CN111807499A - 水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置 - Google Patents

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Abstract

一种水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，包括转子和定子，定子为空心密封筒体，定子内壁上设置有电极；转子设置在定子内，转子为多层圆柱体结构，其表面分布有环切槽；转子固定连接在转轴上，转轴穿过定子及其内部的转子，定子与转轴同步转动；转子各层端面均设置有空化孔洞；定子一端设置有进水管，另一端设置有出水管。上述装置通过环切槽形成类环形多层反应腔，充分利用空间获得更大的空化强度，还耦合了电催化工艺，形成一体式旋转水力空化反应器，采用水力空化联合电催化降解抗生素，既降低了所需电极数量，又保证了空化与电催化均有效作用于抗生素废水，处理效果好，处理量大，可连续作业，不产生二次污染。

Description

水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置
技术领域
本发明涉及一种利用水力空化联合电催化处理抗生素废水的一体式装置，属于抗生素废水处理技术领域。
背景技术
目前，降解抗生素的方法有物理吸附法、氧化法、电催化法、光解法等，各种方法各有优势及不足。
CN110002549A的发明中提供一种SnO2-WO3/纳米石墨阳极电催化降解水中抗生素的方法。将适量纳米石墨浸渍到氯化亚锡、钨酸铵、尿素混合溶液中，经过陈化、烘干，将所得固体充分研磨，再通过高温煅烧制成SnO2-WO3/纳米石墨催化剂；将得到的SnO2-WO3/纳米石墨催化剂通过热压法制备成电极应用于电催化降解头孢他啶废水。该方法过程复杂。
CN104556266A公开了一种强化水力空化处理装置，CN106745489A公开了一种水力空化污水处理设备，使流体空化后崩溃产生大量自由基，有效提高水力空化降解有机污染物的能力，以达到提高和强化空化处理废水效果的目的。但是目前市面上的水力空化处理污水装置基本采用文丘里管、空化喷嘴的结构实现空化的目的，上述结构均存在处理量小、效率低下、结构复杂、难以大型化的问题，无法应用于实际污水过程中。
CN204240625U公开的《一种液相燃烧器》、RU 2310798C1公开的《LIQUID HEATINGDEVICE》以及CN104613661A公开的《一种旋转动力加热器》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。单一的方法均不能使抗生素废水更有效、更充分地降解。
发明内容
本发明针对抗生素废水降解存在的问题，提出一种使抗生素废水降解过程更充分、更有效的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置。
本发明的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，采用以下技术方案：
该装置，包括转子和定子，定子为密封筒体，转子设置在定子内，转子为圆柱体，该圆柱体分布有上环切槽，使转子分层，转子固定连接在转轴上，转轴穿过定子及其内部的转子，定子与转轴同步转动，转子各层端面均设置有空化孔洞，空化孔洞为盲孔，盲孔在定子内壁与转子外壁的微小间隙下形成水力结构，水力结构的限流作用强化空化诱发；定子一端设置有进水管，另一端设置有出水管；定子内壁上相对设置有电极。
所述转轴与传动装置连接，带动转子在定子内转动。
所述环切槽为2～5条，使转子沿轴向分为3～6层。
所述转子直径为200～500mm。
所述环切槽宽度(转子上相邻两层的间隙)为4～6mm。所述转子外壁与定子内壁的间隙为4～6mm，形成限流结构，保证空化现象的高效形成。
所述空化空洞为球柱形盲孔。
所述空化孔洞的直径与深度比例为3:2。
所述空化孔洞的深度为20～40mm，直径为30～60mm。
所述空化孔洞在转子每层的两个端面上均以3～6圈(同心圆)以及每圈10～40个等距的形式排布。
所述转子的转速为2800～3200r/min。
所述电极采用SnO2-WO3/纳米石墨电极。
所述进水管中的废水流量为1.5～4.5m3/h。
所述电极在定子内壁对向设置四组，每组电极包含正负电极各1个，等间距对应对称分布在定子中心轴线两侧，电压设定为0.1～2V，最大程度实现空化和电催化效果的协同。
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计算流体力学仿真、多目标优化设计或实际降解实验所得。
上述装置，由电机带动转子高速旋转，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。空化现象是指液体内部局部压力降低时，液体中形成气泡并溃灭的过程，当液体流经水力结构时，由于水力结构的限流作用，流速急剧上升，压力下降，当压力降低到工作温度下液体饱和蒸气压时产生空化现象，在空化气泡破灭的瞬间其周围极小范围会产生高压高温，在高温高压条件下水中的水分子和溶解的氧分子的原子之间的化学键会断裂，并形成具有强氧化性的羟自由基。在电催化的辅助下，空化产生羟自由基的速率会大大上升。它们可以轻易够氧化废水中的有机物分解、矿化，从而实现抗生素废水的深度降解。
本发明所述装置的转子通过环切槽形成类环形多层反应腔，充分利用了空间，可获得更大的空化强度。此外，该装置还耦合了电催化工艺，形成一种新型一体式旋转水力空化反应器，采用水力空化联合电催化的方法降解抗生素，既降低了所需电极数量，又保证了空化与电催化均有效作用于抗生素废水。实现了降解高效环保、零污染物排出。此外，在水力空化效应作用的同时，添加电催化工艺，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)。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结合了水力空化和电催化方法，协同深度降解抗生素废水，远远比单独使用水力空化或电催化的方法效率高(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.本发明所述装置将水力空化器和电极结合在一起，一体化设备大大降低了整个抗生素废水降解的工艺流程；
3.本发明所述装置采用圆柱体转子，结构对称，装置运转时可以有效的平衡轴向力，使设备运行更加平稳，有效的增加了设备使用寿命；
4.本发明所述装置采用特殊设计的圆柱体转子，在转子内部形成多层环形反应腔，较传统的旋转式空化器的空化效率更高；
5.本发明所述装置的空化孔洞在定、转子间，以及转子每层之间的微小间隙(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；
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.本发明所述装置采用电机作为废水处理系统的动力来源，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。采用电能为能源，零排放，无污染，具有良好的环保性；
8.本发明所述装置工作状态为常压，抗生素污染物处理系统可以安全稳定运行；结构较为简单，清理及检修拆卸方便；
9.本发明所述装置可大型化，只需改变转子、定子尺寸，保证定子与转子之间及反应腔内空化孔洞间的距离为4～6mm，更换大功率变频电机便可以满足更大抗生素污染物处理量的需求；
10.本发明所述装置电极对称分布在转子两侧，既能够保证电催化处理充分，又能保证水力空化与电催化有效结合；
11.本发明所述装置在运转过程中，内表面周期性被空化清洗，故具有自清洁功能；
12.本发明所述设备结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修；
13.本发明所述设备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；
14.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是本发明水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置的结构示意图。
图2是本发明中转子的俯视结构图。
图3是本发明装置左视图。
图4是抗生素废水降解的流程图。
图中：1.进水管，2.轴承壳，3.密封装置，4.角接触球轴承，5.密封盖，6.转轴，7.电极，8.定子，9.空化孔洞，10.圆柱体转子，11.电机，12.螺栓，13.密封圈，14.楔键，15.出水管。
具体实施方式
本发明的水力空化联合电催化降解抗生素的装置，如图1所示，主要包括定子8、圆柱体转子10和转轴6。定子8的两端通过螺栓连接有端盖，连接处设置有密封垫圈13，形成密闭的空化腔。定子8两端分别设有轴承壳2，轴承壳2内安装有角接触球轴承4，轴承壳2上连接密封盖5，连接处设置有密封圈13，实现密封。定子8的两侧分别设置有进水管1和出水管15。圆柱体转子10处于定子8的空化腔内，圆柱体转子10上设置2～5条环切槽，使转子沿轴向分为3～6层，形成多层反应腔，为类环形多层结构，转子10通过楔键14固定连接在转轴6上，使整个转子10与转轴6一起旋转。转轴6通过定子8两端的角接触球轴承4安装在定子8中，伸出端通过联轴器连接电机，电动带动转轴6转动，转子直径为200～500mm，转子转速为2800～3200r/min。转轴6上在定子8两端的轴承壳2内均设置有密封装置3，可采用机械密封，以将废水隔离开，防止渗漏。
定子8内相对方向上设置四组电极7，等间距对应对称分布在定子中心轴线两侧，以最大程度实现空化和电催化的叠加作用。采用SnO2-WO3/纳米石墨电极。每组电极包含正负电极各1个，相对设置，电极7的电压设定为0.1～2V，最大程度实现空化和电催化效果的协同。
圆柱体转子10的各层的端面分布有空化孔洞9，如图2所示，空化孔洞在转子10每层的两个端面上均以3～6圈以及每圈10～40个等距的同心圆形式进行排布。空化孔洞9为球柱形盲孔，空化孔洞的深度为20～40mm，直径为30～60mm，直径与深度比例为3：2。环切槽宽度(转子上相邻两层的间隙)为4～6mm。转子10的外壁(包括转子两端及外圆面)与定子内壁的间隙为4～6mm，形成限流结构，保证空化现象的高效形成。当间隙大于6mm时，盲孔和定子无法形成限流结构，转子转动无法引发空化或无法产生明显空化，空化效率会降低50％以上；而当间隙尺寸小于4mm时，空化产生没有明显变化，但会出现不平稳现象同时产生巨大噪声，增大了能耗，同时还极易堵塞；因此，实现高效空化处理所需的空化孔洞9外端面与其相对面的最优间隙尺寸区间为4～6mm。当转子10的转速低于2800r/min时，转子转速低于临界转速，空化效果不明显，降解抗生素效果差；当转子转速高于3200r/min时，会产生巨大噪声，转子也出现不稳定现象，同时也需要较高的轴功率，增大了能耗不利于高效处理；因此，高效处理的最优转速区间为2800～3200r/min。空化孔洞在定子和转子间，以及转子每层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。发明人进行了大量计算流体力学仿真、多目标优化设计与实际降解实验获得的最优解，可以实现空化装置的最佳空化强度。
抗生素废水由进水管1和进入定子8中，转轴6带动转子10旋转，发生空化现象，实现降解抗生素的作用，最后产生处理水由出水管道7输出，进入收集池。进水管流量为1.5～4.5m3/h。本发明的水力空化结合电催化降解抗生素装置应用于图4所示的抗生素处理系统中，该污泥处理系统包括调质池、格栅渠、沉淀池、高温失活处理(高温气体)、本发明所述装置、收集池。抗生素自流进入调质池(加入NaOH或HCl)，均衡水质、水量后，进入格栅集水池，除去大颗粒固体物质并调节水量水质，由泵提升至沉淀池，经高温灭活后(在沉淀池通入高温空气)送入水力空化装置中，对抗生素污水进行降解，将抗生素进行分解，获得处理水，输送至收集池。
为检验所述装置的有效性，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(结构参数为：环切槽为四条，使转子沿轴向分为五层；转子直径为300mm；空化孔洞的深度为25mm，直径为10mm；在转子每层的两个端面上均以4～6圈以及每圈24个等距的形式进行排布)在3200r/min转速与0.1V电压下，处理30分钟可使废水的COD下降87.1％。单独使用水力空化或电催化在上述条件下对废水进行处理，其COD下降均不明显(小于25％)。由此可见本发明所述装置对抗生素废水降解的高效性。

Claims (10)

1.一种水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，包括转子和定子，定子为密封筒体，转子设置在定子内，转子为圆柱体，该圆柱体分布有上环切槽，使转子分层，转子固定连接在转轴上，转轴穿过定子及其内部的转子，定子与转轴同步转动，转子各层端面均设置有空化孔洞，空化孔洞为盲孔，盲孔在定子内壁与转子外壁的微小间隙下形成水力结构，水力结构的限流作用强化空化诱发；定子一端设置有进水管，另一端设置有出水管；定子内壁上相对设置有电极。
2.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述环切槽为2～5条，使转子沿轴向分为3～6层。
3.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述转子直径为200～500mm。
4.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述环切槽宽度为4～6mm，所述转子外壁与定子内壁的间隙为4～6mm。
5.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述空化空洞为球柱形盲孔。
6.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述空化孔洞的直径与深度比例为3：2。
7.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述空化孔洞的深度为20～40mm，直径为30～60mm。
8.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述空化孔洞在转子每层的两个端面上均以3～6圈以及每圈10～40个等距的形式进行排布。
9.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述转子的转速为2800～3200r/min，所述进水管中的废水流量为1.5～4.5m3/h。
10.根据权利要求1所述的水力空化与电催化一体式抗生素废水降解装置，其特征是，所述电极在定子内壁对向设置2～6组，每组电极包含正负电极各1个，等间距对应对称分布在定子中心轴线两侧，电压设定为0.1～2V。
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