一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的制作方法

本发明属于高级氧化与水环境保护技术领域，涉及一种水环境污染防治强氧化处理装置，尤其涉及一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置。

背景技术

水环境污染是当今全球生态环境和人类社会所面临的最严峻问题之一，常规的水环境污染防治方法占地面积大，工艺流程长，难以满足远洋船舶压载水及高藻饮用水原水处理等需要高效快速处理的技术需求。

高级氧化水环境污染防治技术是近年来发展起来的一种新型水处理技术，在有机污染物降解和有害微生物杀灭方面具有非常明显的技术优势。高级氧化技术的核心是羟自由基(·oh)的制备，可通过多种方法实现，如臭氧化法、光催化法、电化学氧化法以及fenton法等。其中，臭氧化法工艺简单，但受水质状况影响大，选择性强，应用效果不稳定；光催化法受水体浊度色度影响大，产生羟自由基浓度低、效率低，能耗大，设备维护困难，规模化应用困难；电化学氧化法能够直接在水中产生羟自由基，然而羟自由基主要生成在电极表面，无法和待处理水充分接触，难以实现规模化应用；fenton法利用fe⁺²催化h2o2产生羟自由基，羟自由基产生量小，原料消耗量大，反应速度慢，无法在高效快速水处理场合应用。

活性氧包括和o3等，可利用强电场放电等方法产生，活性氧与水反应会生成羟自由基。相同条件下，活性氧浓度越高，产生羟自由基浓度越高，产量越大。但活性氧与水反应生成羟自由基的过程和效果受气水混溶工艺条件的影响非常大，活性氧浓度越高，外部施加压力越大，生成羟自由基的浓度越高，应用效果越好。

空化是液体在低于饱和蒸汽压力时突然产生空化泡的现象，空化泡的寿命极短，在微秒量级内即完成形成、增长并骤然溃灭的过程。空化泡在溃灭过程中会释放巨大能量，进而在溃灭位置产生局部瞬态的高压(100～5000bar)和高温(1000～10,000k)，空化泡溃灭时间为0.1μs～30μs。

利用水产生空化泡的过程称为水力空化，水力空化引发的局部瞬态高压和高温可给高级氧化水处理带来很多益处：一方面，局部瞬态高压和高温改善了高级氧化反应微环境，促进了高浓度活性氧与水反应的过程，更有利于羟自由基的产生；另一方面，骤然剧烈变化的微环境同样会促使水直接产生大量的活性自由基团，包括羟自由基；同时，空化产生的旋涡、超声振荡等同样可促进高级氧化反应过程的强化。因此，将高浓度活性氧与水力空化相结合能有效解决高级氧化技术及其水处理规模化应用的难题。

技术实现要素：

本发明针对现有高级氧化水处理方法及装置存在的问题，基于高浓度活性氧与水力空化的技术优势，提供一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置，本发明将高浓度活性氧与水力空化技术相结合，解决了高级氧化技术中羟自由基高浓度规模化产生的难题，进而可满足高藻饮用水、船舶压载水、有机废水等多种水处理技术应用的需求。本发明结构简单，不受安装环境影响，能够根据处理需求逐步升级应用规模，为我国水环境污染治理领域提供了一种新的高级氧化技术装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置，包括水力空化气液混溶反应组件1和水力空化液液混流高级氧化组件2；水力空化气液混溶反应组件1用于将高浓度活性氧与水充分混溶，引发高级氧化反应，制备富含·oh的高浓度活性氧溶液；水力空化液液混流高级氧化组件2用于将水力空化气液混溶反应组件1输出的活性氧溶液与待处理水充分混流并形成水力空化效应，强化高级氧化水处理反应过程，以此杀灭水中的细菌、藻类，降解有机物。

所述的水力空化气液混溶反应组件1包括反应单元5、分流管路6、汇流管路7、注气分流管路8和压力缓冲调节器9。所述的水力空化气液混溶反应组件1采用并联结构，由多个反应单元5并联组成，水力空化气液混溶反应组件1的气态活性氧注入量为单支反应单元5气态活性氧注入量乘以并联组数。高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的入水口b11与水力空化气液混溶反应组件1的入水口a10连通，并通过分流管路6分流输入各个反应单元5；水力空化气液混溶反应组件1所需的高浓度活性氧由水力空化气液混溶反应组件的活性氧输入口12输入，并通过注气分流管路8输入反应单元5；所述的反应单元5反应后的活性氧溶液由汇流管路7流经压力缓冲调节器9至活性氧溶液输出口3，再通过活性氧溶液注入口4输入水力空化液液混流高级氧化组件2。反应单元5的个数根据实际情况确定，高级氧化处理单元(13)的个数根据实际情况确定，且为反应单元(5)个数的一至两倍。

所述的压力缓冲调节器9用于调节水力空化气液混溶反应组件1的活性氧溶液输出口3的压力，其工作压力范围控制在50～95kpa之间。

所述的反应单元5为渐进式管路收缩结构，管路出入口直径大于收缩区直径，管路出入口处设有导流锥形管，收缩区管路设有注气口和环形狭缝。所述的反应单元5入出口压力差值控制在100kpa～400kpa之间，每个单元的水流量控制在7m³/h～13m³/h，通过采用可控的并联结构，水力空化气液混溶反应组件1制备活性氧溶液能力可在7m³/h～65m³/h范围内调控，依据需要其水中tro浓度可在3～10g/m³范围内调节。

所述的水力空化气液混溶反应组件1气态活性氧注入量应根据水力空化气液混溶反应单元5入出口压力差和水流量计算，为了保证水力空化效果，不同水流量下的入出口压力差最低为100kpa，最大值则由不同水流量限定，但所有情况下入出口压力差最大值不超过400kpa。

所述的水力空化气液混溶反应组件1工作时，要求各并联的反应单元5的水流量均衡，管路入口压力一致，管路出口压力一致，各注气口注入高浓度活性氧气体的流量相同，注气口压力均衡，注气口工作压力范围控制在50～95kpa之间；各并联的反应单元5的水流量和活性氧气体注入流量误差控制在5％以内。实际工作时，气态活性氧注入量要小于水力空化气液混溶反应单元5最大气态活性氧注入量，以保证水力空化气液混溶反应单元5气态活性氧注入口工作压力控制在50～95kpa之间。

所述的水力空化液液混流高级氧化组件2包括高级氧化处理单元13，高级氧化处理单元的入水口控制阀14、入水口压力检测仪15、出水口控制阀16、出水口压力检测仪17，分流管路18，汇流管路19，注入分流管路20。所述的水力空化液液混流高级氧化组件2采用并联结构，由多个高级氧化处理单元13组成，水力空化液液混流高级氧化组件2活性氧溶液注入量为高级氧化处理单元13活性氧溶液注入量乘以并联组数。所述的待处理水由高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的入水口b11输入，经分流管路18分流后进入各个高级氧化处理单元13，各个高级氧化处理单元13的管路出入口22、21压力由出入水口压力检测仪17、15监测；水力空化液液混流高级氧化组件2所需的高浓度活性氧溶液由高级氧化处理单元13的活性氧溶液注入口4输入，经注入分流管路20分流后注入各高级氧化处理单元13的注液口，待处理水和活性氧溶液在各高级氧化处理单元13发生高级氧化反应，输出的处理水经水力空化液液混流高级氧化组件的汇流管路19汇流后由高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的出水口28输出。高级氧化处理单元13的个数根据实际情况确定。

所述的高级氧化处理单元13采用渐进式管路收缩结构，管路入口21和管路出口22直径相同且均大于收缩区23直径；管路出入口处设有导流锥形管25、24，出口导流锥形管25前部中心处设置有水翼27，主要用于占位出口导流锥形管25非空化区，强化水力空化效果；导流锥形管25、24之间设有收缩区23，收缩区23管路设置有两个注液口30，注液口30与环形狭缝26相连接。所述的高级氧化处理单元13入出口压力差值控制在100kpa～300kpa，每个单元的水流量控制在30m³/h～55m³/h，通过采用可控并联结构，水力空化液液混流高级氧化处理器处理压载水能力可在300m³/h～550m³/h范围内调控。

所述的水力空化液液混流高级氧化组件2活性氧溶液注入量根据水力空化液液混流高级氧化处理单元13入出口压力差和水流量计算，为了保证水力空化效果，不同水流量下的入出口压力差最低为100kpa，最大值则由不同水流量限定，但所有情况下入出口压力差最大值不超过300kpa。

所述的水力空化液液混流高级氧化组件2工作时，要求各并联的高级氧化处理单元13的水流量均衡，管路入口压力一致，管路出口压力一致，各注液口注入活性氧溶液的流量相同，注液口压力均衡。水力空化液液混流高级氧化组件活性氧溶液注入口工作压力范围控制在50～95kpa之间；各并联的高级氧化处理单元13的水流量均衡性由入水口控制阀14和出水口控制阀15调节，其误差控制在5％以内；所述的活性氧溶液注入流量均衡性也由安装在注入管路上的控制阀调节，误差控制在5％以内。实际工作时，活性氧溶液注入量要小于水力空化液液混流高级氧化处理单元13最大活性氧溶液注入量，以保证水力空化液液混流高级氧化处理单元13活性氧溶液注入口工作压力控制在50～95kpa之间。

所述的水力空化气液混溶反应组件1的活性氧溶液输出口3通过管路连接至水力空化液液混流高级氧化组件2的活性氧溶液注入口4，水力空化气液混溶反应组件1与水力空化液液混流高级氧化组件2之间的连接管路采用不锈钢或pvc材质管路、管件和阀体连接。所述的入水口b处的水体流动由离心泵驱动，要求离心泵泵体材质为316l不锈钢，最大输水流量550m³/h，扬程不低于48m。

所述的水力空化气液混溶反应组件1和水力空化液液混流高级氧化组件2主体结构均采用pvc材质管路、管件和阀体，也可由使用不锈钢材质管路、管件和阀体替换。

所述的一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置，在水力空化气液混溶反应单元5和水力空化液液混流高级氧化处理单元13内，水力空化过程中会产生数量庞大的空化泡，这些空化泡并不是均匀地分布在水中，而是沿导流锥形管前部壁面分布，轴心处空化泡很少，空化具有明显的趋壁效应，空化区空化泡体积分数越大，空化泡数量越多，这些空化泡在空化过程中会在微秒量级时间内不断地形成、增长并骤然溃灭，引发空化泡局部形成瞬态高压和高温，以此强化空化泡区域的化学反应环境。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明将高浓度活性氧与水力空化技术相结合，发明一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置，该装置借助水力空化强化高级氧化反应的技术优势，实现了针对不同水环境污染的高效处理；同传统的水处理技术相比，该装置提高了处理效果，缩短了工艺流程，减小了水处理装置体积，节省了占用空间，不受安装环境影响；可实现针对高藻饮用水、船舶压载水、有机废水等不同水环境污染的高效处理，为水环境污染治理提供了新的高级氧化技术装置，填补我国在水环境污染防治领域缺乏规模有效高级氧化水处理技术和装置的空白。

附图说明

图1是高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置组成原理示意图。

图2是水力空化液液混流高级氧化处理单元结构原理示意图。

图3(a)是水力空化气液混溶反应组件结构图；

图3(b)是水力空化液液混流高级氧化组件结构图。

图4(a)是水力空化气液混溶反应组件气态活性氧注入量计算图；

图4(b)是水力空化液液混流高级氧化组件活性氧溶液注入量计算图。

图中：1水力空化气液混溶反应组件；2水力空化液液混流高级氧化组件；3活性氧溶液输出口；4活性氧溶液注入口；5反应单元；6分流管路；7汇流管路；8注气分流管路；9压力缓冲调节器；10入水口a；11入水口b；12活性氧输入口；13高级氧化处理单元；14入水口控制阀；15入水口压力检测仪；16出水口控制阀；17出水口压力检测仪；18分流管路；19汇流管路；20注入分流管路；21管路入口；22管路出口；23收缩区；24入口导流锥形管；25出口导流锥形管；26环形狭缝；27水翼；28出水口；29活性氧输出口；30注液口。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明所述的一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置如附图1所示，包括水力空化气液混溶反应组件1和水力空化液液混流高级氧化组件2两部分，水力空化气液混溶反应组件1的活性氧溶液输出口3通过管路连接至水力空化液液混流高级氧化组件2的活性氧溶液注入口4，水力空化气液混溶反应组件1与水力空化液液混流高级氧化组件2之间的连接管路采用不锈钢管路连接。所述的一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置水体流动由离心泵驱动，要求离心泵泵体材质为316l不锈钢，最大输水流量550m³/h，扬程不低于48m。

所述的水力空化气液混溶反应组件1包括：反应单元5、分流管路6、水力空化气液混溶反应组件汇流管路7、注气管路8和压力缓冲调节器9；水力空化气液混溶反应组件1用于将高浓度活性氧与水充分混溶，引发高级氧化反应，制备富含·oh的高浓度活性氧溶液；水力空化气液混溶反应组件1采用并联结构，由5个反应单元5组成，反应单元5采用渐进式管路收缩结构，管路入、出口直径为34mm，收缩区直径为13mm，入口导流锥形管长度为25mm，出口导流锥形管长度100mm，收缩区管路设置有注气口和环形狭缝，注气口和环形狭缝相连接，注气口直径为5mm，环形狭缝宽度为2.5mm，环形狭缝深度为2mm，水力空化气液混溶反应单元5入出口压力差值控制在100kpa～400kpa，每个单元的水流量控制在7m³/h～13m³/h，通过采用可控的并联结构，水力空化气液混溶反应器制备活性氧溶液能力可在7m³/h～65m³/h范围内调控，依据需要其水中tro浓度可在3～10g/m³范围内调节；水力空化气液混溶反应组件1工作时，要求各并联的水力空化气液混溶反应单元5的水流量均衡，管路入口压力一致，管路出口压力一致，各注气口注入高浓度活性氧气体的流量相同，注气口压力均衡，注气口工作压力范围控制在50～95kpa之间；各并联的反应单元5的水流量和活性氧气体注入流量误差控制在5％以内；水力空化气液混溶反应组件1的入水口a10接入高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的入水口b11，由入水口b11分流输入。在待处理水污染物浓度较高时，水力空化气液混溶反应组件1的入水口10也可以直接输入清水管路，以提高制备活性氧溶液的浓度；水力空化气液混溶反应组件1所需的高浓度活性氧由活性氧输入口12输入；水力空化气液混溶反应组件1的压力缓冲调节器9用于调节水力空化气液混溶反应组件活性氧溶液输出口3的压力，其工作压力范围控制在50～95kpa之间。

所述的水力空化液液混流高级氧化组件2包括：高级氧化处理单元13、入水口控制阀14、水口压力检测仪15、出水口控制阀16、出水口压力检测仪17、分流管路18、汇流管路19、活性氧溶液注入分流管路20；水力空化液液混流高级氧化组件2用于将水力空化气液混溶反应组件1输出的活性氧溶液与待处理水充分混流并形成水力空化效应，强化高级氧化水处理反应过程，以此杀灭水中的细菌、藻类，降解有机物；水力空化液液混流高级氧化组件2采用并联结构，由10个水力空化液液混流高级氧化处理单元13组成，图2给出的是水力空化液液混流高级氧化处理单元13结构示意图，该单元采用渐进式管路收缩结构，水力空化液液混流高级氧化处理单元管路入口21、管路出口22的直径为74mm，收缩区23直径为30mm，入口导流锥形管24长度为65mm，出口导流锥形管25长度275mm，收缩区23管路设置有2个注液口，注液口直径40mm，注液口和环形狭缝26相连接，环形狭缝宽度为5mm，深度为2.5mm，水力空化液液混流高级氧化处理单元出口导流锥形管25前部中心处设置有水翼27，水翼27总长50mm，后翼长38mm，径向最大直径10mm，主要用于占位出口导流锥形管25非空化区，强化水力空化效果；高级氧化处理单元13入出口压力差值控制在100kpa～300kpa，每个单元的水流量控制在30m³/h～55m³/h，通过采用可控并联结构，水力空化液液混流高级氧化处理器处理压载水能力可在300m³/h～550m³/h范围内调控。水力空化液液混流高级氧化组件2工作时，要求各并联的高级氧化处理单元13的水流量均衡，管路入口压力一致，管路出口压力一致，各注液口注入活性氧溶液的流量相同，注液口压力均衡，水力空化液液混流高级氧化组件活性氧溶液注入口工作压力范围控制在50～95kpa之间；各并联的高级氧化处理单元13的水流量均衡性由入水口控制阀14和出水口控制阀15调节，其误差控制在5％以内，活性氧溶液注入流量均衡性也由安装在注入管路上的控制阀调节，误差控制在5％以内；各水力空化液液混流高级氧化处理单元管路入口压力由入水口压力检测仪15监测，管路出口压力由出水口压力检测仪17监测，待处理水由高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置入水口11输入，经分流管路18分流后进入各高级氧化处理单元13，水力空化液液混流高级氧化组件2所需的高浓度活性氧溶液由活性氧溶液注入口4输入，经分流管路20分流后注入各高级氧化处理单元13的注液口，待处理水和活性氧溶液在各高级氧化处理单元13发生高级氧化反应，输出的处理水经汇流管路19汇流后由高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的出水口28输出。

在水力空化气液混溶反应单元和水力空化液液混流高级氧化处理单元内，水力空化过程中会产生数量庞大的空化泡，这些空化泡并不是均匀地分布在水中，而是沿导流锥形管前部壁面分布，轴心处空化泡很少，空化趋壁效应明显，这也是本发明所述的水力空化气液混溶反应组件1和水力空化液液混流高级氧化组件2的典型空化特征，空化区空化泡体积分数越大，空化泡数量越多，这些空化泡在空化过程中会在微秒量级时间内不断地形成、增长并骤然溃灭，因此诱发空化泡局部形成高压和高温，对于球形空化泡，它在水中溃灭时产生的最大压强pmax为：

式中，pgo为空化泡内初始气体压强，k为空化泡内气体的比热。

如取k＝4/3，对应于发生最大压强pmax时的最高温度tmax为：

式中，t为水体环境温度。

在p＝1.01×10⁵pa，pgo＝1.01×10³pa，t＝300k，空化泡溃灭引发最大局部压强pmax可达1.25×10⁹pa，最高温度tmax可高达3000k以上。显然，在如此高的瞬态局域高温和高压的作用下，空化泡区域的化学反应环境得到强化。

图3(a)是水力空化气液混溶反应组件结构图，该组件采用并联结构，由5个水力空化气液混溶反应单元5组成，各单元均采用相同标准pvc管件连接，易组装和调整，构成单组、双组并联、三组并联、四组并联和五组并联结构模式，以实现水力空化气液混溶反应组件制备活性氧溶液能力在7m³/h～65m³/h范围内调控；水力空化气液混溶反应组件1的入水口a10接入高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的入水口b11，由入水口b11分流输入；水力空化气液混溶反应组件1所需的高浓度活性氧由水力空化气液混溶反应组件的活性氧输入口12输入，活性氧输入口12的工作压力范围控制在50～95kpa之间；水力空化气液混溶反应组件1的活性氧输出口29接压力缓冲调节器9后输出活性氧溶液。

图3(b)是水力空化液液混流高级氧化组件结构图，该组件采用并联结构，由10个高级氧化处理单元13组成，各单元均采用相同标准pvc管件、阀体连接，易于组装和调整，设定该组件每个单元的水流量控制在30m³/h～55m³/h，其水流量均衡性由入水口控制阀14和出水口控制阀16调节，总的水流量控制在300m³/h～550m³/h；待处理水由高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置的入水口b11输入，经分流管路18分流后进入高级氧化处理单元13，水力空化液液混流高级氧化组件2所需的高浓度活性氧溶液由活性氧溶液注入口4输入，经活性氧溶液注入分流管路20分流后注入各高级氧化处理单元13的注液口，活性氧溶液注入口4的工作压力范围控制在50～95kpa之间；输出的处理水经水力空化液液混流高级氧化组件汇流管路19汇流后由高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置出水口28输出。

水力空化气液混溶反应组件1和水力空化液液混流高级氧化组件2主体结构均采用pvc材质管路、管件和阀体，也可由使用不锈钢材质管路、管件和阀体替换。

图4(a)是水力空化气液混溶反应组件气态活性氧注入量计算图，其中，横轴给出的是水力空化气液混溶反应单元入出口压力差，纵轴给出的是单支水力空化气液混溶反应单元注气口最大气态活性氧注入量；由于水力空化气液混溶反应单元最大气态活性氧注入量与入出口压力差和水流量密切相关，为了保证水力空化效果，不同水流量下的入出口压力差最低为100kpa，最大值则由图中给出的不同水流量下的相关曲线限定，但所有情况下入出口压力差最大值不超过400kpa；工作时实际气态活性氧注入量要小于水力空化气液混溶反应单元最大气态活性氧注入量，以保证水力空化气液混溶反应单元气态活性氧注入口工作压力控制在50～95kpa之间；水力空化气液混溶反应组件气态活性氧注入量为单支水力空化气液混溶反应单元气态活性氧注入量乘以并联组数。

图4(b)是水力空化液液混流高级氧化组件活性氧溶液注入量估算图，其中，横轴给出的是水力空化液液混流高级氧化处理单元入出口压力差，纵轴给出的是单支水力空化液液混流高级氧化处理单元最大活性氧溶液注入量；由于水力空化液液混流高级氧化处理单元最大活性氧溶液注入量与入出口压力差和水流量密切相关，为了保证水力空化效果，不同水流量下的入出口压力差最低为100kpa，最大值则由图中给出的不同水流量下的相关曲线限定，但所有情况下入出口压力差最大值不超过300kpa；工作时实际的活性氧溶液注入量要小于水力空化液液混流高级氧化处理单元最大活性氧溶液注入量，以保证水力空化液液混流高级氧化处理单元活性氧溶液注入口工作压力控制在50～95kpa之间；水力空化液液混流高级氧化组件活性氧溶液注入量为水力空化液液混流高级氧化处理单元活性氧溶液注入量乘以并联组数。

本发明基于水环境污染治理对高级氧化技术的需求，充分考虑水力空化强化高级氧化反应的技术优势，将高浓度活性氧与水力空化技术相结合，发明一种高流量活性氧协同水力空化高级氧化装置，利用该装置可实现针对不同水质(如高藻、藻毒素、致嗅物质、色素、抗生素及有机污染物等)污染水的高效处理，提高处理效果，缩短工艺流程，减小水处理装置体积，节省占用空间，为水环境污染治理提供新的高级氧化技术装置，填补我国在水环境污染防治领域缺乏规模有效高级氧化水处理技术和装置的空白。