CN108793541A - 一种等离子体水体净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体水体净化装置，包括等离子体机和净化反应池，其中离子体机包括等离子体发生器和脉冲电源；净化反应池包括箱体，以及设置在所述箱体内的固沉池、气浮池和清水池；上述气浮池和清水池相邻设置，气浮池的侧壁上部设有进水口，清水池的侧壁上部设有出水口，所述进水口与所述等离子体发生器的输出端连通，所述气浮池和清水池之间设置具有过水口的隔板，所述气浮池和清水池通过所述过水口连通，所述固沉池位于所述气浮池和清水池的底部，所述固沉池底端开设有污泥出口。本发明能够高效去除污染水体中的SS、COD、BOD、氨氮、总氮、总磷和色度，同时提高水体溶解氧浓度。

Description

一种等离子体水体净化装置
技术领域
本发明涉及水体净化设备技术领域，具体涉及一种等离子体水体净化装置。
背景技术
当前水体污染问题严重，为了改善水环境，促进再生水利用，完善再生水利用设施，以及对现有污水处理设施进行提标改造显得十分紧迫。目前，国内外的水体净化装置所采用的典型方法有物理法、物理化学法和生物法等多种。物理法如反渗透法、电容吸附法和电渗析法；物理化学法如离子交换法、电化学法；生物法主要是利用细菌的作用，将污染物转化成无毒产物。其中生物法被广泛应用于水体污染的治理，采用生物就必须建设生物反应池，而且在运行时还需要不断的补充炭源，不仅占地面积较大，投资较多，而且运行费用较高。因此，亟需研制一种运行成本低，能够高效净化水体中硝态氮和其它污染物的装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种等离子体水体净化装置。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种等离子体水体净化装置，包括：
等离子体机，包括等离子体发生器和脉冲电源；
净化反应池，包括箱体，以及设置在所述箱体内的固沉池、气浮池和清水池，所述气浮池和清水池相邻设置，所述气浮池的侧壁上部设有进水口，所述清水池的侧壁上部设有出水口，所述进水口与所述等离子体发生器的输出口连通，所述气浮池和清水池之间设置具有过水口的隔板，所述气浮池和清水池通过所述过水口连通，所述固沉池位于所述气浮池和清水池的底部，所述固沉池底端开设有污泥出口。
进一步地，所述气浮池的下部设有布水器，所述布水器的输入端与所述进水口连通，用于将等离子体发生器输出的污染水体均匀的分布于气浮池内区域。
进一步地，所述气浮池的上部还设有括渣器和浮渣收集槽，用于清除和收集气浮产生的浮渣。
优选地，所述括渣器为往复式或旋转式括渣器。
优选地，所述隔板包括平行设置的第一隔板和第二隔板，所述第一隔板与所述气浮池相邻，所述第二隔板与所述清水池相邻，所述第一隔板的顶端开设有第一过水口，所述第二隔板的底端开设有第二过水口，所述第一隔板和第二隔板之间的空间形成过水流道。
进一步地，所述净化反应池的箱体包括外壳层和内保护层；优选地，所述外壳层的材质包括钢板或混凝土，所述内保护层为环氧沥青漆层。
优选地，所述出水口处还设有出水堰板，所述出水堰板与所述清水池的池壁形成出水槽。
具体地，所述等离子体发生器内包括至少一组电极组；可选地，所述电极为石墨、铁、铝、锌、铜、铅、镍及合金电极和具有贵金属氧化物涂层的惰性电极中的一种。
进一步地，所述等离子体水体净化装置还包括控制系统和循环水路，所述清水池的出水口与所述循环水路的输入口连通，所述循环水路中还设置有循环水泵。
本发明的专利名，具有如下有益效果：
1、本发明的等离子体水体净化装置结构简单，占地面积小，每万吨净化水体需占地面积小于现有生化处理净化装置的十分之一；设备成本降低约10％；运行成本降低50％以上。
2、本发明的等离子体水体净化装置运行过程中，通过等离子体撞击水分子，使水分解产生氧气，净化后的水体溶解氧含量高大于7mg/L，能够有效提高水体的溶解氧，有效抑制藻类的生长。
3、本发明的等离子体水体净化装置利用等离子体撞击水分子和有机物，产生自由基，能够高效去除水体中的COD、BOD、总氮和氨氮，同时还可以去除总磷和色度，全面的改善污染水体的水质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的结构示意图
图中：100-等离子体机，200-净化反应池，110-等离子体发生器，120-脉冲电源，210-固沉池，220-气浮池，230-清水池，240-布水器，211-污泥出口，221-进水口，231-出水口，232-出水堰板，233-出水槽，251-括渣器，252-浮渣收集槽，261-第一隔板，262-第二隔板，263-第一过水口，264-第二过水口，265-过水流道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考说明书附图1，一种等离子体水体净化装置，包括：
等离子体机100，包括等离子体发生器110和脉冲电源120，用于产生等离子体，等离子体与水体作用产生自由基；所述脉冲电源120的正极与所述等离子体发生器110的阳极连接板连接，所述阴极接线板与所述等离子体发生器110的阴极接线板连接；
净化反应池200，包括箱体，以及设置在所述箱体内的固沉池210、气浮池220和清水池230，所述气浮池220和清水池230相邻设置，所述气浮池220的侧壁上部设有进水口221，所述清水池230的侧壁上部设有出水口231，所述进水口221与所述等离子体发生器110的输出口连通，所述气浮池220和清水池230之间设置具有过水口的隔板，所述气浮池220和清水池230通过所述过水口连通，所述固沉池210位于所述气浮池220和清水池230的底部，所述固沉池210底端开设有污泥出口211。
上述等离子体发生器110内包括至少一组电极组，可选地，所述电极为石墨、铁、铝、锌、铜、铅、镍及合金电极和具有贵金属氧化物涂层的惰性电极中的一种。
在一个具体实施方式中，所述等离子体机100的输入端通过进水管和设置在进水管路中的提升泵与污水的集水池连通；所述进水管路中还安装有流量传感器。
优选地，上述等离子机的脉冲工作电压为0.3～30KV，电流密度为1～10mA/cm2，频率为5～80KHz，污染水体在等离子体机100内的停留时间为1s～10s。
上述净化反应池200的箱体包括外壳层和内保护层，在一个具体实施方式中，所述外壳层的材质包括钢板或混凝土，所述内保护层为环氧沥青漆层；该箱体应至少能够耐受0.5MPa的压力；优选地，该箱体顶部采用密封圈和阀门密封。
优选地，净化反应池200内的工作水压为0.05～0.4MPa。
作为更佳地，净化反应池200内的工作水压为0.1～0.3MPa
优选地，在净化反应池顶部安装有压力传感器和安全阀。
可选地，所述气浮池220和清水池230所在的净化反应池200部分的形状为正方体、长方体或柱体。
所述气浮池220的下部设有布水器240，所述布水器240的输入端与所述进水口221连通，用于将等离子体发生器110输出的污染水体均匀的分布于气浮池220内区域。
所述气浮池220的上部还设有括渣器251和浮渣收集槽252，用于清除和收集气浮产生的浮渣，所述括渣器251为往复式或旋转式括渣器251。
在一个具体实施方式中，所述隔板包括平行设置的第一隔板261和第二隔板262，所述第一隔板261与所述气浮池220相邻，所述第二隔板262与所述清水池230相邻，所述第一隔板261的顶端开设有第一过水口263，所述第二隔板262的底端开设有第二过水口264，所述第一隔板261和第二隔板262之间的空间形成过水流道265。
优选地，净化反应池200的池底到池顶高度为5000～10000㎜；上述第二过水口264开设在距离净化反应池200底部600～1200㎜的高度；上述出水口231设置在清水池230顶部下方200～800㎜的四周侧壁上，清水池230的侧壁上开设有至少一个出水口231；上述布水器240安装在距气浮池220底部800～2000㎜的高度；上述括渣器251和浮渣收集槽252设置在距离气浮池220域顶部200～600㎜处，其中括渣器251的底端高于排渣槽底端5-10mm；第一隔板261和第二隔板262的间距为50-300㎜，即过水流道265的宽度为50-300㎜。
优选地，所述出水口231处还设有出水堰板232，所述出水堰板232与所述清水池230的池壁形成出水槽233，以使出水均质。
优选地，所述出水口231还连接有循环水管，该循环水管用于将净化反应池200的出水回流至收集池，并再次进入等离子体机100和净化反应池200净化，该循环水管的管路中还设置有循环水泵。
优选地，所述出水口231还连接有三通阀门。
所述固沉池210底部开设有污泥出口211，用于清除污泥，所述污泥出口211与污泥泵连通。
优选地，所述固沉池210的的宽度沿从上至下的方向逐渐减小，所述污泥出口211还设置有三通。
优选地，所述净化反应池200内还设置有搅拌装置。
所述等离子体水体净化装置还包括控制系统，所述控制系统包括控制器、电导率传感器、流量传感器、电位传感器、搅拌转速传感器、温度传感器、氯传感器、氢传感器、PH值传感器、PLC以及阀组，所述阀组包括电动阀或气动阀。
通过等离子体发生器110产生的等离子体与水体中的物质作用产生自由基，在净化反应池中与水体中的有机物、氨氮和NO3﹣等反应，生成CO2、H2O和N2，除去污染水体中的有机物，降低COD和BOD的氨氮及总氮；同时，产生的等离子体氧化分解生物体，使生物体中的DNA和RNA等中的有机磷氧化分解成无机磷酸根；此外，产生的等离子体还能够氧化分解有机磷成为无机磷酸根并以磷酸盐沉淀的形式除去。
等离子体水体净化装置净化污染水体的方法：
污染水体泵入等离子体机100内，设置工作电压为30～50KV，两电极间的电压为0.3～30KV，电流密度为1～10mA/cm2，频率为5～80KHz，在等离子体机100中的停留时间为1～10s；
完成等离子体处理后的水体经过布水器240进入净化反应池200，在净化反应池200进行反应10～30min，输出的水体通过循环水路输入水体的上游，经过几次循环后，污染的水体净化成符合《地表水环境质量标准》GB3838-2002的水体。
等离子体水体净化装置净化水体的原理：
等离子体机100工作时产生大量的等离子体，等离子体与水体作用，产生大量活性很强的自由基，其中，O·和OH·能与其有机物分子反应生成水和二氧化碳；O·与NH3反应生成水和NO3 ﹣；Cl·和H·与NO3 ﹣和氨氮反应生成N2和H2O。
等离子体作用产生的并未及时参加反应的·H生成氢气，形成大量的微气泡；此外，·H与NO3 ﹣和NO2 ﹣反应生成N2，也形成大量的微气泡。随着这些氢气和氮气微气泡的上浮，会带出大量的固体悬浮物，达到固液分离的效果，形成气浮作用，进一步降低废水中的COD、色度、浊度等污染指数。
等离子体作用产生的自由基与污染水体中的发臭物质作用，能消除臭味，因此，等离子体水体净化装置还有的消除臭味的效果。
1、去除氨氮的机理
等离子体过程中产生的自由基O·与氨反应，生成硝酸根。
NH3+O·—→NO3 ﹣+H2O
2、去除总氮的机理
硝态氮的脱除机理是：等离子过程中产生的自由基H·与硝酸根反应，生成水和氮气。
NO2 ﹣+O·—→NO3 ﹣
NO3 ﹣+H·—→NO2 ﹣+H2O
NO2 ﹣+H·—→N2↑+H2O脱氮主反应
此外，有机氮是植物、土壤和肥料中与碳结合的含氮物质的总称。如蛋白质、氨基酸、酰胺、尿素、杂环化合物等。在等离子体的作用下，经过开环断链，分解成氨态氮或者硝态氮。氨态氮或者硝态氮分别与Cl·、O·、OH·、H·等自由基反应生成氮气和水。
3、去除总磷原理
微污染水体中的磷以无机磷、有机磷以及生物磷等多种形态存在，其中生物磷以RNA和DNA中的磷酸形式存在于生物体内的细胞中。在等离子体的作用下，水体中大量的微生物细胞壁被击穿，细胞液流出，构成生物体的含磷物质被自由基氧化成无机磷，水体中Fe3+与PO4 3﹣反应生成磷酸铁沉淀，进而除去水体中的磷，同时通过沉淀的吸附作用除去石油类、动植物油等有机物。
Fe3 ++PO4 3﹣—→FePO4↓(除磷主反应)
污染水体经过本发明的方法净化后，水体总磷的去除率达到70～95％以上，总磷小于0.2mg/L，合格率达到100％。
4、增加溶解氧
采用本发明的微污染水体等离子体净化装置及方法处理水体时，等离子体撞击水分子，使水分子化学键断裂，产生氧气，使处理后的水体溶解氧大幅度增加，出水含氧量达到7mg/L以上，排放到自然水体中，能增加水体的溶解氧，抑制厌氧菌的过度繁殖，有效的净化水体。
5、去除COD和BOD的原理
等离子体机100工作时产生的大量等离子体撞击水分子及其他离子，会产生大量具有强氧化性的自由基，如：O·和HO·，这些自由基能快速氧化分解水体中的还原性物质包括染料等有机物，降低废水污水中20～60％的COD。
RH有机物+O·—→CO2↑+H2O
RH有机物+HO·—→CO2↑+H2O
·Cl+H2O—→HClO—→O·+HCl
实施例1
污染水体泵入等离子体机100，等离子体机100的脉冲电压为20KV，电流密度为8mA/cm2，工作频率40KHz，污染水体在等离子体机100中的停留时间为8s，等离子处理后的水体流入净化反应池200进行进一步的净化反应，去除氨氮、总氮和总磷，水体在净化反应池200的停留时间为25min，净化后的水体经循环水路再次进入水体的上游，经过三次循环后，所述水体净化前后水质指标如表1。
表1、某污染水体净化前后的水质指标
项目 污染水体 第一次循环 第二次循环 第三次循环
感观 发黑发臭 微臭 不臭 无臭无味澄清的液体
pH 5.0 6.6 6.8 7.1
溶解氧mg/L 1.9 4.5 6.5 8.3
CODmg/L 45 31 24 18
BODmg/L 15 9 6 3
氨氮mg/L 7.5 2.0 0.9 0.2
总磷mg/L 4.5 0.5 0.2 0.1
总氮mg/L 20 12 5 1
色度倍 400 80 35 2
实施例2
污染水体泵入等离子体机100，在脉冲电压0.3KV，电流密度10mA/cm2，频率80KHz的工况下，污染水体在等离子体机100中的停留时间为10s，等离子处理后的水体流入净化反应池200，除去氨氮和总氮，水体在净化反应池200内的的停留时间为20min，净化后的水体输入水体的上游，经过二次循环后，所述水体净化前后水质指标如表2。
表2、某污染水体净化前后的水质指标
实施例3
污染水体泵入等离子体机100，在脉冲电压为50KV，电流密度为1mA/cm2，频率为80KHz的工况下进行等离子体处理，污染水在等离子体机100中的停留时间为10s，等离子处理后的水体流入净化反应池200进行脱氮处理，除去氨氮和总氮，水体在净化反应池的停留时间为30min，净化后的水体输入水体的上游，经过三次循环后，所述水体净化前后水质指标如表3。
表3、某污染水体净化前后的水质指标
项目 污染水体 第一次循环 第二次循环 第三次循环
感观 发黑发臭 微臭 不臭 无臭无味澄清的液体
pH 8.0 7.6 7.2 7.1
溶解氧mg/L 1.1 3.9 6.7 8.1
CODmg/L 42 30 22 15
BODmg/L 17 8 3 未检出
氨氮mg/L 6.2 1.7 0.6 0.1
总磷mg/L 2.3 0.4 0.2 0.1
总氮mg/L 11 7 4 1
色度倍 180 60 10 1
实施例4
污染水体泵入等离子体机100，在脉冲电压为50KV，电流密度为5mA/cm2，频率为5KHz的工况下进行等离子处理水在等离子体机100中的停留时间为5s，等离子处理后的水体流入净化反应池进行净化处理，除去氨氮和总氮，水体在净化反应池的停留时间为10min，净化后的水体输入水体的上游，经过三次循环后，所述水体净化前后水质指标如表4。
表4、某水体净化前后的水质指标
实施例5
污染水体泵入等离子体机100，在脉冲电压为50KV，电流密度为1mA/cm2，频率为80KHz的工况下进行等离子处理，水在等离子体机100中的停留时间为1s，等离子处理后的水体流入净化反应池进行净化处理，除去氨氮和总氮，水体在净化反应池的停留时间为10min，净化后的水体输入水体的上游，经过三次循环后，所述水体净化前后水质指标如表5。
表5、某污染水体净化前后的水质指标
项目 污染水体 第一次循环 第二次循环 第三次循环
感观 发黑发臭 微臭 不臭 无臭无味澄清的液体
pH 6.5 6.8 6.9 7.2
溶解氧mg/L 1.3 3.6 6.5 7.9
CODmg/L 32 21 15 11
BODmg/L 13 7 4 未检出
氨氮mg/L 2.6 1.1 0.4 0.1
总磷mg/L 8.3 0.7 0.2 0.1
总氮mg/L 7.5 4 1.5 0.8
色度倍 60 10 2 1
综上，污染水体经等离子体水体净化装置后，水体中的COD、BOD、总氮、氨氮、动植油、石油类、阴离子表面活性剂浓度和色度显著降低，经过几次循环后，出水达到《地表水环境质量标准》GB3838-2002标准。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种等离子体水体净化装置，其特征在于，包括：
等离子体机(100)，包括等离子体发生器(110)和脉冲电源(120)；
净化反应池(200)，包括箱体，以及设置在所述箱体内的固沉池(210)、气浮池(220)和清水池(230)，所述气浮池(220)和清水池(230)相邻设置，所述气浮池(220)的侧壁上部设有进水口(221)，所述清水池(230)的侧壁上部设有出水口(231)，所述进水口(221)与所述等离子体发生器(110)的输出口连通，所述气浮池(220)和清水池(230)之间设置具有过水口的隔板，所述气浮池(220)和清水池(230)通过所述过水口连通，所述固沉池(210)位于所述气浮池(220)和清水池(230)的底部，所述固沉池(210)底端开设有污泥出口(211)。
2.根据权利要求1所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述气浮池(220)的下部设有布水器(240)，所述布水器(240)的输入端与所述进水口(221)连通，用于将等离子体发生器(110)输出的污染水体均匀的分布于所述气浮池(220)内区域。
3.根据权利要求2所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述气浮池(220)的上部还设有括渣器(251)和浮渣收集槽(252)，用于清除和收集气浮产生的浮渣。
4.根据权利要求3所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述括渣器(251)为往复式括渣器或旋转式括渣器。
5.根据权利要求4所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述隔板包括平行设置的第一隔板(261)和第二隔板(262)，所述第一隔板(261)与所述气浮池(220)相邻，所述第二隔板(262)与所述清水池(230)相邻，所述第一隔板(261)的顶端开设有第一过水口(263)，所述第二隔板(262)的底端开设有第二过水口(264)，所述第一隔板(261)和第二隔板(262)之间的空间形成过水流道(265)。
6.根据权利要求5所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述净化反应池(200)的箱体包括外壳层和内保护层，所述外壳层的材质包括钢板或混凝土，所述内保护层为环氧沥青漆层。
7.根据权利要求6所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述出水口(231)处还设有出水堰板(232)，所述出水堰板(232)与所述清水池(230)的池壁形成出水槽(233)。
8.根据权利要求7所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述等离子体发生器(110)内包括至少一组电极组，所述电极为石墨、铁、铝、锌、铜、铅、镍及合金电极和具有贵金属氧化物涂层的惰性电极中的一种。
9.根据权利要求1-8项中任一所述的等离子体水体净化装置，其特征在于，所述等离子体水体净化装置还包括控制系统和循环水路，所述清水池(230)的出水口(231)与所述循环水路的输入口连通，所述循环水路中还设置有循环水泵。
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陈克复 主编: "《给排水及其设备安装工程基础理论与监理实务》", 中国环境科学出版社, pages: 227 *

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