CN115974221B - 一种等离子体污水处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体污水处理装置和方法，污水处理装置包括弯形的管道，弯形的管道包括横置部分、竖置部分和过渡连接段，管道上端的横置部分设有进水口，管道下端的竖置部分设有出水口，进水口上壁和进水口液面之间留有空间；管道的竖置部分内安装有竖向的转轴，转轴相对管道自由转动；转轴靠近出水口位置的周围安装有多个倾斜的扇叶，扇叶的周围环绕、间隔安装有多个等离子体发生器，管道的内壁接地。本发明污水处理装置在污水中产生大量微纳米气泡，使得等离子体活性成分与污水直接接触，提升污水处理效率，还能将污水的动能转化为电能给装置供电，有效降低污水处理所需能耗。
Description
技术领域
本发明属于等离子体技术领域，涉及一种等离子体污水处理装置和方法。
背景技术
传统的污水处理方法需要根据不同类型污水的特点采用不同的处理工艺。常见的污水处理方法有沉降法、膜处理法、活性污泥法和Fenton氧化法等。但是传统的污水处理方法或多或少都存在着一些技术问题，如：处理时间长、催化剂昂贵、成本高、存在二次污染等。
等离子体技术是一种新型的高级氧化技术，鉴于其活性强、运行成本低、适用性广等显著优点，该技术在水处理上具有良好的应用前景。等离子体水处理技术利用放电过程中产生的活性基团和高能电子，与水作用生成臭氧和过氧化氢等强氧化剂，并伴随着紫外线，对有机化合物具有很好的降解效果。
目前等离子体污水处理的方式主要包括直接处理和微气泡处理两种。直接处理是用电晕放电、等离子体射流等方式在大气环境下产生等离子体，等离子体直接处理液面实现污水净化，其处理效率与等离子体和水的接触面积密切相关，较难实现工程化应用。微气泡处理是将等离子体尾气通过气泡的形式通入被处理污水，增大了接触面积和处理效率，但该方式只能是臭氧、过氧化氢等长寿命活性成分发挥作用，一些高氧化性的短寿命活性成分(如羟基、氧原子、氧气负离子等)无法作用于水溶液。除此之外，现有的等离子体污水处理装置都必须配备高电压激励电源来产生等离子体，使得装置无法实现自运行，需要专人操作和维护、野外难以使用，极大限制了等离子体污水处理的实际现场应用。
本发明的目的就在于克服现有等离子体污水处理装置的不足，开发一种兼顾污水处理效率和装置空间占用大小的等离子体污水处理装置和方法，实现在污水中产生大量微纳米气泡，极大提高污水处理效果，同时解决等离子体污水处理自运行的核心问题，进一步促进等离子体污水处理技术和产品的应用推广。
发明内容
本发明提供一种等离子体污水处理装置，在污水中产生大量微纳米气泡，使得等离子体活性成分与污水直接接触，提升污水处理效率，还能将污水的动能转化为电能给装置供电，有效降低污水处理所需能耗。
本发明的另一目的是，提供一种等离子体污水处理装置的使用方法。
本发明所采用的技术方案是，一种等离子体污水处理装置，包括弯形的管道，弯形的管道包括横置部分、竖置部分和过渡连接段，管道上端的横置部分设有进水口，管道下端的竖置部分设有出水口，进水口上壁和进水口液面之间留有空间；管道的竖置部分内安装有竖向的转轴，转轴相对管道自由转动；转轴靠近出水口位置的周围安装有多个倾斜的扇叶，扇叶的周围环绕、间隔安装有多个等离子体发生器，管道的内壁接地。
进一步的，所述转轴的上端伸出管道，与管道外部的发电室中的发电机转子连接。
进一步的，所述转轴穿过管道的部分与管道通过轴承连接。
进一步的，所述等离子体发生器的下方设有环形磁场发生室，环形磁场发生室与管道内壁固定连接，环形磁场发生室内安装有磁场产生装置，使等离子体在产生后的旋转方向与扇叶转动方向相反。
进一步的，所述磁场产生装置为多个条形的静磁铁呈环形布置，相邻两个静磁铁相互靠近的一端磁极相反，产生环形磁场。
进一步的，所述扇叶的数量为三片、六片或十二片。
进一步的，所述扇叶倾斜角度42°-54°。
进一步的，所述等离子体发生器的结构为多孔的介质层包裹高压电极的形式。
一种等离子体污水处理装置的使用方法，包括以下步骤：
将等离子体污水处理装置固定在水面一定高度，或者将等离子体污水处理装置安装于管道拐角处，进水口上壁和进水口的液面之间留有空间，保证污水不填充整个进水口的管道；
污水从管道上端的横置部分流入竖置部分，对扇叶产生冲击，带动扇叶旋转，形成污水涡流，使得接触到等离子体发生器的部分污水飞溅，飞溅时产生空气间隙，提供产生等离子体和微纳米气泡水所需的空气，满足等离子体的产生条件，由扇叶剪切在污水中产生大量微纳米气泡，促进等离子体放电后产生的活性粒子溶于水中，进行污水净化；同时将污水的动能转化为电能，为等离子体发生器供电。
本发明的有益效果是：
1.本发明实施例中污水从进水口进去，沿着竖置的管道冲击扇叶高速旋转，空气与污水一同被扇叶切割，在离心力作用下，使得液体随着扇叶转动远离旋转中轴线，恰好从四周的等离子体发生器流出，通过高速旋流、水力剪切的方式制造微纳米气泡的产生条件，把空气反复剪切破碎，混合在水体中以产生大量的微纳米气泡，形成微纳米气泡水；同时增大了微纳米气泡和水流与等离子体发生器的接触几率和面积，增强了各种活性物质、微粒在水溶液中的溶解度，提升了等离子体与液体接触面积和放电效果，克服了传统等离子体污水处理装置只能在液体表面放电、活化面积有限，污水净化效率低等问题。
2.本发明实施例结合污水流动情况，将微纳米气泡水产生结构和水力发电装置有机融合为一体，水流的动能通过扇叶、转轴、发电室转化为电能，实现装置整体自给电，自运行；能够直接放在野外环境，无需外接电源，降低了维护成本。
3.本发明实施例中管道的内壁接地，且内壁与水溶液(污水)直接接触，相当于水溶液作为等离子体产生过程中的地电极，不但简化了整体结构，而且对等离子体介质阻挡放电有增强作用，活性物质直接与污水相互作用，缩短了产生的高效活性粒子进入液体的时间，提高了放电对水溶液的作用效果。
4.本发明实施例中所有过程，包括自发电、产生等离子体、产生微纳米气泡、等离子体活性物质与水溶液相互作用都是同时发生，极大程度提高了污水处理效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a是本发明实施例的整体结构示意图。
图1b是本发明实施例中出水口截面图。
图2是本发明实施例的剖面图。
图3是本发明实施例中扇叶结构正视图。
图4是本发明实施例中扇叶结构的立体图。
图5a是本发明实施例中扇叶的数量为3片的结构图。
图5b是本发明实施例中扇叶的数量为6片的结构图
图6是本发明实施例中等离子体发生器示意图。
图7是本发明实施例中磁场产生装置的结构示意图。
图8是本发明实施例中磁场产生装置所产生的环形磁场。
图9是本发明实施例自发电流程图。
图中，1、发电室；2、转轴；3、扇叶；4、等离子体发生器；5、进水口；6、出水口；7、介质层；8、高压电极；9、内壁；10、环形磁场发生室。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，
一种等离子体污水处理装置，如图1a-1b及图2所示，包括弯形的管道，弯形的管道包括横置部分、竖置部分和过渡连接段，管道上端的横置部分设有进水口5，管道下端的竖置部分设有出水口6，进水口5上壁和进水口液面之间留有空间；管道的竖置部分内安装有竖向的转轴2，转轴2相对管道自由转动；转轴2靠近出水口6位置的周围安装有多个倾斜的扇叶3，扇叶3的周围环绕、间隔安装有多个等离子体发生器4。
由于转轴2的直径小于出水口6的直径，不会影响水流从出水口6流出，不会对水流造成阻挡。环形磁场发生室10为圆环状，等离子体发生器4设于环形磁场发生室10顶部，在满足扇叶3不触碰到等离子体发生器4的情况下，扇叶3应尽可能大，以确保将流下的水流完全打碎。
如图3-4所示，结合污水流动情况，设计了污水管道的结构，扇叶3为垂直安置，水流自上而下，冲击整个扇叶3，使扇叶3高速旋转，更高效的利用水流动能。扇叶3在旋转的过程中带动水流形成漩涡，等离子体发生器4设置在扇叶3四周，在离心力作用下，使得液体随着扇叶3转动远离旋转中轴线，恰好从四周的等离子体发生器4流出，增大了水流与等离子体发生器4的接触几率，实现等离子体与污水的充分接触。同时，装置在放电过程中，进水口5需留有一部分空间在水面以上，不会出现整个装置管道被污水填满的情况，当污水从横置部分管道流入竖置部分管道时，旋转的扇叶3使得接触到等离子体发生器4的部分污水出现飞溅，飞溅时产生空气间隙，提供产生等离子体和微纳米气泡水所需的空气，满足等离子体的产生条件；高速旋转的扇叶3将水流和管中残留的空气混合打散产生大量微纳米气泡水，提升等离子体放电过程中产生的活性物质在水中的溶解效率，提高污水净化效率。
转轴2穿过管道的部分与管道通过轴承连接，转轴2的上端伸出管道，与管道外部的发电室1中的发电机转子连接，在扇叶3的带动下，转轴2能够稳定旋转；发电机供电端与等离子体发生器4电连接。
整个自发电过程，如图9所示，污水驱动扇叶3旋转，扇叶3的转动通过转轴2传动至发电室1，启动发电室1中的电磁转换装置进行发电，为等离子体电源电路供能，实现装置整体的自给电。通过控制扇叶3倾斜角度和污水流速可以保证发电机产生的电压区间为5V-12V(若电压小于5V，会导致电路稳压模块和升压模块无法正常工作，最终使得等离子体放电效果变差)。然后，通过电源电路中的LDO稳压模块和升压模块，将产生的直流电压转化为稳定的高压交流电，高压交流电的范围在3kV-15kV(高于15kV也没有影响)。本发明实施例依靠污水流动驱动扇叶3旋转产生高电压，无需外接其他装置，即可实现全自动污水处理，更具有普适性。
如图6所示，等离子体发生器4的结构为多孔的介质层7包裹高压电极8的形式，即管套管的结构，高压电极8连接发电室1，正常工作时可在等离子体发生器4的介质层表面产生等离子体，完全杜绝了水与高压电极8触碰的可能性，进一步提高了装置的安全性。
管道的内壁9接地，且内壁9与水溶液(污水)直接接触，相当于水溶液作为等离子体产生过程中的地电极，有助于增强等离子体的放电效果，且污水是唯一的地电极，只会对污水放电产生等离子体，确保等离子体只在污水中产生，从而第一时间与污水接触，和污水直接反应，缩短活性粒子与污水中有机物接触时间，提高等离子体与污水的反应效率，优化整体装置的污水处理效果。
实施例2，
如图4、5a-5b所示，扇叶3倾斜连接在转轴2上，使得在自上而下的水流的带动下，扇叶3高速旋转，形成污水涡流。扇叶3的数量可以为三片、六片或十二片，也可以为其他数量，在本实施例中为对称的12片。
表1水流流速3m/s情况下不同叶片倾斜角度对扇叶转速的影响
| 叶片倾斜角度 | 扇叶转速 |
| 40° | 397rpm |
| 42° | 412rpm |
| 45° | 422rpm |
| 50° | 424rpm |
| 54° | 411rpm |
| 55° | 398rpm |
表格2扇叶倾斜角50°情况下不同污水流速对扇叶转速的影响
| 水流流速 | 扇叶转速 |
| 3m/s | 268rpm |
| 5m/s | 287rpm |
| 7m/s | 313rpm |
| 9m/s | 359rpm |
| 11m/s | 389rpm |
| 13m/s | 424rpm |
| 15m/s | 465rpm |
由表1可知，扇叶3倾斜角度42°-54°，超出该范围后扇叶3旋转的速度大幅降低；此外，扇叶3的转速还取决于水流流速。
实施例3，
本发明实施例中等离子体发生器4下方设有环形磁场发生室10，环形磁场发生室10与管道内壁固定连接，环形磁场发生室10内安装有磁场产生装置，使等离子体在产生后的旋转方向与扇叶3转动方向相反，等离子体活性粒子产生的粒子流与水流形成方向相反的双漩涡，两者的结合速率进一步加快，快速反应结合，最大程度上保证等离子体的污水处理效果。
如图7所示，磁场产生装置为4个条形的静磁铁呈环形布置，相邻两个静磁铁相互靠近的一端磁极相反，产生环形磁场，见图8；可以看到大部分区域产生的磁感线为顺时针方向，只有在四个角落的磁感线为逆时针方向，因此，该磁场使等离子体在产生后沿顺时针方向旋转，引导等离子体与水流相反的方向运动，增加等离子体中带电粒子活性成分的运动路径，促进污水与等离子体的反应，继而提升等离子体的污水处理效果。
实施例4，
一种等离子体污水处理装置的使用方法，包括以下步骤：
将等离子体污水处理装置固定在水面一定高度，或者将等离子体污水处理装置安装于管道拐角处，进水口5上壁和进水口5的液面之间留有空间，保证污水不填充整个进水口5的管道；实施例中，进水口5的直径为10cm，进水口5顶部高度高于水面4cm，水流流速大于3m/s；进水口5顶部高于水面可以确保装置内有足够的空气，水流流速大于3m/s可以确保扇叶在水流的冲击下转速足够高。
污水从管道上端的横置部分流入竖置部分，对扇叶3产生冲击，带动扇叶3旋转，形成污水涡流，使得接触到等离子体发生器4的部分污水飞溅，飞溅时产生空气间隙，提供产生等离子体和微纳米气泡水所需的空气，满足等离子体的产生条件，由扇叶剪切在污水中产生大量微纳米气泡，促进等离子体放电后产生的活性粒子溶于水中，提升污水净化效率；同时将污水的动能转化为电能，为等离子体发生器4供电。
以H2PO4-为标记物，水流流速3m/s；扇叶倾斜角50°，测试本发明实施例的装置对污水中磷化物的处理效果，如表3所示：
表格3经过不同处理时间后污水中的磷含量
| 处理时间 | 污水中磷含量 |
| 0min | 12mg/L |
| 1min | 9.3mg/L |
| 2min | 6.8mg/L |
| 3min | 3.1mg/L |
| 4min | 2.3mg/L |
| 5min | 1.7mg/L |
| 6min | 0.9mg/L |
| 7min | 0.6mg/L |
| 8min | 0.4mg/L |
| 9min | 0.3mg/L |
| 10min | 0.2mg/L |
由表3可知，本发明实施例能有效提升污水处理效率和处理效果，同时有效降低污水处理所需能耗，能够适于野外环境。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种等离子体污水处理装置，其特征在于，包括弯形的管道，弯形的管道包括横置部分、竖置部分和过渡连接段，管道上端的横置部分设有进水口（5），管道下端的竖置部分设有出水口（6），进水口（5）上壁和进水口液面之间留有空间；管道的竖置部分内安装有竖向的转轴（2），转轴（2）相对管道自由转动；转轴（2）靠近出水口（6）位置的周围安装有多个倾斜的扇叶（3），扇叶（3）的周围环绕、间隔安装有多个等离子体发生器（4），管道的内壁（9）接地；
所述等离子体发生器（4）的下方设有环形磁场发生室（10），环形磁场发生室（10）与管道内壁固定连接，环形磁场发生室（10）内安装有磁场产生装置，使等离子体在产生后的旋转方向与扇叶（3）转动方向相反。
2.根据权利要求1所述一种等离子体污水处理装置，其特征在于，所述转轴（2）的上端伸出管道，与管道外部的发电室（1）中的发电机转子连接。
3.根据权利要求2所述一种等离子体污水处理装置，其特征在于，所述转轴（2）穿过管道的部分与管道通过轴承连接。
4.根据权利要求1所述一种等离子体污水处理装置，其特征在于，所述磁场产生装置为多个条形的静磁铁呈环形布置，相邻两个静磁铁相互靠近的一端磁极相反，产生环形磁场。
5.根据权利要求1所述一种等离子体污水处理装置，其特征在于，所述扇叶（3）的数量为三片、六片或十二片。
6.根据权利要求1所述一种等离子体污水处理装置，其特征在于，所述扇叶（3）倾斜角度42°-54°。
7.根据权利要求1所述一种等离子体污水处理装置，其特征在于，所述等离子体发生器（4）的结构为多孔的介质层（7）包裹高压电极（8）的形式。
8.如权利要求2所述一种等离子体污水处理装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将等离子体污水处理装置固定在水面一定高度，或者将等离子体污水处理装置安装于管道拐角处，进水口（5）上壁和进水口（5）的液面之间留有空间，保证污水不填充整个进水口（5）的管道；
污水从管道上端的横置部分流入竖置部分，对扇叶（3）产生冲击，带动扇叶（3）旋转，形成污水涡流，使得接触到等离子体发生器（4）的部分污水飞溅，飞溅时产生空气间隙，提供产生等离子体和微纳米气泡水所需的空气，满足等离子体的产生条件，由扇叶（3）剪切在污水中产生大量微纳米气泡，促进等离子体放电后产生的活性粒子溶于水中，进行污水净化；同时将污水的动能转化为电能，为等离子体发生器（4）供电。
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