CN101903295B - 给水消毒的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

直接设置在待处理的流体中用于原位产生消毒性/氧化性产物的设备，和将被作用的水进行氧化/消毒以避免可导致保健和卫生问题或者系统失效问题的微生物繁衍现象的方法。在原位产生所需浓度的氧化性/消毒性产物的条件下，用于给水消毒的设备包括化学试剂储罐、泵和连接管道以及浸没在待消毒的水中的消毒性和氧化性产物来源。

Description

给水消毒的设备和方法
技术领域
本发明涉及以原位产生氧化性/消毒性产物给水消毒的设备和方法。
背景技术
一般而言，通称“水”用于指待消毒的水，例如民用和工业废水，河水、湖水或海水的冷却水，饮用水和工艺水。
为防止可导致保健(hygienic)和卫生问题或者就系统效率缺乏而言有问题的生物体例如病菌和环境细菌、真菌、藻类的繁衍，水必须进行消毒。
由各种试剂获得用于水消毒的消毒性/氧化性化学产物的至少三种不同的化学反应是已知的：
亚氯酸钠和盐酸转化反应成二氧化氯、氯化钠和水；
在硫酸存在下亚氯酸钠转化反应产生二氧化氯、氯化钠、硫酸钠和水；
以及最后是氯酸钠、氯化钠和硫酸转化反应成二氧化氯、氯气、硫酸钠和水。
产生二氧化氯的方法和设备是已知的。
例如，US-4,534,952公开了在填充有二氧化氯产生所必需试剂的限制反应区域内原位产生二氧化氯。这样的反应区域处在足以防止二氧化氯形成连续气相的压力下，其结果是可能爆炸。
US-4,534,952中公开的方法具有必须始终维持反应介质中的压力以避免由二氧化氯变成气相引起爆炸风险的缺点。
US-A-2003/0138371(McWhorther等)公开了通过在碱金属氯酸盐水溶液中控制引入无机酸使无机酸与碱金属氯酸盐水溶液反应产生二氧化氯和氯气的气态混合物的方法和设备。消毒性产物以及蒸汽形成在反应器的顶部空间中，将消毒性产物从中取出并溶解在水中从而获得产物流。
US-A-2003/0138371公开了特别涉及发明一种用于制备不应具有对活生物体有害的副产物的饮用水的产品的方法。该方法具有必须通过气体装置除去消毒性产物的随之新增问题。
US-A-2005/0244328公开了用于产生二氧化氯气体的反应器和方法，其中反应物在反应室内反应，所述反应室在高压下和在规定的温度范围内工作。
过度压力对二氧化氯稳定性有害的事实构成了上述系统的问题。
在高压力下操作所产生的安全问题构成了另一个问题。
发明内容
本发明的目标是提供给水消毒的设备和方法，其允许直接原位和即要使用时获得在根据特定应用要求的不同浓度下的消毒用化学产物。
本发明的目的是在恒定和控制压力条件的反应器中(不依赖反应器浸没于其中的介质的外压)产生氧化剂/消毒剂的混合物。
本发明的另外目的是通过防止过度压力能够引起产物混合物分解和岐化而提高系统的固有安全性。
本发明的另外目的是提供一种设备，该设备由于其特殊的构造特性而能够在使用中提供可靠性和安全性的最大保证。
下文将变得更为明显的这个目标以及这些和其它目的可通过用于给水消毒的设备得到实现，所述设备包括至少一个供以化学试剂且适于产生消毒性和氧化性产物的主反应器，特征在于其包括至少一个供以水且适于在待消毒的水中引入与供给水混合的消毒性和氧化性产物的次反应器，所述主反应器和次反应器浸没在待消毒的水中。
附图说明
由通过在附图中以非限制性实施例所说明的本发明的优选但不排除其它的实施方案的描述，其它特征和优点将变得更为明显，其中：
图1是插入在待消毒的水从中流过的管道内的消毒性和氧化性产物发生器的示意性正视图；
图2是主反应器结构实施方案的示意性透视图。
具体实施方式
参考所引用的图，根据本发明的设备(总体上用附图标记1表示)包括主反应器2，其借助于支承体3与支承板6连结，并且连接到包括产物P以所需浓度从其中排出的喷射器5的次反应器4。
借助于穿过支承板6并固定到其上的管状构件7将试剂加入到主反应器2。管状构件7含有一个或多个柔性管8(图中仅示出其中之一)。
将管状结构7连接到适于将水加入到次反应器4的进料管9。
然后将连接到相应储罐(在所述图中看不到)的泵所供给的试剂从中流过的柔性管8插入在水从中流过的管状构件7中。
实践中，试剂和相应储罐的数目可不等于2个。
供水管9中，在用于供给试剂的柔性管8插入的初始部分7中，供给的水以满足以下条件的流量流过：
a)氧化性/消毒性产物的浓度为0.1-5克/升，优选0.5-2克/升；
b)供水管9中水的压力p1具有这样的值，该值使得相对于待处理水的压力p，存在1-10巴，优选2-4巴的正差值。
该设备提供有处于次反应器4出口处的取样口。取样口用于吸取二氧化氯溶液以检查其分析纯度。
主反应器2的反应室优选具有3ml-4000ml的体积。
将主反应器2的反应室大小作为待获得的产物及其数量的函数进行调节，使得反应时间为5-1200秒、优选15-300秒不等。
为了确保氧化性/消毒性剂的每小时产量的灵活度，主反应器2可以是多级的，即如图2中示意性地所示，由多个模块式室22构成，或者由一系列平行设置且受次反应器4和相应喷射器5控制的较小室构成。
主反应器2的几何形状使反应效率最大化。
主反应器2优选具有0.5-50、优选2-10的高度与直径比。
主反应器2的内部形状确保试剂的最佳混合并且防止试剂和产物间(因此在液体和溶解的气体之间)的均相(homogeneous)情形；更确切地，从试剂的入口23向上，气相/液相比增加，即产物/试剂比增加。
任选地，主反应器2具有用于硫酸预稀释的室(图中未显示)。
用于制造主反应器2的室的材料确保与消毒剂/氧化剂的溶液的完全相容性以及机械强度；优选的材料是例如PVC、PTFE、PVDF、PRFV、玻璃等。
发生器能够生产10克/小时-200kg/小时和优选20克-100kg/小时的氧化剂/消毒剂。
主反应器2后接着是次反应器4，其提供用水稀释氧化剂/消毒剂所用的混合室，以维持所要求的高安全性标准，直到先前所引述的条件。
用水稀释后获得的氧化性/消毒性产物从次反应器4排出，以合适浓度溶解在液相中，并且即刻与在其中插入该设备的管10中流动的待处理的水接触。
可将工业水、饮用水、工艺水等引入发生器中以将所形成的产物稀释到所需浓度或者适当地稀释试剂的浓度。
在该最后情况中，优选使用不需要消毒剂的水，即使该水与待处理的水具有不同性质。
根据本发明的设备产生依照于以下列出的化学计量值的二氧化氯或者二氧化氯和氯的混合物的高纯溶液。
5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O                  (1)
5NaClO2+2H2SO4→4ClO2+2Na2SO4+NaCl+2H2O        (2)
2NaClO3+2NaCl+2H2SO4→2ClO2+Cl2+2Na2SO4+2H2O    (3)
因此，本发明主要使用了至少一种下面的化学反应由试剂获得用于水消毒的消毒性/氧化性化学产物：亚氯酸钠和盐酸转化反应成二氧化氯、氯化钠和水，在硫酸存在下亚氯酸钠转化反应产生二氧化氯、氯化钠、硫酸钠和水；以及最后是氯酸钠、氯化钠和硫酸转化反应成二氧化氯、氯气、硫酸钠和水。
本文所用的术语“纯度”(不要与反应的转化率或效率混淆)是指不存在由发生系统产生或携带的杂质：这样的杂质由与上面引述的反应平行发生并且可涉及试剂和产物的寄生反应(parasiticreaction)产生。
关于仅产生二氧化氯作为消毒剂/氧化剂的反应(1)和(2)，此处纯度被理解为在所产生的二氧化氯溶液中不存在不希望的杂质(亚氯酸盐、氯酸盐、氯气)。以化学方法，通过溶液的全分析确定这种纯度，这使得需要测定二氧化氯和氯气(通过具有中性和酸性pH的碘量滴定-AWWA Standard Methods 4500-ClO2)，亚氯酸盐和氯酸盐(通过离子色谱-EPA300.1-在溶液脱气后)并且表示为100与单个杂质浓度和二氧化氯浓度间的百分比的总和之差。
在反应(3)的情形中，其中产生的二氧化氯和氯气的混合物可用于不涉及打算供人食用的水的处理的应用，更合适于提及氯酸盐转化，理解为以反应所示的摩尔比产生两种氧化剂并同时在最终的混合物中不存在氯酸盐。
可根据要求对试剂进行便利地配置并且可为如下：
-溶液中的氯化钠(2％-35％)，优选10％-30％
-溶液中的亚氯酸钠(3％-33％)，优选8-31％
-溶液中的氯酸钠(3％-50％)，优选25-40％
-溶液中的盐酸(3％-37％)，优选10-33％
-溶液中的硫酸(3％-98％)，优选50-98％
所述百分数可被理解为重量/重量。
下文通过实施例给出了实施本发明的若干方法。
实施例1
制备含有25％亚氯酸钠的水溶液和33％盐酸的水溶液。将所述溶液引入各自罐中，并借助于计量泵调节这两种试剂的流量使得亚氯酸盐∶酸体积比为1∶0.8。将这两种试剂以所示比率和以消毒所需的量送到150ml的反应室，在该反应室中它们停留完成反应所需的时间，该时间为15-30秒。在4巴的压力下给喷射器供以水，对氧化剂没有要求，并且在出口处施加1.5巴的反压力(待处理的水在管中的压力)。驱动水的流量使二氧化氯稀释到约1g/l的浓度。通过分析，该溶液具有下面组成：ClO2＝1083mg/l；亚氯酸盐＝无；氯气＝无；氯酸盐＝26mg/l。
因此纯度等于97.6％。因而将产生的二氧化氯用于待使得可饮用的未处理池水的预氧化处理，这具有在2小时1.5mg/l的二氧化氯要求，其代表在该流量下于预氧化罐中的停留时间，目标是促进澄清絮凝处理、将溶解的有机分子的结构改性并且确保打算供人食用的水所要求的保健和卫生水平。
在附表Ⅰ中列出了所描述的实施例的主要特性，包括在入口和在出口的细菌计数。
表Ia
  回路的每小时流量mc/h   亚氯酸盐剂量l/h   盐酸剂量l/h   产量ClO2kg/h
  1525   12,7   10,1   2,29
表Ib
  总大肠杆菌素cfu/ml未处理   总大肠杆菌素cfu/ml处理后   大肠杆菌cfu/100ml未处理   大肠杆菌cfu/100ml处理后
  4250   无   1200   无
实施例2
制备含有25％亚氯酸钠的水溶液和33％盐酸的水溶液。将所述溶液引入各自罐中，并借助于计量泵调节这两种试剂的流量使得亚氯酸盐∶酸体积比为1∶0.8。将这两种试剂以所示比率和以消毒所需的量送到30ml的反应室，在该反应室中它们停留完成反应所需的时间，该时间为15-30秒。在7巴的压力下给喷射器供以水，对氧化剂没有要求，并且在出口处施加4巴的反压力(待处理的水在管中的压力)。驱动水的流量使二氧化氯稀释到约1.2g/l的浓度。通过分析，二氧化物溶液具有下面组成：ClO2＝1224mg/l；亚氯酸盐＝无；氯气＝8mg/l；氯酸盐＝30mg/l。
因此纯度等于96.9％。
因此将产生的二氧化氯用于水网络的覆盖，其中该水已经以0.5mg/l剂量使该水可饮用，目标是保持水的保健卫生特性不变化并且防止有害微生物的再次生长。
在附表Ⅱ中列出了所描述的实施例的主要特性。
表Ⅱ
  回路的每小时流量mc/h   亚氟酸盐剂量l/h   盐酸剂量l/h   产量ClO2kg/h
  1000   2.8   2.2   0.5
实施例3
制备含有31％亚氯酸钠的水溶液和33％盐酸的水溶液。将所述溶液引入各自罐中，并借助于计量泵调节这两种试剂的流量使得亚氯酸盐∶酸体积比为1∶1。将这两种试剂以所示比率和以消毒所需的量送到1200ml的反应室，在该反应室中它们停留完成反应所需的时间，该时间为15-30秒。在3巴的压力下喷射器供以水，对氧化剂没有要求，并且在出口处施加0.5巴的反压力(在剂量给加位置深度处的压力)。驱动水的流量使二氧化氯稀释到约1.8g/l的浓度。通过分析，该溶液具有下面组成：ClO2＝1815mg/l；亚氯酸盐＝无；氯气＝无；氯酸盐＝65mg/l。
因此纯度等于96.4％。因而使用所产生的二氧化氯作为用于热电厂冷却回路的海水的处理中的防污剂。对该系统进行编程以实施一天两次各持续每1小时、浓度满足先前所评估的0.8mg/l的水要求的剂量。在附表Ⅲ中给出了所描述的实施例的主要特性，包括在入口和在出口的细菌计数。
表IIIa
  回路的每小时流量mc/h   亚氯酸盐剂量l/h   盐酸剂量l/h   产量ClO2kg/h
  25000   84.5   84.5   20
表IIIb
  总需氧菌计数cfu/ml未处理   总需氧菌计数cfu/ml换热器出口
  3760   215
实施例4
在体积为10ml的预混合室中制备含有25％氯酸钠和13.5％氯化钠的水溶液(混合物A)以及浓硫酸溶液，该浓硫酸溶液随后将被稀释到等于75％的所需浓度。借助于计量泵调节流量使得上述混合物和浓硫酸之间的比为1∶1.05。将这两种试剂以所示比率和以消毒所需的量送到150ml的反应室，反应时间为20-90秒。
反应(3)的转化率为95％，高于氯酸盐。二氧化氯和氯的摩尔比为1.92。
在3巴的压力下给喷射器供以水，对氧化剂没有要求，并且在出口处施加0.5巴的反压力(在剂量给加位置深度处的压力)。通过分析，该溶液具有下面组成：ClO2＝650mg/l；亚氯酸盐＝无；氯气＝356mg/l；氯酸盐＝38.2mg/l。
因此将所产生的、适当用稀释水稀释的消毒剂(氯气和二氧化氯)的混合物用于工业用途的表面水的消毒/防污处理。这是等于约0.2mg/l总消毒剂的连续剂量。在附表IV中给出了所描述的实施例的主要特性，包括在入口和在出口的细菌计数。
表Ⅳ
  回路的每小时流量m3/h   混合物A剂量L/h   浓硫酸剂量L/h   产量ClO2//Cl2g/h   总需氧菌计数cfu/ml入口   总需氧菌计数cfu/ml出口
  6000   3.83   3.92   789//411   35000   1500
实施例5
制备含有16％亚氯酸钠和20％氯化钠的水溶液(混合物A)以及50％稀硫酸的溶液。借助于计量泵调节流量使得上述混合物和硫酸之间的比为1∶0.8。将这两种试剂以所示比率和以消毒所需的量送到1500ml的反应室，反应时间为5-50秒。
在3巴的压力下给喷射器供以水，对氧化剂没有要求，并且在出口处施加0.5巴的反压力(在剂量给加位置深度处的压力)。驱动水的流量使二氧化氯稀释到约1.4g/l的浓度。通过分析，该溶液具有下面组成：
ClO2＝1432mg/l；亚氯酸盐＝无；氯气＝12mg/l；氯酸盐＝23mg/l。
因此纯度等于97.6％。因此使用所产生的二氧化氯作为用于热电厂冷却回路的海水的处理中的防污剂。等于0.28mg/l的剂量相对于未处理的水在30分钟0.8mg/l的二氧化氯要求的平均值是连续的。在附表V中给出了所描述的实施例的主要特性，包括在入口和在出口的细菌计数。
表Ⅴ
  回路的每小时流量mc/h  混合物A剂量l/h   硫酸剂量kg/h   产量ClO2kg/h   总需氧菌计数cfu/ml入口   总需氧菌计数cfu/ml出口
  30000   72   57.7   8.4   15000   300
因此本发明涉及浸没式发生器，该发生器通过使用一系列可能的前体，不依赖于其所浸没于之中的流体施加的压力，在便利地降低的压力下工作，以便使反应动力学和所产生的溶液的纯度最大化。
所实现的操作条件提供了在增强系统固有安全性的条件下工作的好处，这是因为在气相中的二氧化氯从未达到可能成为临界的条件。
发生器能够以极大的灵活性、维持相同的效率和安全性而不依赖于产率进行工作，因为有可能以单个室或者以多级模式或者平行进行工作。
实践中，发现本发明实现了预期目标和目的，提供了允许获得已以待进行消毒的水中所需的浓度溶解在液相中的氧化性/消毒性产物的方法和设备。
便利地对设备、特别是主反应器2进行设计，以便获得最大反应速度、反应动力学的最佳控制、成品产物的最佳稳定性、杂质形成的最小化和系统安全性的提高。
允许实现该目标的设计参数是接触时间的调节、气相和液相之间正确和恒定比率的维持、温度控制和合适压力条件的维持。
根据本发明的设备与现有技术体系相比具有若干重要优点。
对所述设备进行配置以防止会对二氧化氯的稳定性有害的过度压力的出现。
根据本发明的设备没有造成与在较高压力下工作有关的安全问题。
根据本发明，对设备进行配置以适于反应室周围液体的的任何压力条件，其可以非常低例如在水池中，或者非常高例如在水总管或管道中。
此外，喷射器5调节压力并且提供了从主反应器的反应室到由次反应器构成的混合室的二氧化氯恒定和均匀的流量，因此以合适的剂量均匀地处理水，与提供有仅当达到内压阈值时打开的阀的常规设备中可能发生的情形相反。
本申请要求2007年12月19日提交的意大利专利申请No.MI2007A002388的优先权，其主题通过引用并入本文。

Claims (7)

1.一种给水消毒的设备，其包括至少一个供以化学试剂且适于产生消毒性和氧化性产物的主反应器，特征在于其包括至少一个供以供给水且适于将与所述供给的水混合的所述消毒性和氧化性产物引入到待消毒的水中的次反应器，所述主反应器和次反应器紧固到支承体并且浸没在所述待处理的水中，所述待处理的水在其中插入所述主反应器和次反应器的管中流动；所述次反应器包括所述供给水与消毒性和氧化性产物的混合物从中排出的喷射器，其中所述化学试剂通过管状构件供给到所述主反应器，所述管状构件与所述支承体连结并且含有一个或多个连接到储存所述化学试剂的罐的柔性管，所述管状构件连接到适于将水加入到所述次反应器的供水管，所述主反应器后接着是所述次反应器，所述次反应器提供用水稀释氧化剂/消毒剂所用的混合室。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于其包括处于所述次反应器出口处的取样口来吸取二氧化氯溶液以检查其分析纯度。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于所述主反应器是多级的，即由多个模块式室构成，或者由一系列并列设置且受所述次反应器和相应喷射器控制的室构成。
4.根据权利要求1或2的设备，其特征在于所述主反应器具有0.5-50的高度与直径比。
5.根据权利要求4的设备，其特征在于所述主反应器具有2-10的高度与直径比。
6.根据权利要求1或2的设备，其特征在于所述主反应器具有用于硫酸预稀释的室。
7.通过下面反应中的至少一种，在权利要求1-6任一项的设备中给水消毒的方法：亚氯酸钠和盐酸转化反应成二氧化氯、氯化钠和水；在硫酸存在下亚氯酸钠转化反应产生二氧化氯、氯化钠、硫酸钠和水；以及氯酸钠、氯化钠和硫酸转化反应成二氧化氯、氯、硫酸钠和水；所述方法的特征在于，在适合于产生消毒性和氧化性产物的主反应器中引入所述试剂，并且在次反应器中将所述消毒性和氧化性产物与水混合，均是在相同的待消毒的水中进行；其中，喷射器调节压力并且提供了从主反应器的反应室到由次反应器构成的混合室的二氧化氯恒定和均匀的流量。
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