CN103466744B - 高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置，包括至少一套介质阻挡尖端放电等离子体模块（1）和反应槽（2），将高频高压电源（11）产生的高压加载在置于放电介质管（14）之内的高压电极（12）和置于反应槽（2）内待处理污水中的地电极（15）之上；待处理污水从反应槽（2）一侧流入，高压电极（12）通过放电介质管底部锥形尖端击穿空气放电，产生等离子体。等离子体迅速进入反应槽内的待处理污水中对污水进行处理。本发明拆分难降解的大分子物质，生成易降解的小分子物质，可显著改变水中有机污染物分子结构，显著提高污水的可生化性。

Description

高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置和方法

技术领域 本发明涉及有机污水处理领域，特别涉及一种高频高压介质阻挡尖端放电等离子体处理高浓度难降解有机污水的装置及方法。

背景技术 近年来，随着石油化工、煤化工、冶金、造纸、皮革、焦化和印染等行业的迅速发展，各种含有大量高浓度难降解有机污染物的污水相应增多，它们排入自然水体给环境造成严重的污染。

高浓度难降解有机污水的处理是污水处理领域的难点和重点。

高浓度难降解有机污水的特点是：污水中污染物浓度高、成份复杂、毒性大和难于生物降解。其主要成份是结构稳定的有机物质，比如带苯环结构或大分子长链结构等，包括多环芳烃、卤代烃、杂环类化合物、有机氛化物、有机磷农药、表面活性剂和有机染料等有毒有害难降解有机污染物。难降解有机物是指被微生物分解时速度很慢，分解不彻底的有机物（也包括某些有机物的代谢产物），这类污染物易在生物体内富集，也容易成为水体的潜在污染源。

高浓度难降解有机污水采用传统的物化、生化处理工艺技术，极难降解处理或处理不彻底。环保工作者在探寻高效、经济处理该类废水的研究方面进行了各种尝试，提出了许多处理方法，比如超声波、电磁、微波、铁碳微电解、臭氧、菲顿试剂、紫外线和高温湿式氧化等等各种高级氧化方法，但这些处理方法运行成本高、处理效率低或氧化不彻底，导致出水不能达标。

近年来兴起的等离子体处理的技术，代表了污水处理领域的发展方向。所谓等离子体处理法，是指在高电压下放电过程中，产生等离子体用于污染物的净化处理。现有等离子体处理污水技术，大多数是采用金属电极击穿空气放电产生等离子体，这对金属电极的材料要求较高，特别是在大功率的工业化运行时，金属电极的损耗很大，实用性不强。

 发明内容 本发明所要解决的技术问题是为了避免现有技术中不足之处而提出一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置和方法，通过阻挡介质尖端击穿空气放电产生等离子体而处理污水。

本发明可以通过采用以下技术方案来实现：

设计一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置，包括至少一套介质阻挡尖端放电等离子体模块和反应槽，所述介质阻挡尖端放电等离子体模块又包括高频高压电源、高压电极、散热器、地电极和加注有导电液的放电介质管，所述高压电极和散热器置于放电介质管中，所述高频高压电源输出的两端分别与高压电极和地电极相连，所述地电极设置在反应槽内的污水中，所述放电介质管底部呈锥形，锥形尖端与反应槽内污水液面的距离为4~8mm。

进一步地，所述反应槽为推流式反应槽，待处理污水从反应槽的一侧流入，从另一侧流出。

进一步地，所述推流式反应槽的每一格中至少放置一套介质阻挡尖端放电等离子体模块。

设计一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置的介质阻挡尖端放电等离子体模块，所述介质阻挡尖端放电等离子体模块包括高频高压电源、高压电极、散热器、地电极和加注有导电液的放电介质管，所述高压电极和散热器置于放电介质管中，所述高频高压电源输出的两端分别与高压电极和地电极相连，所述放电介质管底部呈锥形。

提出一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的方法，包括以下步骤：

①将高频高压电源产生的高压加载在置于放电介质管之内的高压电极和置于反应槽内待处理污水中的地电极之上； 

②待处理污水从反应槽一侧流入，高压电极通过放电介质管底部锥形尖端击穿空气放电，产生等离子体。等离子体迅速进入反应槽内的待处理污水中，用于污水处理，放电介质管底部锥形尖端距离反应槽内污水液面的距离为4~8mm；

③待处理污水经过等离子体处理后，经反应槽另一侧流出采用后续工艺进行处理；

所述高频高压电源、高压电极、散热器、地电极和加注有导电液的放电介质管为一套介质阻挡尖端放电等离子体模块，所述高压电极和散热器置于放电介质管中。

进一步地，所述放电介质管管壁的厚度为0.5~3mm。

进一步地，所述反应槽为推流式反应槽，反应槽至少包括三格，水流在反应槽中呈波浪式行进。

进一步地，根据待处理污水的水量，所述介质阻挡尖端放电等离子体模块单套或者一套以上并联使用。

进一步地，所述放电介质管采用陶瓷或石英玻璃制成。

同现有技术相比较，本发明技术效果在于：本发明采用高频高压电源，通过阻挡介质尖端击穿空气放电产生等离子体用于有机污水处理。在高压放电过程中，在放电通道内、放电的瞬间，形成局部高温、高压环境，产生大量高能电子、O^-、O^2-、O₂ ⁺、臭氧（O₃）和强烈的紫外线，以及羟基自由基（·OH）、游离氧原子、O·、N·、HO₂·和H₂O₂等活性粒子。上述物质具有很强的氧化性，一方面可以打开大分子污染物的分子键，生成易生化降解的小分子物质；另一方面，可以迅速地直接将部分污染物氧化分解。

本发明处理有机污染物质的主要作用包括两个方面，一方面是拆分难降解的大分子物质，生成易降解的小分子物质；另一方面是直接将部分有机污染物质氧化分解为简单的无机物。本发明可显著改变污水中有机污染物分子结构，显著提高污水的BOD/COD的比值，显著提高污水的可生化性。通过本发明装置和的处理后，后续采用传统的生化工艺，可以取得更好的处理效果。

本发明能够有效去除水中各类有机污染物质。特别是针对水中高浓度难降解的大分子有机污染物质的去除效果明显。

本发明能耗低，容易实现自动化控制，采用液相接地极等电位设计，安全可靠。

本发明由于采用了高压介质阻挡放电技术，在污水处理过程中，电极材料仅需要做好通风散热，而没有任何损耗。相反，采用金属电极空气介质放电方式，电极在高温下极易氧化，在长时间工作后损耗很大。而且锥形的介质尖端放电区，能量非常集中，更易于达到污水处理的目的。

附图说明

图1是本发明高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置和方法示意图；

图2是放电介质管的示意图。

具体实施方式 以下结合附图所示之优选实施例作进一步详述。

如图1所示，一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置，包括至少一套介质阻挡尖端放电等离子体模块1和反应槽2。如图1和图2所示，介质阻挡尖端放电等离子体模块1又包括高频高压电源11、高压电极12、散热器13、地电极15和加注有导电液16的放电介质管14。导电液16是具有高导电率的溶液，如盐水等。所述高压电极12和散热器13置于放电介质管14中，所述高频高压电源11输出的两端分别与高压电极12和地电极15相连，所述地电极15设置在反应槽2内的污水中。所述放电介质管14管壁的厚度为0.5~3mm。放电介质管14置于污水水面之上，其底部呈锥形，锥形尖端141与反应槽2内污水液面的距离为4~8mm。

本发明高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的方法，包括以下步骤：

①将高频高压电源11产生的高压加载在置于放电介质管14之内的高压电极12和置于反应槽2内待处理污水中的地电极15之上； 

②待处理污水从反应槽2一侧的进水口21流入，高压电极12通过放电介质管底部锥形尖端击穿空气放电，产生等离子体。等离子体迅速进入反应槽内的待处理污水中，用于污水处理。放电介质管14底部锥形尖端距离反应槽2内污水液面的距离为4~8mm，图1中A表示高压放电；

③待处理污水经过等离子体处理后，经反应槽2另一侧的出水口22流出采用后续工艺进行处理，图1中S表示污水液面；

所述高频高压电源11、高压电极12、散热器13、地电极15和加注有导电液16的放电介质管14为一套介质阻挡尖端放电等离子体模块，所述高压电极12和散热器13置于放电介质管14中。

所述反应槽2为推流式反应槽，本实施例中，反应槽包括三格，水流在反应槽中呈波浪式行进，图1中F表示污水流向。反应槽进水口21之前装设有进水阀门23和流量计24，反应槽出水口22为开放式重力流排水。

根据待处理污水的水量，所述介质阻挡尖端放电等离子体模块单套或者一套以上并联使用。

所述放电介质管14可选择不同材料制成，如陶瓷或石英玻璃等。

实施例1

应用本发明的装置和方法，净化处理配制的苯酚水溶液。如图1，设定电放电压为15KV左右，单套“介质阻挡尖端放电等离子体”模块运行，高频高压电源输出功率0.3Kw，采用单格的反应槽，反应槽溶积1.5L，序批方式运行，有效接触时间50min，

经本发明装置处理后的苯酚水溶液，进出水指标如下：

表1  进水指标

	COD（mg/L）	颜色
			进水指标	7000~8000	无色

表2  出水指标

	COD（mg/L）	颜色
			出水指标	4200~5500	深棕色

从表2的结果可以看出，对于以苯酚为代表的酚类大分子难降解有机污染物质，在通过本发明装置和方法处理后，溶液颜色由无色变为深棕色，伴随有COD的明显下降。说明大部分苯酚分子的结构改变了，一部分生成了各种醌类，表现出各种颜色的混合；一部分继续氧化分解为小分子物质或氧化分解为简单无机物，表现为COD的明显下降。结论：在通过本发明装置和方法处理后，在改变大分子污染物质分子结构的同时，有部分有机污染物质被直接氧化分解了。

对于以苯酚废水为代表的难降解有机污染废水，其处理是个世界性难题，使用本发明高频高压介质阻挡尖端放电等离子体处理有机污水的装置和方法，作为污水处理系统的前级净化处理，降低了运行成本，提高了处理效率。后续采用传统的生化工艺，可以取得十分显著的净化处理效果。

实施例2

应用本发明的装置和方法，净化处理配制的亚甲基蓝水溶液。如图1，设定电放电压为15KV左右，单套“介质阻挡尖端放电等离子体”模块运行，高频高压电源输出功率0.3Kw，采用单格的反应槽，反应槽溶积1.5L，序批方式运行，有效接触时间30min，

经本发明装置处理后的亚甲基蓝水溶液，进出水色度指标如下：

表1  进水指标

	色度
		进水指标	1000~1200

表2  出水指标

	色度
		出水指标	300~400

从表2的结果可以看出，在通过以本发明（高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置）为主体的系统处理后，亚甲基蓝水溶液的色度明显下降，说明高频高压介质阻挡尖端放电产生的等离子体对亚甲基蓝有氧化分解作用。

本发明同样适用于其它高浓度难降解有机污水，比如造纸污水、印染污水、垃圾渗滤液等。

鉴于本发明应用技术领域为有机污水处理领域，有机污染物种类繁多，净化处理不同污染物质所需要电压和放电介质可能不相同，以上实施例的描述仅用于进一步阐述本发明而不用于限制本发明的范围。应该理解，在阅读了本发明所公开的内容后，本领域的技术人员可以对本发明作各种改动或修改（比如放电电压不同、放电介质的材料不同、放电介质的形状不同或散热器的形状不同等），这些变动形式同样属于本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置，其特征在于：包括至少一套介质阻挡尖端放电等离子体模块（1）和反应槽（2），所述介质阻挡尖端放电等离子体模块（1）又包括高频高压电源（11）、高压电极（12）、散热器（13）、地电极（15）和加注有导电液（16）的放电介质管（14），所述高压电极（12）和散热器（13）置于放电介质管（14）中，所述高频高压电源（11）输出的两端分别与高压电极（12）和地电极（15）相连，所述地电极（15）设置在反应槽（2）内的污水中，所述放电介质管（14）底部呈锥形，锥形尖端与反应槽（2）内污水液面的距离为4~8mm。

2.如权利要求1所述的高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置，其特征在于：所述反应槽（2）为推流式反应槽，待处理污水从反应槽的一侧流入，从另一侧流出。

3.如权利要求2所述的高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置，其特征在于：所述反应槽（2）的每一格中至少放置一套介质阻挡尖端放电等离子体模块（1）。

4.一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的装置的介质阻挡尖端放电等离子体模块，其特征在于：所述介质阻挡尖端放电等离子体模块（1）包括高频高压电源（11）、高压电极（12）、散热器（13）、地电极（15）和加注有导电液（16）的放电介质管（14），所述高压电极（12）和散热器（13）置于放电介质管（14）中，所述高频高压电源（11）输出的两端分别与高压电极（12）和地电极（15）相连，所述放电介质管（14）底部呈锥形。

5.一种高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的方法，其特征在于：包括以下步骤：

①将高频高压电源（11）产生的高压加载在置于放电介质管（14）之内的高压电极（12）和置于反应槽（2）内待处理污水中的地电极（15）之上； 

②待处理污水从反应槽（2）一侧流入，高压电极（12）通过放电介质管底部锥形尖端击穿空气放电，产生等离子体，等离子体迅速进入反应槽（2）内的待处理污水中，用于污水处理，放电介质管（14）底部锥形尖端距离反应槽（2）内污水液面的距离为4~8mm；

③待处理污水经过等离子体处理后，经反应槽（2）另一侧流出采用后续工艺进行处理；

所述高频高压电源（11）、高压电极（12）、散热器（13）、地电极（15）和加注有导电液（16）的放电介质管（14）为一套介质阻挡尖端放电等离子体模块，所述高压电极（12）和散热器（13）置于放电介质管（14）中。

6.如权利要求5所述的高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的方法，其特征在于：所述放电介质管（14）管壁的厚度为0.5~3mm。

7.如权利要求5所述的高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的方法，其特征在于：所述反应槽（2）为推流式反应槽，反应槽至少包括三格，水流在反应槽中呈波浪式行进。

8.如权利要求5所述的高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的方法，其特征在于：根据待处理污水的水量，所述介质阻挡尖端放电等离子体模块单套或者一套以上并联使用。

9.如权利要求5所述的高压介质阻挡尖端放电等离子体处理污水的方法，其特征在于：所述放电介质管（14）采用陶瓷或石英玻璃制成。