介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，包括處理水箱，處理水箱內(nèi)部設(shè)有空腔，處理水箱頂部設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，處理水箱一側(cè)上部設(shè)有進(jìn)水口，處理水箱一側(cè)底部設(shè)有出水口，裝置還包括上電極板和下電極板，上電極板水平的設(shè)置于處理水箱的空腔的上部，下電極板水平的設(shè)置于處理水箱的底部之下，上電極板和下電極板在垂直方向上相對(duì)設(shè)置且分別連接到供電電源上；處理水箱一側(cè)下部還設(shè)置有伸入空腔內(nèi)的絕緣攪拌器件。本發(fā)明還公開(kāi)了介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的方法。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：污水處理效率高、處理速率快，提高了藻細(xì)胞的滅活率和藻毒素的降解率，且裝置成本低，操作簡(jiǎn)便，不產(chǎn)生二次污染。
【專(zhuān)利說(shuō)明】介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境污水處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及的是一種介質(zhì)阻擋放電等離子體高 效處理含藻污水的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日益加劇導(dǎo)致藍(lán)藻等浮游植物過(guò)度增殖，并釋放出各種藻毒 素，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康和飲用水安全。目前，去除水中微生物及微生物產(chǎn)生的有毒物質(zhì)仍是 水處理技術(shù)的難點(diǎn)，而常用處理含微藻污水的方法是使用化學(xué)殺藻劑、粘土、活性炭過(guò)濾、 紫外光輻照、微波處理等，它們往往有處理技術(shù)復(fù)雜、帶來(lái)二次污染等問(wèn)題，并且，一般的處 理技術(shù)和方法也不能同時(shí)處理藻及藻毒素。
[0003] 等離子體放電技術(shù)是一種高級(jí)氧化技術(shù)，可以應(yīng)用于污水處理上。等離子體放電 過(guò)程很復(fù)雜，在放電過(guò)程中產(chǎn)生大量帶電粒子和活性物質(zhì)，并伴隨光、熱、電、聲等物理因 素。等離子放電產(chǎn)生的帶電粒子包括離子和電子，并且產(chǎn)生激發(fā)態(tài)原子、分子（〇 3, H202)以 及大量的活性物質(zhì)（0H ·，Η ·，0 ·等）。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單、處理效率高、無(wú)二次污染，所以越 來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。我們已有實(shí)驗(yàn)研究表明，等離子體放電可以同時(shí)殺死藍(lán)藻 細(xì)胞并降解藻毒素，是一種非常有應(yīng)用前景的技術(shù)?，F(xiàn)在關(guān)于等離子體放電方式有多種，如 何把等離子體技術(shù)高效、方便地運(yùn)用于含藻污水處理，正是本發(fā)明目的所在。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種介質(zhì)阻擋放電等離子體高效 處理含藻污水的裝置及方法。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，包括封閉的處理水箱，所述處 理水箱內(nèi)部設(shè)有空腔，所述處理水箱頂部設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，所述處理水箱一側(cè)上部設(shè) 有進(jìn)水口，所述處理水箱一側(cè)底部設(shè)有出水口，所述裝置還包括上電極板和下電極板，所述 上電極板水平的設(shè)置于所述處理水箱的空腔的上部，所述下電極板水平的設(shè)置于所述處理 水箱的底部之下，所述上電極板和下電極板在垂直方向上相對(duì)設(shè)置且分別連接到供電電源 上，所述處理水箱的空腔內(nèi)用于容置待處理含藻污水，工作時(shí)所述空腔內(nèi)的含藻污水的上 表面與所述上電極板的下表面之間間隔有間隙；所述處理水箱一側(cè)下部還設(shè)置有伸入所述 空腔內(nèi)的絕緣攪拌器件。
[0007] 作為上述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所 述供電電源為高壓交流電源，所述高壓交流電源連接有示波器。
[0008] 作為上述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所 述上電極板和下電極板均為不銹鋼板。
[0009] 作為上述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所 述處理水箱為玻璃水箱。
[0010] 作為上述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，所 述進(jìn)水口和出水口外分別連接進(jìn)水管和出水管，所述進(jìn)水管和出水管上分別設(shè)置有閥門(mén)。 [0011] 本發(fā)明還提供了介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的方法，其采用上述的 介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置進(jìn)行處理，包括如下步驟：
[0012] (1)將待處理含藻污水投入處理水箱的空腔內(nèi)，并在待處理含藻污水中加入氯化 鈉，空腔內(nèi)的待處理含藻污水的上表面與上電極板的下表面之間間隙不超過(guò)lcm ;
[0013] (2)從進(jìn)氣口向空腔內(nèi)通入空氣，同時(shí)開(kāi)啟絕緣攪拌器件對(duì)待處理含藻污水進(jìn)行 攪拌，然后啟動(dòng)供電電源，上電極板和下電極板之間開(kāi)始進(jìn)行低溫常壓等離子體放電，放電 電壓在300V以上；
[0014] (3)在等離子體放電過(guò)程中，通過(guò)出水口處取樣，測(cè)量其中藻細(xì)胞的濃度以及藻毒 素的濃度，從而獲得不同時(shí)間藻細(xì)胞的滅活率以及藻毒素的降解效率，直至達(dá)到符合污水 處理指標(biāo)后，關(guān)閉供電電源。
[0015] 作為上述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的方法的優(yōu)選實(shí)施方 式，所述步驟（2)中，從進(jìn)氣口向空腔內(nèi)通入空氣的氣體流量為0. 15L/min，輸入電流為 1. 55-1. 85A，放電電壓為400V，放電頻率為9. 5KHz。
[0016] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 本發(fā)明的裝置利用介質(zhì)阻擋放電等離子體放電裝置，其在兩塊金屬平板電極之間 有氣體和水兩種介質(zhì)阻擋，易于產(chǎn)生低溫常壓等離子體；放電工作氣體為空氣，可以提高等 離子體氧化效率，并節(jié)約成本；工作電極為金屬平板，可以通過(guò)增大工作電極的橫截面面積 而增大待處理含藻污水的的橫截面面積，從而提高了污水處理效率；增加了絕緣攪拌器件， 放電過(guò)程中可以進(jìn)行攪拌，加快處理速率。此外，本發(fā)明的方法中，由于在待處理含藻污水 中加入合適的氯化鈉，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，加入氯化鈉可以提高藻細(xì)胞的滅活率，并加快藻毒素從 藻細(xì)胞內(nèi)釋放，從而提高等離子體降解藻毒素的效率。本發(fā)明的裝置成本低，操作簡(jiǎn)單方 便，處理效率高，不產(chǎn)生二次污染，適于大范圍推廣應(yīng)用。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)四中藻細(xì)胞的滅活率隨時(shí)間變化示意圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)四中藻毒素的濃度隨時(shí)間變化示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。
[0022] 參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例提供的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，包括 封閉的處理水箱1，處理水箱1由絕緣材料制成，可選為玻璃水箱。處理水箱1內(nèi)部設(shè)有空 腔，處理水箱1頂部設(shè)有進(jìn)氣口 4和出氣口 5,處理水箱1 一側(cè)上部設(shè)有進(jìn)水口，處理水箱1 一側(cè)底部設(shè)有出水口，進(jìn)水口和出水口外分別連接進(jìn)水管2和出水管3，進(jìn)水管2和出水管 3上分別設(shè)置有閥門(mén)。裝置還包括上電極板6和下電極板7，上電極板6和下電極板7優(yōu)選 為不銹鋼板。上電極板6水平的設(shè)置于處理水箱1的空腔的上部，下電極板7水平的設(shè)置 于處理水箱1的底部之下，上電極板6和下電極板7在垂直方向上相對(duì)設(shè)置且分別連接到 供電電源9上，供電電源9為高壓交流電源，高壓交流電源連接有示波器10，通過(guò)示波器10 可以觀(guān)測(cè)電壓、電流、頻率和放電功率等指標(biāo)。處理水箱1的空腔內(nèi)用于容置待處理含藻污 水20,工作時(shí)空腔內(nèi)的含藻污水的上表面與上電極板6的下表面之間間隔有間隙。此外，為 了加快處理速率，處理水箱1 一側(cè)下部還設(shè)置有伸入空腔內(nèi)的絕緣攪拌器件8。
[0023] 本裝置是利用介質(zhì)阻擋放電，其放電過(guò)程中在上電極板6和下電極板7之間有氣 體和含藻污水兩種介質(zhì)阻擋，由交流高壓電源供電，在合適的放電條件下，放電過(guò)程中伴隨 的光、熱、沖擊波等物理因素以及產(chǎn)生的羥基自由基、雙氧水等活性氧物質(zhì)，能破壞藻細(xì)胞 的細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)氧化性自由基侵入細(xì)胞內(nèi)部，多種損傷的協(xié)同作用使得藻細(xì) 胞很快死亡，殺死藻細(xì)胞并降解藻細(xì)胞釋放的藻毒素。
[0024] 本實(shí)施例還提供了介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的方法，其采用上述 的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置進(jìn)行處理，包括如下步驟：
[0025] (1)將待處理含藻污水20投入處理水箱1的空腔內(nèi)，并在待處理含藻污水20中 加入氯化鈉，空腔內(nèi)的待處理含藻污水20的上表面與上電極板6的下表面之間間隙不超過(guò) lcm ；
[0026] (2)從進(jìn)氣口 4向空腔內(nèi)通入空氣，同時(shí)開(kāi)啟絕緣攪拌器件8對(duì)待處理含藻污水 20進(jìn)行攪拌，然后啟動(dòng)供電電源9,上電極板6和下電極板7之間開(kāi)始進(jìn)行低溫常壓等離子 體放電，放電電壓在300V以上；
[0027] (3)在等離子體放電過(guò)程中，通過(guò)出水口處取樣，測(cè)量其中藻細(xì)胞的濃度以及藻毒 素的濃度，從而獲得不同時(shí)間藻細(xì)胞的滅活率以及藻毒素的降解效率，直至達(dá)到符合污水 處理指標(biāo)后，關(guān)閉供電電源9。
[0028] 處理時(shí)，上電極板6下表面離待處理含藻污水20的上表面距離越小，所需施加電 壓就越小；上電極板6下表面離待處理含藻污水20的上表面距離一般不超過(guò)lcm，交流電 壓在300伏以上；放電時(shí)間可以根據(jù)處理水量及污水處理指標(biāo)來(lái)控制和調(diào)節(jié)，可以通過(guò)隨 時(shí)取樣測(cè)量，判斷其中藻細(xì)胞是否已經(jīng)被殺死，以及藻毒素的含量是否被降解到可接受的 濃度以下。
[0029] 為了驗(yàn)證上述介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的方法的效果， 申請(qǐng)人:特 意做了如下實(shí)驗(yàn)。
[0030] 實(shí)驗(yàn)一
[0031] 本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)含藻污水中藻細(xì)胞的滅活效果進(jìn)行檢驗(yàn)。其所選用的裝置中，處理水 箱1容量為25ml，上電極板6和下電極板7由直徑為5cm的圓盤(pán)形的不銹鋼板制成。本實(shí)驗(yàn) 中待處理含藻污水20的初始濃度為1. 69*107cells/ml，放電溶液體積3ml，放電電壓400V， 放電交流頻率為9. 5kHZ，輸入電流1. 58-1. 80A，通入空氣的氣體流量為0. 15L/min。
[0032] 所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：空氣條件下放電30秒藻細(xì)胞的滅活率就可達(dá)90%以上。
[0033] 實(shí)驗(yàn)二
[0034] 本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)單純?cè)宥舅氐慕到庑ЧM(jìn)行檢驗(yàn)。其所選用的裝置同實(shí)驗(yàn)一。本實(shí) 驗(yàn)中選取藻毒素初始濃度是2mg/L，放電溶液體積3ml，放電電壓400V，放電交流頻率為 9. 5kHZ，輸入電流1. 85A，通入空氣的氣體流量為0. 15L/min。
[0035] 所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：空氣條件下放電降解藻毒素的降解率達(dá)到90%以上只需30 秒。
[0036] 實(shí)驗(yàn)三
[0037] 本實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)藻細(xì)胞的滅火效果和藻毒素的降解效果進(jìn)行檢驗(yàn)。其所選用的裝置 同實(shí)驗(yàn)一。本實(shí)驗(yàn)中選取藻細(xì)胞初始濃度為1.69*10 7cells/ml，放電溶液體積3ml，放電電 壓400V，放電交流頻率為9. 5kHZ，電流1. 58-1. 80A，通入空氣的氣體流量：0. 15L/min。
[0038] 所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：空氣條件下放電30秒藻細(xì)胞的滅活率就能達(dá)到90%以上，而 藻毒素降解的降解率達(dá)到90%以上則需時(shí)間180秒。這是因?yàn)樵寮?xì)胞損傷后，藻毒素釋放 還需要一定時(shí)間，隨著放電時(shí)間的增加，損傷作用增強(qiáng)，細(xì)胞破裂加大，釋放藻毒素加快，這 時(shí)藻毒素在等離子體強(qiáng)氧化條件的作用下被降解，因此相對(duì)于實(shí)驗(yàn)二中單純檢驗(yàn)藻毒素的 降解效果來(lái)說(shuō)，本實(shí)驗(yàn)中藻毒素的降解率要達(dá)到90%以上會(huì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。
[0039] 實(shí)驗(yàn)四
[0040] 本實(shí)驗(yàn)是在待處理含藻污水20中加入氯化鈉的條件下，同時(shí)對(duì)藻細(xì)胞的滅火效 果和藻毒素的降解效果進(jìn)行檢驗(yàn)。其所選用的裝置同實(shí)驗(yàn)一。本實(shí)驗(yàn)中選取藻細(xì)胞的初 始濃度為〇. 94*107cells/ml，在待處理含藻污水20中加入氯化鈉，氯化鈉的體積摩爾濃度 為0. 2mol/l ;放電電壓為400V，放電交流頻率9. 75KHz，電流1. 55A，通入空氣的氣體流量為 0·15L/min〇
[0041] 所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖2和圖3,從圖2和圖3可以看出，加入氯化鈉后，藻細(xì)胞的 滅活率和藻毒素的降解率均明顯提高。另外，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，加入氯化鈉后，藻細(xì)胞的 滅活率和藻毒素的降解率的提高效率與加入氯化鈉的濃度正相關(guān)。例如，在氯化鈉濃度為 0. 2mol/l時(shí)藻細(xì)胞滅活率達(dá)到90%以上需要60秒，而對(duì)于氯化鈉濃度為0. 05mol/l時(shí)藻 細(xì)胞的滅活率達(dá)到90%以上則需要120秒。
[0042] 本發(fā)明的裝置利用介質(zhì)阻擋放電等離子體的放電裝置，其在兩塊金屬平板電極之 間有氣體和水兩種介質(zhì)阻擋，易于產(chǎn)生低溫常壓等離子體；放電工作氣體為空氣，可以提高 等離子體氧化效率，并節(jié)約成本；工作電極為金屬平板，可以通過(guò)增大工作電極的橫截面面 積而增大待處理含藻污水20的的橫截面面積，從而提高了污水處理效率；增加了絕緣攪拌 器件8,放電過(guò)程中可以進(jìn)行攪拌，加快處理速率。此外，本發(fā)明的方法中，由于在待處理含 藻污水20中加入合適的氯化鈉，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，加入氯化鈉提高了藻細(xì)胞的滅活率，并加快 藻毒素從藻細(xì)胞內(nèi)釋放，從而提高等離子體降解藻毒素的效率。本發(fā)明的裝置成本低，操作 簡(jiǎn)單方便，處理效率高，不產(chǎn)生二次污染，適于大范圍推廣應(yīng)用。
[〇〇43] 以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，包括封閉的處理水箱，所述處理 水箱內(nèi)部設(shè)有空腔，其特征在于：所述處理水箱頂部設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，所述處理水箱一 側(cè)上部設(shè)有進(jìn)水口，所述處理水箱一側(cè)底部設(shè)有出水口，所述裝置還包括上電極板和下電 極板，所述上電極板水平的設(shè)置于所述處理水箱的空腔的上部，所述下電極板水平的設(shè)置 于所述處理水箱的底部之下，所述上電極板和下電極板在垂直方向上相對(duì)設(shè)置且分別連接 到供電電源上，所述處理水箱的空腔內(nèi)用于容置待處理含藻污水，工作時(shí)所述空腔內(nèi)的含 藻污水的上表面與所述上電極板的下表面之間間隔有間隙；所述處理水箱一側(cè)下部還設(shè)置 有伸入所述空腔內(nèi)的絕緣攪拌器件。
2. 如權(quán)利要求1所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，其特征在 于：所述供電電源為高壓交流電源，所述高壓交流電源連接有示波器。
3. 如權(quán)利要求1所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，其特征在 于：所述上電極板和下電極板均為不銹鋼板。
4. 如權(quán)利要求1所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，其特征在 于：所述處理水箱為玻璃水箱。
5. 如權(quán)利要求1所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置，其特征在 于：所述進(jìn)水口和出水口外分別連接進(jìn)水管和出水管，所述進(jìn)水管和出水管上分別設(shè)置有 閥門(mén)。
6. 介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的方法，其特征在于：其采用權(quán)利要求1 至5任一所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的裝置進(jìn)行處理，包括如下步 驟： (1) 將待處理含藻污水投入處理水箱的空腔內(nèi)，并在待處理含藻污水中加入氯化鈉，空 腔內(nèi)的待處理含藻污水的上表面與上電極板的下表面之間間隙不超過(guò)lcm ; (2) 從進(jìn)氣口向空腔內(nèi)通入空氣，同時(shí)開(kāi)啟絕緣攪拌器件對(duì)待處理含藻污水進(jìn)行攪拌， 然后啟動(dòng)供電電源，上電極板和下電極板之間開(kāi)始進(jìn)行低溫常壓等離子體放電，放電電壓 在300V以上； (3) 在等離子體放電過(guò)程中，通過(guò)出水口處取樣，測(cè)量其中藻細(xì)胞的濃度以及藻毒素的 濃度，從而獲得不同時(shí)間藻細(xì)胞的滅活率以及藻毒素的降解效率，直至達(dá)到符合污水處理 指標(biāo)后，關(guān)閉供電電源。
7. 如權(quán)利要求6所述的介質(zhì)阻擋放電等離子體高效處理含藻污水的方法，其特征在 于：所述步驟（2)中，從進(jìn)氣口向空腔內(nèi)通入空氣的氣體流量為0. 15L/min，輸入電流為 1. 55-1. 85A，放電電壓為400V，放電頻率為9. 5KHz。
【文檔編號(hào)】C02F1/30GK104085951SQ201410342305
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】黃青, 李臘梅, 張宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院