CN112978898A - 一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置 - Google Patents

一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水力‑超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，包括臭氧发生器，水力空化装置，超声空化装置，旋流微气泡发生器，气液分离器，储液罐；进水管线与水力空化装置连通，水力空化装置与所述臭氧发生器通过臭氧管线连通，所述水力空化装置还与进水口连通，所述进水口置于所述旋流微气泡发生器下部，且沿切线方向连通所述旋流微气泡发生器，所述旋流微气泡发生器设有超声空化装置，所述旋流微气泡发生器上部设置有溢流口，所述溢流口通过溢流管线与储液罐连通。该装置能够增大臭氧的传质效率，并提高污染物的降解效率。

Description

一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体的是一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质并产生更多羟基自由基装置。
背景技术
近年来，随着焦化、制药、石化、印染、化工等行业的迅猛发展，含有各种难降解有机物的废水引发的生态问题越来越严重。这些废水中大部分含有多环芳烃、卤代烃、杂环类化合物、有机农药等有毒难降解的有机污染物。这些污染物成分复杂，毒性大，一旦排入环境将会对生态环境和人类健康安全造成极大影响。然而传统的生物化学方法很难处理这些难降解有机物。
高级氧化技术(advanced oxidation process，AOPs)是处理难降解有机废水最具有应用前景的方法之一。AOPs的核心是通过外界能量(光能、电能等)和物质(O3、H2O2等)的持续输入，经过一系列物理过程和化学反应，产生具有强氧化性的羟基自由基(·OH)，将废水中的有机污染物氧化成CO2、H2O和无机盐等。由于羟基自由基氧化电位高达2.8V，几乎可以氧化废水中的各种有机物，因此具有广泛的应用前景。
针对实际废水中含有多种或较高浓度难降解有机质，单一高级氧化方法受羟基自由基浓度限制，处理时间较久，处理效果难以满足实际处理的要求，基于此在实际应用中，常同时采用两种或者两种以上的AOPs方法，即复合高级氧化技术。复合高级氧化技术不仅增加羟基自由基产生途径，而且不同高级氧化技术互相强化，提高羟基自由基浓度，从而大幅度提高废水处理速率，降低处理成本，在高级氧化技术实用化领域具有广阔前景。
臭氧所产生的·OH具有较强的氧化性，对难降解有机废水有较好的处理效果，但是臭氧的低利用率及高成本是限制臭氧氧化技术及以臭氧氧化技术为基础的高级氧化技术大规模工业应用的主要原因。
因此，如何强化臭氧传质及提高其利用效率，是臭氧化水处理术中一个很重要的方面。近年来，关于臭氧-微气泡技术，臭氧-水力空化技术和臭氧-超声空化技术在水处理方面的应用被大量研究，但臭氧的传质效率和羟基自由基的产生量还有待提高，因此需要提供以一种在强化臭氧传质的同时产生大量强氧化性羟基自由基的装置，从而提高臭氧利用率及有效降解难降解有机物，扩大臭氧氧化工艺的应用范围。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，在强化臭氧传质时并产生更多羟基自由基，因此，该装置能够增大臭氧的传质效率，并提高污染物的降解效率。
本发明采用的技术方案如下：
一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，包括臭氧发生器，水力空化装置，超声空化装置，旋流微气泡发生器，气液分离器，储液罐；进水管线与水力空化装置连通，水力空化装置与所述臭氧发生器通过臭氧管线连通，所述水力空化装置还与进水口连通，所述进水口置于所述旋流微气泡发生器下部，且沿切线方向连通所述旋流微气泡发生器，所述旋流微气泡发生器设有超声空化装置，所述旋流微气泡发生器上部设置有溢流口，所述溢流口通过溢流管线与储液罐连通。
优选的，所述超声空化装置包括设置在所述旋流微气泡发生器上方的超声发生器，所述超声发生器通过超声管线连接有置于旋流微气泡发生器内中轴线上的超声棒。
优选的，还包括气液分离器，所述溢流口连通气液分离器的气液进口，所述气液分离器的液体出口与储液罐连通，所述气液分离器的气体出口通过臭氧回用管线连通臭氧管线。
优选的，所述气液分离器的气体出口还与臭氧破坏器连通。
优选的，所述储液罐还设置与进线水管连通的回流管线，所述回流管线上设置有循环泵。
优选的，所述臭氧发生器与氧气瓶连通。
优选的，所述旋流微气泡发生器的高径比为4-5:1。
优选的，所述旋流微气泡发生器材质为亚克力透明玻璃。
优选的，所述旋流微气泡发生器顶部设置有臭氧气体取样口。
优选的，所述水力空化装置为文丘里管。
优选的，所述臭氧发生器与水力空化装置之间的管道上设置有臭氧取样口和气体流量计。
优选的，所述进线管线设置有变频泵，所述变频泵与所述水力空化装置连接。
优选的，所述变频泵与所述水力空化装置之间设置有液体流量计。
优选的，所述进水管线上还设置有压力表。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
臭氧通过水力空化装置与难降解有机废水混合，产生较小的臭氧气泡，增大臭氧与液相的接触面积，同时废水通过水力空化装置会产生水力空化效应，生成强氧化性的羟基自由基。
臭氧与废水的混合液沿旋流微气泡发生器螺旋上升，延长了臭氧与液体的接触时间，增大了它们的接触面积，提高混合液中气、液的混合效率。同时，旋流场会产生微气泡，微气泡破裂会产生强氧化剂羟基自由基。此外，微气泡也为超声空化提供更多的空化核，促使空化效应的产生。
旋流微气泡发生器上设置有超声空化装置，在溶液中产生空化效应，将对废水中的污染物进行高温热分解，发生超临界水氧化和高活性自由基氧化，此时引入超声也会产生增加溶液的湍动效果，促进臭氧与液体的混合状态。
此装置对难降解有机废水有较好的处理效果，并且组成简单、可操作性强，节约了大量水资源，继而提高了水资源的利用效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是水力空化装置。
图3是混合液沿切线进入方式。
其中，附图标记对应的名称为：
1-氧气瓶，2-臭氧发生器，3-压力表，4-变频泵，5-水力空化装置-，6-压力表，7-旋流微气泡发生器，8-超声棒，9-臭氧破坏器，10-超声管线，11-气液分离器，12-储液罐，13-循环泵，14-臭氧管线，15-进水管线，16-回流管线，17-超声发生器，18-臭氧回用管线，19-溢流口，20-进水口，21-臭氧气体取样口，22-气体流量计，23-臭氧取样口，24-溢流管线，25.液体流量计。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
本发明提供水力-超声空化协同旋流微气泡臭氧化技术以期在强化臭氧传质的同时产生大量强氧化性羟基自由基，从而提高臭氧利用率及有效降解难降解有机物，扩大臭氧氧化工艺的应用范围。其具体的结构如下所述：
一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，如图1所示，包括臭氧发生器2，水力空化装置5，超声空化装置，旋流微气泡发生器7，气液分离器11，储液罐12；进水管线15与水力空化装置5连通，水力空化装置5与所述臭氧发生器2通过臭氧管线14连通，所述水力空化装置5还与进水口20连通，所述进水口20置于所述旋流微气泡发生器7下部，且沿切线方向连通所述旋流微气泡发生器7，所述旋流微气泡发生器7设有超声空化装置，所述旋流微气泡发生器7上部设置有溢流口19，所述溢流口19通过溢流管线24与储液罐12连通。
上述结构中，进水管线15中的含有机质的废水与臭氧发生器2产生的臭氧通过在水力空化装置5中进行混合，产生空化效应，生成强氧化性的羟基自由基，由于进水口20置于所述旋流微气泡发生器7下部，且沿切线方向连通所述旋流微气泡发生器7，如图3所示，因此，废水和臭氧的混合液沿旋流微气泡发生器壁螺旋上升，延长了臭氧与液体的接触时间，增大了它们的接触面积，提高混合液中气、液的混合效率。同时，旋流场会产生微气泡，微气泡破裂会产生强氧化剂羟基自由基。与此同时，旋流微气泡发生器7设置的超声空化装置，在废水中产生空化效应，将对废水中的污染物进行高温热分解，发生超临界水氧化和高活性自由基氧化，微气泡也为超声空化提供更多的空化核，促使空化效应的产生，进一步提高废水中的有机质污染物的分解。此时引入超声也会产生增加溶液的湍动效果，促进臭氧与液体的混合状态。将经过旋流微气泡发生器反应的废水通过溢流口排入溢流管线进入储液罐。
进一步地，上述结构中所述超声空化装置的具体结构为：如图1所示，包括设置在所述旋流微气泡发生器7上方的超声发生器17，所述超声发生器17通过超声管线10连接有置于旋流微气泡发生器7内中轴线上的超声棒8。超声棒8置放于旋流微气泡发生器7内中轴线上，可以产生更好的超声空化效应，臭氧与废水有更好的混合效果及较大的接触面积
进一步地，由于是气液混合物，因此，可以分离出未反应的臭氧继续进行应用，所以，本发明的装置还包括气液分离器11，所述溢流口19连通气液分离器11的气液进口，所述气液分离器11的液体出口与储液罐12连通，所述气液分离器11的气体出口通过臭氧回用管线18连通臭氧管线14。将气液分离，将气体通过臭氧回用管线18连通臭氧管线14再次利用，而液体进入储液罐12。
进一步地，为了防止臭氧进入空气污染环境，所述气液分离器11的气体出口还与臭氧破坏器9连通。
进一步地，为了提高传质效率，以及进一步对有机质进行降解，本装置还设置有与进线水管15连通的回流管线16，所述回流管线16上设置有循环泵13。通过循环泵13将储液罐12中的液体再次打入进水管线15进一步降解。同时液体在进入储液罐12之前进行气液分离，可以避免含有气体的液相进入循环泵13体内产生汽蚀。
进一步地，所述臭氧发生器2与氧气瓶1连通。本发明是通过氧气进入臭氧发生器2产生臭氧用于分解废水中的有机质。
进一步地，所述旋流微气泡发生器7的高径比为4-5:1。上述高径比能够产生较好的旋流状态。
进一步地，所述旋流微气泡发生器7材质为亚克力透明玻璃，便于观察臭氧微气泡由旋流所产生的离心力场和超声空化装置所产生的空化效应共同作用下的行为变化。同时旋流微气泡发生器7可以通过法兰改变其高度。
进一步地，所述旋流微气泡发生器7顶部设置有臭氧气体取样口21。用于对旋流微气泡发生器7的臭氧进行监测取样。
进一步地，所述水力空化装置5为文丘里管。如图2所示，臭氧和废水在文丘里管进行混合，产生较小的臭氧气泡，增大臭氧与液相的接触面积，在文丘里管产生水力空化效应，生成强氧化性的羟基自由基。
进一步地，所述臭氧发生器2与水力空化装置5之间的管道上设置有臭氧取样口23和气体流量计22。用于测量臭氧发生器2中所产生的臭氧气体浓度。
进一步地，所述进水管线15设置有变频泵4，所述变频泵4与所述水力空化装置5连接。变频泵4用于将进水管线15中的废水打入水力空化装置5之中。
进一步地，所述变频泵4与所述水力空化装置5之间设置有液体流量计25。用于测量进水管线15中的液体的实际流量。
进一步地，所述进水管线15上还设置有压力表6。用于测量进水管线15的压力，防止进样压力过大，影响装置运行。
上述装置具体应用过程，如下所示：
配制浓度为10mg/L的邻苯二甲酸二丁酯模拟废水，开启氧气瓶1和臭氧发生器2，控制臭氧浓度为32.38mg/L，进气流速为300L/h，臭氧经文丘里管的进气口进入，流经变频泵4的废水从文丘里管的进水口进入，变频泵4功率为30kHz，臭氧气、废水液在文丘管里完全混合，混合液沿反应器的切线方向进入旋流微气泡发生器7，混合液在旋流微气泡发生器内螺旋上升，此时超声空化装置的超声的频率为20kHz，功率为1000W，体系温度为25℃，反应循环15min后，废水中有机质降解率可达98.36％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，包括臭氧发生器，水力空化装置，超声空化装置，旋流微气泡发生器，气液分离器，储液罐；进水管线与水力空化装置连通，水力空化装置与所述臭氧发生器通过臭氧管线连通，所述水力空化装置还与进水口连通，所述进水口置于所述旋流微气泡发生器下部，且沿切线方向连通所述旋流微气泡发生器，所述旋流微气泡发生器设有超声空化装置，所述旋流微气泡发生器上部设置有溢流口，所述溢流口通过溢流管线与储液罐连通。
2.根据权利要求1所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述超声空化装置包括设置在所述旋流微气泡发生器上方的超声发生器，所述超声发生器通过超声管线连接有置于旋流微气泡发生器内中轴线上的超声棒。
3.根据权利要求1所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，还包括气液分离器，所述溢流口连通气液分离器的气液进口，所述气液分离器的液体出口与储液罐连通，所述气液分离器的气体出口通过臭氧回用管线连通臭氧管线，所述气液分离器的气体出口还与臭氧破坏器连通。
4.根据权利要求3所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述储液罐还设置与进线水管连通的回流管线，所述回流管线上设置有循环泵。
5.根据权利要求1所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述臭氧发生器与氧气瓶连通。
6.根据权利要求1所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述旋流微气泡发生器的高径比为4-5:1。
7.根据权利要求1所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述旋流微气泡发生器顶部设置有臭氧气体取样口。
8.根据权利要求1所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述臭氧发生器与水力空化装置之间的管道上设置有臭氧取样口和气体流量计。
9.根据权利要求1所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述水力空化装置为文丘里管。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种水力-超声空化协同旋流微气泡强化臭氧传质装置，其特征在于，所述进线管线设置有压力表和变频泵，所述变频泵与所述水力空化装置连接；所述变频泵与所述水力空化装置之间设置有液体流量计。
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