CN111320234A - 一种声流耦合空化强化水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声流耦合空化强化水处理装置，包括水力空化器、超声空化器、反应罐、进水弯管、轴、轴封、轴承、端盖、联轴器、变频电机、污水循环管路、净水排放管路、电磁阀、污水泵、多参数水质检测仪、水位传感器、智能化控制系统。污水循环管路上安装有电磁阀、污水泵、多参数水质检测仪；污水循环管路与进水弯管、空化器、反应罐及水位传感器构成循环回路，净水排放管与污水循环管路连接；电磁阀、水位传感器和变频电机与智能化控制系统连接。本发明将水力空化器、超声空化器、智能化控制系统等有机结合起来，具有污水处理效果优良、自动化水平高、作用过程能耗低、工艺简单等优点，可以进行大规模污水处理，提高水资源利用率。

Description

一种声流耦合空化强化水处理装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种利用空化效应高效进行污水处理的装置。

背景技术

水资源短缺已成为严重困扰经济发展和人民生活水平提高的重要因素，造成我国用水紧张的主要原因是水资源受到严重污染，其治理的关键是对各种工业废水和生活污水进行处理。由于有机化合物产量和种类的不断增加，采用有效的净化工艺去除各种污染物，在当前越来越高的的环保要求下尤为重要。空化技术作为一种新型物化水处理技术受到越来越多的关注。空化气泡溃陷时能产生高温、高压，并伴随强烈的冲击波，这些空化效应足以打开化学键，促进包括分子破碎、自由基的形成等化学反应的进行，进而达到降解有机物的目的。空化主要有超声空化和水力空化两种，但两种空化的声化学反应效率低。已有的研究及专利成果对空化水处理效果的增强方法均是采用组合工艺，空化与其它的诸如催化、氧化、膜分离等技术集成，以达到水处理效果，并没有提高空化单元的空化效率。并且已有的水力空化装置均未能实现水质的在线检测以及在此基础上的自动控制，导致其操作不便、自动化程度低、水处理效果不佳，进而影响了水力空化装置效能的发挥，并限制了水力空化技术的进一步推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的水力空化效果及水处理设备存在的不足，提供一种基于声流耦合原理强化空化效应水处理装置。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：一种声流耦合空化强化水处理装置，包括水力空化单元和超声空化器，所述水力空化单元位于反应罐的上方，所述反应罐的外壁面上安装有超声空化器，所述水力空化单元和所述反应罐均连接在污水循环管路上，所述污水循环管路从污水进口开始依次安装有第一电磁阀、污水泵、多参数水质检测仪、第二电磁阀以及第三电磁阀，净水排放管路通过三通接口与污水循环管路连接，三通接口位于多参数水质检测仪和第二电磁阀之间的管路上，第四电磁阀位于净水排放管路出口前端。

上述方案中，所述水力空化单元包括进水弯管、和轴，所述进水弯管的进口与所述污水循环管路连接，所述轴穿过进水弯管的轴孔位于进水弯管的中心轴线，轴封位于进水弯管轴孔与轴之间，轴孔上方为轴承箱，轴承箱内部安装有轴承，轴承箱上方的端盖通过螺栓紧固在轴承箱上方，变频电机通过联轴器与轴连接，所述轴的输出端安装有水力空化器。

上述方案中，所述进水弯管与所述水力空化器之间依次安装有导流板和口环。

上述方案中，所述水力空化器包括特斯拉叶轮和射流部件，所述特斯拉叶轮是由若干圆弧状碟片构成的双吸叶轮，相邻两个圆弧状碟片构成叶轮内部的一个流道，所述特斯拉叶轮的叶轮出口直径D₂大于进口直径D₁且内部流道进口边直径依次逐渐减小，所述特斯拉叶轮的前盖板出口表面为环形平面，环形平面沿圆周方向均布有螺纹孔；所述射流部件通过螺栓连接安装在特斯拉叶轮出口；所述射流部件的表面设置有若干射流孔，所述射流孔的孔径从进口到出口由大变小并沿所述特斯拉叶轮的叶轮流道圆周方向等角度均布设置。

上述方案中，所述特斯拉叶轮的流道宽度b和射流孔进口直径d₁满足几何关系b＝d₁，所述特斯拉叶轮前盖板出口表面的环形平面的螺纹孔与射流部件沿圆周方向均布的通孔数量一致；所述射流部件上射流孔中心轴线与旋转方向切向的夹角为60°，射流孔入口端孔径d₁与出口端孔径d₂满足几何关系d₁＝3d₂，收缩段锥角α＝38°，扩散段锥角β＝15°，射流部件(25)内径一D₃与特斯拉叶轮外径D₂满足几何关系D₂＝D₃,内径二D₄与内径一D₃满足几何关系D₄＝0.9D₃,外径D₅与射流孔长度在径向方向的分量l满足几何关系D₅＝D₃+l。

上述方案中，所述进水弯管的弯头处设置有进气管。

上述方案中，还包括智能化控制系统，所述智能化控制系统分别与水位传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、污水泵、多参数水质检测仪、变频电机连接。

上述方案中，进水弯管的进口处设置有进口法兰，用于连接污水循环管路，进水弯管的管道弯头为140°，进口法兰和管道弯头之间设置有进气管，进水弯管出口设置有口环，且水力空化器进口前加设导流板。

上述方案中，所述反应罐位于所述超声空化器的区域的材质是有机玻璃。

本发明的有益效果：(1)超声空化器会产生超声空化，旋转的水力空化器出口会形成射流水力空化，本设备把超声空化跟水力空化协同，声-流耦合空化强度和作用范围相比单独声空化和单独水力空化有明显提升，因此耦合空化水处理效果比这两种空化单独作用叠加的效果更好，效率更高；(2)水力空化器的特斯拉叶轮是一种圆弧状碟片式双吸叶轮，可以抵消叶轮旋转时产生的轴向力，也无径向力，运行相对平稳；射流部件为一单独部件，与特斯拉叶轮配合使用，使得水力空化器的加工与维护方便。(3)超声空化器区域的反应罐用有机玻璃制成，一方面满足可视化需求，另一方面提高超声空化的转化效率。(4)本设备带有变频电机、多参数水质检测仪、水位传感器、电磁阀和智能化控制系统，可对整个设备的运行状况和水质参数进行实时监控，提高了设备的自动化程度和污水处理效率，当污水处理达到有关排放标准后可排出，污水重新进入进行净化，如果水质未达标，则继续循环处理，不会产生二次污染，处理效果优良，并且污水处理过程可以在中等压力甚至常压下进行，作用过程能耗低，工艺简单，对设备要求也不是很高，不但降低了污水处理的成本，而且可以进行大规模污水处理，提高水资源利用率。

附图说明

图1是声-流耦合空化强化水处理设备工作原理示意图。

图2是部分水处理设备全剖结构示意图。

图3是水力空化器局部剖视结构示意图。

图4是水力空化器结构轴测图。

图5是水力空化器中特斯拉叶轮全剖结构示意图。

图6是水力空化器中特斯拉叶轮结构轴测图。

图7是水力空化器中射流部件全剖结构示意图。

图8是水力空化器射流孔结构示意图。

图9是水力空化器射流部件结构轴测图。

图中：1.水力空化器、2.超声空化器、3.反应罐、4.进水弯管、5.轴、6.轴封、7.轴承、8.端盖、9.联轴器、10.变频电机、11.污水循环管路、12.净水排放管路、13.第一电磁阀、14.第二电磁阀、15.第三电磁阀、16.第四电磁阀、17.污水泵、18.多参数水质检测仪、19.水位传感器、20.智能化控制系统、21、进气管、22.导流板、23.口环、24.特斯拉叶轮、25.射流部件、26.压盖螺母、27.有机玻璃。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的的技术方案做进一步详细说明。

本实施例提供的一种声流耦合空化强化水处理装置如图1和图2所示，包括水力空化器1、超声空化器2、反应罐3、进水弯管4、轴5、轴封6、轴承7、端盖8、联轴器9、变频电机10、污水循环管路11、净水排放管路12、第一电磁阀13、第二电磁阀14、第三电磁阀15、第四电磁阀16、污水泵17、多参数水质检测仪18、水位传感器19、智能化控制系统20。进水弯管4的进口法兰通过螺栓与污水循环管路的法兰连接，进口法兰与进水弯管4弯头之间设置有进气管21(通入空气)，轴5穿过进水弯管4的轴孔位于进水弯管的中心轴线，轴封6位于轴孔与轴5之间，轴孔上方为轴承箱，内部安装有导轴承和推力轴承，轴承箱上方的端盖8通过螺栓紧固在轴承箱上方，变频电机10通过联轴器9与轴5连接，导流板22安装在进水弯管4出口的前端，水力空化器1位于进水弯管4出口，口环23位于进水弯管4出口与水力空化器1中的特斯拉叶轮24进口之间，两个射流部件25通过螺栓连接安装在特斯拉叶轮24出口，水力空化器1的上部顶在轴肩处，下部通过压盖螺母26固定在轴5的末端，并且水力空化器1的周向定位通过键实现，超声空化器2关于水力空化器1的中心轴线呈90°均布在反应罐3表面，其轴向高度与水力空化器1轴向高度保持一致，且超声空化器2区域反应罐3用有机玻璃27制成，污水循环管路11从污水进口开始依次安装有第一电磁阀13、污水泵17、多参数水质检测仪18、第二电磁阀14以及第三电磁阀15，净水排放管路12通过三通接口与污水循环管路11连接，三通接口位于多参数水质检测仪18和第二电磁阀14之间的管路上，第四电磁阀16位于净水排放管路12出口前端。

结合图5，所述水力空化器1的特斯拉叶轮24是一种圆弧状碟片式双吸叶轮，这种形式的叶轮既可以平衡轴向力，也无径向力，叶轮下部流道可使反应罐内的待净化水循环净化，上部的流道能完成整个系统循环的需要，并且也可满足向设备中通入空气时不造成叶轮性能下降或产生较大振动噪声等的需要，叶轮出口直径D₂与进口直径D₁满足几何关系D₂＝3D₁，并且叶轮内部流道进口边直径依次逐渐减小，这样更加符合流体在叶轮内部的流动规律，叶轮内部的流道数为8，流道宽度b和射流孔进口直径d₁满足几何关系b＝d₁，以保证特斯拉叶轮与射流部件配合使用时不会造成流动损失，使空化效果最佳，空化作用区域最大，且特斯拉叶轮24前盖板出口表面用铣床加工出环形平面，环形平面沿圆周方向均布有螺纹孔，目的是特斯拉叶轮24与射流部件组装方便。

结合图7、图8，所述水力空化器1的射流部件25由外形为半圆状的两块构成，且沿圆周方向均布有通孔，通孔数量与特斯拉叶轮24前盖板环形平面的螺纹孔数量一致，两个半圆状的射流部件25通过螺栓连接安装在特斯拉叶轮24出口；射流部件25表面射流孔沿叶轮流道圆周方向等角度均布，每个流道上方射流孔的数量为6～9个(具体数量视实际场合而定)，且射流孔中心轴线与旋转方向切向的夹角为60°，射流孔入口端孔径d₁与出口端孔径d₂满足几何关系d₁＝3d₂，收缩段锥角α＝38°，扩散段锥角β＝15°，以保证当液流以一定速度通过射流孔后，在射流孔出口形成低压区，使空化能在中等压力下产生，并且使空化强度最大、空化效果最佳；射流部件(25)内径一D₃与特斯拉叶轮外径D₂满足几何关系D₂＝D₃,内径二D₄与内径一D₃满足几何关系D₄＝0.9D₃,外径D₅与射流孔长度在径向方向的分量l满足几何关系D₅＝D₃+l。

结合图2，所述超声空化器2关于水力空化器1的轴心线呈90°均布在反应罐3表面，其轴向高度与水力空化器1轴向高度保持一致，以保证声-流耦合空化区域和声能密度最大，有利于污水中的有机物降解，使水处理效果最佳。所述超声空化器2区域反应罐3用有机玻璃27制成，一方面满足可视化需求，另一方面可以提高超声空化转化效率。所述进水弯管4的进口处设置有进口法兰，用于连接污水循环管路11，管道弯头为140°，可以减小污水进入进水弯管4的流动损失；进口法兰和弯头之间设置有进气管21，目的是向污水中通入空气，通过超声空化效应会产生具有强氧化性的自由基，可将污水中的有机物分解破坏，因此通入空气会有效提高超声空化的强度；弯头处设置有轴孔，轴封6位于轴孔处，用以防止污水泄露；轴孔上方为轴承箱，内部安装有导轴承和推力轴承，目的是平衡水力空化器由于重力而产生的轴向力，轴承箱顶部为端盖8；进水弯管4出口设置有口环23，以保证污水不会发生泄露与回流，且出口直径D₆＝D₁+2h₁+(0.3～0.5)，其中h₁为口环23厚度，(0.3～0.5)为口环23间隙；水力空化器1进口前加设导流板22，以防止特斯拉叶轮24进口处出现预旋，保证污水均匀、平稳的进入特斯拉叶轮。

结合图1，所述智能化控制系统20采用可编程控制器PLC，水位传感器19、四个电磁阀、多参数水质检测仪18、变频电机10与智能化控制系统20连接，通过多参数水质检测仪(18)可对水质各项参数进行分析、处理与检测，进而智能化控制系统20对设备运行进行自动控制，不但提高本设备对污水的处理能力，而且提高了设备的自动化程度。

所述一种声-流耦合空化强化水处理设备可以根据需要处理污水规模的大小来调节变频电机10转速改变流量，不但可以节约成本，还可以提高设备水处理效能。不同转速下流量与转速满足关系式：Q₁/Q₂＝n₁/n₂，通过每个射流孔的流量

总流量Q_总＝n×Q,其中d₂为射流孔喉部直径，d₁为射流孔进口直径，ρ为液体密度，p₁-p₂为射流孔进出口压强差，n为射流孔的数量。

本发明的工作原理：经过一级处理去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，智能化控制系统打开第一电磁阀13和第二电磁阀14并启动污水泵17，此时第三电磁阀15和第四电磁阀16处于关闭状态，污水从污水进水管进入，当反应罐3内水位达到设定水位时，水位传感器19发送信号给智能化控制系统20，智能化控制系统20关闭第一电磁阀13并打开第三电磁阀15。污水由污水泵17输送到水力空化器1的特斯拉叶轮24，在其内部流道近壁处会形成边界层，在边界层内部粘性切应力的作用下使污水进入射流部件25，高速高压的污水进入射流孔，在流出射流孔时，由于孔径变窄，在射流孔出口端形成射流，从而形成低压区，当低压区的压力低于气核稳定所需的必须压力时，气核生长并迅速形成大的充满蒸汽的空化气泡，空化气泡随流体流出低压区后，由于压力突然增大，气泡破裂，从而产生空化效应。与此同时，超声空化器2向污水辐射超声波，超声波在污水中传播时存在着一个正负压强的交变周期，在负压相位时，液体介质发生断裂，产生微泡，微泡进一步长大成为空化气泡，当脱出共振相位时，空化气泡不再稳定，开始溃灭，产生空化效应。声空化与水力空化在特定时空相互耦合，空化气泡在极短时间内溃灭产生4000K-6000K的高温和1-5×10⁷Pa的高压，并伴随强烈的冲击波，这些极端条件足以打开化学键，促进包括分子破碎、自由基的形成等化学反应的进行，进而达到降解有机物的目的。在污水处理过程中，多参数水质检测仪18会对水质进行检测，当水质达到排放标准后，多参数水质检测仪18发送信号给智能化控制系统20，智能化控制系统20关闭第二电磁阀14并打开第四电磁阀16，处理达标的水由净水排放管路12排出，然后水位传感器19发送信号给智能化控制系统20，智能化控制系统20关闭第三电磁阀15和第四电磁阀16，开启第一电磁阀13和第二电磁阀14向反应罐3内泵送经过一级处理的污水，当反应罐3内的水位达到指定水位后，控制系统关闭第一电磁阀13，设备开始对污水进行处理，如此循环工作；若水质未达标，则继续循环净化。

Claims (9)

1.一种声流耦合空化强化水处理装置，包括水力空化单元和超声空化器(2)，其特征在于，所述水力空化单元位于反应罐(3)的上方，所述反应罐(3)的外壁面上安装有超声空化器(2)，所述水力空化单元和所述反应罐(3)均连接在污水循环管路(11)上，所述污水循环管路(11)从污水进口开始依次安装有第一电磁阀(13)、污水泵(17)、多参数水质检测仪(18)、第二电磁阀(14)以及第三电磁阀(15)，净水排放管路(12)通过三通接口与污水循环管路(11)连接，三通接口位于多参数水质检测仪(18)和第二电磁阀(14)之间的管路上，第四电磁阀(16)位于净水排放管路(12)出口前端。

2.根据权利要求1所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，所述水力空化单元包括进水弯管(4)、和轴(5)，所述进水弯管(4)的进口与所述污水循环管路(11)连接，所述轴(5)穿过进水弯管(4)的轴孔位于进水弯管的中心轴线，轴封(6)位于进水弯管轴孔与轴(5)之间，轴孔上方为轴承箱，轴承箱内部安装有轴承，轴承箱上方的端盖(8)通过螺栓紧固在轴承箱上方，变频电机(10)通过联轴器(9)与轴(5)连接，所述轴(5)的输出端安装有水力空化器(1)。

3.根据权利要求2所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，所述进水弯管(4)与所述水力空化器(1)之间依次安装有导流板(22)和口环(23)。

4.根据权利要求2或3所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，所述水力空化器(1)包括特斯拉叶轮(24)和射流部件(25)，所述特斯拉叶轮(24)是由若干圆弧状碟片构成的双吸叶轮，相邻两个圆弧状碟片构成叶轮内部的一个流道，所述特斯拉叶轮(24)的叶轮出口直径D₂大于进口直径D₁且内部流道进口边直径依次逐渐减小，所述特斯拉叶轮(24)的前盖板出口表面为环形平面，环形平面沿圆周方向均布有螺纹孔；所述射流部件(25)通过螺栓连接安装在特斯拉叶轮(24)出口；所述射流部件(25)的表面设置有若干射流孔，所述射流孔的孔径从进口到出口由大变小并沿所述特斯拉叶轮(24)的叶轮流道圆周方向等角度均布设置。

5.根据权利要求4所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，所述特斯拉叶轮(24)的流道宽度b和射流孔进口直径d₁满足几何关系b＝d₁，所述特斯拉叶轮(24)前盖板出口表面的环形平面的螺纹孔与射流部件(25)沿圆周方向均布的通孔数量一致；所述射流部件(25)上射流孔中心轴线与旋转方向切向的夹角为60°，射流孔入口端孔径d₁与出口端孔径d₂满足几何关系d₁＝3d₂，收缩段锥角α＝38°，扩散段锥角β＝15°，射流部件(25)内径一D₃与特斯拉叶轮外径D₂满足几何关系D₂＝D₃,内径二D₄与内径一D₃满足几何关系D₄＝0.9D₃,外径D₅与射流孔长度在径向方向的分量l满足几何关系D₅＝D₃+l。

6.根据权利要求2所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，所述进水弯管(4)的弯头处设置有进气管(21)。

7.根据权利要求2所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，还包括智能化控制系统(20)，所述智能化控制系统(20)分别与水位传感器(19)、第一电磁阀(13)、第二电磁阀(14)、第三电磁阀(15)、第四电磁阀(16)、污水泵(17)、多参数水质检测仪(18)、变频电机(10)连接。

8.根据权利要求2所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，进水弯管(4)的进口处设置有进口法兰，用于连接污水循环管路(11)，进水弯管(4)的管道弯头为140°，进口法兰和管道弯头之间设置有进气管(21)，进水弯管(4)出口设置有口环(23)，且水力空化器(1)进口前加设导流板(22)。

9.根据权利要求1所述的一种声流耦合空化强化水处理装置，其特征在于，所述反应罐(3)位于所述超声空化器(2)的区域的材质是有机玻璃。

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