基于脉冲高压电源的污水处理技术研究与进展毕业论文

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1、基于脉冲高压电源的污水处理技术研究与进展摘要：随着环境污染的日趋严重，环境治理与保护已成为不容忽视的全球性问题。令人值得关注的是。脉冲电源技术最近几十年在环境治理和保护领域中蓬勃发展，显示出了广阔的应用前景。因此脉冲电源技术关互不干涉工程领域的应用自然地成为国内外学术界的研究热点。本文在总结有关研究成果的基础上，首先简单介绍了脉冲电源的基本的工作原理和主要发展方向，最后论述了脉冲电源在废水处理中的应用以及存在的问题和未来发展的前景展望。关键词：高压脉冲；污水处理；环保；4Pulsed high voltage power supply based on sewage treatment tec

2、hnology research and progressAbstract: With the growing problem of environmental pollution, environmental management and protection should not be overlooked has become a global problem. It is worth noting is. Pulsed power technology in recent decades in the environment and protection of the area of

3、governance to flourish, showing that a broad application prospects. Therefore pulse power technology related field of noninterference in each others works as a natural application of academic research hot spots at home and abroad. At the conclusion of this article on the basis of research results, f

4、irst of all briefly introduced the basic pulse power of the working principle and the main development direction, and finally on the pulse power in wastewater treatment applications, as well as problems and prospects for future development. Key words: high-voltage pulse; sewage treatment; environmen

5、tal protection;目 录第1章 绪论11.1脉冲功率技术11.2污水处理技术21.3国内外发展现状41.3.1高电压水处理应用技术41.3.2高压脉冲放电水处理的研究新进展5第2章 脉冲放电污水处理原理112.1机理112.2基本电路结构112.2.1 针板式放电反应器122.2.2 线板式反应器132.2.3 点板式放电反应器132.2.4 板板式放电反应器142.2.5 线网板电极形式反应器152.2.6 线筒式DBD放电水处理反应器152.2.7 针板式DBD放电反应器162.3反应器各元件172.4污水达标检测评价18第3章 放电处理污水影响因素203.1臭氧203.2电解

6、法213.2.1原理213.2.2法拉第电解定律213.2.3电解法在废水处理中的应用213.2.4电解槽的结构形式和极板223.2.5微电解223.3还原法223.3.1还原法除铬233.3.2还原法除汞233.4污水成分233.4.2处理含氰废水263.2脉冲参数303.3反应器结构32第4章 放电污水应用与展望334.1目前工业/试验具体应用334.2技术上发展中的问题、将来方向35结论37致谢词38参考文献39第1章 绪论1.1脉冲功率技术环境治理方面的传统的废水处理方法，主要有物理方法、化学方法(如吸附、沉降、絮凝)及生物化学方法。生物方法用于处理工业污水和生活废水，因其成本低、操作

7、运行管理方便等特点在水污染治理方面具有相当的优势。但是同时，因为各种生物、化学方法存在着占地面积大、污泥处理及二次污染等问题，在一些难生物降解的工业废水及对生物有毒性的污水处理方面尤其突出。近年来，将高电压技术应用于难处理的工业污染物质及其污水的深度处理的研究，在国内外引起了许多研究者们的关注。该方法利用放电产生的低温等离子体，作用于被处理废水，降解难生物降解的污染物，而且对处理对象无选择性，通常可以将污染物彻底氧化除去，不存在二次污染问题，呈现出良好的应用前景。脉冲功率科学技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压- 大电流技术融为一体的新型学科。“脉冲”表示在时间间隔宽度内输出的量

8、数值，“功率”是单位时间内的能量（J/s），合义便是以脉冲形式出现的功率（单位时间能量），即“脉冲功率”。脉冲功率技术与高功率脉冲电源中国科学院电工所最近研制成功的“50kW/40kHz高压稳压电源|稳压器”代表着国内高频大功率开关电源的先进技术水平。，是本世纪30年代产生，60年代以来迅速发展，并逐渐形成一门独立学科的新兴技术领域。脉冲功率技术，是把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，将能量进行压缩与转换，然后在极短的时间（最短可为纳秒）以极高的功率密度向负载释放的电物理技术，实质上是输出功率对输入功率的放大。高功率脉冲电源则是为脉冲功率装置提供电磁能量的电源，构成了脉冲功

9、率装置的主体，几乎包含了脉冲功率装置的全部。高功率脉冲电源要实现小功率能量输入、能量压缩放大再输出。通常把在时间109103秒内产生106109焦耳能量，脉冲功率达1061014瓦的电脉冲装置定义为高功率脉冲电源。 高功率脉冲电源主要由初级能源（输入级）、中间储能、以及能量转换和释放系统（输出级）组成。初级能源为小功率的能量输入设备，如电容器的充电机、电感线圈的励磁电源、飞轮电机的拖动电机。其能源来自电网；中间储能设备有以电容器和Marx发生器为例的电场储能，以常温或超导电感线圈为例的磁场储能，以各类具有转动惯量的脉冲发电机为主的机械储能，以蓄电池、磁流体发电机、爆炸磁通压缩发生器为代表的化学

10、储能，以及以核能磁流体发电机为例的核能初级能源，等等；能量转换与释放系统主要包括各种大容量闭合开关和断路开关及各种波形调节技术设备。在处理污水方面具有相当广阔的前景。1.2污水处理技术高压放电现象能在在水溶液中发生并且发展，要求水中必须有一定的电场强度，电场的大小主要取决于高压电极的极性及水的电导率 LuNcki，PCrcc-s，J D JayaramS Staron，J MazurekRecord of the 1996 lEEE lnternational Sympo sinm onElectrical Insulation199631：2882- 2886Gehman，V+H Grips

11、hover，R J Berger，T L Bowen，S PZiaR KP Tenth，IEEE，International Pulsed PowerG,nferenee1995：550 557。水(或者水溶液)中的电场力随着水(水溶液)电导率的增加而降低，而导通时间却反而增加 4Gehman，V+H Gripshover，R J Berger，T L Bowen，S PZiaR KP Tenth，IEEE，International Pulsed Power G,nferenee1995：550 557。较低的电导率下，放电作用产生稳定放电状态的可调电压范围小，放电作用容易向火花放电发展，溶

12、液的电导率较高，放电产生电晕流注的长度将变短。而且，活性物种的产生效率下降。对水中放电机理的研究表明，场致电流的加热作用及其电子轰击作用，使高压电极周围产生气泡 Clments J S ，Dubbelman T IVLttT，Van Steveninchk JPreliminary investigation of prebreakdown phenomena andchemical reactions u ng a pulsed high voltage discharge inliquid water IEEETtans On Ind and Appl 1988，24。Jones，H M

13、Kunhardt，E EPulsed dieletric breakdown ofpressurized water and salt solutions J Ph D：ApplPhys1995，77(2)：795805 6Jones，H M Kunhardt ICDL96 12th International Conference on Conduction and Breakdown in Dielectrie Liquids1996 365 368，当气体的密度下降到一定值时气泡发生电子雪崩。因此，水中放电的发生及其发展通过放电极周围气泡的作用而导通。在被处理水溶液中通入气体，可以使得放

14、电极周围有更多的放电初始气泡，降低因气泡产生而消耗的部分能耗，提高放电作用水处理的效果。单纯水中放电的热致空化作用，对放电电极具有较大的腐蚀性能 Goryaehev，V L Ufimtsoy，A A Khodakovskii，A M Pis Zha1 Tekhnicheskoi Fizika1997，23(5)：386-387。水中曝气可以改善空化的影响，简化放电的发生，延长电极的寿命。同时气体中放电利于电子的加速，使得电子的平均自由程增加，易于获得高能电子，利于生成较多的活性物种。 Bing Sun Masayuki Sato，J S Ciements Use of pMsedhjghvol

15、tage discharge for removal of organic compound inaqueous solution J Phy I3 Applied Phy ，1999，32： l908一l9l5 气泡的大小及其均匀性，对放电的状态有较大影响 Daalason A LHaglerM 0 Kristianaen，M Jackson， G Hatfield Electrode IEEE Trans Pksftla Sel，1984 PS_12(1)：28 38。研究发现，较小(直径m级)的气泡可以使放电易于发生。放电的流注通道长度与施加的放电电压、脉冲的宽度、水的电导率等有关 2C

16、lments J S ，Dubbelman T IVLttT，Van Steveninchk JPreliminary investigation of prebreakdown phenomena and hemical reactions u ng a pulsed high voltage discharge in iquid water IEEETtans On Ind and Appl 1988，24。在点板式结构的反应器中，纯水(或者水溶液)放电过程很容易由流注电晕放电向大的火花放电发展。火花放电的初始电压由供电的峰值电压决定。火花放电的电流密度较大，使得产生的等离子体为热态等离子

17、体。伴随放电的同时有紫外光和活性自由基的产生。这对放电处理水中的有机物很有利 B sun，Masayuki Seto，et al Opitical study of active apeciesproduced by a pulsed corona diharge in water JElectrostatics，199739 189 202 B slln，Masayuki Sato，et al Nonuniform pll1se dischargeinducedrad；cal production in distilled water J Electrostatics 199843：l15

18、126。放电的发生使得气体分子、水分子发生电离和活化作用，在空间生成大量的活性原子、自由基及其激发态分子 。放电过程中活性自由基主要在放电通道的周围产生 9：B sun，Masayuki Seto，et al Opitical study of active apeciesproduced by a pulsed corona diharge in water JElectrostatics，199739 189 20210B slln，Masayuki Sato，et al Nonuniform pll1se dischargeinducedrad；cal production in dis

19、tilled water J Electrostatics 199843：l15 126。放电的流注通道长度与所加的放电的电压、脉冲的宽度、水的电导率等有关。时伴随着放电有紫外光 9：B sun，Masayuki Seto，et al Opitical study of active apeciesproduced by a pulsed corona diharge in water JElectrostatics，199739 189 20210B slln，Masayuki Sato，et al Nonuniform pll1se dischargeinduced ad；cal prod

20、uction in distilled water J Electrostatics 199843：l15 12614 J ML noA Kurahashi，M manoS Ishida，T NagataIAS 97 Cord ereace Reta rd of the 1997 IEEE Industry， l997 3：2032- 2036 urahashi，MKatsura，S Mizuno，A 1996 Joint IEJESA sympium on electrostatics Selected Papers，1997、射线、超声等现象的发生。上述这些作用的综台效应，打断水中的污染物

21、质某些化合键，发生降解和破坏作用，实现净化和杀菌目的。1.3国内外发展现状1.3.1高电压水处理应用技术1.3.1.1臭氧技术高电压水处理中最早、最广泛的应用是制备臭氧。1840 年发现臭氧，1845 年， 纯氧同电火花作用制得臭氧，1857 年研制首台臭氧发生器，1886 年开始用作杀菌剂试验，1898 年，出现新的原型板式臭氧发生器，并用于规模化水处理厂中。目前， 臭氧已广泛用于饮水消毒。上世纪70年代，美国首先采用臭氧进行城市污染处理。作为废水预处理的重要组成部分，臭氧也可同时与过氧化氢、紫外光、活性炭和固体催化剂等联用处理，效果更佳 Masten S J et al. The use

22、of ozonation to degrade organic contaminants in wastewaters . Envion Sci Technol ,1994, 28 (4) :。臭氧产生的原理，是突变电场(工频、高频或脉冲电场) 作用下气体分子中原有少量载流子(电子和离子) 从外电场中获得能量，使其加速运动与气体分子碰撞、电离，氧分子分解成氧原子并在10 ns内重新结合成臭氧。臭氧有极强的氧化能力， 脱色、脱臭、杀菌、消毒效果显著，高于常用的液氯和次氯酸钠， 尤其是没有二次污染问题，但生产效率低，成本较高。臭氧制备的理论效率2 kg(kWh )，实际用空气制备只有理论的(45)

23、 %， 约为4658 g(kWh ) ，用纯氧可提高到10%。效率低下的主要原因是电极的感应加热损耗， 因此电极结构的合理性至关重要。目前研究重点为电极类型、电源频率、空气干燥度和压力、冷却温度等。高压脉冲可提高臭氧生产效率两倍，高频陶瓷沿面放电技术可解决发生器小型化、实用化问题 Masuda S et al. A ceramic2based ozonizer using high 2 frequency discharge. IEEE IA,1988,24 (2) :，低温等离子技术也可大为提高臭氧生成效率及浓度， 但目前工业生产成本尚未显著降低， 这个领域仍吸引了许多研究者。1.3.1.2

24、高压静电水处理技术60年代末，美研制成功第一台静电水垢控制器，1975 年我国也研制成功并已大量运行。空调、制冷、热交换、冷却循环、锅炉等系统，使用的冷却水极易起垢和滋生菌藻。为消除影响，起初多用机械法和酸碱法。但前者劳动强度大且除垢不彻底、周期长；后者易腐蚀设备， 引起公害。后来，大多采取化学药剂置换、软化、絮凝进行给水预处理，但使用不便，也容易污染环境。目前都致力于物理法预处理技术，即将水经过诸如磁场、高频电场、电解、静电等处理后送入用水系统。一般认为静电场的阻垢去垢杀菌灭藻机理 Reimers et al. DDE Report ,1986 是电场改变了水分子的物化性质； 电场作用引起电

25、子与水中的矿物质碰撞，使成垢物的结构发生变化； 水中铁离子扮演重要作用；活性氧自由基的化学作用对水中的细菌具有极强的破坏能力；一定强度的电场也会使水中藻类细胞破坏。高压静电水处理技术虽已大量应用， 但还缺乏较为全面的、系统的相关理论。1.3.1.3电解法处理废水最早用于废水处理的电解法 董业斌等1 高压脉冲电解处理印染废水1 辽宁城乡环境科技, 1996,16 (4) :19 属于低电压范畴， 但其机理对高电压处理废水有参考价值。电解法可分为电解氧化法和电解絮凝法 主要是从三维电极的原理出发,配以催化氧化技术.当污水流经电解复合床时,在一定的操作条件下,装置内便产生具极强性能的羟基及新生态的混

26、凝剂,这样,污水中的污染物便会发生诸如氧化分解、混凝、吸附等反应,进而在水中加入催化剂和凝聚辅助剂产生高效化学作用,并经过滤器的吸附沉淀后,污水中的有机物迅速去除,污水中COD、BOD、SS、LAS的去除率分别可达92%、92.6%、93.6%、99.1%.。电解氧化法用惰性电极， 电解产生的氯气、ClO2等可氧化有机物或某些有毒物质， 近年来随着材料科学的发展，已经开发出耐用、长寿、高效的金属阳极，使电耗降低很多，但由于影响因素较多，对实际工业废水的效果还不理想。电解絮凝法用直流电溶解铁阳极， 产生的亚铁离子在弱碱性和中性介质中生成氢氧化亚铁和氢氧化铁沉淀， 并充当絮凝剂从而去除无机和有机污

27、染物。由于废水的电导率对电解法处理效果影响很大， 一般适用于含盐废水。使用脉冲电源可提高电解法的效率。1.3.2高压脉冲放电水处理的研究新进展1.3.2.1脉冲电场杀菌消毒脉冲电场杀菌消毒的方法最早是使用射频电场。由于电场2 kVcm，不能致死细菌，应用有限。1967 年，英国发现25 kVcm 直流脉冲能有效致死营养细菌和酵母菌 Sale et al. Effects of high electric fields on microorganisms . Biochem Biophys Acta ,1967,148:，使得前景看好。脉冲电场杀菌消毒产生的电解产物和水温升高都不是致死原因，灭活

28、率由电脉冲宽度和数目的乘积及水中电场强度决定。各种细菌对电场具有不同的敏感度，其中酶母菌比营养细菌更敏感，细菌的芽孢忍耐电场高达30 kVcm。实验观察到了血红细胞和原生质的溶解，细胞间物质的泄漏， 大肠杆菌的失活以及B- 半乳糖苷酸的松驰。推断是电场使细胞膜的半渗透性壁垒功能产生了不可逆的破坏并导致细胞的死亡。80 年年代后期以来，日本的脉冲电场杀菌消毒研究比较活跃。MizunO 将酵母菌或杆菌散布在w (NaCl ) = (13)% 的溶液和去离子水中，用不同的电极测试 Mizuno A et al. Destruction of living cells by pulsed high 2

29、 voltage application. IEEE IA,1988,24 (3) : ，线2圆筒电极能在线电极附近形成非常强的电场强度，而棒2棒会形成放电电弧，产生强烈的冲击波，通过机械力毁坏细胞。细菌存活率大致遵循Weibull 分布，即R = exp (- XNW )，R为存活率，N为脉冲次数，W 为输入能量，X为常数。不同类型电极所需能量明显不同。R 293 Jcm3，棒2棒只需2019 4118Jcm3。计算与测试表明，电容储存的能量与消耗在液体中的能量偏差10%，即几乎所有的贮存能量都被液体消耗，火花间隙和脉冲供能电路的能量损耗可被忽略。用平行板电极挖两个小孔洞试验，发现用Um =

30、30 kVcm 的脉冲电场作用60120 次后，SVDV 病毒灭活， 能量输入为1811536511Jcm3。灭活后，SVDV 蛋白质外壳形状不变，但是SVDV 核中的RNA消失并可以观察到颗粒状空洞。EHV 21病毒也在同样电压下作用45 次后灭活，可观察到被破坏的DNA。M. SatO认为使用针板或棒2棒这类不规则电极，会发生电弧或火花放电并产生一些化学活性基的原因。此时，除物理效应(电场或冲击波击穿细胞膜) 外，还要考虑化学效应杀死微生物。过氧化物等作用于生物分子，会破坏DNA ，导致细胞死亡。电弧放电发射的光谱分析可探测到H 基和OH 基的产生，通过分光光度计的吸收光谱探明了过氧化氢的

31、存在。另外，水的电导率对化学活性物种的形成也有影响，在一定电导率下可获得OH 基和过氧化氢的最大质量浓度。水中脉冲放电产生的OH 基对酵母菌的生存几乎没有危害。而过氧化氢能杀死酵母菌细胞，而且随其质量浓度的增加，细胞存活率按对数值线性下降 Sato M et al. Formation of chemical species and their effects on microorganisms using a PHVD in water . IEEEIA,1996,32 (1) :。因此，推断过氧化氢是放电生成的唯一重要的杀菌氧化物。使用高压脉冲杀灭磷肥缓冲溶液中乳酸杆菌细胞，发现存活率随着

32、电场强度、处理时间和液体温度的增加而下降，主要原因为电场使细胞壁破裂，而非欧姆热效应 Jayaram S et al. Kinetics of sterilization of LB cells by the application of HVP. Biotech Bioeng.1992,40 (12) : ；新的杀菌方法使用了相对低的温度和较短的处理时间，可降低液体食品营养成份的损失，是一种极好的液体食品杀菌法。1.3.2.2脉冲电场的食品杀菌食品工业一直采用热处理杀菌消毒，但极大地影响食品色、香、味及营养成份。而新的非热处理如添加防腐剂、辐照灭菌、物理处理、冷藏等方法等存在各自的局限性。脉

33、冲电场(或放电) 可以有效杀灭液体中的细菌。其实际应用须解决3个问题： 否引起新的污染；是否比传统方法有明显的经济优势；实现规模化。强脉冲电场，特别是高压脉冲放电产生的强烈冲击波以及紫外光、强电流、臭氧等综合效应较直流电流和低频交流电压，更能有效杀灭微生物，能量利用率更高。电解损耗、电解的化学产物以及冲击波、紫外线等对食品成分的分解都可能给食品引入新的污染，因此连续放电电弧杀菌并不适用于食品加工业。一般认为持续时间很短(1 100Ls)的高压脉冲电场(PEF ) ，能使电解分解等不利因素降至最低。电子核磁共振法(EPR )检测表明，处理后试样内未发现自由基的增加、产生和引入新自由基。因此，脉冲

34、电场杀菌比起加热处理、辐射处理等有明显的经济优势。输入能量相同时，比较方波脉冲、指数衰减脉冲、振荡衰减脉冲、钟形脉冲的处理效率，方波脉冲最佳， 振荡衰减脉冲最差。每个脉冲能量25212J 时， 方波脉冲能量效率可达91%， 而指数衰减脉冲仅64%。双极性方波脉冲效果又比单极性好， 是较为理想的电源 Zhang Q H et al. Inactivation of SC in apple juice by square2water and exponential 2decay PEF. Food Process Engi ,1994,117:。有效灭菌的电场一般20 kVcm，而高压装置输出电压

35、瞬时值有限，故电极间隙一般为数mm，脉冲能量也限制了电极面积，所以放电处理室容积90%，同时COD 明显下降，BOD5 有所上升。说明放电破坏了染料分子，提高了溶液的可生物降解性，是一种有前景的染料处理新方法。改进装置后试验活性染料、直接染料、酸性染料、碱性染料等都取得效果良好的除色。目前，工作重点在机理探讨、装置优化等方面展开。高压脉冲放电水处理 随着污染日趋严重，水环境质量恶化趋势进一步发展，使得传统水处理方法受到更严峻的挑战。不断增加的工业废水，正成为水质污染的第一杀手。随着水中有机污染物增多，饮用水中一贯采用的氯化消毒法产生的具有“三致”作用的有机卤化物的数量及种类不断增加，开始严重威

36、胁人类的健康。电工技术已渗透到环境保护领域，尤其是高电压脉冲放电水处理由于下述特点正成为国内外的研究热点：高电压脉冲技术有利于实现高能化；快速的脉冲放电，可对处理的液体介质施加很高的瞬时功率；液体介质中脉冲放电伴随的液电效应有光、热、力、声等物理效应及各种化学效应的协同作用。可拓展到降解各种难处理工业废水、有机农药、特种有害物质等方面，发挥更大的作用。由于高压脉冲放电水处理横跨电工、环境、化学、微生物、物理、工程等多门学科，是典型的学科综合交叉，迄今的研究还很不够，尚需一个相当长的发展过程，尤其是在实际应用方面。JSClments等 2Clments J S ，Dubbelman T IVLt

37、tT，Van Steveninchk JPreliminary investigation of prebreakdown phenomena andchemical reactions u ng a pulsed high voltage discharge inliquid water IEEETtans On Ind and Appl 1988，24首先利用点板式结构对局部放电、丝状流注、微放电作了详尽的观察研究。发现，放电作用使周围的水温度升高，热态作用产生细微气泡，在电场中发生微放电。放电产生的臭氧浓度为0. 5mgL，这种形式的放电对水的处理效果良好。Masayuki SatO等指

38、出，水溶液中,脉冲电晕放电作用可以产生H、HO等自由基，随着放电的进行，水(溶液)的电导率升高，H自由基的产生量下降，而HO 自由基却先上升后下降,并在电导率为10-5sscm处达到极大值。SatO等同时发现，OH 自由基在水中可以结合成水分子，杀菌实验表明，OH自由基对杀菌没有效果，而起主要作用的是双氧水。不管是流注放电还是火花放电，都能够产生双氧水，在相同输入能量的前提下，火花放电产生的双氧水的浓度高于流注放电 。SatOshi Ihara等利用的反应器处理水，结果发现反应器中的臭氧的产生量为3.40g(kWh)。而在通人微气泡的状态下,观察到了微放电的发生，但是却测定出水中舍有较少的臭氧

39、 satoshi lhara Tomoald Miichisaburoh Satih Ozone generation by a discharge in bubled writer Jpn J ApplPhys，199938：460l 4604。这一点和我们前期的研究结果有相似之处。高压放电处理含酚水溶液的研究结果表明，液面上的气体放电处理含酚水溶液时，作用机理是利用自由基的扩散及其被处理物质的挥发来完成。该方式的能耗比在单纯水中放电产生等离子体处理水的能耗要低很多。酚溶液的TOC(总碳)分析表明，气体通入时，86 的TOC得到了降解，对排出的CO2的分析检测结果证实，75 的TOC转化成C

40、O2 21Bing Sun Masayuki Sato，J S Ciements Use of pMsedhjghvoltage discharge for removal of organic compound inaqueous solution J Phy I3 Applied Phy ，1999，32： l908一l9l5。水中脉冲放电方法降解酚，无气体通人时，酚的降解程度和溶液的pH值没有关系，通入气体，则pH对放电方法处理水有很大的影响，较高的pH对酚类的处理不利。O2的通人可以增强处理效果 A K ShamaB Rloeke，PArce，W C，FineneyA prelimin

41、ary study for pulsed streamer eJorolla discharge fordegradation of phen ol in aqueous solutions HazardousW aste Hazardous M at#r1993，10：209 219。对放电的产物的检测表明，放电过程中有对苯酚、邻苯酚 Bing Sun Masayuki Sato，J S Ciements Use of pMsed hjghvoltage discharge for removal of organic compound inaqueous solution J Phy I3

42、 Applied Phy ，1999，32： l908一l9l5、DHB及其对醌的生成，另外，还产生甲酸、乙酸等有机酸。由于放电的产物本身相当复杂，因此，对于产物的分析鉴定，还需要做更多的后续工作。对于直接蓝2B染料溶液，初始pH940时，上清液COD呈现先下降后上升的趋势；色质连用对产物的分析表明，可生成有机酸 Daalason A LHaglerM 0 Kristianaen，M Jackson， G Hatfield Electrode IEEE Trans Pksftla Sel，1984PS_12(1)：28 38 ；在较高的电压下，溶液的pH对脱色效果几乎没有影响，若脉峰值电压较低

43、，pH的影响显著；盐类的加入对脱色的效果也有一定的影响 李劲，李胜利等高压脉冲放电对印染废水脱色实验 研究环境科学，1996，17(1)：13一l5。对于水溶液中的苯乙酮，高压脉冲放电处理30min，苯乙酮的降解速率可以达到92 放电过程中向反应器里通人空气、氧气以及臭氧等气体对于苯乙酮的降解有利。三种气体中，通入臭氧的效果要明显高于其他两种气体 文岳中，姜玄珍等高压脉冲放电降解水中苯乙酮的研究 中国环境科学，199919(5)：406 409。39第2章 脉冲放电污水处理原理2.1机理高压脉冲放电等离子体废水处理技术作用机理主要包括，放电产生的高氧化活性强氧化物质(OH、O等自由基及其 、H

44、2 等)的作用、紫外光辐射、高能电子的轰击作用等，达到将有机污染物质去除的目的 。放电过程中发生的相关反应主要有：放电作用产生的这些活性氧物种，及其高能电子轰击污染物质中C-C键及其不饱和键，发生断键和开环等一系列反应，或部分使大分子物质变成小分子，从而提高难降解物质的可生化性，乃至最终的去除。 2.2基本电路结构放电反应器设计，是该方法中的核心部分，它的结构好坏直接决定了该方法对水处理的效果。高压放电水处理反应器根据放电发生情况的不同可以分成水包气(水中放电)和气包水(气体中的放电)两种形式。而根据放电对象的不同，前者可以分为水中气体(曝入气体)放电和水的放电。后者又可以分成气体的放电和气体

45、中水雾放电。气体环境中放电处理水的装置如图1、图2、图5和图7所示。其中前两种形式的放电方式因其放电形式及传质问题，在实现对水的处理时受到限制；图5形式的反应器利用两相流的作用，提供较好的传质面积；而水包气形式的反应器(图3、图4所示)是国内外研究者们采用较多的放电形式。放电反应器的开发不仅要求具有较好的电学特性，而且要兼顾化学传质难易。理想的放电反应器不仅易于发生放电反应产生低温等离子体，而且能使其和水充分接触，达到充分去除水中污染物的目的。常用的放电反应器形式主要有如下几种。2.2.1 针板式放电反应器这种结构的反应器，由两块相互平行的相距一定距离的极板构成(如图1所示)。上板布有细针状高

46、压电极，下面板(即水平的液面)接地。施加脉冲高压，使两电极之间的气体因放电作用而导通。利用放电作用产生的活性自由基、紫外光、高能电子的轰击作用，使水得到处理。这种放电反应器因为两电极间的电场不均匀而易于发生放电，缺点是水膜的厚度要求有一定的限制，太厚容易使下层的水得不到处理。图l 针板式放电反应器结构简图2.2.2 线板式反应器线板式反应器使用特制的放电线作高压电极，在脉冲高压的作用下发生气体放电从而达到水处理的目的。其优点是结构简单、易于制造和安装，但其也存在着水厚度受限制的问题。图2 线板式放电反应器结构简图2.2.3 点板式放电反应器现在的研究中，采用比较多的是这种形式的反应器(见图3)

47、。该形式的反应器结构灵活，可以做成圆形、方形等各种型式。反应器内可以通入空气、氧气或者其他的气体，也可以不通。由于这种结构的反应器高压电极直接放在水中，随着放电通道在水中的发展，放电产生的活性自由基、紫外光等直接和水接触，利于对水的处理。气体的通入，不仅利于放电的发生，产生更多的强氧化性自由基，而且曝气可以使水发生机械搅拌作用，改善溶液的流体力学状态，利于传质作用的发生。图3 点板式放电反应器结构简图 (该方法还包括不进气的情况)2.2.4 板板式放电反应器板板式反应器(见图4)的放电极板直接暴露在水中，曝入的气体在高电压作用下发生放电作用，从而使水得到处理。此种放电反应器的缺点，是放电产生的

48、放电电流较大。放电处理效果和气泡的大小以及气泡的分布情况有关图4 板板式放电反应器结构简图2.2.5 线网板电极形式反应器线网板形式的反应器见图5所示。其原理，是借助与外力的作用使水雾化(或者水膜)进入放电反应区，形成气液两相流，从而提供了较好的放电区和传质区。气、水组合状态下，进行气中的脉冲电晕放电，产生的非平衡态等离子体直接与水接触，造成一个具有多种综合作用的处理环境，实现对水的净化。图5 线同板电极结构简图2.2.6 线筒式DBD放电水处理反应器俄罗斯首先使用这种结构的反应器(见图6)来处理水，并对高压脉冲方法杀菌的效果进行了研究。研究结果表明，这种结构的反应器与其他形式的反应器(板板式

49、等)相比，效果明显。后来捷克的PSunkaV Bicky也曾利用类似结构的反应器处理含酚废水，与点板式结构的反应器相比，取得了较好的效果。图6 线筒式DBD放电水处理装置图2.2.7 针板式DBD放电反应器这种反应器的处理装置如图7所示，多针的电极，被用作高压电极，而接地电极放置在容器的底部，针尖和溶液的液面具有一定距离，玻璃容器壁充当放电介质。介质的存在可以限制放电的发生和发展，进而阻止放电向火花放电发展。气体中的放电可以产生多种活性物质，但是存在着自由基向溶液液面扩散的问题。此种方法对容易挥发有机物的处理效果较好。图7 针板式DBD放电水处理装置图2.3反应器各元件ns级脉冲电源主要有脉冲

50、变压器式电源、空心变压器(Tesla)谐振充电式电源和磁压缩式电源3类 赵君科、任先文、王保健等脉冲电晕等离子法烟气脱硫脱硝技术进展 四川环境 2000 19（4）6 ，各有优缺点。脉冲变压器式电源原理见图8，其直流高压电源DC通过电感 L和变压器T对电容C谐振充电到峰值后接通开关S，使电容c放电形成脉冲。脉冲变压器式电流技术较为成熟，但因采用了变压器铁芯材料而限制了脉冲前沿的陡度。图8脉冲变压器式电原理图典型空心变压器(Tesla)谐振充电电源原理见图9 ，C1 L1和C2L2 构成双谐振回路，C3S3。用于压缩脉宽。空心变压器式电源可得到快速上升的脉冲，但受脉冲形成大电流开关(如火花间隙、

51、赝火开关和电晕稳定开关等)的限制，其使用寿命短。图10：空心变压器式脉冲电源原理图脉冲磁压缩电源用坡莫合金及金属玻璃等磁性材料作铁心，可得到大功率、快上升、高频的窄脉冲 。但高频、快上升脉冲系统对磁性开关材料选择较苛刻，技术不太成熟。有些文献 赵君和，夏连胜，任先文 陡前沿纳秒脉冲电源的研制 高压电技术 1999 25（2）44提出的脉冲电源原理见图11。其工作过程为：先由直流高压电源给电容C 充电到峰值后，闸流管S 导通，C 对C 充电，C 充电完成后断开S并开通Sz，cz通过升压脉冲变压器给脉冲形成线 (PFI )放电，PFI 的电压达到峰值后，磁开关S 饱和开通，PFI 输出高脉冲电压到

52、负载上。该电源结合脉冲变压器技术和磁压缩开关技术可得到ns级脉冲，缺点是输出电压变化范围较小，其关键是动态负载下磁开关S 的设计。图11：脉冲电源原理图目前ns级脉冲电源技术工业化的主要障碍：脉冲电源和反应器负载的有效匹配问题没有解决 Bonifaci N, Denat A ,atrazhev V ,et al. the pulsed corona discharge in liquid argon lndus applications conference ,2000(2)739_742 。电源寿命短；可靠性设计水平不高；效率低，能耗高。2.4污水达标检测评价2.4.1实验设备与方法采用WY

53、KL直流稳压稳流电源，TDS220数字示波器。人工配制染料废水，采用的染料有分散黑、直接黄、中性黑、酸性黑、弱碱深蓝、活性艳橙。采用电解槽降解染料废水。考察不同形状的铁电极、不同的电极间距以及不同形状的电解槽对染料降解效果的影响测试了COD和色度的变化情况。2.4.2分析项目与方法COD：标准重铬酸钾法：色度：稀释倍数法。选用了5种不同电极：铁板、16目铁网、8目铁网、4目铁网以及打上不规则小孔的铁板(有尖端)，进行了电解试验。采用矩形电解槽(450150x150)，电极尺寸为145145，3对电极，间距60 mm，电压为恒压30 V。以活性艳橙染料为例，配制溶液浓度为300 me-L的染料废

54、水，总量为9 000 mL。采用的电极不同，色度和COD去除效果存在一定差异。在该试验所采用的5种电极中，网状电极和带孔电极比板状电极都更具优势。网状电极和带孔电极处理效果好，可能与其具有尖端效应f电场分布不均匀尖端处场强最大，由于冷核聚变产生真空能)有关。在处理较短时间(10 rain)内，不论是从色度还是从COD的去除效果来看，8目电极都具有比较明显的优势其次为不规则孔电极，但不规则孔电极的人为因素较多，难制作加工。与COD去除率相比，色度去除效果更为明显，当处理时间为10 min时色度去除率为60；处理时问超过20 min后，色度去除率接近100。电解脱色效果好，可能与在电解过程中产十的

55、Fezt有关。Fe2+及其水解产物形成絮凝，通过对染料分子的氧化还原及粘附作用而使溶液达到良好的脱色效果。此外，在试验过程中发现电流、温度均有明显上升说明能耗较大。由于未向染料废水中添加盐类，溶液电导率较小，而实际染料废水均含有盐分，电导率较高，所以电解实际染料废水时能耗要相对小些。使用处理效果最具优势的8目铁网作为试验电极。在前面的试验中，由于所用电极数日较少(6片)，电极间距大，使得反应时间较长，温升比较大能耗大。因此，增加电极数目，同时缩短电极间距，使用23片电极(12阴11阳，电极间距15 mm)进行试验电压为恒压30 v。用了分属6类的染料试剂(分散黑、直接黄、中性黑、酸性黑、弱碱深

56、蓝、活性艳橙)配制成废水进行了电解试验。在23片8目铁网电极条件下6种染料废水的COD和色度去除率分别从COD和色度去除率的时间变化来看，不同染料废水的COD和色度去除率均十分明显。反应速度明显加快。仅6 min，反应基本上可以达到稳定，COD和色度去除率分别可达75和90以上。而且从试验现象中看出，在23片电极条件下的处理过程中。温升不明显。最大增幅仅为4 K。说明适当减小极板间距，不仅可以加快反应速度，增加单位时间内的处理量，而且可以减少能耗。从试验数据看出，COD下降明显，2rain后，COD去除率达到60，4rain后，COD去除率达到80；色度去除率更加明显，几乎随处理时间的增加而线

57、性增加到3 min时，色度去除率就已达到80。达到国家排放标准。第3章 放电处理污水影响因素3.1臭氧3.1.1 臭氧是优良的氧化剂 ，可以杀灭抗氯性强的病毒和芽孢；3.1.2 臭氧消毒受污水 PH 值及温度影响较小； 3.1.3 臭氧去除污水中的色、嗅、味和酚氯等污染物，增加水中的溶解氧，改善水质。 3.1.4 臭氧可以分解难生物降解的有机物和三致物质，提高污水的可生化性。3.1.5 臭氧在水中易分解，不会因残留造成二次污染。 臭氧水处理的影响因素：臭氧在用于饮用水消毒时具有极高的杀菌效率，但在应用污水消毒时往往需要较大的臭氧投加量和较长的接触时间。其主要原因是污水中存在着较高的污染物如 C

58、OD 、 NO 2 -N 、色度和悬浮物等，这些物质都会消耗臭氧，降低臭氧的杀菌能力，只有当污水在臭氧消毒之前经过必要的预处理，才能使臭氧消毒更经济更有效。臭氧与污水的接触方式传质效果也会影响臭氧的投加量和消毒效果。（1）水质影响：主要是水中含 COD 、 NO2-N 、悬浮固体、色度对臭氧消毒的影响。（2）臭氧投加量和剩余臭氧量：剩余臭氧量象余氯一样在消毒中起着重要的作用，在饮用水消毒时要求剩余臭氧浓度为 0.4mg/L， 此时饮用水中大肠菌可满足水质标准要求 . 在污水消毒时 ， 剩余臭氧只能存在很短时间 ， 如在二级出水臭氧消毒时臭氧存留时间只有 3-5min 。所测得的剩余臭氧除少量的

59、游离臭氧外，还包括臭氧化物、过氧化物和其他氧化剂。在水质好时游离的臭氧含量多，消毒效果最好。（3）接触时间：臭氧消毒所需要的接触时间是很短的，但这一过程也受水质因素的影响，另外研究发现在臭氧接触以后的停留时间内，消毒作用仍在继续，在最初停留时间 10min 内臭氧有持续消毒作用， 30min ，以后就不在产生持续消毒作用。（4）臭氧与污水的接触方式对消毒效果也会产生影响，如采用鼓泡法 别用沉积法和鼓泡法测定了不同钙含量的自来水样和标准水样中同剂量、同一水处理剂的阻垢性能。结果表明,鼓泡法适用于高钙水样和低钙水样中水处理阻垢性能的测定;在测定水处理剂的阻垢性能时,应采用和实际水样钙离子含量相似的

60、标准水样,才能准确地反映出其实际应用时的阻垢性能。，则气泡分散的愈小，臭氧的利用率愈高，消毒效果愈好。气泡大小取决于扩散孔径尺寸，水的压力和表面张力等因素，机械混合器、反向螺旋固定混合器和水射器均有很好的水气混合效果，完全可用于污水臭氧消毒。3.2电解法3.2.1原理电解法就是利用电解原理处理废水的方法。在废水的电解处理过程中，因阴极与电源负极相连，放出电子，废水中的阳离子则在阴极上得到电子而被还原，阳极与电源正极相连，得到电子，废水中的阴离子则在阳极上失去电子而被氧化。因此，废水中的有害物质在电极上发生了氧化还原反应，生成了新的物质，新的物质则过沉积在电极表面或沉淀于水中或转化为气体而被去除。3.2.2法拉第电解定律电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应的物质的量与通过的电量成正比，在电极上析出或溶解1mOl的任何物质时，都需要96500库仑的电量，这就是法拉第电解定律。3.2.3电解法在废水处理中的应用利用废水中物质通过电解后能沉积在电极表面的特点，处理贵重金属废水，同时又能回收纯度较高的贵重金属，如含银、含汞废水的电解处理。利用废水中的物质通过电解后能沉积于水中的特点，处理重金属有毒废水，此时，一般以铁、铝为电极，极板溶解下来的铁、铝离子兼有混凝作用，有助于沉淀分离，如含铬废水的电解处理。利用废水中物质