CN101861285B - 水处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于臭氧的污水处理设备。该设备通常包括3个阶段。第一阶段为臭氧处理阶段，其中污染的水用臭氧气体处理。第二阶段为除气阶段，其中过量的未溶解的气体被从水中除去，藉此在除气阶段排出的水为基本上气体饱和的水。该设备的最后阶段为膜过滤阶段，其中该气体饱和的水通常进行微过滤或超过滤。在该最后阶段所产生的微泡通常阻止颗粒物和污染物在膜表面和/或其开口或小孔内的积累；从而作为该膜过滤器的自清洁机制。

Description

水处理设备

对相关申请的交叉引用

无交叉引用的相关申请。

发明领域

本发明总体上涉及用于净化和过滤液体的设备、系统和/或方法。更特别地，本发明涉及基本上使用臭氧和过滤器净化和过滤水的设备、系统和/或方法。

发明背景

今天的世界，用于人类消费或其他用途的水资源经常含有杂质和各种污染成分诸如可引起各种传染病的病原体(如细菌、病毒等)和给该水源带来不期望有的气味和颜色的有机和无机物质。当然，期望减少水中杂质的含量，尤其是用于人类消费的水。

过去，为了满足城市人口的饮用水和娱乐用水之需并且为了处理废水，水处理系统主要由市政当局管理。近来，环境问题越发受到关注，与环境保护有关的标准以及建设中较大型工程项目的出现，已经改变了水处理系统的要求和任务。同样，可利用的水源的种类也不同，包括地表水或地下水。

今天的水处理系统需要更加适应各种环境。它们必需使用产品并且提供符合非常严格的环境法规的水质，同时要不太昂贵，这样才会对较小市政当局和私人利益有吸引力。

以前用于减少水中杂质的方法和系统一直使用例如氯和臭氧。在这些物质中，臭氧最近用得越来越普遍，因为臭氧是可用的最强的氧化剂和消毒剂之一。

另一方面，最普遍使用的消毒剂为次氯酸和HOCl(在泳池行业中通常称为氯)。还有使用较少的次溴酸和HOBr(类似地称为溴)。然而，在水源中产生氯的大多数化合物都影响其pH值。因此必需添加酸性物质或苛性物质以保持一定的pH值。这就意味着水处理系统需要有两个注入系统：一个用于所选择的消毒剂；另一个用于pH值控制。

另一方面，臭氧溶于水时表现生物杀灭性能的浓度为0.4份/10⁶以上。臭氧是一种半稳定的气体，它由三个氧原子构成，而不是像氧气那样由两个原子构成。生产臭氧最常用的方法是用电弧在空气中放电，使氧原子与所形成的氧自由基结合。臭氧很快发生反应，恢复为更稳定的氧，在此过程中释放出氧自由基。两个这样的氧自由基可以结合成氧分子，或者，自由基也可以使可氧化的物质氧化。

臭氧不仅可杀死细菌，而且可以灭活许多病毒、包囊和孢子。另外，臭氧氧化许多有机化合物，包括氯胺、肥皂、油和其他废物，从而使它们对环境无害。因此，臭氧可用于许多目的，包括：用于饮用的水的净化、食物的清洁和处理、制冰机、游泳池和温泉浴场以及废水处理中。

尽管臭氧在用于分解水中的某些杂质时尤其有利，但达到臭氧在水中的有效浓度却很难，并且达到有效浓度可能代表在水处理系统中一种更加昂贵的方案。在高浓度时，臭氧是一种有毒的腐蚀性气体，美国环境保护署(EPA)认为它是一种污染物，因此对该过量的臭氧的密封和清除必须制定特殊的规定。

尽管在水处理设备和系统中臭氧的使用通常被证明是有效的，目前由于需要对水中某些污染物进行物理清除，臭氧仍然很少被单独使用。因此，在现有技术的水处理设备和系统中，为了清除水中较大的污染物和/或颗粒，在臭氧处理之前和/或之后，臭氧处理通常与过滤处理结合。例如，美国专利No.5,427,693(Mausgrover)、No.5,711,887(Gastman)和No.6,464,877(Mori)都教导了这样的现有技术设备或系统。

然而，现有技术的水处理设备和系统一个主要缺陷是需要定期清理过滤器，该过滤器时间一长就会被污染物所阻塞。通常，清理过滤器是指对过滤器进行物理和/或化学清理。这又使得在所述过滤器被清理或更换时，必需关闭该水处理设备或系统。

尽管存在现有技术的臭氧水处理设备和系统，人们依然清楚需要一种减轻现有技术的臭氧水处理设备和系统这些缺点的改进的水处理设备。

发明目的

因此，本发明主要方面之一是提供一种水处理设备，该设备至少包括臭氧处理模块和膜过滤处理模块。

本发明另一个方面是提供一种水处理设备，该设备在膜过滤处理模块之前基本上使水中的气体达到饱和。

本发明另一个方面是提供一种水处理设备，该设备在膜过滤处理期间采用产生白水的阶段作为所述膜的自我清洁机制。

本发明再一个方面是提供一种水处理设备，其中该膜的清洁是在该设备处于过滤模式时以基本上连续的方式实现的。

基于对将要描述的或将在所附权利要求中表明的示例性实施方案的理解，本发明其他和进一步的目的和优点是显而易见的，并且此处未提及的各种优点将在本领域技术人员实施本发明的实践中呈现。

发明概述

通过总体上提供一种的新水处理设备本发明的上述和其他目的得以实现，该设备有利地利用臭氧的氧化性能净化和消毒污染水，并且该设备有利地在气体饱和的水通过膜过滤器期间利用产生白水的阶段作为该膜的自清洁机制。因此，本发明该设备基本上既用臭氧净化水又用臭氧清洁该膜过滤器。

如上述和下文所用，词语“白水”意指水和一种或多种新生气体的混合物，其通过将由在预定压力下处于平衡的一种或多种气体和水的混合物构成的加压的气体饱和水进行减压而得到。因此，由此获得的水的白颜色是由于微泡的形成引起的，并且是指减压时刻水的颜色。

本发明设备通常包括有几个阶段或模块的完全加压的水处理链。因此，在通过泵单元将原水(raw water)泵入本发明设备后，原水通常流向臭氧处理模块，在该模块中通常用文氏管(venturi)或其他已知手段将臭氧首先注入到原水中，然后在加压的接触室中经历通常预定的接触时间。该接触室的设计通常适于使臭氧有效地溶解到水中，并给予溶解的臭氧时间与水中所含的至少一部分污染物反应。

排出该接触室的所述水然后流向除气模块。该除气模块基本上清除留在水中的所有过量的未溶解气体(如氧气、氮气、臭氧)，以便提供气体(如氧气、氮气、臭氧)饱和的水。该除气模块还有另一优点，即清除至少一部分可能还在水中的挥发性化合物。可以理解，由于从所述水中清除的未溶解气体可能包括有毒和/或腐蚀性气体，优选将清除的气体送往气体处理单元作进一步处理和/或清除。

排出除气模块的气体饱和的水，然后被送往所述膜过滤模块进行过滤处理。

根据本发明的一个重要方面，当气体饱和的水流过所述膜时，仍然存在于水中的颗粒物被除去。另外，水在流经所述膜时压力降低。这会转而导致大量微泡的形成，其中一些微泡形成于所述膜的开口(如小孔)内和/或膜表面周围。所述微泡的形成会使得所述水变成乳白色的白水。

根据本发明的一个重要方面，在所述气体饱和的水流过膜过滤器开口时形成的所述微泡通常会使还存在于水中的小颗粒物凝结，通常会阻止颗粒物在所述膜表面上积累，通常会去除在所述膜表面的颗粒物和/或通常还会清除已经阻塞所述膜的开口的颗粒物。因此，所述微泡的形成是作为所述膜的一个有效的自我清洁机制。

当所述气体饱和的水进入该膜过滤器，一部分气体饱和的水(下文称“过滤水”(filtrate water))实际上流过了所述膜并被其有效地过滤。但是，根据本发明另一个方面，所述气体饱和的水的剩余部分(下文称“滞留水”(retentate water))并未实际上流过所述膜，该滞留水通常被使得回路到臭氧处理模块，在臭氧处理模块与原水混合后进一步由本发明设备处理。

本发明设备被认为具有新颖性的特征，特别地陈述于所附权利要求中。

通过下述配合附图的描述、附图说明，本发明上述和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见：

图1为本发明水处理设备的实施方案的示意图。

优选实施方案详述

下文将描述一种新颖的水处理设备。尽管本发明以特定的示例性实施方案进行描述，可以理解，本发明所描述的实施方案都仅仅是以实施例的方式呈现，且并不以此限制本发明的保护范围。

本发明水处理设备通常包括3个阶段或模块：臭氧处理模块100，除气模块200和膜过滤模块300。一般地说，该臭氧处理模块100通常负责向所述水中注入臭氧，且负责所述臭氧和水的混合和接触。该除气模块200，位于臭氧处理模块100下游，用于去除在从臭氧处理模块100后可能还保留的水中的基本上所有未溶解的气体(如氧气、氮气、臭氧)。除气模块200还用于向位于其后的膜过滤模块300提供气体饱和的水。正如其名称的含义，该膜过滤模块300通过一个或多个膜过滤器过滤所述经臭氧处理过的水，从而清除还存在于水中的固体颗粒物和污染物。

参考图1，起初，要被处理的污染水或原水(下称“原水”)首先通过泵单元11被泵送到所述设备10中。该泵单元11通常为原水提供必需的压力和流量，以便所述设备10正常运行。根据优选的实施方案，该泵单元11为所述原水提供的压力为100-200psig。

在该泵单元11下游，原水被分流到第一管道109和第二管道119。

该第一管道109通向臭氧注入单元110例如，但不限于，第一文氏管，臭氧气体在此被注入到原水中。可以理解，被有效地注入到原水中的所述“气体”或多或少是臭氧(如～10-12％)、氧气(如～83-86％)和氮气(如～4-5％)的混合物。

该臭氧注入单元110连接到臭氧发生模块400。臭氧发生模块400是现有技术(例如美国专利No.6,180,014)公知的且不再进一步描述。不同的臭氧发生模块400都可用于本发明的目的。本发明不局限于任何特定的臭氧发生模块400。

该第二管道119通向滞留水注入单元120例如，但不限于，第二文氏管。该滞留水注入单元120将来自一个或多个膜过滤器310的一部分滞留水注入到原水中。所述膜过滤模块300将在下面进一步描述。

从臭氧注入单元110和滞留水注入单元120排出的两股水流的原水分别通过管道111和121重新汇合，然后被引向静态混合器130，在此含有臭氧的原水和含有滞留水的原水被充分混合。因此排出该静态混合器130的水基本上为原水、滞留水、臭氧(溶解的和未溶解的)和其他气体(如氧气和氮气)(溶解的和未溶解的)的混合物。

在该静态混合器130的出口，所述水流入加压的接触室或反应器140。根据优选的实施方案，该接触室140内部的压力在20-120psig之间变化。优选地，该接触室140被构造成可提供所述臭氧和水之间的最佳质量传递(mass transfer)且可提供存在于水中溶解的臭氧和污染物之间的最佳接触时间。优选地，在该接触室的出口，所述水的颜色和气味被减少，病原体大部分被中和和/或灭活且有机的(如油类和油脂)和无机的(如金属)颗粒物以及污染物大部分被氧化。

熟练的被访本领域技术人员会理解，该接触室140可以被提供不同的形状和/或构造。然而，为了减少所述设备10的接地面积，接触室140优选的构造可以是一个或多个复绕的管道。还有，其他构造也是可能的；本发明并不局限于此。

优选地，臭氧传感器150被设置于该接触室140下游以测量还保留在水中的被溶解的臭氧的浓度。经过臭氧处理后保留在水中的被溶解的臭氧的浓度，通常被政府管理机构用于确定该被臭氧处理的水是否符合他们对水的规定。优选地，但并不唯一地，该接触室140下游的被溶解的臭氧的浓度应为0.3-1mg/L。

优选地，该臭氧传感器150直接地或通过中央控制系统(未显示)与所述臭氧发生模块400进行电子通讯，以便将臭氧测量数据反馈到所述臭氧发生模块400，借此所述臭氧发生模块400可以相应地增加或减少其产生的臭氧。

为了维持该接触室140中的压力，压力调节单元160例如，但不限于，保压阀，被设置于其下游。

经压力调节单元160排出的水有效地排出臭氧处理模块100并进入到除气模块200。

除气模块200主要包括除气器单元210和气体处理单元220。所述臭氧处理模块100排出的水主要由臭氧处理的水、臭氧(溶解的和未溶解的)和其他气体(如氧气和氮气)(溶解的和未溶解的)组成。当所述水在该除气器210循环时，基本上所有未溶解的气体(如氧气、氮气和臭氧)都被除去。另外，如果所述水还含有未溶解的挥发性化合物，这些化合物也优选地要从所述水中除去。

由于从除气器210除去的一些气体可能会是腐蚀性的和/或有毒的，该除去的气体优选地被送往气体处理单元220用于进一步处理(如中和或清除)。

在除气模块200的出口，臭氧处理过的水基本上已是气体(如氧气、氮气和臭氧)饱和的。接着该臭氧处理的气体饱和水被送往所述设备10的最后一个模块，名叫膜过滤模块300，在此将对其进行膜过滤处理。

该膜过滤模块300通常包括一个或多个膜过滤器310(为清楚说明仅显示一个)。如果不止一个的膜过滤器310被用于本发明设备10，它们通常被平行设置，借此每个膜过滤器310可过滤一部分气体饱和的水。膜过滤器310是本领域公知的且不再作进一步描述。还有，具有与微过滤和超过滤相对应的开口的正压膜过滤器310优选用于本发明的正常运行。

当该气体饱和的水通过过滤器入口311进入膜过滤器310，其被分开为将进行膜过滤的第一部分(如～90％)和不进行膜过滤的第二部分(如～10％)。而该第二部分的水是被直接送往该过滤器310的滞留水出口312。

根据本发明的一个重要方面，当被气体饱和的所述水的第一部分通过膜的开口时，其经历减压或压力下降。在本发明的优选实施方案中，该压力下降在10-80psig之间变化。当该气体饱和的水流过所述膜的开口且被减压时，非常大量的主要由氧气、氮气和臭氧组成的微泡也基本上同时形成。这些微泡的出现通常使得所述水呈现乳白色，因此被称为“白水”。

这些微泡的形成是本发明一个重要的方面。事实上，由于水的减压是在水流过膜时发生的，大部分的微泡形成于所述膜表面附近或其开口内。形成于膜表面附近的微泡通常充当了阻止剩余在水中的颗粒物粘附于所述膜上的屏障。另外，这些微泡中有一些使得至少一部分已积累在所述膜表面的颗粒物有效地脱离。而且，形成于开口内的微泡通常阻止阻塞开口和/或能使可能粘附在开口中颗粒物脱离。最后，剩余的微泡会使还存在于所述水中的颗粒物凝结，并带这些凝结的颗粒物到过滤器310的顶部，靠近该滞留水出口312以从此处被送回去做进一步处理。

微泡的形成因此作为膜过滤器310的一个或多个膜的自我清洁机制。而且，由于该气体饱和的水流过所述膜的开口是基本上连续的，所述膜得到基本上连续的清洁，从而实质上减少了通过机械和/或化学方式清洁过滤器310的膜的需要。

可以理解，一旦在所述膜的另一侧，现已基本上干净的所述水的第一部分经所述过滤水出口313流出该过滤器310，然后流出所述设备10。

如上所述，该气体饱和的水的第二部分被直接送往该膜过滤器310的滞留水出口312。当该气体饱和的水的第二部分流向该滞留水出口312时，其俘获并携带着未溶解气体(如聚合的微泡)以及在过滤器310中积累的一部分颗粒物(如凝结的颗粒物)。该滞留水出口312通过回水管15与滞留水注入单元120流体连通，现含有未溶解气体和颗粒物的该气体饱和的水的第二部分被有效地返回到所述设备10的臭氧处理模块100，其将在该臭氧处理模块100中与上文说明的原水一起经过处理。由于该滞留水经该设备10再循环，其中所含有的未溶解的气体和颗粒物将会进一步地被处理和/或从所述水中除去。

因此，本领域熟练的被访技术人员可以理解，本发明设备10不仅连续处理和过滤原水，还进一步连续处理和过滤已从该膜过滤器310中除去并且经该设备10进行再循环的污染物和颗粒物。

另外，尽管本发明设备10已被作为单独的设备被描述，本领域熟练的被访技术人员可以理解，本发明设备10可以成为大型过滤系统的一部分。本发明并不局限于此。

上文详细描述了本发明示例性的及目前优选的实施方案，可以理解，创造性的概念还可以不同的方式表达和实施，并且所附权利要求旨在被解释为包括除局限于现有技术以外的这些变化形式。

Claims (29)

1.一种用于处理水的水处理设备，所述设备包括：

a)臭氧处理模块，用于以臭氧处理所述水；

b)除气模块，位于所述臭氧处理模块下游且与其流体连通，用于从所述水中去除未溶解的气体并提供气体饱和的水；

c)过滤模块，位于所述除气模块下游且与其流体连通，用于过滤所述气体饱和的水，所述过滤模块包括膜，该膜适于当所述气体饱和的水流过其时导致压力下降，所述压力下降导致微泡的形成。

2.如权利要求1所述的水处理设备，其中所述膜包括开口且其中一部分所述微泡形成于所述膜的开口内。

3.如权利要求1所述的水处理设备，其中所述设备还包括臭氧源，该臭氧源与所述臭氧处理模块相连，用于为其提供所述臭氧。

4.如权利要求1所述的水处理设备，其中所述臭氧处理模块还包括臭氧注入单元用于将所述臭氧注入所述水中。

5.如权利要求4所述的水处理设备，其中所述臭氧注入单元为文氏管。

6.如权利要求3所述的水处理设备，其中所述臭氧源包括在所述臭氧处理模块内。

7.如权利要求3所述的水处理设备，其中所述臭氧处理模块还包括接触室，其位于所述臭氧注入单元下游且与其流体连通，用于至少一部分所述臭氧溶解到所述水中。

8.如权利要求6所述的水处理设备，其中所述臭氧处理模块还包括接触室，其位于所述臭氧注入单元下游且与其流体连通，用于至少一部分所述臭氧溶解到所述水中。

9.如权利要求1所述的水处理设备，其中所述过滤模块包括至少一个膜过滤器。

10.如权利要求1所述的水处理设备，其中所述过滤模块包括多个膜过滤器。

11.如权利要求10所述的水处理设备，其中所述膜过滤器是并行设置的。

12.如权利要求1所述的水处理设备，其中所述膜包括开口且其中当所述气体饱和的水流过所述膜中的所述开口时导致所述压力下降。

13.如权利要求1-12的任一权利要求所述的水处理设备，其中所述设备是完全加压的。 

14.一种用于处理原水的水处理设备，所述设备包括：

a)臭氧处理模块，其包括：

i)臭氧注入单元，用于将臭氧注入到所述原水中；

ii)接触室，位于所述臭氧注入单元下游且与其流体连通，用于将至少一部分所述臭氧溶解到所述原水中；

b)除气模块，位于所述接触室下游且与其流体连通，包括除气器用于从经臭氧处理的水中去除未溶解的气体并提供气体饱和的水；

c)过滤模块，位于所述除气模块下游且与其流体连通，包括至少一个膜，该膜本身包含多个开口，所述气体饱和的水可流过所述开口；

此所述气体饱和的水流过所述膜引起微泡的形成，所述微泡去除和阻止颗粒物在膜中的积累。

15.如权利要求14所述的水处理设备，其中所述设备还包括臭氧源，该臭氧源与所述臭氧注入单元相连，用于为其提供臭氧。

16.如权利要求14所述的水处理设备，其中所述臭氧注入单元为文氏管。

17.如权利要求14所述的水处理设备，其中所述气体饱和的水流过所述开口引起所述气体饱和的水压力下降，借此所述压力下降引起所述微泡的形成。

18.如权利要求14所述的水处理设备，其中所述臭氧处理单元还包括滞留水再循环装置，用于使一部分所述气体饱和的水在流过所述开口之前再循环。

19.如权利要求18所述的水处理设备，其中所述滞留水再循环装置包括滞留水注入单元，用于将所述部分气体饱和的水注入到所述原水中，所述滞留水注入单元与所述过滤模块的滞留水出口流体连通。

20.如权利要求19所述的水处理设备，其中所述滞留水注入单元为文氏管。

21.如权利要求19所述的水处理设备，其中所述滞留水注入单元与所述臭氧注入单元并行设置，借此所述臭氧注入单元接收所述原水的第一部分而所述滞留水注入单元接收所述原水的第二部分。

22.如权利要求20所述的水处理设备，其中所述臭氧处理单元还包括混合器，其位于所述臭氧注入单元和所述滞留水注入单元下游，且位于所述接触室上游，用于混合所述所述原水的第一部分、所述原水的第二部分、所述滞留水和所述臭氧。

23.如权利要求14-22的任一权利要求所述的水处理设备，其中所述设备是完全加压的。 

24.一种用于处理原水的水处理设备，所述设备包括：

a)臭氧处理模块，其包括：

i)臭氧注入单元，用于将臭氧注入到所述原水的第一部分中，所述臭氧注入单元与臭氧源相连；

ii)滞留水注入单元，用于将滞留水注入到所述原水的第二部分中；

iii)混合器，位于所述臭氧注入单元和所述滞留水注入单元下游且与其流体连通，用于混合所述所述原水的第一和第二部分并提供混合水；

iv)接触室，位于所述混合器下游且与其流体连通，以便于至少一部分所述臭氧溶解到所述混合水中；

b)除气模块，位于所述接触室下游且与其流体连通，包括除气器以用于从经臭氧处理的混合水中去除任何未溶解的气体并提供气体饱和的水；

c)过滤模块，位于所述除气模块下游且与其流体连通，包括至少一个膜过滤器，该膜过滤器本身包含所述气体饱和的水可从其流过的开口，用于接收所述气体饱和的水的入口，用于允许经过滤的水从所述过滤模块排出的第一出口和连接到所述滞留水注入单元的第二出口；

其中所述气体饱和的水流过所述膜引起微泡的形成，所述微泡阻止颗粒物在所述膜中的积累。

25.如权利要求24所述的水处理设备，其中所述设备还包括臭氧源，其与所述臭氧注入单元相连，用于向其提供所述臭氧。

26.如权利要求24所述的水处理设备，其中所述臭氧注入单元为第一文氏管。

27.如权利要求24所述的水处理设备，其中所述滞留水注入单元为第二文氏管。

28.如权利要求24所述的水处理设备，其中所述气体饱和的水流过所述开口引起所述气体饱和的水压力下降且形成所述微泡。

29.如权利要求24-28的任一权利要求所述的水处理设备，其中所述设备是完全加压的。 

Images