CN112723465A

CN112723465A - 紫外线与空化氧化协同的水消毒装置

Info

Publication number: CN112723465A
Application number: CN202011448746.0A
Authority: CN
Inventors: 孙逊; 陈颂英; 玄晓旭; 游炜彬; 杨泽
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-04-30

Abstract

一种紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，包括定子、转子、转轴、紫外线发射器、氧化剂输送装置和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上装有超声换能器，定子两侧端面上均设置有紫外线发射器，定子两侧端面上分别设置有排水口和进水口，进水口一侧连接氧化剂输送装置，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片上在空腔相对的两侧分布有空化通孔。上述装置通过高效耦合水力空化、超声空化、紫外线与氧化四种工艺协同对水进行处理，效果好、可放大性高、处理量大、成本低、不产生二次污染，可连续作业，因此在水消毒领域具有广阔的应用前景。

Description

紫外线与空化氧化协同的水消毒装置

技术领域

本发明涉及一种用于水消毒的装置，该装置基于水力空化，属于水消毒领域。

背景技术

生活饮用水的消毒方法主要有以下两种：物理消毒和化学消毒。

物理消毒：用加热、过滤、紫外线、辐射消毒等物理方法进行消毒。

化学消毒：用化学消毒剂进行水的消毒。国内外常用的饮用水消毒剂以卤素化合物为主，尤其是含氯消毒剂。

上述消毒方法存在以下弊端：

物理消毒弊端：加热、紫外线、辐射消毒处理水量较少，过滤只能除菌而无法杀菌。

化学消毒弊端：含氯消毒剂加氯量要适当，某些具有抵抗氯化作用的能力及隐藏在内部的病原微生物难以去除。水厂加氯消毒的成本很高，消毒处理的周期较长。化学药剂残留对人有很多隐患，而且化学药剂处理后产生的废渣也会造成一定污染。

利用产生空化射流的方法可以有效去除水中的微生物，从而达到充氧与净化的作用。

空化是指液体内局部压力下降时，液体内部或液固交界面上气体空穴的形成、发展和溃灭的过程。当液体压力降至液体饱和蒸气压甚至以下时，由于液体剧烈汽化而产生大量空化泡。空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成微射流和冲击波从而瞬间产生局部高温和高压。空化现象释放的能量也可以加以利用，以实现对化学、物理等过程的强化，达到增效、节能、降耗等效果。如中国专利CN205346855U公开的一种用于饮用水消毒的文丘里式空化反应器，利用水流通过收缩段后进入喉部，压力急剧下降，在喉部产生空泡形成空化水流，空化发生时产生的瞬间高温高压来对液体原料进行灭菌消毒。CN104556266A公开了一种强化水力空化处理装置，使流体空化产生的气泡崩溃产生大量自由基，有效提高水力空化降解有机污染物的能力，以达到提高和强化空化处理废水效果的目的。

现有空化技术的空化效果有待进一步提高。

发明内容

本发明针对现有水消毒工艺中存在的不足，提出一种消毒效率高、效果好的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置。

本发明紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，采用以下技术方案：

该装置，包括定子、转子、转轴、紫外线发射器、氧化剂输送装置和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上装有超声换能器，定子两侧端面上均设置有紫外线发射器，定子两侧端面上分别设置有排水口和进水口，进水口一侧连接氧化剂输送装置，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片上在空腔相对的两侧分布有空化通孔。

所述定子的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚度为15～40mm。

所述紫外线发射器以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在两侧的定子端盖上，每侧共有2～12个，通过密封结构进行固定。

所述紫外线发射器单机功率为15～100W。

所述氧化剂仓安装在定子右下端盖外侧，通过氧化剂输送管与定子相连接，输送管上设置氧化剂泵，用以控制氧化剂的用量。所述氧化剂为ClO₂，用量为0.1～0.3mg/L，实现对水中的病原微生物消灭的作用。

所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每排2～8个，共2～6排；所述超声波发生器数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。。

所述转子为多叶片叶轮结构，共2～6个沿转轴轴向在转轴上等距分布。

所述转子上的叶片为中空梯形体结构，每个转子上有4～10个叶片，等间隔沿周向分布于转子上；每个叶片长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。叶片的中空结构为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。

所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。

所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入内径为1～6mm，中央喉部内径为0.4～1mm。收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。所述文丘里形孔在每个叶片的两端均以4～10排，3～10列的矩形阵列排布，以达到最佳的灭菌效果。

叶片两端的每对文丘里形空化通孔两两对正。转子高速旋转时，流体从一侧的文丘里形空化通孔的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出；之后流体便会进入另一侧的文丘里形空化通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。

所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

所述转轴的转速为4000～4500r/min。

所述进水口的流量为1.5～4.5m³/h。

所述定子内部的反应温度为60～85℃(升温来自于空化现象的热效应)。

为保证空化现象的形成并高效地实现消毒工艺，上述结构与工艺参数均由实际降解实验所得。

本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地采用转轴高速旋转带动转子，使转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。此外，在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强氧化性的羟自由基、过氧化氢自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，同时耦合超声波与紫外线处理工艺，三者高效协同灭菌，大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，从而最终增强灭菌效果。此外，氧化剂的额外通入可保证消毒率达到100％。因此，上述四者的耦合使用可获得远高于单独使用时消毒效果的总和的消毒效果。

水进入到定子中，紫外线首先会对水中病原菌产生一定的灭杀作用，紫外线能破坏及改变微生物组织结构，导致核酸结构突变，功能遭到破坏，微生物体丧失复制、繁殖能力，从而达到杀菌的目的。但紫外线穿透能力低，只能进行初步的降解，在消毒过程中起辅助作用。接着在空化器中通过机械的旋转产生空化泡，空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成的冲击波、微射流瞬间产生局部高温和高压。这些冲击波、微射流现象对微生物具有高度破坏性，瞬间局部高温和高压能有效地灭活微生物。空化现象能产生羟基，羟基具有一个未成对电子，可从其他物质中移除电子，具有高度氧化性。微生物(包括膜表面、脂质和蛋白质)可以通过链式反应被羟基与通入氧化剂氧化，受到不可逆损伤。装置的机械旋转运动能很好的把氧化剂与流体混合均匀，空化也能促进氧化剂发生反应，增强消毒效果。空化现象通过机械、热和化学效应的综合作用，达到对水消毒的目的，消毒效率高，产生的消毒副产物少，水质稳定性好。

上述装置对水消毒的过程为：先将原水过滤，再输送至定子中，在紫外线发射器的照射下，对水里的难降解污染物和病原微生物进行初步降解；氧化剂输送装置将氧化剂ClO₂输送至定子中；转轴带动转子旋转，利用水力空化进行处理，实现水的消毒处理。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化、紫外线与氧化技术协同消毒，远远比单独使用上述方法效率高(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.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；

3.叶片的空腔为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；

4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率；

5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转盘开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器、紫外线发射器、氧化剂管，较传统空化器极大地提高水力空化的处理效率；

6.本发明所述装置中的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；

7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大水处理量的需求；

8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化、紫外线与氧化技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

9.本发明所述装置运转过程中，定、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；

10.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；

11.本发明所述装置不局限于自来水消毒处理，对于其他类型的废水处理也预计拥有良好的处理效果；

12.本发明所述氧化剂不局限于ClO₂，对于其他类型的氧化剂也预计拥有良好的处理效果；

13.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。

附图说明

图1本发明紫外线与空化氧化协同的水消毒装置的结构示意图。

图2是本发明中定子端面上紫外线发射器的分布示意图。

图3是本发明中定子和转子截面示意图。

图4是本发明中转子结构示意图。

图5是SEM电镜下的本发明装置对大肠埃希氏菌处理前后的对比图，(a)为处理前，(b)为处理后。

图中：1.排水口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.紫外线发射器，8.定子端盖，9.密封垫圈，10.定子，11.超声波换能器，12.超声波发生器，13.空化通孔，14.转子，15.进水口，16.楔键，17.氧化剂输送管，18.氧化剂泵，19.氧化剂仓，20.空腔，21.叶片。

具体实施方式

本发明的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，如图1和图2所示，包括定子10、转子14、转轴4、紫外线发射器7、氧化剂输送装置和超声波换能器11。定子10与氧化剂输送装置连接，氧化剂输送装置包括依次连接的氧化剂输送管17、氧化剂泵18和氧化剂仓19，氧化剂输送管17连接在定子上进水口15的一侧。氧化剂仓19内放置ClO₂，ClO₂在氧化剂泵18的控制下进入定子10内，其浓度为0.1～0.3mg/L，使得难降解污染物和病原微生物被充分降解。

定子10为空心密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖8，连接处有密封垫圈9，使得定子10内部形成密封的空腔。定子端盖8的内部设角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈9，形成密封结构。定子10内壁上装有超声换能器11。各个超声波换能器11均与超声波发生器12连接。所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8，共2～6圈。超声波发生器12数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，促进处理效果。两个定子端盖8均设置有紫外线发射器7。紫外线发射器以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子端盖8上，参见图2，每侧端面上共有2～12个，单机功率为15～100W，通过密封结构进行固定。两侧端面上的紫外线发射器数量相等并一一对应，可保证定子10中不同区域所受光照强度相同，使得光催化反应能够高效进行，从而最大限度地进行水消毒处理。

定子左侧端盖下部设置排水口1，定子右侧端盖上部设置进水口15。进水口15和排水口1对角设置，以防止产生短流现象。进水口15与出水口1分别与控制阀相连，用于控制流量。进水口15的进水流量为1.5～4.5m³/h。定子10在进水口15的一侧连接氧化剂输送管17。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为60～85℃。

转轴4通过角接触球轴承5安装在定子10中，一端伸出定子并通过联轴器和增速器与电机连接。转轴4两端与定子连接处设有机械密封6，其设置在定子端盖8外侧，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。转轴4带动转子14在定子内转动。转轴4的转速为4000～4500r/min。转子14处于定子10的空腔中，并通过楔键16固定安装在转轴4上。转子14在转轴4上轴向等距分布2～6个。

转子14为多叶片叶轮结构，参见图3和图4，转子14上的叶片21为带有空腔20的中空梯形体结构，在转子14上等间隔沿周向分布有4～10个。空腔20为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片21长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。叶片21上在空腔20相对的两侧分布有空化通孔13，空化通孔13的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。空化通孔13为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔13在叶片上的两端均以4～10排、3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。空腔20两侧的空化通孔13两两对正(在同一轴线上)。转子14高速旋转时，流体从一侧的空化通孔13的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出，之后流体便会进入另一侧的空化通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。所述空化通孔13内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

上述结构和参数是根据水消毒特点经过实际水消毒实验得出，达到了处理效果的最佳匹配效果。

采用本发明上述装置进行水消毒处理的过程如下所述。

将原水先通过前置过滤器把粗大颗粒杂质过滤掉，通过水泵将初步过滤后的自来水从进水口15输送至定子10中，进水流量为1.5～4.5m³/h。电机带动转轴4及其上的转子14高速旋转，使得叶片21上的空化通孔13高速剪切流体，使流体局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发声器12把电转换成与超声波换能器11相匹配的高频交流电信号，传递到嵌于定子10内壁上的超声换能器11，超声波换能器将电能转化为声能，产生高频超声波。超声波作用于流体，诱发超声空化现象，从而大大增加水力空化生成的空泡数量以及提升其溃灭强度，提高处理效率。此外，在氧化剂泵18的作用下，氧化剂仓19通过氧化剂输送管17将ClO₂输送至定子10中，对病原菌起氧化作用。空化现象产生的极高温、高压条件大大提高了氧化剂氧化的反应速率。在进水口15和排水口1处设置阀门以控制反应时间，上述四种处理工艺的高效，极大提高了处理效果，更好地达到杀菌消毒的目的。处理后的水经排水口1流出，再进入进水口15进行循环处理，直至获得满意的消毒结果。

利用氧化剂消除器消除残余氧化剂，氧化剂消除器内含生物活性炭。处理后的水经由水质分析仪检测，水质达到标准后可饮用。

水进入到定子10中后，紫外线首先会对水中病原菌产生一定的灭杀作用，紫外线能破坏及改变微生物组织结构(DNA核酸)，导致核酸结构突变，生物体丧失复制、繁殖能力，功能遭到破坏，从而达到杀菌的目的。在空化器中通过机械的旋转产生空化泡，空化泡随液体流动膨胀、生长。当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成冲击波、微射流等现象，产生瞬间局部高温和瞬间高压。这些冲击波、微射流现象对微生物具有高度破坏性，瞬间局部高温和瞬间高压，能有效地灭活微生物。空化现象能产生羟基，羟基具有一个未成对电子，具有高度氧化性，可从其他物质中移除电子。微生物(包括膜表面、脂质和蛋白质)可以通过链式反应被羟基氧化，导致不可逆损害。机械旋转促进氧化剂扩散，空化促进氧化剂发生反应，空化现象通过机械、热和化学效应的综合作用，达到对水消毒作用，消毒效率高，稳定性好。

以下给出具体实例。

本发明通过水消毒实验，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个、共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W；紫外线发射器单侧共有7个，单机功率为45W)，获得如下结论：

在转速4500rpm，空化数0.14，流量为2.6m³/h，超声波频率为40kHz，反应温度75℃，5分钟内便可对60L分别接种大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌、鼠伤寒沙门氏菌与蜡状芽孢杆菌等典型致病菌的模拟污水进行试验(灭菌率均为100％，对数减少均在6以上)。图5给出了SEM电镜下的本发明装置对大肠埃希氏菌的灭活效果，左图(a)为处理前，大肠埃希氏菌饱满、完整。而右图(b)处理后，其表面粗糙，褶皱变多，细胞壁被破坏，胞内物质流出；有的细菌甚至被直接一分为二，其结构被完全破坏。

Claims

1.一种紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：包括定子、转子、转轴、紫外线发射器、氧化剂输送装置和超声波换能器，定子为密封筒体，定子内壁上装有超声换能器，定子两侧端面上均设置有紫外线发射器，定子两侧端面上分别设置有排水口和进水口，进水口一侧连接氧化剂输送装置，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片上在空腔相对的两侧分布有空化通孔。

2.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述氧化剂输送装置，包括依次连接的氧化剂输送管、氧化剂泵和氧化剂仓，氧化剂输送管连接在定子上，氧化剂仓内放置浓度为0.1～0.3mg/L的ClO₂。

3.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述定子的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚度为15～40mm；所述叶片长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm；所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8，共2～6圈；所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～75kHz，单机功率为1500～3000W。

4.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述紫外线发射器以圆周阵列等角度嵌入在定子端面，每侧端面上共有2～12个，单机功率为15～100W。紫外线发射器在定子两侧端面上的数量相等并一一对应。

5.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述进水口的进水流量为1.5～4.5m³/h，所述定子内部的反应温度为60～85℃。

6.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述转轴的转速为4000～4500r/min。

7.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述转子在转轴上轴向等距分布2～6个；所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个。

8.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致。

9.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。

10.根据权利要求1所述的紫外线与空化氧化协同的水消毒装置，其特征是：所述空化通孔在叶片空腔两侧均以4～10排，3～10列的矩形阵列排布，所述空腔两侧的空化通孔两两对正，所述空化通孔13内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。