基于曝气及高压脉冲放电的人工湿地污水处理装置及方法与流程

[0001]
本申请涉及水环境污染治理技术领域，特别是涉及一种基于曝气及高压脉冲放电的人工湿地污水处理装置及方法。


背景技术：

[0002]
人工湿地在污水集中处理领域已得到相当广泛的运用，高效曝气技术可将水中溶解氧含量大大提高，利于好氧微生物的繁殖使人工湿地对污水的处理效果更佳。但近年研究关注较多的水中难降解有机物处理方法一直未能得到有效解决，高压脉冲放电可将水分子离子化生成大量氧化能力极强的
·
oh等，氧化水中难降解有机物，并最终矿化为h2o和co2，效率大大提高，解决了人工湿地等当前技术和工艺条件下处理难降解有机物周期过长效率较低的问题。
[0003]
目前高压脉冲放电还未得到广泛应用，因为其工业化应用尚不成熟，尤其在水处理领域。目前的放电方式有气相放电、液相放电和气液两相放电。其中气相放电所需能量较低，可在电极间通过击穿空气形成通路，电极周围尤其是电极间的空气分子会在高压电场作用下离子化。在水处理领域，若将电极均置于液体中，液相放电由于液体分子间距远大于气体中的分子间距，相同功率的高压电源难以形成有效的电场从而形成等离子体。气液两相放电是将一个电极(通常是阳极)置于空气中，另一个电极置于液体中，可有效形成电场，并将气体中氧气电离形成臭氧，并在空气和液体交界面上对水分子电离形成
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oh等氧化性较高的自由基，通过这些氧化物质降解液体中的大分子有机成分，目前气液放电是被认为最为有效的高压放电形式。对水中难降解有机物降解的缺点则是完全矿化所需时间较长且没有必要。


技术实现要素：

[0004]
针对以上问题，本申请提供一种既可以解决常规污染问题，也可以高效去除水中难降解有机物，同时加速有机物的完全矿化过程的人工湿地污水处理装置及方法。
[0005]
本申请提供的基于曝气及高压脉冲放电的人工湿地污水处理装置，包括：上方开口的容纳腔以及放电装置；其中，所述容纳腔内自上而下分别设置人工湿地层、污水层以及曝气层；所述放电电极插入并贯穿人工湿地层至污水层；所述放电电极包括：负极和正极；所述负极包括置于污水层的导电金属管；所述正极包括金属导线，所述金属导线延伸导电金属管中央位置；所述金属导线被玻璃管包裹，所述金属导线的放电尖端被玻璃球体包裹；当供电时，高压电由正极的放电尖端透过玻璃管中的空气，穿过玻璃球体对周围导电金属管放电。
[0006]
可选地，所述人工湿地层包括：湿地底泥和种植在湿地底泥上的湿地植物；
[0007]
所述人工湿地层的底部设置透水板以与所述污水层分隔；外部污水渗过所述人工湿地层并透过所述透水板进入所述污水层。
[0008]
可选地，所述曝气层包括：多个曝气装置；每个曝气装置包括：由两根导电金属管
垂直交叉，并形成沿垂直交点的中心延伸出的四个曝气短管，其中，每个曝气短管均向同一方向开设多个小开孔。
[0009]
可选地，所有曝气装置均由一根曝气管输送曝气气体；两根导电金属管的垂直交点处联通所述曝气管；曝气管以曝气气体作为动力旋转搅动污水，并将曝气气泡搅入污水中。
[0010]
可选地，所述放电电极还包括：电极固定装置，所述电极固定装置插入并贯穿所述人工湿地层至污水层；所述导电金属管连接于所述电极固定装置的底部以置于所述污水层中。
[0011]
可选地，人工湿地污水处理装置还包括：高压脉冲电源；所述导电金属管由导线引出至外部，与高压脉冲电源的接地负极相连；所述金属导线与高压脉冲电源的正极相连。
[0012]
可选地，所述电极固定装置为pvc材质圆管；所述金属导线为金属铜丝；
[0013]
所述导电金属管为不锈钢材质。
[0014]
可选地，所述导电金属管的内径为4cm；所述导电金属管的长度5cm；所述玻璃管的内径为0.6cm，且内部含有空气；玻璃球体的直径为1cm。
[0015]
可选地，电极固定装置中有多处固定点，通过绝缘物质将构成正极的金属导线和玻璃管固定在电极固定装置中的中心位置。
[0016]
本申请还提供了一种基于曝气及高压脉冲放电的人工湿地污水处理方法，包括：在人工湿地下部设置污水层；在污水层中设置曝气装置和放电电极；以置于污水中的导电金属管作为放电电极的负极；将被玻璃包裹的金属导线作为放电电极的正极并设置于导电金属管的中央位置，其中金属导线的放电尖端被玻璃球体包裹；利用曝气装置搅动污水使污水以及曝气气泡进入导电金属管区域；高压电由正极的放电尖端透过玻璃管中的空气，穿过玻璃球体对周围导电金属管放电，以被污水进行降解处理。
[0017]
本申请将曝气设备设于人工湿地下方，提供大量气泡，在大量气泡的液体环境下，通过施加高压脉冲电源，形成气液放电，将高效曝气产生的气泡通过搅动水体的方式更充分与污水接触，并存在于放电区域有利于废水的降解处理。同时改进放电正极构型，在电源功率不变的情况下形成高压脉冲放电系统，最终利用高效曝气人工湿地耦合高压脉冲放电形成更有效的水处理系统；
[0018]
其中，改进放电正极构型可以正极在由玻璃球体包裹的气体介质中，待处理污水介于玻璃球体和负极区域之间，气液放电优点在于气体密度远小于液体，可以在较小的功率和电压下实现放电处理效果，节约能源；既可以解决常规污染问题，也可以高效去除水中难降解有机物，同时通过人工湿地加速有机物的完全矿化过程。
附图说明
[0019]
图1为本申请的实施例提供的人工湿地污水处理装置的示意性结构图；
[0020]
图2为本申请的实施例提供的曝气装置的示意性结构图；
[0021]
图3为本申请的实施例提供的放电电极的示意性局部结构图。
具体实施方式
[0022]
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0023]
以下参考附图的描述为便于综合理解有权利要求及其等效内容所定义的本申请的各种实施例；这些实施例包括各种特定细节以便于理解，但这些仅被视为示例性的。因此，本领域技术人员可以理解对在此描述的各种实施例进行各种变化和修改而不会脱离本申请的范围和精神。另外，为简要并清楚地描述本申请，本申请将省略对公知功能和结构的描述。
[0024]
在以下说明书和权利要求书中使用的术语和短语不限于字面含义，而是仅为能够清楚和一致地理解本申请。因此，对于本领域技术人员，可以理解，提供对本申请各种实施例的描述仅仅是为说明的目的，而不是限制所附权利要求及其等效定义的本申请。
[0025]
下面将结合本申请一些实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0026]
需要说明的是，在本申请实施例中使用的术语是仅仅处于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一”、“一个”、“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相绑定的列出项目的任何或所有可能组合。表达“第一”、“第二”、“所述第一”和“所述第二”是用于修饰相应元件而不考虑顺序或者重要性，仅仅被用于区分一种元件与另一元件，而不限制相应元件。
[0027]
如图1所示，本申请提供了一种人工湿地污水处理装置，包括：上方开口的容纳腔1以及放电电极2；其中，所述容纳腔1内自上而下分别设置人工湿地层11、污水层12以及曝气层13；所述放电电极2插入并贯穿所述人工湿地层11至污水层12；所述放电电极2包括：负极21和正极22；所述负极21包括置于污水层的导电金属管211；所述正极22包括金属导线221，所述金属导线221延伸导电金属管211的中央位置；所述金属导线221被玻璃管222包裹，所述金属导线221的放电尖端被玻璃球体223包裹；当供电时，高压电由正极22的放电尖端透过玻璃管222中的空气，穿过玻璃球体223对周围导电金属管211放电。
[0028]
高压电源参数如表1所示，高压电源为高电压小功率脉冲电源(本发明的电极间距等参数经实验验证适用于该脉冲电源，可以根据电源电压和功率不同适当调整电极的尺寸)，当供电时，高压电由正极尖端透过玻璃管中的空气，穿过玻璃球体对周围不锈钢金属管放电，采用介质阻挡放电方式放电(玻璃作为绝缘介质阻挡)。放电处理污水区域为金属负极管中区域。随着不断有曝气气泡上浮至处理区域，同时被搅动的水体不断流动使污水源源不断进入该区域，一些难降解有机废物可以在此区域被降解，主要原理为放电电解水分子产生大量持续性较短但氧化性极高的活性自由基成分(
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oh为主)，同时因为高效曝气的微小气泡存在于放电区域内时，气体中的氧分子可以活化为臭氧进行氧化，此为次要机理，由于气液放电效果更好，气泡的存在有利于电能传输。
[0029]
表1高压脉冲电源参数
[0030]
电源参数高压脉冲电源输出峰值电压0～45kv可调(有效调节范围10～45kv)
输出峰值功率4kw频率30～200hz连续可调脉宽1us左右输出保护输出过压，输出过流，输出失调，负载电弧输入保护输入过压，输入欠压，输入过流安全保护接地保护，漏电保护，外控保护，过热保护响应时间1us输入对外壳电阻≥20mω输入对外壳耐压2000v/1min负载调整率0.5％保护功能输入过压，欠压；输出过压，过流，短路；整机过热效率≥85％整机过热保护阈值80～85℃绝缘电阻≥20m平均无故障时间≥10000h
[0031]
可选地，所述所述人工湿地层11包括：湿地底泥111和种植在湿地底泥111上的湿地植物112；所述人工湿地层11的底部设置透水板113以与所述污水层12分隔；外部污水渗过所述人工湿地层11并透过所述透水板113进入所述污水层12。
[0032]
可选地，所述曝气层13包括：多个曝气装置131；每个曝气装置131包括：由两根导电金属管垂直交叉，并形成沿垂直交点的中心延伸出的四个曝气短管，其中，每个曝气短管均向同一方向开设多个小开孔。
[0033]
可选地，所有曝气装置131均由一根曝气管132输送曝气气体；两根导电金属管的垂直交点处联通所述曝气管132；曝气管132以曝气气体作为动力旋转搅动污水，并将曝气气泡搅入污水中。
[0034]
可选地，所述放电电极2还包括：电极固定装置23，所述电极固定装置23插入并贯穿所述人工湿地层11至污水层12；所述导电金属管211连接于所述电极固定装置23的底部以置于所述污水层12中。
[0035]
可选地，人工湿地污水处理装置还包括：高压脉冲电源3；所述导电金属管211由导线4引出至外部，与高压脉冲电源3的接地负极相连；所述金属导线221与高压脉冲电源3的正极相连。
[0036]
可选地，所述电极固定装置23为pvc材质圆管；所述金属导线221为金属铜丝；所述导电金属管211为不锈钢材质。
[0037]
可选地，所述导电金属管211的内径为4cm；所述导电金属管211的长度5cm；所述玻璃管222的内径为0.6cm，且内部含有空气；玻璃球体223的直径为1cm。
[0038]
可选地，电极固定装置23中有多处固定点，通过绝缘物质将构成正极22的金属导线221和玻璃管222固定在电极固定装置23的中心位置。
[0039]
本申请还提供的人工湿地污水处理方法，包括：在人工湿地下部设置污水层；在污水层中设置曝气装置和放电电极；以置于污水中的导电金属管作为放电电极的负极；将被玻璃包裹的金属导线作为放电电极的正极并设置于导电金属管的中央位置，其中金属导线
的放电尖端被玻璃球体包裹；利用曝气装置搅动污水使污水以及曝气气泡进入导电金属管区域；高压电由正极的放电尖端透过玻璃管中的空气，穿过玻璃球体对周围导电金属管放电，以被污水进行降解处理。
[0040]
本申请将曝气设备设于人工湿地下方，提供大量气泡，在大量气泡的液体环境下，通过施加高压脉冲电源，形成气液放电，将高效曝气产生的气泡通过搅动水体的方式更充分与污水接触，并存在于放电区域有利于废水的降解处理。同时改进放电正极构型，在电源功率不变的情况下形成高压脉冲放电系统，最终利用高效曝气人工湿地耦合高压脉冲放电形成更有效的水处理系统；
[0041]
其中，改进放电正极构型可以正极在由玻璃球体包裹的气体介质中，待处理污水介于玻璃球体和负极区域之间，气液放电优点在于气体密度远小于液体，可以在较小的功率和电压下实现放电处理效果，节约能源；既可以解决常规污染问题，也可以高效去除水中难降解有机物，同时通过人工湿地加速有机物的完全矿化过程。
[0042]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。