CN111825202A - 一种水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置 - Google Patents

Abstract

一种水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，包括转子、定子和中心轴，定子为密闭筒体，转子为空心筒体，转子设置在定子内，转子外壁分布有球柱形盲孔；中心轴竖直安装在定子中穿过定子和转子，并与转子固定连接，定子上部设置有废水进管，底部设置有废水出管；废水进管处设置氧化剂加入管。在抗生素废水中加入双氧水，转子转动，使抗生素废水发生空化，氧化剂可以降解部分抗生素从而提高去除效率。本发明通过水力空化和氧化结合处理抗生素废水，抗生素去除率高，效果好，无二次污染。

Description

一种水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置

技术领域

本发明涉及一种利用水力空化并添加氧化剂的方法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

抗生素是由微生物或者动植物产生的具有抗病原体的一类代谢产物，是一种能干扰细胞生长的有机物。抗生素被广泛地应用在医药、畜牧和水产养殖等领域中，并带来了巨大的收益。然而，由于抗生素废水由于其对微生物的强烈抑制作用，而且抗生素的过量使用极大的威胁着生态环境，所以抗生素废水必须进行处理。

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。目前的抗生素废水主要方法有混凝法、气浮法、吸附法、光催化氧化法、生物法和电解法等。混凝法是在加入混凝剂后，通过搅拌失去电荷的颗粒相互接触而形成絮凝剂，便于其沉淀或过滤以达到分离的目的。气浮法是以高度分散的微气泡为载体，吸附废水中的污染物，使气泡的表观密度小于水的表观密度，向上漂浮，实现固液分离或液液分离的过程。吸附法是指利用多孔固体吸附废水中的某些污染物来回收或清除污染物，从而净化废水，但此方法并不能将污染物处理掉。光催化氧化法是利用催化剂在光的作用下处理废水，该方法具有性能稳定、反应条件温和、无二次污染等优点，但效率较低。生物法是利用好氧生物降解抗生素的方法，存在效率低且不能完全处理等缺点。

空化现象最初是由于船螺旋桨突然失去动力而被发现的，随后又发现所有运转于液体中的装置都可能发生空化现象。近年许多研究将空化现象应用于多种环境、生物、化工领域，取得了良好的效果，其中空化技术在废水处理领域极具前景。例如CN106745489A所公开的的一种水力空化污水处理设备，其文丘里管、多孔板、多孔空化喷嘴、撞击喷嘴四部分组成。将孔板水力空化、文丘里管内空化与多孔喷嘴空化有机结合，但其结构复杂，稳定性较差，设备成本和维护成本都较高。

CN103232127A公开的超声空化协同水力空化污水处理器，利用超声换能器结合文丘里管，利用超声空化进行污水处理，但是其处理效率较差。CN110217957A公开的一种用于失活污泥降解的水力空化装置，其采用实心双层盘转子，盲孔间分布采用同心圆式分布，存在空化盲孔间的空化干涉问题。

CN207468248U公开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，该文件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，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。

虽然CN207468248U公开的《一种剪切式空化装置》、WO2012077889A1公开的《FLUIDHEATER》和CN104613661A公开的《一种动力旋转加热器》，均属于单纯的空化发生装置，未耦合其他物理、化学强化方法，且并未说明可以针对抗生素废水进行处理。

CN110078196A提供一种水力空化和臭氧联合处理含硫污水的系统，其包括污水罐、泵、流量计、调压阀组件、第一压力表、孔板空化发生器、第二压力表、臭氧供入管道。污水罐、泵、孔板空化发生器依次通过管道连接并形成循环回路，第一压力表监测孔板空化发生器上游管道的压力，调压阀组件调节孔板空化发生器上游管道的压力，第二压力表监测孔板空化发生器下游管道的压力；臭氧供入管道设置在孔板空化发生器下游管道中的压力在大气压附近的位置处，臭氧供入管道用于向孔板空化发生器出口与第二压力表之间的管道通入臭氧，以使臭氧与空化的含硫污水反应。上述系统所用水力空化装置较为简单，所引起空化效应雷诺数较低，产生空化效应的效果较差，且无废水前置处理步骤，废水中的颗粒物容易影响整个脱硫处理过程。

CN207645883U公开了一种超重力及水力空化强化臭氧处理含硫污水的装置，该装置包括氧气瓶、臭氧发生器、气体流量计、超重力旋转填料床、污水罐、水力空化器，氧气瓶途径臭氧发生器与超重力旋转填料床气体入口相联通，污水罐与超重力旋转填料床液体入口相连接，氧气瓶与超重力旋转填料床气体入口相连接；超重力旋转填料床液体出口与水力空化器、污水灌均相连接；污水罐与水力空化器的进口、出口均相连接；超重力旋转填料床气体出口与外界相连接。该装置的水力空化装置不明确，也未明确说明增强脱硫效果的水力空化和臭氧的耦合方式。

发明内容

本发明针对现有抗生素废水降解处理存在的问题，提出一种使抗生素废水降解过程更充分、更有效的一种耦合水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置。

本发明的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置采用以下技术方案：

该装置，包括转子、定子和中心轴，定子为密闭筒体，转子为空心筒体，转子设置在定子内，转子外壁分布有球柱形盲孔；中心轴竖直安装在定子中穿过定子和转子，并通过转子端盖与转子固定连接，定子下部设置有废水进管，上部设置有废水出管；废水进管处设置氧化剂加入管；盲孔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。

所述中心轴与传动装置连接，带动转子在定子内转动。

所述氧化剂加入管伸入到废水进管中心位置，使氧化剂和抗生素废水充分混合。

所述氧化剂加入管中的氧化剂为双氧水，双氧水浓度为1.5～4.5％，双氧水与废水的体积比例为1～3:1000。

所述定子内壁与转子外壁的间隙是4～6mm，形成限流结构，强化空化现象的诱发。

所述盲孔直径为15～40mm，深度为15～40mm。

所述中心轴的转速是4000～4600rpm。

所述废水进管的流量为1.5～4.5m³/h。

所述空化孔洞在转子的端面上以10～15列及每列10～30个等距的形式进行排布。

利用泵将抗生素废水抽取进入定子空腔中，在废水进管中通过氧化剂加入管均匀加入双氧水，转子转动，使抗生素废水发生空化，空化发生时伴随的机械效应和热效应引起局部的高温高压，将抗生素进行降解。

空化产生机理为剪切空化。抗生素废水在定子中流速增大、压力降低，当压力降至蒸汽压甚至负压时，液体中气泡产生、生长和溃灭。

空泡溃灭将伴随及其复杂的多种物理、化学效应，瞬间可释放出巨大能量。

利用水在空化时产生的高温高压降解抗生素。氧化剂可以降解部分抗生素从而提高去除效率。

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。

为了深度降解抗生素废水，本发明通过氧化剂与强化空泡溃灭时产生的强物理、热与化学效应，可高效深度降解含抗生素的废水，整个过程绿色、无污染，具有较大应用前景。

本发明的空化产生机理为剪切空化，使用计算流体力学来更直观地分析相互作用的过程。原水流速增大、压力降低，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在海水中的气体会释放出来，同时海水汽化而产生大量空化泡，随后液体周围压力迅速恢复喷射扩张，空化泡瞬间破灭。空化是指液体中气体或蒸汽的空腔在外场的作用下发生振荡的一种复杂的物理现象，空泡溃灭将伴随极其复杂的多种物理、化学效应和机械效应，其产生的大量羟基自由基具有极强的氧化性，瞬间可释放出巨大能量，具有极大的能量利用潜力。

在水力空化效应作用的同时，添加氧化剂，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)。

本发明通过水力空化和氧化结合处理抗生素废水，抗生素去除率高，效果好，无二次污染，出水稳定，相比传统氧化法投资少。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化与氧化剂降解抗生素废水，远远比单独使用水力空化或氧化剂的方法效率高(可提高2～3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.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)；

4.本发明所述装置将水力空化与氧化工艺结合在一起，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

5.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；

6.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变尺寸，只需改变轮盘、定子尺寸，保证定子与轮盘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.本发明所述装置使用的氧化剂不局限于H₂O₂和O₃，其他类型的氧化剂预计也有良好的处理效果；

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是本发明水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置的结构示意图。

图2是抗生素废水处理系统的结构原理示意图。

图3是本发明中的带有柱形盲孔的转子的立体示意图。

图4是本发明中转子与其外壁上的球柱状盲孔剖面示意图。

图中：1.废水进管，2.氧化剂加入管，3.定子，4.定子端盖，5.中心轴，6.转子端盖，7.转子，8.废水出管，9.转子上的盲孔，10.抗生素废水储存罐，11.泵，12.过氧化氢储存瓶，13. 水力空化反应器，14.电机。

具体实施方式

如图1所示，本发明的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，包括定子3和转子7。定子3和转子7均密闭筒形结构，转子7设置在定子3内，定子3内壁与转子7外壁的间隙是4～6mm。定子3上下两端均通过螺栓连接有端盖4，连接处设置密封垫，使定子内部形成密封的空化腔。转子7上下端均设置有端盖6，使转子内部形成密封的筒体，端盖6中设置轴承，中心轴5通过轴承竖直安装在定子3两端，中心轴5穿过定子3及转子7，转子7与中心轴5固定连接。中心轴5与传动装置连接，带动转子7在定子3内转动，中心轴5由电机14带动转动(参见图1)。转子7的外壁上分布有一个个间隔排布的球柱形盲孔9，以便于产生空化。中心轴5的竖直安装使得转子转动更加有益于动平衡，获得更好的空化效果，转速是4000～4600rpm。如图3和图4所示，大量盲孔9均匀分布在转子7的外壁，为球柱状，球柱为圆柱形孔与孔洞底部的半球形组合而成，盲孔9的直径为15～40mm，深度为15～40 mm。在相同的直径与深度的情况下，相比传统的圆柱形或锥形结构，其诱发的空化强度可提高较大程度，而所需轴功率无明显上升。

采用上述水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置的抗生素废水处理系统，如图2所示，除了水力空化反应器13以外，还包括废水进管1(用以连接废水储存罐10与水力空化反应器13排进废水)、氧化剂加入管2(用以连接过氧化氢储存瓶12与反应器13)、泵11(用以提供动力输送废水)、抗生素废水储存罐10、过氧化氢储存瓶12、电机14(为水力空化反应提供动力)。废水进管中的废水流量为1.5～4.5m³/h。

定子3的下端设置废水进管1，废水进管1上设置有氧化剂加入口2，定子3的上端设置有废水出管8。

如图2所示，储存于抗生素废水储存罐10中的抗生素废水由泵11、废水进管1输送至水力空化反应器13的定子3内，同时过氧化氢储存瓶12的过氧化氢(双氧水浓度为1～4.5％，双氧水与废水的添加比例为1～3：1000)作为氧化剂进入水力空化反应器13的定子3内。

电机14带动中心轴5转动，中心轴5带动转子7在定子3内转动。抗生素废水在定子3内流入转子7上的盲孔9内，由于转子7高速旋转，废水会被甩出，废水甩出的过程相当于对盲孔9内抽压，孔内压力降低到饱和蒸汽压以下时，便会发生空化，空化所带来的机械效应和热效应会分解抗生素，从而处理抗生素废水。盲孔为球柱形，以10～15列及每列10～30个等距的形式进行排布在转子表面。处理之后的抗生素废水从废水出管8排出。添加氧化剂能够强化抗生素分解效果，提高分解率。

本发明通过在室温条件下，实际降解10L的某厂抗生素生产废水(其COD含量为14400 mg/L)，得到如下结论：使用本装置(结构参数为：盲孔深度为20mm，直径为20mm；转子的盲孔分布为以14列，每列12个，等间距均布)，在4600r/min转速率，以及3％浓度的双氧水(比例为1：1000)使用量的条件下，处理30分钟可使废水的COD下降91.9％。而单独使用水力空化或臭氧在上述条件下对废水进行处理，其COD下降均不明显(小于20％)。可见本发明所述装置对抗生素废水降解的高效性。

Claims (9)

1.一种水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：包括转子、定子和中心轴，中心轴连接电机，定子和转子均为密闭筒体，转子设置在定子内，转子外壁分布有盲孔；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；中心轴竖直安装在定子中穿过定子和转子，并与转子固定连接，定子下部设置有废水进管，废水进管中设置有泵，定子上部设置有废水出管；定子中部设有氧化剂加入管。

2.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述转子为空心结构。

3.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述盲孔为球柱形结构。

4.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述氧化剂加入管中的氧化剂为双氧水，双氧水浓度为1.5～4.5％，双氧水与废水的体积比例为1～3：1000。

5.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述定子内壁与转子外壁的间隙是4～6mm。

6.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述盲孔直径为15～40mm，深度为15～40mm。

7.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述中心轴的转速是4000～4600rpm。

8.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述空化孔洞在转子的端面上以10～15列及每列10～30个等距的形式进行排布。

9.根据权利要求1所述的水力空化结合氧化处理抗生素废水的装置，其特征是：所述中心轴的转速是4000～4600rpm，所述废水进管中的废水流量为1.5～4.5m³/h。

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