介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置及方法

摘要

本发明公开了介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置，包括处理水箱，处理水箱内部设有空腔，处理水箱顶部设有进气口和出气口，处理水箱一侧上部设有进水口，处理水箱一侧底部设有出水口，装置还包括上电极板和下电极板，上电极板水平的设置于处理水箱的空腔的上部，下电极板水平的设置于处理水箱的底部之下，上电极板和下电极板在垂直方向上相对设置且分别连接到供电电源上；处理水箱一侧下部还设置有伸入空腔内的绝缘搅拌器件。本发明还公开了介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的方法。本发明优点：污水处理效率高、处理速率快，提高了藻细胞的灭活率和藻毒素的降解率，且装置成本低，操作简便，不产生二次污染。

说明书

技术领域

本发明涉及环境污水处理技术领域，尤其涉及的是一种介质阻挡放电等离子体高效处理 含藻污水的装置及方法。

背景技术

水体富营养化程度日益加剧导致蓝藻等浮游植物过度增殖，并释放出各种藻毒素，严重 危害人类健康和饮用水安全。目前，去除水中微生物及微生物产生的有毒物质仍是水处理技 术的难点，而常用处理含微藻污水的方法是使用化学杀藻剂、粘土、活性炭过滤、紫外光辐 照、微波处理等，它们往往有处理技术复杂、带来二次污染等问题，并且，一般的处理技术 和方法也不能同时处理藻及藻毒素。

等离子体放电技术是一种高级氧化技术，可以应用于污水处理上。等离子体放电过程很 复杂，在放电过程中产生大量带电粒子和活性物质，并伴随光、热、电、声等物理因素。等 离子放电产生的带电粒子包括离子和电子，并且产生激发态原子、分子(O₃，H₂O₂)以及大 量的活性物质(OH·，H·，O·等)。该技术操作简单、处理效率高、无二次污染，所以越来越 受到国内外研究者的关注。我们已有实验研究表明，等离子体放电可以同时杀死蓝藻细胞并 降解藻毒素，是一种非常有应用前景的技术。现在关于等离子体放电方式有多种，如何把等 离子体技术高效、方便地运用于含藻污水处理，正是本发明目的所在。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种介质阻挡放电等离子体高效处理含 藻污水的装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置，包括封闭的处理水箱，所述处理水箱 内部设有空腔，所述处理水箱顶部设有进气口和出气口，所述处理水箱一侧上部设有进水口， 所述处理水箱一侧底部设有出水口，所述装置还包括上电极板和下电极板，所述上电极板水 平的设置于所述处理水箱的空腔的上部，所述下电极板水平的设置于所述处理水箱的底部之 下，所述上电极板和下电极板在垂直方向上相对设置且分别连接到供电电源上，所述处理水 箱的空腔内用于容置待处理含藻污水，工作时所述空腔内的含藻污水的上表面与所述上电极 板的下表面之间间隔有间隙；所述处理水箱一侧下部还设置有伸入所述空腔内的绝缘搅拌器 件。

作为上述的介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置的优选实施方式，所述供电 电源为高压交流电源，所述高压交流电源连接有示波器。

作为上述的介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置的优选实施方式，所述上电 极板和下电极板均为不锈钢板。

作为上述的介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置的优选实施方式，所述处理 水箱为玻璃水箱。

作为上述的介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置的优选实施方式，所述进水 口和出水口外分别连接进水管和出水管，所述进水管和出水管上分别设置有阀门。

本发明还提供了介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的方法，其采用上述的介质阻 挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置进行处理，包括如下步骤：

(1)将待处理含藻污水投入处理水箱的空腔内，并在待处理含藻污水中加入氯化钠，空 腔内的待处理含藻污水的上表面与上电极板的下表面之间间隙不超过1cm；

(2)从进气口向空腔内通入空气，同时开启绝缘搅拌器件对待处理含藻污水进行搅拌， 然后启动供电电源，上电极板和下电极板之间开始进行低温常压等离子体放电，放电电压在 300V以上；

(3)在等离子体放电过程中，通过出水口处取样，测量其中藻细胞的浓度以及藻毒素的 浓度，从而获得不同时间藻细胞的灭活率以及藻毒素的降解效率，直至达到符合污水处理指 标后，关闭供电电源。

作为上述的介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的方法的优选实施方式，所述步骤 (2)中，从进气口向空腔内通入空气的气体流量为0.15L/min，输入电流为1.55-1.85A，放 电电压为400V，放电频率为9.5KHz。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明的装置利用介质阻挡放电等离子体放电装置，其在两块金属平板电极之间有气体 和水两种介质阻挡，易于产生低温常压等离子体；放电工作气体为空气，可以提高等离子体 氧化效率，并节约成本；工作电极为金属平板，可以通过增大工作电极的横截面面积而增大 待处理含藻污水的的横截面面积，从而提高了污水处理效率；增加了绝缘搅拌器件，放电过 程中可以进行搅拌，加快处理速率。此外，本发明的方法中，由于在待处理含藻污水中加入 合适的氯化钠，经试验验证，加入氯化钠可以提高藻细胞的灭活率，并加快藻毒素从藻细胞 内释放，从而提高等离子体降解藻毒素的效率。本发明的装置成本低，操作简单方便，处理 效率高，不产生二次污染，适于大范围推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的实验四中藻细胞的灭活率随时间变化示意图。

图3是本发明的实验四中藻毒素的浓度随时间变化示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，本实施例提供的介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置，包括封闭 的处理水箱1，处理水箱1由绝缘材料制成，可选为玻璃水箱。处理水箱1内部设有空腔， 处理水箱1顶部设有进气口4和出气口5，处理水箱1一侧上部设有进水口，处理水箱1一 侧底部设有出水口，进水口和出水口外分别连接进水管2和出水管3，进水管2和出水管3 上分别设置有阀门。装置还包括上电极板6和下电极板7，上电极板6和下电极板7优选为 不锈钢板。上电极板6水平的设置于处理水箱1的空腔的上部，下电极板7水平的设置于处 理水箱1的底部之下，上电极板6和下电极板7在垂直方向上相对设置且分别连接到供电电 源9上，供电电源9为高压交流电源，高压交流电源连接有示波器10，通过示波器10可以 观测电压、电流、频率和放电功率等指标。处理水箱1的空腔内用于容置待处理含藻污水20， 工作时空腔内的含藻污水的上表面与上电极板6的下表面之间间隔有间隙。此外，为了加快 处理速率，处理水箱1一侧下部还设置有伸入空腔内的绝缘搅拌器件8。

本装置是利用介质阻挡放电，其放电过程中在上电极板6和下电极板7之间有气体和含 藻污水两种介质阻挡，由交流高压电源供电，在合适的放电条件下，放电过程中伴随的光、 热、冲击波等物理因素以及产生的羟基自由基、双氧水等活性氧物质，能破坏藻细胞的细胞 膜和细胞质的结构，强氧化性自由基侵入细胞内部，多种损伤的协同作用使得藻细胞很快死 亡，杀死藻细胞并降解藻细胞释放的藻毒素。

本实施例还提供了介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的方法，其采用上述的介质 阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的装置进行处理，包括如下步骤：

(1)将待处理含藻污水20投入处理水箱1的空腔内，并在待处理含藻污水20中加入氯 化钠，空腔内的待处理含藻污水20的上表面与上电极板6的下表面之间间隙不超过1cm；

(2)从进气口4向空腔内通入空气，同时开启绝缘搅拌器件8对待处理含藻污水20进 行搅拌，然后启动供电电源9，上电极板6和下电极板7之间开始进行低温常压等离子体放 电，放电电压在300V以上；

(3)在等离子体放电过程中，通过出水口处取样，测量其中藻细胞的浓度以及藻毒素的 浓度，从而获得不同时间藻细胞的灭活率以及藻毒素的降解效率，直至达到符合污水处理指 标后，关闭供电电源9。

处理时，上电极板6下表面离待处理含藻污水20的上表面距离越小，所需施加电压就越 小；上电极板6下表面离待处理含藻污水20的上表面距离一般不超过1cm，交流电压在300 伏以上；放电时间可以根据处理水量及污水处理指标来控制和调节，可以通过随时取样测量， 判断其中藻细胞是否已经被杀死，以及藻毒素的含量是否被降解到可接受的浓度以下。

为了验证上述介质阻挡放电等离子体高效处理含藻污水的方法的效果，申请人特意做了 如下实验。

实验一

本实验仅对含藻污水中藻细胞的灭活效果进行检验。其所选用的装置中，处理水箱1容 量为25ml，上电极板6和下电极板7由直径为5cm的圆盘形的不锈钢板制成。本实验中待处 理含藻污水20的初始浓度为1.69*10⁷cells/ml，放电溶液体积3ml，放电电压400V，放电交 流频率为9.5kHZ，输入电流1.58-1.80A，通入空气的气体流量为0.15L/min。

所得的实验结果为：空气条件下放电30秒藻细胞的灭活率就可达90％以上。

实验二

本实验仅对单纯藻毒素的降解效果进行检验。其所选用的装置同实验一。本实验中选取 藻毒素初始浓度是2mg/L，放电溶液体积3ml，放电电压400V，放电交流频率为9.5kHZ，输 入电流1.85A，通入空气的气体流量为0.15L/min。

所得的实验结果为：空气条件下放电降解藻毒素的降解率达到90％以上只需30秒。

实验三

本实验同时对藻细胞的灭火效果和藻毒素的降解效果进行检验。其所选用的装置同实验 一。本实验中选取藻细胞初始浓度为1.69*10⁷cells/ml，放电溶液体积3ml，放电电压400V， 放电交流频率为9.5kHZ，电流1.58-1.80A，通入空气的气体流量：0.15L/min。

所得的实验结果为：空气条件下放电30秒藻细胞的灭活率就能达到90％以上，而藻毒素 降解的降解率达到90％以上则需时间180秒。这是因为藻细胞损伤后，藻毒素释放还需要一 定时间，随着放电时间的增加，损伤作用增强，细胞破裂加大，释放藻毒素加快，这时藻毒 素在等离子体强氧化条件的作用下被降解，因此相对于实验二中单纯检验藻毒素的降解效果 来说，本实验中藻毒素的降解率要达到90％以上会需要更长的时间。

实验四

本实验是在待处理含藻污水20中加入氯化钠的条件下，同时对藻细胞的灭火效果和藻毒 素的降解效果进行检验。其所选用的装置同实验一。本实验中选取藻细胞的初始浓度为 0.94*10⁷cells/ml，在待处理含藻污水20中加入氯化钠，氯化钠的体积摩尔浓度为0.2mol/l； 放电电压为400V，放电交流频率9.75KHz，电流1.55A，通入空气的气体流量为0.15L/min。

所得的实验结果参见图2和图3，从图2和图3可以看出，加入氯化钠后，藻细胞的灭 活率和藻毒素的降解率均明显提高。另外，我们通过实验表明，加入氯化钠后，藻细胞的灭 活率和藻毒素的降解率的提高效率与加入氯化钠的浓度正相关。例如，在氯化钠浓度为 0.2mol/l时藻细胞灭活率达到90％以上需要60秒，而对于氯化钠浓度为0.05mol/l时藻细胞 的灭活率达到90％以上则需要120秒。

本发明的装置利用介质阻挡放电等离子体的放电装置，其在两块金属平板电极之间有气 体和水两种介质阻挡，易于产生低温常压等离子体；放电工作气体为空气，可以提高等离子 体氧化效率，并节约成本；工作电极为金属平板，可以通过增大工作电极的横截面面积而增 大待处理含藻污水20的的横截面面积，从而提高了污水处理效率；增加了绝缘搅拌器件8， 放电过程中可以进行搅拌，加快处理速率。此外，本发明的方法中，由于在待处理含藻污水 20中加入合适的氯化钠，经试验验证，加入氯化钠提高了藻细胞的灭活率，并加快藻毒素从 藻细胞内释放，从而提高等离子体降解藻毒素的效率。本发明的装置成本低，操作简单方便， 处理效率高，不产生二次污染，适于大范围推广应用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。