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等离子体废水处理技术研究

2009/3/14

Technology of Plasma Induced Wastewater Treatment
摘要：主要分析了各种废水处理技术的优缺点，提出了一种新型等离子体处理废水的方案，说明了利用低温等离子体是一种新型的具有广阔应用前景的废水处理一体化技术。并对产生等离子体的脉冲电源进行改进，建立了等离子体废水处理工艺流程。



Abstract：The advantage and disadvantage of various wastewater treatment are mainly analyzed in this paper. It is concluded that using plasma is a novel wastewater treatment which is going to have a wide application in the future. The novel plasma technology to the wastewater treatment was put forward, and the pulse power supply which produces the plasma was improved.





关键词：废水处理，等离子体，脉冲电源
Keyword：wastewater treatment, plasma, pulse power supply







引言
水是人类社会赖以生存和发展的宝贵自然资源。由于世界各国工农业迅速发展，城市人口急剧增加，大量生产和生活污水排入江河、湖泊及渗入地下，使众多水源遭受污染，废水处理成为解决环境污染的关键。废水包括生活废水和工业废水。生活污水是人们日常生活中产生的各种废水的总称。主要包括粪便水、洗浴水、洗涤水和冲洗水等，其来源除家庭生活废水外，还有各种集体单位和公用事业等排出的废水。本文所研究的技术适合生活废水的处理，具有广阔的国内外市场前景。1 水处理技术的比较

在多数情况下，废水的处理是去除水中混入的有机物，衡量水质状况和有机物含量的主要技术指标是pH、CODcr、BOD5、SS、动植物油、色度、氨氮、磷酸盐等。常规的水处理技术有生物处理法和物理化学絮凝法，它们有各自的使用范围和特点。目前新型的水处理方法是等离子体法。





1.1 生物处理法
生物处理法利用生物细菌的作用，将水中有机物转化成CO2 或CH4 排出，但生物菌的增殖与死亡会使活性污泥量大增，污泥分离处理环节多，时间长，工程投入大，操作要求高，并且废水中有些物质不能被生物细菌同化，有些物质还会抑制细菌的生长。





1.2 物理化学絮凝法
物理化学絮凝法可以高效快速地从水中除去悬浮状和胶体状的有机物，但是它很难去除水中溶解性有机物。应用膜工程纳滤、超滤、电渗析等精密过滤的方式，可以去除水中的杂质，但它们的使用条件要求较严格，投资大。近几年，随着对低温等离子体技术的深入研究，新型的等离子体水处理技术正在为人们所关注。





2 低温等离子体水处理技术
2.1 技术原理
低温等离子体废水处理技术是一种兼具高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光分解三种作用于一体的废水处理技术，这三种方法协同作用时，等离子体是具有化学反应性的，是由电子、正负离子、激发态的原子、分子以及自由基等粒子组成的。自由基可无选择地与废水中污染物发生反应，直接将其氧化为CO2、水或盐，不会产生二次污染，是一种高效节能型的废水处理技术。等离子体自由基氧化反应是水的湿法氧化反应，其原理是水在外界条件参与下，与氧气反应生成强氧化性的OH•等自由基,OH•等再与水中有机物反应生成CO2, 将有机物去除。





2.3 等离子体生成的方法
2.3.1 表面放电法
表面放电的主体是结构致密的陶瓷(陶瓷管或瓷板)，在陶瓷的内部埋有金属板作为接地极，陶瓷的一侧表面上布置导电条件作为高压电极，另一侧作为反应器的散热面。在中、高频电压作用下，放电从放电极沿陶瓷表面延伸，在陶瓷表面形成许多细致的流注通道。与其他放电方式相比，表面放电的功率消耗大，放电过程中发热比较严重，常需在反应器的外部强制冷却，能量利用率不高。另外由于放电只集中在陶瓷表面附近，所提供的等离子体反应空间亦不够，加上结构复杂，不便于实际应用。





2.3.2 电子束照射法
电子束照射法是利用电子加速器产生的高能电子束，直接照射待处理气体，通过高能电子与气体中的氧分子碰撞，使之解离，电离，形成等离子体，继而与污染物反应，使之氧化去除。虽然电子束法具有很好的降解效果，但它也存在着一些缺陷:一是容易产生X 射线，工业应用时必须建有混凝土防辐射工程，装置不能移动:二是电子线照射产生臭氧，对装置有腐蚀，对周围环境也有害;三是采用的电子枪价格昂贵，电子枪及靶窗的寿命短，设备结构复杂。上述原因限制了电子束法的应用。





2.3.3 脉冲电晕法
80 年代初期，日本的Masuda 提出了脉冲电晕放电等离子体技术。该法的等离子体产生机理与电子束照射法基本一致，都是利用电子的作用使气体分子激发、电离或离解，产生强氧化性的自由基。但是，脉冲电晕放电等离子体技术产生电子的方式与电子束照射法不同，它是利用气体放电过程产生大量电子，电子能量等级与电子束照射法电子能量等级差别很大，仅在5-20eV 范围内。与电子束照射法相比，该法避免了电子加速器的使用，也无须辐射屏蔽增强了技术的安全性和实用性。脉冲电晕法的最大优点就是能起到电子束法同样的作用而又克服了电子束法的缺点，它省掉了大功率、需长期稳定工作的昂贵电子枪，避免了电子枪寿命和X 射线屏蔽问题，目前是国内外广泛关注的技术并最具有良好应用前景。本文所用的方法即为脉冲电晕法。





3 等离子体技术废水处理工艺
3.1 主要技术指标
污水的组成成分极其复杂，难以用单一指标来表示其性质。最常用的指标主要有消耗水中溶解氧的有机污染物综合指标生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)，还有通常在生活污水中不含有毒性物质。根据环保要求，污水处理后一级排放指标如表1 所示。





表1 主要指标
Tab1 the main index







项 目	排放指标（mg/L)
pH	≤6-9
CODcr	≤100
BOD5	≤20
SS	≤70
动植物油	≤10
色度	≤50
氨氮	≤10
磷酸盐	≤0.5





3.2 技术路线
利用脉冲电晕法产生等离子体进行水处理的设备主要分为两大部分：高压脉冲电源和反应器。高压脉冲电源用于产生等离子体；反应器则利用产生的活性物质以及伴随产生的热、光、波等效应来净化水质。应用于水处理的高压脉冲电源其电压脉冲宽度要求在纳秒级。因为高压脉冲放电处理水要求陡前沿、窄脉冲电源系统，这样才能保持稳定地生成低温等离子体，并得到强电场并达到节能的目的。水中高压脉冲放电电压上升时间一般<100ns，脉冲宽度<700ns。这样就可以在不使电场内的离子加速的情况下单使电子加速，形成无需屏蔽的高能自由电子，而这些高能自由电子将促使有机物的激发裂解或电离。通常高压电源不能在液相溶液中直接产生电晕放电，但在气相中却可以产生较大空间范围内的电晕放电。只要在气液相间的系统中实现气相电晕放电，就能形成等离子体与水中污染物接触的条件。为此，放电等离子体注入方法必须解决的问题是：创造一种与一定容积的液体之间有尽可能大的气液接触面积的反应条件。经过优化选择，我们选择的是水中气泡放电废水处理装置。水中气泡放电废水处理装置是含气泡液体流经外壳绝缘的高压电场，当双极性窄脉冲施于两极板时，将使每个小气泡发生放电，可以处理大流量的水。该工艺中，放电等离子体与水溶液的接触面积大，气液混合均匀。


3.2.1 电源
等离子体电源采用脉冲电源供电，放电极直接置于水中，放电使是该装置的关键设备，其性能和参数将直接决定反应器内等离子体的状态，从而影响水处理的效果。为了持续稳定地生成和维持低温等离子体，高压脉冲必须具有脉冲前沿陡峭、脉冲宽度窄的特点，以得到强电场并达到节能的目的。该装置采用空载峰值30kV、上升时间100ns，满载峰值25kV、30A、脉宽<300ns，脉冲频率1-10kHz 可调的快脉冲电源。传统的脉冲电源多为利用火花隙作为开关产生脉冲，但是火花开关寿命较短，该电源采用新型电力电子开关器件代替火花隙，这样可以大大的提高开关的寿命以及电源工作的可靠性和稳定性。脉冲电源电路原理图如图1。脉冲电源原理为交流电经过变压器后输出1.5kV 的交流电，经过电容C1、C2、C3和二极管D1、D2 所组成的倍压电路后，成为3 kV 的直流电。达到3 kV 后给硅堆触发信号，开关（硅堆）被直流电击穿，从而在水间隙中产生等离子体。






图1.脉冲电源原理图.jpg (29.54 KB)


2008-10-25 16:40

3.2.2 工艺流程建立
脉冲电源液中放电污水处理系统由等离子体发生与自由基注入系统、高效传质反应器、臭气净化等几部分组成，形成废水污染物降解、消毒灭菌和臭气净化的一体化。工艺流程如图2 所示。空压机将压缩空气通过微孔曝气供气系统对废水进行鼓泡，提供高强度气液传质，在放电等离子体自由基作用下快速完成有机物的降解、消毒灭菌，水面逸散的废气被集气系统收集，经放电等离子体氧化除臭后净化排放。实验测量特定废水处理前后水质指标，评价处理系统的处理能力、效果、能耗、影响因素以及经济性。






氧化反应罐.jpg (108.46 KB)


2008-10-25 16:29




图2 等离子体技术废水处理工艺工艺流程

4 结论
国内外的众多研究表明，等离子水处理技术是近年来引起人们极大关注的一项利用高电压放电处理废水的新技术，能处理其他方法难处理的一些废水。等离子体法具有广阔的应用前景，被认为是21 世纪最有前途的废水处理的技术。本文通过研究，提出了一种新型的等离子体处理废水的方案，采用脉冲电源产生等离子体，把传统的脉冲电源中的火化隙改为可控硅串并联，很好的解决了火花隙寿命短的问题。对于本工艺流程下的等离子体废水处理效果及各影响因素，有待深入研究。本项目得到台达电力电子科教发展基金（2007）的资助。

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