申请日2015.08.07
公开(公告)日2015.11.18
IPC分类号C02F1/46
摘要
一种水下低温等离子体废水处理方法及装置，由预处理装置(即过滤池和调节池)、高压脉冲电源、内置导电电极的低温等离子箱体等组成，一对导电电极的两个放电端的间距位于固定导流板中心孔的正上方或正下方。利用高压脉冲电源通过导电电极直接对预处理后的污水进行放电，放电产生高温高压的冲击波、臭氧、紫外线、高能电子、原子及活性自由基等使大量难降解有机物得到充分降解。同时可根据废水处理规模及处理程度，选择多个反应器采用串联或并联。本发明能有效去除废水中有毒难降解有机物，并对废水进行杀菌消毒和除味除藻，具有结构简单、氧化充分、等离子体稳定、成本较低等特点。
权利要求书
1.一种水下低温等离子体废水处理装置，包括，过滤池(17)出水口与调节池(18)进水口连接，其特征是，低温等离子体箱体(7)结构为：由圆筒体两端分别连接上、下圆锥体组成，该下圆锥体上设置有进水口(2)，该进水口(2)与所述调节池(18)的出水口经管路连接，且该管路上设有进水泵(19)，该圆筒体上部设置有出水口(8)，该上圆锥体上设置有出气口(9)，该出气口(9)经另一管路与下圆锥体上的进气口(3)连接，该另一管路上设有空气阀(10)，该圆筒体内设置有垂直于圆筒体轴线的固定导流板(6)，固定导流板(6)是一直径与该圆筒体内直径相等的圆形板件，且该圆形板件中心处有一方形孔或圆形孔，其上覆盖有绝缘介质壳(4)的一对导电电极(5)沿径向呈180°固定在该圆筒体内，该一对导电电极(5)位于固定导流板上方或下方且与之平行，一对导电电极(5)的两个内端之间有一间隙，该间隙的大小等于固定导流板上方形孔的边长或圆形孔的直径;
高压脉冲电源(1)的正负输出端分别与一对导电电极(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种水下低温等离子体废水处理装置，其特征是，所述高压脉冲电源(1)的输出电压为500～3000V，频率为10～100KHz。
3.根据权利要求2所述的一种水下低温等离子体废水处理装置，其特征是，所述导电电极(5)为石墨、钛或钨导电电极，所述绝缘介质壳(4)采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯或尼龙制成;所述低温等离子体箱体(7)的材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃或陶瓷。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种水下低温等离子体废水处理装置，其特征是，所述固定导流板(6)为两个以上，导电电极(5)对应为两对以上，且固定导流板(6)的个数与导电电极(5)的对数相同，两对以上的导电电极以并联方式与一个高压脉冲电源(1)连接。
5.根据权利要求4所述的一种水下低温等离子体废水处理装置，其特征是，所述低温等离子体箱体(7)为两个以上，两个以上的低温等离子体箱体(7)以上一级串联下一级方式连接：上一级的出水口(8)与下一级的进水口连接，且连接二者之间的管路上设置有第二进水泵(20)，高压脉冲电源(1)对应为两个以上，且一个高压脉冲电源与一个低温等离子箱体内的导电电极连接;或者，两个以上的低温等离子箱体以上一级并联下一级方式连接：上一级的进水口(2)经管路与下一级的进水口连接，上一级的出水口(8)与下一级的出水口连接，高压脉冲电源(1)对应为两个以上，且一个高压脉冲电源对应与一个低温等离子箱体内的导电电极连接。
6.一种水下低温等离子体废水处理装置，包括，过滤池(17)出水口与调节池(18)进水口连接，其特征是，低温等离子体箱体(7)结构为：由圆筒体两端分别连接上、下圆锥体组成，该下圆锥体上设置有进水管(2)，该进水管(2)一端与所述调节池(18)的出水口经管路连接，且该管路上设有进水泵，该进水管(2)另一端与圆筒体内的水槽(14)连通，水槽(14)位于导电电极下方，该圆筒体上部设置有出水口(8)，该上圆锥体上设置有出气口(9)，该下圆锥体上有进气口(3)，进气口(3)经另一管路与出气口(9)连接，该另一管路上设有空气阀，该圆筒体内设置有圆锥形的固定导流板(6)，圆锥形的固定导流板与圆筒体的内壁之间均布有三个降流孔(13)，且圆锥形的固定导流板顶部有一方形孔或圆形孔，其上覆盖有绝缘介质壳(4)的一对导电电极(5)沿径向呈180°固定在位于固定导流板下方的圆筒体内，该一对导电电极的两个内端之间有一间隙，该间隙的大小等于固定导流板上方形孔的边长或圆形孔的直径;
供气装置(16)为蒸汽发生器或蒸汽锅炉，供气装置(16)经另一管路与上述圆锥体上的进气口(3)连接;
高压脉冲电源(1)的正负输出端分别与一对导电电极(5)连接。
7.根据权利要求6所述的一种水下低温等离子体废水处理装置，其特征是，所述高压脉冲电源(1)的输出电压为500～3000V，频率为10～100KHz;所述导电电极(5)为石墨、钛或钨导电电极，所述绝缘介质壳(4)采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯或尼龙制成;所述低温等离子体箱体(7)的材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃或陶瓷;所述进水管(2)为三根，相邻进水管之间的夹角为120度。
8.根据权利要求6或7所述的一种水下低温等离子体废水处理装置，其特征是，所述固定导流板(6)为两个以上，导电电极(5)对应为两对以上，且固定导流板(6)的个数与导电电极(5)的对数相同，两对以上的导电电极以并联方式与一个高压脉冲电源(1)连接。
9.根据权利要求8所述的一种水下低温等离子体废水处理装置，其特征是，所述低温等离子体箱体(7)为两个以上，两个以上的低温等离子体箱体(7)以上一级串联下一级方式连接：上一级的出水口(8)与下一级的进水管连接，且连接二者之间的管路上设置有第二进水泵，高压脉冲电源(1)对应为两个以上，且一个高压脉冲电源与一个低温等离子箱体内的导电电极连接;或者，两个以上的低温等离子箱体以上一级并联下一级方式连接：上一级进水管(2)经管路与下一级的进水管连接，上一级的出水口(8)与下一级的出水口连接，高压脉冲电源(1)对应为两个以上，且一个高压脉冲电源对应与一个低温等离子箱体内的导电电极连接;
所述供气装置的另一管路上设置有流量表(15)以及空气阀(10)。
10.一种采用如权利要求1-9任一权利要求所述装置的等离子体废水处理方法，其特征是，包括以下步骤：
1)待处理废水经过过滤池(17)除去水中的悬浮物和颗粒物，过滤池(17)出水进入调节池(18)中，对废水进行水质水量的均化调节;
2)调节池(18)通过进水管与低温等离子体箱体(7)底部的进水口(2)相连，废水经调节后被进水泵(19)抽入低温等离子体箱体(7)内，开启高压脉冲电源(1)，产生等离子体对水中的污染物进行反应，同时对废水进行消毒及微生物灭活;
3)水处理时产生的多余气体经过出气口(9)排出后通过进气口(3)重新进入到低温等离子体箱体(7)内;
4)经过第一级等离子体反应器处理后的废水进入下一级反应器中;
上述多个低温等离子箱体以串联方式或并联方式运行，对污水进行处理。
说明书
一种水下低温等离子体废水处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种工业废水处理方法及装置，特别是涉及一种水下低温等离子 体处理废水及消毒灭活方法及装置。
背景技术
有毒难降解有机废水处理是水环境保护领域的难点和重点。传统的生化法、 物理法和化学法净化技术在一定条件下难以有效满足对该类废水水质净化的要 求和目标。等离子体技术是利用高压脉冲放电形成的超声、冲击波、臭氧、紫外 线、高能电子、原子及活性自由基(OH·、H·、O·、N·)等多种物质，可使 水体中有机污染物中的C-C键和苯环发生断裂，大分子有机物转变为小分子物质， 或使废水中的有毒有害物质变成无毒无害物质或低毒低害物质，甚至彻底氧化成 CO2、H2O和无机盐，从而使污染物得以降解去除。等离子体技术作为一种新兴的 环境友好型电化学高级氧化技术，具有零污染、低排放、适用性广和处理效率高 等优点，在废水处理领域日益受到人们的重视。
目前，利用高压脉冲放电产生等离子体处理难降解废水存在三种形式，即气 相放电等离子体、纯液相放电等离子体和气液两相混合放电等离子体。其中，气 相放电等离子体技术目前较为常见，由于放电在气相环境中发生，受水体电导率 影响小，但是水的密度远大于空气密度，当放电等离子体产生的活性物质由空气 进入水体时阻力较大，且高能粒子的寿命很短，导致大量活性物质难以充分进入 水中或进入水中的有效成分以臭氧为主，影响废水处理效果。气液两相混合的放 电等离子体反应器，一般被处理水体位于电极之间，导致水体的导电性能对放电 等离子体状态和活性物质生成影响较大，故该反应器对导电性较好的水体处理效 果较差。此外，气相放电和气液两相混合放电等离子体技术的放电电压不是直接 作用在水上，对水中污染物的接触和反应有限，从而降低了废水处理效率。
为解决上述问题，通常是将放电反应改为水下进行，产生的等离子体直接对 废水中的污染物进行处理。国内申请号201210417958.1中公开的“一种增强型 毛细管针放电等离子体水处理装置”中提出中空金属毛细管作为功率电极进行水 下放电，强化废水处理效果，然而选用1kV～30kV的高压电源限制了该技术的应 用。
国内申请号200880019551.5中公开的“水下等离子体处理设备和利用其处 理船只压仓水的系统和方法”中提出利用高压脉冲电源水下放电产生等离子体对 压舱水进行杀菌灭活，工作气体为空气、氧气、氮气、氩气及其混合气中的一种， 该方法也存在利用高压电源和电极易被腐蚀等问题。
传统低温等离子体处理废水是利用高压脉冲电源对工作介质(空气、氧气、 氮气、氩气等)进行放电，放电产生的臭氧、紫外线、高能电子、羟基自由基等 物质进入水溶液里对污染物进行降解。由于不同物质的氧化能力(如羟基自由基 氧化电位2.80V、臭氧2.07V、过氧化氢1.78V、氧原子1.23V)存在差异，导 致废水中的污染物不能完全与氧化能力强的物质充分接触，存在氧化不充分、不 彻底的现象。
1961年，英国的Hickling发现了接触辉光放电电解现象。接触辉光放电是 在向阳极和阴极施加电压时，在电极附近的液态的水由于焦耳热的作用发生汽化， 使阳极与电解质溶液之间形成一个气体区域，继续升高电压，气体被击穿，形成 辉光放电等离子体。高能活性物质在强烈的电场力作用下从等离子体层迁移到主 体溶液，高能粒子既相互作用，又可同时与废水中污染物发生反应。整个过程可 按如下所示：
在等离子体区：
H2O(g)-e→H2O+(g)(1)
H2O(g)→HO·+H·(2)
HO·+HO·→O+H2O(3)
O+O→O2(g)(4)
HO·+H·→H2O(g)(5)
在等离子体附近的液相区:
H2O+(g)+nH2O→nHO·+nH(6)
H2O++H2O→HO·+H3O+(7)
H·+H·→H2(g)(8)
H·+OH·→H2O(9)
OH·+OH·→H2O2(10)
OH·+H2O2→HO2·+H2O(11)
OH·+HO2·→H2O+O2(12)
OH·+反应物→生成物(13)
可以看出，传统的等离子体通过高压对气体放电产生等离子体，等离子体通 过传质作用进入废水对污染物进行处理，存在等离子体不稳定、自由基不能及时 被有效地利用、电压和能耗过高等问题。接触辉光放电技术直接在水下常温常压 和较低电压下放电，产生的高能活性物质以氧化性强的羟基自由基为主，极大提 高了废水中污染物的降解效率。因此，开发出一种新型均匀稳定、脱除效率高和 成本低的接触辉光放电水处理方法和装置具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、氧化充分、等离子体稳定和较低成本 的水下低温等离子体废水处理装置。
本发明的目的是这样实现的：一种水下低温等离子体废水处理装置，包括过 滤池出水口与调节池进水口连接，其特征是，低温等离子箱体结构为：由圆筒体 两端分别连接上、下圆锥体组成，该下圆锥体上设置有进水口，该进水口与所述 调节池的出水口经管路连接，且该管路上设有进水泵，该圆筒体上部设置有出水 口，该上圆锥体上设置有出气口，该出气口经另一管路与下圆锥体上的进气口连 接，该另一管路上设有空气阀，该圆筒体内设置有垂直于圆筒体轴线的固定导流 板，固定导流板是一直径与该圆筒体内直径相等的圆形板件，且该圆形板件中心 处有一方形孔或圆形孔，其上覆盖有绝缘介质壳的一对导电电极沿径向呈180° 固定在该圆筒体内，该一对导电电极位于固定导流板上方或下方且与之平行，一 对导电电极的两个内端之间有一间隙，该间隙的大小等于固定导流板上方形孔的 边长或圆形孔的直径;
高压脉冲电源的正负输出端分别与一对导电电极连接。
所述高压脉冲电源的输出电压为500～3000V，频率为10～100KHz。
所述导电电极为石墨、钛或钨导电电极，所述绝缘介质壳采用聚四氟乙烯、 聚氯乙烯或尼龙制成;所述低温等离子箱体的材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、有 机玻璃或陶瓷。
所述固定导流板为两个以上，导电电极对应为两对以上，且固定导流板的个 数与导电电极的对数相同，两对以上的导电电极以并联方式与一个高压脉冲电源 连接。
所述低温等离子箱体为两个以上，两个以上的低温等离子箱体以上一级串联 下一级方式连接：上一级的出水口与下一级的进水口连接，且连接二者之间的管 路上设置有第二进水泵，高压脉冲电源对应为两个以上，且一个高压脉冲电源与 一个低温等离子箱体内的导电电极连接;或者，两个以上的低温等离子箱体以上 一级并联下一级方式连接：上一级的进水口经管路与下一级的进水口连接，上一 级的出水口与下一级的出水口连接，高压脉冲电源对应为两个以上，且一个高压 脉冲电源对应与一个低温等离子箱体内的导电电极连接。
本发明的另一目的是这样实现的：一种水下低温等离子体废水处理装置，包 括过滤池出水口与调节池进水口连接，其特征是，低温等离子箱体结构为：由圆 筒体两端分别连接上、下圆锥体组成，该下圆锥体上设置有进水管，该进水管一 端与所述调节池的出水口经管路连接，且该管路上设有进水泵，该进水管另一端 与圆筒体内的水槽连通，水槽位于导电电极下方，该圆筒体上部设置有出水口， 该上圆锥体上设置有出气口，该下圆锥体上有进气口，进气口经另一管路与出气 口连接，该另一管路上设有空气阀，该圆筒体内设置有圆锥形的固定导流板，圆 锥形的固定导流板与圆筒体的内壁之间均布有三个降流孔，且圆锥形的固定导流 板顶部有一方形孔或圆形孔，其上覆盖有绝缘介质壳的一对导电电极沿径向呈 180°固定在位于固定导流板下方的圆筒体内，该一对导电电极的两个内端之间 有一间隙，该间隙的大小等于固定导流板上方形孔的边长或圆形孔的直径;
供气装置为蒸汽发生器或蒸汽锅炉，供气装置经另一管路与上述圆锥体上的 进气口连接;
高压脉冲电源的正负输出端分别与一对导电电极连接。
所述高压脉冲电源的输出电压为500～3000V，频率为10～100KHz;所述导 电电极为石墨、钛或钨导电电极，所述绝缘介质壳采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯或 尼龙制成;所述低温等离子箱体的材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃或陶 瓷;所述进水管为三根，相邻进水管之间的夹角为120度。
所述固定导流板为两个以上，导电电极对应为两对以上，且固定导流板的个 数与导电电极的对数相同，两对以上的导电电极以并联方式与一个高压脉冲电源 连接。
所述低温等离子箱体为两个以上，两个以上的低温等离子箱体以上一级串联 下一级方式连接：上一级的出水口与下一级的进水管连接，且连接二者之间的管 路上设置有第二进水泵，高压脉冲电源对应为两个以上，且一个高压脉冲电源与 一个低温等离子箱体内的导电电极连接;或者，两个以上的低温等离子箱体以上 一级并联下一级方式连接：上一级进水管经管路与下一级的进水管连接，上一级 的出水口与下一级的出水口连接，高压脉冲电源对应为两个以上，且一个高压脉 冲电源对应与一个低温等离子箱体内的导电电极连接;
所述供气装置的另一管路上设置有流量表以及空气阀。
本发明的再一目的是提供一种低温等离子体废水处理方法。
本发明的再一目的是这样实现的：一种水下低温等离子体废水处理装置的等 离子体废水处理方法，其特征是，包括以下步骤：
1)待处理废水经过过滤池除去水中的悬浮物和颗粒物，过滤池出水进入调 节池中，对废水进行水质水量的均化调节;
2)调节池通过进水管与低温等离子体箱体底部的进水口相连，废水经调节 后被进水泵抽入低温等离子体箱体内，开启高压脉冲电源，产生等离子体对水中 的污染物进行反应，同时对废水进行消毒及微生物灭活;
3)水处理时产生的多余气体经过出气口排出后通过进气口重新进入到低温 等离子体箱体内;
4)经过第一级等离子体反应器处理后的废水进入下一级反应器中;
上述多个低温等离子箱体以串联方式或并联方式运行，对污水进行处理。
本发明水下低温等离子体废水处理装置，包括预处理装置和水下低温等离子 体发生装置。所述的预处理装置包括过滤池和调节池，待处理废水经过预处理装 置处理后通过配水管与所述的低温等离子体箱体连通。所述的水下低温等离子体 发生装置包括高压脉冲电源、导电电极和低温等离子体箱体，所述的低温等离子 体箱体底部设有进水管和进气管，所述的进水管正上方设置有导电电极，所述的 导电电极与外部的低温等离子体电源连接，所述的导电电极上方或下方有固定导 流板，所述的固定导流板上方有气体收集口和出水口。
所述的调节池内设置有用于将待处理废水送入所述的低温等离子体箱体的 进水泵，进水水量由配水管上的控制阀和流量计控制确定。
所述的等离子体电源为高压脉冲电源(一种处理大功率高频电源的合并均流 问题的方法，专利申请号：20140252035.4)，电源输出电压500～3000V，频率 10～100KHz。
所述的导电电极一端被绝缘介质壳完全包覆并插入反应器内接近于反应器 底部，另一端接低温等离子体电源高压端。
所述的绝缘介质壳采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、尼龙等绝缘性好的材料。
所述的导电电极为石墨、钛、钨等材质导电材料，等离子体发生装置内导电 电极数量根据废水处理情况来布置，数量不限。
所述的水下低温等离子体反应器多个电极之间由固定导流板隔开，将废水与 等离子体接触区域分隔为若干个处理单元，使废水中的污染物与产生的高能粒子 充分接触。
所述的固定导流板采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、尼龙等绝缘性好的材料，固 定导流板与导电电极的数量相同。
所述的水下低温等离子体箱体材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃和陶 瓷等中的一种，箱体中间为方形或圆柱状，箱体两端结构为锥形(锥形体便于下 部废水沉淀或杂物的排放)。
所述水下低温等离子体反应器至少一个;两个或两个以上的所述反应器为串 联或并联连接形式。
本发明的有益效果在于：(1)等离子体发生装置位于待处理废水内部，既解 决了高能粒子由气相进入液相时的传质阻力现象，又避免了高能粒子有效成分在 传输过程中的损失，提高了利用效率;(2)等离子体发生装置在常温条件下利用 普通电源，确保其应用范围和场合不受电源限制;(3)水下等离子体发生装置产 生的高能离子以氧化性强的羟基自由基为主，对废水中的有毒难降解有机污染物 氧化分解能力更强、更彻底，对含有病原菌、孢子、藻类等废水的杀菌消毒和除 味除藻效率更高，如医疗废水和压舱海水等;(4)通过串联或并联的反应器连接 方式，可以满足不同规模及不同程度的废水处理要求，具有结构简单、灵活方便、 安全可靠和处理效率高的特点。
