申请日2015.08.13
公开(公告)日2015.12.09
IPC分类号C02F9/04
摘要
本发明公开了等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：包括：水处理单元(1)，所述水处理单元(1)包括超声臭氧联合反应器(2)和等离子体发生器(3)，所述超声臭氧联合反应器(2)的出水口通过液泵(4)和液体流量计(5)与Y型反应器(6)的进水口相连;所述超声臭氧联合反应器(2)的顶端通过第二气体循环管道(42)与所述等离子体发生器(3)相连通。本发明提供的一种等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，综合利用超声、臭氧、等离子体、TiO2催化等方法来进行污水处理;另外，还克服现有技术中废水处理装置占地面积大、耗能高、单次处理时间长和等离子体中活性物质利用率低等问题。
权利要求书
1.等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：包括：水处理单元(1)，所述水处理单元(1)包括超声臭氧联合反应器(2)和等离子体发生器(3)，所述超声臭氧联合反应器(2)的出水口通过液泵(4)和液体流量计(5)与Y型反应器(6)的进水口相连，所述等离子体发生器(3)的出气口伸入所述Y形反应器(6)的进气口内部，所述Y形反应器(6)的出水口设置于所述Y型反应器(6)的进水口和进气口的下方，所述Y形反应器(6)的出水口内设置有负载催化剂的孔网(7)，所述Y形反应器(6)的出水口与水平向的出水管(8)相连，所述出水管(8)的侧壁通过气液分离装置(9)及气泵(20)与第一气体循环管道(10)的进气口相连接，所述第一气体循环管道(10)的出气口穿过所述超声臭氧联合反应器(2)的顶端后与曝气装置(15)的进气口相连接，所述超声臭氧联合反应器(2)的内部顶端设置有臭氧传感器(12)、液位检测装置(13)和负压单向阀(14)，所述超声臭氧联合反应器(2)的内部底端设置有所述曝气装置(15)和压电超声换能器(16);所述超声臭氧联合反应器(2)的顶端通过第二气体循环管道(42)与所述等离子体发生器(3)相连通。
2.根据权利要求1所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述等离子体发生器(3)包括介质阻挡放电射流喷嘴(23)，空气压缩泵(17)的出气口通过第三气体循环管道(43)与高压电源(18)的进气口相连，所述高压电源(18)的出气口通过第四气体循环管道(44)与所述介质阻挡放电射流喷嘴(23)的进气口相连，所述第四气体循环管道(44)上设置有气体流量计(19)，所述空气压缩泵(17)的进气口与所述超声臭氧联合反应器(2)的顶端相连通;所述高压电源(18)和介质阻挡放电射流喷嘴(23)的外壳均通过高压电缆(24)接地。
3.根据权利要求2所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述介质阻挡放电射流喷嘴(23)包括绝缘介质管(231)、所述绝缘介质管(231)为两端均开口的倒置的瓶状，所述瓶状的瓶口上外套环状的外电极(233)，所述外电极(233)外部灌封有传感器胶层(232)，所述瓶状内设置有内电极(234)，所述内电极(234)主体为棒状，底部呈球形，所述球形位于所述瓶口处，所述棒状的顶端和外电极(233)分别与所述高压电源(18)电相连。
4.根据权利要求1所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述压电超声换能器(16)通过电缆(21)与超声激励电源(22)相连;所述超声激励电源(22)包括前级振荡器、后级放大器、控制单元和反馈取样电路，所述前级振荡器包括依次相连的压控振荡电路、整形电路和驱动信号产生电路，所述后级放大器包括功率放大电路和与所述功率放大电路的输出端相连接的谐振匹配网络，所述控制单元的输出端与所述压控振荡电路的输入端相连接，所述驱动信号产生电路的输出端与所述功率放大电路的输入端相连接，所述谐振匹配网络的输出端分别与所述反馈取样电路的输入端和所述压电超声换能器(16)相连接，所述反馈取样电路与所述控制单元通讯连接，所述控制单元还与所述驱动信号产生电路通讯连接。
5.根据权利要求1所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述负载催化剂的孔网(7)包括外圆环(71)和利用条形带(73)固定于所述外圆环(71)中心的圆形内孔网(72)，所述，条形带(73)的个数为至少4个且均匀分布，所述外圆环(71)依靠固定块(74)固定于所述Y形反应器(6)的出水口内，所述外圆环(71)的直径与所述Y形反应器(6)的出水口的直径相匹配，所述圆形内孔网(72)的直径较所述外圆环(71)的直径小10~20mm，所述条形带(73)的带宽为2.5~4mm，所述圆形内孔网(72)上若干均匀分布的圆孔直径为1~1.5mm;所述负载催化剂的孔网(7)与水平面呈α角度设置，所述α为30~35°。
6.根据权利要求3所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述负载催化剂的孔网(7)位于所述介质阻挡放电射流喷嘴(23)的下方，所述介质阻挡放电射流喷嘴(23)的出气口与所述负载催化剂的孔网(7)之间的垂直距离为d，所述介质阻挡放电射流喷嘴(23)的出气口与所述负载催化剂的孔网(7)之间竖直距离为D，D为0.3~18mm，所述介质阻挡放电射流喷嘴(23)的出气口垂直插入Y形反应器的进气口并淹没于待处理的污水溶液中。
7.根据权利要求1、5、6任一项所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述负载催化剂的孔网(7)上的催化剂为TiO2锐钛矿薄膜;所述负载催化剂的孔网(7)的材质为钛金属。
8.根据权利要求7所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述TiO2锐钛矿薄膜的制备方法如下：通过溶胶-凝胶法制备TiO2浆料，然后将其涂在所述圆形内孔网(72)上，最后在200~220℃下烘焙3~3.5小时，冷却即得。
9.根据权利要求1所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述气液分离装置(9)包括与所述出水管(8)的侧壁相连通的下腔体(91)、所述下腔体(91)的顶端与上腔体(92)的底端相连接，所述上腔体(92)的顶端为出气口并通过所述气泵(20)与所述第一气体循环管道(10)的进气口相连接;所述上腔体(92)的直径较所述下腔体(91)的直径大4~5倍，所述上腔体(92)和下腔体(91)内设置有L型的液体回流管(93)，所述液体回流管(93)的顶端伸入所述上腔体(92)中，所述液体回流管(93)的底端进入所述出水管(8)中，所述液体回流管(93)的侧壁上分布有用于分离气体和液体的微孔群(94)，所述液体回流管(93)与所述下腔体(91)出水向的内壁之间设置有挡板(95)。
10.根据权利要求1所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述负压单向阀(14)包括机械壳(141)，所述机械壳(141)内设置有T型活塞(142)，所述T型活塞(142)的底端穿过固定于所述机械壳(141)内的水平板(143)上的安装孔(144)，所述安装孔(144)的直径大于所述T型活塞(142)的竖直杆的直径，弹簧(145)的两端分别连接所述水平板(143)的上表面和所述T型活塞(142)的水平圆盘的下表面，所述机械壳(141)的顶端设置有环形向下凸起(146)，所述T型活塞(142)水平圆盘的直径大于所述环形向下凸起(146)的内径，所述T型活塞(142)水平圆盘顶端设置有密封垫(147)，所述机械壳(141)的外壁上设置有用于将所述机械壳(141)安装在所述超声臭氧联合反应器(2)上的旋合接口(148);所述竖直杆的顶端与所述水平圆盘的下表面中心点一体连接。
11.根据权利要求1所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述曝气装置(15)包括微孔曝气装置(151)，所述微孔曝气装置(151)安装于所述超声臭氧联合反应器(2)的底部中心，压电超声换能器(16)分布在微孔曝气装置(151)的周围，所述压电超声换能器(16)的个数为至少4个且均匀分布与所述微孔曝气装置(151)的四周，所述微孔曝气装置(151)的顶端设置有曝气装置进气口(152)，所述曝气装置进气口(152)与所述第一气体循环管道(10)相连。
12.根据权利要求2所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：所述臭氧传感器(12)与数据采集与控制单元电相连;所述数据采集与控制单元包括微控制器，分别与所述微控制器相连的RS-485接口单元、显示单元、放电参数控制单元、阀门组、气体流速控制单元、液体流速控制单元、臭氧浓度检测单元和超声驱动单元，所述RS-485接口单元分别与所述液体流量计(5)和气体流量计(19)自带的RS-485接口芯片相连接;所述放电参数控制单元与高压电源(18)电相连，所述气体流速控制单元与所述气体流量计(19)电相连，所述液体流速控制单元与所述液体流量计(5)电相连，所述臭氧浓度检测单元与所述臭氧传感器(12)电相连，所述超声驱动单元与所述压电超声换能器(16)电相连，所述阀门组为设置有所述水处理单元(1)外部管道上的若干阀门。
13.根据权利要求1~12任一项所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：包括水处理单元(1)、第一水箱(25)、第二水箱(26)和阀门组，所述阀门组包括第一阀门(28)、第二阀门(29)、第三阀门(30)、第四阀门(31)、第五阀门(32)和第六阀门(33)，所述第一水箱(25)和第二水箱(26)内均设置有液位检测电路(27)，所述第一水箱(25)的进水口设置有所述第一阀门(28)，所述第一水箱(25)的底端设置有第一总管(34)，所述第一总管(34)的底端与上水平管(35)的侧壁相连通，所述第二水箱(26)的上端的出水口处设置有所述第六阀门(33)，所述第二水箱(26)的底端设置有第二总管(36)，所述第二总管(36)的底端与下水平管(37)的侧壁相连通，所述上水平管(35)的左右两端分别设置有所述第二阀门(29)和第三阀门(30)，所述下水平管(37)的左右两端分别设置有所述第四阀门(31)和第五阀门(32)，所述上水平管(35)和下水平管(37)上下相对应的两端相连通且分别通过左侧总管(38)和右侧总管(39)与所述水处理单元(1)相连通，所述左侧总管(38)上设置有第一液泵(40)，所述右侧总管(39)上设置有第二液泵(41)，所述阀门组和液位检测电路均与微控制器电相连;所述第一水箱(25)和第二水箱(26)水平设置。
14.根据权利要求1~12任一项所述的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：包括若干首尾依次相连的水处理单元(1)。
说明书
等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，尤其涉及一种等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置及其单级循环装置和多级串联装置，属于水处理技术领域。
背景技术
高压放电产生的等离子体射流，富含高能电子、紫外线(UV)、冲击波、臭氧和活性粒子(·OH、·O、·H、O3、H2O2等)，这一特性可以用来去除水中难降解的有机物、细菌、重金属等有毒害物种。超声波在废水降解中具有特殊的物理化学效应，特别是超声空化所产生的局部高温(大于5000K)和高压(大于100MPa)，为有机物的化学反应提供了极端的物理化学环境。这将引发液体中的一系列复杂的物理、化学反应，如热分解和自由基的氧化等。超声空化效应产生的这些强氧化性的自由基能加速废水中有机物的氧化分解，产物H2O2具有更持久、稳定的氧化分解作用。此外，超声空化的超临界水效应能大大增加O3的溶解速度和溶解度，而超声波作用下形成的冲击波和射流能使产生的自由基扩散到气液界面和溶液的每个部分，使之与有机物更好地接触并将其氧化分解。因而超声、O3的协同作用能大大提高对有机物的去除率。
等离子体发生装置放电过程中会产生紫外光，TiO2受到紫外光照射后产生电子-空穴对，其中，电子易被水中溶解氧等氧化性物质捕获，而空穴则可氧化吸附在TiO2表面的有机物或先将吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基，而羟基自由基的氧化能力在水体氧化剂中是最强的。为了利用等离子体产生过程中产生的O3，并且提高降解率，提出一种等离子体-超声联合处理废水的方法。
现有的等离子体水处理装置存在诸多缺点，如等离子体利用率低、水处理效率低、反应装置不能自动控制，装置占地面积大、耗能高，等离子体中的活性物质在短暂生命周期内没有得到充分利用等。因此，开发一种快速、高效、便捷、成本低、能耗小、使用寿命长、不产生二次污染的水处理装置确有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种综合利用超声、臭氧、等离子体、TiO2催化等方法来进行污水处理的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，该法成本低、能耗小、故障率低且不产生二次污染;进一步地，本发明提供一种气体可循环利用，超声臭氧联合反应器和等离子体发生器在水处理过程相互独立，既可协同工作，又可相互独立工作，运行灵活，降低能耗，提高整体系统的能效比，联合互补的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置;更进一步地，本发明提供一种智能化，可自动控制的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置;更进一步地，本发明提供一种通过气液分离装置的设置，可避免液体形成液体栓塞进入气体循环管道，以保护气泵和空气压缩泵的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置;更进一步地，本发明提供一种单个水处理单元即可实现污水的循环处理的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的单级循环装置;更进一步地，本发明提供一种等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的多级串联装置，迅速有效地降解废水中的有机物;更进一步地，本发明提供一种克服现有技术中废水处理装置占地面积大、耗能高、单次处理时间长和等离子体中活性物质利用率低等问题的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，其特征在于：包括：水处理单元，所述水处理单元包括超声臭氧联合反应器和等离子体发生器，所述超声臭氧联合反应器的出水口通过液泵和液体流量计与Y型反应器的进水口相连，所述等离子体发生器的出气口伸入所述Y形反应器的进气口内部，所述Y形反应器的出水口设置于所述Y型反应器的进水口和进气口的下方，所述Y形反应器的出水口内设置有负载催化剂的孔网，所述Y形反应器的出水口与水平向的出水管相连，所述出水管的侧壁通过气液分离装置及气泵与第一气体循环管道的进气口相连接，所述第一气体循环管道的出气口穿过所述超声臭氧联合反应器的顶端后与曝气装置的进气口相连接，所述超声臭氧联合反应器的内部顶端设置有臭氧传感器、液位检测装置和负压单向阀，所述超声臭氧联合反应器的内部底端设置有所述曝气装置和压电超声换能器;所述超声臭氧联合反应器的顶端通过第二气体循环管道与所述等离子体发生器相连通。
超声臭氧联合反应器为圆柱形，材料为钛合金。
所述Y型反应器即为三通，所述Y型反应器的进气口为垂直设置。Y形反应器由带有入水口、出水口和气体收集口的Y形反应器和一些固定装置组成，Y形反应器由石英或不锈钢材料制成，Y形反应器B管内置起密封作用的硅橡胶O形垫圈，用于放置介质阻挡放电射流喷嘴;液体入口与前级的超声臭氧联合反应器的液体出口相连;液体出口连接出水管，出水管的出水口与净水箱或与下一级的超声臭氧联合反应器液体入口相连;气体收集口与前级的超声臭氧联合反应器的曝气装置相连;Y形反应器的材质应采用物理和化学性质稳定，不易损坏的石英或不锈钢材料。
所述等离子体发生器包括介质阻挡放电射流喷嘴，空气压缩泵的出气口通过第三气体循环管道与高压电源的进气口相连，所述高压电源的出气口通过第四气体循环管道与所述介质阻挡放电射流喷嘴的进气口相连，所述第四气体循环管道上设置有气体流量计，所述空气压缩泵的进气口与所述超声臭氧联合反应器的顶端相连通;所述高压电源和介质阻挡放电射流喷嘴的外壳均通过高压电缆接地。
在第一气体循环管道、第二气体循环管道、第三气体循环管道和第四气体循环管道内均安装有水汽过滤装置。
所述介质阻挡放电射流喷嘴包括绝缘介质管、所述绝缘介质管为两端均开口的倒置的瓶状，所述瓶状的瓶口上外套环状的外电极，所述外电极外部灌封有传感器胶层，所述瓶状内设置有内电极，所述内电极主体为棒状，底部呈球形，所述球形位于所述瓶口处，所述棒状的顶端和外电极分别与所述高压电源电相连。
所述内电极的材质为钨，所述外电极的材质为铜。
放电过程中，内外电极之间的空气被击穿形成等离子体炬。气体由进气口进入介质阻挡放电射流喷嘴，在腔体内迅速垂直流动，避免电极间产生的等离子体发生局部堆积，且内电极底部球形设计有利于放电产生的等离子体炬均匀喷出。由于外电极外部由传感器胶灌封，因此反应过程中可将介质阻挡放电射流喷嘴直接插入溶液，使得等离子体炬淹没于溶液中，增加等离子体中活性物质与水中有机物的接触面积，提高化学反应效率。同时，通过控制高压电源的放电参数和空气压缩泵的气体流量，可以控制等离子体产生的密度和产率，也可改变等离子体炬的发光强度，最终影响废水中有机物的降解效率。
所述压电超声换能器通过电缆与超声激励电源相连;所述超声激励电源包括前级振荡器、后级放大器、控制单元和反馈取样电路，所述前级振荡器包括依次相连的压控振荡电路、整形电路和驱动信号产生电路，所述后级放大器包括功率放大电路和与所述功率放大电路的输出端相连接的谐振匹配网络，所述控制单元的输出端与所述压控振荡电路的输入端相连接，所述驱动信号产生电路的输出端与所述功率放大电路的输入端相连接，所述谐振匹配网络的输出端分别与所述反馈取样电路的输入端和所述压电超声换能器相连接，所述反馈取样电路与所述控制单元通讯连接，所述控制单元还与所述驱动信号产生电路通讯连接。
本发明中超声激励电源采用他激式工作电路，他激式电源结构上主要包括：前级振荡器和后级放大器。最终通过输出变压器将能量耦合到压电超声换能器上。因此，他激式的电路由信号源部分和信号放大部分组成。其中，信号源部分又可分为：压控振荡电路、整形电路和驱动信号产生电路。压控振荡电路的输入扫频信号可由控制单元产生的信号经积分电路变换得到。压控振荡器输出的变频方波信号经后端的RC微分电路后，形成正负尖脉冲波信号，再经整形电路翻转、补偿后，变为正脉冲波形。该正脉冲信号进入驱动信号产生电路，经二分频转换作为频率同步信号。驱动信号产生电路最终输出与同步信号同频的超声驱动信号。且驱动信号产生电路可连接控制单元，以实现输出关断和脉冲密度调制，脉冲密度调制后的输出信号可对后级功率放大电路的输出功率进行调节。信号放大部分可分为：功率放大电路和谐振匹配网络。由于本发明中的超声功放为100W以内的小功率功放，因此采用开关式半桥逆变电路结构。而谐振匹配网络则采用串联电感匹配网络。驱动信号经功率放大电路后最终由匹配变压器输送至换能器。
超声功放电路的谐振匹配网络：为提高放大电路的转换效率，本发明采用开关电源电路，而开关式的超声激励电源应采用串联电感匹配网络。
所述功率放大电路采用开关式半桥逆变电路，所述谐振匹配网络采用串联电感匹配网络。
所述负载催化剂的孔网包括外圆环和利用条形带固定于所述外圆环中心的圆形内孔网，所述，条形带的个数为至少4个且均匀分布，所述外圆环依靠固定块固定于所述Y形反应器的出水口内，所述外圆环的直径与所述Y形反应器的出水口的直径相匹配，所述圆形内孔网的直径较所述外圆环的直径小10~20mm，所述条形带的带宽为2.5~4mm，所述圆形内孔网上若干均匀分布的圆孔直径为1~1.5mm;所述负载催化剂的孔网与水平面呈α角度设置，所述α为30~35°。
介质阻挡放电射流喷嘴垂直插入Y形反应器的进气口，等离子体射流降解有机废水时，等离子体炬被淹没于溶液中，并在水流与气流的共同作用下形成一个向右30~35度的偏角，此偏角为α，使得等离子体炬末端直接与负载TiO2锐钛矿薄膜的孔网结构接触。
等离子体区域的活性物质由射流喷嘴处射出，穿越等离子体区域，最终穿透负载TiO2锐钛矿薄膜的孔网结构。孔网结构与水平面呈30~35°的α角。在等离子体区域中，活性物质的穿透轨迹可以看作直线运动，其穿透速度为v(m/s)，穿透距离为d(mm)，等离子体射流喷嘴中心与孔网结构之间的竖直距离为D(mm)。以下为推导活性物质穿越等离子体区域所需时间t(s)的表达式的过程。
活性物质穿透距离表达式为：d=Dcosα;
活性物质穿透时间表达式为：t=d/v=Dcosα/v;
由于等离子体炬羽流速度可达3*105(m/s)，因此，活性物质穿透时间t(μs)约为：t≈2.9D;
等离子体中活性物质的生命周期一般在毫秒或微秒量级，因此射流喷嘴中心与孔网结构之间的竖直距离为可取0.3~18mm范围内数值。
为减小溶液流经负载TiO2锐钛矿薄膜的孔网结构时的阻力，孔网结构的圆形内孔网外侧均匀分布有四个条形带，圆形内孔网上的均匀孔阵一方面可以减小孔网结构在水中的阻力，易于将其固定，另一方面增大了TiO2与水接触的表面积，促进对反应过程的催化。
所述负载催化剂的孔网位于所述介质阻挡放电射流喷嘴的下方，所述介质阻挡放电射流喷嘴的出气口与所述负载催化剂的孔网之间的垂直距离为d，所述介质阻挡放电射流喷嘴的出气口与所述负载催化剂的孔网之间竖直距离为D，D为0.3~18mm，所述介质阻挡放电射流喷嘴的出气口垂直插入Y形反应器的进气口并淹没于待处理的污水溶液中。
所述负载催化剂的孔网上的催化剂为TiO2锐钛矿薄膜;所述负载催化剂的孔网的材质为钛金属。
所述TiO2锐钛矿薄膜的制备方法如下：通过溶胶-凝胶法制备TiO2浆料，然后将其涂在所述圆形内孔网上，最后在200~220℃下烘焙3~3.5小时，冷却即得。
所述气液分离装置包括与所述出水管的侧壁相连通的下腔体、所述下腔体的顶端与上腔体的底端相连接，所述上腔体的顶端为出气口并通过所述气泵与所述第一气体循环管道的进气口相连接;所述上腔体的直径较所述下腔体的直径大4~5倍，所述上腔体和下腔体内设置有L型的液体回流管，所述液体回流管的顶端伸入所述上腔体中，所述液体回流管的底端进入所述出水管中，所述液体回流管的侧壁上分布有用于实现气体和液体分离的微孔群，所述液体回流管与所述下腔体出水向的内壁之间设置有挡板。
水和气体由气液分离装置的入口进入该装置，由于重力作用，一部分水直接落回Y形反应器，另一部分水形成液体栓塞和气体进入气液分离装置的下腔体。由于上下腔体的直径相差甚大(上腔直径约为下腔体直径的4~5倍)，当气液两相流经过这一上下腔体交界面时，伴随着气体一同进入的液体栓塞分离成小液体和气体，由于液体回流管的液体出口外侧溶液的快速流动，导致液体出口的气压降低，使得液体顺着回流管从液体出口流出，进入Y形反应器内，实现了气体与液体的分离功能，以保护气泵和空气压缩泵。
所述液位检测装置包括低液位检测探头和高液位检测探头。
所述负压单向阀包括机械壳，所述机械壳内设置有T型活塞，所述T型活塞的底端穿过固定于所述机械壳内的水平板上的安装孔，所述安装孔的直径大于所述T型活塞的竖直杆的直径，弹簧的两端分别连接所述水平板的上表面和所述T型活塞的水平圆盘的下表面，所述机械壳的顶端设置有环形向下凸起，所述T型活塞水平圆盘的直径大于所述环形向下凸起的内径，所述T型活塞水平圆盘顶端设置有密封垫，所述机械壳的外壁上设置有用于将所述机械壳安装在所述超声臭氧联合反应器上的旋合接口;所述竖直杆的顶端与所述水平圆盘的下表面中心点一体连接。
由于本发明中的气体循环通道是一个密闭循环空间，当水处理系统正常开启并稳定运作前，气体循环通道内极可能产生负压状况。因此，在超声臭氧联合反应器的箱体顶部装有负压单向阀。当气体循环管道处于负压状态时，活塞由于压力作用向下运动，打开单向阀而在此瞬间外部空气灌入超声臭氧联合反应器箱体内部及气体循环通道，使得反应器内外气压平衡。又由于弹簧的弹力作用，在内外气压平衡瞬间，活塞会在弹簧弹力作用下迅速向上运动，闭合负压单向阀。如此，气体循环通道又恢复密闭状态。
所述曝气装置包括微孔曝气装置，所述微孔曝气装置安装于所述超声臭氧联合反应器的底部中心，压电超声换能器分布在微孔曝气装置的周围，所述压电超声换能器的个数为至少4个且均匀分布与所述微孔曝气装置的四周，所述微孔曝气装置的顶端设置有曝气装置进气口，所述曝气装置进气口与所述第一气体循环管道相连。
所述臭氧传感器与数据采集与控制单元电相连;所述数据采集与控制单元包括微控制器，分别与所述微控制器相连的RS-485接口单元、显示单元、放电参数控制单元、阀门组、气体流速控制单元、液体流速控制单元、臭氧浓度检测单元和超声驱动单元，所述RS-485接口单元分别与所述液体流量计和气体流量计自带的RS-485接口芯片相连接;所述放电参数控制单元与高压电源电相连，所述气体流速控制单元与所述气体流量计电相连，所述液体流速控制单元与所述液体流量计电相连，所述臭氧浓度检测单元与所述臭氧传感器电相连，所述超声驱动单元与所述压电超声换能器电相连，所述阀门组为设置有所述水处理单元外部管道上的若干阀门。
本发明中，气体流量计和液体流量计均为带有RS-485接口芯片的测量仪器。Max485芯片的RO端为芯片内部接收器的输出，DI端为芯片内部驱动器的输入。当与单片机连接工作时，只需将RO和DI分别与单片机的RXD和TXD端相连。/RE和DE均为使能端，/RE控制接收数据，当/RE为逻辑低电平时，器件处于接收状态;DE控制发送数据，当DE为逻辑高低电平时，器件处于发送状态。A、B端分别为接收和发送时的差分信号端，当A引脚电平高于B引脚时，表示发送/接收的数据为1;当A引脚电平低于B引脚时，表示发送/接收的数据为0。
MCU由RS-485接口读取气体流量计和液体流量计的实时参数，并在显示单元中实时显示。当气体流速或液体流速与实际设定值有偏差时，可通过气体、液体流速控制单元及阀门组的开闭状态加以调整，以便减小偏差，提高整个系统的控制精度和处理效率。
高压电源的放电参数也由数据采集与控制单元控制，其实现方式为：通过MCU控制电源内部控制器的输出占空比，进而改变放电功率。此外，在实际水处理过程中，通过臭氧浓度检测单元检测超声臭氧联合反应器中的臭氧浓度，当检测到足够浓度的臭氧时，可提醒用户是否选择启动超声臭氧联合水处理的单项处理模式，还是继续保持超声臭氧联合水处理与等离子体射流水处理的双项处理模式，达到智能化、低功耗的处理效果。
等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的单级循环装置，其特征在于：包括水处理单元、第一水箱、第二水箱和阀门组，所述阀门组包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，所述第一水箱和第二水箱内均设置有液位检测电路，所述第一水箱的进水口设置有所述第一阀门，所述第一水箱的底端设置有第一总管，所述第一总管的底端与上水平管的侧壁相连通，所述第二水箱的上端的出水口处设置有所述第六阀门，所述第二水箱的底端设置有第二总管，所述第二总管的底端与下水平管的侧壁相连通，所述上水平管的左右两端分别设置有所述第二阀门和第三阀门，所述下水平管的左右两端分别设置有所述第四阀门和第五阀门，所述上水平管和下水平管上下相对应的两端相连通且分别通过左侧总管和右侧总管与所述水处理单元相连通，所述左侧总管上设置有第一液泵，所述右侧总管上设置有第二液泵，所述阀门组和液位检测电路均与微控制器电相连;所述第一水箱和第二水箱水平设置。
本发明等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置废水处理过程为：将待处理的废水经过超声臭氧联合反应器，同时后级等离子体射流过程中产生的臭氧被收集到曝气装置中向超声臭氧联合反应器中曝气，并利用US/O3对废水进行初步处理。当废水经过介质阻挡放电射流源时，等离子体射流中的活性粒子会与废水充分的接触，放电产生等离子体的过程中，产生的紫外线会照射TiO2，TiO2经照射后产生电子-空穴对，可以增加羟基自由基的数量，从而提高了废水的降解效率。本发明中超声臭氧联合反应器和Y形反应器之间的液泵转速可调，可以针对不同污染程度的废水，调整其溶液流速与等离子体射流炬间的相对运动速度，使反应器中产生的化学反应动力学处于最佳的状态，从而实现水处理系统运行的最高效最节能状态。
本发明可根据不同的处理排放标准而确定溶液在等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的单级循环装置内的循环处理时间。第一水箱与水处理单元之间聚四氟乙烯管相连接。第一水箱与第二水箱之间有四个阀门开关(第二~第五阀门)，第一水箱、第二水箱与阀门组之间均由聚四氟乙烯管相连接。两个水箱均具有液位检测功能，当水箱中的液位低于设定最小阈值或高于最大阈值时，液位检测单元会向数据采集与控制单元发出信号，数据采集与控制单元接收到液位报警信号时，微控制器发出控制信号，调节液泵，第一液泵或第二液泵流速或直接开启/关闭液泵、第一液泵或第二液泵。正常工作时，第一阀门开启，开始进水过程;当水位达到最高液位时，液位检测单元发出报警信号，数据采集与控制单元接收到报警信号时便控制关闭第一阀门;同时开启阀门第二阀门、第五阀门和第一液泵(第三阀门和第四阀门仍处于关闭状态)，并启动水处理单元，此时系统进入正常运作状态;当处理一次后，处理完的水进入第二水箱中，如水质仍未达标，需再次循环处理：打开第三阀门和第四阀门、关闭第二阀门和第五阀门，即第二水箱中的水再次进入循环处理。如废水经单次处理后便达到排放标准，可直接控制开启阀门第六阀门，进行排水过程。
等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的多级串联装置，其特征在于：包括若干首尾依次相连的水处理单元。主要由多个水处理单元串联构成，各个单元之间由聚四氟乙烯管连接。实际使用时，可根据不同的水质及不同的处理排放标准而确定级联的级数。进行多级级联水处理时，废水由废水入口进入第一个水处理单元，废水经过第一个水处理单元处理后，沿着管道进入第二个水处理单元，如此重复，直至废水从最后一个水处理单元的废水出口排出。在级联式水处理过程中，数据采集与控制单元严格控制协调整个水处理系统的同步运作，即控制每个水处理单元之间各液泵的排量以达到相同的流速，并实时显示各水处理单元的气-液流量等参数，一旦检测到流量偏差，便由数据采集与控制单元做出相应功能动作。等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的多级串联装置的优点在于无需进行繁杂的多次循环水处理过程，只需按照排放标准确定级联技术，经过一次处理即可达标排放。
本发明提供的一种等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，水处理单元正常运作时，废水经外部液泵抽取由进水口进入超声臭氧联合反应器内，如液位过高或过低时，便由液位检测单元发出报警信号，再由数据采集与控制单元做出一系列的功能动作。当超声臭氧联合反应器内液位达到合适高度时开始进行下一步水处理任务。首先开启液泵和气泵，如气体循环管道内呈负压状态，则负压单向阀被开启。其次开启高压电源进行等离子体射流水处理过程。由于反应过程能够中的气体被抽回循环使用，即反应过程中产生的臭氧也会随着气体循环管道进入曝气装置，最终溶解于废水中或弥散在超声臭氧联合反应器内。当反应器箱体内的臭氧浓度检测单元检测到一定臭氧浓度时，立即反馈给数据采集与控制单元，使其控制开启超声臭氧联合水处理过程，如果箱内臭氧浓度足够高时，可关闭高压电源，停止等离子体射流水处理过程，直接进行超声臭氧联合单项处理过程。
本发明提供的一种等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，综合利用超声、臭氧、等离子体、TiO2催化等方法来进行污水处理;第一~第四气体循环管道的设置，使本发明形成了一个气体循环管道，气体可循环利用;负压单向阀及数据采集与控制单元的设置，使超声臭氧联合反应器和等离子体发生器在水处理过程相互独立，既可协同工作，又可相互独立工作，运行灵活，降低能耗，提高整体系统的能效比，联合互补;数据采集与控制单元的设置，使Y形反应器内的液体流速可调，放电参数控制单元可控制高压电源的输出占空比，气体循环管道内的气体流速可调，故本发明提供一种污水处理参数可优化调节的等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置，能够控制介质阻挡放电射流喷嘴放电模式的改变，进而影响臭氧产率和浓度，最终影响超声强化臭氧反应的有机物降解效率;负载TiO2锐钛矿薄膜的孔网结构的引入，利用等离子体射流源放电过程中产生的紫外光，引发TiO2的光催化效应，促进更多羟基自由基的形成，增强对废水中有机物的氧化分解;气液分离装置的设置，可避免液体形成液体栓塞进入气体循环管道，以保护气泵和空气压缩泵;等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的单级循环装置的设计，实现了单个水处理单元即可实现污水的循环处理;等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的多级串联装置的设计，能够迅速有效地降解废水中的有机物;另外，本发明克服现有技术中废水处理装置占地面积大、耗能高、单次处理时间长和等离子体中活性物质利用率低等问题;介质阻挡放电射流喷嘴将高压电源这个放电区域和Y形反应器内这个工作区域从空间上分隔开，避免产生电弧放电，同时提高了本发明使用安全性;通过调节气泵，控制气体流速，改变溶液中等离子体区域的气泡大小和气泡羽长度及气泡羽振动幅度和周期，从而改变废水中有机物的降解率;通过调节液泵，控制液体流速，联合气泵的气体流速控制，实现控制气-液流量比，从而改变气液两相中的粘滞系数，最终影响废水中有机物的降解效率;通过超声装置的引入，利用超声空化效应产生具有强氧化性的自由基和具有持久稳定氧化分解作用的H2O2。此外，超声空化效应能大大增加O3的溶解速度和溶解度，而超声波作用下形成的冲击波和射流也能使产生的自由基扩散到气液界面，使之与有机物更充分地接触并发生氧化分解反应。