CN207933099U - 一种水处理装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水处理装置及系统，该装置包括超声换能器和薄层状处理室，薄层状处理室设置有第一盖板、第二盖板以及渐缩和渐扩形流道，渐缩和渐扩形流道设置有一个或多个阀门，第一盖板和第二盖板之间含有液体；其中，超声换能器辐射面固定在第一盖板上；超声换能器用于发射超声波，薄层状处理室用于接收超声波，并产生超声空化；渐缩和渐扩形流道用于产生水力空化，水力空化和超声空化耦合产生耦合空化；耦合空化用于处理水。本申请提供的水处理装置采用辐射面直径大于压电片直径的清洗槽式超声换能器，使得装置的价格低廉、工作稳定、适应性强，大的辐射面积覆盖了耦合区和外部超声单独作用的区域，避免了超声能量的浪费。

Description

一种水处理装置及系统

技术领域

本实用新型涉及水处理领域，尤其是一种水处理装置及系统。

背景技术

当代中国在经济高速发展的同时面临着巨大的环境恶化的压力，其中水污染问题尤其严重，现状堪忧。传统的化学方法污水处理技术会带来二次污染，且有一些难以降解的有机物无法用传统方法降解，或者即使能够降解也成本很高。而物理方法进行污水处理，不会产生二次污染，是一种绿色水处理技术。空化污水处理技术就是一种物理方法的污水处理技术，它利用空化效应在空泡内部产生高温高压，以及在液体中产生的羟基自由基进行污水处理，可以降解一些传统方法难以降解或不能降解的有机物。现有的空化污水处理技术有的是利用超声空化，超声空化的空化强度较高，实验室内降解效果很好，但是它成本较高，处理量小，难以实现大规模的工业应用。而且，现有技术中，采用薄层结构和超声换能器的结合处理污水很少。有的是利用水力空化，水力空化处理量大，但是它空化强度较低，污水处理的效果欠佳。这就需要一种将水力空化和超声空化耦合起来的污水处理技术，既能满足处理量的需求，又能满足空化强度的需求，同时将成本控制在工业可接受的程度。现有技术中，虽然也有类似于文丘里管的结构，但是不能实现在文丘里管内部的超声空化和水力空化的耦合，一般文丘里管形流道内部发生的水力空化一般发生在喉部和渐扩段，但是因为文丘里管一般为圆管状结构，形成的水力空化云为环状结构，传统的方法很难实现超声空化和水力空化的耦合，我们利用薄层文丘里管以及通过阀门控制水流速就能很好的解决这个问题。还有的技术，虽然可能涵盖超声空化和其他种类水力空化的耦合，但是并不能控制超声空化区和耦合空化区的面积，本实用新型实现了相互独立的耦合空化区和超声空化区，并可以调节两种空化的作用比例。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中水处理成本较高，处理量小，难以实现大规模的工业应用的不足，提供了一种水处理装置及系统。

为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种水处理装置，包括超声换能器和薄层状处理室，薄层状处理室含有液体，薄层状处理室设置有第一盖板、第二盖板以及渐缩和渐扩形流道，渐缩和渐扩形流道设置有一个或多个阀门；其中，超声换能器辐射面固定在第一盖板上；超声换能器用于发射超声波，薄层状处理室用于接收超声波，并产生超声空化；渐缩和渐扩形流道用于产生水力空化，水力空化和超声空化耦合产生耦合空化；耦合空化用于处理水。

优选的，第一盖板和第二盖板距离为1mm～5cm。

优选的，超声换能器辐射面插入第一盖板中，通过胶圈密封固定；或者，超声换能器辐射面通过胶粘在第一盖板上。

优选的，超声换能器频率为1KHz～500MHz。

优选的，第二盖板上设置有三角形孔，三角形孔用于调节一个或多个阀门进而控制装置中水的流量。

优选的，渐缩或渐扩形流道设置有微孔或微凸的核源，核源用于产生空化核。

优选的，超声换能器为清洗槽式超声换能器，超声换能器的辐射面直径大于压电片的直径。

优选的，渐缩和渐扩形流道为文丘里管。

优选的，渐缩和渐扩形流道为“K型”流道。

第二方面，本申请提供了一种水处理系统，包括水泵、超声电源和一个或多个上述第一方面提供的水处理装置；一个或多个上述第一方面提供的水处理装置分别与水泵和超声电源连接。

本申请提供的水处理装置，通过调节阀门可以根据需要产生超声空化、水力空化和耦合空化，对于污水处理效果显著；该装置采用辐射面直径大于压电片直径的清洗槽式换能器，采用辐射面直径大于压电片直径的清洗槽式换能器使装置的价格低廉、工作稳定、适应性强，大的辐射面积覆盖了耦合区和外部超声单独作用的区域，避免了超声能量的浪费。本申请提供的水处理装置实现了在文丘里管型水力空化和超声空化的耦合，及对空化的控制和调节，提高了空化强度，可以满足工业规模的水处理的需求。本申请提供的水处理系统可以做到一个电源拖动多个超声换能器一起工作，可以工作在扫频模式，也可以工作在定频率模式，进一步做到了增加处理量，降低成本。另外，本申请提供水处理方法，步骤简单，可以实现大规模工业应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的水处理装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的水处理装置内部结构示意图；

图3为图2所示的装置的侧视图；

图4为图2所示装置的薄层状处理室内部的结构示意图；

图5为图2所示装置的使用状态示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种水处理系统结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种水处理方法流程示意图；

图8为本实用新型实施例提供的水处理方法的原理示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的水处理装置结构示意图；如图1所示，该装置包括：超声换能器1和薄层状处理室2，薄层状处理室2内部含有液体，薄层状处理室2设置有第一盖板3和第二盖板4，第二盖板设置有两个三角形孔7。其中，第一盖板和第二盖板距离为1mm～5cm。超声换能器辐射面插入第一盖板中，通过胶圈密封固定；或者，超声换能器辐射面通过胶粘在第一盖板上。

超声换能器为清洗槽式超声换能器，超声换能器的辐射面直径大于压电片的直径，超声换能器频率为1KHz～500MHz。

需要说明的是，本申请提供的装置还可以使用其他的超声换能器。

还需要说明的是，超声空化与声压振幅相关，振幅越高，空化越剧烈。而由于声传播的特点，离超声换能器越近的地方声压振幅越高，薄层状处理室采用1mm～5cm的厚度，可以充分利用这部分的高强声场。本申请通过薄层状处理室的第一盖板和第二盖板可以使声场反射和叠加，进而声压振幅更高。通过薄层状处理室1mm～5cm的薄层结构可以使超声换能器在较宽的频域范围内(1KHz～500MHz)工作，避免失配现象发生。薄层的厚度如果不同，超声换能器的频率范围也会相应的不同。

本申请提供的水处理装置，通过调节阀门可以根据需要产生超声空化、水力空化和耦合空化，对于污水处理效果显著；该装置采用辐射面直径大于压电片直径的清洗槽式换能器，采用辐射面直径大于压电片直径的清洗槽式换能器使装置的价格低廉、工作稳定、适应性强，大的辐射面积覆盖了耦合区和外部超声单独作用的区域，避免了超声能量的浪费。

图2为本实用新型实施例提供的水处理装置内部结构示意图，如图2所示，该装置的薄层状处理室2中，第二盖板上设置有一个三角形孔7。薄层状处理室2内设置有渐缩和渐扩形流道5，渐缩和渐扩形流道5设置有多个阀门6；渐缩和渐扩形流道5内设置有微孔或微凸的核源13。其中，多个阀门6为两个开口较大的阀门，两个开口较小的阀门。薄层状处理室2的两侧分别设置有方形法兰8，方形法兰8设置有多个螺孔，用于固定。方形法兰8的另一侧可以连接圆管，进而在装置中注入待处理水；或者方形法兰8可以通过固定装置和另一个水处理装置连接的方形法兰连接。

第二盖板4上设置有一个三角形孔7，三角形孔7用于调节多个阀门6进而控制装置中水的流量。三角形孔7上面设置有凸台，凸台可以是小法兰；三角形孔7设置有沟槽，在沟槽中可以放置O型圈，用于密封三角形口。

优选的，三角形口上方还可以设置有相应的盖子，当需要调节阀门时，打开盖子，当不需要调节阀门时，通过盖子把开口关闭。

需要说明的是，本实用新型提供的装置，可以设置多个三角形孔，还可以不设置三角形孔，例如，通过开关按钮或者其他的装置控制阀门，进而控制装置中液体的流量和液体的流速。

优选的，渐缩和渐扩形流道5喉部的厚度可以与第一盖板3和第二盖板4之间的距离相同或者不同。也就是说，渐缩和渐扩形流道5喉部的厚度也可以是1mm～5cm。

在一个例子中，渐缩和渐扩形流道还可以设置为非对称型，只要是渐缩和渐扩形流道均可。比如，流道的一侧是直线型的流道，另一侧为渐缩或渐扩形流道，可以是“K形”流道。

在一个例子中，渐缩和渐扩形流道还可以设置为圆形的文丘里管。

在一个例子中，渐缩和渐扩形流道可以通过隔板获得渐缩和渐扩形流道。

本申请提供的水处理装置实现了在文丘里管型水力空化和超声空化的耦合，及对空化的控制和调节，提高了空化强度，可以满足工业规模的水处理的需求。

图3为图2所示的装置的侧视图，图4为图2所示装置的薄层状处理室内部的结构示意图。

如图4所示，通过隔板获得渐缩和渐扩形流道，形成文丘里管结构，液体可以穿过方形法兰进入薄层状处理室，从中间的渐缩和渐扩形流道流过并从另一侧的方形法兰流出。渐缩和渐扩形流道设置有多个核源13，渐缩和渐扩形流道设置有两组阀门，每组两个对称的阀门，共四个阀门，一组大开口阀门和一组小开口阀门，通过三角形孔7可以调节阀门控制液体的流量和流速。

需要说明的是，在渐缩和渐扩形流道中设置的多个核源13，这些核源可以是微凸物体或者是微孔，主要是为了产生空化核。当液体流过渐缩和渐扩形流道，由于设置核源之处表面凹凸不平，会产生微小的空化核，这些空化核在较强超声作用下，达到空化阈值，进而发生空化现象。

需要说明的是，一般待处理的液体中也会有一些微小的气核(空化核)，所以，可以依据需要设置核源的数量，也可以不设置核源。

优选的，还可以通过螺钉实现阀门的功能。也就是说，可以通过螺钉控制液体的流量。当螺钉拧紧时，液体进入渐缩流道的液体增多，液体在渐缩和渐扩形流道喉部的流速大，当螺钉取下时，液体从螺钉处流出，进入渐缩流道的液体含量减少，液体在渐缩和渐扩形流道喉部的流速小。

本申请提供的水处理装置实现了在文丘里管型水力空化和超声空化的耦合，及对空化的控制和调节，提高了空化强度，可以满足工业规模的水处理的需求。

图5为图2所示装置的使用状态示意图，如图5所示，超声换能器1固定于第一盖板3之下，第一盖板和第二盖板之间含有液体，液体随着箭头的方向流动，超声换能器1发射超声波，超声波在第一和第二盖板之间沿着箭头方向多次反射和叠加形成超声场，在超声场的作用下，在薄层状处理室2中形成了空化云9。

本申请提供的水处理装置实现了在文丘里管型水力空化和超声空化的耦合，及对空化的控制和调节，提高了空化强度，可以满足工业规模的水处理的需求。

图6为本实用新型实施例提供的一种水处理系统结构示意图。如图6所示，该系统包括：多个水处理装置100、与多个水处理装置100连接的水泵200，和多个水处理装置连接的超声电源300。其中，多个水处理装置100可以并联，也可以串联。

需要说明的是，上述本实用新型提供的系统，还可以通过电子系统或电子装置同时控制多个水处理装置的阀门，可以做到全自动化或半自动化处理水。

本申请提供的水处理系统可以做到一个电源拖动多个超声换能器一起工作，可以工作在扫频模式，也可以工作在定频率模式，进一步做到了增加处理量，降低成本。

图7为本实用新型实施例提供的一种水处理方法流程示意图，如图7所示，该方法包括步骤S101～S103。

步骤S101，超声换能器向薄层状处理室内的液体发射超声波，超声波在第一盖板和第二盖板间多次反射和叠加形成超声场，液体中的气核(空化核)进而在薄层状处理室内发生超声空化，进而形成超声空化云。

步骤S102，薄层状处理室内的液体高速流过渐缩和渐扩形流道时，液体在渐缩和渐扩形流道的喉部以及渐扩流道内发生水力空化。

步骤S103，超声空化和水力空化发生耦合作用，形成耦合空化场。

通过超声空化和水力空化的耦合作用，形成耦合空化场，进而形成耦合空化云。

当薄层状处理室内的液体少量从渐缩和渐扩形流道外流过时，渐缩和渐扩形流道外为超声空化区，渐缩和渐扩形流道的喉部以及渐扩流道内为耦合空化区；当薄层状处理室内的液体大量从渐缩和渐扩形流道外流过时，薄层状处理室内全部为超声空化区。

需要说明的是，本申请可以通过控制渐缩和渐扩形流道内的液体的流量和流速发生超声空化、水力空化或耦合空化，并可调节各种类型空化处理液体量的比例，以下将对如何发生超声空化、水力空化、耦合空化和调节空化处理液体量的比例进行说明。

在一个例子中，开启超声换能器，控制渐缩和渐扩形流道内的液体流量少、流速低，此时渐缩和渐扩形流道不会发生水力空化，在渐缩和渐扩形流道内外均发生超声空化。

在发生超声空化后，通过三角形孔加大流道内阀门开度。与加大阀门开度之前相比，流经渐缩和渐扩形流道的液体减少，流经流道外的液体增加，流道外侧区域的液体处理量增加，流道内的液体处理量的液体处理量减少。流道外侧区域与流道内区域的水处理量比例增大。

在另一个例子中，开启超声换能器，控制渐缩和渐扩形流道内的液体流量少、流速低，此时渐缩和渐扩形流道不会发生水力空化，在渐缩和渐扩形流道内外均发生超声空化。

在发生超声空化后，通过减小系统入口压力(装置中注入的液体变少)此时，由于装置中注入的液体变少，流道内外的液体均变少，流道内侧和外侧的液体处理量均减小。在阀门的开度没有变化的情况下，与减小系统入口压力之前相比，流道外侧区域的液体处理量与流道内区域的液体处理量的比值变化不大。

在一个例子中，不开启超声换能器，控制渐缩和渐扩形流道内的液体流量大、流速高，此时，在渐缩和渐扩形流道的喉部以及渐扩流道内会发生水力空化，由于没有开启超声换能器，所以装置内不发生超声空化。

在发生水力空化后，通过三角形孔减小流道内的阀门开度。与减小阀门开度之前相比，流过渐缩渐扩流道的液体相对增加，流过渐缩渐扩流道外的液体相对减少。也就是说，流道内侧的液体量与流道外侧的液体量的比值增大。此时，水力空化强度增加。

在另一个例子中，不开启超声换能器，控制渐缩和渐扩形流道内的液体流量大、流速高，在渐缩和渐扩形流道的喉部以及渐扩流道内会发生水力空化。

在发生水力空化后，通过增大系统入口的压力(装置中注入的液体变多)此时，由于装置中注入的液体变多，流道内外的液体均变多，流道内侧和外侧的液体处理量均增多。在阀门的开度没有变化的情况下，与增大系统入口压力之前相比，流道外侧区域的液体处理量与流道内区域的液体处理量比值变化不大。此时，水力空化强度增加。

在一个例子中，开启超声换能器，控制渐缩和渐扩形流道内的液体流量大、流速高，由于渐缩和渐扩形流道内的液体流量大、流速高，在液体在流道的喉部和渐扩流道区域会发生水力空化；由于开启超声换能器，流道会发生超声空化。因此，在渐缩和渐扩形流道的喉部以及渐扩流道内会发生耦合空化。此时，在渐缩流道以及渐缩和渐扩形流道外测区域发生超声空化。

发生耦合空化后，通过三角孔减小流道内阀门开度。此时，水力空化强度增强，超声空化的强度不变。与减小阀门开度之前相比，流过渐缩渐扩流道的液体相对增加，流过渐缩渐扩流道外的液体相对减少。也就是说，流道外侧超声空化的液体处理量减少，渐缩和渐扩形流道内耦合空化处理液体量增多。也就是说，流道内侧的液体量与流道外侧的液体量比值增大。

在另一个例子中，开启超声换能器，控制渐缩和渐扩形流道内的液体流量大、流速高，由于渐缩和渐扩形流道内的液体流量大、流速高，在液体在流道的喉部和渐扩流道区域会发生水力空化，由于开启超声换能器，流道会发生超声空化。因此，在渐缩和渐扩形流道的喉部以及渐扩流道内会发生耦合空化。此时，在渐缩流道以及渐缩和渐扩形流道外测区域发生超声空化。

发生耦合空化后，通过增大系统入口的压力(装置中注入的液体变多)，渐缩和渐扩形流道内的液体流量增多、流速变快。此时，由于装置中注入的液体变多，流道内外的液体均变多，流道内侧和外侧的液体处理量均增多。也就是说，耦合空化处理的液体量和超声空化处理的液体量均增多。在阀门的开度没有变化的情况下，与增大系统入口压力之前相比，流道外侧区域的液体处理量与流道内区域的液体处理量比值变小。也就是说，耦合空化与超声空化的处理量比值变小。也就是说，外侧区域单独超声空化处理液体量变大，但超声空化处理的液体量占装置的总处理量比值变小；渐缩和渐扩形流道内耦合空化处理液体量变大，但是耦合空化处理的液体量占装置的总处理量比值变大。

本申请提供的水处理方法，步骤简单，通过本申请提供的水处理方法和装置，可以实现大规模的工业应用，在处理污水上面效果显著。

图8为本实用新型实施例提供的水处理方法的原理示意图，如图8所示，液体沿着箭头的方向流经渐缩和渐扩流道，超声换能器1向薄层状处理室发射超声波，超声波在第一盖板和第二盖板间多次反射和叠加形成圆形的超声空化区10，进而在渐缩和渐扩形流道内发生超声空化，形成超声空化云；当液体高速流过渐缩和渐扩形流道时，在喉部和渐扩流道发生水力空化，水力空化和超声空化发生耦合作用，在喉部和渐扩流道形成耦合空化区11，在耦合空化的作用下形成耦合空化云12。

可选的，在本申请提供的装置中，超声换能器的辐射面在发射超声波时，超声波至少要覆盖减缩或渐扩形流道的喉部以及渐扩流道的一部分，以便更好的发生耦合作用。

图8所示的例子，在渐缩和渐扩形流道中设置两组阀门，其中一组是小阀门61，一组是大阀门62。

当开启小阀门61时，少量液体流出渐缩和渐扩形流道时，在保证流量的连续性，并且没有流体滞留在流道外侧区域时，液体流过渐缩和渐扩形流道时，流速变小，在一定流速范围内，喉部和渐扩流道也会发生水力空化，喉部和渐扩流道构成耦合空化区，在耦合空化的作用下形成耦合空化云。

当开启大阀门62时，大量液体从渐缩和渐扩形流道外侧流过，液体流过渐缩和渐扩形流道时，流速变得很小，喉部和渐扩流道不会发生水力空化，渐缩和渐扩形流道内和外都是超声空化区。

需要说明的是，由于空化有过渡状态，因此，还可以在本申请提供的装置中，设置多组阀门，可以更精细的调节渐缩和渐扩形流道的流量和流速，做到对水力空化和耦合空化强度的精细调节。

本申请提供的水处理装置，通过调节阀门可以根据需要产生超声空化、水力空化和耦合空化，对于污水处理效果显著；该装置采用辐射面直径大于压电片直径的清洗槽式换能器，采用辐射面直径大于压电片直径的清洗槽式换能器使装置的价格低廉、工作稳定、适应性强，大的辐射面积覆盖了耦合区和外部超声单独作用的区域，避免了超声能量的浪费。本申请提供的水处理装置实现了在文丘里管型水力空化和超声空化的耦合，及对空化的控制和调节，提高了空化强度，可以满足工业规模的水处理的需求。本申请提供的水处理系统可以做到一个电源拖动多个超声换能器一起工作，可以工作在扫频模式，也可以工作在定频率模式，进一步做到了增加处理量，降低成本。另外，本申请提供水处理方法，步骤简单，可以实现大规模工业应用。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水处理装置，包括超声换能器(1)，其特征在于，还包括薄层状处理室(2)，所述薄层状处理室(2)设置有第一盖板(3)、第二盖板(4)以及渐缩和渐扩形流道(5)，所述渐缩和渐扩形流道(5)设置有一个或多个阀门(6)，在所述第一盖板(3)和第二盖板(4)之间含有液体；其中，所述超声换能器辐射面固定在所述第一盖板(3)上；所述超声换能器(1)用于发射超声波，所述薄层状处理室(2)用于接收所述超声波，并产生超声空化；所述渐缩和渐扩形流道(5)用于产生水力空化，所述水力空化和所述超声空化耦合产生耦合空化；所述耦合空化用于处理水。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一盖板(3)和第二盖板(4)距离为1mm～5cm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声换能器辐射面插入所述第一盖板(3)中，通过胶圈密封固定；或者，所述超声换能器辐射面通过胶粘在所述第一盖板(3)上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声换能器(1)的频率为1KHz～500MHz。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二盖板(4)设置有三角形孔(7)，所述三角形孔(7)用于调节一个或多个阀门(6)进而控制装置中水的流量。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述渐缩和渐扩形流道(5)设置有微孔或微凸的核源(13)，所述微孔或微凸的核源(13)用于产生空化核。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声换能器(1)为清洗槽式超声换能器，所述超声换能器的辐射面直径大于压电片的直径。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述渐缩和渐扩形流道(5)为文丘里管。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述渐缩和渐扩形流道(5)为“K型”流道。

10.一种水处理系统，其特征在于，包括水泵、超声电源和一个或多个如权利要求1-9任一权利要求所述的水处理装置；一个或多个如权利要求1-9任一权利要求所述的水处理装置分别与所述水泵和所述超声电源连接。