CN107206294A - 用于改进水的化学和物理性质的装置和使用该装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于改变水的化学和物理性质的供现有管道和/或管道系统使用的水处理装置，其中，所述处理装置可经定制用于预期用途，并用于处理安装的地理区域中的水剖面。

Description

用于改进水的化学和物理性质的装置和使用该装置的方法

相关申请

本申请请求2014年11月5日提交的美国临时申请号62/075,474的优先权，所述美国临时申请的内容特此以引用方式并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及水处理装置。更特定而言，本发明涉及一种用于以下的水处理装置：1)在线式(in-line)安装在景观和农业灌溉系统、住宅、整座房屋(whole-house)系统和水池、喷泉和其他装饰性水景系统的管道内；以及2)连接至龙头和花园软管以用于额外住宅用途。

市政供水系统遵守针对化学、矿物和生物污染所允许水平的最低联邦和州标准。但仅一小部分潜在的有害污染物受制于这些标准。另外，这些系统通常将如氯和氟化物的化学品加入水中，以助于达到联邦和州标准。这些过程以及用来输送水的高压分配系统具有这样的效果：产生最佳、天然水源中不存在的“人工”状态。

取决于其来源，典型的自来水可能含有有害的有机或无机污染矿物质，诸如铅、铜和锶，以及微生物污染物，诸如大肠型细菌。另外，自来水可能具有水平不足的有益矿物质，诸如钙和镁，所述有益矿物质对心血管健康以及强壮的牙齿和骨骼是必要的。

在世界许多地区，用于饮用、灌溉、娱乐和其他住宅用途的唯一可利用水源含有高水平的“盐”。水中的高盐水平可对需要显著较高水平灌溉的一些类型的植物造成伤害，并导致较差的土壤状况、不健康的植物和降低的农业产量。硬水还导致在水池和水景的表面上以及在涉及向水池和水景提供水的设备的各种表面(金属、塑料等)中沉积碳酸钙晶体或“结垢”层。这种结垢可导致这些系统的过早退化和操作效率低下。这种结垢还可堆积在其他住宅用水装置和表面上，诸如淋浴器、水槽和器具，以及甚至在使用此水清洗的产品的表面上，诸如玻璃器皿和汽车罩面漆。

反渗透(RO)水净化系统被广泛用来对来自市政或其他来源的水的提供额外处理以用于住宅和农业用途。通常，许多专用于饮用的瓶装水也使用RO来处理。遗憾的是，RO是一种非常强有力、浪费和损坏性的工艺，其从水中除掉所有矿物质(包括有益矿物质)和抗氧化剂，改变了水的分子结构和PH平衡，并且产生了有害副产物。

我们的身体在既不过酸性也不过碱性时运行最佳。遗憾的是，我们几乎所有人都因饮食欠佳、缺乏规律的锻炼和压力而变成酸性的。酸碱度依据被称为pH的值来度量，所述pH的范围是从酸性侧上的0至碱性侧上的14。正常血液pH范围为7.35-7.45。为了抵消饮食、缺乏锻炼和压力的酸性效应，广泛认为最有益的饮用水应为微碱性的，高于7.5。农业应用基于所涉及的作物而可能需要不同的PH目标。

一般而言，实现适当的矿物质平衡、消除有害的污染物和改进土壤品质有助于种植健康的水果和蔬菜。另外，通过分解大簇的溶解固体和溶解盐来实现更好的土壤渗透性。这使得水渗透经过碳酸钙“外皮”层并且到达土壤的更深处，以提供水和必需营养素的更有效输送。所得植物茂盛并且更多产，同时用水更少。

根据上文，本发明的目的是提供本文所述的期望特征，以及额外的优点：提供一种水处理装置，所述水处理装置不使用化学品或能源，不产生废物，极少需要持续维护，并且可定制以便处理在安装区域中水剖面(water profile)的特定品质。

发明内容

本发明是一种针对以下的装置：1)在线式安装在景观和农业灌溉系统、住宅、整座房屋系统和水池、喷泉和其他装饰性水景系统的管道内；以及2)连接至龙头和花园软管以用于其他住宅用途。

本发明的目的在于在最终使用前处理源自诸如井、溪流和河流的天然来源的水以及市政用水。

本发明的另一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置经定制用于处理安装的地理区域中的水剖面。

本发明的另一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置通过改变被处理水的物理和化学性质来改变经过系统的水的特性。

本发明的又一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置在单一系统中利用以下至少四种处理模式：1)以独特布置配置的稀土磁体；2)活性陶瓷珠；3)旋涡发生器；以及4)产生低压力/流速和高水容量环境的设计特征。

本发明的又一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置可定制地配置成实现期望pH范围。

本发明的另一目的在于提供一种水处理装置，当与适当的过滤技术一起使用时，该水处理装置被设计成去除有害污染物并增强有益矿物质。

本发明的另一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置改进植物摄取水的能力，从而导致在灌溉和农业应用中减少水的使用。

本发明的又一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置改进植物摄取有益营养素的能力，从而导致在灌溉和农业应用中减少肥料的使用。

本发明的又一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置溶解和冲去有害盐，从而导致改进的农业生产。

本发明的另一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置改进水经过土壤、膜和生物系统的渗透性。

本发明的另一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置对最差品质土壤和水展现其最大影响。

本发明的又一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置降低了处理具有高碳酸钙浓度的水的系统中硬水水垢形成的速率。

本发明的另一目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置在处理具有高碳酸钙浓度的水的系统中溶解先前沉积的硬水垢形成物。

附图简要说明

本发明的新颖特征以及关于其结构和其操作的本发明本身将从结合伴随说明的附图中最佳地理解，在附图中相同参考符号指代相同部件，并且在附图中：

图1图示本发明的示意图。

图2图示本发明所利用的法兰单元。

图3图示图2的法兰单元的替代视图。

图4图示本发明所利用的大筛网。

图5图示本发明所利用的小筛网。

图6图示本发明的组装实施例。

图7图示由处理后水和对照水从土壤中冲洗的盐(g)的比较。

图8图示随土壤类型变化的土壤柱中的总盐分布。

具体实施方式

参阅图1，图示了本发明的水处理系统的示意图。水处理系统由壳体组成，所述壳体由耐久塑性材料制成，其中所述壳体进一步包括由联接器连接的上壳体和下壳体。PVC壳体包围容纳有水处理系统的元件的各种腔室。上壳体包围至少第一法兰单元和第二法兰单元，每个法兰单元进一步包括多个腔室，所述腔室经配置以接收呈精确设计的“环式(donutstyle)”稀土磁体。在接收稀土磁体之后，将法兰安装在单元中，其中所述磁体的磁场相对大约隔开1英寸。第一法兰内的磁体放置可与第二法兰内的磁体放置相同或不同。下壳体包围至少第一筛网和第二筛网，其中第一筛网在直径上可大于第二筛网，较大筛网适配在上壳体中，邻近上壳体与下壳体之间的联接器，而下筛网在与较大筛网相对的端部处适配下壳体。下壳体进一步包括中央腔室，所述中央腔室容纳有活性陶瓷珠混合物。对于替代性实施例而言，壳体可由适合于预期用途和待纳入系统的任何耐久材料制成。

参阅图2，图示了在所述至少第一法兰单元内的磁体放置，其中所述法兰还包括不具有磁体的隔板。在优选实施例中，法兰中的多个腔室和/或隔板包含磁体。在更优选实施例中，磁体的数量可选自从至少9个至25个磁体的组。参阅图3，图示了在图2的法兰单元中的水流通道。在优选实施例中，所有水穿过处在每个“环式”磁体的中心中的孔。稀土磁体在至少一个法兰单元中的精确布置和两个相对法兰单元之间所产生的空间产生水移动和磁旋涡，这有益地改变了水的物理性质，诸如渗透性和表面张力。随着水经过该系统，水经过活性陶瓷珠的连续通路进一步有益地改良水的化学、pH和电磁性质。该系统在高容量、低压力/流速环境中将水处理的多种模式(活性陶瓷珠、旋涡发生器和稀土磁体)组合于单一单元内，由此使处理结果最大化，以使得水在离开系统后不会返回其未处理状态。

参阅图4，图示了适配在本发明的下壳体内的较大筛网组件。参阅图5，图示了适配在与较大筛网相对的本发明下壳体端部内的较小筛网组件。

参阅图6，图示了在与住宅、娱乐或农业供水系统的现有管道工程在线安装之前的示例性组装水处理系统。水单向移动经过组装的水处理系统，首先经由上壳体进入系统，穿过至少两个法兰单元，接着穿过联接器并经由较大筛网进入下壳体，最后穿过陶瓷珠混合物并经由下壳体中的较小筛网离开系统。与迫使水以低容量在高压下经过系统的大多数水处理系统相反，水以高容量在低压下移动经过该处理系统。可改良额外的实施例以调节各种水流速率和/或各种压力级以适于预期用途。此外，与其他处理系统相反，本发明的水处理不依赖外部电源或移动部件。在优选实施例中，法兰单元(具有磁体)、筛网和活性陶瓷珠的子组件产生在自适配于壳体中的单独的、可移除“动子(active cell)”壳体中。需要专有工具来移除动子以便维护或替换。

水处理系统被设计成取决于应用而在大小上按比例放大。磁体、活性陶瓷珠、法兰和腔室的基本构造则无论大小保持基本相同。取决于单元所安装的管道大小和应用，单元的大小范围如下：2英寸、3英寸、6英寸、8英寸和12英寸。两英寸模式包括龙头和软管附接片。

实例

膜渗透性试验

在实验室条件下进行膜渗透性试验。使井水在处理之前和之后以恒定压力和两种不同流速下穿过反渗透(RO)膜(Toray TMG 20-400)。水具有相对较高的盐含量(2g/L)并且在室温下以50psi穿过。持续1小时以5分钟递增记录穿过的水的量。每一实验重复三次。所有实验数据根据RO膜的标准程序归一化。结果表明处理后的水具有更高渗透性，如表1中所见。透水性呈现为每一分钟穿过膜的水的归一化量(ml)与所施加压力的比率。

表1

水化学

在闭环系统中进行初始水化学实验，所述系统包括泵、10加仑水槽、处理装置(WWTS)和控制阀(绕过或穿过WWTS)。使用了四种不同的水源(三种来自加州圣地亚哥及附近的井，并且第四种来自加州埃斯康迪多的市政水源)。盐含量由导电性(EC)度量，范围从1.0mS/cm至5.4mS/cm。水绕过WWTS循环30min，在这之后取初始样本。然后，在经过包括WWTS的系统一次、三次和九次之后，取得三个样本。在取样之后，在实验室中分析样本一至二小时。

表2

井#1(2015年05月15日)

井#2(2015年05月14日)

井#3(2015年05月18日)

市政用水(2015年05月18日)

后续水化学实验利用仅包含磁体或仅包含活性陶瓷珠的改良WWTS单元进行。实验在单独的改良WWTS单元中利用三种不同类型的Biocera陶瓷球CA、TO和SP进行。根据Biocera的网站，其活性陶瓷珠使用天然矿物质的不同组合来取决于应用而产生性质变化的产物。在水处理应用中，活性陶瓷珠协助从水中去除杂质并且供应范围广泛的有益矿物质和能量。

实验目标在于通过测量离子浓度(阳离子和阴离子)和pH来确定珠处理之后的水的化学性质。

三(3.0)加仑水以150ml/min的流速经过珠。改良WWTS单元中的珠体积为53cm³并且保留时间为21.2秒。研究了三种类型的水——蒸馏水、市政用水和井水。在实验期间取得水样本，以分析阴离子/阳离子浓度、pH和EC。考虑到实验与分析之间的时间间隙，在实验室中立即进行实验。如果分析延迟，处理后的水可能快速丢失改变的性质特性。

来自仅含有磁体的改良WWTS单元的后续水化学实验结果显示对水化学或PH没有何影响。如所预期的，蒸馏水具有最低EC(2.5-3.0uS/cm)和pH 5.5-6.5。来自仅含有CA活性陶瓷珠(主要由氧化钙和氧化镁组成)的改良WWTS单元的水化学结果显示出最显著的变化。EC从2.8uS/cm显著升高至31.6uS/cm，并且pH达到9.5，因为CA珠释放钙和碳酸氢盐，这二者为典型的碱化化合物。

表3

在处理后的水中还注意到氟水平升高。TO和SP珠部分降低了pH，但不改变阳离子/阴离子含量(表3)。陶瓷珠对市政用水和井水影响较小。再者，CA珠提高了pH，但相比于蒸馏水而言，盐浓度的变化减少微不足道。TO和SP珠对水化学性质未显示出任何有意义的影响。

实验证实，珠降低了溶解氧的浓度(表4)。重要的是，溶解氧的浓度在用仅含有磁体的改良WWTS单元处理的水中未改变，表明该效果是因该珠所致，且珠连同磁体的作用可能已协同。

表4

结果显示，活性陶瓷珠不影响水表面张力。然而，用WWTS处理的水展现了表面张力的显著改变。在处理之前，样本水的表面张力为71.96±0.09dyn/cm。在处理之后，表面张力减小至69.56±0.07dyn/cm。因此，完整的WWTS单元改变了水的物理化学性质。因此，在化学性质上观察到的改变是陶瓷珠的结果，而物理性质改变是因磁体所致。处理减少了溶解气体，提高了pH，并且减小了表面张力，同时降低了具有高EC的水中的盐含量，且增加了不具有化学缓冲物的水(蒸馏水)的盐含量。最终，水在处理之后变得更稳定。

我们已证明，磁场对水性质具有显著影响。随后使水经过WWTS有利于水参数的稳定。MT改变了水的物理参数，而陶瓷珠改变其化学参数。具有改进物理性质的水对各种潜在应用有益处，包括灌溉、水池、热交换器和无污水或RO系统。

柱实验

第一柱实验利用具有高浓度氯化钠的砂壤土进行。柱直径6英寸，并且长3英尺。将半升水——处理后的或原始井水(EC＝2mS/cm)倒入柱中。每个柱具有1加仑储液槽以收集经过的水。在持续一个月的实验之前和之后测定土壤性质。在实验期间水被收集并分析三次，如由图7的柱1、2和3所表示的。所收集的盐的分析结果针对处理后的和未处理水状况以克计显示，分别测得为107.02g和83.12g。

虽然处理后和未处理的水在通过柱方面仅存在较小差异(分别为6.45L和6.36L)，但处理后的水具有溶解和冲洗盐的更高能力。

使用三种类型的土壤来进行第二柱实验，以确定处理后的水对土壤参数的影响。由自然资源保育署(Natural Resource Conservation Service)将土壤基于其各自径流潜能分成四个水文土壤组。四个土壤组指定为A、B、C和D；组A大体上具有最小径流潜能，组D具有最大径流潜能。所用组A的代表是“砂壤土”。砂壤土具有低径流潜能和高渗入速率，甚至在彻底润湿时也是如此。它由具有高速率水传输的深厚的、充分至过度排水的砂组成。组B由“粉砂壤土”代表。粉砂壤土在彻底润湿时具有中等渗入速率并且主要由具有中等精细至中等粗糙纹理的中等至充分排水的土壤组成。代表组D的“粉砂质粘土”具有非常低的渗入速率，并且主要由具有高膨胀潜能的粘土组成。

三个柱(对照)用井水供水(表5)，另外三个柱由处理后的井水给水。实验在具有6英寸直径和3英尺长度的PVC柱中进行。

砂壤土被氯化钠溶液掺入以提高其钠浓度，以便检查处理后的水对此阳离子的效应。每天将半升水倒入每个柱。将一加仑储液槽放置在每个柱下以收集经过的水。测量初始土壤参数(表6)。

表5

表6

土壤类型	EC,dS/m	pH	OM,％
				砂壤土	4440	7.61	6.0
粉砂壤土	682	7.03	1.6
				粉砂质粘土	946	7.86	1.7

实验在一个月周期内进行。在实验开始之前和之后分析土壤。土壤样本取自1、2和3英尺深度。还分析了经过柱的水。在实验期间，取决于土壤的类型，取3-4个水样本。测量每个样本的体积并且测定主要参数(表7)。

表7

接收已处理水的土壤在前几英尺深度(根区)中展现更低盐含量。所有三种类型的土壤具有类似的盐分布特征(图8)。处理之后的土壤在3英尺和更大深度处展现更高浓度的盐，并且对照组中的土壤在根区中展现更高浓度的盐。这些结果证明，处理后水冲洗出了更多盐，因此产生对于对钠浓度敏感的植物而言更有利的条件。还关注的是，各种阳离子在土壤中的分布。接收已处理水的前几英尺土壤具有更少钠和氯，以及更多钙和镁。因此，相比于对照土壤，处理后的土壤的钠吸附比(SAR)更小。

SAR指示土壤的渗入程度。SAR在低于3时是理想的，且在3-7的范围内时是可接受的。当土壤具有高浓度的盐时，对于第一次排水而言，钠和氯更快洗出。归纳数据的比较呈现于表8中。

表8

处理后的水对盐分布的影响取决于土壤类型。处理后水在具有高渗入速率的土壤中具有较低效应，并且在具有低渗入的土壤中具有较高效应。例如，在对照组与处理组之间，砂壤土在钠浓度(在排水中)上具有最低差异(4.7％)。同时，砂壤土中的钠浓度在根区中显著降低(26％)，并且SAR从6.46降低至2.78，这对农业是理想的。粉砂壤土在排水中具有更多钠(相比于对照组)，但根区中的钠仅降低4.1％；即，低于根区的深度中钠被大部分除去。具有最差渗入的土壤——粉砂质粘土获得最佳结果。当与对照物相比时，根区中的钠和氯浓度分别降低40％和38％，并且排水中的钠浓度高出11.6％。因此，结果支持WWTS去除过量可溶盐的主张。

关于土壤中的吸水率获得了类似结果。具有高渗入的土壤未显示土壤水分的正增长。对于具有中等渗入(粉砂壤土)和低渗入(粉砂质粘土)的土壤而言，获得了相反结果，显示出土壤中水分含量的显著升高(分别为9.1％和29.8％)。

处理并未降低土层的pH值。表9呈现不同深度处土壤的pH。可以看出，仅砂壤土的pH更低。粉砂壤土和粉砂质粘土在所有三个深度处都具有更高pH。

表9

植物生理学

实验1-泉源设施(Wellspring Facility)

泉源设施实验利用莴苣Lolla Rossa来进行。莴苣幼苗(两周龄)购自加州圣马科斯的供应商。在一加仑罐中使三十二棵(32)植株生长一个月以测定受WWTS处理水对植物和土壤参数的影响。植物生长在四种(4)不同类型的土壤(表10)中，所述土壤基于其各自径流潜能分类(A、B、C和D)，其中A大体上具有最小径流潜能，并且D的径流潜能最大。组A的代表是“砂壤土”。组B由“粉砂壤土”代表。组C由“砂质粘土”代表，该砂质粘土在彻底润湿时具有低渗入速率，并且主要由具有妨碍水向下移动的层的土壤和具有中等精细至精细结构的土壤组成。代表组D的“粉砂质粘土”具有非常低的渗入速率，并且主要由具有高膨胀潜能的粘土组成。

表10

组	土壤类型	EC,dS/m	pH	MO,％
					A	砂壤土	0.85	8.12	2.23
B	粉砂壤土	0.68	7.03	1.61
					C	砂质粘土	2.21	7.55	3.39
D	粉砂质粘土	0.96	7.86	1.73

植株呈八行生长，并且每行都有四个有植株的罐。四行包含每种类型土壤的对照组，并且用未处理井水灌溉。剩余四行包含每种类型土壤的处理组，并且由相同的处理后的井水灌溉。在灌溉之前，在再循环回路中泵送井水经过WWTS达30min。每日向每个罐加入两百毫升水，水的量经过考虑是对植物最优的。在一个月之后，从罐中取出植株，并且评估基础产量参数(叶子的质量(以克计)、叶子的数量、植株高度和根的长度)，以及植物组织和土壤中关键的大量营养素浓度的水平。水参数呈现于表11中。

表11

结果表明，四种土壤中有三种(粉砂壤土、砂质粘土和粉砂质粘土)，用WWTS水灌溉的植物的基础产量参数高于对照组。砂壤土——最多孔并具有最低径流潜能的土壤类型，在对照组与处理组之间基本上不变。基础产量参数呈现于表12中。

表12

生长在四种不同土壤中的所有植株的大量营养素浓度的叶片分析呈现于表13中。值得注意的是，锌的浓度在所有四个组中较高。锌在许多生物过程中起重要作用。它对所有高等植物的正常生长和繁殖是必需的。另外，它在生理生长期间起关键作用，并且实现免疫功能。它对于300多种酶的功能性、DNA的稳定和基因表达而言是极重要的。大体而言，锌被认为在蛋白质合成、酶活化、氧化和复活(revival)反应以及碳水化合物的代谢中起主要作用。

表13

A.砂壤土

B.粉砂壤土

C.砂质粘土

D.粉砂质粘土

土壤分析(表14)揭示了处理组与对照组之间的重要差异。首先，在所有四种类型的土壤中pH都升高。在两组(对照和处理后水)土壤中盐总量的比较表明，对照组比处理组具有更低盐浓度。先前的研究已表明，当土壤具有高钠含量和低渗透性时WWTS处理最有效。当在具有低盐水平的相对较好土壤中使用WWTS时，WWTS处理的影响降低。

表14

表4.5.土壤分析

进行额外的实验来测定产水能力。每组五棵(5)植物(对照和处理)由较早实验中所施加水体积的75％(150ml/植株)灌溉，并且每组的五棵(5)其他莴苣植株由较早实验中所施加水体积的50％(100ml/植株)灌溉，持续一个月。植株在砂质粘土中生长。然后，将这些组与相同的土壤类型中以100％最佳水量灌溉超过一个月的组(处理和对照)中的较早实验中所获得的结果进行比较。重要的是，注意到每日200ml/植株被认为是对植株的最佳灌溉量。在一个月之后，取出植株并且再次评估基础产量参数，并且进行植物组织和土壤的化学分析(表15、16、17)。基础产量参数的比较表明，用处理后的水灌溉的植株在所有灌溉水平上都展现出更大产量。

表15

表16

A.50％灌溉

B.75％灌溉

C.100％灌溉

表17

(灌溉体积-50％、75％和100％)

化学分析揭示，植株的处理组中微量元素的浓度更高。当灌溉水的体积从100％减少至50％时，处理组中的锌浓度从46ppm升高至70ppm，锰从53ppm升高至185ppm，并且铁从124ppm升高至198ppm。还在对照组中注意到升高，但不那么显著。灌溉的缺乏对植物产生强应力因素，并且植物通过从土壤中吸收更多溶解物来设法补偿水的缺乏。结果，植物还摄取更多营养素。处理水展现出显著更高水平的渗透性，并且因此植物花费更少能量来摄取溶解物，从而导致更大产量和更强壮植株。

土壤分析显示出处理组中较高的离子浓度。虽然当处理其中盐增加不会影响最终产量的相对较好土壤(SAR<7)时这不太显著，但当处理含有影响产量的高SAR水平的土壤时，可能具有重大意义。处理组具有更高离子浓度的事实表明，与对照组中的土壤相比，来自处理组的土壤保留更多水(以使得更少离子被洗出)，并且土壤变得更湿润。进而，这些变化创造了其中植物可更易摄取营养素的条件。

实验2-幸运生长物(LuckyGrowers)(圣马科斯，2015年6月，南瓜)

将温室覆盖的大约450英尺乘40英尺的实验田分成两个部分。一部分由处理井水灌溉，第二部分由未处理井水灌溉(对照组，NT)。实验在南瓜植株约两周大时开始。灌溉(井)水的参数呈现于表18中。

表18

在实验的第1、第7和第30天收集土壤和植物组织样本。贯穿田地从生长区域的两个区段(WWTS和NT)中随机收集土壤和叶子。从每半田地中收集总共20个土样和20片叶子。在最初三十天期间，田地的两侧(WWTS和NT)以10gpm每天灌溉4分钟达7次。所施加水的总量为280加仑。向施加至田地的NT(对照)侧的水添加肥料。肥料包括硝酸、磷酸、磷酸单铵的不同盐和微量营养素。N:P:K比率大约为2:1:2。未向田地的处理侧添加肥料。

土壤分析显示(表19)，田地的NT部分初始具有较高盐浓度。然而，对于具有高耐盐性的南瓜而言，该浓度毫无意义并且不受低于4.7dS/cm的EC影响。

表19

(可溶性(S)和可提取(E)离子)

土壤分析显示，在第30天，根区中钠和氯的累积量(从基线的增加)是其中施加未处理水的田地中的两倍高。在未处理区域中的土壤中，可溶性钠累积量高达297/164＝1.8倍，并且可溶性氯累积量高达713/349＝2.0倍(表20)，这表明处理后水从植物根区中洗出氯化钠，并且创建了对植物更有益的条件。

表20

表21

*/-以1.2g/cc的松密度

植物组织(叶)分析(表22)未显示出对照田与处理田之间大量营养素浓度上的显著差异。然而，土壤中主要营养素(N、P、K)的比较显示，田地的处理部分初始含有水平低得多的大量元素，并且在田间试验期间，含量大体上下降(表21)。相比之下，在未处理的田地部分中，大量元素的浓度升高，可推测是归因于所添加的肥料。

表22

尽管在处理区域的土壤中N-P-K浓度低，但用处理水灌溉的植株上的叶子未显示大量元素或微量元素有任何不足。这表明，当用处理水灌溉时，植物更容易从相对较差土壤中摄取所需营养素。换言之，处理水提高了摄取过程的效率。还将给予处理水的果实的含水量与给予对照水的果实进行比较。经发现，来自田地的处理部分的果实比来自未处理区域的植株多含4.8±0.9％的水。最后，在实验结束时，相比于由WWTS灌溉的组中的58箱(每箱保存50个南瓜)，对照组中果实的产量是41箱，增加大于41％。

实验3-石砌建筑(StoneResidence)。橘子树(2015年5月)

在实验之前，用市政用水灌溉所有橘子树。在实验期间，将树分成两组。第一组由处理井水灌溉，第二组由未处理市政用水灌溉。水类型的主要参数呈现于下表23中：

表23

表24

可溶性(S)和可提取(E)离子

表25

在两周之后收集土壤和植物组织样本。分析结果呈现于表24和表25中。数据显示，处理组中的土壤pH显著降低，从5.56降至4.42，并且同时溶解了一些盐。可溶性离子的浓度升高和可提取离子的浓度降低，使得可提取/可溶性离子的比率对于钙从8.7变至1.7，对于镁从14变至2，对于钾从2变至1.3。

可溶性钙和镁的增加降低了钠吸附比(SAR)。在处理之后，SAR下降达到1.65的“理想”值。这一最优SAR提供更高的土壤渗透率和渗入率。尽管事实上井水的EC远高于市政用水，但在处理和对照组中土壤中钠和氯的浓度保持在类似水平。这表明，处理水洗出了钠和氯。在用处理水灌溉的植株中锌和锰浓度再次更高。对植株的目视观察显示出迅速的叶变色，其中植株变得明显更绿和饱和。锰是负责光合作用的微量元素，并且与锌一起对叶颜色和色饱和度具有直接影响。

结论。可从这些实验中得到以下重要结论：

1.用处理水灌溉的植株在所有三种不同类型的植物种类(莴苣、南瓜和橘)之中显示出提高的生长速率。

2.利用在四种不同土壤中生长的莴苣进行的实验显示，由处理水灌溉的四种土壤中，有三种(粉砂壤土、砂质粘土和粉砂质粘土)基础产量参数更高。在砂壤土中莴苣的产量从对照组到处理组基本上未变。

3.处理后水的物理和化学性质的改变使植物更有效地摄取水。当首先处理水时，灌溉中所用水体积减少高达50％。

4.用处理水灌溉的植株更有效地吸收重要的植物营养素，尤其是锌，它是最重要营养素中的一种。此外，用50％和75％的总处理水灌溉的植物叶的化学分析释放更高浓度的其他微量元素，诸如锰和铁。

5.尽管土壤中营养素的浓度低，但由处理水灌溉的植株并未显示大量或微量元素的任何不足，由此表明用处理水灌溉的植株营养素摄取效率提高。

6.利用来自不同井源的三种不同盐度水平(1.9mS/cm、1.6mS/cm和3.8mS/cm)进行的实验显示，处理水降低了水盐度的正常有害效应。

硬水实验

碳酸钙的形成是自然环境中发生的常见离子反应，并且产生被称为结垢的问题，该问题存在于我们的日常生活中以及各种工业过程和技术中。尽管反应简单，但在诸如晶形、粒度分布、电动电位等的固体产物性质上存在相当大的可变性。WWTS处理水最重要的一种应用是水垢预防和消除。

虽然溶液中磁性处理与碳酸钙之间相互作用的确切力学仍未知，但以下假说是最有可能的。在溶液中，高浓度碳酸钙趋向于以碳酸钙晶体(方解石)形式自溶液沉淀析出。晶体形成通常在天然存在的外源碳酸盐颗粒的表面上经由“引晶”效应发生。水中用高浓度碳酸钙形成晶体往往发生在硬表面上，诸如瓦片、灰泥、金属和塑料。磁处理水直接影响水中碳酸盐的平衡，并且分解大的水分子/碳酸盐络合物。因此，在处理之后，碳酸钙沉淀在溶液中的颗粒上而非硬表面上，并且经由过滤去除。

除抑制在硬表面上沉淀以外，磁性处理还分解并去除了先前沉积的晶体形成物。因为磁处理水具有更低表面密度，所以它倾向于减弱壁与碳酸钙之间的结合，以使得沉积物从壁和其他表面上大块脱离。溶解过程可花费数天或甚至数周。分离的晶体可通过过滤捕捉和/或缓慢溶解于磁化水中，从而产生更高的水钙浓度和更碱性的pH水平。

实验在两个类似的水循环单元中进行，一个包含处理水，另一个不含处理水。在两个水槽(20加仑)的底部上安装潜水泵。再循环回路由PVC管制成。将七加仑市政用水加入每个水槽，并且以3gpm的流速泵送经过。在两个系统的回路中安装五微米过滤器，以在实验结束时测量每个单元中的碳酸钙垢水平。每天将盐酸和氯化溶液加入水槽，以将pH保持在7.0-7.5范围内，氯浓度保持在0.8ppm-1.5ppm之间(大多数游泳池和水景的平均范围)。水连续再循环500小时。每天取水样本以检查EC、pH和氯浓度。在实验开始和结束时检查阴离子和阳离子的浓度。将较旧游泳池表面的具有不同面积、大小、表面和水垢浓度的五个不同的碎片置于每个水槽的底部上：1)釉面瓦；2)绿灰泥；3)白灰泥；4)蓝灰泥；和5)卵石(表26)。

表26

在实验之前和之后对碎片进行目视检查。观测到以下结果：

1.在处理之前灰泥III的表面是蓝绿色的。在处理之后，它在处理后水中变成蓝色，但对照物未改变。

2.灰泥II的表面在处理单元中变得更白。

3.釉面瓦变得更蓝和洁净。

4.绿灰泥未改变。

5.黑色卵石变得更亮和更洁净。

一般而言，目视观察结果支持处理后的水减少水垢形成并除去现有晶体沉积物的假设。

在实验之前和之后测量水化学参数。相比于对照物而言，处理组中的钙浓度高出42％，这支持表面上的碳酸钙结垢被抑制并且先前的表面沉积物被溶解的假设。为了测定在处理后碎片和对照碎片的表面上钙浓度的比较水平，用1ml HCl(1:1)清洗每一块的小部分(16cm²)，并随后用蒸馏水稀释至50ml。通过离子色谱法来测定蒸馏水溶液中的钙浓度(表27)。

表27

来自处理组的所有表面上的钙水平都显著低于对照组。降低从10％至300％范围，其中最大的降低发生在孔最少的表面上。

将五微米过滤器置于超声波浴(1L蒸馏水中)中20分钟，以从表面上去除固体颗粒。大多数去除的颗粒性质上是有机的，并且在表面上或水中未发现碳酸钙晶体。处理组中使用的过滤器相比于对照组具有更大浓度的钙(分别为14.1mg和12.0mg)。

数据证明，处理后水是比未处理水更强的溶剂。各种表面上钙浓度的降低以及同时在处理单元的水中钙浓度的升高证明，处理水抑制了硬表面上积垢的沉淀，并且去除了先前沉积的晶体形成物。先前沉积物的去除速率取决于表面的孔隙度。

本发明的实施例提供一种针对以下的装置：1)在线式安装在景观和农业灌溉系统、住宅、整座房屋系统和水池、喷泉和其他装饰性水景系统的管道工程内；以及2)连接至龙头和花园软管以用于其他住宅用途。

本发明的一个实施例提供了一种用于对水进行直线式处理的水处理装置，所述水处理装置包括：

壳体；

至少第一法兰单元和第二法兰单元；

至少一个大筛网；

至少一个小筛网；以及

活性陶瓷珠介质。

在优选实施例中，壳体由耐久塑性材料制成。

在另一优选实施例中，法兰单元、筛网和活性陶瓷珠被包围在自适配至壳体中的单独的可移除“动子”单元中。需要专有工具来移除动子以便维护或替换。

在本发明的另一个实施例中，壳体进一步包括：

上壳体；

下壳体；

以及设置在上壳体与下壳体之间的联接器。

在本发明的又一个实施例中，上壳体和下壳体进一步包括腔室。在优选实施例中，上壳体的腔室被配置成包含水处理装置的各种元件，包括第一和第二法兰单元。在另一个优选实施例中，下壳体的腔室被配置成包含较大筛网、较小筛网和活性陶瓷珠介质，该活性陶瓷珠介质设置在位于较大筛网与较小筛网之间的腔室中。

在本发明的又一个实施例中，第一法兰和第二法兰进一步包括多个开口和隔板，开口被配置成接受精确设计的“环式”稀土磁体，隔板被配置成允许水流过第一法兰和第二法兰。在优选实施例中，第一法兰内的磁体放置与第二法兰内的磁体放置相反。在更优选实施例中，法兰可包含多个开口，每个开口都接收稀土磁体。法兰通常由1/2英寸厚的透明聚碳酸酯塑料形成。虽然可利用其他合适的材料、即环氧树脂，但聚碳酸酯塑料是优选的材料，归因于其抵抗水处理系统内所产生的力的能力。

在本发明的又一实施例中，活性陶瓷珠介质可包括来自获FDA批准的商业供应商的任何适当陶瓷过滤介质。在优选实施例中，陶瓷珠介质可包括能够对经过水处理系统的水施加所需改进措施的最佳珠混合物。在另一个优选实施例中，可通过对当地水剖面进行试验处理所得的实验结果来确定该最佳混合物。在最优选实施例中，可基于待处理水的最终用途选择优化介质，即灌溉、家庭或农业用途。

在本发明的另一个实施例中，水处理装置可处理源自诸如井水、溪流和河流的天然来源的水，以及最终使用前的市政用水。

在本发明的另一个实施例中，水处理装置可经定制以处理安装地理区域中的水剖面。

在本发明的又一个实施例中，水处理装置通过改变处理水的物理和化学性质来改变经过系统的水的特性。

本发明的另一个实施例提供了一种水处理装置，其在单一系统中利用以下至少四种处理模式：1)以独特布置配置的稀土磁体；2)活性陶瓷珠；3)旋涡发生器；以及4)产生低压力/流速和高水容量环境的设计特征。

在本发明的再一实施例中，水处理装置可定制地配置来实现期望的pH范围。

本发明的另一个实施例提供了一种水处理装置，其被设计成在与适当的过滤技术一起使用时去除有害污染物并增强有益矿物质。

本发明的又一个实施例提供一种水处理装置，其改进植物摄取水的能力，从而导致灌溉和农业应用中水的使用减少。

本发明的又一个实施例提供一种水处理装置，其改进植物摄取有益营养素的能力，从而导致灌溉和农业应用中肥料的使用减少。

本发明的另一个实施例提供一种水处理装置，其溶解并洗去有害盐，从而导致农业生产提高。

本发明的另一个实施例提供一种水处理装置，其提高水经过土壤、膜和生物系统的渗透性。

本发明的又一个实施例提供一种水处理装置，其对最差品质的土壤和水展现其最大效应。

本发明的又一个实施例提供一种水处理装置，其在处理具有高碳酸钙浓度的水的系统中降低了硬水垢形成的速率。

本发明的另一个实施例提供一种水处理装置，其在处理具有高碳酸钙浓度的水的系统中溶解先前沉积的硬水垢形成物。

本发明的另一个实施例提供一种用于过滤水的设备，所述设备包括由至少一个联接器分开的至少两个半部，所述半部包括：

(a)第一半部，其包括第一筛网和第二筛网，其中陶瓷珠阵列安置在第一筛网与第二筛网之间；

(b)第二半部，其进一步包括至少一个层，所述层包括至少一个膜，所述膜进一步包括设置在膜内的磁体的布置，其中磁体的布置散布着一系列水流通道，从而使水从至少一个层的一侧通过到达至少一个层的另一侧。

应理解的是，前述实施例的细节是出于说明性目的给出，不应解释为对本发明范围的限制。虽然已在上文详细描述了本发明的几个实施例，但本领域技术人员将容易理解，在不实质脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，在示例性实施例中有可能做出许多修改。因此，所有此类修改旨在被包括在本发明的范围内，所述范围在转换的实用专利申请和随附权利要求书中进一步定义。此外，要认识到，可设想许多实施例，其并未实现一些实施例、特别是优选实施例的所有优点，但特定优点的缺少不应解释成必然意指这个实施例在本发明的范围之外。

Claims (20)

1.一种用于对水进行在线式处理的水处理装置，所述水处理装置包括：

壳体；

第一法兰单元和第二法兰单元；

大筛网；

小筛网；以及

活性陶瓷珠介质。

2.如权利要求1所述的水处理装置，其中所述壳体由耐久塑性材料制成。

3.如权利要求1所述的水处理装置，其中所述壳体进一步包括：

上壳体；

下壳体；以及

设置在所述上壳体与所述下壳体之间的联接器。

4.如权利要求3所述的水处理装置，其中所述上壳体和下壳体进一步包括腔室，所述腔室容纳有所述第一法兰单元和所述第二法兰单元。

5.如权利要求3所述的水处理装置，其中所述下壳体容纳有所述大筛网和所述小筛网，其中所述活性陶瓷珠介质设置在位于所述大筛网与所述小筛网之间的所述腔室中。

6.如权利要求1所述的水处理装置，其中所述第一法兰和所述第二法兰进一步包括多个开口和隔板，所述开口经配置以接收稀土磁体。

7.如权利要求6所述的水处理装置，其中所述稀土磁体是环形的以允许水流过所述第一法兰和所述第二法兰。

8.如权利要求7所述的水处理装置，其中所述水处理装置有效地处理源自天然来源的水，所述天然来源选自井、溪流和河流组成的群组。

9.如权利要求7所述的水处理装置，其中所述水处理装置有效地处理源自市政供水设施的水。

10.如权利要求7所述的水处理装置，其中所述水处理装置可经定制用于处理安装的地理区域中的水剖面。

11.如权利要求7所述的水处理装置，其中所述水处理装置通过改变被处理水的物理和化学性质来改变经过所述装置的水的特性。

12.如权利要求7所述的水处理装置，其中所述水处理装置可定制地配置以实现处理后水的期望pH值。

13.如权利要求7所述的水处理装置，其中所述水处理装置被设计以与现有过滤技术结合使用，从而从被处理水中除去有害污染物并且增加被处理水中的有益营养素。

14.一种在单一单元中包括至少四种处理模式的水处理装置，所述处理模式包括：

以独特构造配置的稀土磁体；

活性陶瓷珠；

旋涡发生器；以及

产生低压力/流速和高水环境的设计。

15.一种改进环境内水的渗透性的方法，所述方法包括：

在现有管道系统中安装在线式水处理装置；

使水经过所述水处理装置；以及

将处理后的水用于预期的最终用途。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述水处理装置包括：

由耐久塑性材料制成的壳体，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体由位于所述上壳体与所述下壳体之间的联接器相结合；

位于所述壳体内部的腔室内的第一法兰单元和第二法兰单元；

位于所述下壳体内的大筛网和小筛网；

位于所述大筛网与所述小筛网之间的活性陶瓷珠介质；以及

在所述第一法兰和所述第二法兰内的多个开孔，其中所述开孔经配置以接收环形稀土磁体。

17.如权利要求15所述的方法，其中土壤、膜或生物系统中的渗透性被改进。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述装置的安装可在系统内进行，所述系统选自景观、农业、住宅、整座房屋系统、水池、喷泉、水景、龙头和花园软管组成的群组。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述预期的最终用途选自灌溉、家用和农业组成的群组。

20.一种用于处理水的设备，所述设备包括由至少一个联接器分开的至少两个半部，所述设备包括：

(a)第一半部，其包括第一筛网和第二筛网，其中陶瓷珠阵列安置在所述第一筛网与所述第二筛网之间；

(b)第二半部，其进一步包括至少一个层，所述层包括至少一个法兰，所述法兰进一步包括设置在所述法兰内的磁体布置，其中所述磁体布置散布着一系列水流通道，从而允许水从所述至少一个层的一侧通过到达所述至少一个层的另一侧。