CN102976452B - 一种微电解法处理高浓度有机废水的空化撞击流反应器 - Google Patents

Abstract

本发明具体指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，包括圆筒形外壳、主轴、一对外螺旋推进器、一对内螺旋加速器、一对加速导流筒。废水、铁粉和碳粉、空气在反应器内形成气、液、固三相射流，两股相向流动的流体撞击形成空化撞击影响区，该区域内曝气充分，产生大量气泡，且高度湍动，气泡撞击破碎促进空化发生，宏观和微观混合加强，压力波动剧烈，为有机物降解提供了极佳环境，大大提高废水降解效率。本发明解决了传统微电解工艺易产生板结、钝化等问题，因此不必频繁地更换微电解材料，降低了劳动强度和吨水投资成本，缩短废水处理时间，提高废水的处理效果和效率避免二次污染。

Description

一种微电解法处理高浓度有机废水的空化撞击流反应器

技术领域

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，属于物理、化学工艺设备，适用于微电解法处理高浓度有机废水，也适用于其他物理、化学反应。

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粉和炭颗粒，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，不但工作量大成本高还影响废水的处理效果和效率。另外，传统微电解材料表面积太小也使得废水处理需要很长的时间，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：

一种微电解法处理高浓度有机废水的空化撞击流反应器，包括有筒体（8），电机，与电机相连并穿入到筒体的轴，及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，内侧设有向内的分布锥；在筒体内设置有外螺旋推进器和内螺旋加速器，外螺旋推进器和内螺旋加速器分别设置在轴上，且推进方向相反；筒体内还设有加速导流筒，且加速导流筒设置在内螺旋加速器的外面。

筒体内的外螺旋推进器、内螺旋加速器和加速导流筒分别为一对，且相对设置。

筒体内的外螺旋推进器、内螺旋加速器和加速导流筒为多组，且相对设置。

加速导流筒为双层同轴圆筒结构，两圆筒端部环隙由环板焊接固定、密封；外层筒壁连接空气入口，内层筒壁上在靠近流体出口侧的半段钻有与流体流动方向成一定角度的斜向空气射流孔。

筒体顶部设有气室，气室顶部设出气口，侧面设加料口。

轴由固定在分布锥上的轴承支撑。

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板结现象。

（2）不会形成铁、碳隔离层，产生钝化，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。

（3）缩短废水处理时间，降低吨水投资成本。

（4）提高废水的处理效果和效率。

（5）无二次污染。

附图说明：

图1为本发明的原理示意图；

图2为加速导流筒结构示意图。

附图标记说明：

1-电机，2-轴，3-废液入口，4-支撑板，5-气室，6-出气口（进入微生物池），

7-加料口， 8-筒体，9-法兰，10-轴承，11-加速导流筒，12-内螺旋加速器， 13-空气入口， 14-出液口，15-余料口，16-外螺旋推进器，17-分布锥，18-锥形封头，19-空气射流孔。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步描述：

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，包括有筒体8，电机1，与电机1相连并穿入到筒体1的轴2，及筒体8上设置的出气口6、铁粉、碳粉的加料口7、出液口14、余料口15，出气口6连接微生物池；其特征在于：筒体8两端形状为向外的锥形封头18，内侧设有向内的分布锥17；在筒体8内设置有外螺旋推进器16和内螺旋加速器12，外螺旋推进器16和内螺旋加速器12分别设置在轴2上，且推进方向相反；筒体8内还设有加速导流筒11，且加速导流筒11设置在内螺旋加速器12的外面。

外螺旋推进器16、内螺旋加速器12和加速导流筒11为一组设置，加速导流筒11为圆筒形结构，外螺旋推进器16、内螺旋加速器12和加速导流筒11与锥形封头18和分布锥17的作用，也能产生撞击流，可以达到本发明的目的。

最佳实施例如图1中所示，包括圆筒形反应器外壳（筒体8）、轴2、一对外螺旋推进器16、一对内螺旋加速器12、一对加速导流筒11。

反应器外壳在筒体8上面中间位置连有气室5，气室顶部设出气口6、侧面设加料口7；圆筒顶部设废液入口3、底部中间位置设余料口15，侧面偏下位置设出液口14；圆筒两端有锥形封头18并与圆筒采用法兰9连接，锥形封头18内侧有分布锥17。

轴2由固定在分布锥17上的轴承10支撑。

外螺旋推进器16对称安装在筒体8内靠近两端封头18内侧。

内螺旋加速器12对称安装在外螺旋推进器16内侧。

加速导流筒11安装在内螺旋加速器12外面，并由支撑板4和空气入口13接管固定在圆筒形外壳8上。

加速导流筒11如图2中所示，为双层同轴圆筒结构，两圆筒端部环隙由环板焊接固定、密封；内层圆筒壁上在靠近流体出口侧的半段钻有与流体流动方向一致的成一定角度的斜向空气射流孔19，角度为与垂直方向成45～80°。

本发明还可以制备大型的反应器，即：筒体8内的外螺旋推进器16、内螺旋加速器12和加速导流筒11为多组，且相对设置。

废水由入口3注入反应器；铁粉和碳粉由位于气室壁上的加料口7加入；空气斜向进入加速导流筒11，使导流筒内由螺旋加速器推进的流体加速并产生气、液、固三相射流，两股相向流动的流体撞击形成空化撞击影响区，该区域内曝气充分，产生大量气泡，且高度湍动，气泡撞击破碎促进空化发生，因此该区域是进行三传一反的主要区域。

外螺旋推进器16推动流体向外运动，使铁、碳颗粒在撞击影响区均匀分布，采用分布锥与锥形封头改善流形，避免铁、碳颗粒沉积死角。

废水经处理后，清液由设置在侧面的出液口14排出，余料由设置在底部的余料口15排出，流体经空化撞击后反应器内产生的气体进入气室5分离并由出气口6排出，避免蹩压。

经试验证明，降解率和脱色率都达到98%以上。

本发明主要利用撞击流(Impinging Streams，简记为IS)技术来实现发明目的的。研究证实，应用撞击流技术能强化热、质传递过程，促进化学反应，提高化学装置的生产能力。液体连续相撞击流两流体间碰撞、挤压、剪切、拉伸等相互作用非常强烈，具有微观混合非常有效和压力波动相当强烈的特点，可以显著地促进过程动力学，这些特性提示撞击流具有应用到废水处理过程的可能性。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,加强了表面氧化还原反应,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。

此外，由于空化撞击流流场处于高度湍动状态，加上采用独特的反应器结构，使得在采用微电解工艺处理废水时，微电解材料不容易钝化、板结，这避免了频繁地更换微电解材料。因此，空化撞击流反应器可克服传统微电解工艺的不足，解决钝化、板结、处理效率低、吨水投资成本高等问题。

本发明的结构特点：①螺旋加速器是动量传递主要来源，是空化撞击流的主要动力。②加速导筒如图2所示，内螺旋加速器加速的铁、碳和液流与空气射流孔射出的空气相混合得到三相高速射流，其效果是曝气充分，加速流场，加大湍流度，强化空化，避免表面钝化。③外螺旋推进器是使铁、碳颗粒进入撞击影响区，与废水充分混合同时避免板结现象发生。④分布锥与锥形封头用于改善流形，避免铁、碳颗粒沉积死角。⑤空化撞击后的空气进入气室减压。

Claims (5)

1.一种微电解法处理高浓度有机废水的空化撞击流反应器，包括有筒体（8），电机（1），与电机（1）相连并穿入到筒体（8）的轴（2），及筒体（8）上设置的出气口（6）、加料口（7）、出液口（14）、余料口（15）；其特征在于：筒体（8）两端形状为向外的锥形封头（18），内侧设有向内的分布锥（17）；在筒体（8）内设置有外螺旋推进器（16）和内螺旋加速器（12），外螺旋推进器（16）和内螺旋加速器（12）分别设置在轴（2）上，且推进方向相反；筒体（8）内还设有加速导流筒（11），且加速导流筒（11）设置在内螺旋加速器（12）的外面。

2.根据权利要求1所述的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（8）内的外螺旋推进器（16）、内螺旋加速器（12）和加速导流筒（11）分别为一对，且相对设置。

3.根据权利要求1或2所述的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：加速导流筒（11）为双层同轴圆筒结构，两圆筒端部环隙由环板焊接固定、密封；外层筒壁连接空气入口（13），内层筒壁上在靠近流体出口侧的半段钻有与流体流动方向一致的斜向空气射流孔。

4.根据权利要求1或2所述的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（8）顶部设有气室（5），气室（5）顶部设出气口（6），侧面设加料口（7）。

5.根据权利要求1或2所述的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：轴（2）由固定在分布锥（17）上的轴承（10）支撑。