董志勇，徐琳香，李大煒，張　凱 ，姚銳豪

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

圓孔多孔板水力空化降解對硝基苯酚廢水的試驗研究

董志勇，徐琳香，李大煒，張凱 ，姚銳豪

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：試驗基于水動力學(xué)實驗室自主研發(fā)的多孔板型水力空化反應(yīng)裝置，進(jìn)行了降解對硝基苯酚廢水的研究.通過對不同過孔流速、不同幾何參數(shù)多孔板、不同初始質(zhì)量濃度對硝基苯酚進(jìn)行空化試驗，提出了空化數(shù)、過孔流速、初始質(zhì)量濃度、處理時間、孔口數(shù)量、孔口大小與對硝基苯酚降解率的關(guān)系，為提高對硝基苯酚降解率提供了依據(jù).試驗結(jié)果表明:增加流速，選取最佳初始濃度，適當(dāng)延長處理時間，設(shè)計孔板時適當(dāng)增多孔口數(shù)量以及增大孔口大小,可以提高對硝基苯酚廢水的降解率.

關(guān)鍵詞：圓形孔口多孔板；水力空化；空化數(shù)；廢水處理；對硝基苯酚

Experimental study on degradation of P-NP by hydrodynamic cavitation

due to circular multi-orifice plates

DONG Zhiyong, XU Linxiang, LI Dawei, ZHANG Kai, YAO Ruihao

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Degradation of p-nitrophenol (P-NP) was experimentally investigated by using the circular multi-orifice plates as the reactor of hydrodynamic cavitation, which was designed in the Hydraulics Laboratory. Based on the cavitation test of different orifice velocities, different orifice geometric parameters and different initial concentrations of P-NP, variations of degradation rate of P-NP with cavitation number，orifice velocity，initial concentration, number and size of multi-orifice were developed. The experimental results showed that enhancing the velocity，choosing the appropriate initial concentration, improving the treatment time and iraising the number and size of orifice on the plates can increase the degradation rate of p-nitrophenol wastewater when designing the multi-orifice plates.

Keywords:circular multi-orifice plates; hydrodynamic cavitation; cavitation number; wastewater treatment；P-NP

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)廢水問題日益嚴(yán)峻.一方面，據(jù)2012年全國環(huán)境統(tǒng)計公報，2012年全國廢水排放總量684.8億噸，其中工業(yè)廢水排放量達(dá)221.6億噸，占排放總量的32.3%；另一方面，隨著工業(yè)新材料增多，導(dǎo)致廢水成分日益復(fù)雜.對硝基苯酚作為農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料等精細(xì)化學(xué)品的中間體，是工業(yè)廢水中常見的有機(jī)污染物，具有毒性大、難生物降解等特點.常規(guī)廢水處理方法，難以滿足對硝基苯酚等難生物降解工業(yè)廢水的降解要求，必須研發(fā)新型水處理方法.人們在水力工程、水力機(jī)械、船舶螺旋槳等被破壞，發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象[1-3].長期以來對如何避免空化現(xiàn)象進(jìn)行大量研究.但在研究中發(fā)現(xiàn)空化發(fā)生時伴有極端條件[4]，人們開始思考如何變害為利.近年來，人們對水力空化技術(shù)處理廢水進(jìn)行了研究.Sivakumar等[5]使用孔板型水力空化裝置，處理KI溶液、Rhodamine B化合物和工業(yè)印染廢水，發(fā)現(xiàn)不同的孔板可以有效控制空化數(shù)和空化強(qiáng)度.楊亮等[6]進(jìn)行了三角形孔口多孔板水力空化特性的研究，董志勇等進(jìn)行了水力空化裝置去除難降解污染物的試驗研究[7-8]，Kumar等[9]也對水力空化反應(yīng)做了試驗研究.水力空化技術(shù)具有反應(yīng)裝置簡單、操作方便、處理效果較好、能耗較少、維護(hù)費用低等優(yōu)點[10],尤其是處理中無需添加任何試劑、處理周期短，是工業(yè)廢水處理的一項新技術(shù).本試驗研究了空化數(shù)、過孔流速、初始質(zhì)量濃度等因素對人工配制廢水中對硝基苯酚降解率的影響.

1試驗設(shè)備及量測方法

試驗是在水動力實驗室自主研發(fā)的水力空化裝置中進(jìn)行.試驗裝置主要由不銹鋼水箱、水力空化段、離心泵和管道系統(tǒng)等組成，是一個封閉式水力循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示.水力空化段斷面尺寸為50 mm×50 mm,底部設(shè)5個測壓點.

1-循環(huán)水箱；2-離心泵；3-控制閥；4-壓力表；5-孔板型水力空化段；6-轉(zhuǎn)子流量計；7-取樣點；8-放空管圖1　水力空化裝置圖Fig.1　Device of hydrodynamic cavitation

試驗采用的孔板由不銹鋼板經(jīng)數(shù)控機(jī)床精加工制成，共設(shè)計了4塊不同幾何參數(shù)的圓形孔口多孔板.孔板厚度為5 mm，孔口的布置形式采用交錯式和棋盤式，開孔孔徑d分別為3，5 mm，如圖2所示，多孔板的幾何參數(shù)詳見表1.

圖2　圓形孔口多孔板平面圖Fig.2　Ichnography of circular multi-orifice plates

序號厚度/mm孔徑/mm開孔數(shù)/個孔口總面積/mm215516346.3625525490.8735325176.7145349314.16

水流量由LZB-100玻璃轉(zhuǎn)子流量計量測.水流流經(jīng)圓形孔口多孔板后的壓力由壓力傳感器量測，并使用YE6263數(shù)據(jù)采集器實時采集數(shù)據(jù).對硝基苯酚廢水采用人工配制，配制質(zhì)量濃度為10,25,50,75 mg/L.通過控制開啟水泵臺數(shù)調(diào)節(jié)水流流速，每15 min在取樣點取樣分析.對硝基苯酚的濃度由TU-1901紫外分光光度計量測.

2多孔板空化數(shù)對降解效果的影響

2.1多孔板空化數(shù)的比較

通常，空化數(shù)σ可表示為

(1)

式中：p為測點壓強(qiáng)；pv為水的飽和蒸汽壓強(qiáng)；V0為參考流速.空化數(shù)實質(zhì)上是一個歐拉數(shù)，即Eu=Δp/ρV2，反映了壓力變化對流體特性的影響[11].

空化數(shù)σ可用來判別空化初生以及衡量空化強(qiáng)度，通過采集不同幾何參數(shù)多孔板后的壓強(qiáng)值，根據(jù)式(1)計算出空化數(shù)(表2).由表2可知：空化數(shù)隨著孔板開孔數(shù)量、開孔孔徑、孔口布置方式不同而不同.其中，板4的空化數(shù)最大，板3的空化數(shù)最小.

表2　多孔板對應(yīng)的空化數(shù)

2.2空化數(shù)與降解速率的關(guān)系

降解速率常數(shù)D定義為

D=d/t

(2)

式中：d為降解率；t為對應(yīng)的處理時間.

不同孔板對應(yīng)的降解速率與空化數(shù)的關(guān)系見圖3.由圖3可知：孔徑為5mm的孔板(板1和板2)，孔口數(shù)量多，空化數(shù)小，降解速率大，孔徑為3mm的孔板(板3和板4)，孔口數(shù)量多，空化數(shù)大，降解速率大.由此可知：當(dāng)孔徑為5mm時，空化數(shù)與降解速率呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)孔徑為3mm時，空化數(shù)與降解速率呈正相關(guān).

圖3　空化數(shù)與降解速率的關(guān)系Fig.3　Relationship between cavitation numbers and the degradation rate

3試驗結(jié)果與分析

3.1孔口流速與降解率的關(guān)系

將初始質(zhì)量濃度C=50 mg/L的對硝基苯酚溶液，注入內(nèi)置4號孔板的水力空化裝置中，在高速水流速度V為20.87，27.06 m/s下，試驗1 h，試驗結(jié)果見圖4.

由圖4可知：水流流速V=20.87 m/s時，對應(yīng)的降解率分別為15.48%,30.00%,31.73%,37.46%；水流流速V=27.06 m/s時，對應(yīng)的降解率分別為20.81%,38.77%,46.71%,51.72%.比較兩種高速水流下對硝基苯酚的降解率，發(fā)現(xiàn)水流流速V=27.06 m/s對應(yīng)的降解率較高，平均高出10.83%，最大可高出14.98%.用其他三塊不同幾何設(shè)計參數(shù)圓孔多孔板進(jìn)行此試驗也得出類似結(jié)論.因此得出，對硝基苯酚的降解率過孔速度呈正相關(guān).這是由于高過孔流速加速下游壓強(qiáng)降低，從而更易產(chǎn)生空化現(xiàn)象.

圖4　孔口流速與降解率的關(guān)系Fig.4　Relationship between orifice velocities and degradation rates

3.2初始質(zhì)量濃度與降解率的關(guān)系

對于4種不同型號的多孔板，以不同的初始質(zhì)量濃度，即C為10,25,50,70 mg/L，開啟兩臺水泵，在水力空化裝置中處理1 h，每15 min進(jìn)行取樣待測.起初降解率隨著對硝基苯酚的濃度增加而增大.但對于板1，2，4，當(dāng)對硝基苯酚的質(zhì)量濃度超過50 mg/L后，降解率變小，當(dāng)對硝基苯酚質(zhì)量濃度在50 mg/L時，其降解率最大，最高可達(dá)53.51%；對于板3而言，當(dāng)對硝基苯酚的質(zhì)量濃度超過25 mg/L后，降解率變小，當(dāng)對硝基苯酚質(zhì)量濃度在25 mg/L時，其降解率最大，最高可達(dá)44%.對于板1，2，3，4，相應(yīng)的最佳初始濃度分別為50,50,25,50 mg/L.試驗結(jié)果詳見圖5.

因此，不同規(guī)格的多孔板存在相應(yīng)的最佳初始質(zhì)量濃度.這是由于過量的對硝基苯酚，對降解對硝基苯酚反應(yīng)的進(jìn)行具有抑制作用.

圖5　初始質(zhì)量濃度與降解率的關(guān)系Fig.5　Relationship between initial mass concentrations and degradation rates

3.3處理時間與降解率的關(guān)系

對于四種不同幾何參數(shù)的多孔板，對硝基苯酚初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，每15 min取樣待測，計算所得降解率如圖6所示.分析板2的實驗數(shù)據(jù)：當(dāng)處理時間t為15,30,45,60 min時，相應(yīng)的對硝基苯酚降解率分別為28.29%,41.87%,48.78%,53.51%.降解率隨著處理時間的增加而增大.這是因為羥基自由基產(chǎn)量隨時間增加而增多.

ln(C/C0)=-kt

(3)

式中：t為處理時間；C為處理時間為t時，對硝基苯酚的質(zhì)量濃度；C0為反應(yīng)初始狀態(tài)時，對硝基苯酚的質(zhì)量濃度；k為反應(yīng)速率常數(shù).

反應(yīng)速率常數(shù)k值隨不同孔板變化的試驗觀察結(jié)果，如表3所示.由表3列結(jié)果可知：不同孔板對應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k值不同，板2對應(yīng)的k值最大，即板2對對硝基苯酚的降解效果最好.

表3反應(yīng)速率k值隨多孔板變化的試驗結(jié)果

Table3Thetestobservationsreactionratekvaluewithdifferentmulti-orifices

序號孔口直徑/mm孔口數(shù)/個反應(yīng)速率k/min-1151612.3×10-3252514.4×10-333257.20×10-3434913.4×10-3

圖6　時間與降解率的關(guān)系Fig.6　Relationship between time and degradation rates

圖7　ln(C/C0)—t關(guān)系曲線圖Fig.7　Relationship between ln(C/C0) and t

3.4孔口數(shù)量與降解率的關(guān)系

試驗共設(shè)計16，25，49三種孔口數(shù)量，配制對硝基苯酚初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，開啟兩臺水泵進(jìn)行試驗.在孔徑相同的條件下，為研究孔口數(shù)量與降解率之間的關(guān)系，分別選取板1與板2，板3與板4對應(yīng)的降解率進(jìn)行比較(圖6).由圖6可知：孔口數(shù)量越多，對應(yīng)的降解率越大.即板2比板1的降解率大，板4比板3的降解率大.這是由于孔口數(shù)量增加導(dǎo)致孔口布置更加密集，加劇流體內(nèi)部紊動，從而加強(qiáng)空化效果.

3.5孔口大小與降解率的關(guān)系

試驗共設(shè)計3 mm和5 mm兩種孔口大小，配制對硝基苯酚初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，開啟兩臺水泵進(jìn)行試驗.在孔口數(shù)量相同的條件下，為研究孔口大小與降解率的關(guān)系，選取板2與板3對應(yīng)的降解率進(jìn)行比較(圖6).由圖6可知：孔口越大，降解率越大.即板2比板3的降解率大.孔口越大孔間距越小，加劇孔板后流體相互影響，從而空化現(xiàn)象更劇烈.

4結(jié)論

通過對圓形孔口多孔板水力空化降解對硝基苯酚廢水的試驗研究，結(jié)果表明：當(dāng)孔徑為5 mm時，空化數(shù)與降解速率呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)孔徑為3 mm時，空化數(shù)與降解速率呈正相關(guān)；高速水流速度與降解率呈正相關(guān)；不同的孔板對應(yīng)存在最佳的初始質(zhì)量濃度,板1，2，4最佳的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L，板3最佳初始質(zhì)量濃度為25 mg/L；孔徑相同時，孔口數(shù)量與降解率呈正相關(guān)；孔口數(shù)量相同時，孔口大小與降解率呈正相關(guān).該試驗結(jié)論可為以后含酚類廢水處理以及水力空化反應(yīng)裝置的設(shè)計提供技術(shù)參考.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

中圖分類號：TV131.3+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)03-0275-04

作者簡介：董志勇(1962—)，男，山西長治人，教授，博士，主要從事工程水力學(xué)與水污染控制技術(shù)研究，E-mail:dongzy@zjut.edu.cn.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51179172)

收稿日期：2015-01-08