組合式水力空化反應(yīng)器去除難降解污染物的試驗研究

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(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

難降解有機廢水中通常含有高濃度生化難降解有機污染物,對環(huán)境水體的污染危害嚴(yán)重，而且處理難度較大，采用常規(guī)的生物或物理化學(xué)凈化方法處理難以滿足凈化處理的要求.水力空化是指當(dāng)水體內(nèi)部局部壓力降低時，水體內(nèi)部空泡的形成、生長和潰滅過程.當(dāng)水流發(fā)生空化時，空泡潰滅形成的沖擊波和微射流會在其周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5 200 K高溫和超過100 MPa的高壓.在這種極端高溫、高壓條件下,產(chǎn)生羥基OH*和雙氧水H2O2，隨后與溶液中有機物發(fā)生氧化反應(yīng)，將水中大量有機污染物氧化降解成無害物質(zhì)，從而達到降解污染物的目的.近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對水力空化技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用開展了相應(yīng)的試驗研究.Sivakumar等[1]成功地采用孔板水力空化裝置處理了KI溶液、若丹明B(Rhodamine B)化合物和印染廢水，試驗表明空化強度和空化數(shù)可以用不同的孔板進行有效控制，水力空化裝置可有效處理該類廢水.徐美娟等[2]通過實驗討論了多孔板特性對水力空化-Fenton反應(yīng)處理廢水的影響，結(jié)果表明對于每一種廢水都存在一個臨界空化數(shù)和最佳過流率，使得處理效果最佳.喬慧瓊等[3]利用水力空化裝置降解含苯酚、二甲苯廢水，討論了循環(huán)時間、苯酚初始濃度、二甲苯初始濃度等因素對降解率的影響.俞小偉[4]、顏效凡[5]等通過高速攝影機分別分析了摻氣泡對空泡影響以及空蝕區(qū)空化水流的特性，得出空化數(shù)與摻氣孔徑與空蝕段流速有關(guān).陳圻圻[6]、楊永剛[7]等利用FLOW-3D軟件分別對三角形孔口及方形孔口多孔板的水力空化特性進行了數(shù)值模擬，得出三角形孔口多孔板、矩形孔口多孔板均能達到增強空化的作用，孔口附近呈現(xiàn)多股射流的狀態(tài)，多孔板的水力空化特性不僅與流速有關(guān)，而且還與多孔板的孔口形狀、孔口大小及布置方式有關(guān).目前，關(guān)于多孔板與文丘里管的組合順序?qū)﹄y降解廢水處理的影響還缺乏深入研究.現(xiàn)以三角形孔口多孔板為例通過試驗研究多孔板與文丘里管的組合順序以及不同流速、孔口數(shù)量、孔口大小、初始濃度、廢水循環(huán)周期對降解親水性污染物(對硝基酚)與疏水性污染物(硝基苯)的影響.

1 試驗裝置與測試方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置為閉路循環(huán)系統(tǒng),裝置主要由水泵、水箱、水力空化裝置、轉(zhuǎn)子流量計、壓力表和管道系統(tǒng)等組成.水箱中的水經(jīng)兩臺串聯(lián)離心泵，分主管線和旁通管線進入循環(huán)系統(tǒng).主管線主要由水力空化發(fā)生器組成，旁通管線主要用于控制主管線流量.水由離心泵抽出，經(jīng)水力空化裝置后，流經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計匯入水箱形成循環(huán).三角形孔口多孔板和文丘里管組成了水力空化裝置.試驗中共設(shè)計了4塊不銹鋼三角形孔口多孔板(圖1)，孔口采用棋盤式和交錯式布置，孔板的各參數(shù)見表1.

圖1 三角形孔口多孔板

表1 三角形孔口多孔板幾何參數(shù)

1.2 試驗方法

在水力空化反應(yīng)器水箱中配制一定濃度的難降解親水性污染物(對硝基酚)與疏水性污染物(硝基苯)的有機混合物(m(對硝基酚)∶m(硝基苯)=1∶1)，開啟水泵使廢水流經(jīng)水力空化裝置，組成循環(huán)回路.通過開啟單、雙泵來改變流速，改變廢水初始濃度、空化數(shù)、多孔板與文丘里管組合順序等，運行1 h，每15 min時從主管路取水樣.

1.3 分析方法

試驗測試儀器選用用紫外分光光度計(TU-1901)，用鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液做出COD標(biāo)準(zhǔn)曲線，采用分析波長為254 nm，分析混合廢水有機物降解率.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 孔口流速的影響

以多孔板1為例，配制初始質(zhì)量濃度為5 mg/L的混合廢水，改變流速,分別運行1 h，試驗結(jié)果見圖3.圖3表明：孔口流速越大，降解率越高.這是因為水流經(jīng)過孔口速度較大，孔口下游壓力下降，更易產(chǎn)生空化.空化產(chǎn)生的羥基自由基增多，從而能氧化降解更多有機物.

圖2 流速的影響

2.2 初始質(zhì)量濃度的影響

試驗分析四塊多孔板，配制不同初始質(zhì)量濃度的混合廢水，孔口流速為22.1 m/s，各運行60 min后，分析廢水降解情況.由圖3可知：對于每一塊多孔板，隨著混合廢水的初始濃度增加，降解率呈先增大后減小的趨勢，其中多孔板1、多孔板2、多孔板3、多孔板4對應(yīng)的最優(yōu)降解率的初始質(zhì)量濃度分別為100，100，125，75 mg/L，表明降解率受溶液初始濃度的影響，并且存在一個最佳初始質(zhì)量濃度.這是因為，隨著質(zhì)量濃度的增加，污染物發(fā)生空化反應(yīng)的幾率增加，從而使有機物的降解率增加，并達到一個極大值.但隨著質(zhì)量濃度的進一步增加，同一空化數(shù)下的羥基自由基數(shù)量不足以降解更多的污染物.

圖3 初始質(zhì)量濃度的影響

2.3 多孔板孔口數(shù)量的影響

采用混合物的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，孔口流速為22.1 m/s,保持其他工況一致，研究孔口數(shù)量對降解率的影響.試驗結(jié)果見圖4.其中多孔板1與多孔板2、多孔板3與多孔板4，都是孔徑相同，孔數(shù)不同，在孔口大小相同的情況下，孔口數(shù)量越多，降解率越大.這是因為，當(dāng)多孔板的孔口大小相同時，孔口數(shù)量越多，多股射流混摻加劇，使水流的切應(yīng)力和壓力脈動增加所致.

圖4 孔口數(shù)量的影響

2.4 多孔板孔口大小的影響

多孔板2和多孔板4是孔數(shù)相同，孔徑不同，比較多孔板2和多孔板4的處理效果，由圖5可知：當(dāng)孔口數(shù)量一致時，孔口越大，降解率越大.這是由于在孔口較大時，流體紊動程度較大，空化現(xiàn)象更劇烈，故降解率越大.

2.5 組合順序的影響

圖6分別是多孔板1和多孔板2與文丘里管不同組合順序的結(jié)果，曲線a為三角形多孔板-文丘里管組合，曲線b為文丘里管-三角形多孔板組合.由圖6可知：對于同一塊多孔板，多孔板-文丘里管組合下的降解率明顯大于文丘里管-多孔板組合的降解率.這是因為水流流經(jīng)文丘里管時，在收縮段中加速而使壓力下降產(chǎn)生空泡，在擴散段壓力再次升高而潰滅；流經(jīng)多孔板段后，形成多股射流，水流在多孔板中加速而壓力下降形成空泡，多股射流在多孔板下游擴散過程中減速使壓力升高，致空泡潰滅.所以在多孔板-文丘里管順序時，由多孔板段產(chǎn)生的空泡在經(jīng)過文丘里管時能潰滅的更完全，空化程度更高.

圖5 孔口大小的影響

圖6 文丘里管與多孔板組合順序的影響

3 結(jié) 論

綜合分析三角形孔口多孔板與文丘里管的組合水力空化裝置在不同條件下對硝基苯與對硝基酚混合物的降解試驗研究，結(jié)果表明：經(jīng)過空化段流速越大，降解率越高，隨著反應(yīng)的進行，流速對降解率的影響更為明顯，且降解率受混合物初始質(zhì)量濃度的影響，先增大后減小，對于同一多孔板，在相同初始條件下存在一個最優(yōu)降解率的初始質(zhì)量濃度；多孔板孔口大小和數(shù)量對水力空化降解污染物效果有影響，在一定范圍內(nèi)孔口數(shù)量越多，孔口孔徑越大，越利于水力空化降解難降解污染物；三角形多孔板-文丘里管組合順序比文丘里管-三角形多孔板組合順序的水力空化程度更高，從而能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基氧化降解有機污染物.

參考文獻：

[1] SIVAKUMAR M, PANDIT A B. Wastewater treatment: a novel energy efficient hydrodynamic cavitational technique[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2002,9(3):123-131.

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[3] 喬慧瓊，孫三祥.水力空化技術(shù)降解含苯酚、二甲苯廢水的實驗研究[J].能源環(huán)境保護,2007,21(2):18-24.

[4] 俞小偉,董志勇,顏效凡,等.摻氣泡對空泡影響的高速攝影分析[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，39(3):268-272.

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