CN111807460A - 基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，包括定子、转子、无线超声换能器、超声探头和转轴；定子和转子为密封筒体，定子两端分别设置有废水入口和出水口，定子内壁安装有超声探头，转子设置在定子内部，定子中安装有转轴，转轴穿过定子和转子，转子固定连接在转轴，转子外侧壁上分布有空化盲孔；本发明采用水力空化和超声空化结合的方法来降解抗生素废水，远远比单独使用水力空化或超声空化效率高和质量，具有高效性，水处理量大，可连续作业；可不受外界环境的影响，灵活性高，可根据需要随开随停；结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修。

Description

基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置
技术领域
本发明涉及一种用于抗生素废水降解的装置，具体是利用水力空化和超声空化降解抗生素废水的装置，属于抗生素废水处理技术领域。
背景技术
抗生素生产过程中产生的废水主要有成分复杂，COD值高，有毒有害物质浓度高等特点，是制药废水治理过程中的重点和难点。传统的处理技术主要有物化法和生物法。用于抗生素废水处理的物化法主要有：混凝沉淀法、膜分离法、光解法及电解法等，一般而言，混凝沉淀法运行成本合理，但存在二次污染问题；膜分离法因其在处理抗生素废水的同时可回收废水中的有用物质而被重视，但其成本太高；电解法则可有效去除COD、提高可生化性，但在实际工程中，如何稳定控制工艺条件还需进一步研究。生物法主要有好氧处理法、厌氧处理法及厌氧～好氧组合工艺，其中单独的好氧和厌氧处理往往不能满足废水处理要求。
还有一些目前广泛应用的水处理新技术—空化技术，空化过程能有效降解水体中的有毒、难降解杂质，具有化学稳定性高、成本较低、反应条件温和、选择性小等优点，无疑是一项绿色环保水处理技术。空化产生的方法共有四种：超声空化、水力空化、光空化和粒子空化，其中光空化和粒子空化由于工作条件与场地等因素的限制，在工业上很难实现广泛应用，鉴于此，水力空化和超声空化是研究的热点。
涉及水力空化技术的主要有中国专利文献CN204240625U公开的《一种液相燃烧器》，美国专利文献RU 2310798C1公开的《LIQUID HEATING DEVICE》。
CN204240625U中提供了一种液相燃烧器，包括一圆柱密封腔，圆柱形密封腔由圆柱体和两端的端盖组成，圆柱形密封腔内设置有与圆柱形密封腔形状相适应的圆柱形转子，圆柱形转子圆周外侧壁上沿转子轴向方向设置有多于两圈的盲孔，圆柱形转子上设置有穿过圆柱形转子及两端端盖的转轴，转轴一端连接有电动机，圆柱形密封腔一端端盖上设置有进液口，另一端端盖上设置有出液口，盲孔深度由进液口端向出液口端逐渐变浅。此燃烧器采用了实心结构，并且盲孔深浅不一，导致能耗高，空化效率低下。
RU2310798C1中提供了一种液体加热器，其具有外壳形成的腔室和转子，转子采用了一种锥形的结构，在外壳的内侧和转子的侧面的端部都形成有盲孔。其转子采用了一种锥形的结构，其存在一个较大的缺陷，锥形转子的外侧线速度是不相同的，这也就造成了锥形转子的利用率低，同时直径不同的地方转动惯量不同，容易造成设备震动，导致设备运行不稳定。
上述CN204240625U、RU 2310798C1等虽然提出了旋转式的空化器，但均属于单纯的空化发生装置，没有说明抗生素废水的降解功能，也未耦合其他物理、化学强化方法，处理效果有待提高。
发明内容
针对现有的抗生素降解技术中存在的问题与不足，提出一种处理效率高、效果好的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置。
本发明所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，采用如下技术方案：
该装置，包括定子、转子、无线超声换能器、超声探头和转轴；定子和转子为密封筒体，定子两端分别设置有废水入口和出水口，定子内壁安装有超声探头，转子设置在定子内部，定子中安装有转轴，转轴穿过定子和转子，转子固定连接在转轴，转子外侧壁和定子内壁上均分布有空化盲孔；所述超声探头中设置有无线超声换能器，无线超声换能器镶装在定子内壁上；所述超声探头与空化盲孔对正分布。
超声探头处于废水流动区域内，将超声探头浸没在废水中，使无线超声换能器所产生的超声直接辐射到流动区域的废水中。空化盲孔与超声探头对正分布，可以提高空化的效率。转轴与传动装置相连，带动转子在定子内部高速旋转。
所述废水入口和出水口在定子两端对角设置，以防出现短流。
所述定子内壁与转子外壁的间隙为4～6mm。这样转子上空化盲孔的外端面与定子的内壁之间的距离为4～6mm，定子内壁的空化盲孔与转子外壁距离为4～6mm，形成限流结构，以保证空化现象的形成，保证空化效率。
所述空化盲孔为球柱形盲孔。
所述空化盲孔的直径与深度比例为2:5。所述空化盲孔的深度为30～50mm，直径为12～20mm。
所述转子的转速为3600～3800r/min。
所述废水入口的流量为1.5～4.5m3/h。
所述超声波发生器的功率为500～1000W。
所述转子外径为400～800mm。
所述超声波探头每排均布3～8个，共2～8排，等间距分布。
所述转子上空化盲孔每排均布5～15个，共4～10排，等间距分布。
上述结构与工艺参数均由实际降解实验所得。
空化现象是指水流在一定温度下，当局部压强降低到该温度的饱和蒸汽压强以下时，水被剧烈地汽化而产生空泡的现象。上述装置中，由电机带动转子高速旋转，使转子上的空化盲孔与含抗生素的废水做相对运动，从而引发空化现象。无线超声换能器将超声通过浸于液体中的探头直接作用于含抗生素的废水上，从而实现超声空化，其中超声探头的作用是通过变幅杆使超声能量集中。空化现象发生时，空化气泡存在的时间约为0.1μs，它在爆炸的瞬间可以产生大约4000K和100MPa的局部高温高压环境，从而产生出非同寻常的能量效应，这些条件足以使抗生素在空化泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温热分解或自由基反应，从而达到降解目的。此外，在水力空化效应作用的同时，添加超声波，二者可高效协同降解，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，从而最终提高降解效果，可获得远高于二者单独使用时降解效果的总和(至少两倍以上)。
上述装置采用了空心结构，盲孔深度相同，空化强度均匀，并且和超声波空化相结合，可以大大提高空化效率。
本发明的装置在进行抗生素废水处理时，抗生素废水先输送到水质调节池进行水质水量的均化调节，再向预处理池中投入中和药剂来平衡废水的pH，使得其中发生反应形成沉淀，去除废水中的有害物质，预处理后的废水进入上述抗生素废水降解空化器，由于转子的高速转动，带动废水随之转动，加上空化盲孔和超声探头的存在，使得废水发生空化现象，对其进行降解，获得处理后的废水进入沉淀池，再向后处理池中投入中和药剂做最后的处理，最后使得抗生素废水达到排放标准。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结合水力空化和超声空化协同降解抗生素废水，远远比单独使用水力空化或超声空化的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的水处理量大，可连续作业。
2.本发明所述装置的空化盲孔在定、转子间的微小间隙(4～6mm)下构成限流结构，产生限流作用，强化空化现象的生成，高于现有常见的剪切式空化器的空化效率。
3.本发明所述装置将水力空化器和无线超声换能器结合在一起，一体化设备降低了整个抗生素废水降解的工艺流程。
4.本发明所述装置采用空化发生单元与超声探头对正排布的结构，极大地提高了该空化装置的效率和质量。
5.本发明所述装置的转子为空心结构，较现有剪切式空化器的实心结构，其稳定性好、能耗低、易拆装。
6.经计算流体力学仿真验证，本发明所述装置采用的球柱形的盲孔结构较传统的圆柱形或锥形结构，其诱发的空化强度可提高至少30％，而所需轴功率无明显上升(在相同的宽度与深度的情况下)。
7.本发明所述装置变幅杆可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，没有外置式设备的能量衰减。
8.本发明所述装置可放大性强，可根据工作环境的不同改变尺寸，只需将设备中的定子和转子的尺寸进行更改即可。
9.本发明所述装置采用电机作为水力空化的能量来源，可不受外界环境的影响，灵活性高，可根据需要随开随停。
10.本发明所述装置运转过程中，内表面周期性被空化清洗，故具有自清洁功能。
11.本发明所述装置结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修。
12.本发明所述装置不局限于降解抗生素废水，对于其他类型的有机废水也预计拥有良好的处理效果。
13.本发明所述装置的结构与工艺参数均由计算流体力学仿真、多目标优化设计或实际降解实验所得。
附图说明
图1是本发明中抗生素降解工艺的流程图。
图2是本发明所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置的结构示意图。
图3是本发明中定子和转子的截面示意图。
图中：1.抗生素废水入口，2.密封盖，3.端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.定子端盖，8.密封圈，9.定子，10.超声探头，11.无线超声换能器，12.空化盲孔，13.转子，14.出水口，15.楔键。
具体实施方式
本发明利用水力及超声空化降解抗生素废水，工艺流程如图1所示，所用设施包括废水池、水质调节池、预处理池、降解空化器、沉淀池和后处理池，废水池、水质调节池、预处理池、沉淀池和后处理池为现有技术，是通用结构。降解空化器为本发明中的利用水力及超声空化降解抗生素废水的装置，其结构参见图2。抗生素废水先从废水池输送到水质调节池进行水质水量的均化调节，后再进入预处理池，在预处理池中投入石灰石等中和药剂，使得废水的pH稳定在6～9之间，预处理后的废水便进入降解空化器中，废水在流动区域中流动，同时转子在高速旋转，带动废水随之旋转，于是在空化盲孔和超声探头的周围发生空化现象，对废水起到降解的作用，降解后的废水进入沉淀池中，再向沉淀池中投入石灰石等中和药剂平衡废水中的酸碱度，使pH稳定在6.8～7.2之间，最后使得废水达到排放标准，进行排放。
如图2所示，本发明所述基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，包括定子9、转子13、超声探头10和转轴4。定子9为密封筒体，通过螺栓与两侧的定子端盖7相连，连接处有密封垫圈8，使得定子内部形成密封的空化腔，端盖两端分别设有轴承盖，即密封盖2，其内设置角接触球轴承5，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈，形成密封。定子9的左侧定子端盖下端设有抗生素废水入口1，定子内壁上装有超声探头10，超声探头10与无线超声换能器11连接，无线超声换能器11嵌装在定子内壁上，超声探头10处于废水流动区域内。超声波发生器的功率为500～1000W，超声波探头10在定子9内壁圆周上等间距分布2～8排，每排均布3～8个(如图3所示)。
转子13也为密闭筒体，设置在定子9内，与转轴通过楔键15固定连接，使转子与转轴一起转动，转轴4穿过定子端盖7与传动装置相连，由变频电机提供动力，带动转子13在定子9内部高速旋转。转子13的外侧壁上分布有空化盲孔12，其轴向位置与超声探头10轴向位置对正分布，右侧定子端盖上端设有废水处理后出水口14。定子9内壁圆周上的空化盲孔12共等间距分布4排，每排均布6个。定子9内壁圆周上的两排空化盲孔之间为一排超声波探头10。转子13上空化盲孔等间距分布共8排，每排均布6个(如图3所示)。
转子13外径为400～800mm。空化盲孔12的外端面与定子的内壁之间的距离为4～6mm，以保证空化现象的形成。为保证空化效率，定子内壁也设置有空化盲孔，为球柱形结构，与转子边缘距离为4～6mm。空化盲孔12的直径与深度比例为2:5，最佳为空化盲孔的深度为30～50mm，直径为12～20mm，空化盲孔每排均布5～15个，共4～10排，等间距分布。
抗生素废水入口1的流量为1.5～4.5m3/h。转子13的转速为3600～3800r/min。
上述参数是经过大量实验得出的，保证了对抗生素废水的降解效果。
抗生素废水从左侧定子端盖上的入口1流入定子9中，在流动区域中流动，同时转子13在传动装置的带动下高速旋转，带动废水也做高速旋转，由于转子上有许多的空化发生单元12，使得废水发生水力空化现象，而定子内壁上的无线超声换能器11发出超声能量，超声探头10则将能量聚集到一起，使得超声能量通过超声探头10传到废水中，发生超声空化。水力空化和超声空化发生部位对正分布，提高了空化效率，更好的达到降解抗生素废水的目的。处理后的废水经右侧定子端盖上的出口14流出空化器。
室温条件下，取5L的某厂抗生素生产废水，其COD含量为14400mg/L，使用本装置(结构参数：转子外径为600mm；超声波探头每排均布6个，共4排；空化盲孔每排均布6个，共4排；空化盲孔的深度为50mm，直径为20mm)，在3600r/min转速与800W超声波发生器功率下，处理30分钟可使废水的COD下降91.6％。单纯使用水力空化或超声空化在上述条件下对废水进行处理，其COD下降均不明显(小于30％)。

Claims (10)

1.一种基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：包括定子、转子、无线超声换能器、超声探头和转轴；定子和转子为密封筒体，定子两端分别设置有废水入口和出水口，定子内壁安装有超声探头，转子设置在定子内部，为空心结构，定子中安装有转轴，转轴穿过定子和转子，转子固定连接在转轴，转子外侧壁和定子内壁上均分布有空化盲孔；所述超声探头中设置有无线超声换能器，无线超声换能器镶装在定子内壁上；所述超声探头与空化盲孔对正分布；空化盲孔在定子和转子间的微小间隙下构成限流结构，产生限流作用，强化空化现象的生成。
2.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：所述转子为空心结构，外径为400～800mm。
3.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：所述超声波探头每排均布3～8个，共2～8排，等间距分布。
4.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：所述超声波发生器的功率为500～1000W。
5.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：所述空化盲孔为球柱形盲孔。
6.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：所述转子上空化盲孔每排均布5～15个，共4～10排，等间距分布。
7.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：其特征是：所述定子内壁与转子外壁的间隙为4～6mm。
8.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：其特征是：所述空化盲孔的直径与深度比例为2:5。
9.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：其特征是：所述空化盲孔的深度为30～50mm，直径为12～20mm。
10.根据权利要求1所述的基于水力和超声空化的一体式抗生素废水降解装置，其特征是：其特征是：所述废水入口的流量为1.5～4.5m3/h，所述转子的转速为3600～3800r/min。
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CN112726256A (zh) * 2020-12-11 2021-04-30 山东大学 强化纤维素纸浆精炼生产的空化装置

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