申请日2017.09.21
公开(公告)日2017.12.12
IPC分类号C02F9/08; G01N21/31; G01N33/18; G01N27/06; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种高级氧化有机废水处理系统及其功效测试方法，包括水箱，过滤器，电机，液压泵，溢流阀，压力传感器，取样阀，气体节流阀，自激振荡水力空化器，流量传感器，温度传感器，PH传感器，电导率传感器，溶解氧传感器，制氧机，等离子体发生器，电源，数据采集卡，PC机，紫外分光光度计检测仪和便携式COD检测仪。本发明克服了现有水力空化废水处理系统中通流能力差、压力损失大、空化区域有限、羟基产量少、空化效果差等问题，同时实现了羟基自由基的延时控制;功效测试方法既能检测该系统中产生的羟基自由基含量，也能实现多参数水质的在线监测分析，为开发高效一体化的废水处理系统设备提供线索和依据。
权利要求书
1.一种高级氧化有机废水处理系统，其特征在于：该系统包括水箱(1)、过滤器(2)、电机(3)、液压泵(4)、溢流阀(5)、压力传感器(6)、.取样阀(7)、气体节流阀(8)、自激振荡水力空化器(9)、流量传感器(10)、温度传感器(11)、PH传感器(12)、电导率传感器(13)、溶解氧传感器(14)、制氧机(15)、等离子体发生器(16)、电源(17)、数据采集卡(18)和PC机(19);
自激振荡水力空化器(9)用于发生剧烈的空化效应，空化效应产生的极端条件足以使水分子裂解，伴随有羟基产生，并设置有四个出入口，分别为液体进口、液体出口、气体进口a、气体进口b;制氧机(15)用于产生氧气和雾化的水蒸气，并输送气体至等离子体发生器(16);等离子体发生器(16)在电源(17)的激励下，对输送进来的氧气和水蒸气进行强电离放电，生成氧活性粒子、臭氧、过氧化氢基链反应引发剂气体;
过滤器(2)设置在液压泵(4)的进口管路处，用于滤除待处理水中的杂质;电机(3)驱动液压泵(4)从水箱(1)抽取待处理液体，待处理液体先由过滤器(2)进行初步过滤，再进入液压泵(4)，经过溢流阀(5)进入自激振荡水力空化器(9)的液体进口，由等离子体发生器(16)产生的基链反应引发剂气体分两路分别输送到自激振荡水力空化器(9)的气体进口a和气体进口b中;溢流阀(5)用于调节自激振荡水力空化器(9)的进口压力;气体节流阀(8)包括气体节流阀a(8-1)和气体节流阀b(8-2)，气体节流阀a(8-1)和气体节流阀b(8-2)分别用于调节进入气体进口a和气体进口b各支路的气体流量;压力传感器(6)用于监测自激振荡水力空化器(9)进口处的压力;流量传感器(10)、温度传感器(11)、PH传感器(12)、电导率传感器(13)、溶解氧传感器(14)并联在压力传感器(6)和数据采集卡(18)之间;流量传感器(10)、温度传感器(11)、PH传感器(12)、电导率传感器(13)、溶解氧传感器(14)并联在压力传感器(6)和数据采集卡(18)均连接在水箱(1)与自激振荡水力空化器(9)之间;流量传感器(10)与自激振荡水力空化器(9)连接，用于监测进入自激振荡水力空化器(9)的流量;温度传感器(11)设置在水箱(1)处用于监测系统中液体的温度;PH传感器(12)用于监测废水经处理后的PH值;所述的电导率传感器(13)用于监测废水经处理后的电导率值;所述的溶解氧传感器(14)用于监测废水经处理后的溶解氧;所述的压力传感器(6)，流量传感器(10)，温度传感器(11)，PH传感器(12)，电导率传感器(13)，溶解氧传感器(14)均有数显二次仪表，便于实时监测，同时所测得的相关参数值由数据采集卡(18)采集，并传输到PC机(19)上，在PC机(19)上用LabVIEW读取记录各参数并分析各参数的变化。
2.根据权利要求1所述的一种高级氧化有机废水处理系统，其特征在于：所述的取样阀(7)包括取样阀a(7-1)、取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)，取样阀a(7-1)接在自激振荡水力空化器(9)的液体进口、、取样阀b(7-2)接在自激振荡水力空化器(9)的气体进口和取样阀c(7-3)接在自激振荡水力空化器(9)的液体出口处，用于采集液体进出口样本和气体样本。
3.根据权利要求1所述的一种高级氧化有机废水处理系统，其特征在于：所述的自激振荡水力空化器(9)液体出口直径d2=(1.6～2.5)d1，其中d1为液体进口直径;腔体大径D=(5～6)d2以及D=1.5～2L，其中d2为液体出口直径，L为腔体内中心线轴向最小距离;所述的自激振荡水力空化器(9)外形锥面上开有两个对称的通气口，分别为气体进口a和气体进口b;所述的自激振荡水力空化器(9)的液体进口直径d1通过不同接头更换，后端盖能更换以改变不同的液体出口直径d2。
4.根据权利要求1所述的一种高级氧化有机废水处理系统，其特征在于：所述的压力传感器(6)，流量传感器(10)，PH传感器(12)，电导率传感器(13)，溶解氧传感器(14)均既有数显仪表实时监测，同时也能通过数据采集卡(18)将各参数数据传输到PC机上，用LabVIEW软件来读取并分析比较数据。
5.根据权利要求1所述的一种高级氧化有机废水处理系统，其特征在于：所述电源(17)的功率为0～400W;所述的等离子体发生器(16)强电离所需原料气为氧气和水蒸气;所述的制氧机(15)既能产生氧气，也能够将水雾化为水蒸气，流量为3L/min。
6.利用权利要求1所述系统进行的一种高级氧化有机废水处理系统的功效测试方法，其特征在于：功效测试方法包括两项测试内容，第一项是采用亚甲基蓝分光光度计法测量系统中羟基(·OH)的产生量，第二项是在线检测实际有机废水的水质参数;亚甲基蓝为羟基的捕捉剂，简称MB，分子式为Cl6H18CIN3S·3H2O，分子量为373.9，MB与·OH的反应式为：MB+·OH→MB-OH。
7.根据权利要求5所述的一种高级氧化有机废水处理系统的功效测试方法中第一项测试内容，其特征在于包括如下步骤：
1)配置一系列不同浓度的亚甲基蓝标准溶液，用紫外-可见分光光度计扫描出一定波长范围内不同浓度的亚甲基蓝标准溶液的吸光度，找出亚甲基蓝的最大吸收波长;
2)在最大吸收波长下测量一系列不同浓度的亚甲基蓝标准溶液相对应的吸光度，将吸光度值与对应的浓度线性拟合，得出亚甲基蓝浓度与吸光度的关系曲线及拟合方程;
3)配置出一定量的一定浓度的亚甲基蓝水溶液，作为高级氧化系统处理的原溶液，注入水箱中，搅拌均匀，同时采样;
4)接通总电源，开启电机(3)、制氧机(15)、电源(17)，电机(3)带动液压泵(4)运转，水箱(1)中的待处理液体先由过滤器(2)进行初步过滤，再进入液压泵，经过溢流阀(5)进入自激振荡水力空化器(9)中进行空化反应，同时调节电源(17)，激励等离子体发生器(16)对制氧机(15)产生的氧气和水蒸气进行强电离放电，产生的基链反应引发剂气体分两路分别输送到自激振荡水力空化器(9)的气体进口a和气体进口b中参与一系列的自由基链反应，促使产生更多的羟基;通过调节电机变频器和溢流阀来控制进入系统中的流量和压力;通过调节气体节流阀(8)来控制进入自激振荡水力空化器(9)中的基链反应引发剂气体;待系统运行一段时间后，打开取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)进行采样;
5)利用紫外-分光光度计检测仪对初始亚甲基蓝原溶液、取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)处测试样液进行吸光度检测;通过步骤2)中的拟合方程进行计算，得出运行一段时间内系统中产生的羟基的量。
8.根据权利要求5所述的一种高级氧化有机废水处理系统的功效测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在水箱中注入一定量的有机废水，搅拌均匀，同时采样;
2)接通总电源，开启电机(3)、制氧机(15)、电源(17)，电机(3)带动液压泵(4)运转，水箱(1)中的待处理液体先由过滤器(2)进行初步过滤，再进入液压泵，经过溢流阀(5)进入自激振荡水力空化器(9)中进行空化反应，同时调节电源(17)，激励等离子体发生器(16)对制氧机(15)产生的氧气和水蒸气进行强电离放电，产生的基链反应引发剂气体分两路分别输送到自激振荡水力空化器(9)的气体进口a和气体进口b中参与一系列的自由基链反应，促使产生更多的羟基;通过调节电机变频器和溢流阀来控制进入系统中的流量和压力;通过调节气体节流阀(8)来控制进入自激振荡水力空化器(9)中的基链反应引发剂气体;同时利用二次数显仪表实时监测PH、电导率、溶解氧水质参数的变化，并记录各参数的初始值，待系统运行一段时间后，打开取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)进行采样，同时再次记录各水质参数数值;
3)利用便携式COD测试仪对初始有机废水、取样阀a(7-2)、取样阀b(7-3)处测试样液进行COD检测，并利用PC机(19)上LabVIEW软件对运行不同时间段前后的PH、电导率、溶解氧进行分析比较。
说明书
一种高级氧化有机废水处理系统及其功效测试方法
技术领域
本发明属于高级氧化水处理应用技术领域，涉及一种高级氧化有机废水处理系统及其功效测试方法。基于自激振荡水力空化联合大气压强电离放电的高级氧化技术，本发明提出一种有机废水处理系统及相应的测试方法。
背景技术
随着现代化工业和城市的快速发展，工业生产需水量越来越大，同时工业废水排放量也随之增加，但废水处理设备的相对滞后又使大量的废水不经过处理就直接排出，致使周围环境和人类生活遭到极大威胁。这些工业废水的成份大多是有机物,不仅具有腐蚀性、毒害性,而且难以生物降解。如果这些工业废水未经处理或处理不达标直接排入自然水体，进而通过水循环系统进入人体中,将很容易引起人体致癌、致畸,甚至基因突变。由此可见，未妥善处理工业废水的肆意排放将严重威胁生态环境和人类健康。而传统的水处理技术(包括化学法、物理化学法、生物法)处理难降解工业有机废水时均存在氧化能力不强、有二次污染、通用性差、运行成本高、处理量小等缺点，具有一定的局限性，不能满足更高的新的环保要求。因此，高级氧化技术(Advanced Oxidation Process，AOPs)应运而生。
AOPs是指氧化能力超过所有常见氧化剂或氧化电位接近或达到羟基自由基(·OH)水平，可与有机污染物进行系列自由基链反应从而破坏其结构，使其逐步降解为无害的低分子量有机物，最后降解为CO2、H2O和其他矿物盐的技术。AOPs的核心是·OH的制备，·OH是一种重要的活性氧，具有极强的氧化能力，氧化电位2.8V，是自然界中仅次于最强氟的氧化剂，是臭氧的1.35倍;·OH具有非常高的反应速率常数(109mol/L·s)，是其他氧化剂的107倍以上，在数秒内完成整个生化反应过程;·OH具有非选择性，可与大多数有机污染物发生快速的链式反应，无选择性地把有害物质氧转化成CO2、H2O和矿物盐，且无二次污染，因而在理论上和实践上都是最佳的绿色氧化剂。通常典型的高级氧化技术包括Fenton氧化法、光化学氧化法、电化学氧化法以及催化湿式氧化法等，这几种AOPs技术均存在一定的技术缺陷，整体呈现制取·OH的浓度低、产量小、能耗高、效率低、处理量小、运行成本高、无法实现规模化工业应用的态势。因此，急需开发新型高效的AOPs水处理技术。
水力空化作为一种新兴的高级氧化技术已受到越来越多的关注。水力空化技术主要是利用空化过程中空化泡瞬间溃灭所产生的巨大能量以及高湍流、高射流等极端条件，这种极端条件足以使水分子裂解为·OH和·H，使废水中的有机物在高温、高压下被降解。水力空化技术具有设计操作简单、能耗少、处理量大、且反应设备简单、运行和管理费用低、大规模化投入运行相对容易、易于与其他方法联合使用等优点。但是，目前常规的水力空化器多采用文丘里管和多孔孔板等型式，其普遍存在通流能力差、压力损失大、空化区域有限、空化效果差、总体能量利用率低等缺陷。单独使用水力空化技术，其空化效应产生的能量也并不能被充分利用，因而产生的羟基自由基数量也十分有限。因此针对以上不足，本发明提出一种基于自激振荡水力空化联合大气压强电离放电技术的高级氧化有机废水处理系统及相应的测试方法。
发明内容
本发明提供一种基于自激振荡水力空化联合大气压强电离放电技术的高级氧化有机废水处理系统及其功效测试方法，目的在于克服现有水力空化废水处理系统中通流能力差、压力损失大、空化区域有限、羟基产量少，持续时间短、空化效果差等问题，以实现对高浓度难降解有机废水的高效处理，并能够检测该系统中产生的羟基自由基含量以及实现多参数水质的在线检测。具体技术方案如下：
一种高级氧化有机废水处理系统，该系统包括水箱(1)、过滤器(2)、电机(3)、液压泵(4)、溢流阀(5)、压力传感器(6)、.取样阀(7)、气体节流阀(8)、自激振荡水力空化器(9)、流量传感器(10)、温度传感器(11)、PH传感器(12)、电导率传感器(13)、溶解氧传感器(14)、制氧机(15)、等离子体发生器(16)、电源(17)、数据采集卡(18)和PC机(19)。
自激振荡水力空化器(9)用于发生剧烈的空化效应，空化效应产生的极端条件足以使水分子裂解，伴随有羟基产生，并设置有四个出入口，分别为液体进口、液体出口、气体进口a、气体进口b;制氧机(15)用于产生氧气和雾化的水蒸气，并输送气体至等离子体发生器(16);等离子体发生器(16)在电源(17)的激励下，对输送进来的氧气和水蒸气进行强电离放电，生成氧活性粒子、臭氧、过氧化氢等基链反应引发剂气体;
过滤器(2)设置在液压泵(4)的进口管路处，用于滤除待处理水中的杂质;电机(3)驱动液压泵(4)从水箱(1)抽取待处理液体，待处理液体先由过滤器(2)进行初步过滤，再进入液压泵(4)，经过溢流阀(5)进入自激振荡水力空化器(9)的液体进口，由等离子体发生器(16)产生的基链反应引发剂气体分两路分别输送到自激振荡水力空化器(9)的气体进口a和气体进口b中;溢流阀(5)用于调节自激振荡水力空化器(9)的进口压力;气体节流阀(8)包括气体节流阀a(8-1)和气体节流阀b(8-2)，气体节流阀a(8-1)和气体节流阀b(8-2)分别用于调节进入气体进口a和气体进口b各支路的气体流量;压力传感器(6)用于监测自激振荡水力空化器(9)进口处的压力;流量传感器(10)、温度传感器(11)、PH传感器(12)、电导率传感器(13)、溶解氧传感器(14)并联在压力传感器(6)和数据采集卡(18)之间;流量传感器(10)、温度传感器(11)、PH传感器(12)、电导率传感器(13)、溶解氧传感器(14)并联在压力传感器(6)和数据采集卡(18)均连接在水箱(1)与自激振荡水力空化器(9)之间;流量传感器(10)与自激振荡水力空化器(9)连接，用于监测进入自激振荡水力空化器(9)的流量;温度传感器(11)设置在水箱(1)处用于监测系统中液体的温度;PH传感器(12)用于监测废水经处理后的PH值;所述的电导率传感器(13)用于监测废水经处理后的电导率值;所述的溶解氧传感器(14)用于监测废水经处理后的溶解氧;所述的压力传感器(6)，流量传感器(10)，温度传感器(11)，PH传感器(12)，电导率传感器(13)，溶解氧传感器(14)均有数显二次仪表，便于实时监测，同时所测得的相关参数值由数据采集卡(18)采集，并传输到PC机(19)上，在PC机(19)上用LabVIEW读取记录各参数并分析各参数的变化。
所述的取样阀(7)包括取样阀a(7-1)、取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)，取样阀a(7-1)接在自激振荡水力空化器(9)的液体进口、、取样阀b(7-2)接在自激振荡水力空化器(9)的气体进口和取样阀c(7-3)接在自激振荡水力空化器(9)的液体出口处，用于采集液体进出口样本和气体样本。
所述的自激振荡水力空化器(9)液体出口直径d2=(1.6～2.5)d1，其中d1为液体进口直径;腔体大径D=(5～6)d2以及D=1.5～2L，其中d2为液体出口直径，L为腔体内中心线轴向最小距离;所述的自激振荡水力空化器(9)外形锥面上开有两个对称的通气口，分别为气体进口a和气体进口b;所述的自激振荡水力空化器(9)的液体进口直径d1通过不同接头更换，后端盖能更换以改变不同的液体出口直径d2。
所述的压力传感器(6)，流量传感器(10)，PH传感器(12)，电导率传感器(13)，溶解氧传感器(14)均既有数显仪表实时监测，同时也能通过数据采集卡(18)将各参数数据传输到PC机上，用LabVIEW软件来读取并分析比较数据。
所述电源(17)的功率为0～400W;所述的等离子体发生器(16)强电离所需原料气为氧气和水蒸气;所述的制氧机(15)既可产生氧气，也可将水雾化为水蒸气，流量为3L/min。
一种高级氧化有机废水处理系统的功效测试方法，该方法包括两项测试内容，第一项是采用亚甲基蓝分光光度计法测量系统中羟基(·OH)的产生量，第二项是在线检测实际有机废水的水质参数。亚甲基蓝为羟基的捕捉剂简称MB，分子式为Cl6H18CIN3S·3H2O，分子量为373.9，MB与·OH的反应式为：
MB+·OH→MB-OH
由于MB分子和·OH自由基反应具有一一对应的关系,所以根据亚甲基蓝浓度的变化就可以计算出捕捉到·OH的量。
第一项测试内容包括如下步骤：
1)配置一系列不同浓度的亚甲基蓝标准溶液，用紫外-可见分光光度计扫描出一定波长范围内不同浓度的亚甲基蓝标准溶液的吸光度，找出亚甲基蓝的最大吸收波长;
2)在最大吸收波长下测量一系列不同浓度的亚甲基蓝标准溶液相对应的吸光度，将吸光度值与对应的浓度线性拟合，得出亚甲基蓝浓度与吸光度的关系曲线及拟合方程;
3)配置出一定量的一定浓度的亚甲基蓝水溶液，作为高级氧化系统处理的原溶液，注入水箱中，搅拌均匀，同时采样;
4)接通总电源，开启电机(3)、制氧机(15)、电源(17)，电机(3)带动液压泵(4)运转，水箱(1)中的待处理液体先由过滤器(2)进行初步过滤，再进入液压泵，经过溢流阀(5)进入自激振荡水力空化器(9)中进行空化反应，同时调节电源(17)，激励等离子体发生器(16)对制氧机(15)产生的氧气和水蒸气进行强电离放电，产生的基链反应引发剂气体分两路分别输送到自激振荡水力空化器(9)的气体进口a和气体进口b中参与一系列的自由基链反应，促使产生更多的羟基。通过调节电机变频器和溢流阀来控制进入系统中的流量和压力。通过调节气体节流阀(8)来控制进入自激振荡水力空化器(9)中的基链反应引发剂气体。待系统运行一段时间后，打开取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)进行采样;
5)利用紫外-分光光度计检测仪对初始亚甲基蓝原溶液、取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)处测试样液进行吸光度检测。通过步骤2)中的拟合方程进行计算，得出运行一段时间内系统中产生的羟基的量。产生羟基量的多少可以为该高级氧化系统处理有机废水的效果提供一定的判断依据。
第二项测试内容包括如下步骤：
1)在水箱中注入一定量的有机废水，搅拌均匀，同时采样;
2)接通总电源，开启电机(3)、制氧机(15)、电源(17)，电机(3)带动液压泵(4)运转，水箱(1)中的待处理液体先由过滤器(2)进行初步过滤，再进入液压泵，经过溢流阀(5)进入自激振荡水力空化器(9)中进行空化反应，同时调节电源(17)，激励等离子体发生器(16)对制氧机(15)产生的氧气和水蒸气进行强电离放电，产生的基链反应引发剂气体分两路分别输送到自激振荡水力空化器(9)的气体进口a和气体进口b中参与一系列的自由基链反应，促使产生更多的羟基。通过调节电机变频器和溢流阀来控制进入系统中的流量和压力。通过调节气体节流阀(8)来控制进入自激振荡水力空化器(9)中的基链反应引发剂气体。同时利用二次数显仪表实时监测PH、电导率、溶解氧等水质参数的变化，并记录各参数的初始值，待系统运行一段时间后，打开取样阀b(7-2)、取样阀c(7-3)进行采样，同时再次记录各水质参数数值。
3)利用便携式COD测试仪对初始有机废水、取样阀(7-2)、取样阀(7-3)处测试样液进行COD检测，并利用PC机(19)上LabVIEW软件对运行不同时间段前后的PH、电导率、溶解氧进行分析比较，并以国家环保总局《污水综合排放标准》中的规定为参照来检测该高级氧化有机废水处理系统的功效。
有益效果
本发明能够应用于有机废水处理领域，系统中采用自激振荡腔作为空化器，克服了现有水力空化废水处理系统中通流能力差、压力损失大、空化区域有限、羟基产量少、空化效果差等问题，同时将自激振荡水力空化与大气压强放电两种高级氧化技术有机结合，实现了羟基自由基的延时控制，并能够检测该系统中产生的羟基自由基含量以及实现多参数水质的在线监测，为开发高效一体化的废水处理系统设备提供线索和依据。