一种多级空化反应器的制作方法

本发明属于污水空化处理技术领域，特别涉及一种基于文丘里管的水力空化处理有机污染物的多级空化反应器及污水空化降解方法。

技术背景

水是人类赖以生存和发展的物质基础，水资源的保护和循环利用是环境保护中最重要的课题之一。中国是世界上十三个贫水国之一，近二十几年来，我国的水体污染十分严重，对118个大中城市所调查的水体表明，重度污染占40％。造成水污染的主要污染源为工业污染废水、农业污染废水和城市生活污水。尤其是难降解的“三致”(致癌、致畸、致基因突变)有机污染物，它们不仅大量消耗水体中的溶解氧，使水体失去自我净化的能力，而且能长期在环境中的存在，并通过食物链侵入到人体中并逐步积累，对人体健康已构成了严重威胁。同时，由于水体的污染，造成许多水资源无法再利用，从而加重了水资源的匮乏程度，影响了环境的可持续利用和经济的可持续发展。我国的科学家、社会与经济学学者和政府管理部门十分关注水资源的可持续利用，强调水资源的可持续利用是所有自然资源可持续开发利用中最重要的一个问题，因此，寻求新的方法和技术对流量大、污染物多且又成分复杂的工业、农业污染废水和城市生活污水进行有效地、深度处理，将为水资源的再利用创造条件。

物理方法进行水处理，由于不产生二次污染，被称为“绿色水处理”，受到了广泛的关注。其中的空化法，因可以廉价简易地集高温、高压、机械剪切和破碎为一体，为物理方法进行有机污染物降解和水体净化处理创造了特殊的形式。早期的空化应用是穿孔板10和文丘里管，他们的优势在于，空化所形成的空化泡随液体流动，能在较大范围内形成空化场，而且能量利用率高，处理量大，然而它们处理污水虽然有效，但有机物降解率不高，造成这个原因的是当污水经过一次空化后，要经过较长的时间才能进行第二次空化，尤其是大处理量时，经过第二次空化的时间将更长，导致空化降解效率不高，以国内专利“多级水力空化强化蔗汁中和反应的方法”(申请号：201410212544.4)为例，该专利中喇叭形管小端截面面积与大端横截面面积的比值为0.1～0.3，以该申请的专利图1和图2为例，设想：从进水口(大截面)经过连接管(小截面)也就是喉部，容易产生空化现象，可是从连接管射出来的水经过中间管(大截面)再射向连接管时就难以产生空化，即当连接管和连接管的直径相等时，从连接管出来的水将毫无阻碍地完全穿过了连接管，显然不能产生空化现象。因此，现有技术中应用穿孔板和文丘里管实现的空化技术均存在空化效果不理想，导致处理效率低、能量利用率低等问题，特别是在水力空化降解有机污染物方面，由于有机污染物本身处理难度较大，空化效果不理想，使有机污染物空化降解过程中，降解效率低、成本高，在应用中大大受限。

技术实现要素：

为了克服现有水力空化降解有机污染物效率不高的问题，本发明提供了一种多级空化反应器，其是基于传统的文丘里管或穿孔板实现空化，采用多级连续空化的方式，大大加快管内空化降解污染物速度，提高污水中有机污染物的降解效率。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

该多级空化反应器，包括反应主管以及串接在反应主管出口端的n级反应支管组，n＝1，2，3；每一级反应支管组包括并列设置的2～4个呈扩散型分布的反应支管，在反应主管1的出口端以及第m级反应支管的出口端设置有挡板，m为1～n-1，所述反应主管是文丘里管或者内设穿孔板的直管式结构。

进一步优选，第n级的反应支管中心轴与第n-1级的反应支管中心轴之间形成5～10°的夹角。

进一步优选，所述第n级的反应支管所在平面与第n-1级的反应支管所在平面在同一个平面上。

进一步优选，所述第n级的反应支管所在平面与第n-1级的反应支管所在平面分布在两个交叉的平面上且夹角小于90°。

进一步优选，设置在最末端的一级反应支管组的反应支管呈扩散型分布，并且反应支管的中心轴相交于反应主管的中心轴的任意一点。

进一步限定，所述反应主管是文丘里管，其喉部设置在其整个流程的1/3～2/3处，反应主管的喉部直径与入口直径之比为0.2～0.4。

进一步优选，所述反应支管是文丘里管式结构，喉部直径与入口直径之比为0.2～0.4。

进一步优选，所述第n级反应支管的入口直径D与第n+1级反应支管的入口直径之比d为D:d＝3.0～3.46。

进一步优选，所述反应支管是内设穿孔板的直管式结构，穿孔板设置在距离反应支管出口端40～50mm的位置，穿孔板与反应支管出口端的挡板平行。进一步优选，所述穿孔板的孔隙率5～8％。

本发明的多级空化反应器是基于文丘里管或者穿孔板涉及，采用多级空化的方式，使液体经反应主管喉部或者穿孔板后产生空化微气泡，运动至挡板后受到高压作用发生崩溃，产生强氧化性自由基，再经多级反应支管后连续多次产生空化微气泡，并在挡板压力作用下崩溃，产生更多呈数量级增加的强氧化性自由基，大大提高的文丘里管空化降解污染物速度，提高污水中有机污染物的降解效率。

附图说明

图1为n＝2且反应支管为2个时的多级空化反应器的外部结构示意图。

图2为图1的正面剖视图。

图3为n＝2且反应支管均为4个时的多级空化反应器的结构示意图。

图4为图3的A-A剖视示意图。

图5为n＝2且反应支管不对称分布时的多级空化反应器的结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为n＝2且二级反应支管与一级反应支管分布在两个交叉的平面时的多级空化反应器的结构示意图。

图8为图7的俯视图。

图9为n＝3时的多级空化反应器结构示意图。

图10为穿孔板10的安装示意图。

图11为n＝2且一级反应支管为3个、二级反应支管为2个时的多级空化反应器的外部结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

由图1和2可知，本发明的多级空化反应器包括反应主管1、一级反应支管组2、二级反应支管组3、主挡板5、一级挡板6。其中，反应主管1是文丘里管结构，其入口直径为40mm，管长为60mm，喉部直径为12mm，喉部设置在其整个流程的1/2处，并可在1/3～2/3范围内调整，反应主管1的喉部直径与入口直径之比可在0.2～0.4范围内调整。反应主管1的入口端与进水泵连通，反应主管1的出口端固定有主挡板5，使水流经过反应主管1的喉部段发生空化反应，产生大量的微气泡，随着液体流动，微气泡运动至该主挡板5发生碰撞，使微气泡崩溃。在主挡板5上加工有2个支管连接孔，在支管连接孔上分别安装有管接头通过连接弯管与一级反应支管组2连接。

参见图2，本实施例n＝2，在反应主管1的出口端连接有2个一级反应支管，即一级反应支管组2包括第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2，第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的中心轴相交于反应主管1的中心轴上。第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2均为文丘里管结构，第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的中心轴与反应主管1中心轴之间形成9°的夹角，且第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2是关于反应主管1的中心轴对称分布。第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的入口直径均为13.3mm，管长为60mm，喉部直径为2.66mm，喉部直径与入口直径之比为0.2～0.4即可保证较优的空化效果。在第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的出口端固定安装有一级挡板6，使水流经过第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的喉部段发生空化反应，产生大量的微气泡，随着液体流动，微气泡运动至一级挡板6发生碰撞，使微气泡崩溃。

在上述的第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的出口端一级挡板6上加工有支管连接孔，通过连接弯管与二级反应支管组3连通。二级反应支管组3包括第一个二级反应支管3-1、第二个二级反应支管3-2、第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4，即在第一个一级反应支管2-1的出口端通过转接头连接有第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2，在第二个一级反应支管2-2的出口端也通过转接弯管连接有第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4。第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2所在平面与第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2所在的平面为同一平面。第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2均为文丘里管结构，且第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2可以是关于第一个一级反应支管2-1的中心轴对称分布。第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2的入口直径均为4.16mm，管长均为60mm，喉部直径为0.83mm，喉部直径与入口直径之比为0.2～0.4即可保证较优的空化效果，为了补偿流体运行过程中的水压损耗，上述二级反应支管的直径d与一级反应支管的直径D之比满足：D＝3～3.46d。第一个二级反应支管3-1、第二个二级反应支管3-2、第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4的中心轴相交于反应主管1的中心轴上。由于二级反应支管组3是在出水端，其出口端无需安装挡板。

上述第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2也可以呈非对称分布，即第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的中心轴与反应主管1的中心轴之间的夹角可以不同，在5～10°的范围内调整，因为角度过大，水压损失太大，到下一级反应支管内水压不足，会影响气液混合和空化效果。

由图3和4可知，上述反应主管1的出口端面上并列连接有4个一级反应支管组2，即分别为第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2、第三一级反应支管2-3以及第四一级反应支管2-4，第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2、第三一级反应支管2-3以及第四一级反应支管2-4在反应主管1的出口端面上均匀且呈扩散型分布，且第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2、第三一级反应支管2-3以及第四一级反应支管2-4的中心轴与反应主管1的中心轴之间的夹角为10°。在第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2、第三一级反应支管2-3以及第四一级反应支管2-4的出口端面上均分别连接有4个二级反应支管组3，每个二级反应支管组3包括4个二级反应支管，每个二级反应支管中心轴与对应的一级反应支管中心轴之间的夹角为8°。4个二级反应支管呈向外扩散型分布，保证二级反应支管组3的出水方向各不相同，向外辐射型。

此外，上述实施例中的一级反应支管所在平面与二级反应支管所在平面可以是同一平面，也可以是相互交叉的两个平面，当分布在交叉的两个平面时，两平面之间的夹角不超过90°。

以图5和6所示为例说明，第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2所在平面与第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2所在的平面为同一平面。第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4所在平面与第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2所在平面交叉，且所在两平面的夹角为30°，即二级反应支管在反应主管1的中心轴两侧非对称分布。

进一步以图7、8所示为例说明，第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2所在平面、第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4所在平面均与第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2所在的平面交叉，且所在两平面的夹角为45°，即二级反应支管在反应主管1的中心轴两侧对称分布。

如图9所示，本实施例n＝3，即上述实施例的二级反应支管的出口端还可通过转接头增设三级反应支管组4，即在第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2的出口端分别连接2个相同的三级反应支管4-1，4-2，在第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4的出口端也分别连接2个相同的三级反应支4-3，4-4。三级反应支管组4所在平面与二级反应支管3所在平面交叉，三级反应支管组4所在平面与一级反应支管2所在平面是在同一平面。

实施例2

本实施例中在反应主管1内安装有主穿孔板107，在反应主管1的出口端安装有主挡板5，反应主管1通过开设在主挡板5上的2个安装孔连接有2个一级反应支管，即一级反应支管组2包括第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2，第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2均为内设一级穿孔板108的直管式结构，参见图10，第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的中心轴与反应主管1中心轴之间形成9°的夹角，且第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2可以是关于反应主管1的中心轴对称分布。第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的直径均为13.3mm，管长为60mm，即在第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的内腔距离出口端40～50mm的位置安装了一级穿孔板108，一级穿孔板108的孔径为1mm，孔隙率为6％，也可以在5～8％范围内调整。在第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的出口端内壁上安装有一级挡板6，使水流经过第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的一级穿孔板108发生空化反应，产生大量的微气泡，随着液体流动，微气泡运动至一级挡板6发生碰撞，使微气泡崩溃。第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2也可以呈非对称分布，即第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的中心轴与反应主管1的中心轴之间的夹角可以不同，在5～10°的范围内调整。

在上述的第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2的出口端一级挡板6外侧分别连接有二级反应支管组3，二级反应支管组3包括第一个二级反应支管3-1、第二个二级反应支管3-2、第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4。为了安装方便，在一级挡板6上开设有四个支管安装孔，即在第一个一级反应支管2-1的出口端通过安装在支管安装孔上的三通转接头连接有第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2，在第二个一级反应支管2-2的出口端通过安装在支管安装孔上的三通转接头连接有第三个二级反应支管3-3和第四个二级反应支管3-4。第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2所在平面与第一个一级反应支管2-1和第二个一级反应支管2-2所在的平面为同一平面。第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2均为内设二级穿孔板109的直管式结构，且第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2可以是关于第一个一级反应支管2-1的中心轴对称分布。第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2的直径均为4.15mm，管长均为60mm，在第一个二级反应支管3-1和第二个二级反应支管3-2的内腔距离出口端40～50mm的位置安装二级穿孔板109，二级穿孔板109的孔径为1mm，孔隙率为7％。

参见图11，本发明的结构还可以是在上述反应主管1的出口端面上并列连接有3个一级反应支管组2，即分别为第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2以及第三一级反应支管2-3，第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2以及第三一级反应支管2-3在反应主管1的出口端面上均匀且向外辐射呈扩散型分布，且第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2以及第三一级反应支管2-3的中心轴与反应主管1的中心轴之间的夹角为10°。在第一个一级反应支管2-1、第二个一级反应支管2-2以及第三一级反应支管2-3的出口端面上均分别连接有2个二级反应支管组3，每个二级反应支管组3包括2个二级反应支管，每个二级反应支管中心轴与对应的一级反应支管中心轴之间的夹角为8°，二级反应支管出水端向外辐射呈扩散型分布，保证二级反应支管组3的出水方向各不相同。

此外，上述实施例中的一级反应支管所在平面与二级反应支管所在平面可以是同一平面，也可以是相互交叉的两个平面，当分布在交叉的两个平面时，两平面之间的夹角不超过90°。

上述实施例中所提及的主挡板5和一级挡板6可以直接嵌装在反应主管1和一级支管组2的出口端，也可以通过螺纹方式固定，或者还可以在其边缘通过连接杆与对应各管道内腔固定，挡板在管道中一方面能够使气泡碰撞崩溃，提高空化效果，另一方面挡板阻流，补偿流体在管道运行过程中的压力损耗，此外对管道之间的连接也要起到承接作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，对于上述实施例中的每一级反应支管的个数以及偏转角度可以依据管道截面直径以及水流量大小而确定，可以在上述实施例的范围内任意组合。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。