CN110451700A - 紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置及方法 - Google Patents

紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紫外线发光二极管‑非热等离子体组合式消毒装置及工艺，该消毒装置包括紫外线发光装置、等离子体发生装置，以及依次连接的进水组件、水处理槽和出水组件，水处理槽槽底透明；紫外线发光装置包括依次连接的UVC‑LED灯珠、UVC‑LED驱动器和UVC‑LED控制开关，UVC‑LED灯珠设于水处理槽下方；等离子体发生装置包括等离子体控制面板和依次连接的无油空压机、通气管、气体电离腔和等离子体旋转喷头，等离子体控制面板与气体电离腔电性连接，等离子体旋转喷头设于水处理槽内且位于UVC‑LED灯珠的正上方。本发明实现了UVC‑LED和非热等离子体的协同作用，解决了UVC‑LED杀菌不充分的问题。

Description

紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置及方法
技术领域
本发明涉及污水消毒技术领域，具体涉及一种紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置及方法。
背景技术
目前在污水处理领域采用紫外线(UVC或UV)对污水进行消毒。一般水处理过程中的紫外线由低压汞灯、低压高强汞灯和中压汞灯通过电极放电激发产生。目前用于启动的电极汞灯由玻璃包裹，非常脆弱，而且工作寿命短，耗能大，含有有毒的汞，容易泄漏到环境中，造成环境破坏。
近年来，紫外线发光二极管(UVC-LED)开始发展起来用于环境水处理中。UVC-LED灯无有毒物质汞，寿命长且不受开关次数影响，而且UVC-LED是电致发光，直接电光转换，能量转换损失少，待机时电力消耗可达零。
UVC一方面可以直接损伤微生物的DNA，产生嘧啶二聚体，导致微生物的死亡，另一方面，UVC照射水分子可以产生大量的活性氧自由基(ROS)，比如羟基自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)等，可以氧化微生物细胞的DNA、蛋白质、细胞膜等，从而导致微生物的死亡。但是，由于UVC-LED消毒效果与其穿透率有关，因此，会存在杀菌不充分的问题。
非热等离子体是一种新兴的广谱灭菌技术，具有快速、安全、简便、全面、有效地杀灭微生物的特点，在水体消毒、食品加工、医药卫生等方面具有广泛的应用前景。等离子体可通过电离气体产生，等离子体是混合物，含有多种活性物质，如带电粒子(电子和离子)、自由基(活性氧和活性氮)以及UVC辐照等，各种活性物质溶于水中能够破坏病原菌的细胞壁、细胞膜、核酸、蛋白质等，从而达到快速灭菌消毒的目的。
公开号为CN 103894377 A的专利说明书公开了一种紫外光和等离子体联合清洗器，包括清洗器主体、等离子体发生器和紫外光发生器，清洗器主体下部为清洗平台；等离子体发生器设置在所述清洗器主体上；紫外光发生器设置在所述清洗器主体的下部，所述紫外光发生器包括控制箱、电子镇流器、以及设置于控制箱内且与所述电子镇流器电连接的至少一个紫外光灯管；其中，所述清洗器主体的下部还设置有第一导气管和第二导气管，并设置有电动阀门，且所述第一导气管外包覆冷却层。所述的紫外光和等离子体联合清洗器中，待清洗物置于清洗平台上，经过控制器打开等离子体发生器，对清洗物进行清洗，然后由控制器打开紫外光发生器，通过紫外光灯管对待清洗物进行二次清洗、杀菌，控制器控制阀门打开第一导气管，紫外光发生器工作会导致清洗器中温度升高，经过散热器散热，清洗器中的气体通过第一导气管时进行冷却并与外界交换，使清洗器中温度稳定。经过两步清洗的待清洗物达到了洁净度的要求，而且经过紫外光杀菌，排出的气体没有污染。此外，在清洗平台上设置有悬空架，可以使待清洗物多方位立体清洗，清洗效果更好。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，实现了UVC-LED和非热等离子体的协同作用，解决了UVC-LED杀菌不充分的问题，实现短时间内产生大量的自由基，从而充分杀死微生物，实现高效的污水消毒和低耗能的目的。
一种紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，包括紫外线发光装置、等离子体发生装置，以及依次连接的进水组件、水处理槽和出水组件，所述水处理槽槽底透明；
所述的紫外线发光装置包括依次连接的UVC-LED灯珠、UVC-LED驱动器和UVC-LED控制开关，所述的UVC-LED灯珠设于水处理槽下方；
所述等离子体发生装置包括等离子体控制面板和依次连接的无油空压机、通气管、气体电离腔和等离子体旋转喷头，所述等离子体控制面板与气体电离腔电性连接，所述等离子体旋转喷头设于水处理槽内且位于UVC-LED灯珠的正上方。
本发明装置提高空间利用率，满足小型一体化污水处理设备的特点。水处理槽下方的UVC-LED灯珠产生紫外线，配合正上方的等离子体旋转喷头喷出的等离子体，实现对水处理槽内水体的协同杀菌消毒。
作为优选，所述的水处理槽通过进水口与进水组件连接，通过出水口与出水组件连接，所述进水口低于等离子体旋转喷头的底端，所述出水口设于水处理槽的底部。这样设计不会使水体进入等离子体旋转喷头，水体也不会对等离子体喷出产生阻力，水处理槽内处理后的水体可完全排空。
作为优选，所述的进水组件包括依次连接的进水阀、膜过滤组件和带有流量控制单元的进水泵，所述的进水泵与水处理槽连接，可对进水进行初步过滤和流量控制。
作为优选，所述水处理槽内底部且位于UVC-LED灯珠的正上方处设有搅拌桨，能够充分混匀水处理槽内的污水，促进污水与水中所产生的自由基反应。
作为优选，所述的出水组件包括出水阀。
作为优选，所述的无油空压机带有气体流量调节阀，可控制非热等离子体的喷射量，满足不同类型污水的消毒需求。
作为优选，所述水处理槽的槽底为防水的石英玻璃面板，UVC-LED灯珠设于石英玻璃面板下方，可以防止UVC-LED灯珠浸没在水中产生结垢的问题。
作为优选，所述的紫外线发光装置包括若干个UVC-LED灯珠；
所述的UVC-LED灯珠分组后并联接入电路，每一组中的UVC-LED灯珠串联连接。
进一步优选，UVC-LED灯珠并联电路互相独立，均由UVC-LED控制开关控制，调节紫外光辐照强度。
一种紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒方法，使用所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，包括：向水处理槽中加入污水，打开等离子体控制面板和UVC-LED驱动器，调节等离子体工作功率和处理时间，调节UVC-LED灯珠的照射强度和照射时间，待处理结束后，排出处理后的污水。
无油空压机提供压缩空气，通过通气管进入气体电离腔电离产生等离子体，最后通过等离子体旋转喷头喷出，与UVC-LED灯珠发出的紫外辐照协同对水处理槽内的水体进行杀菌消毒。
作为优选，所述的等离子体工作功率为600～900W，处理时间为3～10min。
作为优选，所述的照射强度为1.7～2.5W/m2，照射时间为3～10min。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)本发明将UVC-LED和非热等离子体有机结合，非热等离子体产生大量氮氧自由基与UVC光反应水产生氧自由基同时与水中的微生物反应，短时间内增强自由基效应，从而在低损耗的条件下，实现协同杀菌效果。
(2)将UVC-LED灯珠设置于水处理槽外(如嵌入防水的石英玻璃)可以解决UVC-LED灯珠浸入水中而产生的结垢问题。
附图说明
图1为实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置的结构示意图；
图2为实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置的水处理槽底面的俯视示意图；
图3为实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置的紫外发光装置的电路连接示意图；
图4为实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置的UVC-LED控制开关的结构示意图；
图5为实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置的气体电离腔的结构示意图；
图中：进水阀1；膜过滤组件2；流量控制单元3；高压隔膜泵4；UVC-LED灯珠5；UVC-LED驱动器6；UVC-LED控制开关7；防水石英玻璃底板8；搅拌桨9；等离子体旋转喷头10；水处理槽11；气体电离腔12；通气管13；电缆14；等离子体控制面板15；气体流量调节阀16；无油空压机17；出水阀18；UVC-LED灯珠开关19；滑动变阻器20；进水口21；出水口22；气体电离铜电极23。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
如图1所示，本实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，包括紫外线发光装置、等离子体发生装置，以及依次连接的进水组件、水处理槽11和出水组件。
水处理槽11由石英玻璃制成，为圆柱形，槽底为透明的防水石英玻璃底板8。水处理槽11的一侧上部设有进水口21，与之相对的另一侧底部设有出水口22。水处理槽11内底部正中心设有搅拌桨9。
进水组件包括依次连接的进水阀1、膜过滤组件2和带有流量控制单元3的高压隔膜泵4。高压隔膜泵4的出水端与水处理槽11的进水口21连接。
出水组件包括出水阀18，与水处理槽11的出水口22连接。
紫外线发光装置包括依次连接的UVC-LED灯珠5、UVC-LED驱动器6和UVC-LED控制开关7，UVC-LED灯珠5设于防水石英玻璃底板8的下方。
如图2所示，UVC-LED灯珠5共设8个，围绕搅拌桨9分为三列(即三组)，在搅拌桨9对称的两侧分别设有两列，每列3个，与搅拌桨9同列位置设2个，以搅拌桨9为中心，分列两边。如此均匀分布的UVC-LED灯珠可提供均匀的紫外辐射。
如图3所示，UVC-LED灯珠5分组后并联接入电路，每一组中的UVC-LED灯珠5串联连接。UVC-LED灯珠5的并联电路互相独立，每一条并联支路均由一个UVC-LED灯珠开关19和一个滑动变阻器20控制紫外线的开关和照射强度。
如图4所示，3个UVC-LED灯珠开关19和3个滑动变阻器20集成于一个UVC-LED控制开关7上。
等离子体发生装置包括等离子体控制面板15和依次连接的气体流量调节阀16、无油空压机17、通气管13、气体电离腔12和等离子体旋转喷头10。等离子体控制面板15与气体电离腔12通过电缆14连接，控制等离子体功率。气体流量调节阀16调节压缩空气流量，进而控制等离子体的喷射量。
等离子体旋转喷头10设于水处理槽11内上部且位于UVC-LED灯珠5的正上方。等离子体旋转喷头10的底端高于进水口21。
气体电离腔12的底部与等离子体旋转喷头10的顶部连通，顶部与通气管13连通。气体电离腔12位于等离子体旋转喷头10上方，通过架在水处理槽11顶端的横梁固定位置。如图5所示，气体电离腔12内设有两块竖直对称的气体电离铜电极23，气体电离铜电极23通过电缆14与等离子体控制面板15连接通电形成电场。无油空压机17提供的压缩空气经过通气管13进入气体电离腔12后，从两块气体电离铜电极23中间形成的区域通过，被电场电离形成等离子体，进入下方的等离子体旋转喷头10，最后喷出，与水处理槽11内的水体接触。
上述紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置提高了空间利用率，满足小型一体化污水处理设备的特点。水处理槽11下方的UVC-LED灯珠5产生紫外线，配合正上方的等离子体旋转喷头10喷出的等离子体，实现对水处理槽11内水体的协同杀菌消毒。
使用上述紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置进行紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒，包括：向水处理槽11中加入污水，打开等离子体控制面板15和UVC-LED驱动器6，调节等离子体工作功率和处理时间，调节UVC-LED灯珠5的照射强度和照射时间，待处理结束后，排出处理后的污水。
测试例1
使用实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置处理污水，污水中COD为400mg/L、BOD为200mg/L、pH 6～9、悬浮物2000mg/L，具体处理方法为：
(1)通过流量控制单元3调节污水的加入总量为60mL，打开进水阀1，污水流入水处理槽11内，待污水体积达到所设置体积后，进水阀1、流量控制单元3关闭。
(2)调节UVC-LED驱动器6和UVC-LED控制开关7，将UVC-LED灯珠5的辐照强度设置为2.5W/m2，照射时间6min。
(3)控制等离子体控制面板15打开等离子体发生器，调节等离子体发生功率为600W，处理时间6min。
(4)待UVC-LED和等离子体协同处理结束后，关闭UVC-LED控制开关7和等离子体控制面板15，排出处理后的污水。
测试例2
将实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置的等离子体控制面板15关闭，即单独用UVC-LED灯珠5对污水消毒，其余条件均与测试例1相同。
测试例3
将实施例的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置的UVC-LED控制开关7关闭，即单独用等离子体对污水消毒，其余条件均与测试例1相同。
测试例4
将测试例1的步骤(1)中的污水加入总量调节为120mL，其余条件均与测试例1相同。
测试例5
将测试例1的步骤(2)中的UVC-LED灯珠5的辐照强度设置为1.7W/m2，其余条件均与测试例1相同。
测试例1～5的处理后的污水中大肠杆菌菌群菌落数，结果如表1所示。
表1
样品 菌落数(log<sub>10</sub>CFU/mL)
未处理污水 7.02±0.02
测试例1 未检出
测试例2 6.70±0.20
测试例3 6.00±0.40
测试例4 4.28±0.12
测试例5 未检出
由表1数据可见，UVC-LED和等离子体结合处理(测试例1)可以实现污水中大肠杆菌菌群的完全去除，达到未检出水平。单独用UVC-LED处理污水(测试例2)可以实现0.32log10(CFU/mL)大肠杆菌菌群的去除量，单独用超声波处理污水(测试例3)可以实现1.02log10(CFU/mL)大肠杆菌菌群的去除量。因此，UVC-LED和等离子结合处理污水可以实现协同杀菌效果。此外，可以通过调节污水的处理量(测试例4)和UVC-LED紫外辐照强度(测试例5)来针对不同污水实现不同的杀菌效果。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，包括紫外线发光装置、等离子体发生装置，以及依次连接的进水组件、水处理槽和出水组件，其特征在于，所述水处理槽槽底透明；
所述的紫外线发光装置包括依次连接的UVC-LED灯珠、UVC-LED驱动器和UVC-LED控制开关，所述的UVC-LED灯珠设于水处理槽下方；
所述等离子体发生装置包括等离子体控制面板和依次连接的无油空压机、通气管、气体电离腔和等离子体旋转喷头，所述等离子体控制面板与气体电离腔电性连接，所述等离子体旋转喷头设于水处理槽内且位于UVC-LED灯珠的正上方。
2.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，其特征在于，所述的水处理槽通过进水口与进水组件连接，通过出水口与出水组件连接，所述进水口低于等离子体旋转喷头的底端，所述出水口设于水处理槽的底部。
3.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，其特征在于，所述的进水组件包括依次连接的进水阀、膜过滤组件和带有流量控制单元的进水泵，所述的进水泵与水处理槽连接。
4.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，其特征在于，所述水处理槽内底部且位于UVC-LED灯珠的正上方处设有搅拌桨。
5.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，其特征在于，所述的出水组件包括出水阀。
6.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，其特征在于，所述的无油空压机带有气体流量调节阀。
7.根据权利要求1所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，其特征在于，所述的紫外线发光装置包括若干个UVC-LED灯珠；
所述的UVC-LED灯珠分组后并联接入电路，每一组中的UVC-LED灯珠串联连接。
8.根据权利要求7所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，其特征在于，UVC-LED灯珠并联电路互相独立，均由UVC-LED控制开关控制。
9.一种紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒方法，其特征在于，使用权利要求1～8任一权利要求所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒装置，包括：向水处理槽中加入污水，打开等离子体控制面板和UVC-LED驱动器，调节等离子体工作功率和处理时间，调节UVC-LED灯珠的照射强度和照射时间，待处理结束后，排出处理后的污水。
10.根据权利要求9所述的紫外线发光二极管-非热等离子体组合式消毒方法，其特征在于，所述的等离子体工作功率为600～900 W，处理时间为3～10min；
所述的照射强度为1.7～2.5 W/m2，照射时间为3～10min。
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