CN105858862B - 一种臭氧与壅塞空化协同的污水处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及一种污水处理装置。一种臭氧与壅塞空化协同的污水处理装置，其特征在于包括水接头、中间体、壅塞体和背压罩，中间体和壅塞体配合形成环形喷嘴，壅塞体和被压罩配合形成溃灭腔，壅塞体中间的通孔形成壅塞管，中间体的径向孔形成臭氧接口和轴向孔形成臭氧喷嘴，背压罩的径向孔形成背压孔。壅塞空化器利用其特殊流场产生的真空区域抽入臭氧，臭氧气泡通过壅塞截面后溃灭成大量的微小气泡，大大增加臭氧与污水的接触面积，从而提高污水处理能力和臭氧的利用率。与已有技术相比，该技术具有工艺流程简单，操作方便，臭氧利用率高，成本低等特点。

Description

一种臭氧与壅塞空化协同的污水处理装置
技术领域
本发明专利涉及一种污水处理装置，具体提供了一种臭氧与壅塞空化协同的污水处理装置。
背景技术
目前，常规的污水处理技术对一些难降解有毒污水的处理还达不到经济和效率上的需要。水力空化作为一种新型污水处理技术，因其装置简单、处理成本低、工作环境要求低等特点，成为人们关注的新技术，但是对水力空化处理污水技术的研究还处于探索阶段，目前还达不到工业应用的要求。
臭氧是一种强氧化剂，比普遍用于自来水消毒的氯的氧化能力强5.1倍，杀菌能力也比氯强600～3000倍。臭氧对有机物的氧化机理分为直接氧化和生成羟自由基的间接氧化。臭氧对不饱和芳香族化合物、不饱和脂肪族化合物及一些特殊的官能团具有直接氧化作用，臭氧分子可以直接加成到有机物分子的不饱和键，旧键断裂，生成羧基及羰基化合物。臭氧直接氧化的适应性不如可发生链式传递的直接氧化，但是当溶液中的成分抑制自由基产生时，溶液中发生的化学反应以臭氧直接氧化为主。在传统的臭氧处理技术中，臭氧利用率一般在20%左右，臭氧利用率还有很大的提升空间。
利用水力空化协同臭氧处理污水，空化效应产生的微射流与高温、高压环境不仅可以促进臭氧与污水的接触面积，还能有益于拥有更强氧化能力的羟自由基的生成。但是由于常用的孔板空化、射流空化、涡旋空化等技术本身空化效果的局限性，使得空化效应与臭氧的协同效应没有充分体现。依据水力空化理论和气液两相流壅塞原理设计的臭氧与壅塞空化协同处理污水的装置，提升了装置的处理能力和臭氧利用率，降低了臭氧处理污水处理的成本。
发明内容
本发明提供的一种臭氧与壅塞空化协同处理污水的装置，其特征在于包括水接头1、中间体2、壅塞体3和背压罩4，中间体2和壅塞体3配合形成环形喷嘴A，壅塞体3和被压罩4配合形成溃灭腔C，壅塞体3中间的通孔形成壅塞管B，中间体2的径向孔形成臭氧接口E和轴向孔形成臭氧喷嘴F，背压罩4的径向孔形成背压孔G。见图1和图2.
本发明提供的一种臭氧与壅塞空化协同的污水处理装置，其特征还在于环形喷嘴（A）的当量直径为d，壅塞管（B）的直径D为（2～10）d，长度为(3~10)D，背压罩（4）上的背压孔（5）的当量直径为（1～5）d。
如图1所示，本装置的水流从水接头1接入经环形喷嘴A射入壅塞管B，在壅塞管B中形成真空区域，利用真空区域与外部的压差通过臭氧接口E和臭氧喷嘴F吸入臭氧，大量的充满臭氧的气泡随着流体在壅塞管B中流动，管内气相含量快速增加，当地音速急剧下降。在壅塞管下游的某断面处出现当地马赫数Ma=1的工况时，就会出现气液两相流“壅塞”现象，这个截面也叫壅塞截面。根据气液两相临界流理论，在一定的背压（通过背压孔G直径的变化调节）下，壅塞截面下游的流场压力变化不会影响上游流场的压力。壅塞截面相当于一扇天然的闸门，把管内流场分为了两个区域。壅塞截面上游的低压区有利于臭氧的吸入，下游的高压区有利于气泡的溃灭。当臭氧泡通过壅塞界面时，臭氧泡得到有效溃灭。大泡溃灭成了大量的微小直径臭氧泡，大大增加了臭氧泡的表面积，使得臭氧与污水的接触面积大幅增加，提高了臭氧分子与被处理物质分子之间的接触概率，同时，空泡溃灭时特殊的物理化学环境有利于臭氧转化为羟自由基。通过壅塞空化器在壅塞管内产生的特殊流场，该装置能够在不添加其他设备（如射流器等）的情况具有自吸臭氧的能力。因此，利用本发明提供的臭氧与壅塞空化协同处理污水技术，可有效提高设备的污水处理能力和臭氧利用率，降低污水处理成本。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
（1）壅塞空化与臭氧协同处理污水装置简单、能耗小、维护成本低；
（2）壅塞空化与臭氧协同处理污水装置利用壅塞现象，当臭氧通过壅塞截面时能得到有效溃灭，致使臭氧气泡表面积大大增加；
（3）不需要添加其他辅助设备（如射流器等），壅塞管内的特殊流场本身就能吸入臭氧；
（4）壅塞空化与臭氧协同处理污水装置对污水的适应性强，对一些难降解有毒的有机物有很好的降解作用。
附图说明：
图1为装置结构示意图；
图2为装置中间体示意图；
图3为试验系统示意图。其中11为离心泵，12、18为压力表，13、19为流量计，14为壅塞空化装置，15、16为阀，17为臭氧发生器，20为水箱；
图4为壅塞空化与臭氧协同处理对硝基苯酚实例图。
具体实施方式：
如图3所示，臭氧与壅塞空化协同处理污水试验系统包括离心泵11、压力表12和18、流量计13和19、壅塞空化器14、阀15和16、臭氧发生器17和水箱20。水流从水箱20经离心泵11加压，通过管道送至壅塞空化装置14完成一次处理，然后再返回水箱20，实现循环处理。气液相的压力分别用压力表12和18检测，流量分别用流量计13和19检测。臭氧经臭氧发生器17产生后，通过管道送至壅塞空化装置14，在装置自身的自吸作用下进入壅塞管B内与液体混合。在处理装置的壅塞空化效应作用下，大臭氧泡溃灭成大量的微小气泡，与污水发生氧化反应，完成对污水的处理。
采用紫外分光光度计（UV/V-1000型）检测对硝基苯酚的处理前后的浓度，通过计算得对硝基苯酚的降解率R：
R=(c1-c0)/c0
式中c0和c1分别为处理前后对硝基苯酚的浓度。
本实例配制初始浓度为10mg/L的20L对硝基苯酚水溶液作为目标水体。臭氧通气量为300L/h，空化器背压为11kPa，液体流量为2.15m3/h。图4是壅塞空化-臭氧协同处理与单独臭氧或单独壅塞空化处理对硝基苯酚的对比图。从图可以看出，在臭氧消耗量相同的前提下，处理时间为18min时，单独壅塞空化处理的对硝基苯酚降解率是2.3%，单独臭氧处理的降解率是25.2%；当采用壅塞空化-臭氧协同处理时，对硝基苯酚的降解率达到了47.0%，是两个单独处理工艺降解率之和的1.71倍。可见，壅塞空化与臭氧之间存在明显的协同效应。
当进行单独臭氧氧化实验（臭氧不通过壅塞空化装置，而通过起泡器通入水箱）时，通入臭氧气泡的尺寸较大，表面积小，臭氧分子与对硝基苯酚分子碰撞的概率小。气泡之间又容易互相融合，形成更大的气泡从溶液中逸出，得不到有效的利用。此时对硝基苯酚的降解率为25.2%，说明臭氧的直接氧化效应还是明显的。当进行单独壅塞空化处理对硝基苯酚试验（壅塞空化装置的臭氧入口封闭）时，其对对硝基苯酚降解率仅为2.3%，说明无臭氧条件下空化效应的羟自由基产量很小，氧化对硝基苯酚的量是非常有限的。
当采用臭氧与壅塞空化协同处理对硝基苯酚时，通入的臭氧在经过壅塞截面后溃灭，由大直径的气泡变成小直径的气泡，臭氧表面积增加，进而臭氧与对硝基苯酚的接触面积增加，对硝基苯酚的降解率得到大幅度提高，协同效应表现为降解率相对于两种单独工艺简单叠加提高了71%。臭氧与壅塞空化的协同机理主要是通过壅塞空化效应使大臭氧泡溃灭成微小臭氧泡，从而大大增加臭氧泡的表面积而提升臭氧与对硝基苯酚分子之间的碰撞概率，加速氧化反应。同时，在存在臭氧的条件下，有利于壅塞空化效应的羟自由基的生成，羟自由基有很强的氧化对硝基苯酚的能力。
以上所述仅为本发明示范性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种臭氧与壅塞空化协同的污水处理装置，其特征在于包括水接头(1)、中间体(2)、壅塞体(3)和背压罩(4)，中间体(2)和壅塞体(3)配合形成环形喷嘴(A)，壅塞体(3)和被压罩(4)配合形成溃灭腔(C)，壅塞体(3)中间的通孔形成壅塞管(B)，中间体(2)的径向孔形成臭氧接口(E)和轴向孔形成臭氧喷嘴(F)，背压罩(4)的径向孔形成背压孔(G)；所述臭氧喷嘴(F)设置在中间体(2)中部，环形喷嘴(A)的喷口设置在臭氧喷嘴(F)喷口的四周；环形喷嘴(A)的当量直径为d，壅塞管(B)的直径D为(2～10)d，长度为(3～10)D，背压罩(4)上的背压孔(5)的当量直径为(1～5)d。
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