CN201264922Y - 一种利用微波能处理污水的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及污水处理设备技术领域，特别涉及一种利用微波能处理污水的设备。该设备包括一个微波谐振腔体，于腔体内设置有一个处理芯，腔体一侧设置有与微波源连接的波导管，污水由腔体的进水口进入处理芯，由出水口流出，其中供污水流经的处理芯为多层、层内至少有一个同轴圆环体管道串联而成的单向通道。本实用新型采用上述技术方案，较之于目前的同类设备，其具有单位容积微波场强大、加工简单、固定牢靠、气体排放顺畅、成本低廉等优点。利用本实用新型为核心组成的污水处理系统，对污水处理的速度快，效率高，工程占地面积小，施工量小，工程造价低。

Description

一种利用微波能处理污水的设备

技术领域：

本实用新型涉及污水处理设备技术领域，特别涉及一种利用微波能处理污水的设备。

背景技术

随着人类社会生产和经济活动的加强，人类的不合理开发利用导致环境质量不断恶化。水体污染、水质恶化加剧了全球水资源短缺局面。为了缓解环境质量恶化和用水紧张问题，长久以来，人们一直致力于污水处理技术的开发研究。发展至今，污水处理技术可大致分为物理法、化学法、物化法和生化法四类。然而这些处理方法都有一定的局限性，在应用条件和处理效果上存在很大的缺陷，如目前占市场主导地位的、技术成熟的污水生化处理法(如活性污泥法、氧化沟等)就有占地面积大、投资大、施工期长、水质水量波动适应性差、运行管理费用高、易受气候条件限制等缺点。严重限制污水处理事业的发展。针对于此，人们提出了一种新型污水处理技术——微波污水处理技术。

微波污水处理技术改变了传统的污水处理方式，使污水处理方法变得更加简单有效。其原理简述如下：污水中的极性分子(含占污水绝大部分的水分子)在高速交变的微波电磁场中产生剧烈取向运动(如使用频率2450MHz的微波，该取向运动是以24.5亿次/秒的频率在高速进行)，各极性污染物分子、非极性污染物分子在此剧烈的大运动体系中都主动或被动地高速运动，都或多或少地将微波能转换为污染物分子的内能，使其活化能降低而积极参与各种物理、化学反应，使原本不能进行的反应变得可以进行，使原本反应缓慢的反应变得快速，甚至可使原本不具备催化功能的物质变得对某些反应具有了催化功能等等，还可使污水中的细菌、病原体其空间结构发生变化或破坏，蛋白质变性，从而失去生物活性，也可改变其生物性排列聚合状态及其运动规律，而且微波场感应的离子流，会影响细胞膜附近的电荷分布，导致膜的屏障作用受到损伤，影响Na-K泵的功能，产生膜功能障碍，从而干扰或破坏细胞的正常新陈代谢功能，导致细菌生长抑制、停止或死亡，再则细胞中的核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)在微波场力作用下可导致键的松驰、断裂或重组。诱发基因突变或染色体畸变，影响其生物活性的改变，延缓或中断细胞的稳定遗传和增殖。从而使污水得以净化。

微波污水处理技术的研究自上个世纪80年代就已开始，由于其对污水处理的特有功能和诱人的发展前景，近几年来对它的研究形成了热潮，围绕它出现了许多技术解决方案，如中国专利公开发表的CN1231213A、CN101143737A、CN201033739Y、CN201024097Y等等具有一定的代表性，但都有一个共同点，即“微波污水处理器”是微波污水处理系统必不可少的、共有技术特征的设备，是微波污水处理系统的关键。

微波污水处理器是由波源(含输出功率可调的控制系统)、微波谐振腔和微波污水处理器芯三大部分组成。

其中大部分专利文献习惯将技术早已十分成熟的微波波源(含微波功率可调的控制部分)以及已经标准化的微波短距离输送元件(波导管及法兰)加以大篇幅描述，其实这是成熟的、共有的技术特征，人们只需拿来用即可。

在众多专利文献中具有代表性的CN1231213A文献将污水处理专业工业微波炉的谐振腔外设计一冷却外套，通以冷却水冷却谐振腔。这一设计方案在除污水以外的其他流体处理中可能是适用的，但在微波污水处理中却没有必要，因为在微波场中污水得以净化是污水中的极性分子在高速交变的微波电磁场中的的激烈取向运动，将微波能转换为污水中污染物分子的内能，使其能级升高，处于极不稳定状态而积极参与各种物理、化学反应而使污水得以净化，不是靠加热污水而取得的，实际情况证实，大量污水(如：时处理量为100m³)通过20kw微波场时其温升微乎其微，不存在谐振腔需要冷却的问题。

又如CN1231213A文献中用易弯曲的波纹管绕制而成单螺旋状微波污水处理器芯，用夹板捆扎、绳索吊挂的方式解决其固定问题。在污水处理工程中，大流量、高负荷的污水在此结构的处理芯流过时，必定会使其失稳、脱落，且波纹管本身壁薄、内壁粗糙的特性严重影响污水处理过程的安全性。

又如CN101143737A文献推出了一种垂直放置的多层螺旋状芯，其污水进、出水口都处于该多层螺旋状芯的下部，见该文献的附图2，污水在微波场内通过时，由于在这一过程中会发生各种化学反应，一定会产生气体，如果微波污水处理器芯是上述垂直放置的多层螺旋状芯，气体比液体轻，气体绝对会处于多层螺旋状芯管道的最高处，而不会随污水流上下自由流动，只会形成管道中的气堵而堵塞污水流的流动，当气堵段的气体不断被压缩，管道还有爆裂的危险。

又如CN101143737A的实用新型内容中所说的“本实用新型所要解决的技术问题在于提出一种在污水处理中提高微波穿透能力的微波谐振腔”，实际上，无论设计何种微波谐振腔，是不能提高微波穿透能力的，因为对一种固定的介质(如某一种污水)，微波的穿透能力是一定值，是不会改变的，因此设计一种较佳的微波谐振腔的指导思想应该是朝着增加单位容积内微波场强度、提高微波利用率的方向下功夫。

又如CN201033739Y文献所述，采用许多小功率磁控管，来实现输入功率的可调；作为污水处理，一般来说，其处理能力小至日处理几百吨大至日处理一百万吨，如果都采用小功率磁控管来调节其输出功率，在实验室是可能的，对较大的污水处理项目就不可取了。据市场调查，我国的磁控管生产状况是：频率915MHz的磁控管只有20kw的，往上的大功率管还正处于研制阶段，往下的小功率管还未形成系列，国外有大到100kw的，但价格十分昂贵，据咨询，德国造的100kw磁控管价格为10万欧元，是很难接受的。频率2450MHz的磁控管最大功率是10kw，往下的小功率管已成系列产品，如家用微波炉选用的是1kw的。用在污水处理领域的波源使用的磁控管一般选用915MHz、20kw的和2450MHz、10kw的，至于功率连续可调的控制系统也早已实现。因此用1kw或几kw的微波波源对污水处理来说太小，是不适用的。因此，本实用新型的一种微波污水处理器就是基于915MHz-20kw和2450MHz-10kw两种波源而设计的。

从上述的背景技术文献可见，目前尽管出现了不少处理器，但无论是设计的理论基础还是推出的具体设计方案都不尽如人意。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题就在于克服目前一些设计理论的混杂和具体产品的缺陷，提出一种加工简单、成本低廉、可增加单位容积内微波场强和防止微波泄露的利用微波能处理污水的设备。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：该设备包括一个微波谐振腔体，于腔体内设置有一个处理芯，腔体一侧设置有与微波源连接的波导管，污水由腔体的进水口进入处理芯，并由出水口流出，其中供污水流经的处理芯为多层、层内至少有一个同轴圆环体管道串联而成的单向通道。

所述的腔体为水平截面为正方形的长方体，令微波的入射、反射路径可大部分通过位于腔体中心的处理芯。

所述的腔体内壁采用不锈钢材质；所述的处理芯采用聚丙烯塑料注塑而成。

所述的腔体出水口和进水口处均设置有一金属弯管，以在出水口、进水口处形成金属水负载，把由污水从处理芯携带出来的极少量的微波完全消耗完。

所述的处理芯的上下两端分别设置有与腔体出水口和进水口对应的出水管和进水管。

所述的处理芯上下两端的出水管与进水管处分别有密封、屏蔽装置，该密封、屏蔽装置包括：带法兰和网孔的内螺纹压盖、密封圈以及焊接在腔体进、出水口处的外螺纹管，其中压盖与外螺纹管螺纹连接，密封圈位于进、出水管的端面，并且在压盖与外螺纹管螺纹连接挤压下被压紧。

所述的处理芯包括：纵向多层分布的圆环体单级管道以及将单级管道逐层连通的纵向连接管；每层单级管道内设置有隔板。

或者，所述的处理芯包括：纵向多层分布的圆环体多级管道体以及将管道体逐层连通的纵向连接管；其中每层圆环体多级管道体包含多级同轴圆环体管道，每级圆环体管道内设置有隔板，并且两相邻圆环体管道之间通过横向连接管连通。

所述的处理芯中纵向多层分布的圆环体单级管道之间设置有支撑柱。

所述的处理芯中纵向多层分布的圆环体多级管道体之间设置有支撑柱。

本实用新型采用上述技术方案，较之于目前的同类设备，其具有单位容积微波场强大、加工简单、固定牢靠、气体排放顺畅、成本低廉等优点。利用本实用新型为核心组成的污水处理系统，对污水处理的速度快，效率高，工程占地面积小，施工量小，工程造价低。

附图说明：

图1是本实用新型的立体图；

图2是本实用新型实施例一：频率2450MHz功率10kw的微波污水处理芯立体图；

图3是图2处理芯中的其中一层环状单向管道体的内部结构图；

图4是本实用新型实施例二：频率915MHz功率20kw的微波污水处理芯的立体图；

图5是本实用新型密封、屏蔽组件的结构图。

具体实施方式：

见图1、2、3，本实用新型包括：一个微波谐振腔体2，于腔体2内设置有一个处理芯1，腔体2一侧设置有与微波源连接的波导管3。该微波谐振腔体2的一侧开一与标准波导管相对应的矩形口，波导管3与该矩形口对接焊接，且波导管3与腔体2互成90度角。

腔体2的上、下面分别开一圆孔作为出水口5和进水口6，其位置与处理芯2的出水管15、进水管11、相对应，尺寸大小比处理芯2的出水管15、进水管11外径大5～10mm。污水由腔体2的进水口6进入处理芯1，并由出水口5流出。

所述的腔体2为截面为正方形的长方体，采用厚4mm的SU304不锈钢2B板材焊接而成。腔体2之所以设计成水平截面为正方形的长方体，是因为：金属反射微波，与腔体2垂直设置的波导管3将微波垂直导入长方体腔体2中，可使置于腔体中央的处理芯处于最佳的微波暴露状态，水平截面为正方形是为了使腔体2和置于腔体2内的处理芯1在空间上获得最佳匹配，避免因腔体2的空间浪费造成单位容积微波场强降低。

腔体2内壁采用性价比较高的不锈钢材质。对于腔体2的外壳以及主体支架的材质无太多要求，一般采用具有一定强度、不透波、容易加工的材料即可，例如采用价格较为便宜的普通钢材。

所述微波谐振腔体2内部尺寸与所使用的微波波长及处理芯1的几何尺寸相关。在考虑避免产生驻波的情况下，本实用新型对不同频率的微波，其腔体2内部几何尺寸设置如下：

使用915MHz波源的谐振腔体内部几何尺寸为1603×1603×1093mm。

使用2450MHz波源的谐振腔体内部几何尺寸为1300×1300×928mm。

见图2、4，处理芯2是由多层、层内多个同轴圆环体管道串联连接而成。本实用新型处理芯2根据不同频率的波源，采用了不同的设计：

使用2450MHz波源时，处理芯为5层、每层有4个同轴圆环体管道，见实施例一。

使用915MHz波源时，处理芯为2层、每层有一个圆环体管道，见实施例二。

所述的处理芯1采用厚8mm聚丙烯板材和管材焊接而成，处理芯2是由多层、层内多个同轴圆环体管道串联连接而成。圆环体截面的内尺寸与使用的微波对污水的穿透深度D_E有关，穿透深度D_E可由下式求得：

$D_E=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r\·\mathrm{tg\δ}}}$

式中，λ₀为自由空间的微波波长，ε_r为介电常数，tg δ为介质损耗。

使用2450MHz波源的处理芯2的圆环体截面的内尺寸为80×80mm。

使用915MHz波源的处理芯2的圆环体截面的内尺寸为300×300mm。

见图2、3，这是本实用新型实施例一，本实施例是适用于频率为2450MHz的微波波源。本实施例中处理芯1采用了由五层、层内由四个同轴圆环体管道串联连接而成。具体包括：纵向分布的五层圆环体多级管道体12以及将多级管道体12逐层连通的纵向连接管14；其中每层管道体12包含四个同轴圆环体管道131、132、133、134。每个圆环体管道131、132、133、134内设置有隔板17，并且两相邻圆环体管道之间通过横向连接管16连通。

本实施例工作原理为：污水在处理芯1管道内部旋流，汽、液流动同方向。每层、每个圆环体管道腔的高度和宽度，层与层之间的间距均为2450MHz微波对污水的穿透深度的2倍，约为2×40mm，这样不管微波从哪个方向作用于污水，都使反应腔体2里的微波得到最有效的利用。污水在圆环体管道内旋流，增大了污水停留时间，使其能均匀、充分的吸收微波能。

参见图3，被处理的污水从处理芯1的进水管11进入处理芯1的第一层圆环体多级管道体12内的最外一个圆环体管道131内，并由隔板17的左侧做顺时针方向的圆形环流。在腔内隔板2右侧，污水从环与环之间的横向连接管16进入第一层中第二级圆环体管道123，在该腔内做逆时针方向的圆形环流；在该腔内隔板2的左侧，污水从环与环之间的横向连接管16进入第三级圆环管道133，在该第三级圆环体管道133腔内做顺时针方向的圆形环流。在该腔内隔板2的右侧，污水从环与环之间的横向连接管16进入第四级圆环体管道134，在该管道腔内做逆时针方向的圆形环流；最后，在该腔内隔板2的左侧，污水从层与层之间的纵向连接管14进入第二层圆环体多级管道体12，相对第一层的流向，污水在处理芯1的第二层将反向运动，直至进入第三层圆环体多级管道体，如此流动，直至污水从处理芯1排出为止。

为了确保层与层之间圆环体多级管道体12之间的稳固，在圆环体多级管道体12之间设置有支撑柱。该支撑柱同样采用聚丙烯制作。另外，为了便于将整个处理芯1与腔体2定位，在处理芯1上下端面均设置有用于与谐振腔固定、定位的聚丙烯支撑柱。

见图4，这是本实用新型的第二实施例。本实施例是与频率为915MHz的微波波源像配套。其处理芯1为2层、每层有一个圆环体管道。具体包括：纵向两层分布的圆环体单级管道18以及将单级管道18逐层连通的纵向连接管14；每层单级管道18内部设置隔板17，污水在单级管道18内单向旋流，气、液同向流动。每层圆环体管道的高度和宽度，层与层之间的间距均为915MHz微波对污水的穿透深度的2倍，约为2×150mm，这样不管微波从哪个方向作用于污水，都使反应腔里的微波得到最有效的利用。污水的具体流向可参照上述实施例一所述，这里不在一一赘述。

为确保管道18之间的稳固连接，以及确保整个处理芯1的结构稳固，在处理芯1上、下端面以及管道18之间设置有支撑柱。该支撑柱采用聚丙烯制作。与实施例一一样，为了便于将整个处理芯1与腔体2定位，在处理芯1上下面上均连有用于与谐振腔定位的聚丙烯支撑柱。

结合上述两个实施例，处理芯1的上、下两端分别设置有与腔体2出水口5和进水口6对应的出水管15和进水管11。采用这种结构是考虑到污水处理过程中可能会产生一定量的气体，下端进水、上端出水的构造使气液同向流动，利于气体排放。

腔体上下出、进水口5、6处均设有密封、屏蔽装置4，该密封、屏蔽装置4既保证了处理芯1内的污水与腔体2之间的互不相通，又可以保证腔体2中微波场的规整性，很好地屏蔽了微波的外泄，其加工和更换极其容易。

另外，为把由污水从处理芯1携带出来的极少量的微波完全消耗完，在出水口5、进水口6处设置金属水负载。上述防止微波泄漏的水负载是在污水进、出水口外设置用钢材制作的其长度超过微波穿透深度2～3倍长度的弯管。

使用915MHz的波源时所述的防止微波泄露的水负载的长度为450mm。

使用2450MHz的波源时所述的防止微波泄露的水负载的长度为120mm。

具体而言，所述的水负载是在腔体2出水口5处设置的金属弯管51和进水口6处设置的金属弯管61。

见图5，所述的处理芯1上下两端的出水管15与进水管11处分别有密封、屏蔽装置4，该密封、屏蔽装置4包括：带法兰及网孔的内螺纹压盖41、密封圈42以及焊接在腔体2进、出水口处的外螺纹管43，其中带法兰的压盖41与外螺纹管43螺纹连接，密封圈42位于进、出水管11、15的端面，并且在压盖41与外螺纹管43螺纹连接挤压下被压紧，保证了污水不会流进谐振腔体2。带法兰的压盖41中心有供污水流出(或流进)的网孔411，它可有效减小微波的泄露量，保证腔体2中微波场的规整性。即使有少量微波泄露，也会通过在进、出口水管11、15组件上设置的水负载使少量随污水泄出的微波被水彻底吸收。

使用本实用新型时，污水通过位于腔体2下方的进水口6进入处理芯1的管道内，不断向上单向旋流。污水在流动过程中，在波导管垂直导入的微波磁场作用下，积极发生各种物化反应，产生的各种气态、固态、液态物质随污水经出水口5流出，进入后续处理设备。

本实用新型的优点是：单位容积微波场强大、加工简单、固定牢靠、气体排放顺畅、成本低廉。可广泛应用于各种生产、生活污水的处理。

Claims (10)

1、一种利用微波能处理污水的设备，该设备包括一个微波谐振腔体(2)，于腔体(2)内设置有一个处理芯(1)，其特征在于：腔体(2)一侧设置有与微波源连接的波导管(3)，污水由腔体(2)的进水口(6)进入处理芯(1)，并由出水口(5)流出，其中供污水流经的处理芯(1)为多层、层内至少有一个同轴环体管道串联而成的单向通道。

2、根据权利要求1所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的腔体(2)为水平截面为正方形的长方体。

3、根据权利要求2所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的腔体(2)内壁采用不锈钢材质；所述的处理芯(1)采用聚丙烯塑料注塑而成。

4、根据权利要求2所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的腔体(2)出水口(5)处设置有一金属弯管(51)，腔体(2)的进水口处(6)设置有一金属弯管(61)。

5、根据权利要求1所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的处理芯(1)的上下两端分别设置有与腔体(2)出水口(5)和进水口(6)对应的出水管(15)和进水管(11)。

6、根据权利要求5所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的处理芯(1)上下两端的出水管(15)和进水管(11)处分别有密封、屏蔽装置(4)，该密封、屏蔽装置(4)包括：带法兰和网孔的内螺纹压盖(41)、密封圈(42)以及焊接在腔体(2)进、出水口处的外螺纹管(43)，其中压盖(41)与外螺纹管(43)螺纹连接，密封圈(42)位于进、出水管(11、15)的端面，并且在压盖(41)与外螺纹管(43)螺纹连接挤压下被压紧。

7、根据权利要求1-6中任意一条所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的处理芯(1)包括：纵向多层分布的圆环体单级管道(18)以及将单级管道(18)逐层连通的纵向连接管(14)；每层单级管道(18)内设置有隔板(17)。

8、根据权利要求1-6中任意一条所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的处理芯(1)包括：纵向多层分布的圆环体多级管道体(12)以及将管道体(12)逐层连通的纵向连接管(14)；其中每层圆环体多级管道体(12)包含多级同轴圆环体管道，每级圆环体管道内设置有隔板(17)，并且两相邻圆环体管道之间通过横向连接管(16)连通。

9、根据权利要求7所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的处理芯(1)中纵向多层分布的圆环体单级管道(18)之间设置有支撑柱。

10、根据权利要求8所述的一种利用微波能处理污水的设备，其特征在于：所述的处理芯(1)中纵向多层分布的圆环体多级管道体(12)之间设置有支撑柱。

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