CN111807595A - 水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置 - Google Patents
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Abstract
一种水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，包括水力空化及超声空化联合反应室和光解反应室，两个反应室之间由带有控制阀的连接管连接；水力空化及超声空化联合反应室内设置有转子，转子包括中心筒体和卫星体，卫星体分布在中心筒体的外围并连接在中心筒体上，中心筒体固定在转轴上，水力空化及超声空化联合反应室的内壁以及中心筒体和卫星体的外表面均分部有空化孔洞，水力空化及超声空化联合反应室的内壁设置有超声波发生装置，水力空化及超声空化联合反应室的上部设置有进水管，光解反应室内设置有紫外灯。该装置采用水力空化和超声空化降解抗生素废水，可多次循环处理，处理效果好，不产生二次污染，保证了空化效果最佳。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用水力空化联合超声空化和光解技术处理抗生素废水的装置，属于抗生素废水处理技术领域。
背景技术
现阶段，常规降解抗生素的方法有光解、生物降解、催化剂降解等，不同抗生素降解率差异很大，且普遍存在效率不高等问题。水力空化技术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有机污染物，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。近年来，超声空化在去污方面有着非常广泛的应用。超声空化中，气泡在被压溃时产生的高温高压冲击波减少了污垢与液体间的粘着力，能够高效处理有机物。此外，在抗生素的降解中，抗生素的光降解由于其降解效果佳而被广泛研究。其中基于硫酸根自由基的氧化/光降解是一种效率较高的降解方式，通过添加硫酸根自由基产生物，光照射/化合激发硫酸根自由基，从而达到光降解作用。
但是单独一种工艺难以彻底有效降解抗生素。
CN106565008A中提到运用石墨烯催化臭氧联合工艺氧化使抗生素高效降解，但石墨烯制备的四大主流方法(微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀CVD法与氧化石墨还原法)存在制造设备成本高、无法广泛应用等问题。
CN207468248U中描述的一种剪切式空化装置，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，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发生空化效应，而且其装置整体质量大，能耗高，结构维护较高。
上述CN207468248U、WO2012077889A1和CN104613661A的技术方案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、更有效的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置。
本发明水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，采用以下技术方案：
该装置包括水力空化及超声空化联合反应室和光解反应室，两个反应室之间由带有控制阀的连接管连接；水力空化及超声空化联合反应室中设置有转子，转子包括中心筒体和卫星体，卫星体分布在中心筒体的外围并连接在中心筒体上，中心筒体固定在转轴上，转轴安装在水力空化及超声空化联合反应室的两端，水力空化及超声空化联合反应室的内壁以及中心筒体和卫星体的外表面均分部有空化孔洞，各个空化孔洞为盲孔，水力空化及超声空化联合反应室的内壁设置有超声波发生装置(包括超声波换能器与外设的超声波发生器)，水力空化及超声空化联合反应室的上部设置有进水管，光解反应室内设置有紫外线灯管(UV185nm)，其上设置有进料口、进气口和出水口。
所述空化孔洞分布在圆心角为90°的扇形体区域内，等角度、等间距对称分布。
所述转轴与传动装置连接，带动转子在定子内转动。所述转子的转速为3200～3600r/min。
所述空化孔洞的外端面与其相对面的间隙为4～8mm。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。
所述空化孔洞为球柱形结构。
所述空化孔洞的直径与深度比例为2:5。所述空化孔洞的深度为20～50mm，直径为8～20mm。
所述超声波换能器在水力空化及超声空化联合反应室的每端设置2～4组，每组2～6个(成对使用)。所述超声波发生器数量为1～2个，单机功率1500～3000W。
所述紫外线灯管功率为15～100W。
上述水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素废水装置，上部水力空化、超声空化联合反应室，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，在高温高压条件下污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，产生的大量高活性羟自由基·OH能够氧化废水中的化学物质，极高温高压会使分子中的化学键断裂从而达到降解大分子有机物的目的。超声空化降解是自由基氧化理论、高温热解和超临界水氧化共同作用的结果。UV光解机理是在波长λ＜190nm的紫外线光照条件下，水分子经过均裂和电离产生强氧化性OH-等活性物质①②，其中①过程形成效率较高，而当溶液中存在分子氧时，①②产生的OH-和
便会和O2分别进行二级反应产生
和
此外，溶液中的有机物被OH-氧化生成中间产物后，溶解氧会进一步与其反应生成过氧自由基，这一过程对有抗生素的矿化起到十分重要的作用，并最终实现抗生素的深度降解。在水力空化效应作用的同时，添加超声波与光解工艺，三者可高效协同降解，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，可获得远高于三者单独使用时降解效果的总和(至少两倍以上)。
H2O+hv(UV)→H++OH-①
采用上述装置的抗生素降解处理系统，包括依次连接的调质池、格栅池、沉淀池、本发明的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置和收集池。
将抗生素废水输送至调质池中，通过加入有效溶剂(交联絮凝沉淀剂)对抗生素污染物进行预处理，调节废水PH值在7左右，使抗生素废水杂质初步固液分离，再进入栅格池中进行过滤处理，进一步将预分解抗生素废水与固体污染物分离，得到含其他杂质较少的抗生素废水，为进入水力空化、超声空化联合反应室提供必要的条件。采用泥浆泵将处理液体输送至水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置中，对抗生素废水进行降解。降解完毕后，将液体排入收集池。沉淀池为经过栅格池过滤的废水提供静置沉淀，保证进入降解装置的废水相对稳定。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置高效耦合了光催化、超声空化与水力空化工艺协同降解抗生素废水，远远比单独使用上述工艺的效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性；
2.本发明所述装置的空化孔洞在定、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.空化孔洞在上下圆柱和中间空心圆柱表面分布为圆心角90°的扇形体区域，既可以保证空化效果最佳，也可以降级加工成本；
4.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)；
5.本发明所述装置将水力空化、超声空化与光解工艺结合在一起，一体化设备大大简化了整个工艺流程；
6.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；
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、定子与灯管尺寸，更换大功率变频电机和灯管便可以满足更大抗生素废水处理量的需求；
8.本发明所述装置运转过程中，内表面周期性被空化清洗，故具有自清洁功能；
9.本发明所述装置工作状态为常压结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修；
10.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；
11.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是本发明水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素装置的结构示意图。
图2是本发明中转子侧面结构示意图。
图3是本发明中抗生素污染物降解处理系统的流程图。
图中：1.左端盖，2.密封盖，3.轴承壳，4.角接触球轴承，5.机械密封，6.转轴，7.密封圈，8.进水管，9.水力空化及超声空化联合反应室，10.定子内壁空化孔洞，11.卫星体空化孔洞，12.卫星体，13.中心筒体，14.中心筒体空化孔洞，15.转子端盖，16.超声波发生装置(包括超声波换能器与外设的超声波发生器)，17.楔键，18.右端盖，19.连通管，20.控制阀，21.紫外线灯，22.出水口，23.进气口，24.进料口，25.光解反应室，26.联轴器，27.增速器，28.电机，29.调质池，30.格栅池，31.沉淀池，32.本发明装置，33.收集池。
具体实施方式
本发明的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，将水力空化、超声空化和光解技术相结合，实现装置一体化。如图1所示，该装置包括上下两个反应室，上下两个反应室共用左端盖1和右端盖18，左端盖1和右端盖18之间通过筒体形成上下两个密闭腔体，上部密闭腔体为水力空化及超声空化联合反应室9，下部密闭腔体为光解反应室25。水力空化及超声空化联合反应室9和光解反应室25通过连通管19连接互通。水力空化及超声空化联合反应室9的上部设置有进水管8，连通管19上设置控制阀20，用于控制输送处理水。
水力空化及超声空化联合反应室9中设置有转子，转子包括中心筒体13和卫星体12，卫星体12分布在中心筒体13的外围并连接在中心筒体13两侧的端盖15上。转子侧面如图2所示。中心筒体13为空心圆柱结构，卫星体12为圆柱结构，卫星体12相对于转轴6对称分布。左端盖1和右端盖18上通过螺钉连接有轴承壳3，轴承壳3内安装有角接触球轴承4，轴承壳3上连接密封盖2，连接处设置有密封圈，实现密封。中心筒体13通过楔键17固定在转轴6上，转轴6通过角接触球轴承4安装在左端盖l和右端盖18上，转轴6伸出右端盖18，通过联轴器26与增速器27连接，增速器27右侧与电机28连接。转轴6与左端盖l和右端盖18的轴承壳3内均设置有密封装置，可采用机械密封5，以将废水隔离开，防止渗漏。
水力空化及超声空化联合反应室9的内壁以及中心筒体13和卫星体12的外表面分别分布有定子内壁空化孔洞10、卫星体空化孔洞11和中心筒体空化孔洞14，各个空化孔洞为盲孔，参见图2，分布在圆心角为90°的扇形体区域内，等角度、等间距对称分布，提高了水力空化降解速率。所有空化孔洞均为盲孔，深度为20～50mm，直径为20～50mm，直径与深度比例为2：5。为保证空化现象高效的形成，所有空化孔洞的外端面与其相对面的间隙为4～8mm。转子的转速为3200～3600r/min。
水力空化及超声空化联合反应室9内每端设置有2～4组超声波换能器，每组2～6个(成对使用)，均位于两侧定子中间位置，正对水力空化反应区，超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器数量为1～2个，单机功率1500～3000W，二者共同组成超声波发生装置16。超声空化可与水力空化同步使用。
转子端盖15上正对超声波探头16的位置做环形切割处理，保证超声波探头16能够透过端盖15作用于空化反应腔。
光解反应室25内设置有紫外线灯管2l(UVl85nm，15～100W)，其上设置有进料口24、进气口23和出水口22。
抗生素废水由进水管8进入定子9中，转轴6带动转子的中心筒体13和卫星体12旋转，发生水力空化现象。超声波探头16对废水进行超声空化降解，实现降解抗生素废水的作用。处理完毕后，打开控制阀20，将水力空化、超声空化处理完成的废水通过连通管19流入光解反应室进行下一步降解。从进料口24加入光催化剂TiO2，将臭氧O3由进气管23通入光解反应室，在紫外线照射条件下，进行光解处理，最终处理水由出水管22输出。
采用上述装置的抗生素降解处理系统，如图3所示，包括依次连接的调质池29、格栅池30、沉淀池3l、本发明装置32和收集池33。调质池29、格栅池30、沉淀池3l均为现有技术，采用现有结构。将抗生素废水输送至调质池29中，通过加入有效溶剂(交联絮凝沉淀剂)对抗生素污染物进行预处理，调节废水pH至7左右，使抗生素废水杂质初步固液分离，再进入栅格池30中进行过滤处理，进一步将预分解抗生素废水与固体污染物分离，得到含其他杂质较少的抗生素废水，为进入水力空化联合超声空化和光解降解抗生素装置提供必要的条件。采用泥浆泵将处理废水输送至本发明装置32中，对抗生素废水进行降解，降解完毕后，排出至收集池33中。沉淀池为经过栅格池过滤的废水提供静置沉淀，保证进入降解装置的废水相对稳定。
利用本装置对水力空化、超声催化、光解以及联合催化降解四种情况进行试验，将待输入l中的废水进行四等分，分别施加四种条件，对出水管22中排出的处理废水进行抽样，采用浊度法检验间接检验抗生素降解效果。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)，30分钟内的降解率仅为18％，单纯使用水力空化(3600r/min的转速)则为16％，单纯使用超声空化(800W)为2l％，而采用本发明装置在30分钟内，对其可达95％以上的降解率。
Claims (10)
1.一种水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，包括水力空化及超声空化联合反应室和光解反应室，两个反应室之间由带有控制阀的连接管连接；水力空化及超声空化联合反应室中设置有转子，转子包括中心筒体和卫星体，卫星体分布在中心筒体的外围并连接在中心筒体上，中心筒体固定在转轴上，转轴安装在水力空化及超声空化联合反应室的两端，水力空化及超声空化联合反应室的内壁以及中心筒体和卫星体的外表面均分部有空化孔洞，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；水力空化及超声空化联合反应室的内壁设置有超声波发生装置，水力空化及超声空化联合反应室的上部设置有进水管，光解反应室内设置有紫外线灯管，其上设置有进料口、进气口和出水口。
2.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述空化孔洞分布在圆心角为90°的扇形体区域内。
3.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述转轴与传动装置连接，带动转子在定子内转动，转速为3200～3600r/min。
4.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述空化孔洞的外端面与其相对面的间隙为4～8mm。
5.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述空化孔洞为球柱形结构。
6.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述空化孔洞的直径与深度比例为2:5。
7.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述空化孔洞的深度为20～50mm，直径为8～20mm。
8.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述超声波换能器在水力空化及超声空化联合反应室的每端设置2～4组，每组2～6个，成对使用。
9.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述超声波发生器数量为1～2个，单机功率为1500～3000W。
10.根据权利要求1所示的水力空化联合超声空化和光解技术降解抗生素的装置，其特征是，所述紫外灯管功率为15～100W。
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