CN105293623A - 一种固液气三相水处理反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固液气三相水处理反应器，包括底座、壳体、储水箱、泵组件、阀门组件、数据采集及控制单元、用于产生水下密集气泡流体的扰动装置、设置在壳体内的多个脉冲放电模组及紫外反应模组，脉冲放电模组与紫外反应模组相间设置；壳体的下方设有反应器进气口、反应器进水口及反应器排水口，壳体的上方设有反应器出水口及反应器出气口；数据采集及控制单元输出端连接泵组件、阀门组件、扰动装置的扰动驱动电路、高压脉冲电源、紫外灯电源模组，泵组件及阀门组件在数据采集及控制单元控制下，实现水处理通道的选择和气体的循环。本发明能够处理大流量废水，放电简单，放电区域大，能够有效降低反应活化能，协同提高废水降解的活化反应速率。

Description

一种固液气三相水处理反应器

技术领域

本发明涉及一种反应器，具体涉及一种固液气三相水处理反应器，属于放电等离子体水处理反应器技术领域。

背景技术

现有水下放电反应器大多采用针-针、针-板、多针-板或多针-多针结构，通常直接在水使用高压脉冲激励，产生电晕或电弧放电。使用微波源经过波导管引入谐振腔，直接使用微波在谐振腔内的水中产生放电非常困难。这些放电反应器主要应用于研究水下放电特性。并且存在放电困难、放电区域小、不能处理流动的水、处理效率低和成本高等缺点，也不具备反应物系统的扩散调控功能；使用紫外、臭氧、紫外协同臭氧或紫外-臭氧和催化协同处理水的反应器种类较多，但存在紫外和臭氧利用率低、不能进行流动扩散调控等缺点。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种能够处理大流量废水的固液气三相水处理反应器，放电简单，放电区域大，成本低，能够有效降低反应活化能，协同提高废水降解的活化反应速率。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种固液气三相水处理反应器，包括底座、安装在底座上的壳体、储水箱、泵组件、阀门组件、数据采集及控制单元、用于产生水下密集气泡流体的扰动装置、设置在壳体内的多个脉冲放电模组及紫外反应模组，所述脉冲放电模组与紫外反应模组相间设置；脉冲放电模组包括多孔催化层、嵌于多孔催化层的介质阻挡放电电极阵列、设置在每个介质阻挡放电电极上下层负载催化剂的冲孔网板、与介质阻挡放电电极阵列相连接的高压脉冲电源；紫外反应模组包括多孔催化层、嵌于多孔催化层的多个紫外灯和与紫外灯相连接的紫外灯电源模组；所述紫外灯的周围设有气液流通通道；壳体的下方设有反应器进气口、反应器进水口及反应器排水口，壳体的上方设有反应器出水口及反应器出气口；数据采集及控制单元的输出端连接泵组件、阀门组件、扰动装置的扰动驱动电路、高压脉冲电源、紫外灯电源模组，所述泵组件及阀门组件在数据采集及控制单元的控制下，实现水处理通道的选择和气体的循环。

上述反应器出水口安装有气液分离器；所述阀门组件包括设置在干净水源出水管上的第一阀门、设置在储水箱出水管上的第二阀门、设置在储水箱进水管上的第三阀门、设置在单次处理水出水管上的第四阀门、设置在反应器出气口及气液分离器出气口处的第五阀门、设置在压缩气源进气管道上的第六阀门和设置在排水管上的第七阀门；所述泵组件包括气泵和液压泵；所述干净水源出水管的另一端、储水箱出水管的另一端均与反应器进水口相连接，所述液压泵安装在反应器进水口处；所述储水箱进水管的另一端和单次处理水出水管的另一端均与气液分离器出水口相连接；所述进气管道一端与反应器进气口相连接，另一端与反应器出气口及气液分离器出气口和压缩气源进气管道相连接，所述气泵安装在反应器进气口处。

上述反应器进水口处还设有液体流量计，所述反应器进气口处还设有气体流量计，所述液体流量计及气体流量计的输出端连接数据采集及控制单元的输入端。

上述气液分离器出水口设有气体缓冲器，所述反应器进气口处设有水质分析器，所述气体缓冲器、水质分析器的输出端连接数据采集及控制单元的输入端。

上述扰动装置采用的是超声空化装置，所述超声空化装置包括作为扰动驱动电路的超声电源和安装在壳体底部的超声换能器，所述超声换能器与超声电源相连接，所述超声电源的输入端连接数据采集及控制单元的输出端。

上述扰动装置采用的是机械搅拌装置，所述机械搅拌装置包括设置在壳体底部的调速电机、设置在壳体内的搅拌器和与调速电机输入端相连接作为扰动驱动电路的调速驱动器，所述调速电机的转轴穿过壳体与搅拌器相连接。

上述搅拌器包括与调速电机的转轴相连接的转盘和均匀分布在转盘上的多个搅拌叶片，所述搅拌叶片上设有突起。

上述多孔催化层采用的是负载TiO₂薄膜的石英小球或石英砂。

本发明有益效果如下：在镀有二氧化钛(TiO2)膜的多孔介质内，综合了水下密集气泡介质阻挡放电和大功率感应耦合等离子体(ICP)紫外光源协同处理两种技术，充分利用两种反应器的协同效应提升水处理效率；运用超声空化和机械扰动两种手段，在反应器内建立密集气泡群，为DBD创造有利的放电条件，并构建紫外-超声-臭氧-催化联合的多相催化反应系统，有效降低反应活化能，协同提高废水降解的活化反应速率；通过超声波和机械搅拌等物理扰动，提升气液两相流间的扩散和传质，有效提高扩散反应速率；本发明构建了水下密集气泡介质阻挡放电反应器的谐振激励高压脉冲电路，有利于提高高压脉冲电源的效率。并且，水处理反应器使用可再生的光伏与市电联合供电，有效降低水处理的能耗。

附图说明

图1为本发明的反应器原理图；

图2为本发明的反应器结构示意图；

图3为紫外反应模组结构示意图；

图4为紫外灯放大图(紫外灯周围的气液流通通道为圆形)；

图5为紫外灯放大图(紫外灯周围的气液流通通道为正方形)；

图6为脉冲放电模组结构示意图；

图7为脉冲放电电极结构顶视图；

图8为双频超声换能器实现扰动的结构示意图；

图9为变频超声功率密度调控原理示意图(变频调制信号波形)；

图10为变频超声功率密度调控原理示意图(高-中频超声功率密度调制波)；

图11为电气控制系统的功能框图；

图12为双路超声功率信号发生电路；

图13为压电换能器等效电路(实际等效电路)；

图14为压电换能器等效电路(谐振时的等效电路)；

图15为压电换能器匹配电路(串联电感与并联电容匹配结构)；

图16为压电换能器匹配电路(串联电感T型匹配网结构)；

图17为调速电机和搅拌器结构示意图；

图18为搅拌器结构示意图；

图19为本发明的反应器整体结构示意图；

图20为本发明的气液分离器结构示意图；

图21为本发明的数据采集及控制单元与其他元器件的连接关系图。

图中各标号：底座1、壳体2、储水箱3、液压泵4-1、气泵4-2、第一阀门5-1、第二阀门5-2、第三阀门5-3、第四阀门5-4、第五阀门5-5、第六阀门5-6、第七阀门5-7、扰动驱动电路6-1、超声换能器6-2a、调速电机6-2b、搅拌器6-3b、转盘6-3b-1、搅拌叶片6-3b-2、突起6-3b-3、脉冲放电模组7、高压脉冲电源7-1、介质阻挡放电电极阵列7-2、紫外反应模组8、紫外灯电源模组8-1、紫外灯8-2、气液流通通道8-3、反应器进气口9-1、反应器进水口9-2、反应器排水口9-3、反应器出水口9-4、反应器出气口9-5、气液分离器10、液体流量计11-1、气体流量计11-2、气体缓冲器12、水质分析器13、多孔催化层14。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

(1)整体结构及描述

本发明的整体方案如图1所示，采用脉冲放电、紫外线(UV)、超声(US)与二氧化钛(TiO₂)联合，将反应器内放电和UV光解反应产生的臭氧(O₃)回收循环利用，构建固液气三相混合反应器，并通过调控变频功率超声、高压脉冲放电、感应耦合等离子体(ICP)紫外光源和气体循环利用等单元的参数，使反应器处于理想工作状态，反应器及其电气系统通过光伏和市电联合供电，电磁兼容(EMC)分布式处理单元用于降低电气系统的电磁干扰或提高其电磁免疫性能。图1中，来自光伏能量采集与市电联合供电单元的电能，通过EMC分布式处理单元分别进入高压脉冲电源7-1、ICP大功率UV光源、气体循环利用和变频功率超声等单元，待处理的水从反应器的进水口进入，经处理后从出水口流出。高压脉冲电源7-1、ICP大功率UV光源、气体循环利用和变频功率超声等单元电源供电，变频功率超声，在反应器内提供水下密集气泡，为水下高压脉冲放电创造有利条件。同时，高频超声促进臭氧和水分子的分解为强氧化特性的氧原子(O)和羟基(OH)自由基，低频超声增加气液两相流之间的扩散和传质，增强反应物和生成物在催化剂表面的扩散速率，有效提高反应速率，达到增强处理效率的目的。

本发明在镀有二氧化钛(TiO₂)膜的多孔介质内，分别介质阻挡放电(DBD)电极和大功率感应耦合等离子体(ICP)紫外光源，在镀有二氧化钛(TiO₂)的多孔介质中通入气体(空气或氧气)和待处理的水，运用超声空化和机械扰动两种手段，在反应器内建立密集气泡群，为DBD创造有利的放电条件，并构建固液气三相催化反应系统；本发明，通过超声波和机械搅拌等物理扰动，提升气液两相流间的扩散和传质，有效提高扩散反应速率；综合利用ICP紫外线与氧气作用生成的臭氧等活性物质，构建水下紫外-超声-臭氧-催化联合的多相催化反应系统，有效降低反应活化能，协同提高废水降解的活化反应速率；本发明构建了水下密集气泡介质阻挡放电反应器的谐振激励高压脉冲电路，有利于提高高压脉冲电源的效率；并且，水处理反应器使用可再生的光伏与市电联合供电，有效降低水处理的能耗。

(2)多相催化协同的UV/US/TiO₂/O₃反应器模组

构建如图2所示的紫外线(UV)/超声波(US)/二氧化钛(TiO₂)/臭氧(O₃)协同的固液气三相水处理反应器。底座1作为整体装置的支撑，水和气分别从进水口和进气口进入反应器，经扰动单元将其混合均匀后，依次经过紫外反应模组8和脉冲放电模组7对污水进行处理，经多重的模组处理后，最终将水和气分别从出水口和出气口排出。为加大处理量，可以通过几组反应器并联实现。壳体2的下方设有反应器进气口9-1、反应器进水口9-2及反应器排水口9-3，壳体2的上方设有反应器出水口9-4及反应器出气口9-5。

(3)紫外反应模组8和脉冲放电模组7

3.1多孔催化材料的制成

负载TiO₂薄膜的石英小球或石英砂的制作工艺，石英小球的直径为1.0-4.0mm，将多粒石英小球使用钛酸丁酯(Ti(OC₄H₉)₄)酒精溶液反复浸泡并晾干，在石英小球表面水解生成厚度为50-200nm的钛酸薄膜，然后再将石英小球放在350～400℃的炉内焙烧脱水2小时，形成TiO₂薄膜；或者直接使用粒径为20-200nm，比表面积≥30m2/g的TiO₂水基浆料(七色光科技)，涂覆石英小球形成TiO₂浆料膜，再将石英小球放在350～400℃的炉内焙烧脱水1.5-2.0小时，形成固化的TiO₂薄膜。

如果选用石英砂，则选择粒径为0.2-2.0mm石英砂烧结形成多孔石英砂块，用浸渍提拉法在石英砂上均匀涂敷并烧结形成厚度分别为50-200nm的TiO₂薄膜。其具体做法是，将多孔石英砂块浸入钛酸丁酯(Ti(OC₄H₉)₄)酒精溶液中并慢速向上提拉，并施加流动的空气促进酒精挥发，溶液在石英砂表面水解生成钛酸薄膜。然后再将多孔石英砂块放在350～400℃的炉内焙烧脱水2小时，形成TiO₂薄膜；或者直接使用粒径为20-200nm，比表面积≥30m2/g的TiO₂水基浆料(七色光科技)，将多孔石英砂反复浸入浆料，块形成TiO₂浆料膜，再将多孔石英砂块放在350～400℃的炉内焙烧脱水1.5-2.0小时，形成固化的TiO₂薄膜。

有多孔介质辅助提供气泡，在变频功率超声空化作用下，产生密集气泡，为水下脉冲放电创造有利条件。

3.2紫外反应模组8

参见图3至图5，ICP紫外灯8-2嵌于多孔催化材料，并在其周围形成或圆形或方形的气液流通通道8-3，保证紫外光对流经其周围的气液进行均匀处理，使用本结构的优点主要有以下三点：

1、方形和圆形的灯管都能使多空催化材料受光均匀

2、多级模块化结构，便于拆卸和组装

3、采用多频超声电源，动态产生和筛选小气泡

3.3脉冲放电模组7

图6、图7，脉冲放电反应器模组内的单介质DBD电极阵列，带介质的电极与不带介质的不锈钢呈交错成对排列，石英层间距(放电间隙)为0.5-2.5mm(误差±0.05mm)。带介质层的电极接电源输的高压输出端(HV)，不带介质层的电极接地线(GND)并与被处理的水形成良好的接触。在单介质阻挡放电电极阵列7-2上施加高压脉冲电压使其工作。

(4)处理量计算：

当反应器内的气体和液体在超声空化效应作用下，并处于快速流动时，可以采用“分相流模型”描述放电区域的气液两相流。即：

气相： $\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\α}A\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_g{v}_g\mathrm{\α}A\right)}{\∂r_g}=\mathrm{\δ}m---\left(1\right)$

液相： $\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_l\right(1-\mathrm{\α}\left)A\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ}}_l{v}_l\right(1-\mathrm{\α}\left)A\right)}{\∂r_l}=-\mathrm{\δ}m---\left(2\right)$

上式中A为单位截面积，ρ为密度，α为截面积含气率，r_g＝v_gt为气相位移，v_g为气相平均速度，r_l＝v_lt为液相位移，v_l为液相平均速度，δm为相间质量交换率。

稳定流动时，流体质量为常数，其方程为：

M＝M_g+M_l＝ρA(v_g+v_l)＝const(3)

其中，气相质量M_g＝ρ_gA_gv_g，液相质量M_l＝ρ_lA_lv_l，且M_g≠M_l，用V_g和V_l分别表示空气和水的流量，则流体的平均速度(m/s)表达式为：

气相： $v_g=\frac{V_g}{A_g}=\frac{M_g}{{\mathrm{\ρ}}_g{A}_g}=\frac{G_g}{{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\α}}---\left(4\right)$

液相： $v_l=\frac{V_l}{A_l}=\frac{M_l}{{\mathrm{\ρ}}_l{A}_l}=\frac{G_l}{{\mathrm{\ρ}}_l(1-\mathrm{\α})}---\left(5\right)$

已知反应器内气液两相混合物的体积为C_c，气体流量为V_g，液体流量为V_l。则放电反应空间内的含气率为含液率为

用S_r表示反应器内可通过流体的有效横截面积，则气液两相流穿过反应器的放电区域的流速表达式为：

$v_m=\frac{V_g+V_l}{S_r}---\left(7\right)$

其中有效截面积S_r为：

S_r＝nS＝nL₁L₂(8)

L1、L2为多空催化材料的长和宽，n为通孔系数，取0.2～0.4。单位时间的处理流量表达式为：

V＝v_mS_r(9)

假设流速为1.5m/s，n＝0.3，L1＝L2＝0.4m,则：V＝nSv_m＝0.072m³/s＝259.2m³/h_r。

(5)扰动单元的设计

扰动单元主要有两种方案，分别是双频的超声换能器6-2a和调速电机6-2b来实现水气的均匀混合，接下来分别对其实现方案进行介绍。

5.1双频的超声换能器6-2a实现扰动

参见图8，超声换能器6-2a通过震动来实现是曝气装置曝入的气体变为小的气泡，从而实现水气均匀混合。

5.2气泡的动态产生和筛选：

根据超声空化原理，水中气泡的共振频率是尺寸的函数，外加超声波可以与空泡发生作用。应用如图9、图10所示的变频功率密度调制超声波激励含气液体，动态产生和筛选气泡。研究了密度为ρ的液体中，半径为R_e、比热比为γ(等温条件下γ＝1)、表面张力系数为σ、流体压力为P_h的空泡固有振动频率f_r表达式为：

$f_r=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_e}\sqrt{\frac{3\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ρ}}(P_h+\frac{2\mathrm{\σ}}{R_e})}---\left(10\right)$

使用频率为f_a的超声波激励空泡，当f_a＝f_r时，气泡处于共振状态(不破裂)；当f_a<f_r时,气泡会崩溃；f_a>f_r时,气泡不会崩溃。

参见图11，输入及显示单元与MCU单元连接，用于输入及显示所需要的超声和高压脉冲电源工作参数；MCU在接收到输入单元的指令后，向DDS单元发送用于驱动超声换能器6-2a的信号源，经波形调整和逻辑控制后，分别送入高频和低频超声功放，高频压电换能器(高频换能器)和低频压电换能器(低频换能器)分别与高频功放和低频功放连接；反馈检测电路用于监控超声功放与换能器之间的电参数。

参见图12，DDS1/2作为超声波发生器的初始信号源，使用ADI公司的AD9838、AD5930、AD5932、AD9831、AD9832、AD9837等器件，其输出高速电压比较器A1/A2形成方波，在通过D触发器U2A/U2B构成的二分频电路获得占空比为0.5的方波，与门U1A/U1B在MCU的GP0/GP1控制下，送出图13-14所示的功率密度调制扫频信号，并实现图15-16所示的不同模式的变频功率调制功率密度信号，功率密度信号通过逻辑控制单元UH/UL分别转换为可以驱动全桥逆变电路的4路逻辑信号。端口HL与LR的方波信号同相，端口HR与LL的方波信号同相，HL与HR的方波信号反相；集成电路UD1-UD4为MOSFET/IGBT管(Q1-Q4)构成的全桥电路的驱动芯片，采用IR2186等芯片；全桥逆变器驱动由CP1/CP2和变压器PT1/PT2构成的谐振电路，在变压器的次级产生高压激励信号，变压器的次级连接功率超声换能器6-2a匹配电路及换能器系统。

图13是压电换能器的实际等效电路结构，其中Ld为动态等效电感，Cd为动态等效电容，Rd为动态损耗电阻(由动态机械损耗电阻和能量辐射负载电阻共同构成)，Cs为静态电容。Ld、Cd和Rd构成串联支路，在换能器处于谐振状态时，Ld和Cd上的能量损耗为零，全部电能加载在Rd上。此时，课将换能器等效为图14所示。

图15和图16是本发明采用的两种压电换能器匹配电路网络，图15所示的匹配网络的等效阻抗表达式为：

$Z=\frac{R_d}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{(C_s+C_m)}^2{R_d}^2}+i\&lsqb;{\mathrm{\&omega;L}}_m-\frac{{\mathrm{\&omega;R}}_d^2(C_s+C_m)}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{(C_s+C_m)}^2{R_d}^2}\&rsqb;---\left(11\right)$

激励电源的角频率ω、有功功率电阻R_a、匹配电感电感量L_m和并联匹配电容C_m表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}^2=\frac{1}{L_m\left(C_s+C_m\right)}\&lsqb;\frac{R_d^2\left(C_s+C_m\right)-L_m}{\left(C_s+C_m\right)R_d^2}\&rsqb;\\ R_a=\frac{R_d}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{\left(C_s+C_m\right)}^2{R_d}^2}\\ L_m=\frac{R_d^2\left(C_s+C_m\right)}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{\left(C_s+C_m\right)}^2{R_d}^2}\\ C_m=\frac{\sqrt{R_d/R_a-1}}{{\mathrm{\&omega;R}}_d}-C_s\end{array}\right.---\left(12\right)$

图16所示的串联电感T型匹配网的等效阻抗表达式为：

$Z_3={\mathrm{i\&omega;L}}_m+Z_2=\frac{a}{{(1-{\mathrm{\&omega;C}}_{m}b)}^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{C_m}^2{a}^2}+i\&lsqb;\frac{b-{\mathrm{\&omega;C}}_m{b}^2-{\mathrm{\&omega;C}}_m{a}^2}{{(1-{\mathrm{\&omega;C}}_{m}b)}^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{C_m}^2{a}^2}+{\mathrm{\&omega;L}}_m\&rsqb;---\left(13\right)$

其中， $a=\frac{R_d}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2},b={\mathrm{\&omega;L}}_{m1}-\frac{{\mathrm{\&omega;R}}_d^2{C}_s}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2},L_{m1}=\frac{R_d^2{C}_s}{1+{\left({\mathrm{\&omega;C}}_s{R}_d\right)}^2}.$

激励电源的有功功率电阻R_a和匹配电感电感量L_m的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_a=\frac{\frac{R_d}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}}{{\&lsqb;1-{\mathrm{\&omega;C}}_m\left({\mathrm{\&omega;L}}_{m1}-\frac{{\mathrm{\&omega;R}}_d^2{C}_s}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}\right)\&rsqb;}^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{C_m}^2{\left(\frac{R_d}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}\right)}^2}\\ L_m=\frac{C_m\&lsqb;{\left({\mathrm{\&omega;L}}_{m1}-\frac{{\mathrm{\&omega;R}}_d^2{C}_s}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}\right)}^2+\left(\frac{R_d}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}\right)\&rsqb;-\left({\mathrm{\&omega;L}}_{m1}-\frac{{\mathrm{\&omega;R}}_d^2{C}_s}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}\right)}{{\&lsqb;1-{\mathrm{\&omega;C}}_m\left({\mathrm{\&omega;L}}_{m1}-\frac{{\mathrm{\&omega;R}}_d^2{C}_s}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}\right)\&rsqb;}^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{C_m}^2{\left(\frac{R_d}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2{R}_d^2}\right)}^2}\end{array}\right.---\left(14\right)$

并联匹配电容C_m的值，由有功功率电阻R_a求解。

5.3调速电机6-2b和搅拌器6-3b实现扰动

为了在反应器内部获得均匀而密集的气泡，其调速电机6-2b和搅拌器6-3b的安装图如图17所示。如图18所示将调速搅拌器6-3b安装在放电反应器底部，在搅拌叶片6-3b-2的上方安装微孔曝气装置，图18所示的搅拌器6-3b由3-4个搅拌叶片6-3b-2均匀焊接在与电机转轴连接的转盘6-3b-1上，形成螺旋桨结构。旋转叶片的后边沿带有突起6-3b-3，有助于搅拌叶片6-3b-2旋转时产生气液两相微湍流，在曝气装置和负载催化剂冲孔网板的联合作用下形成水下密集气泡群，促进气液两相之间的相互扩散和流体传质。螺旋桨结构的旋转叶片工作时，促进气液两相从反应器的底部向顶部流动，在放电区域获得处理。

(6)装置整体工作原理介绍

图19是在气-液-固多相流中，构建的UV/US/TiO₂/O₃多相催化水处理反应器结构图。高压脉冲电源7-1与反应器的DBD电极阵列连接，扰动单元与扰动驱动电路6-1连接，紫外灯8-2由ICP电源模组供电。阀门组件V1-V6在数据采集与控制单元的控制下，实现水处理通道的选择。

反应器出水口9-4安装有气液分离器10；所述阀门组件包括设置在干净水源出水管上的第一阀门5-1、设置在储水箱出水管上的第二阀门5-2、设置在储水箱进水管上的第三阀门5-3、设置在单次处理水出水管上的第四阀门5-4、设置在反应器出气口9-5及气液分离器出气口处的第五阀门5-5、设置在压缩气源进气管道上的第六阀门5-6和设置在排水管上的第七阀门5-7；泵组件包括气泵4-2和液压泵4-1；干净水源出水管的另一端、储水箱出水管的另一端均与反应器进水口9-2相连接，液压泵4-1安装在反应器进水口9-2处；储水箱进水管的另一端和单次处理水出水管的另一端均与气液分离器出水口相连接；进气管道一端与反应器进气口9-1相连接，另一端与反应器出气口9-5及气液分离器出气口和压缩气源进气管道相连接，所述气泵4-2安装在反应器进气口9-1处。

气体通过阀门V2在气泵4-2的输送下从反应器的底部进入，需要重复处理的水，经过反应器处理后的水通过气液分离器10后，从阀门V3送入储水箱3，当水存储到一定体积时，打开阀门V2实现水的二次处理。未经过处理的水从阀门V1进入，在液压泵4-1的输送下进入反应器，需要单次处理的水，在经过气液分离器10后不进入储水箱3，从阀门V4流出；水和气体的流量，分别通过液体流量计11-1和气体流量计11-2获取；

水质分析仪检测处理后的水是否达标，从而决定水是否要经过多次循环处理，当需要更换模组或反应器长时间不工作是，可打开阀门V6将反应器中的残存水排出。

(7)气液分离器10的设计

气液分离器10采用不锈钢材料制作，从反应器出水口9-4流出的气液两相流从气液分离器10的气液入口进入，在气液分离室分离成气相和液相，液体水从出水口流出。气体从顶部的出气口流出，并与反应器顶部出气口流出的气体汇聚后，通过阀门V3和气泵4-2组成的通道进入反应器循环使用。

(8)数据采集与控制单元

图20所示为数据采集与控制单元对整体装置的控制。当光伏组件采集到一定量的电能是，反应装置优先采用光伏供电，当光伏组件的电能下降到一定值时，自动采用市电供电，同时数据采集电源对整体装置的用电设备及需要控制的仪器压缩气源、气体缓冲器12、水质分析仪、气体流量计11-2、液体流量计11-1等一起进行统筹协调控制，即装置不同的工作状态则对相对应组件的开闭进行控制，从而实现整体装置的自动化。

(9)高压脉冲电源7-1技术方案

图21所示的高压谐振式高压脉冲电源7-1主体电路中，变压器PT1-PTn初级并联电感与磁开关电感LS串联后与电容Cp形成谐振电路，其谐振频率与图10所示的电源频率fH相等。MS1、MS2和LAD的饱和电感值Ls1、Ls2和Ls3与电容C0、C1、C2和Cr共同构成T型谐振匹配网，在本发明的电路中，取电容C₀＝C₁＝C₂，C₀+C₁+C₂≥C_r；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L_pts之间，应满足L_1usa.≥L_pts≥L_1sat。谐振式全桥逆变磁脉冲高压电源的工作过程描述如下：

当Q1和Q2导通(Q2和Q4关闭)的正半周期，电流从AHV经过Cp、PT1-PTn的初级线圈和LS流向地线，LS从未饱和过度到饱和状态时，初级谐振电路的高压施加到变压器PT1-PTn的初级线圈，在变压器的次级产生高压，对C0充电，并有电流流过MS1。当MS1达到磁饱和时，C0存储的电能向C1充电，依次类推促使MS2达到磁饱和并向C2充电，直到MS1、MS2和LAD均达到磁饱和时，经过压缩的高压脉冲信号向反应器的等效电容Cr充电。此时，MS1、MS2和LAD的饱和电感值Ls1、Ls2和Ls3与电容C0、C1、C2和Cr共同构成T型谐振匹配网，在CR两端产生高压高频谐振，并促使反应器内的气液两相流产生正击穿放电；

当Q2和Q4导通(Q1和Q2关闭)的负半周期，电流从AHV经过LS、PT1-PTn的初级线圈和Cp流向地线，反向电流促使LS反向磁复位，并再次从未饱和过度到饱和状态，初级谐振电路的高压再次施加到变压器PT1-PTn的初级线圈，在变压器的次级产生负电压，对C0-C2和Cr反向充电，并有电流反向流过MS1-MS2和LAD并促使它们反向磁复位。当MS1达到反向磁饱和时，C1存储的电能向C0充电，依次类推直到MS1、MS2和LAD均达到磁饱和时，反应器的等效电容Cr向整个匹配电路网络释放能量。此时，MS1、MS2和LAD的饱和电感值Ls1、Ls2和Ls3与电容C0、C1、C2和Cr共同构成T型谐振匹配网，并促使反应器内的气液两相流产生负击穿放电。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种固液气三相水处理反应器，其特征在于，包括底座(1)、安装在底座(1)上的壳体(2)、储水箱(3)、泵组件、阀门组件、数据采集及控制单元、用于产生水下密集气泡流体的扰动装置、设置在壳体(2)内的多个脉冲放电模组(7)及紫外反应模组(8)，所述脉冲放电模组(7)与紫外反应模组(8)相间设置；

所述脉冲放电模组(7)包括多孔催化层(14)、嵌于多孔催化层(14)的介质阻挡放电电极阵列(7-2)、设置在每个介质阻挡放电电极上下层负载催化剂的冲孔网板、与介质阻挡放电电极阵列(7-2)相连接的高压脉冲电源(7-1)；

所述紫外反应模组(8)包括多孔催化层(14)、嵌于多孔催化层(14)的多个紫外灯(8-2)和与紫外灯(8-2)相连接的紫外灯电源模组(8-1)；所述紫外灯(8-2)的周围设有气液流通通道(8-3)；

所述壳体(2)的下方设有反应器进气口(9-1)、反应器进水口(9-2)及反应器排水口(9-3)，壳体(2)的上方设有反应器出水口(9-4)及反应器出气口(9-5)；

所述数据采集及控制单元的输出端连接泵组件、阀门组件、扰动装置的扰动驱动电路(6-1)、高压脉冲电源(7-1)、紫外灯电源模组(8-1)，所述泵组件及阀门组件在数据采集及控制单元的控制下，实现水处理通道的选择和气体的循环。

2.根据权利要求1所述的固液气三相水处理反应器，其特征在于，所述反应器出水口(9-4)安装有气液分离器(10)；所述阀门组件包括设置在干净水源出水管上的第一阀门(5-1)、设置在储水箱出水管上的第二阀门(5-2)、设置在储水箱进水管上的第三阀门(5-3)、设置在单次处理水出水管上的第四阀门(5-4)、设置在反应器出气口(9-5)及气液分离器出气口处的第五阀门(5-5)、设置在压缩气源进气管道上的第六阀门(5-6)和设置在排水管上的第七阀门(5-7)；所述泵组件包括气泵(4-2)和液压泵(4-1)；所述干净水源出水管的另一端、储水箱出水管的另一端均与反应器进水口(9-2)相连接，所述液压泵(4-1)安装在反应器进水口(9-2)处；所述储水箱进水管的另一端和单次处理水出水管的另一端均与气液分离器出水口相连接；所述进气管道一端与反应器进气口(9-1)相连接，另一端与反应器出气口(9-5)及气液分离器出气口和压缩气源进气管道相连接，所述气泵(4-2)安装在反应器进气口(9-1)处。

3.根据权利要求2所述的固液气三相水处理反应器，其特征在于，所述反应器进水口(9-2)处还设有液体流量计(11-1)，所述反应器进气口(9-1)处还设有气体流量计(11-2)，所述液体流量计(11-1)及气体流量计(11-2)的输出端连接数据采集及控制单元的输入端。

4.根据权利要求2所述的固液气三相水处理反应器，其特征在于，所述气液分离器出水口设有气体缓冲器(12)，所述反应器进气口(9-1)处设有水质分析器(13)，所述气体缓冲器(12)、水质分析器(13)的输出端连接数据采集及控制单元的输入端。

5.根据权利要求1所述的固液气三相水处理反应器，其特征在于，所述扰动装置采用的是超声空化装置，所述超声空化装置包括作为扰动驱动电路(6-1)的超声电源和安装在壳体(2)底部的超声换能器(6-2a)，所述超声换能器(6-2a)与超声电源相连接，所述超声电源的输入端连接数据采集及控制单元的输出端。

6.根据权利要求1所述的固液气三相水处理反应器，其特征在于，所述扰动装置采用的是机械搅拌装置，所述机械搅拌装置包括设置在壳体(2)底部的调速电机(6-2b)、设置在壳体(2)内的搅拌器(6-3b)和与调速电机(6-2b)输入端相连接作为扰动驱动电路(6-1)的调速驱动器，所述调速电机(6-2b)的转轴穿过壳体(2)与搅拌器(6-3b)相连接。

7.根据权利要求6所述的固液气三相水处理反应器，其特征在于，所述搅拌器(6-3b)包括与调速电机(6-2b)的转轴相连接的转盘(6-3b-1)和均匀分布在转盘(6-3b-1)上的多个搅拌叶片(6-3b-2)，所述搅拌叶片(6-3b-2)上设有突起(6-3b-3)。

8.根据权利要求1所述的固液气三相水处理反应器，其特征在于，所述多孔催化层(14)采用的是负载TiO₂薄膜的石英小球或石英砂。