CN115784371A - 超声耦合旋流降解废水的装置、***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理技术领域，具体公开了一种超声耦合旋流降解废水的装置、***和方法，旨在解决如何简化设备结构并避免造成二次污染的问题。该超声耦合旋流降解废水的装置主要由超声换能器、循环连接在一起的旋流降解器和循环水泵、以及装有液态介质的介质容器组成，结构简单、使用方便且制作成本较低。通过将超声换能器和旋流降解器均没入液态介质中设置，能使污水在旋流降解器中产生高速旋流的同时受到充分且均匀的声场影响，进而使得污水降解效果得到巨大提升，所以无需加入任何催化剂、吸附剂或者其他化学药剂来辅助降解，都可以达到良好的污水处理效果，降低了污水处理的成本，且基本不会造成二次污染。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种超声耦合旋流降解废水的装置、***和方法。
背景技术
污水处理是指用物理、化学、生物学等方法，将污水中含有的污染物质分离出来，或将其转化为无害物质，从而使污水得到净化的工艺措施和过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等行业，也越来越多地进入人们的日常生活。
以市政污水处理为例：市政污水是一种水质变化大，处理起来非常困难的水源，总溶解性固体、化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、氨氮、总氮、总磷和一些其他的污染物浓度变化非常频繁，再加上处理前的污水中含有高浓度的有机物和微生物等，成分十分复杂，相关的污水处理技术必须能容忍这种可变性以及高浓度的有机物和活性生物。一般来说，化学需氧量的去除并不困难，使用化学除磷剂，总磷含量也可以控制达标。但在去除总氮方面，情况较为复杂，由于水体中的氨氮(NH4 +-N)对水生动植物来说具有毒性，并会消耗溶解氧，同时也是导致水体富营养化的营养物质；且氨氮转化的硝态氮若通过饮用水被婴儿吸收，可能会引起高铁血红蛋白症，同时氨氮氧化为亚硝态氮时，则会生成具有“三致作用”的亚硝胺，严重威胁人体健康。随着中国碳中和目标的提出以及政府和市民对于环保要求的提高，迫切需要采用更高效的工艺来处理市政污水。如何更高效、更绿色地去除氨氮和总氮，已成为近几十年来生活污水处理领域的热点。
目前市场上所采用的污水处理设备有多种，例如：超声波污水处理装置、旋流式污水处理装置、超声波与旋流耦合式污水处理装置等等，但这些装置基本上都需要加入贵重金属催化剂、吸附剂或者其他化学药剂来辅助降解，所使用的药剂不仅普遍成本高昂，而且会产生大量固体废弃物，造成二次污染问题，难以实现可持续绿色降解的目标。
例如：授权公告号为CN212450731U的中国实用新型专利，就公开了一种旋流混合耦合超声振动的高效气浮分离***，其包括相连的缓存池体、气浮分离池；所述的气浮分离池，其底部设置有与清水池相连通的中排布水器，其下部设置有压力释放器，其上部倾斜设置有超声振动分离板，其顶部设置有链板式刮渣机；所述缓存池体，依次经多相旋流混合装置、高频超声振动器与压力释放器相连；所述高频超声振动器前设置有多个串联的多相旋流混合装置；所述的多相旋流混合装置上还设置有加药装置、空气压缩机。
虽然利用上述的旋流混合耦合超声振动的高效气浮分离***进行污水处理，具有较好的处理效果，但是其包括缓存池体、气浮分离池、链板式刮渣机、多相旋流混合装置、高频超声振动器、压力释放器、加药装置和空气压缩机等等不仅结构复杂，而且依然需要使用药剂吸附悬浮物及气泡，因此使用成本较高，且会产生固体废弃物，造成二次污染。
发明内容
本发明提供了一种超声耦合旋流降解废水的装置，旨在解决如何简化设备结构并避免造成二次污染的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：超声耦合旋流降解废水的装置，包括超声换能器、旋流降解器和循环水泵；
所述旋流降解器的出水口通过出水管与循环水泵的进水口连接，所述循环水泵的出水口通过进水管与旋流降解器的进水口连接；
还包括装有液态介质的介质容器；
所述超声换能器设置在介质容器内，并没入液态介质中；
所述旋流降解器设置在介质容器内并没入液态介质中，且旋流降解器的溢流出口通过排气管与外界空气连通；
所述排气管至少有部分管段高于旋流降解器的出水口。
进一步的，所述超声换能器设置在介质容器的内底面上；
所述旋流降解器处于超声换能器的正上方，其轴心线与水平面平行，且旋流降解器的下缘与超声换能器之间的距离为0.25t～0.5t，t为超声换能器发出超声波波长的整数倍。
进一步的，所述超声换能器至少为两个并在介质容器的内底面上均匀分布，且各超声换能器共同发出的超声波能够将旋流降解器完全覆盖住。
进一步的，所述旋流降解器包括降解器主体，所述降解器主体包括圆筒段和圆锥筒段，且降解器主体的柱锥比为2～5:1；
所述圆筒段的一端为封闭端，且该端的一侧设有侧部进水口，所述侧部进水口为旋流降解器的进水口；
所述圆锥筒段的大口径端与圆筒段的另一端连接，其小口径端设有底流口，所述底流口为旋流降解器的出水口。
进一步的，所述旋流降解器和循环水泵通过出水管及进水管连接后构成污水循环***；
所述旋流降解器的容积为污水循环***容积的2/3～4/5。
进一步的，所述旋流降解器还包括溢流管，所述溢流管的一端从圆筒段封闭端的中央部位伸入降解器主体内，所述溢流管另一端的管口为旋流降解器的溢流出口；
所述溢流管的内径为圆筒段内径的1/15～1/10，其伸入降解器主体内的长度大于侧部进水口的内径。
进一步的，所述出水管上设置有出水支管，所述出水支管的出水口为净水出口，所述净水出口处设置有出水开关；
所述进水管上设置有进水支管，所述进水支管的进水口为污水进口，所述污水进口处设置有进水开关。
本发明还提供了一种结构简单且无需使用药剂的超声耦合旋流降解废水的***，包括超声换能器、旋流降解器和循环水泵；
所述旋流降解器至少为两个，并按级别由低到高依次分级设置；
处于最底级的旋流降解器，其进水口通过进水管与循环水泵的出水口连接；
除了处于最底级的旋流降解器以外，其余旋流降解器的进水口通过中间管与比其低一级的旋流降解器的出水口连接；
处于最高级的旋流降解器，其出水口通过出水管与循环水泵的进水口连接；
还包括装有液态介质的介质容器；
所述超声换能器设置在介质容器内，并没入液态介质中；
所述旋流降解器设置在介质容器内并没入液态介质中，且各旋流降解器的溢流出口通过排气管与外界空气连通；
所述排气管包括彼此连通的排气连接管段和排气出气管段，所述排气连接管段与各旋流降解器的溢流出口连通，所述排气出气管段至少有部分管段高于所有旋流降解器的出水口。
本发明还提供了一种无需使用药剂的超声耦合旋流降解废水的方法，该方法采用上述的超声耦合旋流降解废水的装置，或是采用上述的超声耦合旋流降解废水的***对污水进行处理。
进一步的，该方法包括下列步骤：
步骤一，将待处理的污水加入至污水循环***中；所述污水循环***为旋流降解器和循环水泵通过出水管及进水管连接后构成的循环***，或是为旋流降解器和循环水泵通过出水管、进水管以及中间管连接后构成的循环***；
步骤二，启动循环水泵，使污水在污水循环***中循环流动起来；
步骤三，控制循环水泵的输出功率，使污水流入旋流降解器的进流速度保持在3m/s～6m/s；同时，启动超声换能器并控制超声换能器的输出功率，使其产生的超声波的频率保持在25kHz～40kHz；
步骤四，调控好超声换能器和循环水泵后，使污水在超声波和旋流的耦合作用下降解60min～90min，完成污水处理。
本发明的有益效果是：
1)该超声耦合旋流降解废水的装置主要由超声换能器、循环连接在一起的旋流降解器和循环水泵、以及装有液态介质的介质容器组成，结构简单、使用方便且制作成本较低。
2)通过将超声换能器和旋流降解器均没入液态介质中设置，可使得超声换能器发出的超声波通过液态介质传递至旋流降解器，进而使得流经旋流降解器内的污水受到超声波的高频振动作用而产生大量的羟基自由基，同时污水在旋流降解器中产生高速旋流，旋流会与产生的羟基自由基发生耦合强化效应，从而使得污水中的氨氮和总氮得到降解。
3)由于超声换能器是没入液态介质中的，其能够在液态介质中产生稳定的驻波，并使得超声波形成的声场分布更加均匀，因此浸没于液态介质中的旋流降解器以及流经旋流降解器内的污水能够受到充分且均匀的声场影响，提高了超声空化效应，使得污水降解效果得到巨大提升，所以无需加入任何催化剂、吸附剂或者其他化学药剂来辅助降解，都可以达到良好的污水处理效果，降低了污水处理的成本，且不会产生固体废弃物，基本不会造成二次污染，整个处理过程绿色、环保、高效。
4)另外，在污水降解的过程中，物质的分解及旋流不可避免会产生气体，通过排气管将旋流降解器的溢流出口与外界空气连通，并使排气管至少有部分管段高于旋流降解器的出水口，如此不仅利于产生的气体外排，而且能够防止处理过程中的污水从排气管被排出，确保了污水降解的顺利进行。
附图说明
图1是本发明中超声耦合旋流降解废水的装置的实施结构示意图；
图2是本发明中超声耦合旋流降解废水的***的实施结构示意图；
图3是实施例1中不同条件处理后总氮及氨氮的去除率对比图；
图4是实施例2中不同条件处理后总氮及氨氮的浓度对比图；
图中标记为：超声换能器100、旋流降解器200、圆筒段210、侧部进水口211、圆锥筒段220、底流口221、溢流管230、溢流出口231、循环水泵300、水泵支撑座310、出水管410、出水支管411、净水出口412、进水管420、进水支管421、污水进口422、排气管430、排气连接管段431、排气出气管段432、中间管440、介质容器500、液态介质510、污水600。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“多个”指两个或两个以上；“主要由……组成或构成”的表达方式，其解释为还可以含有该句中没有述及的结构组成部分；“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，超声耦合旋流降解废水的装置，包括超声换能器100、旋流降解器200、循环水泵300以及装有液态介质510的介质容器500；
所述超声换能器100是利用压电晶体的压电效应进行能量转换的压电换能器；通常采用发射型超声换能器或收发两用型超声换能器作为该装置的超声换能器100；它作为发射器时，将电能转换为运动的机械能；作为接收器时，又将机械能转换为电能；
所述旋流降解器200是一种利用流体压强产生旋转运动的装置，其通常包括主体部件，所述主体部件内设有彼此连通的导流腔和分离腔；所述导流腔主要用于使进入主体部件内的水体形成旋流，导流腔通常为圆柱形结构或是腔壁设有螺旋导流槽的结构；导流腔为圆柱形结构时，在主体部件的侧壁上通常设有进流方向与导流腔相切的进水口；所述分离腔主要用于增快旋流的流速，以增强旋流与羟基自由基的耦合强化效应，从而使污水600中的氨氮和总氮得以有效降解；分离腔通常为横截面尺寸沿远离导流腔的方向逐渐变小的结构，优选为锥形腔；在分离腔远离导流腔的一端通常设有出水口；分离腔还具有分离水中的气体，以及改变直径以便旋流降解器200与管道连接的作用；在主体部件上通常还设有与导流腔连通的排气结构，例如：溢流出口231，用于排出污水600旋流及降解过程中产生的气体；
所述循环水泵300是用来抽吸污水600、输送污水600并使污水600增加压力的机械；循环水泵300一般通过水泵支撑座310设置在介质容器500的上侧；循环水泵300可以为多种，通常选用能够产生0.2MPa以上水压的泵，优选采用能够产生0.2MPa～0.4MPa水压的泵；
所述旋流降解器200的出水口通过出水管410与循环水泵300的进水口连接，所述循环水泵300的出水口通过进水管420与旋流降解器200的进水口连接，以构成一个污水循环***，便于使污水600进行循环降解；
所述介质容器500主要用于储集液态介质510以及安装超声换能器100和旋流降解器200，其可以为多种，例如：储液桶、水箱、水池等等；液态介质510主要用于使超声换能器100产生稳定的驻波，并使得超声波形成的声场分布更加均匀；液态介质510可以为多种，例如：水、油等等；
所述超声换能器100设置在介质容器500内，并没入液态介质510中；
所述旋流降解器200设置在介质容器500内并没入液态介质510中，且旋流降解器200的溢流出口231通过排气管430与外界空气连通；
所述排气管430至少有部分管段高于旋流降解器200的出水口，如此不仅利于产生的气体外排，而且能够防止处理过程中的污水600从排气管430被排出；优选使排气管430至少有部分管段高于旋流降解器200的进水口，以达到更好的防溢流效果。
该超声耦合旋流降解废水的装置结构简单、操作方便快捷、安全性高，其能够在不加入任何辅助药剂的情况下，通过物理方法产生的化学效应降解污水600，绿色、环保地解决了污水600中各种大分子有机物难去除的问题，适合用于对各种含有大分子有机物的污水600进行处理。
利用该超声耦合旋流降解废水的装置处理污水600，超声换能器100发出的超声波能够通过液态介质510传递至旋流降解器200，进而使得流经旋流降解,200内的污水600受到超声波的高频振动作用而产生大量的羟基自由基，同时污水600在旋流降解器200中产生高速旋流，旋流会与产生的羟基自由基发生耦合强化效应，从而使得污水中的氨氮和总氮得到降解；又由于超声换能器100是没入液态介质510中的，其能够在液态介质510中产生稳定的驻波，并使得超声波形成的声场分布更加均匀，因此浸没于液态介质510中的旋流降解器200以及流经旋流降解器200内的污水600能够受到充分且均匀的声场影响，提高了超声空化效应，使得污水降解效果得到巨大提升，所以无需加入任何催化剂、吸附剂或者其他化学药剂来辅助降解，都可以达到良好的污水处理效果。
优选的，再如图1所示，所述超声换能器100设置在介质容器500的内底面上；
所述旋流降解器200处于超声换能器100的正上方，其轴心线与水平面平行，且旋流降解器200的下缘与超声换能器100之间的距离为0.25t～0.5t，t为超声换能器100发出超声波波长的整数倍。如此，可使得旋流降解器200的内腔处于超声波所产生的驻波波腹处，能够最大程度地利用超声波的能量，进一步提高了对污水600中氨氮和总氮的降解效果。
在上述基础上，为了进一步提高污水处理效果，优选的，所述超声换能器100至少为两个并在介质容器500的内底面上均匀分布，且各超声换能器100共同发出的超声波能够将旋流降解器200完全覆盖住。超声换能器100设置的数量通常根据其布置方式和范围具体确定，只要满足各超声换能器100共同发出的超声波能够将旋流降解器200完全覆盖住即可。超声换能器100可以为多种，优选采用输出功率能够达到250W～700W并能够产生25kHz～40kHz超声波的换能器。
具体的，再如图1所示，所述旋流降解器200包括降解器主体，所述降解器主体包括圆筒段210和圆锥筒段220；
所述圆筒段210的一端为封闭端，且该端的一侧设有侧部进水口211，所述侧部进水口211为旋流降解器200的进水口；
所述圆锥筒段220的大口径端与圆筒段210的另一端连接，其小口径端设有底流口221，所述底流口221为旋流降解器200的出水口。
优选将降解器主体的柱锥比控制在2～5:1，降解器主体的柱锥比是指圆筒段210与圆锥筒段220的轴向长度之比；柱锥比在此范围时，由于圆筒段210较长，使旋流降解器200内的污水600受声场影响更均匀；且由于圆锥筒段220较短，能够使得污水600的旋流速度提升更快，利于提高降解效率。
具体的，所述旋流降解器200和循环水泵300通过出水管410及进水管420连接后构成污水循环***；
所述旋流降解器200的容积为污水循环***容积的2/3～4/5；如此，可以让整个污水循环***内的污水600更长时间处于旋流降解器200的内部，以进一步提高降解效率。
具体的，再如图1所示，所述旋流降解器200还包括溢流管230，所述溢流管230的一端从圆筒段210封闭端的中央部位伸入降解器主体内，所述溢流管230另一端的管口为旋流降解器200的溢流出口231；
所述溢流管230的内径为圆筒段210内径的1/15～1/10，其伸入降解器主体内的长度大于侧部进水口211的内径；如此，可保证旋流降解器200内气体顺利通过溢流管230排除，同时又不影响对污水600的旋流作用和降解效果。优选使溢流管230与降解器主体保持同轴，且使溢流管230的一端伸入至圆筒段210内腔的中央位置，以达到更好的排气效果。
具体的，再如图1所示，所述出水管410上设置有出水支管411，所述出水支管411的出水口为净水出口412，所述净水出口412处设置有出水开关；出水支管411主要用于排出处理完成的污水600，通过出水开关对净水出口412进行开闭控制；出水开关可以为多种，例如：堵头、阀门等等；
所述进水管420上设置有进水支管421，所述进水支管421的进水口为污水进口422，所述污水进口422处设置有进水开关；进水支管421主要用于向污水循环***中添加待处理的污水600，通过进水开关对污水进口422进行开闭控制；进水开关可以为多种，例如：堵头、阀门等等。
如图2所示，超声耦合旋流降解废水的***，包括超声换能器100、旋流降解器200和循环水泵300；
所述旋流降解器200至少为两个，并按级别由低到高依次分级设置；
处于最底级的旋流降解器200，其进水口通过进水管420与循环水泵300的出水口连接；
除了处于最底级的旋流降解器200以外，其余旋流降解器200的进水口通过中间管440与比其低一级的旋流降解器200的出水口连接；例如：第n级的旋流降解器200，其进水口通过中间管440与第n-1级的旋流降解器200的出水口连接，n为大于等于2的正整数；
处于最高级的旋流降解器200，其出水口通过出水管410与循环水泵300的进水口连接；
还包括装有液态介质510的介质容器500；
所述超声换能器100设置在介质容器500内，并没入液态介质510中；
所述旋流降解器200设置在介质容器500内并没入液态介质510中，且各旋流降解器200的溢流出口231通过排气管430与外界空气连通；
所述排气管430包括彼此连通的排气连接管段431和排气出气管段432，所述排气连接管段431与各旋流降解器200的溢流出口231连通，所述排气出气管段432至少有部分管段高于所有旋流降解器200的出水口。
该超声耦合旋流降解废水的***的工作原理与上述的超声耦合旋流降解废水的装置相同，其通过逐级串联多个旋流降解器200，并在液态介质510中设置多个超声换能器100构建稳定的超声波场将全部的旋流降解器200覆盖住，能够满足工业大规模污水的处理需求。
本发明还提供了一种超声耦合旋流降解废水的方法，该方法采用上述的超声耦合旋流降解废水的装置，或是采用上述的超声耦合旋流降解废水的***对污水进行处理。
该方法包括下列步骤：
步骤一，将待处理的污水600加入至污水循环***中；所述污水循环***为旋流降解器200和循环水泵300通过出水管410及进水管420连接后构成的循环***，或是为旋流降解器200和循环水泵300通过出水管410、进水管420以及中间管440连接后构成的循环***；通常加入污水600的量要接近于充满整个旋流降解器200以保证旋流降解器200能够产生稳定的涡旋；优选使加入污水600的量达到污水循环***容积的99％以上；
步骤二，启动循环水泵300，使污水600在污水循环***中循环流动起来；污水600高速循环流动过程中，由于旋流降解器200自身的结构特点，污水600在旋流降解器200的内部会产生稳定的涡旋，同时涡旋内部与溢流管230相接处会产生空气柱，空气柱的气体主要来源于高速涡旋产生的小气泡中的气体以及污水600降解产生的气体，这些气体通过溢流管230和排气管430从旋流降解器200内排出至外界；
步骤三，控制循环水泵300的输出功率，使污水600流入旋流降解器200的进流速度保持在3m/s～6m/s；同时，启动超声换能器100并控制超声换能器100的输出功率，使其产生的超声波的频率保持在25kHz～40kHz；
步骤四，调控好超声换能器100和循环水泵300后，使污水600在超声波和旋流的耦合作用下降解60min～90min，完成污水处理；处理后的污水600可通过净水出口412外排，之后可通过污水进口422再次加入待处理的污水600继续进行污水处理。
整个处理过程中，由于超声波的热效应，介质容器500中的液态介质510会持续性蒸发，因此通常需要根据介质容器500中液态介质510的液位补充相应量的液态介质510；介质容器500的内部上通常设有液位刻度线，只要介质容器500中的液态介质510保持在安全液位刻度以上即可保持液面相对稳定，达到良好的污水处理效果。
实施例1
对上述的超声耦合旋流降解废水的装置及方法进行了实验室级别的验证；
装置的制作：采用超声清洗机对超声换能器100和介质容器500进行等效替换；旋流降解器200采用亚克力材质3D打印制成，其圆筒段210的内径为35mm、轴向长度为100mm，圆锥筒段220的轴向长度为30mm、锥度为5度；将旋流降解器200横向设置于超声换能器100的正上方，且使旋流降解器200的下缘与超声换能器100之间的距离为5cm；
在超声耦合旋流条件下对污水600进行处理，过程如下：
S1、选用隧道废水作为待降解的污水600，该污水600的总氮浓度为1.7700mg/L、氨氮浓度为1.4700mg/L；将待处理的污水600加入至污水循环***中；所述污水循环***为旋流降解器200和循环水泵300通过出水管410及进水管420连接后构成的循环***；
S2、启动循环水泵300，使污水600在污水循环***中循环流动起来；
S3、控制循环水泵300的输出功率，使污水600流入旋流降解器200的进流速度保持在3m/s；同时，启动超声换能器100并控制超声换能器100的输出功率，使其产生的超声波的频率保持在25kHz，此时超声功率为250W；
S4、调控好超声换能器100和循环水泵300后，使污水600在超声波和旋流的耦合作用下降解60min，完成污水处理；之后，通过净水出口412将处理后的污水600排出，并关闭超声换能器100和循环水泵300。
在相同的环境条件以及工作条件下，对本实施例上述的污水处理方式做了对照实验，对照实验1仅在超声条件下进行污水处理，对照实验2仅在旋流条件下进行污水处理，对照实验3是将污水600过滤后再在超声耦合旋流条件下进行污水处理。
结合图3所示，分别对各条件处理后的污水600进行检测，测得：超声条件下，处理后的污水600总氮浓度为1.1146mg/L、总氮去除率约为37.03％，氨氮无降解；旋流条件下，处理后的污水600总氮浓度为1.7622mg/L、总氮去除率约为0.44％，氨氮浓度为1.4524mg/L、氨氮去除率约为1.2％，可见旋流条件下污水600处理前后氨氮和总氮浓度都无明显变化；超声耦合旋流条件下，处理后的污水600总氮浓度为0.1200mg/L、总氮去除率约为93.22％，氨氮浓度为0.0581mg/L、氨氮去除率约为96.05％；过滤后超声耦合旋流条件下，处理后的污水600总氮浓度为0.0998mg/L、总氮去除率约为94.36％，氨氮浓度为0.0390mg/L、氨氮去除率约为97.35％。可见，利用本发明提供的超声耦合旋流降解废水的装置对污水600进行超声耦合旋流处理，无需添加辅助药剂，即可高效、绿色地去除氨氮和总氮，且是否过滤污水600对去除氨氮和总氮的影响很小。
实施例2
某污水厂采用上述的超声耦合旋流降解废水的装置对一级格栅处的原水进行处理；
所采用装置的旋流降解器200的主要尺寸参数如下：圆筒段210的内径为75mm、轴向长度为150mm，圆锥筒段220的轴向长度为60mm、锥度为8度；
在超声耦合旋流条件下对污水600进行处理，过程如下：
S1、选用该污水厂一级格栅处的原水作为待降解的污水600，该污水600的总氮浓度为45.9mg/L、氨氮浓度为26.3mg/L；将待处理的污水600加入至污水循环***中；所述污水循环***为旋流降解器200和循环水泵300通过出水管410及进水管420连接后构成的循环***；
S2、启动循环水泵300，使污水600在污水循环***中循环流动起来；
S3、控制循环水泵300的输出功率，使污水600流入旋流降解器200的进流速度保持在4.5m/s；同时，启动超声换能器100并控制超声换能器100的输出功率，使其产生的超声波的频率保持在40kHz，此时超声功率为700W；
S4、调控好超声换能器100和循环水泵300后，使污水600在超声波和旋流的耦合作用下降解60min，完成污水处理；之后，通过净水出口412将处理后的污水600排出，并关闭超声换能器100和循环水泵300。
在相同的环境条件以及工作条件下，对本实施例上述的污水处理方式做了对照实验，对照实验1仅在超声条件下进行污水处理，对照实验2仅在旋流条件下进行污水处理。
结合图4所示，分别对各条件下处理后的污水600进行检测，测得：超声条件下，处理后的污水600总氮浓度为32.2mg/L、总氮去除率约为29.85％，氨氮浓度为25.1mg/L，氨氮去除率约为4.56％；旋流条件下，处理后的污水600总氮浓度为44.1mg/L、总氮去除率约为3.92％，氨氮浓度为25.9mg/L、氨氮去除率约为1.52％，可见旋流条件下污水600处理前后氨氮和总氮浓度几乎没有明显变化；超声耦合旋流条件下，处理后的污水600总氮浓度为5.34mg/L、总氮去除率约为88.37％，氨氮浓度为3.63mg/L、氨氮去除率为86.2％。可见，利用本发明提供的超声耦合旋流降解废水的装置对污水600进行超声耦合旋流处理，无需添加辅助药剂，即可高效、绿色地去除氨氮和总氮。
实施例3
采用上述的超声耦合旋流降解废水的装置对川西地区某页岩气开采废水进行处理；
所采用装置的旋流降解器200的主要尺寸参数如下：圆筒段210的内径为100mm、轴向长度为200mm，圆锥筒段220的轴向长度为80mm、锥度为6度；
在超声耦合旋流条件下对污水600进行处理，过程如下：
S1、选用页岩气开采废水作为待降解的污水600，该污水600的总氮浓度为60mg/L、氨氮浓度为31mg/L；将待处理的污水600加入至污水循环***中；所述污水循环***为旋流降解器200和循环水泵300通过出水管410及进水管420连接后构成的循环***；
S2、启动循环水泵300，使污水600在污水循环***中循环流动起来；
S3、控制循环水泵300的输出功率，使污水600流入旋流降解器200的进流速度保持在6m/s；同时，启动超声换能器100并控制超声换能器100的输出功率，使其产生的超声波的频率保持在30kHz，此时超声功率为500W；
S4、调控好超声换能器100和循环水泵300后，使污水600在超声波和旋流的耦合作用下降解90min，完成污水处理；之后，通过净水出口412将处理后的污水600排出，并关闭超声换能器100和循环水泵300。
在相同的环境条件以及工作条件下，对本实施例上述的污水处理方式做了对照实验，对照实验1仅在超声条件下进行污水处理，对照实验2仅在旋流条件下进行污水处理。
分别对各条件下处理后的污水600进行检测，测得：超声条件下，处理后的污水600总氮浓度为31mg/L、总氮去除率约为48.33％，氨氮浓度无明显变化；旋流条件下，污水600处理前后氨氮和总氮浓度都无明显变化；超声耦合旋流条件下，处理后的污水600总氮浓度为5.6mg/L、总氮去除率约为90.67％，氨氮浓度为4.1mg/L、氨氮去除率约为86.77％。可见，利用本发明提供的超声耦合旋流降解废水的装置对污水600进行超声耦合旋流处理，无需添加辅助药剂，即可高效、绿色地去除氨氮和总氮。
Claims (10)
1.超声耦合旋流降解废水的装置，包括超声换能器(100)、旋流降解器(200)和循环水泵(300)；
所述旋流降解器(200)的出水口通过出水管(410)与循环水泵(300)的进水口连接，所述循环水泵(300)的出水口通过进水管(420)与旋流降解器(200)的进水口连接；
其特征在于：还包括装有液态介质(510)的介质容器(500)；
所述超声换能器(100)设置在介质容器(500)内，并没入液态介质(510)中；
所述旋流降解器(200)设置在介质容器(500)内并没入液态介质(510)中，且旋流降解器(200)的溢流出口(231)通过排气管(430)与外界空气连通；
所述排气管(430)至少有部分管段高于旋流降解器(200)的出水口。
2.根据权利要求1所述的超声耦合旋流降解废水的装置，其特征在于：所述超声换能器(100)设置在介质容器(500)的内底面上；
所述旋流降解器(200)处于超声换能器(100)的正上方，其轴心线与水平面平行，且旋流降解器(200)的下缘与超声换能器(100)之间的距离为0.25t～0.5t，t为超声换能器(100)发出超声波波长的整数倍。
3.根据权利要求2所述的超声耦合旋流降解废水的装置，其特征在于：所述超声换能器(100)至少为两个并在介质容器(500)的内底面上均匀分布，且各超声换能器(100)共同发出的超声波能够将旋流降解器(200)完全覆盖住。
4.根据权利要求1所述的超声耦合旋流降解废水的装置，其特征在于：所述旋流降解器(200)包括降解器主体，所述降解器主体包括圆筒段(210)和圆锥筒段(220)，且降解器主体的柱锥比为2～5:1；
所述圆筒段(210)的一端为封闭端，且该端的一侧设有侧部进水口(211)，所述侧部进水口(211)为旋流降解器(200)的进水口；
所述圆锥筒段(220)的大口径端与圆筒段(210)的另一端连接，其小口径端设有底流口(221)，所述底流口(221)为旋流降解器(200)的出水口。
5.根据权利要求4所述的超声耦合旋流降解废水的装置，其特征在于：所述旋流降解器(200)和循环水泵(300)通过出水管(410)及进水管(420)连接后构成污水循环***；
所述旋流降解器(200)的容积为污水循环***容积的2/3～4/5。
6.根据权利要求4所述的超声耦合旋流降解废水的装置，其特征在于：所述旋流降解器(200)还包括溢流管(230)，所述溢流管(230)的一端从圆筒段(210)封闭端的中央部位伸入降解器主体内，所述溢流管(230)另一端的管口为旋流降解器(200)的溢流出口(231)；
所述溢流管(230)的内径为圆筒段(210)内径的1/15～1/10，其伸入降解器主体内的长度大于侧部进水口(211)的内径。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的超声耦合旋流降解废水的装置，其特征在于：所述出水管(410)上设置有出水支管(411)，所述出水支管(411)的出水口为净水出口(412)，所述净水出口(412)处设置有出水开关；
所述进水管(420)上设置有进水支管(421)，所述进水支管(421)的进水口为污水进口(422)，所述污水进口(422)处设置有进水开关。
8.超声耦合旋流降解废水的***，包括超声换能器(100)、旋流降解器(200)和循环水泵(300)；
所述旋流降解器(200)至少为两个，并按级别由低到高依次分级设置；
处于最底级的旋流降解器(200)，其进水口通过进水管(420)与循环水泵(300)的出水口连接；
除了处于最底级的旋流降解器(200)以外，其余旋流降解器(200)的进水口通过中间管(440)与比其低一级的旋流降解器(200)的出水口连接；
处于最高级的旋流降解器(200)，其出水口通过出水管(410)与循环水泵(300)的进水口连接；
其特征在于：还包括装有液态介质(510)的介质容器(500)；
所述超声换能器(100)设置在介质容器(500)内，并没入液态介质(510)中；
所述旋流降解器(200)设置在介质容器(500)内并没入液态介质(510)中，且各旋流降解器(200)的溢流出口(231)通过排气管(430)与外界空气连通；
所述排气管(430)包括彼此连通的排气连接管段(431)和排气出气管段(432)，所述排气连接管段(431)与各旋流降解器(200)的溢流出口(231)连通，所述排气出气管段(432)至少有部分管段高于所有旋流降解器(200)的出水口。
9.超声耦合旋流降解废水的方法，其特征在于：采用权利要求1至7中任意一项所述的超声耦合旋流降解废水的装置，或是采用权利要求8所述的超声耦合旋流降解废水的***对污水进行处理。
10.根据权利要求9所述的超声耦合旋流降解废水的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
步骤一，将待处理的污水(600)加入至污水循环***中；所述污水循环***为旋流降解器(200)和循环水泵(300)通过出水管(410)及进水管(420)连接后构成的循环***，或是为旋流降解器(200)和循环水泵(300)通过出水管(410)、进水管(420)以及中间管(440)连接后构成的循环***；
步骤二，启动循环水泵(300)，使污水(600)在污水循环***中循环流动起来；
步骤三，控制循环水泵(300)的输出功率，使污水(600)流入旋流降解器(200)的进流速度保持在3m/s～6m/s；同时，启动超声换能器(100)并控制超声换能器(100)的输出功率，使其产生的超声波的频率保持在25kHz～40kHz；
步骤四，调控好超声换能器(100)和循环水泵(300)后，使污水(600)在超声波和旋流的耦合作用下降解60min～90min，完成污水处理。
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