CN111807497A - 一种基于水力空化的抗生素废水深度降解装置 - Google Patents

Abstract

一种基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，包括定子和转子，定子为空心密封筒体，定子内部两端均安装有转轴；每个转轴上安装多个转子，转子为轮盘结构；两个转轴相对转动，旋转方向相反；转子的端面与定子内壁上分布有盲孔，转子圆周方向设有空化槽；盲孔、空化槽与转子、定子壁面所构成的微小间隙构成限流结构，产生限流作用，强化空化现象的生成；定子一端设置有进料管，另一端设置有出料管。两个转子做相对高速旋转，使转子上的空化孔洞与抗生素废水作相对运动，从而引发空化现象。本发明采用水力空化降解抗生素废水中的有机物，高效，可放大性好，处理量大，可连续作业，成本低，不产生二次污染，在废水降解领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于水力空化的抗生素废水深度降解装置

技术领域

本发明涉及一种基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，属于抗生素废水处理技术领域。

背景技术

抗生素是一类由微生物代谢所产生的，能够杀死其他微生物的化学物质。由于抗生素对于致病菌、致病微生物这种抑制以及灭杀的作用。制药过程中排放的废水含有大量抗生素，不仅污染严重而且有机物含量极高，长期以来一直是废水处理的难点。抗生素残留物对环境构成潜在威胁，它们的滥用也会造成地下水、地表水、沉积物和土壤的污染问题。抗生素废水的有效处理也将成为未来废水处理技术的重要研究方向。

抗生素废水难于处理，成分复杂且可生化性差，有如下特征：(1)抗生素废水水量、水质变化大，而且由于生产的药品种类以及产量经常随市场需求调整，废水的水量和水质规律性较差；(2)抗生素废水物质组成十分复杂，其中包含有未反应原料、药物中间体、药物残留物以及有机溶剂等化学结构复杂的难降解有机物；(3)抗生素废水含有大量有机物，COD浓度高达10000mg/L以上；(4)抗生素废水药物残留浓度高，部分废水盐度极高，并且废水对生物抑制作用较大，废水的可生化性较低；(5)抗生素废水色度大、气味重。

与其他类型的废水相比，抗生素废水的特点是成分复杂、毒性高、生物降解性差、有机物浓度高、处理难度大，单一的处理工艺很难有效处理抗生素废水。抗生素废水的处理工艺大致分为三个步骤，分别为预处理，二级处理，及深度处理。根据不同的技术特点可以将废水的处理技术分为物化技术、生物技术、高级催化氧化技术。

物化预处理技术主要有气浮法、混凝沉淀法、氧化絮凝法等，生化处理主要采用活性污泥法、生物接触氧化法以及序批式活性污泥法等，对污染物的处理效果较好。然而，抗生素制药废水可生化性差，含有高浓度的残余抗生素，使废水具有较强的抑菌性，需要的菌种难以培养和驯化，造成好氧或厌氧处理均有困难，且处理负荷较低，致使许多现有的相关废水处理系统不能达标处理。因此，研究适合抗生素制药废水处理的技术工艺已经迫在眉睫。与传统的生物技术相比，高级氧化技术不仅在去除废水COD方面取得良好效果，同时，其羟基自由基的高氧化能力以及选择性小、效率高等特点可有效地降解废水中难降解有机污染物，并且可使废水可生化性得到显著提高。但是，由于高级氧化技术处理成本较高、部分工艺设备较复杂等特点，影响了其在废水处理实际工程中的应用。因此水力空化技术处理抗生素的降解是一种新型的技术，具有处理效率高，绿色无污染等优点。

CN207468248U公开的一种剪切式空化装置中，包括：壳体，用于容纳液体，其正下方设有液体出口，其向正上方设有液体进口；剪切空化机构，设置在壳体的中心位置，包括，斜牙转子，内侧沿圆周方向均匀设置有辐射状的直角牙，所述直角牙凸起边线均为规则直角形；直牙转子，内侧沿圆周方向均匀设置有辐射状的倾斜牙，所述倾斜牙的凸起端面倾斜一定角度，其中直牙转子与斜牙转子同轴相对设置，并且与斜牙转子之间形成空隙；驱动结构，用于驱动斜牙转子和直牙转子向相反方向转动。此结构产生空化效应的区域较小，空化效率低，该装置中也并未给出产生空化现象所需要的一些参数。同时虽然两个转子设置也是反向旋转，但是，其只在转子的一面布置牙状结构，因此当转子工作时，会产生轴向力，导致转子产生振动或跳动，对装置的运行稳定性和安全都产生极大的影响。

WO2012077889A1公开的《FLUID HEATER》是一种空化流体加热装置，在装置中存在一个固定筒和一个转动筒，旋转筒间隙转配在固定筒中，固定筒和旋转筒上均设有孔。其采用的空化结构是通过通孔间的剪切产生空化泡，而非盲孔，以通孔的方式产生空化现象容易造成空化泡的干涉，从而降低其空化效率。

CN104613661A公开的一种旋转动力旋转加热器，包括多个液体空化管，定子与多个转子同轴穿过驱动轴，定子与驱动轴间具有间隙，至少在定子的两端设置与定子之间具有间隙的转子，所述定子上设置多个一端开口的定子进液孔，每个定子进液孔连接液体空化管，通过在定子内设置支管，使支管连通定子与转子的间隙与定子进液孔，带有热量的液体通过各种间隙流向出液口，经过加热管道连接液体空化管进液口形成循环。其机械结构采用的是球形空穴发生空化效应，而且其装置整体质量大，能耗高。

上述CN207468248U、WO2012077889A1、CN104613661A等虽然提出了旋转式的空化器，但没有抗生素废水的降解功能。

发明内容

针对抗生素废水的传统处理方法及新兴方法中的弊端，提出一种适应性强，处理效率高，降解效果好的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置。

本发明的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，采用如下技术方案：

该装置，包括定子，定子为密封筒体，定子两端均安装有转轴，每个转轴上安装多个转子，转子为轮盘，两个转轴相对转动，旋转方向相反，转子的端面与定子内壁上分布有盲孔，转子圆周方向设有空化槽，定子一端设置有进料管，另一端设置有出料管，所述两个转轴上的转子对称设置；盲孔和空化槽构成的空化孔洞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。

所述进料管的流量为1.5～4.5m³/h。

所述两个转轴分别与传动装置连接，带动转子在定子内转动。

所述转子在转轴上沿轴向等距分布，每个转轴上共有2～4个转子。转子外径为400～800mm，转速为2600～3200r/min。

所述转子圆周上的空化槽均布10～20个。所述空化槽底部为半圆结构。所述空化槽的长度为30～60mm，宽度为15～40mm，深度为10～25mm。

所述盲孔的外端面与其相对面之间的距离为4～6mm。所述相邻转子的间距为4～6mm。上述间隙用于形成限流结构，强化空化现象的诱发。

所述盲孔为球柱形，其直径与深度比为1:2。所述盲孔的深度为20～50mm，直径为10～25mm。

所述转子的两个端面上的盲孔以3～6排和每排10～40个等距的形式进行排布。

所述定子内壁上的盲孔以3～6列和每列10～40个等距的形式进行排布，每列对准所述空化槽的位置。

为保证空化现象的形成并高效地降解抗生素废水，上述结构与工艺参数均由实际降解实验所得。

上述装置，由两部电机分别带动两个转子做相对高速旋转，使转子上的空化孔洞与抗生素废水作相对运动，从而引发空化现象。空化装置产生一系列效应主要依赖于空化过程，具体过程如下：当溶液流经空化装置时，空化装置产生的节流作用使得流速突然增大、压力急速降低，当缩流断面处压力降低至临界压力(局部压力低于操作温度下溶液的饱和蒸汽压)溶液中所含的非溶解性气核随着压力的降低形成大量空泡，随着射流膨胀以及装置内压力逐渐恢复，空泡被压缩直至溃灭。在空泡溃灭瞬间产生高达1900～5200K的温度及5.065×10⁷Pa的压力、形成强烈的冲击波和高速射流(400km/h)产生强氧化性羟基自由基·OH，利用空化效应产生的极端物理环境和化学效应，可以降解抗生素废水中有机物。

利用上述装置对抗生素废水降解的过程，是：

将废水输送至栅格池过滤，然后依次进入调节池和沉淀池，在调节池和沉淀池中加入中和药剂(NaOH或HCl)来平衡废水的pH，使pH达到6.9～7.1，使废水中的有害化学元素在反应中发生沉淀，沉淀物输送至污泥池处理，上层浊液输送至水解酸化池中进行水解酸化，进一步使废水中的污染物沉淀，将废水输送至搅拌器内处理后，待搅拌震动不再产生沉淀后，将废水输送至上述装置的定子中，实现有机物的降解，获得处理水。

本发明采用多组轮盘以旋转剪切的方式产生空化，两对转子相同转向相反转向均可，同时轮盘两边均布置有盲孔，通过对称布置，可以有效平衡轴向力，保证装置稳定运行，实现对抗生素废水的降解。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置采用水力空化降解抗生素废水中的有机物，处理量大，可连续作业，具有高效性；

2.本发明所述装置采用多轮盘对称分布，每个轮盘多面开孔，并在定子内壁开孔，轮盘在电机带动下逆向旋转，盲孔空间利用率高，极大地提高了水力空化的处理效率；

3.本发明所述装置定子的盲孔与转子侧面的空化槽间的相互作用可极大促进空化现象的生成，其效果远高于一般仅转子布置盲孔的空化器；

4.本发明所述装置采用电力作为动力来源，不受环境因素的影响，可根据需求随用随开，具有很高的灵活性，环保高效；

5.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)；

6.本发明所述装置的盲孔在定、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；

7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变尺寸，只需改变转子、定子尺寸，保证定子与转子上开孔之间的间距为4～6mm，更换大功率变频电机便可以满足更大抗生素废水处理量的需求；

8.本发明所述装置采用电力作为动力来源，不受环境因素的影响，可根据需求随用随开，具有很高的灵活性，环保高效；

9.本发明所述装置处理过程中内表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；

10.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；

11.本发明所述装置不局限于抗生素废水，对于其他类型的有机废水也预计拥有良好的处理效果；

12.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际降解实验所得。

附图说明

图1是本发明基于水力空化的抗生素废水深度降解装置的结构示意图。

图2是本发明中转子端面的盲孔分布图。

图3是本发明中定子筒体结构示意图。

图4是本发明装置对抗生素废水的处理过程示意图。

图中：1.转子端面盲孔，2.进料管，3.密封盖，4.端盖，5.第一转轴，6.角接触球轴承，7.机械密封，8.密封圈，9.定子，10.第一转子，11.空化槽，12.定子盲孔，13.第二转子，14.楔键，15.端盖，16.出料管，17.第二转轴，18.角接触球轴承。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，包括定子9，定子9的两端通过螺栓连接有端盖15，连接处设置有密封垫圈，定子9及其两侧端盖15构成密封筒体(密闭的空化腔)。端盖15上连接有轴承壳3，轴承壳3内安装有角接触球轴承6(或角接触球轴承18)，轴承壳3上连接密封盖4，连接处设置有密封圈8，实现密封。第一转轴5和第二转轴17分别通过角接触球轴承6和角接触球轴承18安装在定子9两端的一个端盖15中，伸出端盖的一端通过联轴器与电机连接，由电机提供动力，电机采用变频电机。第一转轴6和转第二转轴17的转向相反(相对转动)。第一转轴5和第二转轴17在定子9两端的轴承壳3内均设置有密封装置，可采用机械密封7，以将污水隔离开，防止渗漏。定子9的左端下侧连接进料管2，定子右侧上端连接出料管16。进料管的流量为1.5～4.5m³/h。

第一转轴5在定子9内的部分通过楔键固定安装有三个第一转子10(至少为两个)，第二转轴17在定子9内的部分通过楔键14固定安装有三个第二转子13(至少为两个)。第一转子10和第二转子13为轮盘结构，在转轴上间隔排布，第一转子10和第二转子13在定子9内分别随第一转轴13与第二转轴17一起旋转。

第一转子和第二转子为轮盘结构，外形为圆柱体，其结构参见图2。转子在转轴上沿轴向等距分布，每个转轴上共有2～4个转子，转子外径为400～800mm。第一转子10和第二转子13端面中间都有一通孔，通过该孔和楔键14分别连接第一转轴5和第二转轴17，从而达到转子转动的效果，转子的转速为2600～3200r/min。第一转子10和第二转子13的两端面上分布有转子端面盲孔1，以同心圆形式排布，以3～6排(3～6个同心圆)和每排10～40个等距的形式进行排布。第一转子10和第二转子13的外圆面均分布有空化槽11，在转子的两端面及外圆面均设置空化孔洞可以提高空化效率，提高抗生素废水中有机物的降解速率。空化槽11均布10～20个，空化槽的长度为30～60mm，宽度为15～40mm，深度为10～25mm，空化槽底部为半圆结构。相邻转子之间的间距(空隙)为4～6mm，转子和定子之间的距离为4～6mm，形成了限流结构，有利于空化现象的产生。盲孔为球柱形，其直径与深度比为1:2，深度为20～50mm，直径为10～25mm。

定子9固定在地基上，定子结构见图3，定子9的两端螺栓孔用来连接左右端盖，形成密封筒体，定子9为圆柱型筒体，外形似圆柱体。内部有一个圆柱体空间，用来容纳转子，转轴等，也是进行空化的空间。定子内壁上分布有定子盲孔12，盲孔12以3～6列(3～6圈，同一截面的圆周)和每列10～40个等距的形式进行排布，每列与转子的空化槽11的位置对准。转子端面盲孔1和定子盲孔12其相对面的间距离为4～6mm，起到了限流的作用，利于空化现象的产生。

第一转子10和第二转子13的材料是双相钢渗氮。将组装完成的第一转子10安装在转第一转轴6上后，再将角接触轴承5安装在转第一转轴6上，随后装配定子左侧端盖、机械密封7和密封盖，接着安装轴环以及装配好的第二转子13和第二转轴17组件，安装定子右侧端盖15，安装机械密封，安装角接触球轴承和密封盖。

抗生素废水由进料管道2进入定子9中，转第一转轴6带动第一转子10旋转，第二转轴17带动第二转子13旋转，发生空化现象，实现降解抗生素废水中有机物的作用，最后产生处理水由出料管道16输出，进入收集池。

采用本发明的上述装置对抗生素废水的处理过程如图4所示，采用的设施包括废水池、栅格池、调质池、沉淀池、污泥池、水解酸化池、搅拌器、本发明装置以及收集池。废水池、栅格池、调质池、沉淀池、污泥池、水解酸化池、搅拌器和收集池均为现有技术，是通用结构。本发明装置的结构如上所述。

由管道将废水输送至栅格池，在格栅池中，废水通过过滤网，对其中较大体积的杂物起到初步过滤的作用，调节池和沉淀池加入中和药剂来平衡废水的pH(pH调节至6.9～7.1)，使得其中的一些化学元素在反应中发生沉淀，进一步的去除废水中的有害物质，沉淀物由泥浆泵输送至污泥池等待下道工序处理，上层浊液由泥浆泵输送至水解酸化池中进一步使废水中污染物沉淀，将废水输送至搅拌器内处理，待搅拌震动不再产生沉淀后，采用泥浆泵将抗生素废水输送至水力空化器中进一步对抗生素废水中有机物进行降解，获得处理水，输送至收集池。

本发明通过在室温条件下，实际降解5L的某厂皮革生产有机废水(其初始COD含量为21200mg/L)，得到如下结论：利用本装置(结构参数为：转子外径700mm；圆周空化槽16个，其长度为45mm，宽度为25mm，深度为20mm；盲孔深度为30mm，直径为15mm；转子端面与定子内壁的盲孔分布为每个面各4排，每排24个)，在3200r/min转速下，处理45分钟可使废水的COD下降93.8％。可见本发明所述装置对有机废水降解的高效性。

Claims (10)

1.一种基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是，包括定子和转子，定子为空心密封筒体，定子内部两端均安装有转轴；每个转轴上安装多个转子，转子为轮盘结构；两个转轴相对转动，旋转方向相反，对称设置；转子的端面与定子内壁上分布有盲孔，转子圆周方向设有空化槽；盲孔、空化槽与转子、定子壁面所构成的微小间隙构成限流结构，产生限流作用，强化空化现象的生成；定子一端设置有进料管，另一端设置有出料管。

2.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述转子外径为400～800mm，所述转子的转速为2600～3200r/min；所述进料管的流量为1.5～4.5m³/h。

3.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述转子在转轴上沿轴向等距分布，每个转轴上共有2～4个转子。

4.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述空化槽的长度为30～60mm，宽度为15～40mm，深度为10～25mm，底部为半圆形结构。

5.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述转子圆周面上的空化槽均布10～20个。

6.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述盲孔的外端面与其相对面之间的距离为4～6mm；所述相邻转子的间距为4～6mm。

7.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述盲孔为球柱形。

8.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述盲孔的直径与深度比为1:2。

9.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述盲孔的深度为20～50mm，直径为10～25mm。

10.根据权利要求1所述的基于水力空化的抗生素废水深度降解装置，其特征是：所述转子的两个端面上的盲孔以3～6排和每排10～40个等距的形式进行排布；所述定子内壁上的盲孔以3～6列和每列10～40个等距的形式进行排布，每列均对准所述定子上的空化槽。

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