CN102910711A

CN102910711A - 一种处理废水的空化撞击流微电解反应器及处理方法

Info

Publication number: CN102910711A
Application number: CN 201210471061
Authority: CN
Inventors: 李福宝; 李勤; 王德喜; 李良; 吴昊
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CN102910711B

Abstract

本发明涉及一种空化撞击流反应器，特别是涉及一种用于微电解法处理高浓度有机废水的空化撞击流反应器，其特征在于：筒体两端形状为向外的锥形封头，内侧设有空化撞击流喷嘴，空化撞击流喷嘴相对设置在同一轴线上；两锥形封头上分别设有左、右切向空气入口。本发明具有以下特点：避免了传统微电解工艺的钝化板结现象；不会形成铁、碳隔离层使微电解不能继续进行而失去作用，因此不必频繁地更换微电解材料；缩短废水处理时间，降低吨水投资成本；提高废水的处理效果和效率。

Description

一种处理废水的空化撞击流微电解反应器及处理方法

技术领域

本发明涉及一种废水处理技术领域的新方法及设备，具体是指一种空化撞击流微电解方法及空化撞击流微电解反应器，适用于处理废水领域。

背景技术

微电解技术是目前处理高浓度有机废水的一种理想工艺。它是在不通电的情况下，利用填充在废水中的微电解材料自身产生1.2V电位差对废水进行电解处理，以达到降解有机污染物的目的。当系统通水后，设备内会形成无数的微电池系统，在其作用空间构成一个电场。在处理过程中产生的新生态 [H] 、 Fe^2 + 、 Fe^3 +、羟基自由基等能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，比如能破坏有色废水中的有色物质的发色基团或助色基团，甚至断链，达到降解脱色的作用；生成的 Fe^2 + 进一步氧化成 Fe^3 + ，它们的水合物具有较强的吸附 - 絮凝活性，特别是在加碱调 pH 值后生成氢氧化亚铁和氢氧化铁胶体絮凝剂，它们的吸附能力远远高于一般药剂水解得到的氢氧化铁胶体，能大量吸附水中分散的微小颗粒，金属粒子及有机大分子。其工作原理基于电化学、氧化 - 还原、物理吸附以及絮凝沉淀的共同作用对废水进行处理。该法具有适用范围广、处理效果好、成本低廉、操作维护方便，不需消耗电力资源等优点。该工艺用于难降解高浓度废水的处理可大幅度地降低 COD 和色度，提高废水的可生化性，同时可对氨氮的脱除具有很好的效果。

传统上微电解工艺所采用的微电解材料一般为铁屑和炭颗粒，使用的过程中很容易钝化、板结，这导致了频繁地更换微电解材料，这导致了频繁地更换微电解材料，不但工作量大成本高还影响废水的处理效果和效率。另外，传统微电解法处理废水需要很长的时间，增加了吨水投资成本，这都严重影响了微电解工艺的利用和推广。

空化射流是利用流体动力学特性人为地从喷嘴射出的射流内诱发空化。空泡溃灭时将在空泡周围的极小空间内出现热点(Hot spot)，产生瞬时的高温(约5200 K)和高压 (50 MPa以上)，并能形成强烈的冲击波和速度高达100 m/s以上的微射流(Microjet)，并伴有碰撞、剪切、拉伸、挤压，这样的极端条件为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理环境，并将引发复杂的化学效应，主要表现在三个方面：直接热分解、自由基氧化和超临界水氧化。有研究表明，利用空化水射流能降解垃圾渗滤液中结构复杂、难生化降解的有机物，显著提高渗滤液的可生化性，改善水质。为了进一步提高降解率，一些学者将空化射流与其他技术联合进行了降解实验，如Amey A. 等采用水力空化和Fenton进行了对硝基酚降解实验，降解率在60-80%。卢义玉等的实验结果表明，空化水射流结合双氧水处理苯酚是有效的，苯酚去除率可达99.85%；空化和Fenton的联合工艺存在协同效应，即空化射流结合Fenton氧化降解硝基苯效率高于单独空化和Fenton降解效率之和，且硝基苯去除率可达95.06％。利用空化射流处理有机废水的研究虽然取得了一些成果，但存在能耗大、降解率低、循环时间较长等问题；因此找到一种可以强化空化效应、提高自由基产量，并使产生的自由基迅速与污染物混合，进而提高降解率、降低能耗、缩短处理时间的高效技术与空化射流技术联用，是将空化射流处理有机废水工业化的关键。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，解决钝化、板结等问题，同时提高废水处理效率，提供一种新型高效的空化撞击流反应器。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种处理废水的空化撞击流微电解反应器，该反应器包括有筒体，筒体上设置的出气口、加料口、出液口、余料口；其特征在于：筒体两端形状为向外的锥形封头，内侧设有空化撞击流喷嘴，空化撞击流喷嘴相对设置并在同一轴线上；两锥形封头上分别设有左、右切向的空气入口。

筒体顶部设有气室，气室顶部设出气口，侧面设加料口。

一种采用如上所述反应器的废水处理方法，其特征在于：该方法为空化射流与撞击流相耦合的方法处理废水，即：采用一对相向设置的空化撞击流喷嘴，废水在空化撞击流喷嘴内产生空化并相对高速喷出，两股相向流动的流体撞击产生气、液、固三相流；空气从两端封头切向进入，螺旋推动、搅拌液体，使铁、碳颗粒在反应器内均匀分布。

反应器的两端采用锥形封头，能够改善流形，避免铁、碳颗粒沉积死角。

优点及效果：

本发明具有以下特点：

（1）避免了传统微电解工艺的钝化、板结现象。因此不必频繁地更换微电解材料。

（2）缩短废水处理时间，降低吨水投资成本。

（3）提高废水的处理效果和效率。

（4）避免二次污染。

附图说明：

图1为本发明的原理示意图；

图2为图1的侧视图。

附图标记说明：

图中标注：1-空气入口，2-气室，3-出气口，4-出液口，5-加料口，6-空气入口，7-废液入口，8-空化撞击流喷嘴，9-余料口。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步描述：

见图1所示，一种处理有机废水用空化撞击流微电解反应器，包括圆筒形反应器外壳、一对空化撞击流喷嘴8。所述反应器外壳在圆筒上面中间位置连有气室2，气室2顶部设出气口3、侧面设出液口4和加料口5；圆筒底部中间位置设余料口9，圆筒两端有锥形封头并与圆筒采用法兰连接，两锥形封头上分别设有左、右切向空气入口1，见图2所示。所述一对空化撞击流喷嘴沿同一轴向对置安装在圆筒内两端封头内侧。

采用一对空化撞击流喷嘴8，废水在空化撞击流喷嘴8内产生空化并高速喷出，两股相向流动的流体撞击产生气、液、固三相流。空气从两端封头切向进入，推动搅拌液体，使铁、碳颗粒在反应器内均匀分布。

由于采用锥形封头，改善流形，避免铁、碳颗粒沉积死角。废水经处理完成后，清液由设置在气室2侧面的出液口4排出。废水在反应器内处理后，余料由设置在底部的余料口9排出。

流体经空化撞击后，反应器内产生的气体进入气室分离并由出气口排出，避免蹩压。

本发明是采用“空化撞击流”技术来实现发明目的的。从微观角度讲，处理有机废水就是使其分子的环状结构和长链结构开环和断链，降解成有机小分子，增加污水的可生化性，或是直接分解成无机小分子。

微电解处理有机废水反应中，促进降解有机污染物的反应包括：

产生[H]的反应： 2H⁺+2e^－→2[H]→H₂

产生羟基自由基的反应：O₂+e^－→·O₂ ^－

·O₂ ^－+H⁺→H0₂·

2H0₂·→H₂O₂+O₂

或HO₂ ^－+H⁺→H₂O₂

H₂O₂+e^－→OH^－+·OH

或H₂O₂+F_e ²⁺→F_e ³⁺+OH^－+·OH

絮凝反应： 2F_e ²⁺+O₂+4H⁺→2H₂O+F_e ³⁺

F_e ³⁺+3OH^－→F_e(OH)₃

从降解机理上看，阴极上产生的[H]具有极强的化学活性，虽存在时间短，但分解有机物能力强。化学稳定性很强的、具有稠密环状结构或长度较大较复杂碳链的有机污染物很难分解。原子态[H]极易给出一个电子而成为离子，使得它的还原性和化学活性极强。给出的电子转移到有机污染物分子上，使被射入电子的污染物分解，破坏断链打破其稳定性，使之发生加成反应。

羟基自由基具有极强的得电子能力，其氧化能力很强，与大多数有机污染物都可发生快速的链式反应。很多难降解的有机污染物都可以在羟基自由基的氧化诱导下被分解。

阳极反应产生的F_e ²⁺具有很强的还原性，可使某些有机物还原也可使某些不饱和基团双键打开，使部分难降解环状和长链有机物分解成易生物降解的小分子有机物，进而提高可生化性。F_e ²⁺和F_e ³⁺具有良好的絮凝作用。特别是F_e ²⁺具有更高的吸附絮凝活性，可吸附废水中的悬浮或胶体态的微小颗粒及有机高分子。

“空化撞击流”即“空化射流与撞击流相耦合，产生一系列有利于热、质传递的耦合效应的流动结构”。携带大量空化泡的两股空化射流相向流动并撞击，在废水降解上具有如下优势：

(1) 由于空化的发生而产生如上所述高温分解、自由基氧化及超临界水氧化等效应，首先将废水中一部分有机污染物氧化降解为小分子无害物质，避免二次污染。

(2) 相向流动的两流体间产生强烈的碰撞、挤压、剪切、拉伸等相互作用,可能使未及溃灭的气泡分裂成微气泡，使气泡表面积增大,气泡的表面能也增大,加强了表面氧化反应,因此废水中一部分有机污染物得以在微气泡表面被氧化降解。

(3) 由于强烈的碰撞，部分流体的流动能转化为振动能，在撞击区形成强烈的湍动，增大了使空化发生的湍流条件，进而有可能使空化现象在撞击区继续发生，使空化效应更加强烈，进而加速水分子发生化学键断裂，提高·OH的产量；同时，伴随这种空化现象，不断产生小振幅、高频率的压力脉冲，反过来又会使撞击流“微观混合”和“压力波动”两个特性得以放大，这对促进反应动力学十分有利。

(4) 空化效应产生的·OH和超临界水等强氧化剂由于撞击流微观混合的特性得以在反应器内迅速均化，使其与污染物分子间的碰撞频率和有效碰撞几率大大增加，加速废水中有机污染物的氧化降解，这将使降解效率大大提高。

空化撞击流微电解技术是基于微电解法处理有机废水的机理，利用空化与撞击流的特性耦合，以改善反应环境、强化微电解法处理有机废水反应过程为目的而开发的。空化撞击流是两股相向高速射流形成的强湍动流场，并在流场中形成空化和撞击。其反映出来的特性是：强烈的微观混合和宏观混合、微射流及冲击波，这一物理状态有利于传质传热。将空化撞击流技术应用于微电解法处理有机废水，可在反应器内形成气、液、固三相均匀流场。氧气及F_e和C颗粒均匀地分散在废水中，使Fe和C形成的微原电池得以在富氧条件下均匀地分布在流场空间，形成均布电场，流场与电场相互作用大大促进了反应的进行。空化撞击流影响微电解法处理有机废水的因素有以下几个方面：

①流场的强烈宏观混合，使氧、F_e和C均布在流场中，使Fe、C形成立体电场，同时其周围形成富氧条件。

②撞击流的碰撞、剪切、挤压、拉伸特性，使铁碳颗粒破碎，增大了反应物表面积，使产生的微电池系统数量增加。

③空化撞击流给流场提供能量，增加了电离强度，促进电极反应，给降解废水提供了有利条件。

④空化撞击流强烈的压力波动使反应物分子获得能量，使一部分原来能量较低分子变成活化分子，增加了活化分子的百分数，使得有效碰撞次数增多，反应速率加大。

⑤空化撞击流产生了强度极高的微射流和冲击波，使有机废水中环链开链、长链断开，从而达到降解的目的。

本发明空化撞击流微电解反应器的结构特点如下：

① 空气入口沿锥面的切向进入，使气体在切向力和轴向力的作用下产生螺旋运动。

② 旋转气流充分地把铁碳颗粒混合，并在铁碳微电场中造成富氧环境，实现酸性有氧反应条件。同时旋转流场的作用对撞击影响区压力的变化有一定的辅助作用，避免了板结和流场死区。

③ 采用空化撞击流喷嘴，使其达到压力空化和撞击空化，均化和细化了铁碳微电场，提高了反应效率，同时避免了钝化现象发生。

④ 气室的设计起到了气体减压、流体溢流及除沫等作用。

Claims

1.一种处理废水的空化撞击流微电解反应器，该反应器包括有筒体，筒体上设置的出气口（3）、加料口（5）、出液口（4）、余料口（9）；其特征在于：筒体两端形状为向外的锥形封头，内侧设有空化撞击流喷嘴（8），空化撞击流喷嘴（8）相对设置并在同一轴线上；两锥形封头上分别设有左、右切向的空气入口（1）。

2.根据权利要求1所述的处理废水的空化撞击流微电解反应器，筒体顶部设有气室（2），气室（2）顶部设出气口（3），侧面设加料口（5）。

3.一种采用权利要求1所述反应器的废水处理方法，其特征在于：该方法为空化射流与撞击流相耦合的方法处理废水，即：采用一对相向设置的空化撞击流喷嘴（8），废水在空化撞击流喷嘴（8）内产生空化并相对高速喷出，两股相向流动的流体撞击产生气、液、固三相流；空气从两端封头切向进入，螺旋推动、搅拌液体，使铁、碳颗粒在反应器内均匀分布。

4.根据权利要求3所述的废水处理方法，其特征在于：反应器的两端采用锥形封头，能够改善流形，避免铁、碳颗粒沉积死角。