组合式水力空化反应器去除难降解污染物的试验研究

,， ， ，，

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

难降解有机废水中通常含有高浓度生化难降解有机污染物,对环境水体的污染危害严重，而且处理难度较大，采用常规的生物或物理化学净化方法处理难以满足净化处理的要求.水力空化是指当水体内部局部压力降低时，水体内部空泡的形成、生长和溃灭过程.当水流发生空化时，空泡溃灭形成的冲击波和微射流会在其周围极小空间内产生5 200 K高温和超过100 MPa的高压.在这种极端高温、高压条件下,产生羟基OH*和双氧水H2O2，随后与溶液中有机物发生氧化反应，将水中大量有机污染物氧化降解成无害物质，从而达到降解污染物的目的.近年来，国内外学者针对水力空化技术在水处理领域的应用开展了相应的试验研究.Sivakumar等[1]成功地采用孔板水力空化装置处理了KI溶液、若丹明B(Rhodamine B)化合物和印染废水，试验表明空化强度和空化数可以用不同的孔板进行有效控制，水力空化装置可有效处理该类废水.徐美娟等[2]通过实验讨论了多孔板特性对水力空化-Fenton反应处理废水的影响，结果表明对于每一种废水都存在一个临界空化数和最佳过流率，使得处理效果最佳.乔慧琼等[3]利用水力空化装置降解含苯酚、二甲苯废水，讨论了循环时间、苯酚初始浓度、二甲苯初始浓度等因素对降解率的影响.俞小伟[4]、颜效凡[5]等通过高速摄影机分别分析了掺气泡对空泡影响以及空蚀区空化水流的特性，得出空化数与掺气孔径与空蚀段流速有关.陈圻圻[6]、杨永刚[7]等利用FLOW-3D软件分别对三角形孔口及方形孔口多孔板的水力空化特性进行了数值模拟，得出三角形孔口多孔板、矩形孔口多孔板均能达到增强空化的作用，孔口附近呈现多股射流的状态，多孔板的水力空化特性不仅与流速有关，而且还与多孔板的孔口形状、孔口大小及布置方式有关.目前，关于多孔板与文丘里管的组合顺序对难降解废水处理的影响还缺乏深入研究.现以三角形孔口多孔板为例通过试验研究多孔板与文丘里管的组合顺序以及不同流速、孔口数量、孔口大小、初始浓度、废水循环周期对降解亲水性污染物(对硝基酚)与疏水性污染物(硝基苯)的影响.

1 试验装置与测试方法

1.1 试验装置

试验装置为闭路循环系统,装置主要由水泵、水箱、水力空化装置、转子流量计、压力表和管道系统等组成.水箱中的水经两台串联离心泵，分主管线和旁通管线进入循环系统.主管线主要由水力空化发生器组成，旁通管线主要用于控制主管线流量.水由离心泵抽出，经水力空化装置后，流经转子流量计汇入水箱形成循环.三角形孔口多孔板和文丘里管组成了水力空化装置.试验中共设计了4块不锈钢三角形孔口多孔板(图1)，孔口采用棋盘式和交错式布置，孔板的各参数见表1.

图1 三角形孔口多孔板

表1 三角形孔口多孔板几何参数

1.2 试验方法

在水力空化反应器水箱中配制一定浓度的难降解亲水性污染物(对硝基酚)与疏水性污染物(硝基苯)的有机混合物(m(对硝基酚)∶m(硝基苯)=1∶1)，开启水泵使废水流经水力空化装置，组成循环回路.通过开启单、双泵来改变流速，改变废水初始浓度、空化数、多孔板与文丘里管组合顺序等，运行1 h，每15 min时从主管路取水样.

1.3 分析方法

试验测试仪器选用用紫外分光光度计(TU-1901)，用邻苯二甲酸氢钾标准溶液做出COD标准曲线，采用分析波长为254 nm，分析混合废水有机物降解率.

2 试验结果与讨论

2.1 孔口流速的影响

以多孔板1为例，配制初始质量浓度为5 mg/L的混合废水，改变流速,分别运行1 h，试验结果见图3.图3表明：孔口流速越大，降解率越高.这是因为水流经过孔口速度较大，孔口下游压力下降，更易产生空化.空化产生的羟基自由基增多，从而能氧化降解更多有机物.

图2 流速的影响

2.2 初始质量浓度的影响

试验分析四块多孔板，配制不同初始质量浓度的混合废水，孔口流速为22.1 m/s，各运行60 min后，分析废水降解情况.由图3可知：对于每一块多孔板，随着混合废水的初始浓度增加，降解率呈先增大后减小的趋势，其中多孔板1、多孔板2、多孔板3、多孔板4对应的最优降解率的初始质量浓度分别为100，100，125，75 mg/L，表明降解率受溶液初始浓度的影响，并且存在一个最佳初始质量浓度.这是因为，随着质量浓度的增加，污染物发生空化反应的几率增加，从而使有机物的降解率增加，并达到一个极大值.但随着质量浓度的进一步增加，同一空化数下的羟基自由基数量不足以降解更多的污染物.

图3 初始质量浓度的影响

2.3 多孔板孔口数量的影响

采用混合物的初始质量浓度为50 mg/L，孔口流速为22.1 m/s,保持其他工况一致，研究孔口数量对降解率的影响.试验结果见图4.其中多孔板1与多孔板2、多孔板3与多孔板4，都是孔径相同，孔数不同，在孔口大小相同的情况下，孔口数量越多，降解率越大.这是因为，当多孔板的孔口大小相同时，孔口数量越多，多股射流混掺加剧，使水流的切应力和压力脉动增加所致.

图4 孔口数量的影响

2.4 多孔板孔口大小的影响

多孔板2和多孔板4是孔数相同，孔径不同，比较多孔板2和多孔板4的处理效果，由图5可知：当孔口数量一致时，孔口越大，降解率越大.这是由于在孔口较大时，流体紊动程度较大，空化现象更剧烈，故降解率越大.

2.5 组合顺序的影响

图6分别是多孔板1和多孔板2与文丘里管不同组合顺序的结果，曲线a为三角形多孔板-文丘里管组合，曲线b为文丘里管-三角形多孔板组合.由图6可知：对于同一块多孔板，多孔板-文丘里管组合下的降解率明显大于文丘里管-多孔板组合的降解率.这是因为水流流经文丘里管时，在收缩段中加速而使压力下降产生空泡，在扩散段压力再次升高而溃灭；流经多孔板段后，形成多股射流，水流在多孔板中加速而压力下降形成空泡，多股射流在多孔板下游扩散过程中减速使压力升高，致空泡溃灭.所以在多孔板-文丘里管顺序时，由多孔板段产生的空泡在经过文丘里管时能溃灭的更完全，空化程度更高.

图5 孔口大小的影响

图6 文丘里管与多孔板组合顺序的影响

3 结 论

综合分析三角形孔口多孔板与文丘里管的组合水力空化装置在不同条件下对硝基苯与对硝基酚混合物的降解试验研究，结果表明：经过空化段流速越大，降解率越高，随着反应的进行，流速对降解率的影响更为明显，且降解率受混合物初始质量浓度的影响，先增大后减小，对于同一多孔板，在相同初始条件下存在一个最优降解率的初始质量浓度；多孔板孔口大小和数量对水力空化降解污染物效果有影响，在一定范围内孔口数量越多，孔口孔径越大，越利于水力空化降解难降解污染物；三角形多孔板-文丘里管组合顺序比文丘里管-三角形多孔板组合顺序的水力空化程度更高，从而能够产生更多的羟基自由基氧化降解有机污染物.

参考文献：

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

[2] 徐美娟，王启山.多孔板特性对水力空化-Fenton反应处理废水的影响[J].天津大学学报,2012,45(7):615-621.

[3] 乔慧琼，孙三祥.水力空化技术降解含苯酚、二甲苯废水的实验研究[J].能源环境保护,2007,21(2):18-24.

[4] 俞小伟,董志勇,颜效凡,等.掺气泡对空泡影响的高速摄影分析[J].浙江工业大学学报，2011，39(3):268-272.

[5] 颜效凡,董志勇,俞小伟,等.空蚀区空化水流特性的实验研究[J].浙江工业大学学报，2012，40(2):193-195.

[6] 陈圻圻，董志勇，杨永刚，等.三角形多孔板水力空化发生器的数值分析[C]∥练继建.2011水力学与水利信息学进展.天津：天津大学出版社，2011：371-376.

[7] 杨永刚，董志勇，陈圻圻，等.方形多孔板水力空化反应器的初步研究[C]∥练继建.2011水力学与水利信息学进展.天津：天津大学出版社，2011：406-411.