等离子体与超声和催化联合的级联式水处理装置的制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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(.0H、.0、.H、03、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lOOMPa)，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、03的协同作用能大大提尚对有机物的去除率。
[0003]等离子体发生装置放电过程中会产生紫外光，T12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1102表面的有机物或先将吸附在T12表面的OH-和H 20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。
[0004]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】
[0005]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、1102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，以保护气栗和空气压缩栗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。
[0006]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栗和液体流量计与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栗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。
[0007]超声臭氧联合反应器为圆柱形，材料为钛合金。
[0008]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。
[0009]所述等离子体发生器包括介质阻挡放电射流喷嘴，空气压缩栗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，所述空气压缩栗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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]所述内电极的材质为钨，所述外电极的材质为铜。
[0013]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栗的气体流量，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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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10~20_，所述条形带的带宽为2.5~4_，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°。
[0019]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1102锐钛矿薄膜的孔网结构接触。
[0020]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T12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