功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备的制作方法

专利名称：功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种污水处理技术，具体说是涉及一种用于对重污染行业排出的高浓 度有机废水进行污染治理的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备。
背景技术：
高浓度有机废水对生态环境造成的污染危害主要来自有机物。有机物大致可分 为两类一类是天然有机物，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的植物组织、动物的代谢残渣 等；另一类是人工合成有机物。据有关资料介绍，人工合成有机物种类现已有10万种以上， 而且每年还在以2000种左右的速度递增；在人工合成的有机物中，有许多都是持久性有机 污染物，可降解性较差，其中有些有机污染物属“三致”性质，危害性更大。有机污染物都能 以各种不同途径进入水体，对饮用水质和人身健康都构成极大危害，而且这种危害大多都 具有不可逆性。迄今为止，国内外在各类水体中已检出人工合成有机物2000多种，在饮用 水中已超过了 1000种，其中具有“三致”性质的人工合成有机污染物已有100多种。随着科学技术水平的不断提高和环境保护意识的不断加强，治理高浓度有机废水 的处理技术不断被开发应用，治理效果也不断提高。目前，在国内外已普遍应用的治理高浓 度有机废水处理技术主要有三种一是生物降解技术；一是化学反应技术；一是物理分离 技术；其中包括以其中一种处理技术为主，联合使用其他技术的综合处理技术。这些治理高浓度有机废水处理技术不断补充完善，不断发展成熟，在保护生态环 境，促进经济和社会发展中做出了重大贡献。但是，随着工业化和城镇化的快速发展，高浓度有机废水产生量越来越多，有机物 的种类和含量也越来越复杂；现已成熟的几种传统处理技术，或因技术能力有限、或因成本 费用过高、或因处理效率太低等原因，已不能有效处理有机废水中含有的复杂难降解有机 物，致使大量高浓度难降解有机废水因得不到有效处理而排放，造成水体污染日益加剧，有 些地区甚至已经成为经济和社会发展的制约因素。因此，深入研究完善高浓度难降解有机 废水的治理新技术，提高治理效果，不仅是科技工作者和生产企业的迫切任务，也是十分严 肃的社会责任。超声波污水处理技术，是近十几年来刚刚兴起的高新技术。本发明充分利用超声 波在水中传导能产生空化效应的技术理论，研究设计出一种能将功率超声引入连续流动的 高浓度有机废水中，并能对其含有的难降解有机污染物进行断链、分解、氧化等声化学反应 处理的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备。

发明内容
本发明要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是依据功率超声在液体中传导能产生空化效应和机械 效应技术理论，从充实完善重污染行业高浓度有机废水治理技术出发，从研究分析功率超 声对难降解有机污染物有效降解的作用机理入手，研究设计出一种能在高浓度有机废水连续流动中实现对难降解有机污染物进行断链、分解、氧化等声化学反应作业的“流动型功率 超声空化降解反应器”核心专用技术设备，形成一项能与现有污水处理技术衔接配合应用 的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备。解决技术问题采取的技术方案1、研究功率超声对难降解有机污染物实现有效降解的作用机理。目前，重污染行业常用的对高浓度有机废水处理方法主要有以下三种中和、混 凝、沉淀、气浮、过滤等物理降解法；分解、催化、氧化、还原等化学降解法；生物膜分离、生 物分解等生物降解法。上述这些方法单独使用，或综合衔接使用，对天然有机物或部分简单 人工合成有机物的降解处理，都能达到比较理想的效果，但对一些复杂的人工合成有机物， 特别是对一些难降解有机污染物进行降解处理，就很难达到要求效果。基础研究表明，人工合成有机物，特别是难降解有机污染物，在降解过程中都存在 着共同的关键限制环节，即都集中围绕在对某些关键酶的官能团结构或化合键链的氧化 分解过程中。由于这些关键酶的官能团或化合键链，都很难被现有技术处理方法打开或破 坏，有机物污染物的基本结构也就很难被改变；因此这些关键酶的官能团或化合键链，就成 为对有机污染物进行降解处理的限制环节。基于对难降解有机污染物进行有效降解处理限制环节的研究分析和认知，自然可 以推导出如果研究设计出一种新技术方法，能打开这些关键酶的官能团结构，或破坏其化 合键链，或者引入具有强氧化剂作用的羟基自由基改变其基本结构，就可以打破这些关键 酶的官能团或化合键链对有机污染物降解处理的限制作用，从而就能实现对难降解有机污 染物的有效降解处理。本发明确认功率超声技术就能够快速有效地做到这些。超声波是一 种频率大于可听范围的机械振动波，在液体介质中有极强的穿透力和极好的传导性，可以 产生空化效应、机械效应、热解和自由基效应，其作用机理是含有难降解有机污染物液体中的微气泡，在超声波的作用下发生高频振动；当声 压达到一定数量级时，气泡迅速膨胀，然后突然闭合；在气泡闭合时产生冲击波，最后使气 泡崩溃。超声波的这种能使液体中微气泡振动、膨胀、闭合、崩溃等一系列动力学过程，就是 空化效应。功率超声在液体中的空化效应，能使在热点瞬间产生高温(> 5000K)、高压(> 5X IO4KPa)和高速(> 300m/s)冲击波；空化效应产生的这种局部环境能量，足以在热点打 开某些关键酶的官能团结构，或破坏其化合键链，解除有机污染物对现有技术的降解处理 限制。功率超声在液体中传导，可以引发液体质点进入高频振动状态，发生交替进行的 压缩和伸张运动，构成压力的波形变化产生机械效应。功率超声的这种机械效应，可以促 使液体微粒不断向波腹或波节进行位移运动，产生并传递能量；虽然位移距离不大，但与超 声波频率平方成正比的加速度却极大，有时甚至能超过重力加速度(980. 665cm/s2)的数万 倍。超声波这种机械效应产生的具有强烈冲击力、剪切力的局部环境能量，足以引发液体微 粒发生破裂、移动、碰撞等结构性变化，使某些关键酶的官能团结构单元界面得到破碎，使 化合键链发生断裂，使网状大分子被裂解成小分子，从而能为应用现有技术对有机污染物 进行降解处理创造出有利条件。含有难降解有机污染物液体中的大量水分子，进入空化泡内或紧靠微气泡壁的气 液界面时，在功率超声空化效应产生的高温、高压作用下，水分子在热点达到超临界状态，并发生裂解，生成一个羟基自由基；同时，空化泡崩溃时产生的冲击波和微射流，使羟基自 由基扩散并进入整体液体中；液体中含有的难降解有机污染物，将受到冲击波及随冲击波 扩散而来的高温、高压及羟基自由基的共同作用，从而发生热解和自由基效应。功率超声在 液体中的热解和自由基效应，可以使液体中含有的难降解有机物发生热解反应和氧化反应 等两种声化学反应疏水性、易挥发的难降解有机污染物，进入空化泡内或紧靠微气泡壁的 气液界面，就犹如进入一个高温高压反应器，会发生类似燃烧化学反应的热解反应；这种热 解反应可以使其中一部分难降解有机污染物彻底无机化，裂解转化成C02、H20、C0等气体溢 出。亲水性、难挥发的难降解有机污染物，在空化泡内或气液界面上，与具有极强活性的羟 基自由基进行氧化反应；在这种氧化反应中，活性羟基自由基是目前发现的最强氧化剂，可 以非常顺利的在难降解有机污染物的芳香环上通过氧化反应生成若干新的有机活性基团； 进而再将难降解有机污染物氧化分解成小分子有机物，从而就能为应用现有技术对有机污 染物进行降解处理创造出有利条件。2、研究功率超声空化降解高浓度有机废水的影响因素及其控制措施。重污染行业排出的高浓度有机废水中含有的有机污染物，普遍具有种类繁多、成 分复杂、结构稳定等特性，而且排放时大多都存在间歇性、多变性、冲击性特点。因此必须研 究分析功率超声空化降解高浓度有机废水的影响因素，同时提出控制优化各种影响因素的 技术措施。(1)、超声波声强有机污染物的降解处理，通常都要遵守一级反应动力学。因此，代表功率超声能量 的主要因子之一超声波声强，自然成为一项重要影响因素。超声波声强能影响有机污染物的降解速率。根据本发明对印染企业有机废水进行 功率超声处理试验结果绘制的《不同声强与降解速率关系图》，有机污染物的降解速率，一 般随声强的增大而逐渐加快；但在声强增大到一定数量级以后，有机污染物的降解速率却 变化幅度很小；当声强达到一定数值后，有机污染物的降解速率却不升反降。经研究分析后 认为产生这种关系的主要原因是功率超声空化降解高浓度有机废水的核心动力，是超 声波产生的空化效应，而空化效应对有机污染物的作用主要依靠在有机废水中产生的空化 泡。声强过大，会使空化泡在声波的负压相时长得过大形成声屏，造成系统声场内可有效利 用的声能量反而降低，因而使有机污染物的降解速率发生下降。根据以上分析，本发明依据大量试验数据，设计出适当的超声波声强范围；同时为 使本发明能适应重污染行业排放有机废水时具有的间歇性、多变性、冲击性等特点，扩大本 发明的适应范围，还研究设计出在设计声强范围内，可以实时在线调整、选择超声波声强的 技术措施。(2)超声密度超声波声强并不是声化学反应中的唯一能量因子；在相同声强条件下，不同的超 声密度，同样是影响有机污染物降解速率的重要因素。通过理论分析和试验验证，超声密度 对有机污染物降解速率的影响关系和作用机理与超声波声强基本相同。因为超声密度定义为单位体积承受的声能量。据此可知在选择了适当的超声波 声强以后，反应器体积将决定着超声密度，因此反应器结构也就成为影响有机污染物降解 速率的重要因素。
根据以上分析，本发明依据理论计算和大量试验数据，精心选择设计了“流动型功 率超声空化降解反应器”的几何形状、有效反应体积等关键技术性能指标。(3)超声波频率超声波频率是功率超声技术中最重要的数据，是功率超声技术中所有工作部件的 设计依据；因此，必然成为一项重要影响因素。基础研究表明，在一般情况下，高频率超声波都能有助于提高难降解有机污染物 的降解速率。主要原因是能对难降解有机污染物的降解速率发挥关键作用的是功率超声 空化效应；而空化效应产生的羟基自由基产率，一般总是随超声波频率的增加而提高。但 是，由于难降解有机污染物的种类繁多，而且结构、性质差异较大，并不是在所有情况下高 频率超声波都能对提高降解速率有利。实验证明使用900KHZ的高频率超声波对CS2没有 明显的加快降解作用，而使用20KHZ的低频超声波就能将CS2分解为碳和单晶硫；相反，使 用20KHZ的低频超声波对氯酚没有明显加快降解作用，而使用150KHZ高频超声波就能使对 氯酚的降低速率达到最高。另外，施加于高浓度有机废水中的声强，需要一个高于最低幅值 才能引起空化效应，这个最低幅值称为“空化阈”；而空化阈又直接与超声波的频率有关。频 率越高，空化阈就越高，也就越不易于产生空化效应。实验证明在15KHZ时，产生空化效应 的声强只需0. 16 2. 6W/cm2，而在500KHZ时，所需要的声强却要达到100 400W/cm2。大量研究成果还证明，超声波频率的选择确定，与被处理的有机污染物性质、降解 反应条件、功率超声能量等多种因素都有关联，而且一般都呈现出一种多变量函数关系，需 要进行优化选择匹配才能达到最佳效果。比如在一般情况下，高频率超声波都能有助于 提高难降解有机污染物的降解速率；但是，超声波频率升高超过一定范围，功率强度将会下 降，反而会引起降解速率的降低，因此需要进行选择匹配。根据以上分析，本发明依据理论计算和大量试验研究数据，设计了适当的超声波 频率调整范围，同时设计出选择调整的技术措施。(4)反应温度空化降解反应温度，对超声空化效应的强度和动力学过程都具有非常重要的影响 力，由此可以造成难降解有机污染物的降低速率和程度的变化，自然也就成为一项重要影 响因素。基础研究表明，一般情况下液体具有一定温度容易形成大量微气泡，在超声波作 用下成为空化核，空化阈低易于产生空化效应；提高反应温度，有利于提高降解速率。但液 体温度过高，大量液体分子挥发进入空化泡，空化泡中的蒸汽压增高，导致气泡闭合期间增 强了缓冲作用，降低了热点温度，反而会减少羟基自由基产生数量，使空化效应减弱，造成 难降解有机污染物的降解速率下降。另处，液体温度过高，还会导致高浓度有机废水表面张 力下降、气体溶解度减小等变化，这些都会对空化效应产生不利影响。根据上述分析和大量试验研究数据，空化降解反应温度应该控制在10°C 30°C 条件下进行较为有利。据此，本发明设计选择了“流动型功率超声空化降解反应器”不能裸 露安装在露天作业，应安装在有良好通风保温条件的厂房内作业。(5)溶解气体溶解气体的数量和性质，都是直接参与对难降解有机污染物进行声化学反应的要 素，自然是一项重要影响因素。
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基础研究表明高浓度有机废水中含有的溶解气体数量多少，能直接影响难降解 有机污染物的降解速率。在有机废水中含有溶解气体量多，容易形成大量微气泡，在超声波 作用下就能形成大量空化核，发生较强的空化效应；因此就能产生较多的羟基自由基，形成 较强的热解和自由基效应，从而提高难降解有机污染物的降解速率。基础研究还表明，高浓度有机废水能自身形成溶解气 体有限，一般情况下应采取 外加溶解气体以满足功率超声空化降解反应的需要。外加溶解气体，包括单原子气体或多 原子气体，单原子稀有气体或单原子普通气体等不同性质的气体；这些外加溶解气体，都会 在超声空化效应中产生大量羟基自由基，并强力参加反应过程；因此，这些羟基自由基不仅 会影响降解反应机理，而且还会影响降解反应的热力学或动力学行为。由此可见，溶解气 体，对声化学反应至关重要；没有恰当的溶解气体，液体很难产生空化泡，声化学反应将受 到严重抑制；具有较高的气体特性值(绝热指数)的溶解气体，能够提供十分强烈的热点反 应环境，生成大量活性自由基促进氧化反应。基于上述分析，本发明为确保溶解气体的数量和高绝热指数，在“流动型功率超声 空化降解反应器”专用技术装备上，精心设计出饱和溶气加气装置及调节控制技术措施；同 时，设计选择出比多原子气体绝热指数(r = 1. 19)高的单原子气体(Ar = 1.671~，或队= 1. 59r,或O2 = 1. 43r)，制成高压饱和溶气做为加气剂。(6)、有机废水高浓度有机废水是进行降解处理作业的对象，也是声化学反应条件的载体，有机 废水的性质自然是决定声化学反应效果的重要影响因素。基础研究表明，高浓度有机废水的有机物浓度、液体粘度、表面张力、PH值等液体 性质条件，都会通过直接影响降解反应的热力学或动力学行为，决定声化学反应效果。有机物浓度，能直接影响降解反应的动力学行为。空化反应主要表现在空化泡内 和微气泡壁外的气液界面上，反应效果遵守一级反应动力学。由于反应动力的决定性，有机 物浓度低时的反应速度常数，不仅要远远大于高浓度时的反应速度常数，而且还能提供已 产生降解效果的累积效应；另处，有机物浓度高低还是决定着有机废水液体粘度、表面张力 等其他性质的因素。据此分析，采取有效技术手段，降低有机废水的有机物初始浓度，有利 于提高空化降解反应效果。有机废水的液体粘度，能从两方面影响空化降解反应效果。一是能直接影响空化 阈值的大小，当液体粘度增大时，声能在液体中传导的粘滞损耗增加，声能衰减加剧，辐射 进入液体中的有效声能减少，导致使空化阈值显著提高，产生空化效应困难。二是能直接吸 收声能，使有效声能减小。据此分析，采取有效技术措施，降低有机物废水的液体粘度，有利 于提高空化降解反应效果。有机废水的表面张力，能直接影响空化核的生成及空化降解强度。当有机废水表 面张力增大时，有机废水的活性降低，不仅使空化核生成困难，而且有机物挥发能力也受到 抑制，使得空化泡内和微气泡壁外气液界面处的有机物浓度降低，导致空化降解反应强度 下降，影响空化降解反应效果。据此分析，采取有效技术措施，降低有机废水表面张力，有利 开提高空化降解反应效果。有机废水的PH值，对有机废水中含有的大量有机酸、碱性物质的空化降解反应有 十分重要的影响。超声空化降解反应，主要发生在空化泡内和微气泡壁外气液界面处，调节
8适度的有机废水PH值，可以使有机物尽可能在合适的条件下以中性分子形态存在，才能以 更大比例分布在气相中，并始终处于易于挥发进入空化泡内或接近微气泡壁外气液界面处 的有利地位。据此分析，采取有效技术措施，调节控制适当的PH值，有利于提高空化降解反 应效果。(7)、超声辐射时间超声空化降解反应效果，遵守一级反应动力学；由于反应动力的决定性，通常超声 辐射时间越长，难降解有机污染物的空化降解效率就会越高。但是，根据本发明对印染企业 有机废水进行功率超声处理试验结果绘制出的《不同辐射时间与降解速率关系图》，有机污 染物的降解速率，一般都能随超声辐射时间的增长而提高，而且基本呈线性变化关系；但当 超声辐射时间延长到一定阶段以后，难降解有机污染物的降解速率却提高幅度有限，而且 当超声辐射时间超过一定数值以后，难降解有机污染物的降解速率基本不再变化。本发明根据大量试验数据，为节约电能，降低成本，设计选择了相对固定的超声辐 射时间，同时设计出可实时在线调整控制超声辐射时间的技术措施。3、设计功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备。功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，针对重污染行业排放高浓 度有机废水时大多都具有间歇性、多变性和冲击性等特点，而且高浓度有机废水中含有的 有机污染物又普遍存在种类繁多、成分复杂、结构稳定等性质，为充实完善现有污水处理技 术，在重污染行业现有污水处理系统中独创研究设计了新增预处理技术作业单元。本发明独创研究设计的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，包 括有机废水调节罐，流动型功率超声空化降解反应器，自动操纵控制装置。有机废水调 节罐的进水管，与现有污水处理系统中的高浓度有机废水收集集中排水管相连接；流动型 功率超声空化降解反应器的出水管，与现有污水处理系统中的高浓度有机废水进水管相连 接。(1)、所述的有机废水调节罐，整体设计成罐型全封闭结构；由罐盖、罐体、安装支 架组成；通过快速连接法兰盘实现快速开启或快速封闭固定；用具有较强防腐、耐高温性 能的锅炉钢板焊接制成。在调节罐的罐盖上，安装固定有调节罐搅拌分散器、PH值调节剂 计量加入器、排气管、调节水管道计量泵；经调节后的有机废水出水管，设计安装在调节罐 罐体的上部，与流动型功率超声空化降解反应釜的恒位水箱进水管相连接；有机废水的进 水管，设计安装在调节罐罐体的下部，与现有污水处理系统的高浓度有机废水收集集中排 水管相连接；在调节罐罐体的最底端，设计安装有应急放水管，用于在特殊需要时放空调节 罐内的存水；在调节罐罐体内壁的适当位置上，设计布置安装有相关数据监测传感器；由 设计配置的总接线盒，通过导线束与自动操纵控制装置相连接。设计配置的PH值调节剂计量加入器，由ra值调节剂存储罐、自动计量加料泵、调 节剂加料管组成，安装固定在调节罐罐盖上，加料管直通罐体底部；通过自动计量加料泵， 将PH值调节剂连续添加进高浓度有机废水中，调节罐内的有机废水PH值，使之适应功率超 声空化降解反应需要。设计配置的调节水管道计量泵，安装固定在调节罐罐盖上，加水管直通罐体底部； 通过管道计量泵将调节水，连续添加进高浓度有机废水中，调节罐内有机废水的有机物初 始浓度，使之适应功率超声空化降解反应要求。
设计配置的调节罐搅拌分散器，安装固定在调节罐罐盖中心位置上；搅拌分散器 选择变频调速电机做为驱动动力源，可以根据调节PH值和有机物初始浓度的需要，做出不 同转速变化的实时在线调整；搅拌分散器的结构形式，设计成在搅拌轴上安装固定有呈上 下双层布置、各自都配有若干齿爪的两个反向齿爪型搅拌分散盘。在进行搅拌分散作业时， 由于搅拌分散器的高速旋转和两个反向分散盘的作用，在上、下两层的齿爪分散盘盘面上， 各自都会产生一股极强的轴向吸引力；使有机废水从上部和下部两层盘面的轴向相反方向 被同时快速吸入，再从两层分散盘的中间快速向四周流出，待碰到调节罐罐壁后，再分别向 上、下两个方向流动；从而带动起流入调节罐内的全部有机废水、PH值调节剂、不含有机物 的调节水等液体，形成双向连续翻动的路线快速流动，消除了对有机废水搅拌分散调节可 能存在的盲区或死角，完成有效快速调节有机废水的PH值和有机物初始浓度的技术目标。(2)、所述的流动型功率超声空化降解反应器，为避免反应器出现尖角、棱角状连 接，防止超声场出现的漫散射造成局部空化降解效应降低，反应器整体形状设计成罐型全 封闭结构，罐底呈圆弧形；由反应器盖、反应器体、安装支架组成，通过快速连接法兰盘实现 快速开启或快速封闭固定；用具有较强防腐、耐高温性能的锅炉钢板焊接制成。在反应器盖 上，安装固定有3台浸入式超声波换能器、反应器搅拌分散器、排气管；空化降解出水管，设 计安装在反应器体的上部，与现有污水处理系统中的高浓度有机废水进水管相连接；反应 器进水管，设计安装在反应器体下部，与安装固定在反应器外部的恒位水箱出水管相连接， 再通过恒位水箱进水管与有机废水调节罐相连接；在反应器体的最底端，设计安装有应急 放水管，用于应急需要时放空反应器中的存水；在反应器体内壁的适当位置上，设计布置安 装有相关数据监测传感器，由总接线盒通过导线束与设计布置在反应器外部的自动操纵控 制装置相连接；在反应器体底部的内壁上，安装固定有曝气微孔扩散器，通过饱和溶气送气 管与设计布置在反应器外部的饱和溶气发生器相连接。设计配置的侵入式超声波换能器由3台组成，在反应器盖上以同心圆120°等分 布置安装。浸入式超声波换能器，由聚能辐射棒、安装基座、外壳、微调套筒、预应力套筒、后 振动体、吸收块、声反馈晶片、节点支座、后端盖、冷却气进口、电极引线等主要工作部件组 成。所有电_声转换零部件都组装在圆柱形外壳内，通过预应力套筒与前负载块即聚能辐 射棒连接，通过电极引线与反应器总接线盒相连接，通过冷却气进口，与冷却器连接。超声 波换能器通过安装基座，安装固定在反应器盖上，以安装基座为分界面，聚能辐射棒以浸没 形式布置在反应器内有机废水里，电-声转换部分布置在反应器外部。聚能辐射棒，是超声 波换能器的重要工作部件，也是功率超声振幅的机械放大源；。根据高浓度有机废水特点， 为增加振幅放大系数，选择设计成复合式聚能辐射棒；同时考虑到聚能辐射棒不仅要长期 浸没在有机废水中工作，而且还要辐射大功率、高振幅，设计选择具有较大疲劳强度、较小 声阻抗特性、而且耐腐蚀的钛合金材料制造；布置成同心园120°分界线上，使有效辐射面 积可以重叠，不留盲区，每根聚能辐射棒都能在360°方向内均勻向四周辐射超声波。设计配置的反应器搅拌分散器，安装固定在反应器盖中心位置上；搅拌分散器选 择变频调速电机做为驱动动力源，可以根据的需要，做出不同转速变化的实时在线调整；搅 拌分散器的结构形式，设计成在搅拌轴上安装固定有呈上下双层布置、各自都配有若干齿 爪的两个反向齿爪型搅拌分散盘。在进行搅拌分散作业时，由于搅拌分散器的高速旋转和 两个反向齿爪分散盘作用，在齿爪分散盘上、下两层的盘面上，各自都产生一股极强的轴向吸引力；使有机废水从两层盘面的上部和下部，沿两个盘面轴向的相反方向被同时快速吸 入，再从两层分散盘的中间快速向四周流出，待碰到反应器体壁后，分别再向上、下两个方 向流动；从而带动起流入反应器内的全部有机废水，形成双向连续翻动的路线快速流动，消 除了可能存在的盲区或死角。同时，由于齿爪型搅拌分散盘的高速旋转，使设计布置在搅拌 分散盘边沿上的若干齿爪，都具有了极高的线速度和切割撞击有机废水的高频率，从而产 生出极强的高速切削、液力剪切、离心挤压等动态能量；这种极强的动态势能与功率超声产 生的空化效应、机械效应相配合，足以加大有机污染物微粒发生破裂、移动、碰撞等结构变 化，使难降解有机污染物某些关键酶的官能团结构单元界面得到破碎，使化合健链发生断 裂，使网状大分子被裂解成小分子。设计配置的饱和溶气发生器，由空气压缩泵、单原子气体转子加注器及其相应的 送气管路组成，安装固定在反应器外部适当位置上；产生的高压过饱和溶气，经气体送气管 被送进布置在反应器底部的曝气微孔扩散器内，并在其作用下以微气泡形式向反应器内的 有机废水中释放。设计配置的恒位水箱，是为了确保流动型功率超声空化降解反应器选择确定的各 种作业技术参数，能发挥最佳技术效果，必须使有机废水保持连续恒定流量而研究设计的 专用器件，由高位储水箱、水流计量孔口板及其相应的进、出水管道组成，安装固定在反应 器体外壁上；通过进水管与有机废水调节罐的出水管相连接，通过计量孔口板的出水口与 反应器进水管相连接。(3)、所述的自动操纵控制装置，由他激式超声波发生器和预处理自动控制器等两 部分组成，整体设计成操纵控制柜形式，单独安装固定在与反应器相匹配的合适位置上；通 过导线束分别与有机废水调节罐的总接线盒、流动型功率超声空化降解反应器的总接线盒 相连接。设计配置的他激式超声波发生器，由信号源、功率放大、输入输出、控制等四个主 要工作部分组成，为适应功率超声空化降解反应工作频率范围宽的特殊要求，采用基于单 片机CAT89C51的数字波形发生器，产生正弦波，然后用功率晶体管进行线性功率放大，使 工作频率能在50KHZ 120KHZ之间选择调整，最后再通过高频变压器和相关电路，把电能量 耦合到浸入式超声波换能器上，达到隔离和阻抗匹配。设计配置的预处理自动控制器，具有工业控制单片机编程、信号现场在线采集处 理、数据存储备份处理、LED屏幕显示、键盘输入、指令输出等自动调节控制功能；一方面通 过导线束分别与安装布置在现场的各种传感器、监测仪等信号相连接，另一方面通过导线 束分别与各作业功能部件的电机，电动蝶阀，电磁开关等驱动部件相连接，从而实现功率超 声空化降解反应预处理技术全程作业的自动操纵控制。本发明具有的优点及效果本发明在深入进行市场调查研究基础上，结合多年研究试验取得的成果和知识积 累，针对国内重污染行业对高浓度有机废水现有处理技术存在的弱点或不足，依据功率超 声在液体中传导能产生空化效应和机械效应技术理论，创造性研究设计出一种用于对重污 染行业排出的高浓度有机废水进行预处理的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技 术及设备。本发明具有以下优点和效果1、本发明严格依据功率超声在液体介质中产生空化效应所需要的技术要求条件，通过研究设计出的有机废水调节罐、流动型功率超声空化降解反应器、自动操纵控制 装置等专用技术装备，使功率超声空化反应热点在瞬间产生出高温(> 500K)、高压(> 5X IO4Kpa)和高速(> 300m/s)冲击波；这种能量能使水分子在空化反应热点达到超临 界状态，分解生成出羟基自由基、活性氧原子等强氧化剂，并积极强力参与对难降解有机污 染物的降解反应，从而造成难降解有机污染物发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解、超临 界水氧化、自由基氧化等剧烈声化学反应；再加上功率超声能量引发的质点振动、剪切力碎 裂、微射流击碎、微粒移动碰撞等机械效应，足以使一部分有机物裂解转化成C02、H20、C0等 气体溢出，彻底实现无机化；既或是一些难降解有机物，也能使其某些关键酶的官能团结构 单元界面得到破碎，化合键链发生断裂、网状大分子结构裂解成小分子等重大结构性变化， 为再采用常规污水处理创造出有利条件。本发明研究设计出的这种功率超声空化降解高浓 度有机废水预处理技术设备，为有效处理难降解有机污染物开创了一种新途径，提供了一 项新技术，具有较好的推广示范价值。2、本发明提供的这种功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，集功 率超声技术、搅拌分散调节技术、声化学反应技术、数字在线调控技术等多门专业学科技术 于一体，依据的技术原理科学正确，设计的工程技术手段先进合理；具有反应速度快、适用 范围广、运行费用低、操作容易、安装方便、投资少、效果好等突出特点；既可以单独应用，也 可以与其他现有污水处理技术联合应用，具有新颖性、创造性和实用性，有广阔的市场空间 和市场发展潜力。3、本发明提供的这种功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，在深 入细致进行市场调查研究基础上，结合多年研究试验取得的科研成果和专业知识积累，从 充实完善我国重污染行业高浓度有机废水治理技术出发；认真研究分析了功率超声对难降 解有机污染物有效降解的作用机理，详细研究分析了功率超声空化降解高浓度有机废水的 影响因素及其控制优化技术措施，研究设计出多项创新工程技术手段，较好地解决了重污 染行业应用传统污水处理技术对高浓度有机废水进行技术处理时存在的一些技术难点，对 我国有机污染物治理技术的发展和进步，具有一定的启发和借鉴作用。


附图1、有机废水调节罐结构原理示意图附图2、流动型功率超声空化降解反应器结构原理示意图附图3、浸入式超声波换能器结构原理示意图
具体实施例方式本发明的制备实施说明本发明功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及装备，包括有机废水 调节罐，流动型功率超声空化降解反应器，自动操纵控制装置。有机废水调节罐的进水管 (13).与现有污水处理系统中的高浓度有机废水收集集中排水管相连接；流动型功率超声 空化降解反应器的出水管(20)，与现有污水处理系统中的高浓度有机废水进水管相连接。如附图1所示，所述的有机废水调节罐，整体设计成罐型全封闭结构；由罐盖(6)、 罐体(3)、安装支架(1)组成；通过快速连接法兰盘(5)实现快速开启或快速封闭固定，用具有较强防腐、耐高温性能的锅炉钢板焊接制成。在调节罐罐盖上，安装固定有搅拌分散器 (2)、PH值调节剂计量加入器(7)、排气管(9)、调节水管道计量泵(10)；经调节后的有机废 水出水管(4)，设计安装在调节罐罐体的上部，与流动型功率超声空化降解反应器的恒位水 箱进水管(25)相连接；有机废水的进水管(13)，设计安装在调节罐罐体的下部，与现有污 水处理系统的高浓度有机废水收集集中排水管相连接；在调节罐罐体的最底端，设计安装 有应急放水管(14)，用于在特殊需要时放空调节罐内的存水；在调节罐罐体内壁的适当位 置，设计布置安装有相关数据监测传感器(11)。由设计布置的总接线盒(12)，通过导线束 与自动控制装置相连接。设计配置的PH值调节剂计量加入器(7)，由PH值调节剂存储罐、自动计量加料泵、 调节剂加料管组成，安装固定在调节罐罐盖上，加料管直通罐体底部。设计配置的调节水管道计量泵(10)，安装固定在调节罐罐盖上，加水管直通罐体 底部。设计配置的调节罐搅拌分散器(2)，安装固定在调节罐罐盖(6)中心位置上；搅拌 分散器选择变频调速电机(8)做为驱动动力源，搅拌分散器的结构形式，设计成在搅拌轴 上安装固定有呈上、下双层布置、各自都配有若干齿爪的两个反向齿爪型搅拌分散盘。如附图2所示，所述的流动型功率超声空化降解反应器，整体形状设计成罐型全 封闭结构；由反应器盖(22)、反应器体(19)、安装支架(15)组成，通过快速连接法兰盘 (21)实现快速开启或快速封闭固定；用具有较强防腐、耐高温性能的锅炉钢板焊接制成。 在反应器盖(22)上，安装固定有浸入式超声波换能器(23)、反应器搅拌分散器(18)、排气 管(24)；空化降解出水管(20)，设计安装在反应器体(19)的上部，与现有污水处理系统中 的高浓度有机废水进水管相连接；反应器进水管(29)，设计安装在反应器体(19)下部，与 安装固定在反应器外部的恒位水箱(26)出水口相连接，再通过恒位水箱的进水管(25)与 有机废水调节罐相连接；在反应器体(19)的最底端，设计安装有应急放水管(16)，用于应 急需要时放空反应器中的存水；在反应器体(19)内壁的适当位置上，设计布置安装有相关 数据监测传感器(27)，由总接线盒(28)通过导线束与设计布置在反应器外部的自动操纵 控制装置相连接；在反应器体底部的内壁上，安装固定有曝气微孔扩散器(17)，通过饱和 溶气送气管(30)与设计布置在反应器外部的饱和溶气发生器(31)相连接。设计配置的反应器搅拌分散器(18)，安装固定反应器盖(22)中心位置上；搅拌分 散器选择变频调速电机做为驱动动力源，搅拌分散器的结构形式设计成在搅拌轴上安装固 定有呈上、下双层布置、各自都配有若干齿爪的两个反向齿爪型搅拌分散盘。设计配置的饱和溶气发生器(31)，由空气压缩泵、单原子气体转子加注器及送气 管路(30)组成，安装固定在反应器外部适当位置上；产生的高压过饱和溶气，经气体送气 管(30)被送进布置在反应器底部的曝气微孔扩散器(17)内。设计配置的恒位水箱(26)，由高位储水箱、水流计量孔口板及其相应的进、出水管 道组成，安装固定在反应器体(19)外壁上；通过进水管(25)与有机废水调节罐的出水管 (4)相连接，通过计量孔口板的出水口与反应器进水管(29)相连接。如附图3所示，设计配置的浸入式超声波换能器(23)，由聚能辐射棒(32)、安装基 座(46)、外壳(35)、微调套筒(33)、预应力套筒(34)、后振动体(42)、吸收块(37)、声反馈 晶片(41)、节点支座(36)、后端盖(38)、冷却气进气管(40)、电极引线(39)等主要工作部
13件组成。所有电_声转换零部件都组装在圆柱形外壳(35)内，通过预应力套筒(34)与前负 载块即聚能辐射棒(32)连接，通过电极引线(39)与反应器总接线盒(28)相连接。配置的 3台超声波换能器(23)，通过安装基座，以同心圆120°角分位置安装在反应器盖(22)上， 使有效辐射面积可以重叠，不留盲区，每根聚能辐射棒都能在360°方向内均勻向四周辐射 超声波。所述的自动操纵控制装置，由他激式超声波发生器和预处理自动控制器等两部分 组成，整体设计成操纵控制柜形式，单独安装固定在与反应器相匹配的合适位置上；通过导 线束分别与有机废水调节罐的总接线盒(12)、流动型功率超声空化降解反应器的总接线盒 (28)相连接。设计配置的超声波发生器，由信号源、功率放大、输入输出、控制等四个主要工作 部分组成，采用基于单片机CAT89C51的数字波形发生器，产生正弦波，然后用功率晶体管进行线性功率放大，使工作频率能在50KHZ 120KHZ之间选择 调整，最后再通过高频变压器和相关电路器件，把电能量耦合到浸入式超声波换能器(23) 上，达到隔离和阻抗匹配。设计配置的预处理自动控制器，具有工业控制单片机编程、信号现场在线采集处 理、数据存储备份处理、LED屏幕显示、键盘输入、指令输出等自动调节控制功能；通过导线 束与接线盒分别与各作业功能部件的电机，电动蝶阀，电磁开关等驱动部件相连接。本发明的运行实施说明本发明以某印染企业进行功率超声空化降解高浓度有机物废水的应用试验为实 施例，说明运行实施方式。某印染企业现有对印染生产过程中排出的高浓度有机废水的处理方式是首先采 用化学氧化法进行降解处理，然后再采用混凝沉淀法进行分离后排放。常用的化学氧化剂 主要有臭氧、Fentom氧化剂、妝(1、111102等。使用这些化学氧化剂存在着强氧化自由基产 率低、受气液界面传质效率制约、药剂利用率不高等缺点，致使处理质量不稳定，药剂耗用 量大、成本过高。在进行应用试验时，将功率超声空化降解高浓度有机废水预处理试验样机，安装 在现有污水处理系统中；将有机废水调节罐上的进水管(13)与现有污水处理系统中的收 集集中排水管相连接，将出水管(4)与恒位水箱进水管(25)相连接；将反应器上的空化降 解出水管(20)与现有污水处理系统中的化学氧化降解池的进水管相连接；将自动操纵控 制装置上的导线束，分别与调节罐的总接线盒(12)和反应器总接线盒(28)相连接。在进行高浓度有机废水功率超声空化降解技术处理前，首先对待处理污水的有机 物浓度和PH值进行检测，取得准确数值；然后按技术处理条件要求的有机物含量初始浓度 和PH值，根据调节罐液体有效容量和进、出水管的管道流量，分别计算出调节水、PH值调节 剂的调节加入流量。开始处理时，通过自动操纵控制装置，首先打开高浓度废水收集集中排水管上的 阀门，把高浓度有机废水引入有机废水调节罐内；同时，启动PH值调节剂计量加入器(7)， 按计算的调节加入流量，自动计量连续加入PH值调节剂；同时，启动调节水管道计量泵 (10)，按计算的调节加入流量，自动计量连续加入调节水；同时，启动调节罐搅拌分散器 (2)对进入到有机废水调节罐内的全部有机废水，PH值调节剂、调节水等液体，进行强力搅拌分散调节混合，使其达到功率超声空化降解反应要求的有机物含量初始浓度和PH值。经过有机物含量初始浓度和PH值调节后的有机废水，通过调节罐的出水管(4)和 恒位水箱进水管(25)，进入到恒位水箱(26)；由于在恒位水箱内设计安装有简单适用的水 流计量孔口板，使进入反应器内的有机废水能始终保持连续恒定流量，可以确保功率超声 能在稳定的作业环境中进行空化降解反应作业，使选择确定的各项技术参数都能发挥最佳 技术效果，特别是能够在有机废水连续流动的条件下，确保接受功率超声辐射时间在确定 范围内。当高浓度有机废水进入流动型功率超声空化降解反应器内以后，通过自动操纵控 制装置，启动超声波发生器，由基于单片机(AT89C51)的数字波形发生器产生正弦波，然后 通过功率晶体管进行线性功率放大，再通过高频变压器及其相关电路进行隔离和阻抗匹 配，把电能量耦合到浸入式超声波换能器(23)上，最后通过复合式聚能辐射棒(32)向四周 有机废水中辐射出超声波，进行空化降解反应作业；同时，启动反应器搅拌分散器(18)，由 高速旋转产生的巨大动态势能对反应器中的有机废水进行强力搅拌分散，使有机污染物微 粒发生破裂、移动、碰撞等结构变化，配合功率超声空化降解反应作业；同时，启动饱和溶气 发生器(31)，产生出高压过饱和溶气，通过饱和溶气送气管(30)送进曝气微孔扩散器(17) 中，以微气泡形式向反应器内的有机废水中释放，并形成空化核参与超声空化降解反应作 业。在流动型功率超声空化降解反应器内，高浓度有机废水经过功率超声空化降解技 术处理后，分解、氧化生成的CO、H20、C02、N2等气体和溶气余气，通过反应器排气管(24)直 接排入大气；为保证系统稳定运行，降解后的含简单易降解有机物废水，在定量管道泵的作 用下，通过反应器出水管(20)排入企业现有污水处理系统中的化学氧化降解池内，接受进 一步氧化技术处理。本发明选择确定的主要技术参数反应器结构形式圆底罐形全封闭结构。反应器结构参数直径Φ 1800mm ；圆底半轴高度150mm ；液面有效高度650mm。液体有效总容积2. 8m3。系统进、出水管道直径Φ 160mm。有机废水进、出管道流速4. 7m/min。液体流动方式连续搅拌定量流动方式。有机废水超声处理初始浓度3000 3500mg/L。有机废水超声处理PH值10 12。调节罐搅拌分散器转速860r/min。反应器搅拌分散器转速1080r/min。有机废水调节停留时间20min。有机废水超声辐射时间30min。功率超声频率50KHZ 120KHZ。功率超声声强2. 2 2. 8W/cm2。功率超声功率165 220W/m3。聚能辐射棒结构形式复合型浸入式。
聚能辐射直径Φ 50mm。
权利要求
1.一种功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，其特征在于由有机废 水调节罐，流动型功率超声空化降解反应器，自动操纵控制装置组成；有机废水调节罐的进 水管(13)，与现有污水处理系统中的高浓度有机废水收集集中排水管相连接；流动型功率 超声空化降解反应器的出水管(20)，与现有污水处理系统中的高浓度有机废水进水管相连 接。
2.根据权利要求1所述的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，其特 征在于所述的有机废水调节罐，整体设计成罐型全封闭结构；由罐盖(6)、罐体(3)、安装 支架(1)组成；通过快速连接法兰盘(5)实现快速开启或快速封闭固定，用具有较强防腐、 耐高温性能的锅炉钢板焊接制成。在调节罐罐盖上，安装固定有搅拌分散器(2)、PH值调节 剂计量加入器(7)、排气管(9)、调节水管道计量泵(10)；经调节后的有机废水出水管(4)， 设计安装在调节罐罐体的上部，与流动型功率超声空化降解反应器的恒位水箱进水管(25) 相连接；有机废水的进水管(13)，设计安装在调节罐罐体的下部，与现有污水处理系统的 高浓度有机废水收集集中排水管相连接；在调节罐罐体的最底端，设计安装有应急放水管 (14)，用于在特殊需要时放空调节罐内的存水；在调节罐罐体内壁的适当位置，设计布置安 装有相关数据监测传感器(11)；由设计布置的总接线盒(12)，通过导线束与自动控制装置 相连接；设计配置的PH值调节剂计量加入器(7)，由PH值调节剂存储罐、自动计量加料泵、 调节剂加料管组成，安装固定在调节罐罐盖上，加料管直通罐体底部；设计配置的调节水管 道计量泵(10)，安装固定在调节罐罐盖上，加水管直通罐体底部；设计配置的调节罐搅拌 分散器(2)，安装固定在调节罐罐盖(6)中心位置上；搅拌分散器选择变频调速电机(8)做 为驱动动力源，搅拌分散器的结构形式，设计成在搅拌轴上安装固定有呈上、下双层布置、 各自都配有若干齿爪的两个反向齿爪型搅拌分散盘。
3.根据权利要求1所述的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，其特 征在于所述的流动型功率超声空化降解反应器，整体形状设计成罐型全封闭结构；由反 应器盖(22)、反应器体(19)、安装支架(15)组成，通过快速连接法兰盘(21)实现快速开 启或快速封闭固定；用具有较强防腐、耐高温性能的锅炉钢板焊接制成。在反应器盖(22) 上，安装固定有浸入式超声波换能器(23)、反应器搅拌分散器(18)、排气管(24)；空化降 解出水管(20)，设计安装在反应器体(19)的上部，与现有污水处理系统中的高浓度有机废 水进水管相连接；反应器进水管(29)，设计安装在反应器体(19)下部，与安装固定在反应 器外部的恒位水箱(26)出水口相连接，再通过恒位水箱的进水管(25)与有机废水调节罐 相连接；在反应器体(19)的最底端，设计安装有应急放水管(16)，用于应急需要时放空反 应器中的存水；在反应器体(19)内壁的适当位置上，设计布置安装有相关数据监测传感器 (27)，由总接线盒(28)通过导线束与设计布置在反应器外部的自动操纵控制装置相连接； 在反应器体底部的内壁上，安装固定有曝气微孔扩散器(17)，通过饱和溶气送气管(30) 与设计布置在反应器外部的饱和溶气发生器(31)相连接；设计配置的反应器搅拌分散器 (18)，安装固定反应器盖(22)中心位置上；搅拌分散器选择变频调速电机做为驱动动力 源，搅拌分散器的结构形式设计成在搅拌轴上安装固定有呈上、下双层布置、各自都配有若 干齿爪的两个反向齿爪型搅拌分散盘；设计配置的饱和溶气发生器(31)，由空气压缩泵、 单原子气体转子加注器及送气管路(30)组成，安装固定在反应器外部适当位置上；产生的 高压过饱和溶气，经气体送气管(30)被送进布置在反应器底部的曝气微孔扩散器(17)内；设计配置的恒位水箱(26)，由高位储水箱、水流计量孔口板及其相应的进、出水管道组成， 安装固定在反应器体(19)外壁上；通过进水管(25)与有机废水调节罐的出水管(4)相连 接，通过计量孔口板的出水口与反应器进水管(29)相连接。
4.根据权利要求1所述的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，其特 征在于设计配置的浸入式超声波换能器(23)，由聚能辐射棒(32)、安装基座(46)、外壳 (35)、微调套筒(33)、预应力套筒(34)、后振动体(42)、吸收块(37)、声反馈晶片(41)、节 点支座(36)、后端盖(38)、冷却气进气管(40)、电极引线(39)等主要工作部件组成。所有 电-声转换零部件都组装在圆柱形外壳(35)内，通过预应力套筒(34)与前负载块即聚能 辐射棒(32)连接，通过电极引线(39)与反应器总接线盒(28)相连接。配置的3台超声波 换能器(23)，通过安装基座，以同心圆120°角分位置安装在反应器盖(22)上，使有效辐射 面积可以重叠，不留盲区，每根聚能辐射棒都能在360°方向内均勻向四周辐射超声波。
5.根据权利要求1所述的功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，其特 征在于所述的自动操纵控制装置，由他激式超声波发生器和预处理自动控制器等两部分 组成，整体设计成操纵控制柜形式，单独安装固定在与反应器相匹配的合适位置上；通过导 线束分别与有机废水调节罐的总接线盒(12)、流动型功率超声空化降解反应器的总接线盒 (28)相连接；设计配置的超声波发生器，由信号源、功率放大、输入输出、控制等四个主要 工作部分组成，采用基于单片机CAT89C51的数字波形发生器，产生正弦波，然后用功率晶 体管进行线性功率放大，使工作频率能在50KHZ 120KHZ之间选择调整，最后再通过高频 变压器和相关电路器件，把电能量耦合到浸入式超声波换能器(23)上，达到隔离和阻抗匹 配；设计配置的预处理自动控制器，具有工业控制单片机编程、信号现场在线采集处理、数 据存储备份处理、LED屏幕显示、键盘输入、指令输出等自动调节控制功能；通过导线束与 接线盒分别与各作业功能部件的电机，电动蝶阀，电磁开关等驱动部件相连接。
全文摘要
本发明提供一种功率超声空化降解高浓度有机废水预处理技术及设备，包括有机废水调节罐、流动型功率超声空化降解反应器、自动操纵控制装置等主要作业装置。该预处理技术及设备，通过功率超声在高浓度有机废水中传导产生的空化效应、机械效应和自由基效应，能使各类难降解有机污染物某些关键酶的官能团结构单元界面得到破坏，稳定的化合键链得到断裂，进而再通过声化学反应，能把难降解有机污染物氧化、分解，还原成无机物或简单易降解有机物，为应用常规污水处理技术创造出有利条件。该预处理技术及设备，主要应用于重污染行业高浓度有机废水的污染治理，既可以单独应用，也可以与其他现有污水治理技术配合应用。
文档编号C02F1/66GK102107928SQ20091021809
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者刘岩, 朱元元, 李延韬 申请人:四平市维邦机械装备有限公司