CN103523856B - 水雾放电与超声协同降解废水处理装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，包括：水雾生成装置，用于将废水和空气雾化形成水雾；放电反应装置，用于对水雾生成装置生成的水雾进行放电处理；超声臭氧反应装置，用于收集经过放电处理后形成的液体和臭氧气体，并利用超声和收集的臭氧对所述液体进行处理；高压脉冲电源装置，用于驱动水雾放电装置产生等离子体。本发明还公开了所述水雾放电与超声协同降解废水处理装置的运行方法。本发明能够实现，可以实现水雾放电的放电参数、水-气混合比、水雾射流速度，以及超声波强化臭氧的臭氧浓度、臭氧流量、超声波参数等物理参数的合理调整，达到最优化参数选择的目的。

Description

水雾放电与超声协同降解废水处理装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种废水处理装置，具体涉及一种水雾放电与超声协同降解废水处理装置，本发明还涉及水雾放电与超声协同降解废水处理装置的运行方法，本发明属于废水处理领域。

背景技术

在废水处理领域，常用的废水处理方式是通过在废水池中投入能够与废液中有害物质发生反应的中和物质，通过与废液中的有毒害物质发生反应并生成无毒害的物质，达到讲解和净化废水的目的。但是这种废水处理手段一方面需要充分了解废水中有害物质的成分和浓度，另一方面需要投入相中和物质进行降解，这样就不能实现对废水进行快速和高效处理的要求。

高压放电产生的等离子体，富含高能电子、紫外线、自由基、臭氧等活性粒子和冲击波。超声波在水中由于能量的瞬变，发生空化效应并形成密集的空化泡，空化泡爆裂瞬间，在微小空间内产生高热和冲击波，从而产生自由基和冲击能量。与液体接触或在液体里的等离子体和超声波的活性粒子和冲击波，具有很强的化学活性和很广的化学选择性，联合使用等离子体和超声波的高能电子、自由基、臭氧、紫外线和冲击波等活性效应，与水中有毒害物种发生协同反应，具有快捷、高效、无二次污染的优势。

CN102344217A公开了一种等离子体和超声波集成污水处理装置，将超声波技术的高温高压并伴随强烈的激波等特点与电技术的电晕放电形成的等离子体的高能电子轰击、臭氧化、紫外光解等技术进行组合，综合处理污水，对高浓度难降解的有机物废水效果明显。CN102583697A公开了一种介质阻挡放电水处理装置及其处理方法，使用高压高频脉冲电源驱动，在介质阻挡电极与悬浮电极之间的气液界面放电，并使用放电产生的活性粒子处理水。但是，这两个专利的放电区域位于液体上方的空气域，由于放电所产生的活性粒子生命周期非常短，不能与待处理的水充分接触，其处理效果受到极大影响。高进的硕士学位论文“脉冲等离子体处理废水的实验研究”提出了一种雾化放电反应器处理废水的实验装置，使用雾化后的水沿着电极整列的轴向流动，并使用电极整列之间放电产生的活性粒子处理水。但是，由于该方案的水雾不是垂直穿过放电阵列面，部分水雾从放电区域的外侧穿过，降低了处理效果。且以上方案均能耗大、运行成本高，且没有充分利用等离子体的降解功能。因此，开发一种使用清洁能源、反应速率快的高效清洁的水处理设备及工艺确有必要。

水雾射流放电处理水的实验表明，当废液的总体积不变时，随着雾滴直径的减小，雾滴的数量与总表面积成指数倍增长。最大限度地增大废液与空气接触的总表面积，使废液中的有毒害物质充分与放电产生的高能电子、臭氧(O₃)、紫外线(UV)和活性自由基团(·H，·OH，·O)接触，能够起到降解和杀菌作用；超声波强化臭氧反应处理水的实验表明，在加入臭氧曝气和超声波联合作用的条件下，废水降解效率随着臭氧浓度、超声功率和处理时间的增加而增加，降解效率还与超声波频率有关。但是现有技术中尚没有联合采用水雾射流放电处理水，收集放电反应残余臭氧，并进一步使用超声波强化处理水的协同处理装置和方法，本发明所涉及的装置及其设计方法，提出了一种将水雾放电等离子体与超声波联合的一体化水处理装置，该装置可以实现放电参数(放电电压、放电电流、电压脉冲上升/下降时间、脉冲宽度、脉冲重复率)、水-气混合比、水雾射流速度、臭氧浓度、超声波参数(功率与频率)与废水降解效率之间的调整，并实现最优化参数选择。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水雾放电与超声协同降解废水处理装置，本发明还提供所述水雾放电与超声协同降解废水处理装置的运行方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，包括：

水雾生成装置，用于将废水和空气雾化形成水雾；

放电反应装置，用于对水雾生成装置生成的水雾进行放电处理；

超声臭氧反应装置，用于收集经过放电处理后形成的液体和臭氧气体，并利用超声和收集的臭氧对所述液体进行处理。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述水雾生成装置包括气体输送管道、废水输送管道、雾化装置；所述放电反应装置包括放电反应塔、高压脉冲电源；所述超声臭氧反应装置包括臭氧收集塔、箱式反应器、超声波功率电源；所述气体输送管道和废水输送管道连接雾化装置的输入端，雾化装置的输出端位于放电反应塔的上端，放电反应塔连接高压脉冲电源，箱式反应器位于放电反应塔下侧，臭氧收集塔位于箱式反应器和放电反应塔之间，臭氧收集塔用于将经过放电处理后形成的液体和臭氧气体输入箱式反应器，箱式反应器中设置有爆气装置、臭氧输送管道，臭氧输送管道用于输送箱式反应器中的臭氧气体给曝气装置，曝气装置连接超声波功率电源。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述高压脉冲电源包括滤波及整流单元、辅助电源、DC-DC主变换器、高压脉冲发生单元、电源输出参数控制单元、驱动与保护单元，市电连接滤波及整流单元，滤波及整流单元分别连接辅助电源、DC-DC主变换器，DC-DC主变换器连接高压脉冲发生单元，高压脉冲发生单元连接驱动与保护单元，电源输出参数控制单元分别连接驱动与保护单元，辅助电源分别连接电源输出参数控制单元、DC-DC主变换器、驱动与保护单元。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，DC-DC主变换器包括交织型PFC、可调逆变电源；高压脉冲发生单元包括功率开关及能量回收电路、高压脉冲形成电路；驱动与保护单元包括功率开关驱动电路、过载保护电路；电源输出参数控制单元包括输出电压调整电路、脉冲重复率调整电路、脉冲宽度调整电路；所述滤波及整流单元连接交织型PFC，交织型PFC连接可调逆变电源，可调逆变电源连接功率开关及能量回收电路，功率开关及能量回收电路分别连接功率开关驱动电路、过载保护电路、高压脉冲形成电路，输出电压调整电路连接可调逆变电源，脉冲重复率调整电路、脉冲宽度调整电路分别连接功率开关驱动电路。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，还包括数据采集与控制单元、用于检测箱式反应器内臭氧浓度的臭氧浓度检测单元、用于检测箱式反应器内水位的水位检测单元，用于实时检测检测箱式反应器内液体中有毒害物质情况的水质分析仪，数据采集与控制单元分别连接臭氧浓度检测单元、水位检测单元和水质分析仪。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述废水输送管道包括第一管道、第二管道、第三管道和第四管道；所述第一管道包括第一端和第二端，第一管道的第一端19用于输入废水，第一管道的第二端连接雾化装置的输入端，所述第一管道上沿着第一端到第二端的方向依次设置有第三阀门、水质分析仪、第一液泵、第五阀门、第一流量计、第一压强计；所述第二管道包括第一端和第二端，第二管道的第一端用于排出废水，第二管道的第二端连接箱式反应器，所述第二管道上沿着第一端到第二端的方向依次设置有第一阀门、第三流量计；所述第三管道的一端连接在第一管道的第三阀门和水质分析仪之间，所述第三管道的另一端连接在第二管道的第一阀门和第三流量计之间，所述第三管道上设置有第二阀门；所述第四管道的一端连接箱式反应器，所述第四管道的另一端连接在第一管道的第一液泵和第五阀门之间，所述第四管道上设置有第四阀门；所述气体输送管道上连接有第二流量计、第六阀门、第二压强计；所述臭氧输送管道上连接有第一气泵、第四流量计；所述数据采集与控制装置分别连接第三阀门、水质分析仪、第一液泵、第五阀门、第一流量计、第一压强计、第一阀门、第三流量计、第二阀门、第四阀门、第二流量计、第六阀门、第二压强计、第一气泵、第四流量计、臭氧浓度检测单元、水位检测单元。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述第二流量计为带有压力补偿的孔板流量计、小流量涡街流量计、V锥流量计中的任一种；所述第一流量计采用电磁式流量计或超声波流量计；所述第二流量计采用电磁式流量计或超声波流量计；所述第一流量计、第三流量计和第四流量计，采用金属转子流量计或玻璃转子流量计。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述放电反应塔内设置有水雾射流介质阻挡放电反应器，高压脉冲电源连接水雾射流介质阻挡放电反应器。

前述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述雾化装置的输出端位于放电反应塔的上端的40-50cm处。

前述水雾放电与超声协同降解废水处理装置的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：当箱式反应器内水位达到预订容量，且箱式反应器内臭氧浓度达到设定的上限时，断开高压脉冲电源，数据采集与控制装置关闭第三阀门、第五阀门和第六阀门，打开第二阀门和第四阀门，启动第一液泵、第一气泵、超声波功率电源，水质分析仪进行实时检测；

步骤二：当箱式反应器内臭氧浓度达到设定的下限，且通过水质分析仪检测到箱式反应器内液体未达排放指标时，数据采集与控制装置停止第一气泵和超声波功率电源，关闭第三阀门和第四阀门，打开第五阀门和第六阀门，启动第一液泵，启动高压脉冲电源，水质分析仪和臭氧浓度检测单元均进行实时检测；

步骤三：当通过水质分析仪检测到箱式反应器内液体达到排放指标时，数据采集与控制装置停止第一液泵、第一气泵、高压脉冲电源和超声波功率电源，关闭第二阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门，打开第一阀门。

本发明的有益之处在于：本发明的水雾放电与超声协同降解废水处理装置能够实现水雾放电与超声协同降解废水，本发明能实现对废水的快速和高效处理，对废水起到降解和杀菌作用，本发明运行自动化程度高，具有很好的市场前景。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施的结构示意图；

图2是本发明高压脉冲电源的功能结构示意图；

图3是本发明滤波及整流单元的一种电路图；

图4是本发明交织型PFC的一种电路图；

图5是本发明可调逆变电源的一种电路图；

图6是本发明电源输出参数控制单元的一种电路图；

图7是本发明驱动与保护单元的一种电路图；

图8是本发明高压脉冲形成电路的一种电路示意图；

图9是本发明高压脉冲形成电路的一种机械结构示意图；

图10是本发明介质阻挡放电阵列的一种结构示意图；

图11是本发明超声波强化臭氧箱式反应器的俯视图；

图12是本发明超声波强化臭氧箱式反应器的侧视图；

图13是本发明水雾放电与超声协同降解废水处理装置的运行流程图。

图中附图标记的含义：

1、气体输送管道，2、废水输送管道，3、雾化装置，4、放电反应装置，5、高压脉冲电源，6、臭氧收集塔，7、箱式反应器，8、超声波功率电源，9、爆气装置，10、臭氧输送管道，11、臭氧浓度检测单元，12、水位检测单元，13、数据采集与控制单元，14、水质分析仪，15、第一管道，16、第二管道，17、第三管道，18、第四管道，19、第一管道的第一端，20、第一管道的第二端，21、第三阀门，22、液体，23、第一液泵，24、第五阀门，25、第一流量计，26、第一压强计，27、第二管道的第一端，28、第二管道的第二端，29、第一阀门，30、第三流量计，31、第二阀门，32、第四阀门，33、第二流量计，34、第六阀门，35、第二压强计，36、第一气泵，37、第四流量计，38、水雾射流介质阻挡放电反应器，39、气源，40、水雾，41、排气口，42、光学观测口，43、排气口，44、臭氧爆气片，45、压电超声片，46、滤波及整流单元，47、辅助电源，48、DC-DC主变换器，49、高压脉冲发生单元，50、电源输出参数控制单元，51、驱动与保护单元，52、交织型PFC，53、可调逆变电源，54、功率开关及能量回收电路，55、高压脉冲形成电路，56、功率开关驱动电路，57、过载保护电路，58、输出电压调整电路，59、脉冲重复率调整电路，60、脉冲宽度调整电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，本发明一种水雾放电与超声协同降解废水处理装置，包括：

水雾生成装置，用于将废水和空气雾化形成水雾40；

放电反应装置4，用于对水雾生成装置生成的水雾40进行放电处理；

超声臭氧反应装置，用于收集经过放电处理后形成的液体22和臭氧气体，并利用超声和收集的臭氧对液体22进行处理。本发明中的放电反应装置4用于对水雾40进行放点处理，放点过程中会产生臭氧，放点结束后，超声臭氧反应装置收集经过放电处理后形成的液体22和臭氧气体，然后利用超声和收集的臭氧对液体22进行进一步处理。由此实现水雾40放电与超声协同降解废水。

本发明不限制水雾生成装置、放电反应装置4、超声臭氧反应装置的具体结构、三者之间的相对位置。本发明的技术原理是：当废液的总体积不变时，随着雾滴直径的减小，雾滴的数量与总表面积成指数倍增长。最大限度地增大废液与空气接触的总表面积，使废液中的有毒害物质充分与放电产生的高能电子、臭氧(O₃)、紫外线(UV)和活性自由基团(·H,·OH,·O)接触，起到降解和杀菌作用。将废水和压缩空气经过雾化喷嘴雾化后，在反应器内产生放电，使用放电产生的高能电子、臭氧(O₃)、紫外线(UV)、双氧水(H₂O₂)和自由基团(·H,·OH,·O)等活性物种直接包裹微小水珠，发生氧化、光解等协同作用，有效去除水中有机物等有毒害物质。

为了更加详细地演示本发明装置的结构，如图1给出了一种优选实施方案，其中：水雾生成装置包括气体输送管道1、废水输送管道2、雾化装置3；放电反应装置4包括放电反应塔、高压脉冲电源5；超声臭氧反应装置包括臭氧收集塔6、箱式反应器7、超声波功率电源8；气体输送管道1和废水输送管道2连接雾化装置3的输入端，雾化装置3的输出端位于放电反应塔的上端，放电反应塔连接高压脉冲电源5，箱式反应器7位于放电反应塔下侧，臭氧收集塔6位于箱式反应器7和放电反应塔之间，臭氧收集塔6用于将经过放电处理后形成的液体22和臭氧气体输入箱式反应器7，箱式反应器7中设置有爆气装置9、臭氧输送管道10，臭氧输送管道10用于输送箱式反应器7中的臭氧气体给曝气装置，曝气装置连接超声波功率电源8。

作为进一步改进，本发明的放点反应塔还设置有用于观察的光学观测口42，本发明的雾化装置3的输出端为一个雾化喷嘴，雾化喷嘴喷出水雾，水雾进入放点反应塔。进一步，雾化喷嘴设置在一个容纳空间中，容纳空间上设置有用于排出空气的排气口41，以便平衡气压。同样，在臭氧收集塔6上也可以设置有排气口43。本发明的箱式反应器7具有一个容纳臭氧和液体22的箱体。

作为本发明的一个重要创新点，下面将对高压脉冲电源5进行一个优选实施的描述。

如图1和图2所示，高压脉冲电源5包括滤波及整流单元46、辅助电源47、DC-DC主变换器48、高压脉冲发生单元49、电源输出参数控制单元50、驱动与保护单元51，市电连接滤波及整流单元46，滤波及整流单元46分别连接辅助电源47、DC-DC主变换器48，DC-DC主变换器48连接高压脉冲发生单元49，高压脉冲发生单元49连接驱动与保护单元51，电源输出参数控制单元50分别连接驱动与保护单元51，辅助电源47分别连接电源输出参数控制单元50、DC-DC主变换器48、驱动与保护单元51。

作为进一步的优选，DC-DC主变换器48包括交织型PFC52、可调逆变电源53；高压脉冲发生单元49包括功率开关及能量回收电路54、高压脉冲形成电路55；驱动与保护单元51包括功率开关驱动电路56、过载保护电路57；电源输出参数控制单元50包括输出电压调整电路58、脉冲重复率调整电路59、脉冲宽度调整电路60；滤波及整流单元46连接交织型PFC52，交织型PFC52连接可调逆变电源53，可调逆变电源53连接功率开关及能量回收电路54，功率开关及能量回收电路54分别连接功率开关驱动电路56、过载保护电路57、高压脉冲形成电路55，输出电压调整电路58连接可调逆变电源53，脉冲重复率调整电路59、脉冲宽度调整电路60分别连接功率开关驱动电路56。

高压电源的工作原理为：市电输入到滤波及整流单元46，对辅助电源47和DC-DC主变换器48供电。辅助电源47将输入的市电转换为多路工作电源输出，分别为高压电源系统的控制单元、驱动与保护单元51、DC-DC主变换器48等单元供电；经过整流滤波后的市电，先送入DC-DC主变换器48的交织型功率因素(PFC)单元，经过PFC变换器后输出恒定高压，并向可调逆变电源53供电；可调逆变电源53的向高压脉冲发生单元49的功率开关及能量回收电路54供电；功率开关及能量回收电路54在驱动与保护电路电源的控制下，与高压脉冲形成电路55共同作用，产生高压脉冲输出；电源输出参数控制单元50向DC-DC主逆变器的可调逆变电源53送出发送输出电压调整信号，使DC-DC主变换器48向高压脉冲发生单元49提供输出电压可调的电源。同时，脉冲重复率调整和脉冲宽度调整信号送入驱动与保护单元51，驱动与保护单元51进一步控制高压脉冲发生单元49输出符合要求的高压脉冲信号。

滤波及整流单元46如图3所示，由电磁干扰(EMI)滤波器及整流电路构成。图中L、N为市电输入端，F为保险丝，RV1-RV3为压敏电阻，G1为三极气体放电管，CX1-CX3为X电容，CY1-CY3为Y电容，L1-L2为共模电感(有漏电感的扼流线圈)，B1为整流桥，CH1为滤波电容。

压敏电阻RV1、RV2和三极气体放电管G1构成组合型浪涌抑制器，当有瞬态雷击浪涌信号侵入时，L-N线间的部分高频能量通过CX1释放；PE线与L、N线间的共模浪涌信号，在共模电感L1的电流阻碍和电压陡化作用下，造成L-N、L-PE或N-PE线间过电压，RV1-RV2和G1瞬间击穿释放雷击浪涌信号电能。残余的浪涌信号经过后级电感L2，滤波电容CX2和压敏电阻RV3构成的滤波和电压钳位电路释放或削峰。

来自电网的谐波沿着L-N线进入的传导型EMI信号，可以被该EMI电路有效抑制。同时，本发明的高压电源系统工作过程中产生的传导型EMI信号，也可以被该EMI电路有效抑制而有效减少了对电网的谐波干扰。

图3所示的EMI电路的输出电压经过滤波电容CH1后，连接到如图4所示交织型有源功率因素矫正(PFC)电路。该电路由控制器UP1、功率因数电感(L3和L4)、功率开关(Q1金额Q2)、整流二极管(D1和D2)、反馈电路等构成。

功率因素控制器UP1的开关驱动信号输出端DRV1和DRV2反相，对开关管Q1和Q2形成交织驱动，使功率因数电感L1和L2内的电流处于交织变化状态，有效提高了电路工作效率，降低电路工作的电磁干扰。控制器UP1的ZCD1和ZCD2，分别是功率因素电感L1和L2的电流检测端；Bo端跟踪检测输入电压；FB端用于输出电压反馈；OVp端检测输出端电压是否过压；CS1和CS2端，用于检测开关管Q1和Q2的电流；交织型PFC52电路的输出端VH2的电压(为DC420V±20V)通过电阻R5和R7构成的反馈网络向控制器FB端反馈输出电压，同时通过电阻R6和R8构成的反馈网络向控制器OVp端反馈VH2是否过压。最大持续输出功率为1.6KW。功率因数校正电路控制器UP1，选用FAN9612、NCP1631等。

交织型有源功率因素矫正(PFC)电路的相关参数由公式 和确定。其中P_sto代表电感L的存储能量，P_out为V_out端的输出功率，I_av为电感L的峰值电流，D_max为控制器输出开关信号的最大占空比，η为转换效率，f_op为控制器工作频率。

输出电容C2的作用是存储能量，维持一个恒定的电压。此电路的电容选择主要是控制输出的纹波在指标规定的范围内。对于交织型PFC电路，电容的阻抗和输出电流决定了输出电压纹波的大小。电容的阻抗由三部分组成，即等效串联电感（ESL），等效串联电阻（ESR）和电容值（C）。

在电感电流连续模式中，电容的大小取决于输出电流、开关频率和期望的输出纹波。在MOS管开通时，输出滤波电容提供整个负载电流。在此电路中，为了满足期望的输出纹波电压，电容值可以按下式选取

$C_2\≥\frac{I_{o\max }\·D_{\max }}{f_s\·\mathrm{\ΔV}}$

其中：I_omax为最大的输出电流；D_max为最大的占空比。

图5所示为可调逆变电源53电路。其中，UP2为电源控制器，采用LTC3722、UCC28950、UCC3895、ISL6752等集成电路；U1A-U1D为与门；UD1和UD2为全桥逆变开关管QD1-QD4的驱动集成电路，采用IR2186、IR2110等集成电路；QD1-QD4为IGBT功率开关管，需要具有耐650V高压、大于30A的电流容量；DF1-DF4为续流二极管，使用超快速恢复二级管；T为高频功率转换变压器；DB1和DB2为高压超快速恢复整流二极管（如ST公司的反向耐压1200V，电流20A，反向恢复时间45ns的STTH6112TV）；CH3和CH4为高频电容，其作用是滤波和储能；电路工作过程中，电容CS与压变压器T的初级电感构成串联谐振电路，开关管QD1-QD4处于零电压开关状态；在图6所示的输出参数控制电路调整下，可调逆变电源53的输出电压AHV在DC100-600V可调。当主逆变电路过流或输出过压时，图6所示的SD端输出低电平，控制器UP2停止输出，与门U1A-U1D的输出信号被封锁(为低电平)。此时，强制开关管QD1-QD4关闭，使电路进入保护状态。

如图6所示的电源输出参数控制单元50，UC为微控制单元(MCU)，采用STC公司的STC15F101E/104W或Microchip公司的PIC12F629/675；U2为光电耦合器；A1和A2为电压比较器；U5A为高速施密特触发器；Radj为数字电位器，选用具有增/减接口32个滑动端口位置的数字电位器AD5228。

通过轻触开关K1和K2改变数字电位器Radj的值，使得电压比较器A2的反相端参考电压随之改变，从而调整图5所示的可控逆变电源的输出电压AVH的值，当AVH的输出电压超过设定的最大限值(DC650V)时，A1输出低电平，与光耦U2的相连的SD端输出低电平，使图5的可调逆变电路暂停工作；轻触开关KS、K3、K4、K5和K6与分别与微控制单元UC的输入输出口连接，是高压脉冲电源5的脉冲重复率和脉冲宽度的设定按钮。其中，KS为功能设置使能键，K3和K4为脉冲重复率的增加和减少键，K5和K6为脉冲宽度调整键；经过KS、K3-K6设定的信号，从微控制器UC的GP4输出，送入施密特触发器U5A调整后，送给如图7所示的功率开关驱动与保护延时电路。

功率电子开关驱动与过载保护延时电路如图7所示。A3-A5为高速电压比较器，U4A和U4B为高速与非门，U5B为高速施密特触发器，QA1为快速PMOSFET(使用ZVP2106G等)，QA2为快速NMOSFET(使用ZVN2106G等)，D5、D6、DA和DT1为开关二极管。

图6所示的高压脉冲电源5参数控制信号FR，送入由U5B、U4A、U4B和QA1、QA2等构成的功率电子开关驱动电路，在DQT端输出具有快速上升和下降时间(8-20ns)，峰值电流可达1A的信号，用于驱动图8所示的功率电子开关QT1和QT2。

电压比较器A3、A4以及外围电子器件Q3、R11、R12等，构成图5所示的可调逆变电源53的过流保护延迟电路。保护延时参数由R12和C6的参数决定。电容C5的作用是，保证上电瞬间给电压比较器A4的同相端提供一个大于Vref的电压，保证SD2的输出为高电平。二极管D5的作用是在掉电瞬间将存储在C6的电荷迅速释放。

电压比较器A5、A6以及外围电子器件Q4、R25、R26等，构成图8所示的高压脉冲发生单元49的过流保护延迟电路。当图8中的功率电子开关QT1和QT2电流超过由Vref2和电阻R23、R24设定的最大限值时，电压比较器A5输出高电平，触发由R26、D6、C10、C11、Q4和A6构成的保护延时电路，SD2端输出低电平，使QA1和QA2截止，DOT输出低电平，图8所示的高压脉冲发生单元49停止工作。

高压脉冲发生单元49电路如图8所示。由功率开关、无损缓冲能量回收电路和高压脉冲形成电路55构成。其中，图8中的QT1(2)、Lc1(2)、Dp1(2)、Cp1(2)、脉冲变压器PT1-PT10的初级电感和磁开关MSA(B)共同构成功率脉冲发生电路，Lr1(2)、Dc1(2)、Cc1(2)构成无损耗能量回收电路，Rrs1(2)为流过功率电子开关QT1(2)的电流取样电阻。

图8中，QT1和QT2为高速功率场效应管，其源极-漏极耐压需满足800-1000V，采用SiHFPE50、SiHFPF50、SiHFPG50和IPW90R120C3等器件；脉冲功率变压器PT1-PT10，其磁芯材料使用高频功率铁氧体磁环，如PC45、PC46、PC47、PC50、PC90、PC95等。其绕组使用高压绝缘导线；磁开关MSA(B)、MS1(2)的磁性材料使用B-H曲线具有矩形特性，并且矫顽力较小的矩磁材料，如铁钴钒矩磁、奥则闹尔(Orthonol)矩磁、非晶态2605SC和非晶态2714SC等；电容Cc1(2)、Cp1(2)、C0、C1和C2采用高频高压云母电容，要求具有较小的等效串联阻抗和感抗；二极管DD1为高压开关二极管，使用25个2CL106构成5串5并结构(或20个2CL2FM构成2串20并，或60个BYX104G构成5串12并结构)。

脉冲功率变压器PT1-PT10的初级并联，次级串联。为了获得更大的能量，将10个脉冲变压其分成两组(每5个一组)，分别使用个功率场效应管QT1和QT2驱动，分别在每组功率脉冲变压器的初级串联次压缩开关MSA(B)。

功率电子开关QT1(QT2)导通瞬间，电流从AHV端经电感Lc1(2)、二极管Dp1(2)和电流取样电阻Rrs1(2)流向地线。同时，由于电容Cp1(2)的耦合作用，存在另一路电流从地线经过磁开关MSA(B)、脉冲变压器PT1-PT10的初级线圈，穿过电容Cp1(2)流向地线形成环路。此时，在脉冲变压器PT1-PT10的耦合下，还存在另外三个电流环路，即“地线→DD1→MS2→MS1→C1→脉冲变压器次级串联绕组”的电流环路，“地线→C2→MS1→C1→脉冲变压器次级串联绕组”的电流环路，“地线→C0→脉冲变压器次级串联绕组”的电流环路。其中，流过磁开关MSA(B)和MS1(2)的电流可以使磁开关的磁芯复位。即，在每个脉冲重复周期中，功率开关管导通瞬间均自动实现了磁复位功能。

功率电子开关QT1(QT2)关闭瞬间，根据楞次定律，电流将持续从AHV端流过电感Lc1(2)和二极管Dp1(2)，产生自感电动势。该电动势联通AHV端的电压一起经过耦合电容Cp1(2)，加载在脉冲变压器PT1-PT10的初级线圈和磁开关MSA(B)构成的串联电路两端。其施加的最大电压V_c由无损缓冲电路的参数决定。随着流过脉冲变压器初级和磁开关MSA(B)的电流不断加大，当磁开关MSA(B)饱和的瞬间，几乎所有的高压信号全部加载到脉冲变压器的初级。此时，在脉冲变压器的次级获得叠加后的脉冲高压，次级线圈同时获得耦合脉冲电压。

脉冲变压器初级施加的最大电压V_c表达式为：

V_c＝V_AHV+V_L+V_F≈V_AHV+V_L

式中V_AHV为AHV端的电压，V_L为电感Lc1(2)的自感电动势，V_F为二极管Dc1(2)的正向压降。

电感Lc1(2)的绕组峰值电流、磁芯材料的峰值磁通密度B_PK和最大磁通密度B_m之间的约束：

B_PK＝χB_m，0.4≤χ≤0.8，

l_e为两个所述磁芯的磁路长度，N代表缠绕在磁芯上的绕组匝数，Δi为通过绕组的电流变换率，求得磁场强度：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{\mathrm{N\Δi}}{l_e}$

如果气隙δ的漏感足够小(小于10%)，则如下的电磁学表达式成立：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{\mathrm{\ΔB}}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}=\frac{\mathrm{\ΔB}}{{\mathrm{\μ}}_i}=\frac{\mathrm{N\Δi}}{l_e+\mathrm{\δ}}$

$\mathrm{\ΔB}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{N\Δi}}{\frac{l_e}{{\mathrm{\μ}}_r}+\mathrm{\δ}}$

式中，μ₀＝4π×10^-7，为磁芯材料相对磁导率，l_e为磁心的有效磁路长度，δ为气隙长度。在实际应用中，根据绕组峰值电流、磁芯材料的峰值磁通密度B_PK和最大磁通密度B_m之间的约束关系，还应该满足：

$B_{\mathrm{PK}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{Ni}}_{\mathrm{PK}}}{\frac{l_e}{{\mathrm{\μ}}_r}+\mathrm{\δ}}\≤\mathrm{\χ}{B}_m$

根据麦克斯韦方程和法拉第电磁感应原理，磁芯横截面积为S，确定由N匝电感量为L的所述初级线圈电流i引起的变化磁场的表达式为：

$V_L=\mathrm{NS}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

即，绕组通过电流Δi时，电感的磁感应强度变化率为则可以知道电感Lc1(2)的计算表达式为：

$L=\mathrm{NS}\frac{\mathrm{\ΔB}}{\mathrm{\Δi}}=N^{2}S\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\frac{l_e}{{\mathrm{\μ}}_r}+\mathrm{\δ}}\≤\mathrm{NS}\frac{\mathrm{\χ}{B}_m}{i_{\mathrm{PK}}}$

电感量与线圈匝数的平方和磁芯的横截面积成正比，与有效磁路长度和气隙长度成反比。该公式定义了电感量L一定的情况下，在选定了特定的磁芯参数(截面积S，有效磁路长度l_e，磁导率μ_r，最大饱和磁通密度B_m)之后，绕组匝数N、气隙δ和电感峰值电流i_PK之间的约束关系。

在最大脉冲重复周期T_rep.内，定义电感Lc1(2)内的电流上升和下降时间相等t_r＝t_f。根据带气隙的磁感应强度公式、磁芯材料峰值磁通密度B_PK和最大磁通密度B_m之间的约束关系，可求得最大电流变化量表达式：

$i_{\max }=\mathrm{\χ}{B}_m\frac{\frac{l_e}{{\mathrm{\μ}}_r}+\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_{0}N}$

定义V_L＝V_AHV，则电感方程和电感的伏秒法则，可求得一个导电周期内，电感Lc1(2)在最大饱和磁通密度下工作的电流上升和下降时间的表达式：

$t_r=t_f=\frac{L{\mathrm{\Δi}}_{\max }}{V_{\mathrm{AHV}}}=\frac{N^2\mathrm{S\χ}{B}_m}{V_{\mathrm{AHV}}}$

则最小脉冲重复周期T_rep.必须满足下列公式：

$T_{\mathrm{rep}.}\≤{2t}_r=\frac{{2N}^2\mathrm{S\χ}{B}_m}{V_{\mathrm{AHV}}}$

系统的T_rep.由图6所示的电源输出参数控制单元50中的微控制(MCU)设定。

在本发明中，定义单个磁芯构成的脉冲变压器单元的次级线圈匝数与初级线圈匝数的比值为n。将多个脉冲变压器的初级并联，次级串联，形成m级的脉冲变压器系统，当在初级加载脉冲电压V_c时值，次级的输出电压表达式为：

V_S＝nmV_c

脉冲变压器的次级线圈电压V_S经过C0和C1构成的倍压电路升压后，加在磁开关MS1(2)和C2构成的谐振网上。在磁开关MS1饱和的瞬间，C0、C1、C2和MS1的饱和电感构成谐振电路，对C2进行充电。当C2的电压不断上升并施加在MS2上。当MS2饱和时，C0、C1、C2通过MS1和MS2的饱和电感对连接在LA和LB端上的负载(高压放电装置)供电。

磁开关器件MS1(2)的设计方法为，选用矩磁磁环材料(铁钴钒矩磁、奥则闹尔(Orthonol)矩磁、非晶态2605SC和非晶态2714SC等)磁环，假设磁芯的未饱和磁导率为u_usa.，饱和磁导率为u_sat，未饱和电感为L_usa.，饱和电感为L_sat，横截面积为S_s，磁感应强度变化量为ΔB_s,有效磁路长度为l_e，厚度为h_e，绕组匝数为N。由于磁开关的u_usa.＞＞u_sat，因此L_usa.＞＞L_sat。在磁开关的磁芯未饱和之前，其等效阻抗Z_usa.＞＞Z_sat，可以认为磁开关后的电路与前方电路断开；在磁开关的磁芯保护的瞬间，磁开关前后的电路通过饱和电感为L_sat建立物理连接。

在此发明中，取电容C₀＝C₁＝C₂；在第一级磁开关MS1的未饱和电感L_1usa.、饱和电感L_1sat和脉冲变压器PT的次级电感为L_pts，之间应满足L_1usa.≥L_pts≥L_1sat。

饱和电感量的表达式为：

$L_{\mathrm{sat}}=\frac{u_{\mathrm{sat}}{S}_s{N}^2}{l_e}$

当磁芯材料为理想的矩形B-H特性时，磁芯材料的饱和磁导率，与空气的磁导率近似相等(深度饱和时，与空气磁导率相等)。

$N=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{sat}}{l}_e}{u_{\mathrm{sat}}{S}_s}}$

电压为U₀的信号作用在第一级磁开关上，在磁饱和瞬间，持续作用的时间t₁与线圈匝数N，横截面积为S_s，磁感应强度变化量为ΔB_s之间的伏-秒表达式为：

$\mathrm{N\Δ}{B}_s{S}_s=\∫U_2\mathrm{dt}=\frac{U_0{t}_1}{2}$

于是，可得到 $t_1=\frac{2\mathrm{N\Δ}{B}_s{S}_s}{U_0}.$

当第一级磁开关达到饱和时，电流向第二级电容充电。此时，由于第二级磁开关未达到饱和状态，其等效阻抗远大于第一级磁开关的饱和电感，第一级磁开关前后的电容构成串联电路，第二级电容上的电压达到峰值的时间表达式为：

$t_2=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{C}{2}{L}_{\mathrm{sat}}}$

则第一级磁压缩电路对高压信号的时间压缩比为

$G=\frac{t_1}{t_2}=\frac{4\mathrm{N\Δ}{B}_s{S}_s}{\mathrm{\π}{U}_0\sqrt{2C{L}_{\mathrm{sat}}}}$

定义脉冲变压器次级输出的脉冲宽度t_w＝t_f＝t_r，由于脉冲变压器的次级电压脉冲输出时间与第一级磁脉冲压缩的持续作用的时间t₁需满足：

$t_w=t_f\≥t_1=\frac{2N{\mathrm{\ΔB}}_s{S}_s}{U_0}$

定义高压脉冲电源5的输出电压脉冲宽度为t_wp＝t₂，则开关管QT1(2)的最大开通时间的表达式为：

$t_{\mathrm{on}\max }=t_{r\max }=t_w\≥t_1={\mathrm{Gt}}_2=\frac{2\mathrm{N\Δ}{B}_s{S}_s}{U_0}$

磁芯能量损耗表达式为

E_loss＝V_coree_u＝l_eSe_u

图9是与图8电路原理图对应的电路机械结构示意图。在磁环外加绝缘骨架，将高压绝缘导线缠绕在骨架上，形成初级和次级。图9所示的整个高压脉冲形成电路55系统装入密封箱体，并填充变压器油作为结缘和导热介质。初级绕组的接线端A、B、P1和P2与图8的无损能量回收电路相连。其中，A和B连接地线，P1端连接无损吸收电路的元件Cp1和Dc1的公共端，P2连接无损吸收电路的元件Cp2和Dc2的公共端；次级绕组连接磁开关MS1、MS2、高压电容和高压二极管，经过进一步压缩的高压信号从LA和LB输出，并连接到图10所示的介质阻挡放电阵列中的两组电极上。

质阻挡放电(DBD)阵列如图10所示，每根电极由不锈钢棒状电极和一端封闭的石英玻璃管构成。石英玻璃管长约225mm，不锈钢电极长约250mm；石英玻璃管外径5.00mm，内径2.00mm，一端封闭，内部插入外径为2.00mm的不锈钢电极。带石英介质管的电极排成两列，相邻两个电极的中心间距设定为7.00-8.00mm，介质层间距为2.00-3.00mm，高压脉冲电源5连接在相邻的两个电极上，并在相邻两个介质层之间的空隙处产生放电。DBD电极分成上下2层平行错开排列，每层放置20-30根DBD电极，上下两列DBD电极间的中心距离约7.00mm。

DBD电极间的最小放电距离d、大气压强p与击穿电压V_B之间遵循帕邢(Paschen’s Law)定律，即：

$V_B=\frac{\mathrm{Bpd}}{\ln \left(\frac{\mathrm{Apd}}{\ln \frac{1}{\mathrm{\γ}}}\right)}=f\left(\mathrm{pd}\right)$

式中的A和B为常数，V_B为击穿电压，p为大气压强，d为介质层之间的放电间隙,γ为二次电子发射系数。

废水经过雾化喷嘴转化成粒径尺寸为10～500um的细小水珠和空气的混合物，并形成射流，快速穿过石英介质层之间的空隙。在高压脉冲电源5的激励下，处于石英玻璃介质层空隙处的放电区域内的活性粒子(高能电子、臭氧(O₃)、紫外线(UV)和自由基团(·OH,·O))与于水中的有毒害物种充分接触并发生反应，起到降解和杀菌作用。由于使用高压脉冲电源5，部分附着在石英介质套表面的水，不会影响放电的发生。同时，这些附着的水在一定程度上可以当成水放电电极，增强了放电处理效果。

用V_g和V_l分别表示空气和水的流量，用S_d表示放电区域横截面积，则水雾射流穿过反应器的放电区域的流速表达式为：

$v=\frac{V_g+V_l}{S_d}$

在本发明中，根据羟基自由基在高压脉冲电源5激发产生后的生命周期，水雾射流穿过放电反应区的最大流速设定为0.07-3.50m/s之间。

使用电压脉冲上升和下降时间为纳秒级，20-30kV的高压脉冲电源5驱动介质阻挡放电结构。在高约化电场的作用下，使高能宇宙射线激发的种子电子发生加速、碰撞和电离等连锁反应，引起雪崩效应，最终产生电晕放电。水雾中的原子或分子与电子之间的碰撞，原子与原子之间碰撞，光与原子或分子的相互作用等，都可以发生电离，产生电子-离子对；电子或离子作用于水雾中的水滴表面，光照射水滴表面等，将水分解为羟基自由基等。由此，在水雾中发生电晕放电时，会产生各种各样的放电生成物，包括高能电子，正、负离子，自由基，臭氧(O₃)和紫外线，以及少量的氮氧化物(NOx)，少量HNO₃等。利用水雾放电产生的活性粒子的强氧化特性(pH=7.00的条件下，OH、O、O₃、H₂O₂和HO₂的氧化电位分别为2.80V、2.42V、2.07V、1.77V和1.70V)，使水中的有机物分子、重金属元素、病菌等有毒害物种，发生强氧化和取代等反应，最终达到降解、杀菌、消毒等目的。水雾中一些基本活性粒子的产生机理如下：

水分子和氧气分子在高能电子(3-10eV)作用下直接分解:

e+H₂O→e+H+OH             (R1)

e+O₂→O(¹D)+O(¹D)+e        (R2)

水分子被激发态的氧原子O(1D)分解:

O(¹D)+H₂O→2HO             (R3)

氮气分子被高能电子激发，并进一步与氧气分子发生反应生成激发态的氧原子:

$e+N_2\→N_2^{*}+e---\left(R4\right)$

$N_2^{*}+O_2\→N_2+2O\left(D_1\right)---\left(R5\right)$

激发态的氧原子与氮气分子发生反应生成一氧化氮NO和氮N自由基，氮N自由基与羟基OH发生反应差生一氧化氮NO和氢自由基:

O(¹D)+N₂→NO+N             (R6)

N+OH→NO+H                (R7)

水雾放电等离子体区域的氧原子O与氧气分子O₂在第三种中间分子M(N₂或H₂O)参与下，发生反应生成臭氧O₃:

O+O₂+M→O₃+M           (R8)

羟基对的化合反应产生双氧水H2O2:

OH+OH→H₂O₂            (R9)

另外，水雾电晕放电产生的紫外线导致的水分子H₂O和氧气分子O₂的光解，产生氧羟自由基OH、氢自由基H和氧原子O是另一个重要的反应机制:

H₂O+hv→OH+H(λ=145-246nm)     (R10)

O₂+hv→O+O(¹D)(λ=200-220nm)    (R11)

由于水雾放电区域产生了臭氧O₃、氢自由基H、个氧原子O，反应式分别为(R1),(R2)和(R8),这将进一步产生双氧水H₂O₂:

O₃+H₂O→HO₂+O₂             (R12)

H+O₂+M→HO₂+M               (R13)

O(¹D)+H₂O→HO₂+HO₂→2H₂O₂   (R14)

H+HO₂→H₂O₂                (R15)

将废水循环放电处理的过程中，反应产物H₂O₂和HO₂(R12-R15)在水雾放电区域的紫外光作用下，进一步发生反应，生成更多的羟基自由基OH和氢自由基H:

HO₂+hv→OH+H(λ=200-250nm)      (R16)

H₂O₂+hv→OH+OH(λ=190-350nm)    (R17)

超声波强化臭氧箱式反应器7，位于臭氧收集塔6的下方。箱式反应器7总体呈六面体结构，使用不锈钢制作。压电超声片45安装在箱体的底部和侧面，臭氧曝气片44(曝气管或曝气器)安装在箱式反应器7的底部(单独使用曝气片时，安装在箱式反应器7的底部；单独使用曝气管时，使用支架，安装在压电超声片45的上方)。压电换能器和臭氧爆气器分别连接图1所示的超声波功率电源8和第一气泵36。臭氧通过第一气泵36循环进入臭氧爆气器，从箱式反应器7的底部溢出，在压电超声片45的空化作用下，形成密集的空化泡，空化泡爆裂瞬间，在微小空间内产生高热和冲击波，加快了有机物的分解，起到超声波强化臭氧反应的作用。其反应机理描述如下：(1)水直分解成羟基(H₂O→H+OH)，羟基进一步氧化有机分子；(2)水与臭氧发生系列反应(5O₃+3H₂O→6HO₂+3O₂，HO₂+H→H₂O₂，H₂O₂+2O₃→2OH+3O₂)，生成的羟基、双氧水和臭氧具有强氧化作用，与有机物充分发生反应；(3)超声空化泡爆裂瞬间产生的冲击波直接破坏有机物分子结构。

本发明还可以在上述的基础上设置控制装置，从而使得本发明更加自动化和智能化，此时，本发明还包括数据采集与控制单元13、用于检测箱式反应器7内臭氧浓度的臭氧浓度检测单元11、用于检测箱式反应器7内水位的水位检测单元12，用于实时检测检测箱式反应器7内液体22中有毒害物质情况的水质分析仪14，数据采集与控制单元13分别连接臭氧浓度检测单元11、水位检测单元12和水质分析仪14。

作为进一步展开的优选描述，如图1所示。废水输送管道2包括第一管道15、第二管道16、第三管道17和第四管道18；第一管道15包括第一端和第二端，第一管道的第一端19用于输入废水，第一管道的第二端20连接雾化装置3的输入端，第一管道15上沿着第一端到第二端的方向依次设置有第三阀门21、水质分析仪14、第一液泵23、第五阀门24、第一流量计25、第一压强计26；第二管道16包括第一端和第二端，第二管道的第一端27用于排出废水，第二管道的第二端28连接箱式反应器7，第二管道16上沿着第一端到第二端的方向依次设置有第一阀门29、第三流量计30；第三管道17的一端连接在第一管道15的第三阀门21和水质分析仪14之间，第三管道17的另一端连接在第二管道16的第一阀门29和第三流量计30之间，第三管道17上设置有第二阀门31；第四管道18的一端连接箱式反应器7，第四管道18的另一端连接在第一管道15的第一液泵23和第五阀门24之间，第四管道18上设置有第四阀门32；气体输送管道1上连接有第二流量计33、第六阀门34、第二压强计35；臭氧输送管道10上连接有第一气泵36、第四流量计37；数据采集与控制装置分别连接第三阀门21、水质分析仪14、第一液泵23、第五阀门24、第一流量计25、第一压强计26、第一阀门29、第三流量计30、第二阀门31、第四阀门32、第二流量计33、第六阀门34、第二压强计35、第一气泵36、第四流量计37、臭氧浓度检测单元11、水位检测单元12。此时，本发明中数据采集与控制单元13能够对各种传感器和执行装置进行控制。此外，本发明并不限制数据采集与控制单元13具有更多的功能，比如，数据采集与控制单元13可以对高压脉冲电源5和超声波功率电源8进行开关控制，由此，数据采集与控制单元13可以对放电反应装置4和爆气装置9进行开关控制。

作为本发明进一步的优选，第二流量计33为带有压力补偿的孔板流量计、小流量涡街流量计、V锥流量计中的任一种；第一流量计25采用电磁式流量计或超声波流量计；第二流量计33采用电磁式流量计或超声波流量计；第一流量计25、第三流量计30和第四流量计37，采用金属转子流量计或玻璃转子流量计。第四流量计37与第一气泵36共同完成臭氧循环流量的控制和测量功能；第一流量计25和第一液泵23共同完成废水流量的控制和测量功能，流量计2用于监测气源39的气体体积流量。

作为本发明进一步的优选，放电反应塔内设置有水雾射流介质阻挡放电反应器38，高压脉冲电源5连接水雾射流介质阻挡放电反应器38。雾化喷嘴位于水雾放电反应器的上方40-50cm处；废水和压缩气体同时注入雾化喷嘴，冲雾化喷嘴喷出的高速水流和气流相互作用后产生水雾射流。水雾射流以1.5-3.5m/s的速度穿过介质阻挡放电反应器，DBD反应器在外部高压脉冲电源5的作用下，产生击穿放电，并生成高能电子、臭氧(O₃)、紫外线(UV)、双氧水(H₂O₂)和自由基团(·H,·OH,·O)等大量活性粒子。用过的空气从排气口43流出，处理过的水在箱式反应器7内收集。放电生产的臭氧在箱式反应器7的上层空间和臭氧收集塔6内沉积(臭氧的产生机制是：放电区域的强烈紫外线光解空气产生臭氧，放电区域被电离的氧原子与氧气分钟发生反应产生臭氧；臭氧下沉的原理：由于相同状况下的臭氧密度比空气大(标准状况下的臭氧和空气的密度分别为2.14kg/m3和1.29kg/m3)，臭氧将会沉到箱式反应器7的水面上层空间)。

作为本发明进一步的优选，雾化装置3的输出端位于放电反应塔的上端的40-50cm处。

下面将描述本发明一种水雾放电与超声协同降解废水处理装置的运行方法，当箱式反应器7内的收集到的处理过的水达到预订容量(在此实施例中，可以设定为水位高度达到向内高度一般的位置)，箱内臭氧浓度的达到设定的上限(如2.0ppm)时，停止DBD放电反应，关闭第三阀门21、第五阀门24和第六阀门34，打开第二阀门31和第四阀门32，启动第一液泵23、第一气泵36、启动超声波功率电源8，使臭氧从箱式反应器7底部的爆气装置9(爆气片)溢出，在超声波空化效应的作用下，增强了臭氧与水中有毒害物质碰撞，从而达到提升降解反应速度的作用。在此过程中，水质分析仪14实时检测经过处理的废水。

臭氧经过不断循环，在超声波强化作用下与水中有毒害物质发生反应，其浓度不断下降。当臭氧浓度低于设定的下限(如0.10ppm)，并且废水未达到排放指标时，停止第一气泵36和超声波功率电源8，关闭第三阀门21和第四阀门32，打开第五阀门24和第六阀门34，启动第一液泵23，启动高压脉冲电源5，使废水再次经过水雾DBD反应器进行处理。在此过程中，水质分析仪14和臭氧浓度检测单元11分别实时监测废水降解中有毒害物质的情况和箱式反应器7内的臭氧浓度。并根据实际情况，使装置处于水雾射流DBD放电和超声波强化臭氧分时协同降解废水，或水雾射流DBD放电和超声波强化臭氧同时协同降解废水两种模式。当处理过的废水达到排放指标时，停止第一液泵23、第一气泵36、高压脉冲电源5和超声波功率电源8，关闭第二阀门31、第四阀门32、第五阀门24、第六阀门34，打开第一阀门29，将处理过的水排出。

实际运行时，本实施例可以根据如下步骤进行，如图13所示：

步骤一：当箱式反应器7内水位达到预订容量，且箱式反应器7内臭氧浓度达到设定的上限时，断开高压脉冲电源5，数据采集与控制装置关闭第三阀门21、第五阀门24和第六阀门34，打开第二阀门31和第四阀门32，启动第一液泵23、第一气泵36、超声波功率电源8，水质分析仪14进行实时检测；

步骤二：当箱式反应器7内臭氧浓度达到设定的下限，且通过水质分析仪14检测到箱式反应器7内液体22未达排放指标时，数据采集与控制装置停止第一气泵36和超声波功率电源8，关闭第三阀门21和第四阀门32，打开第五阀门24和第六阀门34，启动第一液泵23，启动高压脉冲电源5，水质分析仪14和臭氧浓度检测单元11均进行实时检测；

步骤三：当通过水质分析仪14检测到箱式反应器7内液体22达到排放指标时，数据采集与控制装置停止第一液泵23、第一气泵、高压脉冲电源5和超声波功率电源8，关闭第二阀门31、第四阀门32、第五阀门24、第六阀门34，打开第一阀门29。

本发明的一种水雾放电与超声协同降解废水处理装置将高压放电产生等离子体富含的高能电子、紫外线、自由基、臭氧等活性粒子和冲击波，超声波在水中的空化效应产生的自由基和冲击能量。联合使用等离子体和超声波的活性粒子和冲击波的化学活性和化学选择性，协同降解水中有毒害物种。本发明能够实现水雾放电与超声协同降解废水，本发明能实现对废水的快速和高效处理，对废水起到降解和杀菌作用，本发明运行自动化程度高，具有快捷、高效、无二次污染的特点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，包括：

水雾生成装置，用于将废水和空气雾化形成水雾；

放电反应装置，用于对水雾生成装置生成的水雾进行放电处理；

超声臭氧反应装置，用于收集经过放电处理后形成的液体和臭氧气体，并利用超声和收集的臭氧对所述液体进行处理；

所述水雾生成装置包括气体输送管道、废水输送管道、雾化装置；所述放电反应装置包括放电反应塔、高压脉冲电源；所述超声臭氧反应装置包括臭氧收集塔、箱式反应器、超声波功率电源；所述气体输送管道和废水输送管道连接雾化装置的输入端，雾化装置的输出端位于放电反应塔的上端，放电反应塔连接高压脉冲电源，箱式反应器位于放电反应塔下侧，臭氧收集塔位于箱式反应器和放电反应塔之间，臭氧收集塔用于将经过放电处理后形成的液体和臭氧气体输入箱式反应器，箱式反应器中设置有爆气装置、臭氧输送管道，臭氧输送管道用于输送箱式反应器中的臭氧气体给曝气装置，曝气装置连接超声波功率电源；

所述高压脉冲电源包括滤波及整流单元、辅助电源、DC-DC主变换器、高压脉冲发生单元、电源输出参数控制单元、驱动与保护单元，市电连接滤波及整流单元，滤波及整流单元分别连接辅助电源、DC-DC主变换器，DC-DC主变换器连接高压脉冲发生单元，高压脉冲发生单元连接驱动与保护单元，电源输出参数控制单元连接驱动与保护单元，辅助电源分别连接电源输出参数控制单元、DC-DC主变换器、驱动与保护单元。

2.根据权利要求1所述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，DC-DC主变换器包括交织型PFC、可调逆变电源；高压脉冲发生单元包括功率开关及能量回收电路、高压脉冲形成电路；驱动与保护单元包括功率开关驱动电路、过载保护电路；电源输出参数控制单元包括输出电压调整电路、脉冲重复率调整电路、脉冲宽度调整电路；所述滤波及整流单元连接交织型PFC，交织型PFC连接可调逆变电源，可调逆变电源连接功率开关及能量回收电路，功率开关及能量回收电路分别连接功率开关驱动电路、过载保护电路、高压脉冲形成电路，输出电压调整电路连接可调逆变电源，脉冲重复率调整电路、脉冲宽度调整电路分别连接功率开关驱动电路。

3.根据权利要求1所述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，还包括数据采集与控制单元、用于检测箱式反应器内臭氧浓度的臭氧浓度检测单元、用于检测箱式反应器内水位的水位检测单元，用于实时检测箱式反应器内液体中有毒害物质情况的水质分析仪，数据采集与控制单元分别连接臭氧浓度检测单元、水位检测单元和水质分析仪。

4.根据权利要求3所述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述废水输送管道包括第一管道、第二管道、第三管道和第四管道；所述第一管道包括第一端和第二端，第一管道的第一端用于输入废水，第一管道的第二端连接雾化装置的输入端，所述第一管道上沿着第一端到第二端的方向依次设置有第三阀门、水质分析仪、第一液泵、第五阀门、第一流量计、第一压强计；所述第二管道包括第一端和第二端，第二管道的第一端用于排出废水，第二管道的第二端连接箱式反应器，所述第二管道上沿着第一端到第二端的方向依次设置有第一阀门、第三流量计；所述第三管道的一端连接在第一管道的第三阀门和水质分析仪之间，所述第三管道的另一端连接在第二管道的第一阀门和第三流量计之间，所述第三管道上设置有第二阀门；所述第四管道的一端连接箱式反应器，所述第四管道的另一端连接在第一管道的第一液泵和第五阀门之间，所述第四管道上设置有第四阀门；所述气体输送管道上连接有第二流量计、第六阀门、第二压强计；所述臭氧输送管道上连接有第一气泵、第四流量计；所述数据采集与控制单元分别连接第三阀门、水质分析仪、第一液泵、第五阀门、第一流量计、第一压强计、第一阀门、第三流量计、第二阀门、第四阀门、第二流量计、第六阀门、第二压强计、第一气泵、第四流量计、臭氧浓度检测单元、水位检测单元。

5.根据权利要求4所述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述第二流量计为带有压力补偿的孔板流量计、小流量涡街流量计、V锥流量计中的任一种；所述第一流量计采用电磁式流量计或超声波流量计；所述第三流量计和第四流量计，采用金属转子流量计或玻璃转子流量计。

6.根据权利要求1至5任一项所述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述放电反应塔内设置有水雾射流介质阻挡放电反应器，高压脉冲电源连接水雾射流介质阻挡放电反应器。

7.根据权利要求1至5任一项所述的水雾放电与超声协同降解废水处理装置，其特征在于，所述雾化装置的输出端位于放电反应塔的上端的40-50cm处。

8.权利要求4所述水雾放电与超声协同降解废水处理装置的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：当箱式反应器内水位达到预定容量，且箱式反应器内臭氧浓度达到设定的上限时，断开高压脉冲电源，数据采集与控制单元关闭第三阀门、第五阀门和第六阀门，打开第二阀门和第四阀门，启动第一液泵、第一气泵、超声波功率电源，水质分析仪进行实时检测；

步骤二：当箱式反应器内臭氧浓度达到设定的下限，且通过水质分析仪检测到箱式反应器内液体未达排放指标时，数据采集与控制单元停止第一气泵和超声波功率电源，关闭第三阀门和第四阀门，打开第五阀门和第六阀门，启动第一液泵，启动高压脉冲电源，水质分析仪和臭氧浓度检测单元均进行实时检测；

步骤三：当通过水质分析仪检测到箱式反应器内液体达到排放指标时，数据采集与控制单元停止第一液泵、第一气泵、高压脉冲电源和超声波功率电源，关闭第二阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门，打开第一阀门。