CN103754994A - 辉光放电等离子体水处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了辉光放电等离子体水处理方法，包括以下步骤：待处理污水经过机械处理后，在污水表面放置同电位的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，水表面电极接在电源的正极或负极上；污水中放置有与电源负极或正极连接的水中电极，水中电极为裸露的导体材料；水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，接通电源，达到起始放电电压后，会在前述间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。本发明还针对等离子体水处理方法，提供了相应的等离子体水处理装置。本发明适用于各种水处理，同时可以去除废水中微生物、细菌，并能除去废水散发出的异味。

Description

辉光放电等离子体水处理方法及装置

技术领域

本发明属于废水处理技术和纯净水净化领域，具体涉及一种辉光放电等离子体水处理方法，本发明还涉及辉光放电等离子体水表面处理的反应装置。

背景技术

随着我国工业化和城市化的快速推进，废水种类和数目增加迅猛，对水体环境污染的压力加重，并威胁生态安全和居民健康。现阶段工业废水类型复杂，主要由冶金废水、发电厂废水、造纸废水、炼焦煤气废水、化肥废水、纺织印染废水等组成，废水中主要含有亚硝酸盐、酸性物质、苯、苯的衍生物、氰化物等。实际上，工业生产的过程可以排出不同性质的废水，也就是说一种废水可能含有不同的污染物和不同的污染效应；即使一套生产装置排出的废水，也可能含有几种污染物。同样，在不同的工业企业，虽然产品、原料和加工过程截然不同，也可能排出性质类似的废水。这就需要多种废水处理方式共同作用于工业废水中。

同时，在我国的一些地方和城市，由于我国实行不同的废水排放标准和水质标准，达标排放的工业废水中仍含有一定浓度的难处理的污染物，需要进一步深化处理。工业废水处理后的达标排放废水主要排入市政管网，由城市污水处理厂进行深度处理。

现阶段，传统的污水处理工艺主要分三级：一级处理：通过机械处理，如格栅、沉淀或气浮，去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、油脂等。二级处理：生物处理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。三级处理：污水的深度处理，它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。

在处理污水的过程中，当所需要处理的污水COD<300时，一般采用活性污泥法或者生物膜法，处理效果好，适应于净化程度高和稳定程度较高的污水。但这些方法存在耗能高、脱氮除磷效果不太理想，费用高等不足。当处理稍高浓度污水COD300～800时，一般采用厌氧生化法，能耗低，有杀菌作用等优势，但是应该强调，厌氧处理低浓度污水反应速度慢，生物增长量低，反应时间长等缺点。处理更高浓度的污水COD>800时，一般都是工厂排放出来具有一定特征的废水，需要采用物化法处理，能够定向快速的处理废水液体中的污染物，多种方法结合共同作用于工业废水。该方法存在处理工艺繁琐，费用大，容易造成二次污染等缺点。

在饮用水处理方面，主要采用传统的混凝、过滤、消毒等自来水工艺，去除水中的悬浮物、浊度、色度，对溶解性有机物去除有机物能力相对不足，而且加氯消毒本身还形成了“三致物质”(致癌、致畸、致突变)，而且加氯消毒本身还形成了直接影响饮用者的身体健康。因此，开发能够具有快速有效、无二次污染、费用低、能耗低等特点的废水处理技术，即等离子体水处理的技术成为近年来研究的热点。其中等离子体技术对废水的深度处理能够同时对废水中难以去除的有机污染物、微生物等进行降解处理，被认为是最具发展前景的废水处理技术。

等离子体水处理的方法主要采用水中通入气泡，或者空气中将待处理液体雾化，或者等离子体射流到液体表面等处理方式，主要采用的电极结构为针-板电极结构，棒-板电极，板-板电极，柱-环电极等电极结构。在气体环境内，即水中的气泡或者在空气环境内，放电电极发生放电，在气体环境内产生大量的等离子体和活性粒子，分别通过气泡的内外压强不同使气泡破裂，使活性粒子作用于废水中，或者在气体中（稀有气体或者空气等）产生等离子体和活性粒子，直接作用于雾滴表面或者液体表面。将废水中难降解的有机污染物氧化降解成无毒的小分子物质，达到无害化目的，具有处理范围广、效率高、净化速率快且彻底、不产生二次污染等特点。

目前的等离子体水处理方法中，存在着一些问题：1、普遍存在放电电压高，放电功率大；2、普遍采用曝气装置，或者雾化装置，增加的运行费用，同时所产生的气泡和雾滴与生成的等离子体接触的面积小，也就是说生成的等离子体和活性粒子利用率低；3、普遍存在放电电极的腐蚀严重；4、处理效率较低；5、有些反应需要营造特殊的气体环境（如Ne、He等稀有气体），提高造价和运行成本。因此，开发能够适应不同种类的工业废水的条件下，放电电压低、占地面积小、放电电源效率高、成本低的等离子体水处理方法，成为废水处理技术研发的重要方向之一。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的等离子体水处理方法中的放电电压高、功率损耗大等问题，提供一种放电电压低、处理效率高的等离子体水处理方法；本发明的另外一个目的是提供一种结构简单、效率高、放电电压低的等离子体水处理装置，用以解决现有的等离子体水处理装置结构复杂、效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种辉光放电等离子体水处理方法，包括以下步骤：

待处理污水经过机械处理后，在污水表面放置同电位的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，水表面电极接在电源的正极或负极上；

污水中放置有与电源负极或正极连接的水中电极，水中电极为裸露的导体材料；

水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，接通电源，达到起始放电电压后，会在前述间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

本发明针对上述处理方法，还提供了一种辉光放电等离子体水处理方法的水处理装置，包括一容器，容器有进口和出口，容器内的污水中设有水中电极，水中电极通过引线与容器外的电源的负极或正极连接，水中电极为裸露的板状导体材料；所述容器内的污水表面放置同电位的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，水表面电极通过引线与容器外的电源的正极或负极连接；其中，水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，通电后，间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

等离子体水处理装置的进一步的优选方案是：所述的水表面电极设置在由介质板和绝缘支撑架构成的框架内；所述的板状水中电极的一端固定在容器壁上，另一端与另一侧的容器壁间隔成形有折返口；所述的框架与水中电极在容器内从上至下依次镜像对称重复设置，使得折返口在容器内从上至下呈交替设置，最后的折返口与容器出口连通。所述的水中电极位于折返口的一端连接有挡板。所述挡板为倾斜设置，挡板的垂直高度保证流经水中电极的污水液面高度与水表面电极直接接触。

本发明还提供了另外一种辉光放电等离子体水处理方法，包括以下步骤：

待处理污水经过机械处理后，在污水表面放置有平行排列的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，平行排列的水表面电极以交替的方式，分别连接在电源的正极或负极上；

水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，接通电源，达到起始放电电压后，会在前述间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

关于本发明的另外一种等离子体水处理方法，本发明还提供了相应的水处理装置，包括一容器，容器有进口和出口，容器内的污水表面放置有平行排列的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，平行排列的水表面电极通过引线以交替的方式，分别与容器外的电源的正极或负极连接；其中，水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，通电后，间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

进一步的优选技术方案是：所述的水表面电极设置在由介质板和绝缘支撑架构成的框架内；所述的框架的一端固定在容器壁上，另一端与另一侧的容器壁间隔成形有折返口；所述的框架在容器内从上至下依次镜像对称重复设置，使得折返口在容器内从上至下呈交替设置，最后的折返口与容器出口连通。所述的框架位于折返口的一端连接有挡板。所述挡板为倾斜设置，挡板的垂直高度保证流经的污水液面高度与水表面电极直接接触。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的等离子体水处理装置不需要设置专门的气体出入口，并在大气压，空气中利用水表面电极与液面所形成的小的气体间隙，在很低的放电电压的放电条件下产生放电，形成大量的等离子体，并且待处理的液体是连续通入等离子体水处理装置中，水处理能力强，处理效率高；

（2）本发明装置，取消了现有技术中的曝气头、雾化装置等装置，不需要在增加其他的附加装置，并将等离子体水处理装置内的放电电极结构做成单元式结构，这样结构大大减化；

（3）等离子体水处理装置中放电电极单元，主要由多根水表面放电电极与水中放电电极、或者多根水表面放电电极作为一组放电电极单元结构，这样可以增加处理效果，从而加强了等离子体和活性粒子对水体杂质的降解作用；

（4）等离子体放电电极采用介质阻挡的形式，等离子体的产生过程中不易被腐蚀，同时在辉光放电中产生大面积的紫外光的作用下，增大了等离子体和活性粒子与待处理液体的接触面积，加强了等离子体处理效果；

本发明适用于各种水处理，尤其能够处理含有多种高浓度、高难度的降解的有毒有害有机污染物和高浓度含重金属离子的污水，同时可以去除废水中微生物、细菌等，并能除去废水散发出的异味。例如含氰含铬污水、染料污水、活性染料污水等，等离子体可以有效地将待处理液体中的有机大分子污染物断键、取代等，如去除羟基或者其他小分子基团，导致大分子集团带上静电电荷，从而使大分子物质变成小分子物质或者易于分离的物质；同时使重金属离子转化为氢氧化合物，如钙、镁、铝离子等转化为氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化铝等，这些物质均为水中的不溶解物质或者水中的絮凝剂，达到了与水体分离的目的。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明的基本结构原理图；

图2为图1的横截面示意图；

图3为单个水表面电极放大结构示意图；

图4为本发明实施例1的等离子体水处理装置的总体结构示意图；

图5为图4中单个等离子放电单元的截面图；

图6为图4中单个等离子放电电极的放电示意图；

图7为本发明提供的另一种等离子体水处理方法的示意图；

图8为本发明提供的另一种等离子体水处理装置的总体结构示意图；

图9为本发明图8中单个等离子放电单元的截面图；

图10为本发明图8中单个等离子放电电极的放电示意图；

图11为本发明单根水表面电极产生的辉光放电效果图；

图12为本发明多根水表面电极产生的辉光放电效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

图1为本发明的基本结构示意图，图2为图1的横截面结构示意图，图3为单个水表面电极放大结构示意图，结合图1、图2以及图3对本发明的辉光放电等离子体水处理方法进行说明如下，包括以下步骤：

待处理污水经过机械处理后，在污水表面放置同电位的水表面电极b1，水表面电极为圆柱形，外包裹有绝缘介质，水表面电极b1接在电源的正极或负极上；水表面电极b1和水中电极b2均与绝缘固定装置b6相连接，水中电极b2通过绝缘固定装置b6中的孔中引出电线b3和水表面电极b1与电线b3连接，电源b5外壳装有接线柱b4，电线b3与接线柱b4连接。

污水中放置有与电源负极或正极连接的水中电极b2，水中电极b2为裸露的导体材料；

如图3所示，水表面电极b1与污水直接接触，水表面电极b1的外表面与水面形成有间隙b7、b8，接通电源，将电压调至3kV-5kV之间，达到起始放电电压后，会在前述间隙内b7、b8产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

上述水处理的方法，可以用于大型的污水处理，进行大面积污水处理，可以在静止的污水表面进行处理，也可以在污水池开设进口和出口，水表面电极b1和水中电极b2，组成一个阵列的形式，待处理的污水从水表面电极b1的一端流入，顺着水表面电极b1的方向流出。

实施例2：

在实施例1的基础上，本发明提供了一种采用实施例1的方法的等离子体水处理装置，如图4所示出的，本实施例的等离子体水处理装置包括容器3，容器3上设置进水口1及出水口2，容器3内的污水中设有水中电极12，水中电极12为裸露的板状导体材料；容器内3的污水表面放置同电位的水表面电极7，水表面电极7为圆柱形，外包裹有绝缘介质，水表面电极7与污水直接接触，水表面电极7的外表面与水面形成有间隙，通电后，间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

水表面电极7设置在由绝缘介质板8和绝缘支撑架9和10构成的框架内，并在支撑架9上连接有一个倾斜设置的绝缘介质挡板11；板状水中电极11的一端固定在容器3的壁上，另一端与另一侧的容器壁间隔成形有折返口21；框架与水中电极12在容器3内从上至下依次镜像对称重复设置，使得折返口21在容器3内从上至下呈交替设置，最后的折返口21与容器出口2连通。挡板11的垂直高度保证流经水中电极12的污水液面高度与水表面电极7直接接触。水表面电极7与接线柱13连接，水中电极12与接线柱22连接，接线柱13和22中均有包裹住绝缘介质，容器3外表面有一对接线柱4，接线柱4分别与容器3内部的接线柱13和22连接，通过电线6与电源5连接。电源5外接220V或者380V工频交流电，电源5提供放电电极两端的电压为2kV以上，频率为1kHz-50kHz，施加的电压达到放电电极起始放电电压后，均能够产生辉光放电。

见图5，等离子体放电电极单元结构横截面图，水表面电极7包括绝缘介质17和导电介质16，绝缘介质17包裹住导电介质16，水表面电极上方放有绝缘介质板8，绝缘介质17和水表面电极上方绝缘板8均采用绝缘材料，如聚四氟乙烯、聚乙烯、陶瓷、玻璃等；导电介质16和水中电极12采用的导电材料，如铜、铝等；

见图6，等离子体放电电极单一结构，水表面电极7与液面15形成狭小的气体间隙19和20；

水表面电极7与水中电极12之间的垂直间距在1-10毫米，3毫米为最佳；在电源5提供最低2kV的电压的作用下，水表面电极7与液面15形成的狭小的气体间隙19和20内产生大面积的发光区域，形成大量的等离子体和活性粒子作用于污水表面。

实施例3：

图7为本发明提供的另一种等离子体水处理方法的示意图；参照图7，本发明提供的另一种辉光放电等离子体水处理方法，包括以下步骤：

待处理污水经过机械处理后，在污水表面放置有平行排列的水表面电极a7，水表面电极a7为圆柱形，外包裹有绝缘介质，平行排列的水表面电极a7以交替的方式，分别连接在电源的正极或负极上；水表面电极a7与污水直接接触，水表面电极a7的外表面与水面形成有间隙，接通电源，将电压调至3kV-5kV之间，达到起始放电电压后，会在前述间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

本实施例的方法与实施例1的区别在于，取消了水中电极的设置，将水表面电极的同电位设置修改为正、负极的交替设置。

实施例4：

参照附图8，针对实施例3的等离子体水处理方法，本发明提供了另外一种相应的水处理装置，包括一容器a3，容器a3有进口a1和出口a2，容器a3内的污水表面放置有平行排列的水表面电极a7，水表面电极a7为圆柱形，外包裹有绝缘介质，平行排列的水表面a7电极通过引线以交替的方式，分别与容器外的电源的正极或负极连接；水表面电极a7相邻的两根电极的电位相互交错，分别用电线a13接到接线柱a22和a26，接线柱a22和a26中包裹绝缘介质，接线柱a22和a26分别与等离子体反应器外壳a3上的接线柱a4，通过电线a6与电源a5连接。电源a5外接220V或者380V工频交流电，电源a5提供放电电极两端的电压为2kV以上，频率为1kHz-50kHz，施加的电压达到放电电极起始放电电压后，均能够产生辉光放电。

其中，水表面电极a7与污水直接接触，水表面电极a7的外表面与水面形成有间隙，如图10所示，水表面电极a7与液面a23所形成的狭小的气体间隙a18、a19、a20；通电后，间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

水表面电极a7设置在由绝缘介质板a8和绝缘支撑架a9和a10构成的框架内；框架的一端固定在容器壁上，另一端与另一侧的容器壁间隔成形有折返口a24；框架在容器a3内从上至下依次镜像对称重复设置，使得折返口a24在容器内从上至下呈交替设置，最后的折返口a24与容器出口a2连通。框架位于折返口a24的一端连接有倾斜设置的挡板a11，挡板a11的垂直高度保证流经的污水液面高度与水表面电极a7直接接触。

见图9，等离子体放电电极单元结构，水表面电极a7包括绝缘介质a17和导电介质a16，水表面电极上方的绝缘介质板a8，绝缘介质a17和水表面电极上方绝缘层a8采用绝缘材料，如聚四氟乙烯、聚乙烯、陶瓷、玻璃等；导电介质a16采用的导电材料，如铜、铝等。

水表面电极a7之间的水平间距在0-10毫米，3毫米为最佳；在电源a5提供的最低2kV电压的作用下，水表面电极a7与液面a23形成的气体间隙a18、a19、a20内产生大面积的放电区域，生成大量的等离子体和活性粒子，作用于污水表面。

实施例2和实施例4两种等离子体水处理装置，区别在于，主要在于相对位置的变化，实施例2中等离子体放电电极分别放置在水中和水的表面，两个电极由水间隔不直接接触，同时放电电压较低，在3kV-4kV之间产生放电，但是水中电极不产生放电现象；而实施例4中等离子体放电电极均为水表面电极，两个电极均放在水的表面，放电电压在4kV-5kV之间，每个电极均有放电现象。

图11为本发明单根水表面电极产生的辉光放电效果图；

单根水表面电极会在所形成的气体间隙内产生辉光放电，并在该间隙内形成发光区域。

图12为本发明多根水表面电极产生的辉光放电效果图；

多根水表面电极会在所形成的气体间隙内产生辉光放电，并形成大面积稳定的发光区域。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种辉光放电等离子体水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

待处理污水经过机械处理后，在污水表面放置同电位的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，水表面电极接在电源的正极或负极上；

污水中放置有与电源负极或正极连接的水中电极，水中电极为裸露的导体材料；

水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，接通电源，达到起始放电电压后，会在前述间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

2.一种应用权利要求1所述的辉光放电等离子体水处理方法的水处理装置，包括一容器，容器有进口和出口，其特征在于，所述容器内的污水中设有水中电极，水中电极通过引线与容器外的电源的负极或正极连接，水中电极为裸露的板状导体材料；

所述容器内的污水表面放置同电位的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，水表面电极通过引线与容器外的电源的正极或负极连接；

其中，水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，通电后，间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

3.根据权利要求2所述的水处理装置，其特征在于，所述的水表面电极设置在由介质板和绝缘支撑架构成的框架内；

所述的板状水中电极的一端固定在容器壁上，另一端与另一侧的容器壁间隔成形有折返口；

所述的框架与水中电极在容器内从上至下依次镜像对称重复设置，使得折返口在容器内从上至下呈交替设置，最后的折返口与容器出口连通。

4.根据权利要求3所述的水处理装置，其特征在于，所述的水中电极位于折返口的一端连接有挡板。

5.根据权利要求4所述的水处理装置，其特征在于，所述挡板为倾斜设置，挡板的垂直高度保证流经水中电极的污水液面高度与水表面电极直接接触。

6.一种辉光放电等离子体水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

待处理污水经过机械处理后，在污水表面放置有平行排列的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，平行排列的水表面电极以交替的方式，分别连接在电源的正极或负极上；

水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，接通电源，达到起始放电电压后，会在前述间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

7.一种应用权利要求6所述的辉光放电等离子体水处理方法的水处理装置，包括一容器，容器有进口和出口，其特征在于，所述容器内的污水表面放置有平行排列的水表面电极，水表面电极为柱形，外包裹有绝缘介质，平行排列的水表面电极通过引线以交替的方式，分别与容器外的电源的正极或负极连接；

其中，水表面电极与污水直接接触，水表面电极的外表面与水面形成有间隙，通电后，间隙内产生辉光放电，生成等离子体和活性粒子，利用等离子体和活性粒子对污水进行深度处理。

8.根据权利要求7所述的水处理装置，其特征在于，所述的水表面电极设置在由介质板和绝缘支撑架构成的框架内；所述的框架的一端固定在容器壁上，另一端与另一侧的容器壁间隔成形有折返口；

所述的框架在容器内从上至下依次镜像对称重复设置，使得折返口在容器内从上至下呈交替设置，最后的折返口与容器出口连通。

9.根据权利要求8所述的水处理装置，其特征在于，所述的框架位于折返口的一端连接有挡板。

10.根据权利要求9所述的水处理装置，其特征在于，所述挡板为倾斜设置，挡板的垂直高度保证流经的污水液面高度与水表面电极直接接触。

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