CN112320882B - 一种污水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理技术领域，涉及一种污水处理装置。一种污水处理装置，包括水力空化辅助放电等离子体发生器，所述水力空化辅助放电等离子体发生器包括外壳，所述外壳为一管体，所述外壳内设有空化发生器和接地层，所述空化发生器和接地层之间形成放电腔；所述空化发生器与接地层和外壳之间设有绝缘结构。本发明无需投加化学原料，仅依靠电能和特殊几何结构的水力设备即可实现，且不存在有害副产物，避免对水体造成二次污染。

Description

一种污水处理装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及一种污水处理装置。

背景技术

目前，水资源污染比较严重，工农业生产废水排放、城市生活污水排放和垃圾堆填区渗滤液泄漏是目前引发水资源污染的几个主要因素。虽然相当数量的企业及城市都已经配备有污水处理厂，但是在全球范围内仍然存在污水处理能力不足的严重问题。未经有效处理的污水不断排放将会引起污染物浓度长期维持在峰值，甚至不断升高。这一现象将对早已岌岌可危的水资源安全问题带来更加恶劣的影响。此外，科学技术的进步在为人类带来更多优质可靠商品的同时也为地球带来了新型污染物，如药品和个人护理产品、抗生素以及杀菌剂和杀虫剂等。传统水处理技术，如氯法、紫外线法和臭氧法，一方面难以满足日益提高的污水排放需求，另一方面对新型污染物也束手无策。因此，人类社会亟需高效绿色的新型水处理技术。

高级氧化方法(AdvancedOxidationProcess，简称AOP)是一种新型污水处理技术，目前已知的高级氧化技术，虽然取得了一定的成果，但依然存在无法突破的局限性：芬顿(Fenton)法会产生大量需要二次处理的铁泥，并且需要严格控制过氧化氢的投加量和污水的pH值；臭氧法往往需要体积巨大的鼓泡塔或曝气池来完成臭氧与水体接触的过程。而近年来得到广泛研究的光催化法则面临光敏材料成本高昂、羟基生成区域局限在催化材料表面，以及光照难以穿透浑浊污水等问题。

发明内容

本发明提出一种污水处理装置，其处理效率高且环境友好，将推动高级氧化方法的进步和提升应对水资源污染危机的能力。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种污水处理装置，其特殊之处在于：

包括水力空化辅助放电等离子体发生器，所述水力空化辅助放电等离子体发生器包括外壳，所述外壳为一管体，所述外壳内设有空化发生器和接地层，所述空化发生器和接地层之间形成放电腔；所述空化发生器与接地层和外壳之间设有绝缘结构。

本发明利用水力空化技术在水中生成空化泡，并在水中进行放电，使空化泡内以及空化泡和水的接触面上生成等离子体，进而在水中生成羟基自由基等活性物质。同时，利用水力空化产生强烈涡流的特性使活性物质与水体中的污染物充分接触。最终，利用羟基自由基等活性物质的强氧化性，快速降解水中污染物，或杀死水中有害微生物。

进一步地，上述空化发生器为一管体，其一端开口，另一端封闭；所述管体上设有空化发生孔，用于产生空化泡。

进一步地，上述空化发生孔沿所述空化发生器轴线的轴向和周向均匀分布。

进一步地，上述沿空化发生器轴线周向分布空化发生孔数量不少于四个，沿空化发生器轴线轴向分布空化发生孔之间的距离不小于空化发生孔的直径d。

进一步地，上述空化发生孔直径d与空化发生器厚度l比值d/l≥3。

进一步地，上述外壳和空化发生器同轴设置。

进一步地，上述绝缘结构包括绝缘套，所述绝缘套用于防止空化发生器和接地层间发生短路。

进一步地，上述接地层和空化发生器之间还设有密封圈，所述密封圈用于使污水仅在空化发生器和放电腔之间流动。

进一步地，还包括等离子体发生源，所述等离子体发生源能够产生高频交流电，频率不小于5kHz，输出电压不小于1kV。等离子体发生源与空化发生器和接地层相连，空化发生器是高压电极，接地层作为地电极。

进一步地，上述空化发生器和接地层均由高强度和具有良好导电性的金属制成。

进一步地，上述外壳两端设有用于连接的法兰结构。

本发明的优点：

(1)相较于现有高级氧化水处理技术，本发明适用范围广，能够对不同种类废水进行处理；

(2)本发明能够直接在水中产生羟基自由基等活性物质，且能够通过水力空化作用快速与水体混合，并与污染物充分接触；

(3)本发明无需投加化学原料，仅依靠电能和特殊几何结构的水力设备即可实现；

(4)本发明几乎不存在有害副产物，避免对水体造成二次污染。

附图说明

图1为本发明污水处理装置的结构图；

图2为图1的剖视图；

图3为图1中空化发生器的剖视图。

其中，

1、水力空化辅助放电等离子体发生器，2、等离子体发生源，11、空化发生器，12、绝缘套，13、密封圈，14、放电腔，15、外壳，16、预留孔位,17、接地层。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

高级氧化方法(AdvancedOxidationProcess，简称AOP)是一种新型污水处理技术，其核心是利用羟基自由基(·OH)的强氧化性降解水中的污染物。羟基自由基氧化电位E₀＝2.8V，具有极强的氧化能力，可近乎无选择性的降解污染物。高级氧化方法因其适用范围广，处理效率高且环境友好，已然成为水处理技术领域的研究热点。本发明提出一种基于水力空化辅助放电等离子体的新型高级氧化方法，将推动高级氧化方法的进步和提升我国应对水资源污染危机的能力。

本发明旨在避免水处理过程化学药剂的大量消耗和产生的二次污染、避免羟基自由基等活性物质无法与整个水体充分接触，以及避免水处理设备的复杂化和巨大化的同时，利用羟基自由基等活性物质的强氧化性对水中污染物进行快速降解。

本发明的一些实施例中具体提供了一种污水处理装置，包括水力空化辅助放电等离子体发生器1，所述水力空化辅助放电等离子体发生器1包括外壳15，所述外壳15为一管体，管体一端为进口，另一端为出口。所述外壳15内设有空化发生器11和接地层17，所述空化发生器11和接地层17之间形成放电腔14；所述空化发生器11与接地层17和外壳15之间设有绝缘结构。该装置可以直接布置在污水排放管道中。

在本发明的实施例中，还包括等离子体发生源2，等离子体发生源2可直接安装在外壳15上。所述等离子体发生源2产生高频交流电，等离子体发生源2与空化发生器11和接地层17相连，空化发生器11是高压电极，接地层17作为地电极。

在本发明的实施例中，所述空化发生器11为一段圆管，圆管的一端开口，另一端封闭；管体的侧壁上设有多个空化发生孔，用于产生空化泡，通过空化发生孔使空化发生器11与放电腔14连通，从而使外壳15进口与出口连通。

在本发明一些优选实施例中，所述空化发生孔沿所述空化发生器11轴线的轴向和周向均匀分布，以便空化发生器11侧面产生均匀的空化泡，。

在本发明一些优选实施例中，上述沿周向分布空化发生孔数量不少于四个，沿轴向分布空化发生孔之间的距离不小于空化发生孔的直径d，该设计能够使空化泡均匀分布在放电腔中。

在本发明的实施例中，所述空化发生孔的直径d与空化发生器11的厚度l比值d/l≥3，该设计能够促进空化泡生成，提升水力空化效果。

在本发明一些优选实施例中，上述接地层17和空化发生器11同轴设置。

在本发明一些优选实施例中，所述绝缘结构包括绝缘套12，所述绝缘套12用于防止空化发生器11和接地层17间发生短路。所述接地层17和空化发生器11之间还设有密封圈13，所述密封圈13用于使污水仅在空化发生器11和放电腔14之间流动。

所述空化发生器11和接地层17均由高强度和具有良好导电性的金属制成，能够承受水力空化过程中压力骤降再恢复的变化过程，并能良好的传递电能。

等离子体发生源2，采用了高压/高频充电回路设计、高储能密度电容器和单脉冲放电回路拓扑结构设计，可实现快速的充放电，进一步提高功率密度。

本发明处理污水工作原理：

该装置可布置在污水排放管道中，当污水流经空化发生器11时，流道截面积骤减，流速加快，进而导致液流压力降低。当液流压力降低到液流温度对应的饱和蒸汽压力以下时，污水种会产生大量空化泡。进而，空化泡跟随液流进入放电腔14。在高压高频放电作用下，空化泡中产生等离子体，并向边缘的水介质中发展，产生大量活性自由基(·O，·H和·OH)和活性物质(O₃和H₂O₂)等。·OH在气泡内产生的主要来源为：

e*+H₂O→e+·H+·OH

羟基自由基等活性自由基团在向污水中扩散的过程中，不断降解水中污染物。同时，放电腔下游液流压力恢复后，空化泡会迅速溃灭。空化溃灭的过程会形成局部的高温和高压，以及高速微射流和剧烈的涡流。高温和高压条件会促进水分子进一步裂解生成活性自由基(·O，·H和·OH)，而高速微射流和剧烈的涡流则会将使·OH与污染物充分接触，提高降解效率。在等离子体生成活性基团和水力空化的协同作用，水中等离子体放电反应腔体中的污染物不断被降解，并最终实现污水处理的目的。

实施例

参见图1，一种污水处理装置，水力空化辅助放电等离子体发生器1和等离子体发生源2。

等离子体发生源2安装在水力空化辅助放电等离子体发生器1外壳上。

如图2所示，水力空化辅助放电等离子体发生器1包括：空化发生器11、绝缘套12、密封圈13、放电腔14、接地层17和外壳15。所述空化发生器11、绝缘套12、密封圈13、放电腔14、接地层17都安装在外壳15中。所述外壳15设有进出口，空化发生器11与外壳15进口连通，放电腔14连通与外壳15出口连通。所述空化发生器11发生器安装接地层17，二者之间形成放电腔14。空化发生器11和接地层17间安装有绝缘套12和密封圈13。所述绝缘套12用于防止空化发生器11和接地层17间发生短路。所述密封圈12用于使污水仅在空化发生器11和放电腔14之间流动。所述空化发生器11的壁面上均布若干空化发生孔，通过空化发生孔使空化发生器11与放电腔14连通，从而使外15进口与出口连通。

所述空化发生器11的结构如如图3所示。空化发生器11为金属材质。空化发生孔沿所述空化发生器11轴线的轴向和周向均匀分布。沿周向分布空化发生孔数量为4个，沿轴向分布空化发生孔间距离等于空化发生孔直径d。空化发生孔直径d与空化发生器厚度l比值为3。

所述空化发生器11、绝缘套12、放电腔14和外壳15均设置有预留孔位16，方便连接等离子发生源2。

所述等离子体发生源2能够产生高频交流电，频率为5kHz，输出电压为1kV。所述等离子体发生源2产生高频交流电，等离子体发生源2与空化发生器11和接地层17相连，空化发生器11是高压电极，接地层17作为地电极。

工作原理为：

参见图2，通过外壳15两端的法兰结构将本装置固定在污水排放管道中。高压污水由外壳15左端的进口进入空化发生器11，经由空化发生器11表面上分布的空化发生孔作用，产生大量空化泡，空化泡随水流进入放电腔14中。空化发生器11和接地层17分别作为放电正极和负极。等离子体发生源2施加在放电正负极上的高频高压电流击穿空化泡产生等离子体，进而产生大量活性自由基(·O，·H和·OH)和活性物质(O₃和H₂O₂)等。羟基自由基等活性自由基团在向污水中扩散的过程中，不断降解水中污染物。同时，放电腔14下游液流压力恢复后，空化泡会迅速溃灭，空化溃灭的过程会形成局部的高温和高压，以及高速微射流和剧烈的涡流。高温和高压条件会促进水分子进一步裂解生成活性自由基(·O，·H和·OH)，而高速微射流和剧烈的涡流则会将使·OH与污染物充分接触，提高降解效率。在等离子体生成活性基团和水力空化的协同作用，水中等离子体放电反应腔体中的污染物不断被降解，并最终实现污水处理的目的。

本发明装置可实现对工农业生产废水、城市生活污水和垃圾堆填区渗滤液等多种类型污水的处理。装置能够直接布置在污水排放管路中，实现应用水力空化辅助放电等离子体高级氧化水处理方法对各类污水进行处理。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种污水处理装置，其特征在于：

包括水力空化辅助放电等离子体发生器(1)，所述水力空化辅助放电等离子体发生器(1)包括外壳(15)，所述外壳(15)为一管体，所述外壳(15)内设有空化发生器(11)和接地层(17)，所述空化发生器(11)和接地层(17)之间形成放电腔(14)；

所述空化发生器(11)与接地层(17)和外壳(15)之间设有绝缘结构；

所述空化发生器(11)为一管体，其一端开口，另一端封闭；所述管体上设有空化发生孔，用于产生空化泡，污水由空化发生器(11)的开口端进入；

所述空化发生孔沿所述空化发生器(11)轴线的轴向和周向均匀分布；

沿空化发生器(11)轴线周向分布空化发生孔数量不少于四个，沿空化发生器(11)轴线轴向分布空化发生孔之间的距离不小于空化发生孔的直径d；

所述空化发生孔的直径d与空化发生器(11)的厚度l比值d/l≥3；

所述接地层(17)和空化发生器(11)同轴设置；外壳(15)和空化发生器(11)同轴设置。

2.根据权利要求1所述的一种污水处理装置，其特征在于：

所述绝缘结构包括绝缘套(12)，所述绝缘套(12)用于防止空化发生器(11)和接地层(17)间发生短路。

3.根据权利要求2所述的一种污水处理装置，其特征在于：

所述接地层(17)和空化发生器(11)之间还设有密封圈(13)，所述密封圈(13)用于使污水仅在空化发生器(11)和放电腔(14)之间流动。

4.根据权利要求3所述的一种污水处理装置，其特征在于：

还包括等离子体发生源(2)，所述等离子体发生源(2)产生高频交流电，等离子体发生源(2)与空化发生器(11)和接地层(17)相连，空化发生器(11)是高压电极，接地层(17)作为地电极。

5.根据权利要求4所述的一种污水处理装置，其特征在于：

所述空化发生器和接地层(17)均由高强度和具有良好导电性的金属制成。

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