横截面积，并且流通室的壁可拆卸和可更换地安装在该装置内。该装置是通过节流器调节流通道的开度，来控制空化气泡的产生，从而控制空化的效果。但该装置结构复杂，节流器的制造成本高，加工制作难度大，不利于推广使用。尤其是该装置对苯酚废水的降解效果怎样，不得而知。

申请号为200980117515.7的公开文本提供了一种设计用于过程强化的水力空化反应容器的方法，涉及利用空泡发生器来产生空泡，以及通过流调节器来形成湍流，对甲苯、若丹明等有机物氧化降解，对甲苯可实现54%的氧化。同样属于通过调节流量大小产生空泡，与现有的水力空化反应容器相比的并没有实质性的改进，其降解效果也并不突出。而且该文依然没有对苯酚废水的降解及降解效果进行描述。

专利号为ZL200420035654.X的公开文本，提供了一种降解水中有机污染物的空化水射流装置。该装置包含了处理池、空化喷嘴、空泡溃灭器、污水泵、调节阀，在处理池内设置空化嘴和空泡溃灭器，空化嘴置于空泡溃灭器内，处理池与调节池之间，通过污水泵及回水调节阀相连通，污水在空化喷嘴处产生空泡，空泡在空泡溃灭器的溃灭，污水由空泡溃灭时产生的中间产物（如各种自由基、超临界水等）与水中污物发生氧化反应，从而达到处理污水的目的。其处理对硝基苯酚溶液去除率为50%时需1.5小时。由于这种结构的空化水射流装置的空泡溃灭器是淹没在污水处理池的污水中，空化喷嘴产生空泡在空泡溃灭器中与污水混合，空泡的形成会受到很大影响，空化降解效果也会受到影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种强化水射流空化降解含苯酚废水的设备。它通过在反应容器内设置空化射流靶盘，使从射流空化喷嘴喷出的空化泡与空化射流靶盘撞击，加速空化泡溃灭，将空化泡的溃灭集中在射流空化喷嘴与空化射流靶盘之间区域，使空化泡溃灭产生的极端高热聚集在该区域，形成一个相对集中高温高压的溃灭区，加速含苯酚废水中苯酚有机物的分解，由此提高含苯酚废水的处理效果。

本发明的目的是这样实现的：储水池、高压泵、射流空化喷嘴通过管道依顺序连接，射流空化喷嘴安装在反应容器的进水端，反应容器的出水端通过回流管与储水池相连。所述反应容器内设有一空化射流靶盘，所述空化射流靶盘正对射流空化喷嘴，距射流空化喷嘴的距离为射流空化喷嘴的喷射孔直径的20～40倍，所述空化射流靶盘与一调节杆连接固定，调节杆可轴向移动的支撑于反应容器上，其外伸端连接操纵装置。

射流空化喷嘴的内孔包括入口收缩段锥孔，出口扩散段锥孔，收缩段锥孔与扩散段锥孔之间为喷射段直孔，所述入口收缩段锥孔的长度大于出口扩散段锥孔长度，喷射段直孔的长度小于出口扩散段锥孔长度。

所述入口收缩段锥孔的长度为20～30mm，所述出口扩散段锥孔的长度为8～15mm，喷射段直孔的长度为8mm。

射流空化喷嘴的喷射段直孔的直径D为0.5～1.5mm，出口扩散段锥孔的扩散角为50°～60°，入口收缩段锥孔的收缩角为12.5°～13.5°。

所述调节杆的一端设有连接盘，空化射流靶盘通过螺栓固定在连接盘上，调节杆的另一端于反应容器外螺纹配合在反应容器的支架上，该端的端部设有旋转手柄。

反应容器为圆筒容器，反应容器的轴线平行于水平，反应容器的一轴向端中心安装射流空化喷嘴，反应容器的另一轴向端设置端盖，调节杆外伸端从端盖中心伸出，端盖与调节杆之间设有密封圈，反应容器的曲面设置出水口连接回流管。

所述调节杆上设有调节刻度。

高压泵与射流空化喷嘴之间的管道上设有调节阀，调节阀与射流空化喷嘴之间的管道上设有压力表。

高压泵与调节阀之间通过三通连接一泄压管，泄压管连接储水池，泄压管上设有截止阀。

储水池中设有与制冷设备连通的冷凝管。

采用了上述方案，将射流空化喷嘴安装在反应容器的进水端，反应容器的出水端通过回流管与储水池相连，在反应容器内设有一空化射流靶盘，所述空化射流靶盘正对射流空化喷嘴，距射流空化喷嘴的距离为射流空化喷嘴的喷射孔直径的20～40倍。这样可以使从射流空化喷嘴喷射出的射流空化泡高速撞击空化射流靶盘，加速空化泡的溃灭，使空化泡在一个相对集中的区域内产生溃灭，可以将若干空化泡溃灭产生的高温高压聚集在这个相对集中的区域内形成极端高温，并产生强烈的冲击波和微射流，引起复杂的物理和化学效应，产生活性极强的·OH和·H自由基，再通过自由基与有机化合物之间的加合、取代、电子转移断键等，使水体中难降解有机物大分子（如苯酚）氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO₂和H₂O；同时高压射流打击在靶盘上形成的剪切力，也对苯酚有机物的分解起到一定的作用。采用这种水射流空化降解含苯酚废水方式，比现有的让射流形成的空化泡，随流体运动后分散在相对较大的区域内自然溃灭产生的效果要好得多，高温高压更加集中。与现有的苯酚废水射流空化降解技术相比，本发明的技术的空化降解率得到大大提高，其对苯酚废水进行持续稳定空化降解，经数次循环降解，累计降解率可达70.9%，远远超过现有技术。苯酚废水在反应容器中进行空化降解反应后，再经回流管路流至储水池中进行循化降解，以达到更高的降解效果。

并且所述空化射流靶盘与一调节杆连接固定，调节杆可轴向移动的支撑于反应容器上，其外伸端连接操纵装置。这样可以根据所选择的射流空化喷嘴，以及射流压力，调整空化射流靶盘与射流空化喷嘴之间的距离，使空化泡在最佳范围内溃灭，提高降解效果。

射流空化喷嘴的内孔包括入口收缩段锥孔，出口扩散段锥孔，收缩段锥孔与扩散段锥孔之间为喷射段直孔，所述入口收缩段锥孔的长度大于出口扩散段锥孔长度，喷射段直孔的长度小于出口扩散段锥孔长度。而且所述入口收缩段锥孔的长度为20～30mm，所述出口扩散段锥孔的长度为8～15mm，喷射段直孔的长度为8mm。并且射流空化喷嘴的喷射段直孔的直径D为0.5～1.5mm，出口扩散段锥孔的扩散角为50°～60°，入口收缩段锥孔的收缩角为12.5°～13.5°。这种结构的射流空化喷嘴更有利于产生大量的射流空化泡，因相对较长和收缩角较小的入口收缩段锥孔，更有利于射流的形成；而比喷射段直孔长的出口扩散段锥孔的相对较大的扩散角，使射流在扩散段内与周围介质切剪作用时间增长，喷嘴产生的空化泡数量越多，更有利于产生大量的空化泡。由此可提高降解效果。

储水池中设有与制冷设备连通的冷凝管。这样可以在循环降解时间较长，产生较高水温时，开启制冷装置，通过冷凝管对储水池的水进行降温。

本发明结构简单，与普通自由射流空化降解装置相比，能大幅提高降解率，同时能大幅缩短苯酚废水的降解时间，从而降低降解能耗。

附图说明

图1为本发明设备的系统结构图；

图2为本发明的射流空化喷嘴结构图；

图3为本发明的反应容器和空化射流靶盘的结构示意图；

图4为本发明系统设备的多机并联示意图。

附图中，1为反应容器，2为空化射流靶盘，3为射流空化喷嘴，4为第一调节阀，5为三通，6为高压泵，7为控制阀，8为储水池，9为冷凝管，10为第一泄压管，11为第一截止阀，12为回流管，13为第二调节阀，14为第二截止阀，15为第二泄压管，16为出口压力表，17为调节杆，18为支架，19为手柄，20为入口压力表，21为筒体，22为安装孔，23为连接盘，24为端盖，25为密封圈，26为螺塞，27为调节刻度，28为内螺纹套，29为锁定螺母，33为入口收缩段锥孔，34为喷射段直孔，35为出口扩散段锥孔。

具体实施方式

参见图1至图3，一种强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，储水池8、高压泵6、射流空化喷嘴3通过高压管道依顺序连接，射流空化喷嘴3与高压管螺纹连接，以便于更换。所述射流空化喷嘴3安装固定在反应容器1的进水端，反应容器1的出水端通过回流管12与储水池8相连。所述反应容器1内设有一空化射流靶盘2，所述空化射流靶盘2正对射流空化喷嘴3，距射流空化喷嘴3的距离为射流空化喷嘴3的喷射孔直径的20～40倍，以30倍为最佳。所述空化射流靶盘2与一调节杆17连接固定，调节杆17可轴向移动的支撑于反应容器1上，其外伸端连接操纵装置18。所述反应容器1采用圆筒容器，反应容器1的轴线平行于水平固定在支架18上。反应容器1的一轴向端中心安装射流空化喷嘴3，射流空化喷嘴3通过螺纹紧固在反应容器1的轴向端壁上，并用密封圈密封；反应容器的另一轴向端设置端盖24，端盖24与反应容器的筒体21通过螺纹紧固连接，并设密封垫密封，或者端盖24与反应容器的筒体21法兰连接，端盖与反应容器的筒体之间设置密封垫。所述调节杆17外伸端从端盖24中心伸出，端盖24与调节杆17之间设有密封圈25，并用与调节杆17滑动配合的螺塞26将密封圈25定位在端盖上的轴孔中，使调节杆17可相对于端盖轴向运动。将端盖设置在反应容器1的轴向端，既便于反应容器筒体的制作，也便于在维修、更换空化射流靶盘2时，拆开端盖更换、维修空化射流靶盘2。反应容器筒体的曲面设置出水口连接回流管12。为增强空化射流靶盘2的强度，在所述调节杆17的一端设有连接盘23，连接盘23上设有安装孔22，空化射流靶盘2通过螺栓固定在连接盘23上，既能通过连接盘23保证对空化射流靶盘2的支撑强度，同时也便于更换空化射流靶盘2；所述调节杆17的另一端于反应容器外螺纹配合在支架18上设置的内螺纹套28中，并用锁定螺母29定位，该端的端部设有旋转手柄19，便于调整空化射流靶盘2与射流空化喷嘴3之间的距离。所述调节杆17上设有调节刻度27，以便直观调节距离。

为提高射流空化效果，射流空化喷嘴3的内孔包括入口收缩段锥孔33，出口扩散段锥孔35，收缩段锥孔与扩散段锥孔之间为喷射段直孔34，所述入口收缩段锥孔33的长度大于出口扩散段锥孔35长度，喷射段直孔34的长度小于出口扩散段锥孔35长度。效果较好的是，所述入口收缩段锥孔33的长度为20～30mm，所述出口扩散段锥孔35的长度为8～15mm，喷射段直孔34的长度为8mm。射流空化喷嘴3的喷射段直孔34的直径D为0.5～1.5mm，出口扩散段锥孔35的扩散角为50°～60°，入口收缩段锥孔33的收缩角为12.5～13.5°。

为能较好的控制进入射流空化喷嘴的流体压力、流量，在储水池8与高压泵6之间的管道上设置控制阀7，在高压泵6与射流空化喷嘴3之间的管道上设有第一调节阀4，第一调节阀4与射流空化喷嘴3之间的管道上设有入口压力表20。并且还可以在高压泵6与第一调节阀4之间通过三通5连接第一泄压管10，第一泄压管10连接储水池8，第一泄压管10上设有第一截止阀11。在回流管12上也可设置第二调节阀13和出口压力表16，在第二调节阀13的上游，还可以设置第二泄压管15，在第二泄压管15上设置第二截止阀14。

本发明不仅仅局限于上述实施例，为提高降解效果，还可以在储水池8中设有与制冷设备连通的冷凝管9，能够在因循环降解时间较长导致储水池8中的水温较高时，启动制冷设备，通过冷凝管9水温升高的水进行降温。

参见图4，在大规模对苯酚废水进行强化水射流空化降解处理时，可多机并联进行降解作业。多个反应容器的射流空化喷嘴通过高压管并联与高压泵，各反应容器的射流空化喷嘴上游分别设置第一调节阀4和压力表20，各反应容器出水口并联与回流管。

采用本发明强化水射流空化降解含苯酚废水的设备进行苯酚废水处理的方法如下：

首先根据不同的处理量选择射流空化喷嘴的喷射段直孔的规格，喷射段直孔的直径在0.5～1.5mm取值，将所选的射流空化喷嘴安装在反应容器上，并与高压管连接。

然后根据所选的射流空化喷嘴的喷射段直孔的规格确定并调整空化射流靶盘距射流空化喷嘴之间的距离，该距离在射流空化喷嘴的喷射段直孔内径的20～40倍，以30倍为效果最佳。

启动高压泵，利用高压泵将储水池中的苯酚废水抽水，并通过高压泵和调节阀将射流空化喷嘴的入口压力控制在20～35MPa范围内，利用高压水射流空化降解苯酚废水。从射流空化喷嘴喷射出的射流，在反应容器内形成大量空化泡，空化泡撞击在空化射流靶盘上强制溃灭，空化泡在溃灭瞬间形成极端高温高压环境，产生强烈的冲击波和微射流，引起复杂的物理和化学效应，产生活性极强的·OH和·H自由基，再通过自由基与有机化合物之间的加合、取代、电子转移断键等，使废水体中难降解苯酚分子氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO₂和H₂O。由于射流空化喷嘴喷射出的空化泡与空化射流靶盘撞击溃灭，使空化泡集中在一个相对较短的距离内溃灭，在该距离范围内聚集高温高压，使降解废水中苯酚作用得到强化，苯酚废水的降解效果得到极大提高。

在反应容器内经一次降解的苯酚废水从回流管流回储水池，以备循环再进行降解。循环的次数根据苯酚废水的浓度不同而不同，降解所需的时间也根据苯酚废水的浓度不同而不同，直至苯酚废水的降解达到要求。

当苯酚废水的浓度较高，降解周期较长时，会产生较高温度，即启动制冷装置，通过冷凝管对储水池的水进行降温。

上述降解过程压力控制，靶距调整等，可以采用人工操作调节，也可采用自动控制调节。

实施例1  

在常温常压的工作环境下，对苯酚含量为50mg/L的废水进行水射流空化降解处理，喷嘴入口压力采用30MPa，采取打击靶盘射流方式和自由射流两种方式进行对比，空化降解时间30分钟。对两种不同方式对苯酚废水降解的效果进行对比，结果见表1。

表1  废水处理结果比较       

类型	降解率
		空化泡自由溃灭	3.6%
空化泡撞击靶盘溃灭	20.1%

表1结果表明，喷嘴入口压力采用30MPa，降解时间为30分钟的相同情况下，本发明工艺比普通自由射流空化降解工艺及装置能大幅提高降解率，能大幅缩短苯酚废水的降解时间，从而降低降解能耗。这是因为空化射流打击在靶盘上，形成一个相对集中的空泡溃灭区，从而形成较为集中的高温高压区，加速了苯酚有机物的分解；同时由于空化射流对靶盘的高速高压冲击，又形成新的空化泡，增强了空化降解的能力，以及高压射流打击在靶盘上形成的剪切力，也对苯酚有机物的分解起到了一定的作用。

实施例2

在常温常压的中性环境下，对苯酚含量为50mg/L的废水进行水射流空化降解处理，靶距定为30D，打击时间为30 min，喷嘴入口压力分别采用10、20、30、40 MPa进行降解。降解结果见表2。

表2  不同入口压力降解结果

压力数据	降解率
		10MPa	2.6%
20MPa	6.1%
		30MPa	27.6%
40MPa	7.9%

表2结果表明随着喷嘴入口压力升高，降解率逐步升高，喷嘴入口为30 MPa时降解效果较好，入口压力达到40MPa时降解率反而降低。该实施例说明在一定靶距条件下均存在一最优打击压力，可以产生相对较多的空化泡，形成相对集中的空泡溃灭区域。从表2可以看出，在靶距为30D，最优入口压力为30MPa。

实施例3

设定装置入口压力15 MPa，靶距30D，对苯酚废水进行持续稳定空化降解，经数次循环降解，累计降解率可达70.9%。与相关文献“水力空化技术降解含苯酚、二甲苯废水的实验研究”（乔慧琼，兰州交通大学环境与市政工程学院，《能源环境保护》2007年 第2期，18-20页）中描述的水力空化技术对苯酚溶液的降解率最高可达51.7%，有较大幅度的提高。

强化水射流空化降解含苯酚废水的设备能有效处理含苯酚废水。对于水射流空化降解装置，空化器中设计靶盘打击能够产生更好的降解效果。一般工作状况下，在入口压力为20MPa～35MPa，靶距为20D～40D时能取得较好的空化降解效果。在靶距为30D时，入口压力30MPa时能获得最优降解效果。

与一般水力空化降解技术及装置相比，本发明对苯酚废水具有更高的降解效率，能够降低降解时的能耗和减少时间等优点，且操作简单，具备可调节性。具有十分重大的市场开发前景。

Claims (10)

1.一种强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，储水池（8）、高压泵（6）、射流空化喷嘴（3）通过管道依顺序连接，射流空化喷嘴（3）安装在反应容器（1）的进水端，反应容器（1）的出水端通过回流管（12）与储水池（8）相连，其特征在于：所述反应容器（1）内设有一空化射流靶盘（2），所述空化射流靶盘（2）正对射流空化喷嘴（3），距射流空化喷嘴（3）的距离为射流空化喷嘴（3）的喷射孔直径的20～40倍，所述空化射流靶盘（2）与一调节杆（17）连接固定，调节杆（17）可轴向移动的支撑于反应容器（1）上，其外伸端连接操纵装置（18）。

2.根据权利要求1所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：射流空化喷嘴（3）的内孔包括入口收缩段锥孔（33），出口扩散段锥孔（35），收缩段锥孔与扩散段锥孔之间为喷射段直孔（34），所述入口收缩段锥孔（33）的长度大于出口扩散段锥孔（35）长度，喷射段直孔（34）的长度小于出口扩散段锥孔（35）长度。

3.根据权利要求2所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：所述入口收缩段锥孔（33）的长度为20～30mm，所述出口扩散段锥孔（35）的长度为8～15mm，喷射段直孔（34）的长度为8mm。

4.根据权利要求2或3所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：射流空化喷嘴（3）的喷射段直孔（34）的直径D为0.5～1.5m，出口扩散段锥孔（35）的扩散角为50°～60°，入口收缩段锥孔（33）的收缩角为12.5°～13.5°。

5.根据权利要求1所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：所述调节杆（17）的一端设有连接盘（23），空化射流靶盘（2）通过螺栓固定在连接盘（23）上，调节杆（17）的另一端于反应容器外螺纹配合在反应容器的支架（18）上，该端的端部设有旋转手柄（30）。

6.根据权利要求1所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：反应容器（1）为圆筒容器，反应容器（1）的轴线平行于水平，反应容器的一轴向端中心安装射流空化喷嘴（3），空化喷嘴由外部通过螺纹联接方式与反应容器连接，反应容器的另一轴向端设置端盖（24），调节杆（17）外伸端从端盖（24）中心伸出，端盖（24）与调节杆（17）之间设有密封圈（25），反应容器的曲面设置出水口连接回流管（12）。

7.根据权利要求1或5、6任一所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：所述调节杆上设有调节刻度。

8.根据权利要求1所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：高压泵（6）与射流空化喷嘴（3）之间的管道上设有调节阀（4），调节阀（4）与射流空化喷嘴（3）之间的管道上设有压力表（20）。

9.根据权利要求8所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：高压泵（6）与调节阀（4）之间通过三通连接一泄压管（10），泄压管连接储水池（8），泄压管上设有截止阀（11）。

10.根据权利要求1所述的强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，其特征在于：储水池（8）中设有与制冷设备连通的冷凝管（9）。

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