CN105502626B - 一种水力空化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力空化反应器，由反应器前段、反应器中段和反应器后段构成，反应器前段内设置有负压仓，位于负压仓两端的流体射流收缩腔和流体射流扩展腔，以及负压仓上方的氧化剂入口，反应器中段的旋流腔内设有沿反应器轴向旋转的旋流器，反应器后段内垂直于反应器轴向设有表面布置小孔的孔板。本发明水力空化反应器通过一级射流、二级旋流、三级限流的三级空化效应，产生瞬时高温高压直接降解有机物，使常规难以降解的有机污染物实现无害化降解，可应用于任何场合使用的废水处理。

Description

一种水力空化反应器
技术领域
本发明属于废水处理设备技术领域，涉及一种工业废水处理装置中使用的水力空化反应装置，本发明的水力空化反应装置特别适合于高浓度、难降解有机废水的处理。
背景技术
水污染是当前水环境存在的最大问题，尤其是水环境中的持久性难降解有机污染物分布广泛、性质稳定，危害更为严重，如多环芳烃类在大气或水体中经过一系列复杂的反应，可以生成致癌活性或诱变性更强的二次污染物，给人类健康造成更大威胁。高级氧化技术是有效处理这类持久性、难降解有机污染物的有效途径。
目前研究较多的高级氧化技术主要包括：
1) 均相催化氧化法。该法以Fenton试剂法为主，由氧化剂H2O2和催化剂Fe2+或Fe3+组成，Fe2+或Fe3+可加速H2O2分解为·OH自由基，使溶液中的有机污染物被·OH自由基氧化降解。但是此方法需要将pH值调至3～5范围内，不仅操作工艺复杂，而且处理成本较高，难以实现有机废水的规模化处理。
2) 光催化氧化法。TiO2等一些半导体催化剂在紫外光照条件下，与水溶液反应产生·OH自由基，从而氧化分解各种有机污染物。但光催化反应器的设计需要考虑光源、反应器几何形状及两者间的相对位置，存在对光传递的影响，降解速率较低，很难实现工业化，且有时会造成二次污染，产生一些有害的光化物。
3) 湿式催化氧化法。该法是在湿式氧化工艺中加入固体催化剂，构成多相湿式催化氧化过程，以强化废水中的有毒有机物降解，但是所用的固体催化剂成本较高，且存在催化剂容易失活和难于回收的问题。
4) 其他催化氧化法。近几年，国内外学者开展了超声空化以及超声空化与其他技术联合降解污水中有机污染物的研究，其机理是利用超声空化效应形成高能条件或强化其他氧化技术，产生大量的·OH自由基氧化降解有机污染物。然而，超声空化的能量效率很低，空化效应只能在声源附近较小的范围内产生，很难进行大规模废水处理。
总体而言，以上高级氧化技术都能有效降解一些常规方法难以降解的有机污染物，但经济效益和环境效益较差。
水力空化技术是一种利用空化释放的能量对化学反应过程进行强化的新的能量利用方法。在水力空化过程中，流体空化产生的空泡在液体中运动和溃灭时产生局部高温(泡内热点温度为4700～5700K，泡壁温度约为1900K)、高压(泡内压力50MPa以上)、冲击波、高速射流等极端物理条件，这样的极端条件足以使水分子分解为·OH和·H，并足以打开结合力强的分子化学键，从而使空泡内的水蒸气、溶解气体和易挥发溶质蒸气被热解，使在一般条件下难以实现的化学反应得以实现，使常规难以降解的有机污染物实现无害化降解。因此，水力空化具有设计操作简单、低能耗、少污染或无污染，处理量大、易于由实验放大到工业化等优点。
但是，目前常规的水力空化反应器均只具有单一的文丘里管或孔板式空化器，这种简单的空化结构所产生的·OH较少，空化效应较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能耗低、操作简单、易于工业化的用于废水处理的水力空化反应器。
本发明所述的水力空化反应器由反应器前段、反应器中段和反应器后段构成，在反应器前段设置有流体进口，反应器后段设置有流体出口。
在反应器前段内设置有负压仓，以及位于负压仓两端的流体射流收缩腔和流体射流扩展腔，所述流体射流收缩腔和流体射流扩展腔的收缩口端分别与负压仓连通，流体射流收缩腔的扩张口端连接流体进口，在负压仓的上方设置有氧化剂入口。
反应器中段内设有旋流腔，所述旋流腔的前端与流体射流扩展腔的扩张口端连通，在旋流腔内设置有支撑底座，旋流器通过固定套固定在所述支撑底座上，在旋流腔内沿反应器轴向旋转。
在反应器后段内垂直于反应器轴向设置有孔板，在所述孔板的表面布置有小孔，孔板后端与流体出口连通。
其中，所述旋流器由不少于三个的螺旋搅拌叶轮组成，在所述螺旋搅拌叶轮的末端设置有垂直向下的弯折板作为桨叶段。
优选地，本发明所述弯折板具有波浪形曲面。
本发明中，所述孔板上布置的小孔孔径不大于5mm，所述小孔以均匀分布、辐射分布或环状分布等排布方式分布在所述孔板上。
本发明所述的水力空化反应器可以是反应器前段与反应器中段一体设置，反应器后段连接在所述反应器中段上。
进一步地，本发明所述水力空化反应器的反应器后段与反应器中段通过法兰连接，且所述孔板放置在连接法兰处。
本发明水力空化反应器的上述结构，使得流体在空化反应器内形成一个大范围的空化强化场，流体通过空化反应器时，形成了一级射流、二级旋流、三级限流的三级空化效应，产生瞬时的高温高压，极大的强化了反应器内空化泡的形成、发展和溃灭过程，从而在反应器内产生大量的·OH和·H，足以打开结合力强的分子化学键，可以使空泡内的流体蒸气、溶解气体和易挥发溶质蒸气都可能被热解，不仅直接降解有机物，甚至是分子水平上的将有机物大分子“撕裂”， 使流体分子及其他分子发生分裂及链式反应，从而能使在一般条件下难以实现的化学反应得以实现，使常规难以降解的有机污染物实现无害化降解。
本发明的水力空化反应器还在反应器前段设置了引入氧化剂的入口，在水力空化的极端条件下，强化了氧化剂与有机污染物分子的反应过程，进一步提高了废水的处理效率。
本发明的水力空化反应器可以应用于任何场合使用的废水处理装置，特别是适合于流量小、浓度高、难降解有机废水的净化处理，通过废水在水利空化反应器内的循环流动，对废水进行重复多次的处理，直至达到排放要求，具有处理能耗低、操作简单、易于工业化的优势。
附图说明
图1是本发明水力空化反应器的结构示意图。
图2是图1中旋流器的结构示意图。
图3是图1中孔板的结构示意图。
具体实施方式
水力空化反应器的具体结构如图1所示，由反应器前段、反应器中段和反应器后段三部分构成，其中反应器前段与反应器中段一体设置，反应器后段与反应器中段通过法兰110连接。在反应器前段上设置有流体进口101，反应器后段上设置有流体出口113。
反应器前段内设置有流体射流收缩腔102、负压仓103和流体射流扩展腔105，流体射流收缩腔102的扩张口端连接流体进口101，收缩口端与负压仓103连通，负压仓103的另一端连接流体射流扩展腔105的收缩口端，流体射流扩展腔105扩张口端连接反应器中段，在负压仓103的上方设置有氧化剂入口104。
反应器中段内设有旋流腔106，所述旋流腔106的前端与流体射流扩展腔105的扩张口端连通，在旋流腔106内设置有支撑底座109，旋流器107通过固定套108固定在所述支撑底座109上，在旋流腔106内沿反应器轴向旋转。
旋流器107的结构如图2所示，由4个螺旋搅拌叶轮1071组成，在螺旋搅拌叶轮1071的末端设置有垂直向下的弯折板1072作为桨叶段，弯折板1072具有波浪形曲面。
反应器后段内，连接法兰110处，垂直于反应器轴向设置有环状的孔板112，如图3所示，在所述孔板112的表面呈均匀分布布置有孔径不大于5mm的小孔111。孔板112后端与流体出口113连通。
前期预处理的废水通过水泵并由流量控制阀控制，从流体进口101泵入水力空化反应器中，经流体射流收缩腔102形成射流，流体的流速提高，压强减小，产生空化效应，同时使负压仓103产生负压，将氧化剂通过氧化剂入口104引入，与废水充分混合，一起通过流体射流扩展腔105，促进有机物的氧化反应发生；经过一级处理的废水进入旋流腔106，通过旋流器107高速旋转产生的剪切力作用发生空化作用，进一步强化废水的空化效果；最后通过孔板112的限流作用再次发生空化；经过上述多形式的空化作用，产生高温、高压、高湍流以及高射流的极端条件，将废水中常规难以降解的有机污染物无害化降解。同时将废水在水力空化反应器内反复循环，进行多次空化处理，直至处理废水达到排放要求。

Claims (7)

1.一种水力空化反应器，由反应器前段、反应器中段和反应器后段连接构成，在反应器前段设置有流体进口，反应器后段设置有流体出口；其特征是：
在反应器前段内设置有负压仓，以及位于负压仓两端的流体射流收缩腔和流体射流扩展腔，所述流体射流收缩腔和流体射流扩展腔的收缩口端分别与负压仓连通，流体射流收缩腔的扩张口端连接流体进口，在负压仓的上方设置有氧化剂入口；
反应器中段内设有旋流腔，所述旋流腔的前端与流体射流扩展腔的扩张口端连通，在旋流腔内设置有支撑底座，旋流器通过固定套固定在所述支撑底座上，在旋流腔内沿反应器轴向旋转；
在反应器后段内垂直于反应器轴向设置有孔板，在所述孔板的表面布置有小孔，孔板后端与流体出口连通。
2.根据权利要求1所述的水力空化反应器，其特征是所述旋流器由不少于三个的螺旋搅拌叶轮组成，在所述螺旋搅拌叶轮的末端设置有垂直向下的弯折板。
3.根据权利要求2所述的水力空化反应器，其特征是所述弯折板具有波浪形曲面。
4.根据权利要求1所述的水力空化反应器，其特征是所述孔板上布置的小孔孔径不大于5mm。
5.根据权利要求1或4所述的水力空化反应器，其特征是所述小孔以均匀分布、辐射分布或环状分布的排布方式分布在所述孔板上。
6.根据权利要求1所述的水力空化反应器，其特征是所述反应器前段与反应器中段一体设置，反应器后段连接在所述反应器中段上。
7.根据权利要求6所述的水力空化反应器，其特征是所述反应器后段与反应器中段通过法兰连接，所述孔板放置在连接法兰处。
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