CN102642977B - 废水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废水处理系统，包括直流高压脉冲电源、直流高压窄脉冲放电系统、注水系统、高级氧化反应系统、排水系统和主控制系统，通过直流高压窄脉冲放电系统产生强氧化活性物质，并与注入的废水中的有机物进行反应，将其瞬间氧化，使得大分子有机物变成小分子有机物，小分子有机物最终生成二氧化碳和水，达到排放标准。

Description

废水处理系统

技术领域

本发明涉及废水处理技术，具体涉及一种基于低温等离子体技术的废水处理系统。

背景技术

低温离子技术是将电压加载在曲率半径很小的电极上，由于局部放电产生稠密的高能电子，在放电过程中，电子与水分子、有机物分子以及水中其他分子、原子、粒子进行非弹性碰撞，使这些中性分子的激发、分解和电离更为强烈，产生的强氧化活性物质(·OH、·O、O₃、H₂O₂等活性粒子)、紫外辐射、高能电子轰击等，达到去除有毒、有害物质的目的。

目前，常用的低温等离子体技术有：辉光放电等离子体、直流高压脉冲放电等离子体、介质阻挡放电等离子体(DBD)、交流高压放电等离子体。低温等离子体法广泛用于恶臭气体、废气及废水处理领域。较常规的工艺相比，低温等离子体技术的明显优势有：应用范围广、工艺结构简单、处理效率高，能耗低、具有杀菌、除臭、灭菌效果等。

另外，虽然辉光放电、介质阻挡放电在废气、恶臭气体、废水处理领域具有一定的应用，但是辉光放电等离子体属于低气压放电技术，难于连续化生产、生产成本高，因此无法广泛应用于工业化生产，目前只限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等；随着低温等离子体技术和脉冲功率技术的发展，直流高压窄脉冲放电技术已经成为处理废水，尤其是针对高浓度、高含盐量、难生物降解有机废水的处理领域是一种最有前景的技术。但是，直流高压脉冲放电等离子体技术，属于电晕放电技术，目前主要欠缺可靠的直流高压脉冲电源及与之匹配的高效的等离子体放电反应器；介质阻挡放电等离子体技术(DBD)因为介质容易堵塞和污染，引起爬电现象，导致放电回路短路，而且压力损失较大。以上技术虽具有一定的技术应用，但是在应用中也显现出各自的技术缺陷。

因此，现有技术中利用高压交流等离子体技术制造的水处理设备，目前仅处于实验室阶段，而且交流高压极易产生辐射，对环境和人员具有较大的影响，因此不能工业应用。作为工业化应用的水处理设备，一般设备体积都比较庞大，处理废水量较小，且有设备维护困难，耗电量大等缺点，所以很难实现工业化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种废水处理系统，利用高压窄脉冲等离子技术来实现废水处理的工业化应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种废水处理系统，包括直流高压脉冲电源、直流高压窄脉冲放电系统、注水系统、高级氧化反应系统、排水系统和主控制系统，其中，

直流高压脉冲电源输入标准交流电压，输出大于5MW的脉冲功率；

直流高压窄脉冲放电系统由直流高压脉冲电源供电，并产生强氧化活性粒子；

高级氧化反应系统与直流高压窄脉冲放电系统相连，接收强氧化活性粒子和废水；

排水系统与高级氧化反应系统相连，用于排水；

注水系统与直流高压窄脉冲放电系统相连，将难降解的有机废水依次流经直流高压窄脉冲放电系统、高级氧化反应系统，并在直流高压窄脉冲放电系统和高级氧化反应系统中，通过化学反应，使废水中大分子有机物变成小分子有机物，小分子有机物最终生成二氧化碳和水，并由排水系统排放；

主控制系统，与上述各系统电连接，通过嵌入式控制方式进行自动控制。

还包括药剂加入系统与高级氧化反应系统相连，向高级氧化反应系统内投入用于起Fenton反应的可溶性金属盐。

所述注水系统安装在直流高压窄脉冲放电系统顶部，将难降解废水通过喷雾或直接注入方式输入直流高压窄脉冲放电系统。

所述直流高压窄脉冲放电系统为内壁光滑的线筒式机构，并且其放电正负极均为金属材料，其中，负极采用金属或金属合金圆筒，正极采用合金金属丝，并贯穿于金属或金属合金圆筒中央；所述注水系统通过在圆筒上方设置喷雾头，将难降解废水形成喷雾注入圆筒内。

所述直流高压窄脉冲放电系统为内壁具有单螺旋状导水槽的线筒式机构，其中，其负极采用金属或金属合金圆筒，圆筒内壁有单螺旋状导水槽，正极为合金金属丝，并贯穿于金属或金属合金圆筒中央；所述注水系统通过在圆筒上方设置注入管，分别将难降解废水直接注入圆筒内。

所述线筒式机构包括多组垂直排列或水平排列安装的负极圆筒，并且负极接地。

所述高级氧化反应系统通过设置射流器导入直流高压窄脉冲放电系统产生的强氧化活性粒子，并用以增加强氧化活性粒子的溶解度。

采用本发明的废水处理系统，具有如下优点：

1、通过直流高压脉冲电源满足直流高压窄脉冲等离子体的工作稳定需求。

2、采用线筒式机构的直流高压窄脉冲放电系统，由于中间无阻挡，压力损耗极小，通过的气、水流量大，运行成本低。

3、直接利用直流高压窄脉冲放电产生的O3、H2O2等活性物质，不需要臭氧发生器等附加装置，直接降低了运行成本。

4、无需添加化学物质，特殊情况下可加入微量可溶性金属盐做催化剂，如硫酸亚铁盐或氯化亚铁，增加有机物的去除率，对降解水中COD有显著效果，对提高水中B/C比，提高可生化性是其他方法无法简单、经济有效实现的。

5、尤其适用于高浓度、高含盐量、难生物降解有机废水及垃圾渗滤液的处理，也可以作为湿法冶金的深度氧化。对一般工业废水、江湖自然水的净化处理也有显著的效果，如除去水中有毒、有害物质、消除水体中藻类微生物污染等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：

图1是本发明的废水处理系统的原理框图。

图2是本发明采用喷雾注入方式的原理图。

图3是本发明采用直接注入方式的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的废水处理系统主要包括直流高压脉冲电源1、直流高压窄脉冲放电系统2、注水系统3、高级氧化反应系统4、排水系统6和主控制系统7，其中，

直流高压脉冲电源1输入标准交流电压(220V或者380V的交流电压)，通过利用MA、MS、AC/DC快速叠加及电磁系统等等离子体核心模块多重组合，输出大于5MW的脉冲功率，从而能够满足直流高压窄脉冲放电系统2的持续稳定作业需求。

直流高压窄脉冲放电系统2由直流高压脉冲电源1供电，在直流高压窄脉冲放电场产生的高能电子的作用下，产生大量如·OH、·O、O₃、H₂O₂强氧化活性粒子以及断裂有害物质分子化学键的有机自由基等活性粒子、强紫外线、高温空泡。特别是·OH、·O的强氧化性和化学反应活性，可用于废水中有机物的瞬间氧化，将大分子有机物变成小分子有机物，小分子有机物最终生成二氧化碳和水。

高级氧化反应系统4与直流高压窄脉冲放电系统2相连，接收强氧化活性粒子和废水，继续进一步的化学反应；当然，在特殊情况下还可通过设置与高级氧化反应系统4相连的药剂加入系统5，向高级氧化反应系统4内投入微量可溶性金属盐做催化剂，如硫酸亚铁盐或氯化亚铁等用于起Fenton反应的Fe²⁺，增加有机物的去除率。

反应式如下：

O₂+H₂O→O₃+H₂O₂

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH^-+.OH

H₂O₂+Fe³⁺→Fe²⁺+O₂+2H⁺

O₂+Fe³⁺+→Fe²⁺+O₂.

而注水系统3与直流高压窄脉冲放电系统2相连，将难降解的有机废水依次流经直流高压窄脉冲放电系统2、高级氧化反应系统4，并在直流高压窄脉冲放电系统2和高级氧化反应系统4中，通过化学反应，使废水中大分子有机物变成小分子有机物，小分子有机物最终生成二氧化碳和水，达到排放标准，并由与高级氧化反应系统4相连的排水系统6进行排放；

主控制系统7，与上述各系统电连接，通过嵌入式控制方式进行自动控制，无需专人看管。

所述注水系统3安装在直流高压窄脉冲放电系统2顶部，将难降解废水通过喷雾或直接注入方式输入直流高压窄脉冲放电系统2。

其中，喷雾注入方式如图2所示，所述直流高压窄脉冲放电系统2为内壁光滑的线筒式机构，并且其放电正负极均为金属材料，其中，负极(接地电极)采用金属或如不锈钢等金属合金的圆筒21，正极(放电电极)采用合金金属丝22，并贯穿于金属或金属合金圆筒21中央；所述注水系统3通过在圆筒21上方设置喷雾头，将难降解废水形成喷雾注入圆筒21内。

直接注入方式如图3所示，所述直流高压窄脉冲放电系统2为内壁具有单螺旋状导水槽的线筒式机构，其中，其负极采用金属或如不锈钢等金属合金的圆筒21，圆筒内壁有单螺旋状导水槽，正极为合金金属丝22，并贯穿于金属或金属合金圆筒21中央；所述注水系统3通过在圆筒21上方设置注入管，分别将难降解废水直接注入圆筒21内。

采用上述线筒式机构的直流高压窄脉冲放电系统2，由于中间无阻挡，压力损耗极小，通过的气、水流量大，运行成本低。线筒式机构的负极圆筒为多组排列安装，可垂直安装，也可水平安装，接地电极应保证良好接地。

另外，所述高级氧化反应系统4通过设置射流器导入直流高压窄脉冲放电系统产生的强氧化活性粒子，并用以增加强氧化活性粒子的溶解度。

表1为常见有机污染物与O₃和·OH的反应速度常数

从O₃和·OH的反应速度常数，我们知道，在相同情况下，O₃的化学反应速率比·OH的反应速度差别很大，放电产生的O₃还没来得及反应完全就被排出，不利于氧化还原反应的继续，是资源的浪费，因此采用本发明的处理系统可以充分应用放电产生的强氧化活性物质，提高有机物的降解率。

下面对本发明进行具体举例说明：

实施例1、

某甲农药厂硝基苯废水，经测定，废水COD＝310037，BOD₅＝105851，B/C＝0.15，pH＝8。处理过程：直流电压40000V，放电频率500次/秒，水气流速140L/min，快速通过直流高压窄脉冲放电系统，结合高级氧化反应系统4的深度氧化作用，B/C比显著提高。其处理结果如下：

	pH	COD	BOD5	B/C
					1号废原液	8	310037	46505	0.15
处理一次	7	155347	46600	0.30
					处理二次	7	122500	49000	0.40

实施例2、

某乙农药厂苯酚废水，经测定，废水COD＝133085，BOD₅＝105851，B/C＝0.1，pH＝8。处理过程：废液中添加Fe²⁺为40mg/l，直流电压50000V，放电频率700次/秒，水气流速200L/min，快速通过直流高压窄脉冲放电系统，结合高级氧化反应系统4的深度氧化作用，B/C有显著提高。处理结果如下：

	pH	COD	BOD5	B/C
					1号废原液	1.5	133085	13308	0.1
处理一次	2.0	72340	22425	0.31
					处理二次	2.5	47685	19074	0.40

实施例3、

某垃圾填埋场渗滤液，COD＝55000，处理过程：直流电压，48000V，放电频率900次/秒，水气流速50L/min，快速通过直流高压窄脉冲放电系统，结合高级氧化反应系统4的深度氧化作用，COD除去率显著提高，处理后废水臭气强度大大降低。处理结果如下：

综上所述，经本发明的废水处理系统处理后，可大大降低水中COD和BOD，减少污泥产生量，也为后续生化处理减少活性污泥量提供了有利条件，从而大量减少污水处理污泥产生量，既经济又环保。

而本发明的废水处理系统还具有如下优点：

1、放电系统采用线筒式结构，杜绝了阻挡介质放电等离子体因堵塞、污染引起放电系统的爬电，不会造成放电回路的短路现象，放电系统使用寿命长；

2、系统运行无添加物，不造成二次污染；

3、自动化程度高，无需专人看管；

4、利用系统产生的O₃、H₂O₂等活性物质，通过添加Fe²⁺，实现低成本fenton反应效果；

5、运行稳定，可24小时运行，且不受放置环境影响；

6、窄脉冲上升快(100ns左右)，占空比小；

7、耗电量小，处理成本低；

8、结构紧凑，占地面积小，如处理10-25t/d的难降解有机废水，占地仅5-10M²，非常适合工业化应用。

但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种废水处理系统，其特征在： 

包括直流高压脉冲电源、线筒式机构的直流高压窄脉冲放电系统、注水系统、高级氧化反应系统、排水系统和主控制系统，其中， 

直流高压脉冲电源输入标准交流电压，输出大于5MW的脉冲功率； 

直流高压窄脉冲放电系统由直流高压脉冲电源供电，并产生强氧化活性粒子； 

高级氧化反应系统与直流高压窄脉冲放电系统相连，接收强氧化活性粒子和废水； 

排水系统与高级氧化反应系统相连，用于排水； 

注水系统与直流高压窄脉冲放电系统相连，将难降解的有机废水依次流经直流高压窄脉冲放电系统、高级氧化反应系统，并在直流高压窄脉冲放电系统和高级氧化反应系统中，通过化学反应，使废水中大分子有机物变成小分子有机物，小分子有机物最终生成二氧化碳和水，并由排水系统排放； 

主控制系统，与上述各系统电连接，通过嵌入式控制方式进行自动控制。 

2.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在： 

还包括药剂加入系统，与高级氧化反应系统相连，向高级氧化反应系统内投入用于起Fenton反应的可溶性金属盐。

3.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在： 

所述注水系统安装在直流高压窄脉冲放电系统顶部，将难降解废水通过喷雾或直接注入方式输入直流高压窄脉冲放电系统。 

4.根据权利要求3所述的废水处理系统，其特征在： 

所述直流高压窄脉冲放电系统为内壁光滑的线筒式机构，并且其放电 正负极均为金属材料，其中，负极采用金属或金属合金圆筒，正极采用合金金属丝，并贯穿于金属或金属合金圆筒中央；所述注水系统通过在圆筒上方设置喷雾头，将难降解废水形成喷雾注入圆筒内。 

5.根据权利要求3所述的废水处理系统，其特征在： 

所述直流高压窄脉冲放电系统为内壁具有单螺旋状导水槽的线筒式机构，其中，其负极采用金属或金属合金圆筒，圆筒内壁有单螺旋状导水槽，正极为合金金属丝，并贯穿于金属或金属合金圆筒中央；所述注水系统通过在圆筒上方设置注入管，分别将难降解废水直接注入圆筒内。 

6.根据权利要求4或5所述的废水处理系统，其特征在： 

所述线筒式机构包括多组垂直排列或水平排列安装的负极圆筒，并且负极接地。 

7.根据权利要求1所述的废水处理系统，其特征在： 

所述高级氧化反应系统通过设置射流器导入直流高压窄脉冲放电系统产生的强氧化活性粒子，并用以增加强氧化活性粒子的溶解度。 

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