CN104603070B - 一种高速化学软化方法 - Google Patents

Abstract

一种载体絮凝系统，其化学软化水并导致硬质粒子从水中沉淀并结晶。在结晶过程中，硬质粒子生长并形成载体絮体，所述载体絮体通过澄清单元以污泥的形式从水中分离出来，产生澄清的流出液。包括硬质结晶的分离的污泥被引入分离器，在此污泥被分离成两股流，每股流具有包含在其中的硬质结晶。在一种方法设计中，一股流包括相对小的硬质结晶且另一股流包括相对大的硬质结晶。具有相对小的硬质结晶的流被引入第一反应器并与进水和软化试剂混合。具有相对大的结晶的流被引入第二个下游的反应器并与水和絮凝剂混合，这促进了硬质结晶的生长。

Description

一种高速化学软化方法

根据美国专利法第35条第119(e)款的规定，本申请声明要求2012年5月25日提交的申请序列号为61/651,798的美国临时申请的优先权。该申请通过引用以其整体并入本文。

发明领域

本发明涉及软化方法，且更具体地涉及一种在载体絮凝系统中实施的化学软化方法。

发明概要

本发明实现了一种高速软化方法，其中一种软化试剂与被处理的水混合。硬质粒子从水中沉淀并形成结晶。硬质结晶为通过该方法产生的悬浮固体。该固体从水中分离出来，产生澄清的流出液。将该固体引入固体分离装置，其将该固体分离成两股流，每股流均含有硬质结晶。在一个实施方案中，该方法使用第一和第二反应器。在该实施方案中，一股固体流被引入一个反应器且另一股固体流被引入第二反应器。在两种情况下，反应器包括将硬质结晶与被处理的水混合的混合器，所述混合器进一步促进沉淀的硬质粒子的结晶。

在一种方法设计中，该固体分离装置将固体分离成具有相对小的硬质结晶的第一流和具有相对大的硬质结晶的第二流。该第一固体流与软化试剂和水在第一反应器中混合，而具有相对大的硬质结晶的第二流与水在第二个下游的反应器中混合。在第一反应器中沉淀的硬质粒子开始结晶。水与硬质结晶一起从第一反应器转移至下游的第二反应器，在其中硬质结晶继续生长。混合第一反应器中的相对小的硬质结晶和第二反应器中的相对大的硬质结晶促进了有序和有效的结晶过程，该过程有效地促进从水中去除硬度和悬浮固体。

在另一个实施方案中，该高速软化方法可以在不使用砂子的情况下实施。在此硬质结晶生长且有效地形成载体(ballast)。当使用的澄清单元是沉淀池时，这些相对大的结晶可以用作载体，当与絮凝剂一起使用时，所述载体可吸引硬质、非硬质沉淀物和其它悬浮固体，且其将会在沉淀池中相对快速地沉降。这提高了从水中去除硬度、其它沉淀物和悬浮固体的效率。

通过研究下面的说明和附图，将使本发明的其它目的和优势变得明显和显而易见，且所述说明和附图仅仅作为该发明的例示。

附图简要说明

图1是本发明的高速软化方法的示意图。

示例性实施方案的说明

本发明涉及一种在载体絮凝系统中软化水的方法，其可以在不使用砂子作为载体的情况下实施。将软化试剂如石灰、苛性碱和/或苏打灰与具有硬度的水混合。这导致硬质粒子如碳酸钙的沉淀。本发明的方法被设计为促进某些硬质粒子结晶，导致硬质粒子生长为相对大的结晶。在本发明的一个实施方案中提供的沉淀池中这些含有硬质粒子的相对大的结晶相对快速地沉降。为了促进硬质结晶生长和有效的硬度去除，回收这些硬质结晶并将其返回到主流中，在此它们与被处理的水混合。在一个实施例中，如下面所解释的那样，将含有硬质结晶和其它悬浮固体的沉淀池中回收的沉降的固体或污泥引入固体分离单元中，所述单元将固体分离成具有相对小的硬质结晶的污泥流和具有相对大的硬质结晶的污泥流。在该实施例中，该系统包括第一和第二反应器。具有相对小的硬质结晶的污泥流被引入第一反应器，在此相对小的硬质结晶与一种或多种软化试剂以及被处理的水混合。小的硬质结晶起晶种的作用以促进较大的硬质结晶在第一反应器中的生长。该方法促进硬质结晶的迅速生长。具有相对大的硬质结晶的污泥流与水和絮凝剂在第二个下游的反应器中混合。大的硬质结晶作为较小的粒子和其它悬浮固体可以依附的载体起作用，并由此形成含有多种有意从被处理的水中去除的污染物的絮体。

转向图1，其中显示了一种高速化学软化系统，且一般性地用数字10表示。如图1中可以看到的那样，该系统包括第一反应器或池12和第二个下游的反应器或池14。这两个反应器都可以安装导流管以增强混合。第二反应器14的下游是澄清单元16，在该公开的实施方案的情况下，其是沉淀池。如将会讨论的那样，污泥沉降到沉淀池的底部，并用泵18将污泥和其中所含有的固体通过管道26泵送到固体分离装置20。固体分离装置20可以构想各种形式。它可以包括高级的固体分离装置如水力旋流器，但对于本发明的目的而言，固体分离装置可以是简单设计的，如旋流浓缩器、淘析器或圆锥形底的池。固体分离装置20产生两股污泥流，一股流被引入混合池22，且另一股流被引回到第二反应器14。如图1所示，每股污泥流的部分都可以被废弃。

现在转向本发明的方法，系统10被设计用于软化水或从水中去除硬度。被如图1所示的系统处理的流入废水通常含有硬度，主要为钙和镁的形式。可能存在其它形式的硬度，如锶、钡、铁和锰。一般来说，典型的软化方法的目标是将钙和镁的化合物转化成碳酸钙和氢氧化镁沉淀。

在一个实施方案的情况下，本发明构想了混合石灰——消石灰(CaOH₂)或生石灰(CaO)与待处理的水。石灰可以直接与水在池12中混合，或者如图1所示，石灰可以与由固体分离装置20产生的污泥流中的一股在混合池22中混合且该混合物被引入第一反应器12。任何一种途径都将是有效的。在某些情况下，为了达到使悬浮固体和沉淀物去稳定化的目的，可以在池12或14的任一个中将促凝剂如三价铁盐加入到水中。但是，在图1所示的方法的情况下，据信促凝剂是不必要的，因为系统中存在相对大量的固体。

将石灰与水混合将导致石灰优先与二氧化碳和碳酸氢盐反应，导致碳酸钙沉淀为碳酸钙粒子。这一般发生在大约10到大约10.3的pH。例如，一旦满足了二氧化碳的需求，石灰会自由与碳酸氢钙反应，这进一步导致碳酸钙粒子的沉淀。碳酸氢钙通常是未处理的水中存在的最常见的钙化合物，但其它基于钙的硬质化合物具有相似的反应。镁化合物具有稍微不同的反应。一般来说，碳酸氢镁与石灰反应并生成碳酸钙和碳酸镁。然后碳酸镁与石灰反应并生成更多的碳酸钙和氢氧化镁。这两种化合物都从水中沉淀出来。

在某些情况下，可能合乎需要的是去除非碳酸盐硬度。作为一个选项，可以将苏打灰与水在第一反应器12中混合。非碳酸盐硬质化合物将具有稍微不同的反应。例如，在硫酸镁的情况下，石灰首先与硫酸镁反应形成氢氧化镁(其将会从溶液中沉淀出来)和硫酸钙。硫酸钙然后与苏打灰(NaCO₃)反应，生成碳酸钙和硫酸钠。

可以使用其它软化方法。例如，根据流入的废水的化学性质，可以联合使用苛性碱如氢氧化钠与苏打灰来沉淀硬度。应当注意的是，在流入废水包括高浓度的硫酸盐的情况下，如上所述的软化方法将会沉淀硫酸钙。

本发明的方法被设计用于促进沉淀的硬质粒子(特别是碳酸钙粒子)结晶。正如下面将要讨论的，重复循环固体的下游方法促进和增进水中的硬质粒子和其它固体的结晶。

当石灰与水在反应器12中混合时，会导致硬质粒子沉淀，且反应器12中的混合作用使得硬质粒子结晶和尺寸生长。可以预期的是，在反应器12中沉淀的碳酸钙粒子和返回至反应器12中的那些将会生长。这受到反应器12中水和硬质结晶的连续混合，并且特别是其中含有的导流管中的混合的促进。导流管的目的是促进和鼓励反应器12中持续的结晶生长，有时被称作初次成核。结晶的初次成核应当在第一反应器12中发生。池12中的反应时间可变，但是在一个实施方案中，反应时间应当相对较短。例如，反应器12中的反应时间可以仅为大约5到大约10分钟。在一个实施方案中，该方法可能不会使软化化学作用在反应器12中完成。在其它情况下，软化化学作用可以在第一反应器12中完成。

公认的是，一些硬质粒子可能不会像其它粒子如碳酸钙一样容易结晶。例如，氢氧化镁粒子将不会显著结晶，且因此，在整个方法中，将会预期非常细的粒子尺寸。

来自反应器12的水和硬质粒子一起被转移至第二个下游的反应器14。在此，絮凝剂与水以及来自固体分离装置20的固体混合。下面将讨论来自固体分离装置20的与水在第二反应器14中混合的固体的性质。在某些情况下，软化化学作用可能没有在反应器12中完成，且因此，该软化反应将继续进行，直至在反应器14中完成。在反应器14中，硬质结晶继续生长。这受到反应器14中水、絮凝剂和硬质结晶的连续混合，并且特别是其中含有的导流管中的混合的促进。导流管的目的是促进和鼓励反应器14中持续的结晶生长，有时被称作二次成核。

与第一反应器12中的结晶相比，在第二反应器中，硬质结晶变得相对大。随着结晶长大，它们形成载体。载体的形成加上絮凝剂的使用导致其它悬浮固体团聚在载体周围以形成絮体。这些絮体相对较重，且因此快速沉降。虽然在第二反应器14中的停留时间可变，但在一个实施方案中，预期水在第二反应器中的停留时间可以相对较短，在大约5到大约10分钟的等级。

来自反应器14的水和固体被引入澄清单元，其在如图1所示的例子中是沉淀池16。在此，包括硬质结晶的固体沉降到沉淀池16的底部。由于硬质结晶已经生长且相对较大和较重，它们的沉降速度相对较快。污泥的沉降产生澄清的流出液，其通过管道24从沉淀池16中引出。

池16底部的沉降污泥通过泵18经由管道26泵送到固体分离装置20。如上所述，固体分离装置20可以构想出各种形式，且不需要高精密的分离装置。在一个实施方案中，固体分离装置将污泥分成两股流——第一流和第二流。具有包含在其中的硬质结晶的第二污泥流被从固体分离装置20引入反应器14。在此，包括硬质结晶的第二污泥流与水和该反应器中已经存在的结晶混合。来自固体分离装置20的硬质结晶的加入起到载体的作用，并促进和鼓励反应器14中的硬质结晶的进一步生长和二次成核。有时候或者连续地，从固体分离装置20引入第二反应器14中的污泥中的一些应当被废弃。通过废弃污泥，以硬质结晶形式的硬度和其它污染物从被处理的水中有效地去除。

由固体分离装置20产生的第一污泥流被引入混合池22。第一污泥流与软化试剂混合，所述软化试剂可以例如是石灰、苏打灰或苛性碱。如上所述，由于第一污泥流和软化试剂可以被引入第一反应器12而不在混合池22中混合，因此混合池22不是必需的。无论如何，包括硬质结晶和其它固体的第一污泥流在混合池22中混合在一起，然后该混合物被引入第一反应器12。再次重申，废弃一些来自第一污泥流的污泥可能是明智的。因此，如图1所示，从将第一污泥流引入混合池22的管道中分叉出废弃污泥管道。

在另一个实施方案中，固体分离装置20可以这样操作，使得它有效地将硬质结晶或硬质粒子分成两个组，一个组含有大部分的相对小的硬质粒子或结晶，且第二组含有大部分的相对大的硬质粒子或结晶。该分界线可以变化，且预期的是，在实践中，在每一组中都将会存在至少一些相对大和小的粒子。但是，在一个实施例中，固体分离装置可以这样操作，使得意图将会是将硬质粒子和结晶分离成其中大部分的粒子或结晶尺寸小于50微米的一个组和将包括尺寸大于50微米的另一个组。在该示例性的实施方案中，具有大部分的相对小的粒子或结晶的污泥流被引入混合池22，并且在与软化试剂混合后，被引入第一反应器12。通过将相对小的硬质粒子或结晶引入第一反应器12，促进了粒子生长。具有大部分的相对大的硬质粒子或结晶的污泥流被引入第二反应器14并且与其中的水、絮凝剂和已经存在的硬质粒子或结晶混合。这些大的粒子起载体的作用，并帮助较大的絮体的形成以促进沉降。该方法也促进并增进硬质结晶的持续生长和二次成核过程。应当注意的是，即使在该方法中，一些硬质粒子如氢氧化镁粒子也可能不会经历显著的结晶过程。像这样，引入混合池22的流中的氢氧化镁粒子将会是相对小的。这些细粒通过废弃污泥管道废弃，所述废弃污泥管道从在固体分离装置20和混合池22之间延伸的管道中引出。

因此，值得称道的是，本发明实现了一种方法，其中硬质粒子从水中沉淀出来，并且通过结晶过程，这些粒子随着它们从反应器12移动到并通过反应器14的过程生长并形成结晶。该方法进一步实现了回收这些结晶并将它们重复循环到该方法中的上游点，以进一步促进和增进硬质结晶的生长，最后由于硬质结晶的高沉降速率，该方法是一种从被处理的废水中去除硬度和其它悬浮固体的有效的手段。

与传统的软化方法相比，本文描述的方法具有很多优点。可以重复循环并进入澄清单元16的总悬浮固体的水平比采用传统方法可以通常实现的水平高得多。假设被引入澄清单元16的总悬浮固体将会为高达10000mg/L或更高。在使用砂子作为载体的传统载体絮凝方法中，需留意固体在砂子上的“后沉淀”。在本发明方法的情况下，该方法会促进固体在重复循环的污泥上的“后沉淀”。例如，本发明的方法中体现的思想允许与传统的载体絮凝方法相比的更小的反应池。这是因为在以沙子为载体的方法的传统设计中，反应器通常被设计为允许固体在加入沙子之前完全沉淀。

当然，在不背离本发明的关键特征的情况下，可以以与本文中具体阐述的那些不同的方式实施本发明。本发明的实施方案在所有方面都被认为是示例性而非限制性的，且意图将所附权利要求的含义和等同范围内的所有变化都包括在其中。

Claims (15)

1.一种用于软化和处理具有硬度和悬浮固体的水的方法，其中该方法从水中沉淀硬度，使硬度形成结晶，和使硬质结晶形成在该方法中用于去除悬浮固体的载体，该方法包括：

将具有硬度和悬浮固体的水引入结晶反应器；

将软化试剂加入到结晶反应器中的水中，在此软化试剂与水中的硬度反应以产生硬质沉淀；

在结晶反应器中混合水和硬质沉淀以导致硬质沉淀生长并形成硬质结晶；

将水和硬质结晶从结晶反应器引入絮凝反应器；

在絮凝反应器中混合水和硬质结晶与絮凝剂；

将水和硬质结晶从絮凝反应器引入澄清单元；

将水澄清以产生澄清的流出液和包括硬质结晶和悬浮固体的污泥；

将污泥分离成包含相对小的硬质结晶的第一污泥流和包含相对大的硬质结晶的第二污泥流；

将第一污泥流引入结晶反应器，在此具有相对小的硬质结晶的第一污泥流与水和软化试剂在结晶反应器中混合；

将第二污泥流引入絮凝反应器，在此具有相对大的硬质结晶的第二污泥流与水和硬质结晶在絮凝反应器中混合；

其中在絮凝反应器中混合具有相对大的硬质结晶的第二污泥流与水和硬质结晶导致硬质结晶形成载体；

其中在絮凝反应器中混合絮凝剂与水导致水中的悬浮固体被吸引到载体上并团聚在由硬质结晶形成的载体周围；以及

其中由硬质结晶形成的载体和团聚在载体周围的悬浮固体形成一部分的污泥，所述污泥被从澄清单元引入分离装置。

2.根据权利要求1的方法，其中第一流中的大部分的硬质结晶的尺寸小于50微米且其中第二污泥流中的大部分的硬质结晶的尺寸大于50微米。

3.根据权利要求1的方法，其中用于软化水的方法在不存在砂子的情况下实施。

4.根据权利要求1的方法，其中由硬质结晶形成的载体和团聚在载体周围的悬浮固体一起形成载体絮体。

5.根据权利要求1的方法，其中在结晶和絮凝反应器中都发生硬度从水中的沉淀。

6.根据权利要求1的方法，其中水在结晶反应器中停留5分钟到10分钟的时段。

7.根据权利要求1的方法，其中在结晶反应器中发生硬质结晶的初次成核。

8.根据权利要求7的方法，其中在絮凝反应器中发生硬质结晶的二次成核。

9.根据权利要求1的方法，其中硬质沉淀包括碳酸钙，并且其中该方法包括使碳酸钙沉淀生长为碳酸钙结晶和使碳酸钙结晶生长为载体，并且其中该方法包括使悬浮固体团聚在碳酸钙载体周围。

10.根据权利要求1的方法，其中在第一污泥流与水混合之前，该方法包括在混合池中混合第一污泥流与软化试剂。

11.根据权利要求1的方法，其中载体絮凝方法在不存在砂子的情况下实施；

该方法进一步包括在结晶和絮凝反应器中从水中沉淀硬度；和在结晶反应器中进行硬质结晶的初次成核和在絮凝反应器中进行硬质结晶的二次成核；

并且其中硬质沉淀包括碳酸钙，其中该方法包括使碳酸钙沉淀生长为碳酸钙结晶和使碳酸钙结晶形成载体，并且其中该方法包括使悬浮固体团聚在碳酸钙载体周围。

12.根据权利要求1的方法，其中在将软化试剂加入到结晶池中的水之前和在将第一污泥流引入结晶池之前，在混合池中混合软化试剂和第一污泥流，并且之后将软化试剂和第一污泥流引入结晶反应器。

13.一种用于软化水和从水中去除悬浮固体的载体絮凝方法，包括：

a. 通过以下手段化学软化水：

i.在第一反应器中混合软化试剂与水以沉淀硬质粒子；

ii.将水和硬质粒子从第一反应器引入下游的第二反应器；

iii.使至少一些硬质粒子结晶以形成硬质结晶；

b.将水引入第二反应器下游的澄清单元和从水中分离包括硬质结晶的污泥以产生澄清的流出液；

c.将具有硬质结晶的污泥引入分离器并将污泥分离成具有硬质结晶的第一污泥流和具有硬质结晶的第二污泥流；

d.将第一污泥流和其中的硬质结晶与软化试剂和水在第一反应器中混合，在此第一反应器中的硬质结晶生长；和

e.将第二污泥流和其中的硬质结晶与水在第二反应器中混合，在此硬质结晶生长为吸引悬浮固体的硬质载体，并且其中悬浮固体通过团聚在硬质载体周围而从水中去除。

14.根据权利要求13的方法，其中将污泥分离成第一和第二污泥流包括分离污泥，使得第一流中的大部分的硬质结晶是相对小的且第二流中的大部分的硬质结晶是相对大的。

15.根据权利要求13的方法，其中通过将絮凝剂与水和硬质结晶在第二反应器中混合促进第二反应器中硬质结晶的絮体的形成，所述混合导致硬质结晶形成包括至少一些包括在其中的悬浮固体的载体絮体；并且其中分离器将污泥分离成具有相对小的硬质结晶和相对大的硬质结晶的流，并且其中具有相对小的硬质结晶的流与水和软化试剂在第一反应器中混合，并且具有相对大的硬质结晶的流与水和絮凝剂在第二反应器中混合。