CN111807644A - 一种联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置 - Google Patents

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Abstract

一种联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，包括UASB反应器和水力空化器，UASB反应器的出水口与水力空化器的废水进管连接；所述水力空化器，包括两个轮盘和一个定子，定子为密封筒体，两个轮盘均设置在定子内，每个轮盘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，两个轮盘转动方向相反；轮盘外壁上分布有轮盘空化孔洞，定子内壁分布有定子空化孔洞；定子一端设置有废水进管，另一端设置有出液管；空化孔洞在定子和转子间的微小间隙下构成限流结构，强化空化现象的生成。上述装置通过耦合水力与生物法降解抗生素废水，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。

Description

一种联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置
技术领域
本发明涉及一种通过联合水力空化与生物法用于抗生素废水降解的装置，属于抗生素废水处理技术领域。
背景技术
抗生素原料药生产过程中存在着很多缺陷，原材料利用率低、提炼出的抗生素纯度不高以及排放废水中抗生素残留量高，最终使抗生素生产废水成分复杂，COD和SS含量高，色度深，且具有刺激性气味，造成废水处理难度大。随着抗生素制药行业的不断发展，抗生素废水排放总量也在逐年增加，抗生素废水的有效治理已经成为水污染防治研究重点和热点。
近年来，抗生素污染问题逐渐凸显，制药行业水污染物排放标准对制药企业排放出水水质要求更加严格，这就要求制药企业进一步提高抗生素废水治理水平，对现有处理工艺进行升级改造。制药废水的有效治理已经成为制约企业发展的关键性问题。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。
CN 105683091 A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，而本专利产生空化利用的空化腔内壁与空化转子外壁的间隙、空化转子的外壁分布的盲孔共同组成水力结构，水力结构的限流作用引发空化，原理上不同，并且本专利有经过大量实验给与的尺寸数据，来之不易。
CN 206607124A提出一种用于印染废水的处理系统，利用生物法来处理有机废水，结构包括格栅渠，调节池，混凝反应池，初沉淀池，预酸化池，UASB罐，射流曝气池，二沉池，催化混合反应池，氧化反应池，三沉池，暂存池。但是没有协同水力空化来进行，处理的效果难以保证，处理量也小。
CN108658373A提出一种羟基自由基去除制药废水中抗生素的组合系统，涉及自由基化学与水处理应用。设有羟基自由基溶液产生装置、第1液-液水力空化混溶装置、第2液-液水力空化混溶装置、格栅池、调节池、混凝池、初沉池、二沉池、SBR生化反应池、专利中液水力空化混溶装置是一种文丘里管水力空化器，来处理抗生素废水，与本专利提出的旋转水力空化器不是同一种东西，而且根据实验与相关文献表明，文丘里管水力空化器比之旋转水力空化器的效率低很多，所以加入旋转水力空化器无论对于处理还是混合效率都是一个巨大的提升。
非生物处理方法主要是物理法和化学法。物理法主要有隔油法、气浮法、吸附法以及膜分离法，主要用于去除机械污染物；化学法主要有絮凝法、氧化法等，用于处理有毒、浓度高、难降解的废水有较好的效果，其中的光催化氧化法和O3氧化法是近年来的新型、较为理想的处理方法，处理效果好且无二次污染，但存在缺陷和成本较高等原因，还需要不断改善。
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。此专利采用了实心结构，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。
CN104613661A中提出了一种旋转动力旋转加热器，其特征在于，该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CN207468248U、WO2012077889A1、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，提出一种处理效果好，效率高的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置。
本发明的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，采用如下技术方案：
该装置，包括UASB反应器与水力空化器，UASB的出水口与水力空化器的废水进管连接；
所述水力空化器，包括两个轮盘和一个定子，定子为密封筒体，两个轮盘均设置在定子内，一个轮盘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，两个轮盘中的第二轮盘处于设置在第一轮盘端部的凹槽内，两个轮盘转动方向相反；轮盘外壁上分布有轮盘空化孔洞，定子内壁分布有定子空化孔洞；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；定子一端设置有废水进管，另一端设置有出液管。
所述水力空化器的废水进管的流量为1.5～4.5m3/h。
所述两个轮盘各处之间的间隙4～6mm。
所述转轴与传动装置连接，带动轮盘在定子内转动。所述轮盘的转速为4000～4800r/min。
所述定子内径为400～800mm。第一轮盘外径为390～790mm，其凹槽直径为250～650mm。第二轮盘外径为240～640mm。
所述两个轮盘相对端面之间的空隙为4～6mm。所述空化孔洞的外端与其相对的定子内壁或轮盘外壁之间的间隙为4～6mm。通过限流以保证空化现象的形成。
所述空化孔洞为球柱形盲孔。所述空化孔洞的直径与深度比例为1:2。所述空化孔洞深度为20～60mm，直径为10～30mm。
所述第一轮盘的空化孔洞在凹槽端面、凹槽圆周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。
所述第二轮盘空化孔洞在轮盘的端面上以1～3圈及每圈10～40个的形式等距排布；在转子圆周上以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。
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。
上述装置中，抗生素废水先进入UASB中，由脉冲泵按照所需流量将废水注入UASB底部，用好氧污泥作为接种污泥，污水在UASB下部的污泥层(悬浮污泥)中被各种厌氧微生物水解并转化，处理后的污水混同部分悬浮污泥以及沼气以不同的速度通过三相分离器。沼气进入沼气收集斗，由水封逸出收集。厌氧处理过后的污水则从反应器上方的溢流口流出。
UASB的处理水再进入空化反应器，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。生物法与水力空化可高效协同降解，大大提高降解效果，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)。
通过转子旋转使盲孔(水力空化结构)与水做相对运动，增加液相流速，从而降低局部静压力，促使其降至饱和蒸气压之下，从而诱发空化现象，本质是一种限流作用(壁面、间隙间的共同作用)，同时也利用了空化的剪切效应，从而高效降解废水。
利用上述装置对抗生素废水降解处理的过程，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为6.9～7.1，加入絮凝剂或/和助凝剂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搅拌处理后，待搅拌震动不再产生沉淀后，再将废水输送至本发明的上述装置中，进行厌氧处理和空化处理，实现有机物的降解，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与厌氧反应的生物法降解抗生素废水，远远比单独使用水力空化或生物法效率高(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(4～6mm)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.本发明所述装置中的水力空化器采用双轮盘交互分布，轮盘双面开孔，两轮盘在电机带动下逆向旋转，极大地提高了水力空化装置的处理效率；
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；
6.本发明所述装置中的水力空化器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；
7.本发明所述装置中的水力空化器的空化器部分处理过程中内表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；
8.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；
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实际降解实验所得；
11.本发明所述装置将生物法与空化处理工艺结合在一起，大大降低了工艺复杂程度。
附图说明
图1是本发明所述联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置的结构示意图。
图2是本发明中所述定子结构示意图。
图3是本发明中所述转子结构示意图。
图4是本发明中抗生素废水处理的工艺流程图。
其中：1.进水管，2.反应区，3.三相分离器，4.排气口，5.排水管，6.转子端面空化孔洞，7.废水进管，8.轴承壳，9.密封盖，10.角接触球轴承，11.第一转轴，12.机械密封，13.密封圈，14.定子，15.第一轮盘，16.转子外圆面空化孔洞，17.定子空化孔洞，18.第二轮盘，19.楔键，20.右端盖，21.出液管，22.第二转轴，23.角接触球轴承。
具体实施方式
本发明的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，包括UASB和水力空化器，UASB的出水管5与水力空化器的废水进管7连接。废水进管的流量为1.5～4.5m3/h。
如图1所示，UASB采用现有结构，为现有技术，其壳体下部设置有进水管1，壳体内下部为反应区2，壳体上部设置有三相分离器3，壳体上在三相分离器3上方设置排水口5，壳体顶部设置有排气口4。由脉冲泵按照所需流量将抗生素废水由进水管1注入壳体内。废水在UASB反应器下部的污泥层(悬浮污泥)即反应区2中被各种厌氧微生物水解并转化，处理后的污水混同部分悬浮污泥以及沼气以不同的速度通过三相分离器3。沼气进入三相分离器3上部的沼气收集斗，由水封逸出，通过排气口4排放。处理过的污水则从反应器上方的排水管5流出，进入水力空化器。
所述水力空化器，包括定子14、第一轮盘15和第二轮盘18。第一轮盘外径为390～790mm，其凹槽直径为250～650mm。第二轮盘外径为240～640mm。定子14的两端通过螺栓连接有端盖20，连接处设置有密封圈13。定子14及其两侧端盖20组成密闭的空化腔。定子14与端盖20通过螺钉连接，端盖20外端设有轴承壳8，轴承壳8内安装有角接触球轴承10(或角接触球轴承23)，轴承壳8上连接密封盖9，连接处设置有密封圈，实现密封。定子14的左端下侧连接废水进管7，定子右侧上端连接出液管21。
第一轮盘15和第二轮盘18设置在定子14内，第一轮盘15通过楔键固定在第一转轴11上，第一轮盘15与第一转轴11一起旋转。第二轮盘18通过楔键19固定在第二转轴2上，第二轮盘18与第二转轴2一起旋转。参见图3，第一轮盘15上设置有开口凹槽，第二轮盘18处于该开口凹槽内。第一转轴11和第二转轴22分别通过角接触球轴承10和角接触球轴承23安装在定子14两端，伸出端分别通过联轴器与电机连接，电机采用变频电机。第一转轴11和第二转轴22在定子14两端的密封盖(轴承壳)8内均设置有密封装置12，可采用机械密封，以将污水隔离开，防止渗漏。由两部电机分别带动第一转轴11和第二转轴2转动。第一转轴11和第二转轴22的转向相反。
定子14为筒体，参见图2，定子14的两端通过螺栓连接右端盖20，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，定子内径为400～800mm，定子14的内壁上设置有定子空化孔洞17。定子空化孔洞在定子内壁上以2圈及每圈24个等距的形式进行排布。
第一轮盘15和第二轮盘18的端面设置有转子端面空化孔洞6，第一轮盘15和第二轮盘18的外圆面上分布有转子外圆面空化孔洞16。第一轮盘空化孔洞在轮盘凹槽端面上、转子内圆面及转子外圆面上以2～5圈及每圈10～40个等距的形式进行排布；第二轮盘空化孔洞在轮盘端面上以1～3圈及每圈10～40个等距的形式进行排布，在转子圆面上以1～3圈及每圈10～40等距的形式进行排布。参见图1，两个轮盘转动方向相反；轮盘外壁上分布有轮盘空化孔洞，第一轮盘为盘体，第一轮盘15上设置有开口凹槽，第二轮盘也为盘体，无开口凹槽，第二轮盘18处于设置在第一轮盘15端部的凹槽内，为保证空化现象高效率和高质量的形成，转子外圆面空化孔洞16的外端面与定子14的内壁之间的距离(也就是轮盘的外圆面与定子14内壁的间隙)为4～6mm，第一轮盘15和第二轮盘18相对端面之间的空隙为4～6mm，转子端面空化孔洞6的外端面与定子14端盖的间隙(也就是第一轮盘15的外端面与定子左端盖的间隙，或者是第二轮盘18的外端面与定子右端盖的间隙)为4～6mm，第一轮盘15和第二轮盘18各处之间的间隙4～6mm，第一轮盘15通过楔键固定在第一转轴11上，第一轮盘15与第一转轴11一起旋转。第二轮盘18通过楔键19固定在第二转轴2上，第二轮盘18与第二转轴2一起旋转。第一转轴11和第二转轴2的转速为4000～4800r/min。
空化孔洞均为球柱形盲孔，直径与深度比例为1:2，深度为20～60mm，直径为10～30mm。
抗生素废水由废水进管7进入定子14中，转轴11带动转子15旋转，轴22带动转子18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液管21输出。
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7)，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本发明装置中，UASB反应器内进行厌氧处理，再进入水力空化器中进行空化处理，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。
经试验证明，相同条件下单纯使用生物法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41％，单纯使用水力空化则为11％，而采用本发明装置(结构参数为：定子内径为800mm，第一轮盘外径为790mm,第二轮盘外径为640mm；空化孔洞深度为30mm，直径为15mm，均以2圈，每圈24个等距排布；)在60分钟内，4800r/min的转速下对其可达95％以上的降解率。

Claims (10)

1.一种联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：包括UASB反应器和水力空化器，UASB反应器的出水口与水力空化器的废水进管连接；
所述水力空化器，包括两个轮盘和一个定子，定子为密封筒体，两个轮盘均设置在定子内，一个轮盘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，两个轮盘中的第二轮盘处于设置在第一轮盘端部的凹槽内，两个轮盘转动方向相反；轮盘外壁上分布有轮盘空化孔洞，定子内壁分布有定子空化孔洞；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；定子一端设置有废水进管，另一端设置有出液管。
2.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述水力空化器的定子内径400～800mm，第一轮盘外径为390～790mm，其端面凹槽直径为250～650mm，第二轮盘外径为240～640mm。
3.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述水力空化器的两个轮盘间空隙为4～6mm。
4.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述水力空化器的空化孔洞的外端与其相对的定子内壁或轮盘外壁之间的间隙为4～6mm。
5.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述水力空化器的空化孔洞为球柱形，直径与深度比例为1:2。
6.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述水力空化器的空化孔洞深度为20～60mm，直径为10～30mm。
7.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述第一轮盘的空化孔洞在凹槽端面、凹槽圆周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。
8.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述第二轮盘空化孔洞在轮盘的端面上以1～3圈及每圈10～40个的形式等距排布；在转子圆周上以1～3圈及每圈10～40个等距的形式进行排布。
9.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：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。
10.根据权利要求1所述的联合水力空化和生物法的抗生素废水降解装置，其特征是：所述水力空化器的轮盘的转速为4000～4800r/min，所述废水进管中的废水流量为1.5～4.5m3/h。
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