CN103108836A - 使用传送机清扫的水净化 - Google Patents

Abstract

用于通过凝结胶体并将它们从水中分离而从污染水去除胶体和氮化物的方法和设备。固体通过喷布而漂浮，然后漂浮的固体用传送机从水的表面被清扫进入排出口，来自传送机的向下悬挂的垂片撇清或接近所述表面，从而将漂浮的絮凝物清扫进入排出口。

Description

使用传送机清扫的水净化

相关申请的交叉引用：

本申请要求2010年8月18日递交、美国申请序列号12/859,041的优先权，并且是2007年3月30日递交、美国申请序列号11/694,306的部分继续申请，该部分继续申请要求在2006年3月31日递交、美国临时申请序列号60/787,907和60/788,278的优先权，所述美国临时申请被整体包括在本文中。

发明领域

本申请涉及水净化的方法、系统和装置。

背景技术

长期以来一直在寻找经济且高效的方法和设备来净化污水，特别是用来净化包含脂肪酸的水。污水，例如包含可溶氮化合物、悬浮有机胶体乳液或悬浮液的水（例如来自肉类加工厂、奶场、乳酪加工厂、面包厂、化工厂、造纸厂以及石油厂的排出物（effluent）和包括原始污水的排出物）具有特别的重要性，并且对这样的水的高效的、成本有效的去污方法是被高度期望的。

胶体（colloids）具有负电荷，所述负电荷阻止胶体聚结（coalesce）并且使得过滤或分离在实践上不可能。之前用于水净化的方法包括将脂肪酸污水与在电解期间从电极释放的金属离子结合，从而形成疏水的金属皂（metallic soap）。二价或三价金属离子在电解期间从电极释放，并与脂肪酸结合，以形成不可溶的絮凝剂（flocculant）。该絮凝剂又吸引或者吸收存在于污水中的其他杂质。因此，该絮凝剂充当不仅从水中去除脂肪酸还去除其他杂质的运输介质。

为了确保持续产生离子，电极被设置在固体颗粒的移动床中。所述固体颗粒由处理水流动通过电解腔而保持运动，以便持续地摩擦并清洁电极表面。所述絮凝剂和所吸引的杂质随后被引导到絮凝/分离盆，在此处所述絮凝剂和所吸引的杂质通过浮选而被分离，剩下净化水以从所述盆回收。

包括电浮选和电凝结（electrocoagulation）系统的电解水处理系统尽管起作用，但是在它们的电极在被仅通过改变电极的极性不可去除的不可溶的层覆盖时存在困难。在以金属电极电解包含脂肪酸的废水时尤其是这样，这在阳极表面形成难以去除的不可溶性金属皂。

当前的电解水处理系统通过硬颗粒的移动床来清洁电极，并且在电解池前引入空气来使所述床和水移动通过该系统。然而，已经发现电解池前的气泡增加电极之间的电阻，由此需要高电压并引起电极、壁和电解池部分的过度磨损。

在大多数污染物已经被去除后，剩余的溶解和悬浮的污染材料需要被去除，并且剩余物被处理以杀菌。尽管氯是优选的试剂，所述的水能用很多消毒剂（例如杀生物剂、紫外光、臭氧、氯、溴等）处理。

氯通常以电解方式制成，持续地将富集的盐溶液（氯离子）引入到电解池的阳极室，所述阳极室通过可渗透膜与所述阴极室分开。在离子交换膜出现前，膜是由阳极和阴极之间的很多层石棉纸制成，以尽可能阻止阴极室中产生的苛性碱（caustic）与阳极室中产生的氯混合。当前，通常使用这样的阳离子交换膜，所述阳离子交换膜阻止阴离子以及溶液从一个室流动到另一个室。

可以通过电解盐水来制造为次氯酸钠的氯，而无需使用膜。该方法对于游泳池应用来说尤其有用，但具有使用盐的缺点。这样，存在于水中的钙和镁形成碳酸盐，所述碳酸盐沉积在阴极上，最终使阴极绝缘而阻止电极之间的电流流动。随后阴极必须以酸清洁来去除钙质覆层。

对游泳池中氯化水的该标准电解技术是提供包含高浓度的普通盐的分离的池，所述盐一旦电解则给出馈送到游泳池中的次氯酸钠或氯。理论上来说，有可能向游泳池水中添加足够的普通盐并且直接电解之。然而，该技术具有这样的缺点，即水对入池者来说尝起来是咸的，并且包含于水中的钙沉积在阴极上达到这样的程度，以至于电流流动停止或者受损。在实践中，已经发现极性改变来去除沉积在阴极上的钙导致阴极的腐蚀。

水净化行业已在继续寻找新的并且改进的用于从水中去除脂肪酸和其他污染物的方法。因此，对于更经济、更高效、成本有效且方便的用于净化水的方法，已经存在长期感觉到而未能满足的需求。

发明内容

本发明的实施方案描述用于污染废物净化的设备，包括（a）电解池，（b）在所述电解池之下的进入口，（c）在所述电解池之上的上部分，所述上部分包括空气喷布器和出口，（d）邻近所述上部分的封闭排泄空间，所述封闭排泄空间包括用来分离水和杂质的装置，以及（e）再循环泵，所述再循环泵将所述出口连接到所述电解池的所述进入口。所述电解池的电极优选为串联连接。所述设备还可以包括从所述上部分倾斜出去的斜向底的盆，所述盆具有在与所述上部分对置的所述斜向底的下端处的净化水出口；位于所述净化水出口之上的再循环出口，以及位于所述再循环出口之上的排出口。所述再循环出口可以被连接到所述再循环泵。在替换的实施方案中，所述设备还可以包括过滤器，例如但不限于旋转式真空过滤器，压滤机，传送带式真空过滤器，砂滤器或离心过滤器。在一些实施方案中，所述上部分以横截面来看为圆锥形的，并且所述电极可以是铁，镁，铝及其合金。在一些实施方案中，所述电极的极性是连续循环的，并且电极极性循环的频率在约每秒1次改变至约每10分钟1次改变之间。在一些实施方案中，在所述设备中还包括氯化器。

在本发明的另一个实施方案中，描述了一种包含以下步骤的水净化方法：（a)以通常垂直向上的方向使污水通过电解池，所述电解池具有被固体、非传导颗粒的移动床围绕的多个电极，以形成包括净化水，水，杂质和泡沫的疏水絮凝物；（b）将所述絮凝物引导到封闭腔，所述封闭腔直接连接到所述电解腔的上端；（c）使所述杂质、泡沫和水与所述净化水分离；（d）使所述水的一部分从所述封闭腔再循环到所述电解池；（e）从所述封闭腔去除所述杂质和泡沫；以及（f）从所述封闭腔移出所述净化水。在一些实施方案中，在所述电解池之上但在液面以下喷布空气，并且所述电极串联连接，其中所述电极的极性正连续地被改变。在一些实施方案中，所述水的向上速度部分是通过所述水通过所述池的再循环实现的，并且所述污水被压力引导通过所述移动床。所述非传导颗粒优选是花岗岩，并且具有大于所述污水比重的比重，并且它们的自由下落速度大于所述水的向上速度。在一些实施方案中，净化水被进一步氯化。在一些实施方案中，所述电极的极性通过施加直流电压而交替，并且所述极性改变的频率在从约每秒1次改变至约每10分钟1次改变的范围内，而且所述极性的改变具有相同的持续时间。在一些实施方案中，额外的皂液被添加到要净化的水中，并且利用由于再循环泵导致的压力改变产生微泡。

在本发明的另一个实施方案中，一种氯化系统被描述为具有一个或更多个阳极；围绕所述阳极的多孔膜（diaphragm）；围绕所述多孔膜的阴极，用来朝所述阳极引导流体流的装置，以及用来阻止流体回流出池的装置。优选地，所述多孔膜足够可渗透以允许层流，但是所述多孔膜足够致密以阻止湍流。在一些实施方案中，所述系统还包括间隔在所述阳极和所述多孔膜之间并围绕所述阳极的非传导隔离器。所述阳极可以由碳、被铂覆盖的钛、被氧化钌覆盖的钛，或者其他非可腐蚀的元素制成。在一些实施方案中，所述用来朝所述阳极引导流体流的装置是具有非可渗透底部和开口顶部的多孔膜。在一些实施方案中，所述用来阻止流体回流的装置是止回阀、球阀或闸式阀。

在本发明的另一个实施方案中，一种水氯化方法被描述为包括以下步骤：（a）在垂直向上的方向使水流流到电解池，所述电解池包括被多孔膜隔离的阳极室和阴极室；（b）通过电渗析在所述阳极室的水中富集氯离子；（c）在所述阳极室中聚集盐酸。在一些实施方案中，所述方法还包括以间歇的方式使所述盐酸从所述阳极室通过所述多孔膜扩散到所述阴极室。

在还另一个实施方案中，所述装置包括具有向下悬挂的垂片的传送机，所述垂片发挥清扫所述流体表面的作用，从而朝所述出口推送（push）任何漂浮的絮凝物和其他被吸引在其中的物质。所述传送机能被安装在所述排液盆的头顶上或在一侧上，并且，尽管为了与所述表面的最大接触，所述垂片优选地至少在底部是平的，所述垂片可以具有任何形状。所述垂片应当要么接触所述流体的表面，要么至少伸入所述漂浮的絮凝物层到一定程度，以便将所述絮凝物捕捉（catch）并且将所述絮凝物转移到所述出口。我们已经图示说明了长的线型传送机在所述盆的长度缓慢地清扫所述絮状物以确保在离开所述盆之前所述絮状物被充分排尽被捕获的水。

附图说明

图1示出根据本发明的水净化设备和方法的实施方案。

图2示出根据本发明的用于水净化的设备和方法的替换实施方案。

图3示出定位于所述倾斜的盆之上并且具有向下悬挂的垂片（40）的传送带（45），所述垂片（40）发挥清扫或撇清（skim）所述流体表面的作用，从而将漂浮的絮凝物推送到所述固体出口。此传送机行进在所述装置的长度，但也可以使用短很多的传送机。

具体实施方式

使用可腐蚀电极以电解方式处理污水来产生高正性化合物（highly positivecompound），以与高分子量有机酸形成高正性不可溶的疏水性皂（soap），所述皂捕获（trap）有机化合物并包封（encapsulate）一些微生物。污水源包括，但不限于，来自肉加工厂、奶场、乳酪加工厂、面包厂、化工厂、造纸厂以及石油厂的水和包括原始污水的排出物。

图1示出水净化设备的优选实施方案。入口导管（inlet conduit）1被连接到电解池2的底部。在电解池2的顶部为具有出口通道（passage）5的上部分4。上部分4优选地包括连接到电解池2的顶部的圆锥形部分3和出口导管18。出口通道5位于圆锥形部分3之上。在出口通道5和圆锥形部分3之间，出口导管18从上部分引出（exit）。出口导管18包括管路（line）21并馈接至再循环泵13的入口。空气和额外的皂可以通过管路21被引入系统中。上部分4优选地是对大气封闭的。

电极6以任何合适的方式（图中未示出）被安装在池2中，并且串联连接到极性连续改变的直流源。电流极性的改变确保串联连接到电流源的端电极的同等腐蚀，但增强流动床（fluid bed）的清洗作用。极性改变的频率优选地以相等时间周期（period）进行。在一些实施方案中，如这里所提及的，连续地是指在约每秒1次改变至约每10分钟1次改变之间改变极性，并且这取决于水中污染物的量和污染物聚集在电极上的趋势。

在一些实施方案中，优选地，电极6为可腐蚀的，并且，但不限于，由诸如铝、铁、镁或它们的组合或合金的二价或三价金属制成。电极被串联连接到直流源，所述直流源的极性在较短的、优选为相等时间周期期间被改变。电极6被比重大于污水比重的固体非传导硬颗粒的移动床围绕。

在本发明的一些实施方案中，位于圆锥形部分3的顶部、在其中固体颗粒已经沉降的点之上，但仍然在流体的表面水平之下的，为空气喷布器7。由本文中的“喷布器”，意味着鼓风机定位于液面之下，以致吹出气泡通过所述流体。除了电解期间形成的气泡之外，空气喷布器7还将额外气泡供应给上部分4。空气喷布器7可以连接到压缩空气源8。压缩的空气产生气泡，以使在要净化的水的电解期间通过释放金属皂所产生的絮凝物漂浮。在一些实施方案中，在电解池之后，但在所述流体的表面水平之下（例如，在出口通道5之下）引入气泡。

尽管示出圆锥形部分3，但是可以使用任何横截面，并且优选地，使用这样的横截面，所述横截面将把水向上移动的速度降低到其中固体颗粒将沉下到电解池中的值。固体颗粒在水中自由下落的速度应该高于水的向上移动的速度。通过凝聚盆的流应该优选地被维持，以允许从所述床带走的任何固体颗粒返回到电解腔。

出口通道5被连接到盆9。盆9还包括可以具有斜向底10的排泄空间15。再循环导管11在盆的上边沿附近，并且优选地与出口通道5对置。盆9优选为对大气封闭的。净化水出口12在盆9的底部，也优选地与出口通道5对置。泡沫出口16位于出口通道5对置处，优选地离开某段距离，以允许絮凝物和净化水的可接受的分离。再循环导管11连同出口导管18被馈接至再循环泵13，所述再循环泵13的出口14可以连接到电解池2下方的入口导管1。盆9还包括位于排泄空间15上方的泡沫出口16。再循环导管11的位置优选地位于接近气泡层或其下方，以捕捉任何正在沉降的絮凝物，并将其再循环到电解池。这确保所有絮凝物优选地通过泡沫出口16离开。

上部分4和盆9两者都优选为对大气封闭的。实践中，已经发现曝露在大气中使气泡变干并爆破，并且絮凝物倾向于沉降，使得难以获得没有絮凝物的纯水。封闭环境防止携带絮凝物的气泡干燥和爆破。这些气泡还被排出过量的水，并通过泡沫出口16被递送到大气中。优选地，盆9具有足够容量来保持正被处理的水约15分钟，以获得水和絮凝物的最大分离。在替换的实施方案中，盆30被定尺寸为保持正被处理的水约10分钟、20分钟或允许絮凝物与水分离并允许絮凝物上升到顶部必需的任何时间。

操作期间，污水流过入口导管1并向上流入电解池2。高分子量有机酸与从电极释放的金属离子结合，形成高正性不可溶的疏水皂，所述高正性不可溶疏水皂捕获有机化合物并包封微生物。这些高正性化合物中和带负电荷的胶体，允许胶体聚结，使过滤或分离成为可能。絮凝物通过分离的金属离子的胶体水合氧化物（hydrated oxides）的累积（build up）来形成。絮凝物结合或吸收污水中存在的其他杂质，并充当从水中去除杂质的运输介质。

固体非传导颗粒通过电解池中产生的水流和气体在各种方向上以各种速率逆着（against）和沿着电极的表面移动，以确保电极的清洗。已经与水一同被运载并且当向下沉降时移动经过所述电极的那些固体颗粒的回行运动导致额外的电极清洗效果。

通过入口水压力引导污水通过电解池中的颗粒移动床。在一些实施方案中，由再循环泵13提供所述压力。在其他实施方案中，空气被吹入床中，以加强它的移动。在替换的实施方案中，通过经由管路21将空气供应到再循环泵的吸入（suction）侧来提供额外的空气。在优选实施方案中，一般在基本上垂直向上的方向将污水引导通过移动床。

包含絮凝物和气泡的水被导向（lead）为通过通道5至盆9和排泄空间15。净化水经由净化水出口12离开，在操作期间，所述净化水出口12优选地位于泡沫层水平之下的水平。再循环导管11和导管18将带有絮凝物的再循环水导向为通过泵13和导管14至进口（intake）导管1。导管18将电解池的圆锥形部分中的水的上层再循环通过电极。

一些实施方案包括可以被用来控制再循环率的阀门19和阀门20。皂液和额外的空气通过管路21供给水出口导管11。在一些实施方案中，特别是其中高分子量有机酸或酯的量在要处理的污水中不足以被处理而形成凝结所要求的电解上高正性的金属皂的实施方案中，可以将额外的可溶皂引入水中。由于泵13供应的压力，通过管路21添加的空气和皂一般将被压缩并被溶解到水中，并且将在电解池中形成非常小的微泡。

泡沫出口16将排泄出的泡沫17递送0大气中。排泄出的泡沫基本上包含馈入的污水的所有杂质。这些疏水絮凝物易于干燥和处理。在一些实施方案中，在被消毒之后，絮凝物可以被用作肥料。在替换的实施方案中，絮凝物被干燥并且可以被用作燃料。

图2示出水净化系统的替换实施方案。入口导管22被连接到电解池23的底部。在电解池23的顶部为具有出口通道26的上部分24。上部分24优选地包括连接到电解池23的顶部的圆锥形部分和再循环导管32。出口通道26位于圆锥形部分上方。在出口通道26和圆锥形部分之间，再循环导管32从上部分24引出。再循环导管32包括管路33并被馈接至再循环泵39的入口。空气和额外的皂可以通过再循环导管32被引入系统中。上部分24优选为对大气封闭的。

电极27以任何合适的方式（图中未示出）被安装在池23中，并且串联连接到极性连续改变的直流源。电流极性的改变确保串联连接到电流源的端电极的同等腐蚀，但增强流动床的清洗作用。极性改变的频率优选地以相等时间周期进行。在一些实施方案中，如这里所提及的，连续地是指在约每秒1次改变至约每10分钟1次改变之间改变极性，并且这取决于水中污染物的量和污染物聚集在电极上的趋势。

在一些实施方案中，优选地，电极27为可腐蚀的，并且，但不限于，由诸如铝、铁、镁或它们的组合或合金的二价或三价金属制成。电极被串联连接到直流源，所述直流源的极性在较短的、优选为相等时间周期期间被改变。电极27被比重大于污水比重的固体非传导硬颗粒的移动床围绕。

在本发明的一些实施方案中，位于上部分24的圆锥形部分的顶部、在其中固体颗粒已经沉降的点之上，为空气喷布器28。除了电解期间形成的气泡之外，空气喷布器28还将额外气泡供应给上部分24。空气喷布器28可以连接到压缩空气源29。压缩空气产生气泡，以使在要净化的水的电解期间通过释放金属皂所产生的絮凝物漂浮。在一些实施方案中，在电解池之后引入气泡。

尽管示出圆锥形部分，但是可以使用任何横截面，并且优选地，使用这样的横截面，所述横截面将把水向上移动的速度降低到其中固体颗粒将沉下到电解池中的值。固体颗粒在水中自由下落的速度应该高于水的向上移动的速度。通过凝聚盆的流应该优选地被维持，以允许从所述床带走的任何固体颗粒返回到电解腔。

出口通道26被连接到盆30。盆30还包括可以具有斜向底的排泄空间37。与出口通道26对置的是过滤器34。在优选的实施方案中，过滤器34是旋转式真空过滤器。在替换的实施方案中，过滤器可以是压滤机、传送带式真空过滤器、砂滤器、离心过滤器或本领域技术人员已知的任何过滤器。优选地，盆30具有足够容量来保持正被处理的水约15分钟，以允许絮凝物在被过滤之前生长。在替换的实施方案中，盆30被定尺寸为保持正被处理的水约10分钟、20分钟或允许絮凝物在过滤之前生长所必要的任何时间。

上部分24和盆30两者都优选为对大气封闭的。实践中，已经发现曝露在大气中使气泡变干并爆破，并且絮凝物倾向于沉降，使得难以获得没有絮凝物的纯水。封闭环境防止携带絮凝物的气泡干燥和爆破。所述气泡被递送到过滤器34。

在操作期间，污水向上流动通过入口导管22进入电解池23并且通过上部分24。通道26将水和泡沫递送到盆30。在通过过滤器34被过滤之后，过滤的水经由真空泵（未示出）被递送通过中心管（pipe）出口35到大气压。通过刮具38将过滤的固体36从旋转式过滤器34刮出。在一些实施方案中，过滤的水经过氯化器。在一些实施方案中，过滤的固体可以被消毒并且用作肥料，或者可以被干燥并且用作燃料。

在污水已经被处理以去除胶体后，可溶的氮化合物可以与氯反应。在本发明的一个实施方案中，氯离子被引入到阴极室并且通过电渗析转移到阳极室。

图3示出绕着两个点35旋转的传送带45。所述传送机能被安装在所述腔（未示出）的头顶上或在一侧上，因为对工程师来说这是方便的。优选地，所述向下悬挂的垂片(flap)或翅片（fin）40清扫所述表面的整个长度，但所述传送机也能短很多，只清扫所述长度的一部分。

本文所公开的本发明以及一个或多个实施方案良好地适于实现目标并获得所阐述的结局。可以在主题中作出某些改变而不会偏离本发明的精神和范围。认识到，在本发明的范围内改变是可能的，并且还进一步打算所提到的每种要素或步骤要被理解为指代所有等同的要素或步骤。不管本发明可以以何形式利用，该描述打算尽法律可能宽泛地覆盖本发明。

Claims (20)

1.一种废水处理装置，包括：

(a)电解池，所述电解池包括串联连接的电极，并且具有在所述电解池之下的流体进入口，

(b)流体连接所述电解池之上的上部分，所述上部分具有在所述上部分顶部的出口以及所述出口之下的空气喷布器，

(c)所述出口流体连接具有从所述上部分倾斜出去的斜向底的盆，

(d)所述盆还包括在与所述上部分对置的所述斜向底的下端处的净化水出口；以及位于与所述上部分对置的所述倾斜的盆的顶部的固体排出口，以及

(e)至少一个传送机，所述传送机具有向下悬挂的垂片，所述垂片被定位以在所述盆中的流体的表面处或在接近所述盆中的流体的表面进行清扫，并且因此朝着所述固体排出口清扫任何在所述表面上的固体。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述上部分的截面是圆锥形或部分圆锥形的。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述上部分的截面是圆锥形或部分圆锥形的，并且具有比所述电解池更大的直径。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极包括铁、镁、铝或其合金或其混合物。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极的极性是连续循环的。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极的极性是在每秒1次改变至每10分钟1次改变之间连续循环的。

7.根据权利要求1所述的设备，还包括氯化器。

8.根据权利要求1所述的设备，还包括在所述上部分和所述倾斜的盆之一或二者中的再循环排出口，所述排出口流体连接所述入口。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述向下悬挂的垂片清扫所述盆和所述上部容器的整个长度。

10.一种水净化方法，包括：

(a)以通常垂直向上的方向使污水通过电解池，所述电解池具有被固体、非传导颗粒的移动床围绕的多个电极，以形成包括净化水，水，杂质和泡沫的絮凝物，其中所述电极串联连接并且所述电极的极性是连续交替的；

(b)在所述电解池之上喷布所述絮凝物以产生漂浮的絮凝物，以及将所述漂浮的絮凝物引导到封闭腔，所述封闭腔直接连接到电解腔的上端；

(c)用至少一个具有向下悬挂的垂片的传送机将所述漂浮的絮凝物清扫进入排出口，

(d)使所述水的一部分从所述封闭腔再循环到所述电解池；以及

(e)从所述封闭腔移出所述净化水。

11.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述水的向上速度部分地通过所述水经所述池的再循环实现的。

12.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述非传导颗粒具有大于所述污水比重的比重。

13.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述颗粒的自由下落速度大于所述水的向上速度。

14.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述净化水被进一步氯化。

15.根据权利要求10所述的水净化方法，所述电极的极性通过施加直流电压被交替。

16.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述污水被压力引导通过所述移动床。

17.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述固体非传导颗粒是花岗岩颗粒。

18.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述极性改变的频率在从约每秒1次改变至约每10分钟1次改变的范围内。

19.根据权利要求10所述的水净化方法，其中额外的皂液被添加到要被净化的水中。

20.根据权利要求10所述的水净化方法，其中所述絮凝物从所述电解池和所述封闭腔到所述排出口的整个的长度被清扫。

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