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四川建筑科学研究第36卷第2期262SiehuanBuildingScience2010年4月基于空化原理的孔板污水处理设备性能模拟钱光毅(西南交通大学环境学院，四川成都610051)摘要：水是生命之源。但是，随着人类文明的发展，城市化和工业化进程的加快，水体污染加剧。污染物的成分逐年增多，传统的污水处理方法已经不能满足现代净化水的要求。通过一种新的污水处理方法——空化污水处理计算公式对不同孔的射流板的数值计算比较，得出9孔板的污水处理效果较好。关键词：污水处理；可持续发展；空化中图分类号：TU342文献标识码：A文章编号：1008～1933(2010)02—262—04CharacteristicanalysisoforificeplatesewagetreatmentequipmentbasedonthecavitationprincipleQIANGuangyi(EnvironmentalSchoolofSouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610051，China)Abstract：Wateristheoriginoflife．However，thewaterpollutionbecomesmoreandmoreaggravatedwiththeurbanizationandindustrializationprocess．Thetraditionalprocessingmethodsofsewagetreatmenthaven’tsatisfiedthepurifiedwaterrequirement．Anewsewagetreatmentmethod，namely，cavitationmethodiscalculated．Comparedthecalculationresults，the9orificesplatehavethebestabilitytodealwiththesewage．Keywords：sewagedisposal；sustainabledevelopment；cavitation象，由于液体中压力的变化而产生气泡的爆发和溃0引言陷现象。任何液体在其静止或运动过程中因受环境水是生命之源。但是，随着人类文明的发展，城和气体分子运动的影响，不可避免地会有一些气体市化和工业化进程的加快，水体污染加剧。在众多溶人，因此，液体中就会悬浮着一批气相的微泡，称的环境问题中，水污染和水资源短缺，将是今后相当为“气核”。当液体中的压力降到空气分离压以下长一段时间内全球最严重的问题之一。由于工业的时，溶解于液体中的气体突然迅速分离而产生大量迅速发展，污染物的成分逐年增多，传统的污水处理的气泡；当压力继续降低到该液体在此温度下的饱方法已经显得力不从心。因此，采用先进的水处理和蒸汽压以下时，除液体中所含气体析出而形成气技术，对于改善水环境和保护水资源具有重要意义。泡外，液体本身还会剧烈地汽化沸腾，产生大量的气传统的污水处理方法，包括水解法、光催化氧化泡。由于液体汽化和溶解气体的游离是向着作为核法等。水解法存在酸碱消耗量大，水解后进一步稀的空泡内进行，结果就形成充满空气和蒸汽的气泡。释消耗大量水资源等问题。光催化氧化法虽然氧化当这些气泡随液流进入高压区时，蒸汽高速凝结和效率较高，但存在药剂费用高、反应装置复杂、处理气泡溃灭，流体质点便向空腔中心高速冲动，产生强费用高等一系列问题。利用空化效应作为难降解废烈的冲击，结果使瞬时的局部压力和局部温度急剧水的处理方法，不仅可以有效去除许多难降解物质上升，这种现象被称为空化效应。水流产生空化后，和有毒物质，而且还具有无二次污染、反应装置简单在气泡溃灭瞬间，它周围极小的空化范围内会产生等诸多优点，是近年来比较受关注的新型污水处理高温和高压，温度能达到1900～5200K，压力可达方法引。到5．065x10Pa，温度变化率高达10K／s，并会以1基本原理每秒数万次连续作用产生强烈的冲击波和时速高达400km／h的射流，这种极端高温、高压、高射流又是1．1水力空化原理以每秒数万次连续作用产生的，从而引起了湍流效空化效应是发生在液体介质中的一种物理现应、微扰效应、界面效应、聚能效应。其中，湍流效应使边界层减薄，增大传质速率；微扰效应强化了微孑L收稿日期：2009-07-21扩散：界面效应增大传质面积；聚能效应活化了分离作者简介：钱光毅1965一)，男，四川富顺人，博士研究生，高级工程师，主要从事房地产管理。物质分子；从整体上强化了去除过程的传质速率和\n2010No．2钱光毅：基于空化原理的孔板污水处理设备性能模拟263效果。由于射流和涡流方法的处理过程可以在中等压力甚1。2空化降解原理至常压下进行，使作用过程的能耗大大降低，对设备关于空化降解机理有很多模型来解释，如：的要求也不高，应用这两种方法(即射流空化效应(1)“水相燃烧”反应机理。空化泡在正压相中和涡流空化效应)，可以在低成本下大量处理废水。绝热压缩而溃灭，在溃灭瞬间产生极短暂的强压力1998年Kalumuck等利用不同的空化喷射装置脉冲，气泡周围微小空间形成局部热点产生极端的在不同的操作条件下进行了降解P一硝酸苯酚的试高温、高压。Noltink等认为温度可达10000K，压力验。结果表明，水力空化确实对P一硝酸苯酚有降可达1000MPa，这种极端环境足以将泡内气体和液解作用，并且与超声方法相比，该装置的能效呈二次体交界面的介质加热分解，从而促进了有机物的方比例增加J。“水相燃烧”反应。2001年Sivakumar等成功地采用孔板水力空(2)自由基反应机理。在空化作用产生的高化装置处理了KI溶液、若丹明B化合物和印染废温、高压下，水分子裂解产生自由基(·OH)。自由水。试验表明，空化强度和空化数可以用不同的孔板基可在空化气泡周围界面重新组合，或与气相中的进行有效控制，水力空化装置可有效处理该类废水。挥发性溶质反应，或在气泡界面区(也可能在本体)射流空化多用孔板装置来实现，孑L板是一块具溶液中直接与可溶性的溶质发生反应，形成最终产有圆形开孔的金属薄板，圆孔壁与孔板前端面呈直物。在含有聚合物的多相体系中，由于空泡溃灭时角，安装时，孔板轴心与管道轴线同心，可以增加空在流体中可产生强大的剪切力，会使大分子主链上化强度Ⅲ。的碳键发生断裂，产生自由基而引发各种反应。魏群等利用多洞孔板对含有若丹明B染色剂(3)声场在介质中传播时产生机械扰动，伴随的模拟印染废水进行了降解试验研究。结果表明，扰动又产生了压力、张力、切应力、压缩等物理现象，多洞孔板对若丹明B确实有降解作用，同时存在一从而强化了过程的动量传递、热量传递及质量传递个最佳的多洞孔板的面积比，并且降解速率常数随的速率，提高了废水处理速率并增强了处理效果。修正空化数的减小而增大j。进人空泡中的水蒸汽发生分裂及链式反应，反空化降解可以处理很多有毒的有机物，这些有应式如下：机物包括二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、I，2一二氯高温高压乙烷、1，1，1一三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、一氯H20一·OH+·H(1)三氟甲烷、三氯三氟乙烷、苯酚、2一氯苯酚、3一氯苯·OH+·HH202(2)酚、4～氯苯酚、邻苯二酚、对苯二酚、苯醌、五酚盐、2·H—H2(3)对硫磷、对硝基苯酚、甲醇、乙醇、酮类、醛类、艾氏空泡崩溃产生冲击波和射流，使·OH和H：0剂、3，3’，4，4’一四氯氧化偶氮苯、2一联苯、2，4，8一进入整个溶液中，为化学反应提供了一个极特殊的三氯苯并呋喃、变丙体六六六和石蜡等。物理化学环境。声化学反应包含热解反应和氧化反大量研究表明，射流空化独特的物理化学环境，应两种类型：对于易挥发的有机物主要参加前者反可开辟新的化学反应途径，加快化学反应速度，对有应，即类似燃烧化学反应使其彻底降解，因它们在空机物具有很强的降解能力。对以上有机物均有很好化崩溃过程中，空泡内存在不易或难挥发的有机物，的去除效果，一般经过持续作用最终可达到完全矿主要发生氧化反应。因空化产生的强氧化剂H：0化。和具有高度化学活性的游离基·OH在空泡崩溃瞬2空化降解性能模拟间使气液界面上和溶液中有机物氧化。水力空化又分射流空化和涡流空化。空化射流根据空化机理，国外一些学者利用不同的空化就是用空泡溃灭引起的极大冲击力来加强其清洗和发生器装置在废水处理领域展开了研究。本文基于破碎能力]。空化水射流化学效应主要表现在两Sivakumarm9的空化装置，对空化进行了研究。个方面：热效应和氧化效应，空化效应从而使溶液中2．1模型参数的有机物由大分子链变为小分子链的过程，从而实空化装置如图1所示。空化装置由水泵、管道、现空化射流对污染水体中有机物的降解。阀门、压力表、水箱、空化器组成。水泵提供动力源，射流空化效应和涡流空化效应具有普遍的适用在空化器内实现空化和化学反应。压力表1和压力性，不但可以降解一般有机物，即使对微生物也可以表2保证空化器前后的压差。通过破坏细胞壁的方式对其氧化分解。与超声降解空化装置中的反应器是孔板结构。孔板位于一只适用于小范围的有机废水不同，射流和涡流方法管道中，流体通过主流通道，遇到孔板，面积突然缩可以通过循环的方式实现对污水的较大规模处理。小，流速急剧升高，压力降低。当局部压力低于该温\n四川建筑科学研究第36卷结气体含量；是表面张力系数；M是摩尔质量；R是气体常数；是气体含量。2．3空化性能分析管道进口给定流速，出口给定压力。湍流模型采用RNG一模型进行求解。计算求解得到管道内孔板后空化发生后的气体含量分布，如图3所示。标尺为气体含量。从3种孑L板结构的射流空化装置来看，3种不同数目的孔均达到了产生空化的要求。图1空化装置生成的气体含量不同，可以看到25孔的射流装置产度下液体的气化压力时，空化发生。射流板结构如生的空化气体最@为严重。充满了射流板后面的管图2所示，本文选取了25孔、9孔、8孔3种射流板道。但是，过多的空化气体也可能阻塞流道，造成流结构进行了对比。管道直径50mm，孔板直径45体的流动困难。mm，小孑L直径4mm。每个小孔相当于一个文托里管，孔的数目控制空化程度。孔的数目提供了巨大的灵活性，可以控制进口压力、进口流速和流体温度。一秀时圈H¨H咐OO0009孔啪㈣图2射流板结构2．2数学模型8孔空化的物理过程是一两相流过程，采用混合流体模型来处理气液两相。连续方程、动量方程和体积组分方程，来求解流场中的速度和压力。opm一+：0f41OtOxj监+立+：～Ot3Xj3xia[(／z+／xt)(詈+詈一ij)](5)图3气体含量分布图4是空化压力系数的比较，纵坐标是压力系Ot+O-Pl(++一)(6)x；、、数，横坐标是管道轴线的无量纲尺度。压力系数定式中P是密度；是粘度；m，f是下标，分别代表混义为：合相和液相；I／,是速度矢量；i，，k是3个方向的分Cp-P-Pv(9)量。空化模型是基于蒸发凝结原理的质量传输方程，当局部压力低于汽化压力时(PP)发生凝结。蒸发和凝结源项分别用rh，一来表示。当p<腕一=C挚((Pv-P)(7)当=c2((P—P)(8)式中C=0．13，C2=0．O1，r=0．0001，是不可凝图4空化压力系数的比较\n钱光毅：基于空化原理的孔板污水处理设备性能模拟265从图中可以看出，当流体流过孔板，发生射流空程可以促使氧化反应，产生更多的小分子，提高化学化，流体中的压力发生急剧下降。8孔和9孔的孔反应速率。板压力变化趋势相似，经过孔板，压力系数从28降为一2，25孔的孔板压力系数变化从l2变为一2。一定面积的孔板，孔的数目过多，造成射流相互干扰，射流扰动影响了空化性能。2．4降解性能分析流体为含有氛的工业废水，水的化学需氧量(COD)含量为42000mg／L和总有机碳(TOC)含量为14000mg／L，pH值为1．7。氧化剂是零价态的氧化铁和1900m#L的双氧水溶剂。图5总有机碳(TOC)含量随时间的变化关系当水溶液中发生空化时，物系可分为空化气泡、空化气泡表面层和液相主体3个区域。空化气泡由3结论空化气体、水蒸汽及易挥发性溶质的蒸汽组成，在空泡崩溃的极短时间内，气泡内的水蒸汽可发生热分本文通过射流空化计算，分别计算了9孔孔板、解反应，产生·H和·OH自由基，易挥发溶质的气8孔孔板、25孔孔板的空化特性。通过化学反应速态分子也会直接热分解。空化气泡表面层是围绕气率和总有机碳的去除率的比较，说明9孔孔板的污相的一层很薄的超热液u(0相cLL)，层u9I，f此处存在高浓度的水处理效果最好。·OH，并且水呈超临界状态，极性难挥发溶质可在参考文献：该区域内进行·OH氧化和超临界氧化反应。在液相主体所处的环境条件下，在前2个区域中未被消[1]王惠敏，孙三祥．水力空化及其研究现状[J]．甘肃科技，2005，21(12)：12—15．耗完的氧化剂(如·OH)会在该区域内继续与溶质[2]周乾兴．污水处理新技术研究[J：．中国工程咨询，2003，(6)：进行反应，但反应量很小。一般而言，水中有机污染4345．物的降解主要发生在空化气泡及其表面层这2个区[3]AnandGChakinala，ParagRGogate，ArthurEBurgess．Treatment域，降解途径为直接热分解、自由基氧化和超临界氧ofindustrialwastewaterefinentsusinghydrodynamic『J]．Uhrason—化等3种途径¨。icSonochemistry，2008，15(1)：49-54．[4]葛强，李晓红，卢义玉，等．空化射流处理有机废水的机理水中发生的化学反应如下列化学方程式所示，[J]．重庆大学学报(自然科学版)，2007，30(5)：11-23．空化产生的高温、高压，极大地提高了化学反应速[5]杨庆，张建民，戴光清，等．空化形成机理和比尺效应[J]．水率，提高了大分子有机物的分解程度。力发电，20o4，30(4)：56-59．Fe。+2HFe+H2(10)[6]杨清文．水射流技术的研究进展和展望[J]．煤矿机械，2001，Fe+H202—Fe。+HO一十HO·(11)(11)：4_6．[7]李国良，王西奎，王金刚，等．空化降解水中有机污染物的研究H202—2HO·(12)进展[J]．济南大学学报(自然科学版)，2006，2(11)：34-37．H202+HO·一H20+HO2(13)[8]肖磊，邹华生，钟艳玉，等．超声技术降解对氯苯酚的研究Fe+H202—}Fe(OOH)+H(14)[J]．环境科学与技术，2005，28(6)：72-75．高温高压[9]ManiekamSivakumaLAniruddhaBPandit．WastewatertreatmentaFe(OOH)¨～Fe+HO：(15)novelenergyeficie~hydrodynamiccavitationaltechnique[J]．ul—trasonicsSonochemistry，2002，9(9)：123—131．Fe。+2Fe¨_3Fe(16)[1O]魏群，肖波．水力空化降解印染废水的初步研究[J]．环境Fe。+HO2"Fe+H+02(17)工程，2007，25(2)：21_24．图5是经过化学反应后，污水中的有机物含量[11]王夙，孙三祥，高孟理．水力空化降解若丹明B研究[J]．中随时间变化关系。横坐标是时间，纵坐标是总有机国给水排水，2004，20(12)：4648．[12]魏群，高孟理，孙三祥，等．水力空化降解若丹明B的试验研碳(TOC)的无量纲参量。9孔孑L板的降解程度最究[J]．兰州理工大学学报，2005，31(4)：75-78．高，TOC移出率达到了52％，降解的时间最快，这是[13]魏群，肖波．水力空化技术在废水处理中的研究与应用进由于空化极大地促进了化学反应。空泡动力学表展[J]．中国给水排水，2007，23(2)：13一l6．明，空泡溃灭可以产生高温、高压，这一条件可以促[14]宁平．超声空化降解水中有机污染物的研究进展[J]．化工使泡内水分子的分解，提高·OH的浓度。空化过环保，2002，22(5)：265-267．