CN111333234A - 一种低温等离子体有机废水降解系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温等离子体有机废水降解系统，包括高压电源、供气装置、低温等离子体放电装置、第一循环泵、曝气装置和臭氧破坏器；所述低温等离子体放电装置设有第一进水口、第一出水口、第一进气部和第一出气口；所述曝气装置上设置有第二进气口、第二进水口和第二出水口；所述低温等离子体放电装置与高压电源连接；所述供气装置与第一进气口连接，所述第一出气口与第二进气口连接，所述曝气装置与臭氧破坏器连接，所述第一出水口与曝气装置的第二进水口连接。本发明提高了气液两相的传质，减少臭氧的污染，提高有机废水中有机物的矿化率，最终实现低温等离子体降解氧化、臭氧氧化和紫外辐射催化氧化的有机结合。
Description
技术领域
本发明涉及有机废水处理技术领域，尤其涉及一种低温等离子体协同臭氧和紫外光辐射的有机废水降解系统。
背景技术
低温等离子体水处理技术是一种集活性自由基氧化、臭氧氧化、紫外光辐射、冲击波等效应于一体的新型高级氧化技术，由于其环境友好以及卓越的氧化能力，该技术被称为是最具有前景的高级氧化技术之一。等离子体放电过程中产生的活性物质包括羟基自由基、氧活性粒子、过氧化氢以及臭氧等活性物种。利用低温等离子体技术处理废水时，在放电作用下，轰击有机污染物中不饱和键，发生断键和开环等一系列反应，或部分使大分子物质变成小分子甚至矿化为二氧化碳和水，从而有效提高难降解物质的可生化性。
当氧气或者其他含氧气体作为放电气体时，氧气受到高能电子的激发会产生臭氧，臭氧在低温等离子体水处理技术职工扮演关键角色，其产生活性物质的过程如下所示：
O2+e-→O+O+e-
O2+O→O3
O2+O2→O3+O
O3+hv→O·+O2
H2O+O·+hv→H2O2+O2
H2O2+hv→2·OH
O2+O2→O3+O
现有技术中，由于等离子体反应器设计和气液两相的传质等因素导致臭氧利用效率不高，同时产生的过氧化氢也得不到有效利用，能量效率较低。
发明内容
本发明目的是提供一种有机废水降解系统，充分利用放电过程中产生的臭氧，结合紫外辐射作用快速高效地去除有机废水中的污染物，从而提高能量利用效率。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种低温等离子体有机废水降解系统，包括高压电源、供气装置、低温等离子体放电装置、第一循环泵、曝气装置和臭氧破坏器；
所述低温等离子体放电装置包括筒体、上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖分别固定在筒体的上下两端；所述筒体上开设有第一进水口和第一出水口，所述上端盖上设置有第一进气部和第一出气口；
所述曝气装置上设置有第二进气口、第二进水口和第二出水口；
所述第一进气部与高压电源的正极连接，所述下端盖与高压电源的负极连接；所述供气装置与第一进气口通过管路连接，所述第一出气口与第二进气口通过管路连接，所述曝气装置与臭氧破坏器通过管路连接，所述第一出水口与第一循环泵的进水口通过管路连接，所述第一循环泵的出水口与曝气装置的第二进水口通过管路连接。
进一步，所述低温等离子体有机废水降解系统还包括第二循环泵和储水槽；所述第二循环泵的出水口与第一进水口通过管路连接，所述第二循环泵的入水口与储水槽的出水口通过管路连接，所述储水槽的入水口与第二出水口通过管路连接。
进一步，所述第一进气部包括第一进气口、中空杆、高压电极和锥形石英玻璃，所述中空杆螺纹连接在上端盖上，所述第一进气口与中空杆上端连接，所述高压电极与中空杆下端连接，所述锥形石英玻璃套设在高压电极外侧；所述高压电极与高压电源的正极连接。
进一步，所述中空杆的材质为聚四氟乙烯；所述高压电极为中空金属管；所述上端盖和下端盖的材质为聚四氟乙烯；所述筒体的材质包括但不限于玻璃、陶瓷和有机玻璃。
进一步，所述高压电源为高压脉冲电源、高压直流电源或者高压交流电源，且所述高压电源的输出电压为0-40KV，频率为0-30Khz。
进一步，所述低温等离子体水处理装置的第一进水口的位置高于第一出水口的位置。
进一步，所述供气装置为气瓶或者压缩空气泵，且能通过气体流量计调节气体流量。
进一步，所述曝气装置包括曝气管、曝气板和紫光灯；所述第二进水口、第二出水口和第二进气口设置在曝气管上，且所述第二进水口的位置低于所述第二出水口的位置，所述第二进气口设置在曝气管底部；所述曝气管的上部与臭氧破坏器通过管路连接；所述曝气板设置在曝气管底部，所述紫光灯竖直设置在曝气管内部的有机废水中，并位于曝气板上方，且能发出波长为185nm和254nm的紫外线。
进一步，所述曝气板为多孔钛板或砂板。
本发明具有如下有益效果：本发明的低温等离子体有机废水降解系统通过曝气装置的增加，提高了气液两相的传质，促进有机废水中有机物的降解，提高了臭氧的利用效率，并通过增加臭氧破坏器，减少臭氧的污染，还可以促进对臭氧和过氧化氢的分解，产生更多的羟基自由基，进而提高有机废水中有机物的矿化率，最终实现低温等离子体降解氧化、臭氧氧化和紫外辐射催化氧化的有机结合。
附图说明
图1为本发明的连续式低温等离子体有机废水降解系统的示意图；
图2为本发明的序批式低温等离子体有机废水降解系统的示意图；
图3为本发明中第一进气部的结构示意图；
图4为本发明和单独的等离子体放电装置中甲醛生成速率的折线图；
图5为本发明和单独的等离子体放电装置中溴氨酸的降解率的折线图。
图中标记示意为：1-高压电源；2-供气装置；3-低温等离子体放电装置；4-第一进气部；5-第一出气口；6-第一进水口；7-第一出水口；8-第一循环泵；9-曝气装置；10-紫光灯；11-第二进水口；12-第二进气口；13-曝气板；14-第二出水口；15-储水槽；16-臭氧破坏器；17-第二循环泵；401-第一进气口；402-中空杆；403-高压电极；404-锥形石英玻璃。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种低温等离子体有机废水降解系统，解决了目前等离子体反应器中设计和传质等因素导致的臭氧利用效率不高以及产生的过氧化氢也得不到有效利用等问题，从而达到降低能耗，提高有机废水中有机物的去除效率的目的。
根据水质等特点，本发明的等离子体有机废水降解系统可以分为序批式和连续式两种。
如图1所示为本发明的连续式低温等离子体有机废水降解系统的示意图。具体地，一种低温等离子体有机废水降解系统，包括高压电源1、供气装置2、低温等离子体放电装置3、第一循环泵8、曝气装置9和臭氧破坏器16；
所述低温等离子体放电装置3包括筒体、上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖分别固定在筒体的两端；所述筒体上开设有第一进水口6和第一出水口7，所述上端盖上设置有第一进气部4和第一出气口5；
所述曝气装置9上设置有第二进气口12、第二进水口11和第二出水口14；
所述第一进气部4与高压电源1的正极连接，所述下端盖作为接地电极与高压电源1的负极连接；所述供气装置2与第一进气部4通过管路连接，所述第一出气口5与第二进气口12通过管路连接，所述曝气装置9与臭氧破坏器16通过管路连接，所述第一出水口7与第一循环泵8的进水口通过管路连接，所述第一循环泵8的出水口与曝气装置9的第二进水口11通过管路连接。
如图3所示，所述第一进气部4包括第一进气口401、中空杆402、高压电极403和锥形石英玻璃404，所述中空杆402螺纹连接在上端盖上，所述第一进气口401与中空杆402上端连接，所述高压电极403与中空杆402下端连接，所述锥形石英玻璃404套设在高压电极403外侧。具体地，所述高压电极403与高压电源1的正极连接。
在本发明的实施例中，所述中空杆102的材质为聚四氟乙烯；所述高压电极403为中空金属管；所述上端盖和下端盖的材质为聚四氟乙烯；所述筒体的材质包括但不限于玻璃、陶瓷和有机玻璃。
在本发明的实施例中，低温等离子体放电装置3中筒体的第一进水口6的位置高于第一出水口7的位置，从而使得低温等离子体放电装置3中的有机废水能够尽可能排出。另一方面，低温等离子体放电装置3中，高压电极403距离接地电极的距离和锥形石英玻璃404下端插入液面的深度可以通过调节中空杆402的位置来进行调节。
如图2所示为本发明的序批式低温等离子体有机废水降解系统的示意图，所述低温等离子体有机废水降解系统还可以包括第二循环泵17和储水槽15，具体地，所述第二循环泵17的出水口与第一进水口6通过管路连接，所述第二循环泵17的入水口与储水槽15的出水口通过管路连接，所述储水槽15的入水口与第二出水口14通过管路连接。
在本发明的实施例中，所述高压电源1用于为低温等离子体放电装置3提供电源。具体地，所述高压电源1为高压脉冲电源、高压直流电源或者高压交流电源，且所述高压电源的输出电压为0-40KV，频率为0-30Khz。
所述低温等离子体放电装置3用于对有机废水进行初步降解，且所述低温等离子体放电装置中低温等离子体产生的方式包括但不限于电晕放电、介质阻挡放电和滑动电弧放电。
所述供气装置2用于为低温等离子体放电装置3提供反应气体。具体地，所述供气装置2为气瓶或者压缩空气泵，且能通过气体流量计调节气体流量，从而能够实现对进入低温等离子体放电装置3中的有机废水和反应气体的比例进行实时调节。
所述曝气装置9用于对其内部的有机废水进一步降解。具体地，所述曝气装置9包括曝气管、曝气板13和紫光灯10；所述第二进水口11、第二出水口14和第二进气口12设置在曝气管上，且所述第二进水口11的位置低于所述第二出水口14的位置，所述第二进气口12设置在曝气管底部；所述曝气管的上部与臭氧破坏器16通过管路连接；所述曝气板13设置在曝气管底部，用于使臭氧与有机废水充分接触，从而对有机废水进行臭氧氧化，所述紫光灯10竖直设置在曝气管内部的有机废水中，并位于曝气板13上方，且能发出波长为185nm和254nm的紫外线，所述紫外线用于对有机废水进行臭氧紫外催化氧化。优选地，所述曝气板13为多孔钛板或砂板。
本发明的低温等离子体有机废水降解系统在工作时，有机废水在低温等离子体放电装置经低温等离子体初步降解，然后在曝气装置中进行臭氧氧化和臭氧紫外催化氧化，从而更加高效地对有机废水进行降解，本发明尤其适用于工业生产过程中产生的难以被生物降解的有毒有害的有机废水。
本发明的低温等离子体有机废水降解系统通过曝气装置的增加，提高了气液两相的传质，促进有机废水中有机物的降解，提高了臭氧的利用效率，并通过增加臭氧破坏器，减少臭氧的污染，还可以促进对臭氧和过氧化氢的分解，产生更多的羟基自由基，进而提高有机废水中有机物的矿化率，最终实现低温等离子体降解氧化、臭氧氧化和紫外辐射催化氧化的有机结合。
实施例2
如图3所示为本发明的低温等离子体有机废水降解系统和单独的低温等离子体放电装置中甲醛生成速率的折线图。
通过上述两种装置中羟基自由基的产生量，判断上述两种装置中臭氧和过氧化氢的利用率。
具体地，羟基自由基是气液两相放电等离子体中最重要的自由基，由于其高活性，低浓度和短寿命，因此难以通过直接方法进行监测。现有技术中，叔丁醇通常用于捕获羟基自由基，通过生成甲醛的量评估羟基自由基的产生。
首先在待处理的有机废水中添加初始浓度为200mmol/L的叔丁醇溶液，经本发明的低温等离子体有机废水降解系统和单独的低温等离子体放电装置分别进行处理，保证其余变量相同，如氧气流量1L/min，液体流量30mL/min，放电功率48W，放电时间为60min，最终测得本发明的系统中甲醛的生成速率为2.326mg/min，而单独的等离子放电装置明甲醛的生成速率为1.3525mg/min。
实施例3
图4所示为本发明低温等离子体有机废水降解系统和单独的低温等离子体放电装置中溴氨酸的降解率的折线图。
以“溴氨酸”为处理有机废水的主要研究对象，该物质呈红色溶于水。具体地，配置初始浓度为60mg·L-1的模拟废水，经本发明的低温等离子体有机废水降解系统和单独的低温的等离子体放电装置分别进行处理，保证其余变量相同，如氧气流量1L/min，液体流量30mL/min，放电功率48W，放电时间为60min，最终废水从红色变为无色液体，溴氨酸的降解率与单独等离子体处理装置相比由77％提高到了91％。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，包括高压电源、供气装置、低温等离子体放电装置、第一循环泵、曝气装置和臭氧破坏器；
所述低温等离子体放电装置包括筒体、上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖分别固定在筒体的上下两端；所述筒体上开设有第一进水口和第一出水口，所述上端盖上设置有第一进气部和第一出气口；
所述曝气装置上设置有第二进气口、第二进水口和第二出水口；
所述第一进气部与高压电源的正极连接，所述下端盖与高压电源的负极连接；所述供气装置与第一进气口通过管路连接，所述第一出气口与第二进气口通过管路连接，所述曝气装置与臭氧破坏器通过管路连接，所述第一出水口与第一循环泵的进水口通过管路连接，所述第一循环泵的出水口与曝气装置的第二进水口通过管路连接。
2.根据权利要求1所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，还包括第二循环泵和储水槽；所述第二循环泵的出水口与第一进水口通过管路连接，所述第二循环泵的入水口与储水槽的出水口通过管路连接，所述储水槽的入水口与第二出水口通过管路连接。
3.根据权利要求1或2所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，所述第一进气部包括第一进气口、中空杆、高压电极和锥形石英玻璃，所述中空杆螺纹连接在上端盖上，所述第一进气口与中空杆上端连接，所述高压电极与中空杆下端连接，所述锥形石英玻璃套设在高压电极外侧；所述高压电极与高压电源的正极连接。
4.根据权利要求3所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，所述中空杆的材质为聚四氟乙烯；所述高压电极为中空金属管；所述上端盖和下端盖的材质为聚四氟乙烯；所述筒体的材质包括但不限于玻璃、陶瓷和有机玻璃。
5.根据权利要求3所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，所述高压电源为高压脉冲电源、高压直流电源或者高压交流电源，且所述高压电源的输出电压为0-40KV，频率为0-30Khz。
6.根据权利要求3所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，所述低温等离子体水处理装置的第一进水口的位置高于第一出水口的位置。
7.根据权利要求3所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，所述供气装置为气瓶或者压缩空气泵，且能通过气体流量计调节气体流量。
8.根据权利要求3所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，所述曝气装置包括曝气管、曝气板和紫光灯；所述第二进水口、第二出水口和第二进气口设置在曝气管上，且所述第二进水口的位置低于所述第二出水口的位置，所述第二进气口设置在曝气管底部；所述曝气管的上部与臭氧破坏器通过管路连接；所述曝气板设置在曝气管底部，所述紫光灯竖直设置在曝气管内部的有机废水中，并位于曝气板上方，且能发出波长为185nm和254nm的紫外线。
9.根据权利要求3所述的低温等离子体有机废水降解系统，其特征在于，所述曝气板为多孔钛板或砂板。
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