圆孔多孔板水力空化降解对硝基苯酚废水的试验研究

董志勇，徐琳香，李大炜，张　凯 ，姚锐豪

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

圆孔多孔板水力空化降解对硝基苯酚废水的试验研究

董志勇，徐琳香，李大炜，张凯 ，姚锐豪

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：试验基于水动力学实验室自主研发的多孔板型水力空化反应装置，进行了降解对硝基苯酚废水的研究.通过对不同过孔流速、不同几何参数多孔板、不同初始质量浓度对硝基苯酚进行空化试验，提出了空化数、过孔流速、初始质量浓度、处理时间、孔口数量、孔口大小与对硝基苯酚降解率的关系，为提高对硝基苯酚降解率提供了依据.试验结果表明:增加流速，选取最佳初始浓度，适当延长处理时间，设计孔板时适当增多孔口数量以及增大孔口大小,可以提高对硝基苯酚废水的降解率.

关键词：圆形孔口多孔板；水力空化；空化数；废水处理；对硝基苯酚

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

随着我国工业的发展，工业废水问题日益严峻.一方面，据2012年全国环境统计公报，2012年全国废水排放总量684.8亿吨，其中工业废水排放量达221.6亿吨，占排放总量的32.3%；另一方面，随着工业新材料增多，导致废水成分日益复杂.对硝基苯酚作为农药、医药、染料等精细化学品的中间体，是工业废水中常见的有机污染物，具有毒性大、难生物降解等特点.常规废水处理方法，难以满足对硝基苯酚等难生物降解工业废水的降解要求，必须研发新型水处理方法.人们在水力工程、水力机械、船舶螺旋桨等被破坏，发现空化现象[1-3].长期以来对如何避免空化现象进行大量研究.但在研究中发现空化发生时伴有极端条件[4]，人们开始思考如何变害为利.近年来，人们对水力空化技术处理废水进行了研究.Sivakumar等[5]使用孔板型水力空化装置，处理KI溶液、Rhodamine B化合物和工业印染废水，发现不同的孔板可以有效控制空化数和空化强度.杨亮等[6]进行了三角形孔口多孔板水力空化特性的研究，董志勇等进行了水力空化装置去除难降解污染物的试验研究[7-8]，Kumar等[9]也对水力空化反应做了试验研究.水力空化技术具有反应装置简单、操作方便、处理效果较好、能耗较少、维护费用低等优点[10],尤其是处理中无需添加任何试剂、处理周期短，是工业废水处理的一项新技术.本试验研究了空化数、过孔流速、初始质量浓度等因素对人工配制废水中对硝基苯酚降解率的影响.

1试验设备及量测方法

试验是在水动力实验室自主研发的水力空化装置中进行.试验装置主要由不锈钢水箱、水力空化段、离心泵和管道系统等组成，是一个封闭式水力循环系统，如图1所示.水力空化段断面尺寸为50 mm×50 mm,底部设5个测压点.

1-循环水箱；2-离心泵；3-控制阀；4-压力表；5-孔板型水力空化段；6-转子流量计；7-取样点；8-放空管图1　水力空化装置图Fig.1　Device of hydrodynamic cavitation

试验采用的孔板由不锈钢板经数控机床精加工制成，共设计了4块不同几何参数的圆形孔口多孔板.孔板厚度为5 mm，孔口的布置形式采用交错式和棋盘式，开孔孔径d分别为3，5 mm，如图2所示，多孔板的几何参数详见表1.

图2　圆形孔口多孔板平面图Fig.2　Ichnography of circular multi-orifice plates

序号厚度/mm孔径/mm开孔数/个孔口总面积/mm215516346.3625525490.8735325176.7145349314.16

水流量由LZB-100玻璃转子流量计量测.水流流经圆形孔口多孔板后的压力由压力传感器量测，并使用YE6263数据采集器实时采集数据.对硝基苯酚废水采用人工配制，配制质量浓度为10,25,50,75 mg/L.通过控制开启水泵台数调节水流流速，每15 min在取样点取样分析.对硝基苯酚的浓度由TU-1901紫外分光光度计量测.

2多孔板空化数对降解效果的影响

2.1多孔板空化数的比较

通常，空化数σ可表示为

(1)

式中：p为测点压强；pv为水的饱和蒸汽压强；V0为参考流速.空化数实质上是一个欧拉数，即Eu=Δp/ρV2，反映了压力变化对流体特性的影响[11].

空化数σ可用来判别空化初生以及衡量空化强度，通过采集不同几何参数多孔板后的压强值，根据式(1)计算出空化数(表2).由表2可知：空化数随着孔板开孔数量、开孔孔径、孔口布置方式不同而不同.其中，板4的空化数最大，板3的空化数最小.

表2　多孔板对应的空化数

2.2空化数与降解速率的关系

降解速率常数D定义为

D=d/t

(2)

式中：d为降解率；t为对应的处理时间.

不同孔板对应的降解速率与空化数的关系见图3.由图3可知：孔径为5mm的孔板(板1和板2)，孔口数量多，空化数小，降解速率大，孔径为3mm的孔板(板3和板4)，孔口数量多，空化数大，降解速率大.由此可知：当孔径为5mm时，空化数与降解速率呈负相关，当孔径为3mm时，空化数与降解速率呈正相关.

图3　空化数与降解速率的关系Fig.3　Relationship between cavitation numbers and the degradation rate

3试验结果与分析

3.1孔口流速与降解率的关系

将初始质量浓度C=50 mg/L的对硝基苯酚溶液，注入内置4号孔板的水力空化装置中，在高速水流速度V为20.87，27.06 m/s下，试验1 h，试验结果见图4.

由图4可知：水流流速V=20.87 m/s时，对应的降解率分别为15.48%,30.00%,31.73%,37.46%；水流流速V=27.06 m/s时，对应的降解率分别为20.81%,38.77%,46.71%,51.72%.比较两种高速水流下对硝基苯酚的降解率，发现水流流速V=27.06 m/s对应的降解率较高，平均高出10.83%，最大可高出14.98%.用其他三块不同几何设计参数圆孔多孔板进行此试验也得出类似结论.因此得出，对硝基苯酚的降解率过孔速度呈正相关.这是由于高过孔流速加速下游压强降低，从而更易产生空化现象.

图4　孔口流速与降解率的关系Fig.4　Relationship between orifice velocities and degradation rates

3.2初始质量浓度与降解率的关系

对于4种不同型号的多孔板，以不同的初始质量浓度，即C为10,25,50,70 mg/L，开启两台水泵，在水力空化装置中处理1 h，每15 min进行取样待测.起初降解率随着对硝基苯酚的浓度增加而增大.但对于板1，2，4，当对硝基苯酚的质量浓度超过50 mg/L后，降解率变小，当对硝基苯酚质量浓度在50 mg/L时，其降解率最大，最高可达53.51%；对于板3而言，当对硝基苯酚的质量浓度超过25 mg/L后，降解率变小，当对硝基苯酚质量浓度在25 mg/L时，其降解率最大，最高可达44%.对于板1，2，3，4，相应的最佳初始浓度分别为50,50,25,50 mg/L.试验结果详见图5.

因此，不同规格的多孔板存在相应的最佳初始质量浓度.这是由于过量的对硝基苯酚，对降解对硝基苯酚反应的进行具有抑制作用.

图5　初始质量浓度与降解率的关系Fig.5　Relationship between initial mass concentrations and degradation rates

3.3处理时间与降解率的关系

对于四种不同几何参数的多孔板，对硝基苯酚初始质量浓度为50 mg/L，每15 min取样待测，计算所得降解率如图6所示.分析板2的实验数据：当处理时间t为15,30,45,60 min时，相应的对硝基苯酚降解率分别为28.29%,41.87%,48.78%,53.51%.降解率随着处理时间的增加而增大.这是因为羟基自由基产量随时间增加而增多.

ln(C/C0)=-kt

(3)

式中：t为处理时间；C为处理时间为t时，对硝基苯酚的质量浓度；C0为反应初始状态时，对硝基苯酚的质量浓度；k为反应速率常数.

反应速率常数k值随不同孔板变化的试验观察结果，如表3所示.由表3列结果可知：不同孔板对应的反应速率常数k值不同，板2对应的k值最大，即板2对对硝基苯酚的降解效果最好.

表3反应速率k值随多孔板变化的试验结果

Table3Thetestobservationsreactionratekvaluewithdifferentmulti-orifices

序号孔口直径/mm孔口数/个反应速率k/min-1151612.3×10-3252514.4×10-333257.20×10-3434913.4×10-3

图6　时间与降解率的关系Fig.6　Relationship between time and degradation rates

图7　ln(C/C0)—t关系曲线图Fig.7　Relationship between ln(C/C0) and t

3.4孔口数量与降解率的关系

试验共设计16，25，49三种孔口数量，配制对硝基苯酚初始质量浓度为50 mg/L，开启两台水泵进行试验.在孔径相同的条件下，为研究孔口数量与降解率之间的关系，分别选取板1与板2，板3与板4对应的降解率进行比较(图6).由图6可知：孔口数量越多，对应的降解率越大.即板2比板1的降解率大，板4比板3的降解率大.这是由于孔口数量增加导致孔口布置更加密集，加剧流体内部紊动，从而加强空化效果.

3.5孔口大小与降解率的关系

试验共设计3 mm和5 mm两种孔口大小，配制对硝基苯酚初始质量浓度为50 mg/L，开启两台水泵进行试验.在孔口数量相同的条件下，为研究孔口大小与降解率的关系，选取板2与板3对应的降解率进行比较(图6).由图6可知：孔口越大，降解率越大.即板2比板3的降解率大.孔口越大孔间距越小，加剧孔板后流体相互影响，从而空化现象更剧烈.

4结论

通过对圆形孔口多孔板水力空化降解对硝基苯酚废水的试验研究，结果表明：当孔径为5 mm时，空化数与降解速率呈负相关，当孔径为3 mm时，空化数与降解速率呈正相关；高速水流速度与降解率呈正相关；不同的孔板对应存在最佳的初始质量浓度,板1，2，4最佳的初始质量浓度为50 mg/L，板3最佳初始质量浓度为25 mg/L；孔径相同时，孔口数量与降解率呈正相关；孔口数量相同时，孔口大小与降解率呈正相关.该试验结论可为以后含酚类废水处理以及水力空化反应装置的设计提供技术参考.

参考文献：

[1]WARGAN W B. Cavitation effects on marine devices[J]. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers,1969,91(5)：67-75.

[2]黄继汤．空化与空蚀的原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，1991．

[3]蔡应才.中国大百科全书,力学卷,“空化”条[M].北京:中国大百科全书出版社,1985.

[4]PARAG R G, RAJIV K T, ANIRUDDHA B P. Cavitation:a technology on the horizon[J]. Current Science,2006,91(1):35-46.

[5]SIVAKUMAR M, PANDIT A B. Wastewater treatment:a novel engergy efficient hydrodynamic cavitational technique[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2002,9(3)：123-131.

[6]杨亮，董志勇，邴斌，等.三角形孔口多孔板水力空化特性研究[J].浙江工业大学学报,2013,41(6)：686-689.

[7]董志勇，夏国文，张珍，等.组合式水力空化反应器去除难降解污染物的试验研究[J].浙江工业大学学报，2014,42(2)：178-181.

[8]董志勇，胡静静，张珍，等.圆形孔口多孔板对降解混合物废水的影响[J].浙江工业大学学报，2014,42(3)：291-293.

[9]KUMAR P S, KUMAR M S, PANDIT A B. Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamic cavitation[J]. Chemical Engineering Science，2000，55：1633-1639.

[10]GOGATE P R. Cavitation: an auxiliary technique in wastewater treatment schemes[J]. Advances in Environmental Research，2002，6：335-358.

[11]董志勇，吕阳泉，居文杰，等.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.

(责任编辑：刘岩)

中图分类号：TV131.3+4

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)03-0275-04

作者简介：董志勇(1962—)，男，山西长治人，教授，博士，主要从事工程水力学与水污染控制技术研究，E-mail:dongzy@zjut.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179172)

收稿日期：2015-01-08