圆形孔口多孔板对降解混合物废水的影响

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(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

近年来，水污染越来越严重，例如2005年11月中石油吉林石化公司双苯厂苯胺车间发生爆炸事故，导致约100 t苯、苯胺和硝基苯等有机污染物流入松花江，发生重大水污染事件.硝基苯无色剧毒，常用于有机合成，染料和农药等领域.对硝基苯酚是医药、农药和染料等精细化学品中间体，停留在自然界中时间较长，难被生物降解，是USEPA列出的优先控制污染物之一[1]，也是我国水环境要优先控制的污染物之一.常规处理很难净化，相对来说新型水处理技术更有长远意义.2001年Sivakumar等[2]采用孔板水力空化装置成功处理了印染废水和Rhodamine B，结果表明不同孔板能有效控制空化强度与空化数，可有效处理该类废水.张晓冬等[3]对KI溶液分解反应进行了实验研究，结果表明水力空化能够引发或强化某些化学反应，其作用强度取决于空化发生的状态、空化引发自由基的数量和反应物浓度等.俞小伟等[4-6]利用掺气泡对空蚀区空化水流特性进行研究，陈圻圻等[7-8]利用FLOW-3D软件分别对三角形孔口及方形孔口多孔板的水力空化特性进行了数值模拟，得出三角形孔口多孔板、矩形孔口多孔板均能达到增强空化的作用，多孔板的水力空化特性不仅与流速有关，而且还与多孔板的孔口形状、孔口大小及布置方式有关.现基于浙江工业大学水动力学实验室设计的水力空化装置，探究了文丘里管与圆形孔口多孔板的不同组合装置在不同条件下对降解硝基苯和对硝基苯酚混合废水的影响.

1 水力空化装置与方法

试验装置是以水力空化反应装置为核心组成的封闭水力循环系统.水箱中的水经两台串联离心泵，抽送到压力管然后分流，一部分水通过主管线进入空化反应器，经转子流量计汇入水箱，另一部分水通过旁通管回流水箱，调节实验流量实现循环.水力空化反应装置由文丘里管与圆形孔口多孔板段组合而成，一部分为文丘里管水力空化装置，文丘里管入口段与出口段都为方形断面，喉部两侧及顶部用有机玻璃加工而成.另一部分为圆形孔口多孔板水力空化发生装置，孔板为50 mm×50 mm×5 mm的不锈钢板，其参数见表1.其后为方形观察段，其两侧及顶部用有机玻璃加工而成，多孔板嵌入在观察段进口处，观察段前端与文丘里管扩散段连接，后端通过方圆接口与管路连接.

表1 圆形孔口多孔板的几何参数

试验用废水为对硝基苯酚与硝基苯的混合物，其配比为1∶1，相应的初始质量浓度分别为5，10，20，30，50，75，100，125，150 mg/L，针对各变量采用单因素分析法分析污染物的降解率.试验流量采用玻璃转子流量计进行量测；废水循环周期通过时间间隔来调节；采用双光束紫外可见光光度计(TU-1901)对混合物废水进行分析，用质量浓度分别为5，10，20，30，50，75，100，120，150，200 mg/L的邻苯二甲酸氢钾标准溶液绘制COD与吸光度的关系曲线，曲线方程为

A=0.006 56C-0.002 31

(1)

式中C为邻苯二甲酸氢钾溶液的质量浓度(mg/L).取样测定水力空化作用后的混合物的吸收光谱，根据Beer定律和COD换算公式，最终得到混合物废水的质量浓度.

2 实验结果与讨论

2.1 圆形孔口多孔板孔径的影响

实验过程中，采用圆形孔口多孔板1和4处理混合废水，在开启两台串联水泵进口压力为0.8 MPa的工况下，针对不同质量浓度运行60 min后取样分析，结果如图1所示，开孔数量一致情况下，孔径大的圆形孔口多孔板处理效果好.这是因为在孔口数量相同的情况下，孔径增大，使多股射流间距缩小、射流掺混剧烈，以致紊动强度增加.能使水流较为均匀的流出，出流更加顺畅，孔板处的平均流速也相应增大，其相应的空化数减小，空化强度增强.

图1 多孔板孔径对降解率的影响

2.2 圆形孔口多孔板孔口数量的影响

在相同工况下，采用圆形孔口多孔板3和4处理不同质量浓度的硝基苯和对硝基苯酚的混合废水，结果如图2所示.在孔口直径相同的情况下，孔口数量愈多，处理效果愈好.开孔数量多，经过孔板的流量就增多，则局部阻力损失也相应增大，孔口形成的多股射流相互掺混卷吸程度越强，在液体内部更容易产生高紊动剪切场，可以使其更容易产生更多的空泡，空泡溃灭的作用力就越大，空化作用就越强.

图2 多孔板孔口数量对降解率的影响

2.3 混合物废水初始质量浓度的影响

图3为硝基苯与对硝基苯酚混合物初始质量浓度对降解率影响的试验结果，从图3中不难看出：混合废水初始质量浓度越高，其降解率越大，但当初始质量浓度超过50 mg/L后，降解率逐渐变小，由此可知质量浓度为50 mg/L左右的废水降解率最大.在这个浓度下空化气泡可以完全的与有机物颗粒接触反应，而低浓度由于空化泡存在富余浪费，空化效果不完全；高浓度在空化泡用尽之时还有有机物未被降解，因此导致降解率低.

图3 初始质量浓度的影响

2.4 运行时间的影响

运行时间对降解率的影响如图4所示，可知在30～45 min内降解速度最快，且时间越长降解率越高.这是由于循环的废水连续不断地通过文丘里管和圆形孔口多孔板，持续两次空化，·OH产量增加，随着时间的增加，废水受到空化作用的次数增多，降解污染物更有效.

图4 运行时间的影响

2.5 水温的影响

水力空化机理为:空泡溃灭时形成局部高温、高压并瞬间释放的能量可破坏水分子结合键，产生化学性质活泼的·OH，而·OH及其生成的双氧水H2O2是强氧化剂，有助于强化各种物化反应.硝基苯和对硝基苯酚废水的水力空化降解涉及单分子均裂反应的各种类型，如单键断裂成自由基、重排、开环等反应类型，而空泡溃灭时大量产生的·OH可加强这类复杂的反应.图5结果显示：在液体未沸腾的情况下，高温条件下的降解率比低温时大，说明高温下产生了更多的·OH，从而使C—O键和C—N断裂的速率比低温时快得多，提高了COD的降解率.

图5 水温的影响

3 结 论

通过利用文丘里管与圆形孔口多孔板组合的水力空化装置在不同情形下对硝基苯与对硝基苯酚混合物废水的处理及分析，结果表明:在孔口直径相同的情况下，孔口数量愈多废水处理效果愈好；在开孔数量相同的情况下，孔径大的圆形孔口多孔板的废水处理效果好；降解率受废水溶液初始浓度的影响，对质量浓度为50 mg/L左右的废水的降解作用最好；在1 h内增加运行时间，即增加了废水空化作用次数，空化强化效应呈线性增强；高温可强化空化效果，提高污染物的降解率.

参考文献：

[1] 周文敏，傅德黔，孙宗光．中国水中优先控制污染物黑名单的确定[J]．环境科学研究，1991，4(6)：9-12．

[2] SIVAKUMAR M, MOHOLKLAR V S, PANDIT A B. Modeling of hydrodynamic cavitation reactors: a unified approach[J]. Chemical Engineering Sciences,2001,56:6295-6302.

[3] 张晓冬，李志义，武君，等.水力空化对化学反应的强化效应[J].化工学报，2005,56(2):262-265.

[4] 俞小伟，董志勇，颜效凡，等.掺气泡对空泡影响的高速摄影分析[J].浙江工业大学学报，2011，39(3):268-272.

[5] 颜效凡，董志勇，俞小伟，等.空蚀区空化水流特性的实验研究[J].浙江工业大学学报，2011，40(2):193-195.

[6] 董志勇，吕阳泉.高速水流空化区和空蚀区掺气特性的试验研究[J].水力发电学报，2006,25(4):62-65.

[7] 陈圻圻，董志勇，杨永刚，等.三角形多孔板水力空化发生器的数值分析[C]∥练继建.2011水力学与水利信息学进展.天津：天津大学出版社，2011：371-376.

[8] 杨永刚，董志勇，陈圻圻，等.方形多孔板水力空化反应器的初步研究[C]∥练继建.2011水力学与水利信息学进展.天津：天津大学出版社，2011：406-411.