CN105905976B - 一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理技术及方法 - Google Patents

一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理技术及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置及方法。所述水处理装置包括进口分别连接水箱和气源的微气泡发生器，微气泡发生器的出口端连接水处理发生器的底部；水处理发生器内设有与电源连接的高压电极，水处理发生器外侧连接接地电极；水处理发生器顶部与水箱底部连通，水处理发生器中部与水箱连通。所述方法为：待处理水与气体经微气泡发生器生成微气泡气液两相流进入水处理反应器；水处理反应器的顶部气体通入待处理水箱。本发明对各种难以被传统基于O3及H2O2等的高级氧化技术去除的有机污染物的去除效果非常显著。通过在气液两相流的微气泡中实现气体放电，产生低温等离子体，大大提高了等离子体活性粒子的气液传质效率。

Description

一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理技术及方法
技术领域
本发明属于水处理领域，特别是涉及一种水处理方法及其设备，通过对微纳米气泡气液两相流进行介质阻挡放电实现水中污染物质高效降解。
背景技术
国家对污废水排放标准及区域排放总量控制日趋严格。我国印染、化工废水的排放量已跃居全国工业企业的前4位，工业企业要扩大生产必须在现有水处理工艺的基础上进行提标改造。目前，印染及化工废水处理工艺多数为生化或者物化、生化组合工艺，在这些工艺的二级出水中，容易被微生物和氧化剂去除的有机物组分已被降解，使其所含有机物极难进一步通过生化法及常见的基于臭氧及芬顿试剂等高级氧化工艺处理达到印染企业行业排放标准。目前一些组合工艺可以实现印染及化工废水二级出水的达标排放，但是处理成本远远超出企业承受范围，同时也存在投加化学药品剂量大、污泥产量高等二次污染及后续处理问题，这也是限制国内许多纺织印染和化工企业扩大生产规模和进行产品及工艺革新的瓶颈。因此，研发低成本、高效率的印染废水深度处理技术已迫在眉睫。
近年来，低温等离子体(Non-thermal plasma，NTP)技术被越来越多地应用到环境领域并被认为是一种有前途的水处理技术。低温等离子体又被称为非平衡等离子体，是指在由气体或液体放电产生的含有电子、带正电的重离子、UV、O3、强电场、冲击波及各种自由基(·O、·O2、·OH等)的等离子体系中，温度高的电子密度较低，与重粒子碰撞机会较少，使对系统温度起决定作用的重粒子动能与高温电子差别较大，整个体系温度较低。这种技术因不需要另外投加化学药剂即可产生各种活性粒子而被称为“绿色水处理技术”，并逐渐成为水处理领域研究的热点。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种采用低温等离子技术处理难降解有机废水的方法，以解决等离子体水处理技术的气液传质的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置，其特征在于，包括进口分别连接水箱和气源的微气泡发生器，微气泡发生器的出口端连接水处理发生器的底部；水处理发生器内设有与电源连接的高压电极，水处理发生器外侧连接接地电极；水处理发生器顶部与水箱底部连通，水处理发生器中部与水箱连通。该设备可以根据处理水量进行进气及压力调节。
优选地，所述微气泡发生器的发泡原理为采用泵加压溶气方式产生气泡。
优选地，所述电源为交流高压电源或直流双脉冲高压电源。
优选地，所述高压电极的电极介质为绝缘材料。
更优选地，所述高压电极的电极介质为石英。
本发明还提供了一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理技术，其特征在于，采用上述微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置，包括如下步骤：
步骤1)：水箱中的待处理水与气源产生的气体经微气泡发生器生成微气泡气液两相流进入水处理反应器；
步骤2)：水处理反应器中等离子体的放电方式为介质阻挡放电，以避免液中放电对电极的损耗，放电电压以能产生微气泡放电为准；
步骤3)：水处理反应器的顶部气体通入待处理水箱，以避免造成臭氧等活性粒子污染空气，同时使剩余活性粒子继续与污染物反应；
步骤4)：上述步骤采用连续流处理方式，放电时间根据水质、水量，采用能量密度计算公式确定，能量密度计算公式如式(I)所示：
其中，ED-能量密度，单位：J/L；
P-放电功率，单位：W；
t-放电时间，单位：S；
L-待处理水量，单位：L。
能量密度在6×104～8×105J/L范围内可以实现对与臭氧反应速率常数小于1(M-1.s-1)易溶于水的有机污染物质，如苯酚、碘显影剂等的有效去除。
优选地，所述步骤1)中微气泡发生器的进水方式采用两相流进水。
优选地，所述微气泡发生器产生的微气泡粒径小于50微米，气水比为1：10。
优选地，所述步骤1)中的气体为空气、氧气或臭氧。
优选地，所述步骤2)中放电电压为20～60kV。
本发明对多种难以被传统基于O3及H2O2等的高级氧化技术去除的有机污染物的去除效果非常显著。通过在气液两相流的微气泡中实现气体放电，产生低温等离子体，大大提高了等离子体活性粒子的气液传质效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明将微气泡技术应用到低温等离子体水处理技术中，解决了低温等离子体气液传质瓶颈问题。通过高压电源实现微气泡内等离子体的产生，大幅度提高了等离子体活性粒子的气液传质效率，以长寿命活性粒子臭氧为例，微纳米气泡气液传质系数比毫米气泡条件下提高了10倍，气液传质系数KLA达到了0.05-0.10s-1；
(2)本发明的微气泡气液两相流等离子体技术可以去除印染废水及化工废水中难以被生物或传统高级氧化技术(芬顿及臭氧催化氧化等)氧化的有机物，对废水中的相应污染物质的去除率达到了60～92％，TOC(总有机碳)去除率为37％～76％；
(3)本发明所用的介质阻挡放电产生的低温等离子体由于在放电空间有电介质阻挡，使得放电空间带电粒子的运动受到限制，微电流也不能够无限制生长，避免了火花放电，得到的等离子体更均匀稳定，同时DBD还具有脉冲延时短、适用电压频率范围宽等优点，应用范围广阔；
(4)本发明的气液两相放电则结合了气相放电和液相放电的优点：因为气体密度比液体密度小得多，气体中的电子平均自由程更长，因此可以实现更多含氧自由基和H2O2的生成；此外，气相的存在也会降低等离子体放电所需起始电压，降低电源能耗。
(5)而直径小于50μm的微纳米气泡在水中的保存时间可长达2分钟，而且气泡在液面下破裂消失，可以使气相中活性粒子的气液传质系数KLA大幅提高，另外，在微气泡缩小溃灭的瞬间可以产生局部的高温高压从而促使其附近水分子分解为自由基。
因此，将微气泡技术与气液两相高压脉冲放电等离子体技术结合起来，实现微气泡内放电，大幅度地提高等离子体所产生的活性粒子的传质效率和自由基产率，提高低温等离子体技术的能量利用效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，为实施例1、2采用的微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置的结构示意图，包括分别通过进水管7、气体管道二10连接水箱6和气源9的微气泡发生器11，微气泡发生器11的发泡原理为采用泵加压溶气的方式产生气泡。微气泡发生器11的出口端通过出料管12连接水处理发生器1的底部；水处理发生器1内设有与电源8连接的高压电极2，高压电极2的电极介质3为石英；水处理发生器1外侧连接接地电极13。水处理发生器1顶部通过气体管道一4与水箱6底部连通，水处理发生器1中部通过液体管道5与水箱6连通。所述微气泡发生器产生的微气泡粒径小于50微米，气水比为1∶10。
待处理水经原水箱6由泵从水箱中抽吸，气源9与被抽吸的水在泵中混合加压，产生加压溶气水，含有微纳米气泡的加压溶气水进入水处理反应器1，在接地电极13及高压电极2直接施加交流电压，产生介质阻挡放电，经处理后出水进入水箱6，水处理反应器1顶部气体经气体管道一4打入水箱6。水箱6中的水经泵打入水处理反应器1进行循环处理。
实施例1
本实施例中电源8采用交流高压电源，气体采用氧气，放电电压为40kV，试验原水来自实验室配置苯酚废水，废水苯酚浓度为100mg/L，水经水箱6由泵从水箱6中抽吸，气体同时由泵从气源9抽吸，水与氧气在泵内被加压混合后，被泵送至水处理反应器1，在水处理反应器1的内外电极间施加交流高压电源，在微气泡内产生的低温等离子体与液相中的污染物质发生氧化还原反应，反应后的液体通过重力自流的方式回到水箱6，如此循环处理30分钟，整个系统运行良好，出水苯酚浓度为25mg/L；对TOC的去除率达到51％。
实施例2
本实施例中电源8采用交流高压电源，气体采用空气，放电电压为30kV，试验原水来自实验室配置碘普罗胺废水，废水碘普罗胺浓度为18mg/L，水经水箱6由泵从水箱6中抽吸，气体同时由泵从空气中抽吸，水与空气在泵内被加压混合后，被泵送至水处理反应器1，在水处理反应器1的内外电极间施加交流高压电源，在微气泡内产生的低温等离子体与液相中的污染物质发生氧化还原反应，反应后的液体通过重力自流的方式回到水箱6，如此循环处理10分钟，出水碘普罗胺浓度为0mg/L；对TOC的去除率达到37％。
实施例3
本实施例中电源8采用交流高压电源，气体采用氧气，放电电压为30kV，试验原水来自实验室配置碘美普尔废水，废水碘美普尔浓度为30mg/L，水经水箱6由泵从水箱6中抽吸，气体同时由泵从气源9抽吸，水与氧气在泵内被加压混合后，被泵送至水处理反应器1，在水处理反应器1的内外电极间施加交流高压电源，在微气泡内产生的低温等离子体与液相中的污染物质发生氧化还原反应，反应后的液体通过重力自流的方式回到水箱6，如此循环处理20分钟，整个系统运行良好，出水碘美普尔浓度为0mg/L；对TOC的去除率达到42％。

Claims (8)

1.一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置，其特征在于，包括进口分别连接水箱(6)和气源(9)的微气泡发生器(11)，微气泡发生器(11)的出口端连接水处理发生器(1)的底部，水箱(6)中的待处理水与气源(9)产生的气体经微气泡发生器(11)生成微气泡气液两相流进入水处理反应器(1)；水处理发生器(1)内设有与电源(8)连接的高压电极(2)，水处理发生器(1)外侧连接接地电极(13)，水处理反应器(1)的顶部气体通入待处理水箱，以避免造成臭氧等活性粒子污染空气，同时使剩余活性粒子继续与污染物反应；水处理发生器(1)顶部与水箱(6)底部连通，水处理发生器(1)中部与水箱(6)连通；所述微气泡发生器(11)所述微气泡发生器的发泡原理为采用泵加压溶气方式产生气泡；所述微气泡发生器(11)产生的微气泡粒径小于50微米，气水比为1：10；水处理反应器(1)中等离子体的放电方式为介质阻挡放电，放电电压以能产生微气泡放电为准，放电电压为20～60kV。
2.如权利要求1所述的微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置，其特征在于，所述电源(8)为交流高压电源或直流双脉冲高压电源。
3.如权利要求1所述的微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置，其特征在于，所述高压电极(2)的电极介质(3)为绝缘材料。
4.如权利要求3所述的微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置，其特征在于，所述高压电极(2)的电极介质(3)为石英。
5.一种微气泡气液两相流低温等离子体水处理方法，其特征在于，采用权利要求1-4任意一项所述的微气泡气液两相流低温等离子体水处理装置，包括如下步骤：
步骤1)：水箱(6)中的待处理水与气源(9)产生的气体经微气泡发生器(11)生成微气泡气液两相流进入水处理反应器(1)；
步骤2)：水处理反应器(1)中等离子体的放电方式为介质阻挡放电，放电电压以能产生微气泡放电为准；
步骤3)：水处理反应器(1)的顶部气体通入待处理水箱，以避免造成臭氧等活性粒子污染空气，同时使剩余活性粒子继续与污染物反应；
步骤4)：上述步骤采用连续流处理方式，放电时间根据水质、水量，采用能量密度计算公式确定，能量密度计算公式如式(Ⅰ)所示：
其中，ED-能量密度，单位：J/L；
P-放电功率，单位：W；
t-放电时间，单位：S；
L-待处理水量，单位：L。
6.如权利要求5所述的微气泡气液两相流低温等离子体水处理方法，其特征在于，所述步骤1)中微气泡发生器(11)的进水方式采用两相流进水。
7.如权利要求5所述的微气泡气液两相流低温等离子体水处理方法，其特征在于，所述步骤1)中的气体为空气、氧气或臭氧。
8.如权利要求5所述的微气泡气液两相流低温等离子体水处理方法，其特征在于，所述步骤2)中放电电压为20～60kV。
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