水力空化诱导高级氧化降解偏二甲肼废水的一体化系统

本发明涉及一种用于降解处理偏二甲肼废水的方法，属于废水处理技术领域。

背景技术：

偏二甲肼是一种重要的肼类推进剂，具有高稳定性、高燃烧热值和高比冲的特点，是一种性能优良的含能材料，也用于制造植物生长调节剂、感光化学品、用作燃料添加剂的稳定剂和用作酸性气体的吸收剂等。但是偏二甲肼毒性较高，具有致畸、致癌、致突变性，可对人体的中枢神经系统、肝脏、肾脏等造成不同程度的伤害，且在偏二甲肼的运输、贮存、转注等过程中会产生大量的废水，严重污染生态环境，危害人们健康，尤其是近些年航天发射活动不断增多，其所引发的污染已成为人们日益关注的问题。偏二甲肼废水必须经过处理后才可排放，否则会对环境和相关工作人员造成极大危害。

目前偏二甲肼废水处理方式主要有吸附法、氧化法、生物降解以及联合处理工艺。物理吸附法、催化氧化法和自然降解法等方法存在处理不彻底、中间产物多等缺点。光催化氧化法存在工艺过程复杂、能耗高等缺点。芬顿氧化法和臭氧氧化法属于高级氧化处理方法，可氧化分解许多难降解的有机物，但是在处理偏二甲肼废水时，单独的臭氧氧化处理会在氧化初期产生大量的重氮化合物，反应体系复杂，且有很多难降解的中间产物。利用紫外线与臭氧的协同作用处理偏二甲肼废水，处理速度可提高百倍以上，但是仍然存在少量中间产物难以降解。单纯的臭氧氧化法或臭氧-紫外联合氧化法已经不能满足偏二甲肼废水处理的实际需求。

水力空化是高级氧化过程的一种形式，由于操作简便且可用于原位生成一种强氧化剂羟基自由基，因此在废水处理应用中显示出巨大的前景。由于单一方式处理难免存在缺陷，目前联合处理工艺备受重视。因此，需要深入研究将水力空化与其他高级氧化过程结合使用的工艺，使其产生预期的协同效应，寻求安全高效的偏二甲肼废水处理方法。

技术实现要素：

针对现有的偏二甲肼废水降解技术中存在的问题与不足，本发明提出一种处理效率高、效果好的水力空化诱导高级氧化降解偏二甲肼废水的一体化系统。

本发明的水力空化诱导高级氧化降解偏二甲肼废水的一体化系统，采用如下技术方案：

该系统，包括储水箱、水泵和水力空化反应器，储水箱底部与水泵的进液口连接，水泵的出液口一方面通过旁通管路连接储水箱上部，另一方面通过主管路连接水力空化反应器的入口，水力空化反应器的出口连接储水箱上部，水力空化反应器内设置有催化剂室。

所述储水箱底部与水泵进液口的连接管路上设置有流量控制阀v1。

所述旁通管路上设置有流量控制阀v2。

所述水力空化反应器的入口一端和出口一端分别设置流量控制阀v3和流量控制阀v4。

所述水力空化反应器的出口与储水箱的连接管路上设置流量计。

所述水泵的出液口处、水力空化反应器的入口和出口处均设置有压力传感器。

所述储水箱上设置有温度调节控制装置，用来控制和调节储水箱内温度为25±1℃。温度调节控制装置采用现有技术的加热或制冷系统。

所述水力空化反应器，包括定子、转轴和催化剂室，定子为密闭腔体，两端分别设置有废水入口和出水口，定子的内壁上分布有空化孔洞，空化孔洞为盲孔，定子中安装有转轴，转轴上安装有催化剂室。所述空化孔洞的直径与深度比例为2:5，所述空化孔洞的直径为20mm，深度为50mm。所述催化剂室的外侧边缘距离空化孔洞的外端间距为4-8mm。所述废水入口的废水流量为1.5-4.5m³/h。

所述催化剂室为两端敞口的筒体，筒体内分布有铁质叶片。所述铁质叶片上分布有通孔，通孔的内径为1-3mm。

上述系统以闭环再循环模式运行，水泵提供压力，将含有偏二甲肼的废水注入储水箱中，启动水泵，利用压力将废水压入主管路上的水力空化反应器中发生空化，产生空化泡，利用空化泡从产生到溃灭过程中释放的能量达到对偏二甲肼废水进行降解的目的。

空化是指当液体压力降至液体饱和蒸气压甚至以下时，由于液体的剧烈汽化而产生大量空化泡，空化泡随液体流动膨胀，当液体压力恢复时，空化泡瞬间溃灭形成微射流和冲击波，产生瞬间局部高温和瞬间高压。将释放的能量加以利用，可以实现对液体原料进行灭菌消毒的效果。

本发明将催化剂室设置在水力空化反应器中，使其成为一体化系统，利用水力空化诱导的高级氧化法降解偏二甲肼废水，联合处理工艺产生协同效应，对降解效率有很大的提升。

本发明具有以下特点：

1.采用水力空化技术诱导高级氧化法来降解偏二甲肼废水，两种方法结合使用产生协同效应，具有高效性。

2.催化剂室设置在水力空化反应器中，一体化设备简化了整个偏二甲肼废水降解的工艺流程。

3.催化剂室的叶片上分布有通孔，可提高降解效率。

4.为闭环运行，废水可循环进行多次降解最终达到排放标准。

5.采用水泵输出压力，输出量可由阀门任意调节，且排液均匀无脉冲现象。

6.设有旁通管道，可以控制主管道中的液体流量。

7.采用铁金属叶片作为多相催化剂，可以增强羟基自由基的产生，促进氧化分解过程。

8.本发明结构简单，适应性强，安全可靠，且易于实现工业化。

9.不局限于偏二甲肼废水处理，对于其他类型的废水处理预计也拥有良好的处理效果。

附图说明

图1是本发明一体化系统的结构原理示意图。

图2是本发明中的水力空化反应器的结构示意图。

图3是本发明中的催化剂室布置示意图。

图中：1.储水箱，2.温度调节控制装置，3.离心泵，4.空化反应器，5.流量计，6.数据采集器；v1、v2、v3、v4：流量控制阀，p1、p3、p3：压力传感器；t1：温度计；

7.废水入口，8.转轴，9.定子端盖，10.空化孔洞(盲孔)，11.定子，12.催化剂室，13.出水口；

14.铁质叶片，15.通孔。

具体实施方式

本发明的水力空化诱导高级氧化降解偏二甲肼废水的一体化系统，如图1所示，包括储水箱1、温度调节控制装置2、离心泵3和水力空化反应器4。储水箱1的底部与离心泵3的进液口连接，连接管路上设置有流量控制阀v1。离心泵3的出液口一方面通过旁通管路连接储水箱1上部，另一方面通过主管路连接水力空化反应器4的入口(参见图2中的废水进口7)，水力空化反应器4的出口(参见图2中的出水口14)连接储水箱1上部。旁通管路上设置有流量控制阀v2，水力空化反应器4的入口一端和出口一端分别设置流量控制阀v3和流量控制阀v4，水力空化反应器4的出口与储水箱1的连接管路上设置涡流流量计5。离心泵3的出液口处设置有压电式压力传感器p1，水力空化反应器4的入口和出口两端分别设置有压电式压力传感器p2和p3。储水箱1的外围设置有温度调节控制装置2，温度调节控制装置2采用现有技术的制冷系统，储水箱1的外侧设置温度计t1，控制温度不要过高，保持在25±1℃。流量计5、温度计t1和各个压力传感器均与数据采集器6连接。水力空化反应器4内设置有催化剂室12。

上述装置以闭环再循环模式运行，离心泵3为装置提供压力，水力空化反应器4用于发生空化反应，旁通管路和控制阀v1用来控制主管路的液体流量，控制阀v2保持打开状态，直到离心泵3达到其最大转速，然后将控制阀v2完全或部分关闭，以在水力空化反应器4的入口达到所需的压力。主管路和旁通管路的末端均插入储水箱1的内部液体位置以下，以防止由于液体射流的骤降而将气体(空气)引入液体中。各压力传感器分别用来测量离心泵3的出口压力、水力空化反应器4的入口压力和水力空化反应器4的出口压力。储水箱1的容量为200l，所使用的管道的内径为38mm，外径为40mm。

水力空化反应器4的结构如图2所示，包括定子11、转轴8和催化剂室12，定子11为两端带有端盖9的密闭的空心腔室，两端带有端盖9，端盖9上分别设置有废水入口7和出水口13，定子11的内壁上分布有空化孔洞4，空化孔洞4为盲孔。空化孔洞的直径与深度比例为2:5，最佳直径为20mm，深度为50mm。定子11中安装有转轴8，转轴8上设置有催化剂室6，催化剂室6的外侧边缘距离空化孔洞4的外端间距为4-8mm。

图3给出了催化剂室12的内部结构，催化剂室中呈两端开口的筒体，筒体内分布有径向的铁质叶片14，铁质叶片14设置有16个，长度与筒体长度一致，宽为15mm，厚度为1mm。铁质叶片上分布有通孔15，通孔15的内径为1-3mm，通孔在叶片上呈3排10列分布，有利于产生空化效应，进一步对废水进行降解。

上述系统降解偏二甲肼废水的过程如下所述。

首先，进行了一些实验以研究水力空化反应器降解偏二甲肼的效果。将150l新鲜的去离子水装满储水箱，并通过适量的稀盐酸溶液将ph调节至3。打开离心泵3，采集第一份样品，适当稀释采集的样品后，分析水力空化反应器4内生成的铁含量，得出总溶解铁的量一直在增加后使用150l含偏二甲肼的溶液进行实验，其中偏二甲肼的含量为5ml/l。选择ph为3，循环时间为120分钟，空化反应器入口压力(p2)为5.5bar，出口压力(p3)为1bar作为研究降解效果的适当条件。根据实验得出，在此条件下，氧化速率相对较高，对偏二甲肼的降解效率也较高。

然后，将含有偏二甲肼的废水注入储水箱1中，打开离心泵3，利用压力将废水压入主管路上的水力空化反应器4中，进入水力空化反应器4的废水流量为1.5-4.5m³/h。废水在水力空化反应器4中发生空化反应，产生空化泡，利用空化泡从产生到溃灭过程中释放的能量达到对偏二甲肼废水进行降解的目的，催化剂室12中使用铁质叶片14作为多相催化剂，增强羟基自由基的产生，从废水中去除偏二甲肼。偏二甲肼废水在闭环循环模式下进行多次降解最终使废水达到可以排放的标准进行排放。