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等離子體廢水處理技術研究

2009/3/14

Technology of Plasma Induced Wastewater Treatment
摘要：主要分析了各種廢水處理技術的優缺點，提出了一種新型等離子體處理廢水的方案，說明了利用低溫等離子體是一種新型的具有廣闊應用前景的廢水處理一體化技術。并對產生等離子體的脈沖電源進行改進，建立了等離子體廢水處理工藝流程。



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.





關鍵詞：廢水處理，等離子體，脈沖電源
Keyword：wastewater treatment, plasma, pulse power supply







引言
水是人類社會賴以生存和發展的寶貴自然資源。由于世界各國工農業迅速發展，城市人口急劇增加，大量生產和生活污水排入江河、湖泊及滲入地下，使眾多水源遭受污染，廢水處理成為解決環境污染的關鍵。廢水包括生活廢水和工業廢水。生活污水是人們日常生活中產生的各種廢水的總稱。主要包括糞便水、洗浴水、洗滌水和沖洗水等，其來源除家庭生活廢水外，還有各種集體單位和公用事業等排出的廢水。本文所研究的技術適合生活廢水的處理，具有廣闊的國內外市場前景。1 水處理技術的比較

在多數情況下，廢水的處理是去除水中混入的有機物，衡量水質狀況和有機物含量的主要技術指標是pH、CODcr、BOD5、SS、動植物油、色度、氨氮、磷酸鹽等。常規的水處理技術有生物處理法和物理化學絮凝法，它們有各自的使用范圍和特點。目前新型的水處理方法是等離子體法。





1.1 生物處理法
生物處理法利用生物細菌的作用，將水中有機物轉化成CO2 或CH4 排出，但生物菌的增殖與死亡會使活性污泥量大增，污泥分離處理環節多，時間長，工程投入大，操作要求高，并且廢水中有些物質不能被生物細菌同化，有些物質還會抑制細菌的生長。





1.2 物理化學絮凝法
物理化學絮凝法可以高效快速地從水中除去懸浮狀和膠體狀的有機物，但是它很難去除水中溶解性有機物。應用膜工程納濾、超濾、電滲析等精密過濾的方式，可以去除水中的雜質，但它們的使用條件要求較嚴格，投資大。近幾年，隨著對低溫等離子體技術的深入研究，新型的等離子體水處理技術正在為人們所關注。





2 低溫等離子體水處理技術
2.1 技術原理
低溫等離子體廢水處理技術是一種兼具高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光分解三種作用于一體的廢水處理技術，這三種方法協同作用時，等離子體是具有化學反應性的，是由電子、正負離子、激發態的原子、分子以及自由基等粒子組成的。自由基可無選擇地與廢水中污染物發生反應，直接將其氧化為CO2、水或鹽，不會產生二次污染，是一種高效節能型的廢水處理技術。等離子體自由基氧化反應是水的濕法氧化反應，其原理是水在外界條件參與下，與氧氣反應生成強氧化性的OH•等自由基,OH•等再與水中有機物反應生成CO2, 將有機物去除。





2.3 等離子體生成的方法
2.3.1 表面放電法
表面放電的主體是結構致密的陶瓷(陶瓷管或瓷板)，在陶瓷的內部埋有金屬板作為接地極，陶瓷的一側表面上布置導電條件作為高壓電極，另一側作為反應器的散熱面。在中、高頻電壓作用下，放電從放電極沿陶瓷表面延伸，在陶瓷表面形成許多細致的流注通道。與其他放電方式相比，表面放電的功率消耗大，放電過程中發熱比較嚴重，常需在反應器的外部強制冷卻，能量利用率不高。另外由于放電只集中在陶瓷表面附近，所提供的等離子體反應空間亦不夠，加上結構復雜，不便于實際應用。





2.3.2 電子束照射法
電子束照射法是利用電子加速器產生的高能電子束，直接照射待處理氣體，通過高能電子與氣體中的氧分子碰撞，使之解離，電離，形成等離子體，繼而與污染物反應，使之氧化去除。雖然電子束法具有很好的降解效果，但它也存在著一些缺陷:一是容易產生X 射線，工業應用時必須建有混凝土防輻射工程，裝置不能移動:二是電子線照射產生臭氧，對裝置有腐蝕，對周圍環境也有害;三是采用的電子槍價格昂貴，電子槍及靶窗的壽命短，設備結構復雜。上述原因限制了電子束法的應用。





2.3.3 脈沖電暈法
80 年代初期，日本的Masuda 提出了脈沖電暈放電等離子體技術。該法的等離子體產生機理與電子束照射法基本一致，都是利用電子的作用使氣體分子激發、電離或離解，產生強氧化性的自由基。但是，脈沖電暈放電等離子體技術產生電子的方式與電子束照射法不同，它是利用氣體放電過程產生大量電子，電子能量等級與電子束照射法電子能量等級差別很大，僅在5-20eV 范圍內。與電子束照射法相比，該法避免了電子加速器的使用，也無須輻射屏蔽增強了技術的安全性和實用性。脈沖電暈法的最大優點就是能起到電子束法同樣的作用而又克服了電子束法的缺點，它省掉了大功率、需長期穩定工作的昂貴電子槍，避免了電子槍壽命和X 射線屏蔽問題，目前是國內外廣泛關注的技術并最具有良好應用前景。本文所用的方法即為脈沖電暈法。





3 等離子體技術廢水處理工藝
3.1 主要技術指標
污水的組成成分極其復雜，難以用單一指標來表示其性質。最常用的指標主要有消耗水中溶解氧的有機污染物綜合指標生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)，還有通常在生活污水中不含有毒性物質。根據環保要求，污水處理后一級排放指標如表1 所示。





表1 主要指標
Tab1 the main index







項 目	排放指標（mg/L)
pH	≤6-9
CODcr	≤100
BOD5	≤20
SS	≤70
動植物油	≤10
色度	≤50
氨氮	≤10
磷酸鹽	≤0.5





3.2 技術路線
利用脈沖電暈法產生等離子體進行水處理的設備主要分為兩大部分：高壓脈沖電源和反應器。高壓脈沖電源用于產生等離子體；反應器則利用產生的活性物質以及伴隨產生的熱、光、波等效應來凈化水質。應用于水處理的高壓脈沖電源其電壓脈沖寬度要求在納秒級。因為高壓脈沖放電處理水要求陡前沿、窄脈沖電源系統，這樣才能保持穩定地生成低溫等離子體，并得到強電場并達到節能的目的。水中高壓脈沖放電電壓上升時間一般<100ns，脈沖寬度<700ns。這樣就可以在不使電場內的離子加速的情況下單使電子加速，形成無需屏蔽的高能自由電子，而這些高能自由電子將促使有機物的激發裂解或電離。通常高壓電源不能在液相溶液中直接產生電暈放電，但在氣相中卻可以產生較大空間范圍內的電暈放電。只要在氣液相間的系統中實現氣相電暈放電，就能形成等離子體與水中污染物接觸的條件。為此，放電等離子體注入方法必須解決的問題是：創造一種與一定容積的液體之間有盡可能大的氣液接觸面積的反應條件。經過優化選擇，我們選擇的是水中氣泡放電廢水處理裝置。水中氣泡放電廢水處理裝置是含氣泡液體流經外殼絕緣的高壓電場，當雙極性窄脈沖施于兩極板時，將使每個小氣泡發生放電，可以處理大流量的水。該工藝中，放電等離子體與水溶液的接觸面積大，氣液混合均勻。


3.2.1 電源
等離子體電源采用脈沖電源供電，放電極直接置于水中，放電使是該裝置的關鍵設備，其性能和參數將直接決定反應器內等離子體的狀態，從而影響水處理的效果。為了持續穩定地生成和維持低溫等離子體，高壓脈沖必須具有脈沖前沿陡峭、脈沖寬度窄的特點，以得到強電場并達到節能的目的。該裝置采用空載峰值30kV、上升時間100ns，滿載峰值25kV、30A、脈寬<300ns，脈沖頻率1-10kHz 可調的快脈沖電源。傳統的脈沖電源多為利用火花隙作為開關產生脈沖，但是火花開關壽命較短，該電源采用新型電力電子開關器件代替火花隙，這樣可以大大的提高開關的壽命以及電源工作的可靠性和穩定性。脈沖電源電路原理圖如圖1。脈沖電源原理為交流電經過變壓器后輸出1.5kV 的交流電，經過電容C1、C2、C3和二極管D1、D2 所組成的倍壓電路后，成為3 kV 的直流電。達到3 kV 后給硅堆觸發信號，開關（硅堆）被直流電擊穿，從而在水間隙中產生等離子體。






圖1.脈沖電源原理圖.jpg (29.54 KB)


2008-10-25 16:40

3.2.2 工藝流程建立
脈沖電源液中放電污水處理系統由等離子體發生與自由基注入系統、高效傳質反應器、臭氣凈化等幾部分組成，形成廢水污染物降解、消毒滅菌和臭氣凈化的一體化。工藝流程如圖2 所示。空壓機將壓縮空氣通過微孔曝氣供氣系統對廢水進行鼓泡，提供高強度氣液傳質，在放電等離子體自由基作用下快速完成有機物的降解、消毒滅菌，水面逸散的廢氣被集氣系統收集，經放電等離子體氧化除臭后凈化排放。實驗測量特定廢水處理前后水質指標，評價處理系統的處理能力、效果、能耗、影響因素以及經濟性。






氧化反應罐.jpg (108.46 KB)


2008-10-25 16:29




圖2 等離子體技術廢水處理工藝工藝流程

4 結論
國內外的眾多研究表明，等離子水處理技術是近年來引起人們極大關注的一項利用高電壓放電處理廢水的新技術，能處理其他方法難處理的一些廢水。等離子體法具有廣闊的應用前景，被認為是21 世紀最有前途的廢水處理的技術。本文通過研究，提出了一種新型的等離子體處理廢水的方案，采用脈沖電源產生等離子體，把傳統的脈沖電源中的火化隙改為可控硅串并聯，很好的解決了火花隙壽命短的問題。對于本工藝流程下的等離子體廢水處理效果及各影響因素，有待深入研究。本項目得到臺達電力電子科教發展基金（2007）的資助。

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