CN111807584A - 水力空化结合光解降解抗生素废水的装置 - Google Patents

水力空化结合光解降解抗生素废水的装置 Download PDF

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Abstract

一种水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，包括水力空化器和光解装置，水力空化器的废水进管与光解装置的液体出口连接；所述水力空化器包括两个转子和一个定子，定子为密封筒体，两个转子均设置在定子内固定连接在各自转轴上，两个转子转动方向相反；转子端面上分布有转子空化孔槽，定子内壁分布有定子空化孔槽；定子设置有废水进管和出液管；所述光解装置，包括脉冲灯光解箱，脉冲灯光解箱的两侧设置有液体进口和液体出口，脉冲灯光解箱内设置有脉冲灯；所述脉冲灯的两端穿过所述脉冲灯光解箱的侧壁。该装置采用水力空化结合光解装置降解抗生素废液中的有机物，极大地提高了废水处理效率，处理量大，可连续作业，具有高效性。

Description

水力空化结合光解降解抗生素废水的装置
技术领域
本发明涉及一种通过水力空化技术结合光解降解技术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
常见的抗生素废水处理方法主要包括生物处理法、氯化法、高级氧化技术(AOP)、电化学处理法、吸附法、薄膜法、超声空化效应法、微生物降解法以及技术结合法。污水处理厂和饮用水处理厂的传统设备不能有效去除水中的抗生素类污染物，因此高级氧化技术(AOP)越来越多的应用于污水处理中，其中最常用到的方法是臭氧法和Fenton法，臭氧法的优点是在污水流速或者组成出现波动的过程中依然能达到良好的效果，并且可以去除多种抗生素，它的主要缺点是设备投资大，能源消耗高。臭氧法能够有效去除溶液中的抗生素，但是对污水的矿化需要很长时间，处理后毒性未消除，有的甚至产生的副产物毒性更强了。Fenton法在处理过程中，如果PH控制的不好，容易生成大量的氢氧化物沉淀，并且其中的可溶性催化剂回收较难。Photo-Fenton法对β-内酰胺类抗生素的去除效率较高，同时TOC的去除率也有所上升，并且处理后的污水生物可降解能力增强。但是对于污水的浊度有要求，因为浊度会影响光照的效果。
水力空化处理废水是一种新型的环境污染物削减技术，处理有机污染物具有方法简便、不产生二次污染物，适用范围广等特点，具有广阔的发展潜力和应用前景。空化过程中产生的羟自由基·OH能够有效降解水体中的抗生素污染物，具有化学稳定性高、对人体无害、成本较低、反应条件温和、选择性小等优点，在难降解污染物的处理方面有着广泛应用。空化过程：水力空化过程中，空化结构附近产生极高压高温的条件，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。所产生的大量高活性羟自由基·OH能够氧化油泥中的化学物质，极高温高压会使分子中的化学键断裂从而达到降解抗生素大分子有机物的目的。
另外光解技术在常温常压下即可彻底破坏有机物分子结构，用于降解含抗生素类废水，具有处理效率高、反应温和、适用范围广、反应迅速等特点，因而具有良好的应用前景。
光解过程：在光辐射下，半导体Tio2电极和金属电极组成的原电池中，可连续发生水的氧化还原反应生成H2。Tio2是一种N型半导体，具有较大的禁带宽度，离子的能带结构由填满电子的价带(Valence band,VB)和空的导带(Conduction band，CB)构成，价带和导带之间为禁带，带隙能为3.2eV，其能量相当于波长为387.5nm的紫外光。当二氧化钛收到能量大于禁带宽度的光照射时，价带的电子(e-)被激发，跃迁到导带，在价带上留下空穴(h+)，形成电子-空穴对。并与吸附在催化剂表面的H2O和O2反应，形成活性很强的自由基和超氧离子等活性氧，诱发光化学反应。生成的自由基具有很强的氧化分解能力，可以破坏C-C、C-H、C-N、C-O、N-H等化学键，具有很高的降解有机物能力)。抗生素分子结构中一般包含不饱和键光敏基团，有助于半导体带中电子跃迁。发色基团吸收的光波越长，自身电子越易激发，跃迁后具有高能量的电子传到半导体TiO2后形成电子空穴对。抗生素分子的协同作用使TiO2可被较长波长的光激发，吸收光谱的范围由紫外光区延伸至可见光，不仅有效地提高了催化性能，亦可充分利用自然光谱降解抗生素废水。
CN205382045U提出一种水中抗生素的降解系统，利用声空化与光催化协同处理抗生素，通过沿工艺路线方向依次连接设置气液混合装置、超声波催化装置和紫外催化装置，并与所述气液混合装置的进水端连接设置臭氧发生器，所述气液混合装置的出水端连接设置加压水泵；进行污水处理时，先利用气液混合装置将臭氧和待处理污水进行充分混合，之后利用超声波催化装置内超声波的空化效应并结合紫外催化装置内的紫外光催化作用使得臭氧分子化学键发生断裂并产生大量羟基自由基，从而进一步利用所述羟基自由基对污水中抗生素进行降解，但是声空化可放大性差，处理量少。
CN105683091A提出一种通过环形结构之间的空化来处理水的方法和设备，对于在空化设备中通过空化来处理水的方法，待处理的水穿过存在于两个相互对置的、相对彼此旋转的环形结构之间的环形空化区，所述两个环形结构具有基本上轴向彼此相对地定向的齿。该水在此沿该空化面流动，该空化面设置在两个环形结构的第一环形结构的齿的正面上并且在圆周方向上倾斜成，使得在另一个第二环形结构的相对的旋转方向上看，该空化面到另一个第二环形结构的距离增大。所以原理上利用轮盘相互转动的齿来进行空化，利用了剪切作用，利用轮盘相互转动的齿来进行空化，利用了剪切作用。
目前尚没有将水力空化与光解相结合的应用实例。
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。该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。专利中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。
CN104613661A提出了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产生空化效应，而且其装置整体质量大，能耗高。
上述CN204240625U、RU2310798C1、CN104613661A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。
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，能够很好的互补不足，使抗生素废水降解过程更充分、更有效的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置。
本发明的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，采用如下技术方案：
该装置，包括水力空化器和光解装置，水力空化器的废水进管与光解装置的液体出口连接；
所述水力空化器，包括两个转子和一个定子，定子为密封筒体，两个转子均设置在定子内，每个转子固定连接在一个转轴上，两个转轴分别安装在定子的两端并伸出定子，两个转子转动方向相反(相对转动)；转子端面上分布有转子空化孔槽，定子内壁分布有定子空化孔槽；定子一端设置有废水进管，另一端设置有出液管；所述定子内壁与转子外壁的间隙以及各处分布的空化孔槽共同组成水力结构，水力结构的限流作用引发空化；
所述光解装置，包括脉冲灯光解箱，脉冲灯光解箱的两侧设置有液体进口和液体出口，脉冲灯光解箱内设置有脉冲灯；所述脉冲灯的两端穿过所述脉冲灯光解箱的侧壁。
所述转轴与传动装置连接，带动转子在定子内转动。
所述转子空化孔槽为圆形槽，定子空化孔槽为凹槽。
所述转子空化孔槽或定子空化孔槽的外端与其相对面的间隙为4～8mm。以保证空化现象的形成。
所述空化孔槽的宽度与深度比例为2:5。所述空化孔槽深度为50mm，宽度为20mm。
所述两个转子的相对端面交错排布有凸齿。所述两个转子相对端面各处之间的空隙为4-8mm。
所述盲孔为球柱形结构。
所述转子的转速为3800r/min-4000r/min。
所述第一转子的空化孔洞在凹槽端面及转子圆周面上分别以2～5圈及每圈10～40个的形式等距排布。
所述第二转子空化孔洞在转子的端面上以4～7圈及每圈10～40个的形式等距排布；在转子凹槽以1～3圈及每圈10～40个等距的形式进行排布。
所述定子空化孔洞在定子内壁上以1～3圈及每圈10～40个等距的形式进行排布。
上述水力空化器中，由两部电机分别带动两个转子做相对高速旋转，使转子上的空化孔槽与抗生素废水作相对运动，从而引发空化现象。主要依赖于空化过程产生一系列效应，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、压力极速降低，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。此外，在水力空化效应作用的同时，添加光解工艺，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)。
本发明的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(稀释的双氧水(20％-40％)、二氧化钛或硫酸亚铁溶液(1％-50％)，根据降解的废水量来调节比例)来平衡废水的pH(可以保证废水的PH值在3.0-3.5之间，更利于降解抗生素废水)，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(在搅拌器内进行均匀搅拌，有助于使药剂与污水混合，提高处理效率)，再输送至本发明的上述装置中，先进入水力空化器中，实现有机物的降解，再进入脉冲灯光解箱进一步对抗生素废水中有机物进行降解，获得处理水。
本发明转子采用双轮盘对转式结构，轮盘与定子上均分布有盲孔，并联合生物法协同降解，可以大大提高废水降解效果。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结合水力空化和光解协同降解抗生素废水，远远比单独使用水力空化或光解的方法效率高(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.本发明所述装置中的水力空化器的空化孔洞在定、转子间的微小间隙(4～8mm)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和光解结合在一起，一体化设备降低了整个抗生素废水降解的工艺流程。
4.经计算流体力学仿真验证，本发明所述装置中的水力空化器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)。
5.本发明所述装置中的水力空化器可放大性强，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。
6.本发明所述装置中的水力空化器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。
7.本发明所述装置中的水力空化器运转过程中，内表面周期性被空化清洗，故具有自清洁功能。
8.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。
9.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；
10.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是本发明中水力空化器的结构示意图。
图2是水力空化器中转子与端盖相对端面的结构示意图。
图3是本发明中定子的结构示意图。
图4是本发明中光解装置的结构示意图。
图5是本发明水力空化结合光解降解抗生素废水的装置的结构示意图。
图6本发明对抗生素废水有机物降解工艺流程图。
图中：1.废水进管，2.密封盖，3.端盖，4.角接触球轴承，5.第一转轴，6.机械密封，7.转子端面空化孔槽，8.密封圈，9.壳体，10.第一转子，11.凸齿，12.定子空化孔槽，13.第二转子，14.轴套，15.右端盖，16.出料管，17.第二转轴，18.角接触球轴承；
19.液体储存容器，20.液体进口，21.液体出口，22.脉冲灯，23.侧壁孔；
24.水力空化器，25.光解装置，26.泥浆泵，27.盲孔。
具体实施方式
本发明的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置包括水力空化器和光解装置。
水力空化器的结构如图1所示，包括定子9、第一转子10和第二转子13。定子9的两端通过螺栓连接有端盖15，形成密闭的空化腔，连接处设置有密封垫圈8。端盖15上通过螺钉连接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3，连接处设置有密封圈，实现密封。第一转子10和第二转子13为轮盘结构，相对设置在定子9内，第一转子10通过轴套固定在第一转轴5上，第一转子10与第一转轴5一起旋转。第二转子13通过轴套14固定在第二转轴17上，第二转子13与第二转轴17一起旋转。第一转轴5和第二转轴17分别通过角接触球轴承4和角接触球轴承18安装在定子9两端的端盖15上，并伸出端盖。第一转轴5和第二转轴17在定子9两端的轴承壳2内均设置有密封装置6，可采用机械密封，以将污水隔离开，防止渗漏。第一转轴5和第二转轴17各自通过联轴器与电机连接，电机采用变频电机。由两部电动机分别带动第一转轴5和第二转轴17相对转动，第一转轴5和第二转轴17的转向相反。第一转子10和第二转子13的转速为2000r/min-4000r/min。
定子9的左端下侧连接废水进管1，定子右侧上端连接出料管16。废水进管1和出料管16对角设置。
定子9、第一转子10和第二转子13上均设置有空化孔槽。定子9内壁上分布有定子空化孔槽12。第一转子10和第二转子13的相对端面交错排布有凸齿11，第一转子10和第二转子13与端盖15相对的端面上分布有转子端面空化孔槽7和盲孔27。第一转子的空化孔槽在凹槽端面及转子圆周面上分别以2～5圈及每圈10～40个的形式等距排布；第二转子空化孔槽在转子的端面上以4～7圈及每圈10～40个的形式等距排布，在转子凹槽以1～3圈及每圈10～40个等距的形式进行排布。参见图2。第一转子10通过轴套14固定在第一转轴5上，第一转子10与第一转轴5一起旋转。第二转子13通过轴套14固定在第二转轴17上，第二转子13与第二转轴17一起旋转。各处设置的空化孔槽可以提高空化效率，提高了抗生素废水中有机物的降解速率。
定子9为筒体，参见图3，定子9的两端通过螺栓连接有端盖15，定子一端设置有废水进管，另一端设置有出液管，两个轮盘均设置在定子内，定子14的内壁上设置有定子空化孔槽12。定子定子空化孔槽在定子内壁上以1～3圈及每圈10～40个等距的形式进行排布。
为保证空化现象高效率和高质量的形成，转子外圆面与定子9的内壁之间的间隙为4-8mm。
第一转子10和第二转子13相对端面之间各处的空隙为4-8mm，转子端面空化孔槽7的外端面与定子14端盖的间隙(也就是第一转子10的外端面与定子左端盖的间隙，或者是第二转子13的外端面与定子右端盖的间隙)为4-8mm，第一转轴5和第二转轴17的转速为3800r/min-4000r/min。空化孔槽为凹槽，空化孔槽的深度为50mm，宽度为20mm，宽度与深度比例为2：5。盲孔27的深度为50mm，直径为20mm。
预处理后的抗生素废水由废水进管1进入定子9中，第一转轴5和第二转轴17分别带动第一转子10和第二转子13旋转，发生空化现象，实现降解废水中有机物，最后产生处理水由出料管16输出。
光解装置的结构如图4所示，主要是脉冲灯光解箱，脉冲灯光解箱包括液体储存容器1，液体储存容器19上设置有液体进口20和液体出口21，液体储存容器19内分布有八根脉冲灯22。脉冲灯22发射的光谱波长为620nm，脉冲灯22的灯管设置在液体储存容器19内部，脉冲灯22的两端穿过液体储存容器1的侧壁孔23而位于液体储存容器19的外侧，即脉冲灯22的电源端位于液体储存容器19的外侧，避免与液体直接接触。
如图5所示，上述水力空化器24和光解装置25组成本发明的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置。水力空化器24的出料管16与光解装置25的液体进口20连接，连接管路上设置泥浆泵26。
应用本发明的装置对抗生素废水的处理过程如图4所示，所用设施包括格栅池、调质池、沉淀池、污泥池、水解酸化池、搅拌器、本发明装置和收集池。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值，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后输送至本发明的装置。先进入水力空化器中，实现有机物的降解，再输送至光解装置，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。
本发明将水力空化与光解技术进行联合，不仅大大降低了设备成本、而且操作起来简单易行，更主要的是与单独使用水力空化或光解技术相比，进一步大幅度的提高了抗生素废水中COD去除效率。经试验证明，相同条件下单纯使用光解降解四环素模拟废水(体积为5L，浓度为30mg/L)，60分钟内的降解率仅为21％，单纯使用水力空化则为11％，而采用本发明装置在60分钟内，4000r/min的转速下对其可达93.4％以上的降解率。

Claims (10)

1.一种水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，包括水力空化器和光解装置，水力空化器的废水进管与光解装置的液体出口连接；
所述水力空化器，包括两个转子和一个定子，定子为密封筒体，两个转子均设置在定子内，每个转子固定连接在一个转轴上，两个转轴分别安装在定子的两端并伸出定子，两个转子转动方向相反；转子端面上分布有转子空化孔槽，定子内壁分布有定子空化孔槽；定子一端设置有废水进管，另一端设置有出液管；所述定子内壁与转子外壁的间隙以及各处分布的空化孔槽共同组成水力结构，水力结构的限流作用引发空化；
所述光解装置，包括脉冲灯光解箱，脉冲灯光解箱的两侧设置有液体进口和液体出口，脉冲灯光解箱内设置有脉冲灯；所述脉冲灯的两端穿过所述脉冲灯光解箱的侧壁。
2.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的空化孔槽为球柱形结构。
3.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器的转子空化孔槽或定子空化孔槽的外端与其相对面的间隙为4-8mm。
4.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的空化孔槽的宽度与深度比例为2:5。
5.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的空化孔槽深度为50mm，宽度为20mm。
6.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的两个转子的相对端面交错排布有凸齿。
7.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的转子的转速为3800r/min-4000r/min。
8.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的所述第一转子的空化孔洞在凹槽端面及转子圆周面上分别以2-5圈及每圈10-40个的形式等距排布。
9.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的所述第二转子空化孔洞在转子的端面上以4-7圈及每圈10-40个的形式等距排布；在转子凹槽以-3圈及每圈10-40个等距的形式进行排布。
10.根据权利要求1所述的水力空化结合光解降解抗生素废水的装置，其特征是，所述水力空化器中的所述定子空化孔洞在定子内壁上以1-3圈及每圈10-40个等距的形式进行排布。
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