專利名稱：高壓脈沖放電等離子體水處理裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種污水處理設備，具體涉及一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置。本發明還涉及一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法。
背景技術：
現有的利用放電等離子體對污水進行處理或對飲用水進行消毒殺菌處理的方法和技術中，大多數是采用先在氣體中放電產生等離子體，然后將含有臭氧等的氣體充入水中的方法。由于放電氣體中大部分活性粒子的壽命很短，其氧化作用無法得到充分利用；另外，這些方法中，放電電壓不是加在水上，高電壓對水中雜質的活化、極化和中性化作用并不產生很大影響，從而導致了這些方法水處理效率低下。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，它可以有效去除水中的高濃度有機物。為解決上述技術問題，本發明高壓脈沖放電等離子體水處理裝置的技術解決方案為包括高頻高壓電源、反應器、高壓電極、放電介質、地電極；高頻高壓電源連接高壓電極；高壓電極固定設置于反應器內，放電介質設置于反應器的底部；放電介質的底部設置地電極，地電極接地。所述高壓電極包括玻璃容器、高壓線、高電導率的溶液，高電導率溶液盛裝于玻璃容器中，高壓線的一端固定設置于玻璃容器內，高壓線該端外露的導電部分浸沒于玻璃容器內的溶液液面以下；高壓線的另一端連接所述高頻高壓電源；高壓線與高電導率溶液構成高壓電位。所述玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑。所述反應器內盛裝待處理污水，玻璃容器的底部為平面且置于反應器內的待處理污水液面以下。所述放電介質的面積比反應器的橫截面積大；所述地電極的面積大于放電介質的面積。所述放電介質的厚度為2 8mm。所述反應器設有進出水口，進出水口所在的管道上分別設有閥門；反應器的進水口連接污水存儲罐下部的出水口 ；所述進水口設置于反應器的下部；出水口設置于反應器的上部。本發明還提供一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法，其技術解決方案為包括如下步驟第一步，使污水存儲罐內的水流入反應器；當反應器內的污水流速穩定、液面保持恒定時，打開高頻高壓電源，高壓迅速在高壓電極與地電極之間建立；
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第二步，當高壓電極的玻璃容器與污水液面之間的氣隙上的高頻電壓達到放電起始電壓時，氣隙中發生介質阻擋放電，在放電期間使氣隙上的電壓保持恒定；高頻電壓電源產生脈沖電壓，對污水負載進行放電，對污水進行處理。所述使反應器內的污水流速穩定、液面保持恒定的方法是使污水存儲罐的液面高于反應器的最高液面，并保持污水存儲罐的液位恒定，使反應器的進水流速保持恒定；同時將出水口設置于反應器的上部，使反應器通過自然溢流的方法，將液位恒定于出水口的最低點附近。本發明可以達到的技術效果是本發明采用介質阻擋放電形式，利用高頻電壓電源產生脈沖電壓，經變壓器諧振產生高壓后，對污水負載進行放電，介質阻擋放電布滿了整個反應器的空間，放電產生的等離子體由于高溫、高壓以及富含大量的離子、OH自由基等粒子，使在等離子體通道內的有機物分子會被高溫完全熱解，并且在自由基的作用下發生高級氧化而化學降解。同時，由于高溫、高壓等離子體通道的產生，在強烈的紫外光及巨大的沖擊波作用下，等離子體通道區域及其外部的溶液中發生幾種物理化學過程，即紫外光光解、液電空化降解、超臨界水氧化降解等過程。在這些過程和反應的協同作用下，有機物被降解，從而達到有效分解處理高濃度有機物廢水的目的。本發明能夠有效地去除水中所含的物理、化學和微生物等污染物，處理成本低廉， 尤其是針對水中高濃度有機物的去除效果明顯。本發明在進行污水處理時，不需要添加化學試劑，處理過程簡單，無廢棄物和二次污染，同時容易實現自動化控制，在提高水處理效率的同時，極大地減少了能耗。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1是本發明高壓脈沖放電等離子體水處理裝置的結構示意圖；圖2是介質阻擋放電負載等效模型的示意圖；圖3是所處理污水的流向圖。圖中附圖標記說明1為高頻高壓電源，2為反應器，3為高壓電極，4為放電介質，5為地電極。
具體實施例方式如圖1所示，本發明高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，包括高頻高壓電源1、反應器2、高壓電極3、放電介質4、地電極5 ；放電介質4設置于反應器2的底部；放電介質4的面積比反應器2的橫截面積略大。放電介質4的厚度為2 8mm。放電介質4為硅橡膠。放電介質4的厚度越大，放電電壓越高。放電介質4的厚度根據不同的污水水質和放電電壓而確定。根據不同性質的污水，確定所需的放電電壓，然后確定放電介質的厚度。例如，針對含苯酚的高濃度有機物廢水，所需放電電壓在8000V左右，根據實驗可以確定介質的厚度在5mm左右。地電極5設置于放電介質4的底部；地電極5的面積略大于放電介質4的面積；地電極5用于承載反應器2，同時地電極5需要保證可靠接地，與大地同電位。地電極5為鐵板。反應器2內盛裝待處理污水，反應器2為圓柱形。反應器2用于污水存儲，同時在反應器2內進行介質阻擋放電反應，使污水在反應器2中被處理。反應器2設有進出水口，進出水口所在的管道上分別設有閥門，通過控制進出水管道上的閥門，可以得到所需的流速和流量。反應過程中利用進水和出水的流速以及流量控制，維持放電過程中的液位恒定。針對不同性質的污水，可采用不同的流速。進水口設置于反應器2的下部，反應器2的進水口連接污水存儲罐下部的出水口， 污水存儲罐的液面高于反應器的最高液面，反應過程中保持污水存儲罐的液面恒定。出水口設置于反應器2的上部，當反應器2內的液位高于出水口的最低點時，反應器2內的污水將通過出水口流出。反應器2設有多個出水口，并使出水管的直徑較大，以保證反應器2的出水流速流量，通過自然溢流的方法，使反應器2的液位恒定在出水口的最低點附近。高壓電極3連接高頻高壓電源1 ；高壓電極3固定設置于反應器2內，以保證安全。高壓電極3包括玻璃容器、高壓線、高電導率的溶液(如NaCl溶液)，高電導率溶液盛裝于玻璃容器中，高壓線的一端固定設置于玻璃容器內，高壓線的另一端連接高頻高壓電源1 ；高壓線外露的導電部分浸沒于玻璃容器內的溶液液面以下；高壓線與高電導率溶液構成高壓電位。玻璃容器呈錐形，玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑；玻璃容器的底部為平面且置于反應器2內的待處理污水液面以下；整個玻璃容器置于反應器2內。由于玻璃容器的底面浸沒于反應器2內的污水液面以下，玻璃容器的底部邊緣與污水液面之間存在氣隙。由于玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑，當被處理污水的液面高于玻璃容器的底部并低于玻璃容器中間位置的最大直徑處，該氣隙總是存在。本發明反應器2下部的進水口與污水存儲罐連通，污水存儲罐內的污水在水的壓力下自動流入反應器2內，由于污水存儲罐的液面恒定，故水壓恒定，因而進水最大流速恒定，通過調節進水管道的閥門，可以控制進水流速。本發明通過保持污水存儲罐的液位恒定，使反應器2的進水流速保持恒定；同時將出水口設置于反應器2的上部，使反應器2通過自然溢流的方法，將液位恒定于出水口的最低點附近。由此，本發明能夠實現反應器2內的液位恒定。本發明的液位控制方法簡單實用，不需要機械、電磁等設備元件，避免了在高壓放電、氣霧場合下某些機械電磁設備的不可靠和失效現象，同時保證了安全可靠的液位控制。如果反應器2內的液位高低發生變化，或者因水的流動而造成的液面波動都會影響反應器的等效阻抗，因此需要保持反應器的等效阻抗相對恒定。本發明實現了反應器2 內的液位恒定，能夠在介質阻擋放電反應過程中，保證放電的持續、穩定。高頻高壓電源1為高頻高壓脈沖等離子體電源，用于產生0 20kV的高壓交流電，其輸出頻率通過鎖相環實現對負載諧振頻率的閉環跟蹤。
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本發明在高壓介質阻擋放電進行處理的過程中，被處理的水以及與其保持連通的水路與其他水路斷開，即被處理的水是獨立的；而在處理間歇，高壓電源關機，無高壓存在時，其他水路與被處理的水相連通，用于給盛裝待處理水的水池供水，以滿足下一次高壓放電處理的需要。如圖4所示，虛線和實線分別為不同的水流路徑，當虛線所在路徑開通時，實線所在路徑不通，反之亦然。這樣可以保證在高壓放電處理時，僅僅處于虛線框內的部分有高壓存在。處理間歇，水流路徑由實線轉為虛色線(或反之)，從而保證下次的正常高壓處理。本發明高壓脈沖放電等離子體水處理方法如下打開反應器2的進水閥，使污水存儲罐內的水通過進水口流入反應器2 ；當反應器 2內的污水流速穩定、液面保持恒定時，打開高頻高壓電源1，高壓迅速在高壓電極3與地電極5之間建立；如圖1所示，反應器2內的污水液面恒定于高壓電極3的底部以上，而在高壓電極 3的最大直徑以下。當高壓電極3的玻璃容器與污水液面之間的氣隙上的高頻電壓達到放電起始電壓(一般為6000V左右)時，氣隙中的電子從電場中獲得足夠的能量，通過碰撞使周圍的原子和分子電離，氣隙中的氣體被擊穿。由于絕緣的放電介質4的存在，限制了放電電流的自由增長，因此也阻止了電極間火花和弧光的形成，氣隙中發生介質阻擋放電；在放電期間氣隙上的電壓近似保持恒定，為放電維持電壓UT。這時，高壓等離子體污水處理電源負載等效模型可以由多個非線性變化的電容電路并聯來等效。如圖3所示， 其中，Cg和Rg為氣隙等效電容和電阻，Cd為介質等效電容，Ls為高頻高壓變壓器的漏感， Ca為測量電容。其中負載等效電路的參數無法進行直接測量，但可以利用利薩如圖形進行估算。本發明在放電過程中，氣隙上的電壓近似保持在放電維持電壓Ut，因而，整個放電過程放電電壓能保持基本穩定，在污水流動的實際處理場合，也可以長時間不間斷的穩定工作。針對不同污水，配置不同的介質，放電電壓在7 20kV間某個電壓值就能開始出現介質阻擋放電現象。在高壓電極與被處理污水的界面，能看到明顯的放電現象，肉眼能觀察到顯著的紫色放電區域，且有大量的臭氧產生。在整個放電過程中，僅有連續的細微的放電聲響。整個過程安全、穩定、可靠。本發明用于處理高濃度的自制苯酚水樣，用化學需氧量(COD)作為測試指標，用于表征污水處理的效果。實驗條件如表1所示。
權利要求
1.一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于包括高頻高壓電源、反應器、 高壓電極、放電介質、地電極；高頻高壓電源連接高壓電極；高壓電極設置于反應器內，放電介質設置于反應器的底部；放電介質的底部設置地電極，地電極接地。
2.根據權利要求1所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述高壓電極包括玻璃容器、高壓線、高電導率的溶液，高電導率溶液盛裝于玻璃容器中，高壓線的一端固定設置于玻璃容器內，高壓線該端外露的導電部分浸沒于玻璃容器內的溶液液面以下；高壓線的另一端連接所述高頻高壓電源；高壓線與高電導率溶液構成高壓電位。
3.根據權利要求2所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑。
4.根據權利要求2或3所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述反應器內盛裝待處理污水，玻璃容器的底部為平面且置于反應器內的待處理污水液面以下。
5.根據權利要求1所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述放電介質的面積比反應器的橫截面積大。
6.根據權利要求1或5所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述地電極的面積大于放電介質的面積。
7.根據權利要求1或5所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述放電介質的厚度為2 8mm。
8.根據權利要求1所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述反應器設有進出水口，進出水口所在的管道上分別設有閥門；反應器的進水口連接污水存儲罐下部的出水口 ；所述進水口設置于反應器的下部；出水口設置于反應器的上部。
9.一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法，其特征在于包括如下步驟第一步，使污水存儲罐內的水流入反應器；當反應器內的污水流速穩定、液面保持恒定時，打開高頻高壓電源，高壓迅速在高壓電極與地電極之間建立；第二步，當高壓電極的玻璃容器與污水液面之間的氣隙上的高頻電壓達到放電起始電壓時，氣隙中發生介質阻擋放電，在放電期間使氣隙上的電壓保持恒定；高頻電壓電源產生脈沖電壓，對污水負載進行放電，對污水進行處理。
10.根據權利要求9所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置的使用方法，其特征在于所述使反應器內的污水流速穩定、液面保持恒定的方法是使污水存儲罐的液面高于反應器的最高液面，并保持污水存儲罐的液位恒定，使反應器的進水流速保持恒定；同時將出水口設置于反應器的上部，使反應器通過自然溢流的方法，將液位恒定于出水口的最低點附近。
全文摘要
本發明公開了一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，包括高頻高壓電源、反應器、高壓電極、放電介質、地電極；高頻高壓電源連接高壓電極；高壓電極固定設置于反應器內，放電介質設置于反應器的底部；放電介質的底部設置地電極，地電極接地。本發明能夠有效地去除水中所含的物理、化學和微生物等污染物，處理成本低廉，尤其是針對水中高濃度有機物的去除效果明顯。本發明在進行污水處理時，不需要添加化學試劑，處理過程簡單，無廢棄物和二次污染，同時容易實現自動化控制，在提高水處理效率的同時，極大地減少了能耗。本發明還公開了一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法。
文檔編號C02F1/46GK102211800SQ20101013808
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月1日 優先權日2010年4月1日
發明者吳軍, 徐欣 申請人:上海晶園環保科技有限公司