CN117321008A - 具有流通式电化学反应器的废水处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种废水处理系统包括具有分配室和处理室的废水箱。分配室具有已处理废水出口和再循环回路入口。处理室具有未处理废水入口和再循环回路出口。再循环回路管道将再循环回路入口连接到再循环回路出口。泵流体连接到再循环回路入口，并且泵适于将废水的一部分通过再循环回路从分配室泵送到处理室。在再循环回路中设置有流通式电化学反应器。流通式电化学反应器电化学地修复流过再循环回路的废水中不合需要的化学化合物，从而净化系统中的废水。

Description

具有流通式电化学反应器的废水处理系统和方法
技术领域
本公开涉及液体净化装置和方法，并且更具体地涉及具有流通式电化学反应器的废水处理系统和方法。
背景技术
由人类住所产生的生物废物长期以来一直带来健康问题。一般来说，当许多生活和工作区域彼此靠近(例如，在城市和城镇中)时，污水被收集并运输到偏远地区，以用于在市政水处理设施中进一步加工。这些大型设施能够修复产生的污水的许多有问题的方面，但是通常仅在人口密集的地区中是经济上可行的。
生活在人口较不密集的地区的人们或在这样的地区中存在的设施常常需要在当地(通常是在他们自己的地产上)处理或加工他们的污水。这种处理常常通过使用诸如化粪箱和污水池的处理系统来完成。化粪箱和污水池通常依靠生物活性(例如，细菌)来分解污水中的固体废物，而液体部分被释放到土壤中，随着释放的部分朝向当地地下水位下降，土壤过滤释放的部分。随着时间的推移，当水沉入地下时，它被自然过程进一步过滤和净化，使得当它最终到达当地地下水位时是它相对安全的。然而，化粪箱和污水池可能在释放的水中留下大量的氨和有机氮化合物(以及其它溶解的化合物)，当被释放到土壤中时，这些氨和化合物转化为硝酸盐。这种氮可以为藻类和蓝藻提供过量的营养物，产生硝酸盐、亚硝酸盐和NOx，从而增强地下水位中这些微生物的不需要的大量繁殖，使得当从地下水位中抽取水以用于农业、工业或个人需求时，化合物和/或微生物以潜在有害的浓度存在。因此，这些不需要的大量繁殖本身可能给当地的人类、动物和植物带来健康问题，尤其是给使用来自当地地下水位(诸如通过从井中抽取)的水的当地居民带来健康问题。
随着地下水的硝酸盐、亚硝酸盐和NOx污染成为越来越危险的问题，地方政府开始制定政策来帮助减轻硝酸盐、亚硝酸盐和NOx污染。收集本来在化粪箱中加工的污水并在能够加工有机氮和氨(并因此减轻硝酸盐、亚硝酸盐和NOx污染)的集中式市政废水处理设施中处理它的成本极其高昂，并且估计仅在纽约的长岛地区就要花费50亿至100亿美元。因此，立法者已经开始提供激励措施，以增加住宅和工业有机氮和氨缓解系统的采用，并且未来更有可能增加对从住宅系统释放有机氮和氨的监管监督。在包括墨西哥湾沿岸和切萨皮克湾在内的美国的其它地方也受到氮污染的影响。
发明内容
根据第一示例，废水处理系统包括具有分配室和处理室的废水箱。分配室包括已处理废水出口和再循环回路入口。处理室包括未处理废水入口和再循环回路出口。再循环回路管道将再循环回路入口连接到再循环回路出口。泵流体连接到再循环回路入口，并且泵适于将废水的一部分通过再循环回路从分配室泵送到处理室。在再循环回路中设置有流通式电化学反应器。流通式电化学反应器电化学地修复流过再循环回路的废水中不合需要的化学化合物，从而净化系统中的废水。
根据第二示例，废水处理系统包括具有分配室和处理室的废水箱。分配室包括已处理废水出口和流通出口。处理室包括未处理废水入口和流通入口。流通管道将流通入口连接到流通出口。泵流体地连接流通管道。泵通过流通管道将废水的一部分从处理室泵送到分配室。流通式电化学反应器流体连接到流通管道。流通式电化学反应器电化学地修复流过流通管道的废水中不合需要的化学化合物。
根据第三示例，从废水处理系统中的废水中移除不合需要的化学化合物的方法包括将废水引入到具有处理室和分配室的废水箱中。来自分配室的废水的一部分被泵送通过再循环回路。通过使该部分的废水通过流通式电化学反应器，在再循环回路中的该部分的废水中的不合需要的化学化合物被电化学地修复。
用于利用流通式电化学反应器处理废水的系统和方法的前述示例还可以包括以下任选特征、结构和/或形式中的任何一个或多个。
在一种任选形式中，泵是潜水泵。
在另一种任选形式中，泵是设置在分配室中的泵。
在又一种任选形式中，废水箱是化粪箱、污水池、工业水处理箱或市政水处理箱中的一种。
在又一种任选形式中，处理室包括现有的污水池，并且分配室包括单独的地下箱。
在又一种任选形式中，分配室通过分隔器与处理室分开。
在又一种任选形式中，挡板连接到废水入口或废水出口中的一个。
在又一种任选形式中，流通式电化学反应器包括至少一个电极和至少一个阴极。
在又一种任选形式中，流通式电化学反应器包括：壳体，其包括溶液流动路径；第一电极，其设置在溶液流动路径内；第二电极，其与第一电极间隔开，在第一电极和第二电极之间产生电活性间隙。
在又一种任选形式中，电活性间隙优选地小于5mm且大于2mm，更优选地小于约4mm且大于约2.5mm，并且甚至更优选地具有约3mm的平均尺寸。
在又一种任选形式中，第一电极是具有中空圆柱形形状的阳极。
在又一种任选形式中，第二电极是具有中空圆柱形形状的阴极。
在又一种任选形式中，第一电极具有环形形状，并且第二电极具有环形形状，并且第一电极和第二电极同心地布置，第一电极位于第二电极的壁内。
在又一种任选形式中，第一电极是包括实心管状元件的阳极，并且第二电极是至少部分地包围阳极的具有中空圆柱形形状的阴极。在一些任选形式中，废水可以从阴极的外部向内朝向阳极并且然后平行于阳极的外表面流动。
在又一种任选形式中，溶液流动路径径向地穿过第一电极的壁、径向地横跨电活性间隙并且径向地穿过第二电极的壁延伸。
在另一些任选形式中，阴极可以具有包括多个开口的圆柱形壁和/或阳极可以具有包括多个开口的圆柱形壁。
在其它任选形式中，溶液流动路径至少部分地在阳极内沿着阳极纵向轴线纵向地延伸，并且至少部分地径向地向外基本上垂直于阳极纵向轴线穿过阳极的壁延伸。
在其它任选形式中，溶液流动路径径向地穿过阳极的壁、径向地横跨电活性间隙并且径向地穿过阴极壁中的多个开口延伸。
在又一种任选形式中，电源连接到第一电极和第二电极，从而形成电路。在其它实施例中，电路可以包括多于两个的电极。
在又一种任选形式中，第二电极包括不锈钢、石墨或其它碳质材料、尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛、混合金属氧化物或掺硼金刚石(BDD)中的一种。
在又一种任选形式中，第一电极包括尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛、混合金属氧化物或掺硼金刚石(BDD)中的一种。
在又一种任选形式中，废水的一部分或全部可以在通过流通式电化学反应器之后返回到处理室。
在又一种任选形式中，废水的一部分或全部可以在通过电化学反应器之后通过在废水箱中的废水的表面上方释放、在废水箱中的废水的表面下方释放、在废水箱的底部处的污泥层中释放、或在废水箱中的废水的顶部处的浮渣层中释放而被重新引入到分配室和处理室中的一个中。
在又一种任选形式中，不合需要的化学化合物包括氨、总凯氏氮(TotalKjeldahlNitrogen,TKN)、生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、药物和个人护理产品(PPCP)、人为有机化合物、金属氧离子、金属离子或它们的组合中的一种。
在又一种任选形式中，不合需要的化学化合物的浓度在不添加其它化学品的情况下降低。
在又一种任选形式中，诸如电解质盐的额外的化学品被添加到流通式电化学反应器的上游，或者直接添加到流通式电化学反应器中。
在另一些任选形式中，流通式电化学反应器可以包括在壳体的第一端部处的入口帽盖、入口帽盖相对间距和阳极相对于阴极的对准。
在另一些任选形式中，流通式电化学反应器可以包括在壳体的第二端部处的出口引导流帽盖，出口引导流帽盖密封壳体的第二端部并接收来自阴极的外部的出口流，出口引导流帽盖还密封中空阳极的一个端部。
在另一些任选形式中，流通式电化学反应器可以包括设置在壳体的第一端部处的适配器基部入口，适配器基部提供管道和电气连接，同时保持压力密封。
附图说明
虽然说明书以权利要求结束，特别地指出并清楚地要求保护被认为构成本发明的主题，但从结合附图的以下描述中将更好地理解本发明。
图1是具有流通式电化学反应器的废水处理系统的示意图。
图2是具有流通式电化学反应器的废水处理系统的备选实施例的示意图。
图3是具有流通式电化学反应器的废水处理系统的又一个备选实施例的示意图。
图4是可以用于图1至图3的废水处理系统中的任何一个中的流通式电化学反应器的分解透视图。
图5是图4的流通式电化学反应器的侧视图。
图6是图5的流通式电化学反应器的侧剖视图。
图7是图4的流通式电化学反应器的入口帽盖的特写侧剖视图。
图8是图4的流通式电化学反应器的出口帽盖的特写侧剖视图。
具体实施方式
本文中描述的废水处理系统和方法包括流通式电化学反应器，并且有利地用于水的处理，包括但不限于处理市政或家庭废水和/或处理工业废水。在本文中描述的某些实施例中，废水处理系统和方法旨在处理在住宅或商业建筑中(例如在化粪池系统或污水池中)产生的“灰”水或“黑”水。更具体地，由不具有到社区或市政处理设施的通道的住宅或商业建筑产生的灰水或黑水在被释放回到环境中(典型地为地下)之前被引导到化粪池系统或污水池以进行处理。如本文中所用的灰水意指没有接触过人类或动物固体废物的任何废水。如本文中所用的黑水意指与人类或动物固体废物接触过的废水。灰水和黑水两者通常同时由化粪池系统和污水池处理。
本文中描述的废水处理系统和方法能够有利地改装到现有废水处理系统，从而通过部分地利用现有系统来节省时间和费用。本文中描述的废水系统和方法有利地包括流通式电化学反应器，其耐用且可扩展以满足相对较小的个人或家庭需求以及相对较大的消费者、商业、市政或工业需求。有利地，流通式电化学反应器具有很少的运动部件，运动部件基本上限于循环泵，并且因此具有长的使用寿命，同时相对便宜且易于制造。此外，流通式电化学反应器惊人地且出乎意料地可以更高效地处理被处理的水/溶液中存在的污染物，与以前的装置相比，具有显著更少的堵塞和短路，如本文中更详细地解释的。
如本文中所用，流通式电化学反应器是指具有通过其的溶液流动路径的反应器。流通式反应器的基本结构元件包括具有入口、出口、阳极和阴极的壳体，如在美国专利公开第2019/0284066号中描述和示出的，该专利通过引用整体结合于此。已知流通式电化学反应器易受积垢和短路的影响，因为固体在电活性间隙中聚集。结果，大多数电化学系统利用相对较大的电极间隙(至少5mm或更大)和/或被构造和布置为静态(非流动)系统，以限制积垢风险。本文中描述的流通式电化学反应器具有小于5mm但大于2mm的电极间隙。在其它实施例中，流通式电化学反应器可以包括小于约4mm且大于约2.5mm、优选地约3mm的电活性间隙。前述电极间隙范围已经惊人地且出乎意料地证明提供非常高水平的电化学效率，而不会出现如本文中所述的堵塞和潜在短路。因此，本文中公开的电活性间隙惊人地允许流通式电化学反应器更高效地处理污染物，同时有利地表现出改进的电效率而没有显著的积垢。此外，小于5mm的电活性间隙有利地产生活性氧化剂的期望混合物。例如，根据本公开的电化学反应有利地产生更高浓度的羟基自由基，这导致更高效的水处理。
所公开的废水处理系统和方法(包括流通式电化学反应器)可以有利地用来处理各种类型的水，包括灰色或黑色废水(例如，生活废水、商业废水、市政废水、工业废水)。这些系统和方法也可以用来有利地处理雨水、湖水、河水或地下水，以用于多种最终用途。
所公开的废水处理系统和方法利用电来实现水净化。具体地，包括但不限于羟基自由基、游离氯和臭氧的氧化剂和消毒剂在流通式电化学反应器的阳极表面上或附近产生，其可以破坏诸如病原体和其它不需要的有机和无机材料(本文中统称为“污染物”)的污染物。诸如硝酸盐和金属离子的污染物也可以在流通式电化学反应器的阴极表面上被化学地还原，从而将这些不需要的污染物转化为危害较小的化合物，而无需添加化学品。因此，所公开的废水处理系统和方法可以用来处理具有复杂水化学性质的水，例如，通过中和酸性和碱性污染物、氧化其它污染物以及通过还原移除另一些污染物。此外，废水系统中采用的电极不会被反应消耗，这大大降低了维护要求以及更换成本。结果，通过反转电极的极性、用水反冲洗、在给水中加入氯化钠并增加电压，或者通过用弱酸或弱碱清洁，可以有利地逆转由有机物的聚集或由金属的沉淀引起的电极的积垢或结垢。
在用所公开的废水处理系统和方法进行水处理期间，水被氧化以形成二次活性氧(ROS)，诸如羟基自由基和臭氧。产生的氧化剂与被处理的水/溶液中存在的大多数有机物快速反应，从而形成二氧化碳和危害较小的副产物。此外，当电子从污染物转移到阳极时，发生污染物的直接破坏。诸如全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)的全氟化合物是可以使用根据本公开的流通式电化学反应器氧化的代表性污染物。游离氯也可以由待处理溶液中存在的任何环境氯离子或添加的金属氯化物(诸如氯化钠(NaCl))原位形成，并且因此提供另一种消毒剂。除了强大的氧化和消毒能力之外，阴极还产生还原剂，该还原剂可以减少不需要的污染物，从而导致它们降解和/或形成危害较小的化合物。氧化剂形成、间接二次氧化、直接电子转移和还原过程的组合能够净化包括多种类型污染物的水，该污染物包括但不限于氨、总凯氏氮(TKN，其提供来自有机化合物的氮(有机氮)和来自氨/铵的氮的总和的量度，但不包括来自诸如硝酸盐或氰化物的其它无机化合物的氮)、生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、药物和个人护理产品(PPCP)、其它人为化合物、硝酸盐、亚硝酸盐、金属氧离子、金属离子、全氟化合物、天然和合成有机化合物、以及病原体、以及它们的组合。虽然游离氯是一种强力消毒剂，但由所公开的系统产生的氯的量足够小，并且被限制在有限的空间内，使得当释放回化粪箱或污水池中时，氯被迅速地稀释和消耗，从而防止干扰化粪箱和污水池中的正常生物活性。另外，氯可以被释放在化粪箱或污水池中的废水表面上的浮渣层中，或者被释放在化粪箱或污水池的底部处的污泥层中，以最小化其对正常生物活性的有害影响。
由于水的电解而发生在电极表面上的pH值中的变化可以导致进水的pH值中的变化。典型地，H+在阴极处形成，并且OH-在阳极处形成，两者都具有相对高的量。发生在阳极处的氧化可能导致许多有机化合物的完全或部分矿化，从而导致CO2的形成。形成的CO2溶解在进水中，从而产生碳酸(H2CO3)，其降低了pH值。pH值也可能通过氨的破坏降低。因此，pH值中的变化至少部分地取决于进水的化学性质。此外，水合氢离子和氢氧化物种类的形成可能足够高，以至于在与上面提及的各种氧化还原过程结合的情况下包括细菌、病毒和原生动物在内的病原体不能存活。
尽管不是必需的，但是待处理的废水可以包括添加的金属盐以促进电化学过程。例如，废水可以包括金属盐，其可以提供氯离子的来源，氯离子可以被原位氧化以形成强氧化剂氯气。氯气高度可溶于水，并且经过水解以形成次氯酸(HOCl)。在一些情况下也可能形成二氧化氯(ClO2)。诸如NaCl或其它盐的盐可以被引入电化学反应器的上游和/或可以存在于废水本身中。
本文中使用的“约”、“大约”或“基本上”包括所述值，并且意指在由本领域普通技术人员确定的特定值的可接受偏差范围内，考虑到相关测量和与特定量的测量相关联的误差(即，测量系统的限制)。例如，“约”、“大约”或“基本上”可以意指在一个标准偏差内，或者在规定值的±10％、5％、3％或1％内。
本文中使用的“碳质”是指包含碳的材料。为了被认为是本文中使用的“碳质”，材料应当包含具有处于+4以外的氧化态的碳原子的碳(使得碳原子能够被氧化)。例如，碳质材料包括但不限于石墨、石墨烯、富勒烯、导电塑料和金刚石。
本文中使用的“流通式”阳极或阴极是指液体能够流过的阳极或阴极电极。流通式电极的一些非限制性示例包括具有内部直通路径和/或包括液体可以流过的穿孔、小孔或孔的阳极或阴极。孔可以例如通过冲压在电极中制造。在一个示例中，实心但中空的圆柱形电极可以具有内部直通路径，在该路径中液体可以沿着中空圆柱形电极的长度轴向地流动。其它非限制性示例包括具有包括多孔材料的材料壁的阳极(例如，中空圆柱形阳极)或具有包括多孔材料的材料壁的阴极，液体可以既沿着阳极或阴极的长度轴向地流动，又横向地流过圆柱形阳极或阴极壁。多孔电极(例如，多孔马格涅利相，例如，Ti4O7阳极)通常是优选的，因为它们提供高的表面积和与待电化学处理的水/溶液(典型地为水)的增加的接触，这有利于产生相对增加量的诸如羟基自由基和臭氧的氧化剂，其可以与被处理的水/溶液中的污染物反应，并导致污染物的相对增加的氧化。也可以使用实心板式阳极(不是中空的并且不具有内部直通路径)。因此，阳极和阴极都可以是流通的或实心的。
为了使任何电化学过程可操作，必须有用作阳极和阴极的两个(或更多个)电极。本文中使用的“电活性间隙”意指用作(多个)阳极和(多个)阴极的电极之间的间隙或空间。在所公开的废水处理系统中，流通式电化学反应器中的电活性间隙包括在流动路径中，当电化学反应器的电极通电时，废水(典型地为待处理的水相)可以流过该流动路径，并且电子可以被转移。电流可以导致在电活性间隙内发生各种化学反应，这些化学反应导致被处理的废水中的污染物降解和/或变得无活性，从而净化废水并允许流出物流释放到环境中。
本文中使用的“尺寸稳定阳极”是指显示出相对高的导电性和耐腐蚀性的阳极。一般来说，尺寸稳定阳极由一种或多种金属氧化物制成，诸如RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂)。
“混合金属氧化物电极”(可以用作阳极或阴极)通过用几种金属氧化物涂覆基底(诸如钛板或膨胀网)而制成。一种氧化物通常是RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂)，它们导电并催化所需的反应，诸如原位产生氯气。金属氧化物的其它外部涂层典型地为二氧化钛，其不显著传导或催化，但防止内部腐蚀。
在一些实施例中，任选的预过滤器可以安装在电极的上游和/或后过滤器可以添加在电极的下游，预过滤器或后过滤器捕获颗粒或各种无机或有机材料，从而防止颗粒在电极之间产生短路桥，和/或通过移除由电化学反应形成的颗粒。
现在转到图1，图示了废水处理系统100的第一实施例。废水处理系统100包括具有分配室112和处理室114的废水箱110。图1中图示的废水箱110包括化粪池系统箱。在其它实施例中，废水箱110可以包括市政废水箱。分配室112和处理室114可以通过具有转移挡板117的隔板或分隔器115流体地分开，使得液体可以从处理室114流到分配室112。出于本公开的目的，挡板是防止上浮颗粒到达化粪箱或污水池的沥滤场的屏障，该上浮颗粒可能导致沥滤场管线堵塞。
分配室112包括已处理废水出口120和再循环回路入口122。已处理废水出口120可以连接到分配挡板121。
处理室114包括未处理废水入口124和再循环回路出口126。未处理废水入口124可以连接到处理挡板125。
再循环回路管道130(其形成再循环回路)将再循环回路入口122连接到再循环回路出口126。泵132流体连接到再循环回路入口122，并且泵132适于通过再循环回路管道130将废水的一部分从分配室112泵送到处理室114。在图1的实施例中，泵132是位于分配室112中的液体的表面133下方的潜水泵。泵132位于污泥层135的上方，污泥层135由随时间推移从废水中沉淀出来的固体物质形成。在其它实施例中，泵132可以是不同类型的泵(例如，唧筒泵(wiz-bang pump)、容积式(非潜水)泵、抽吸泵等)，和/或泵132可以位于系统中的另一个位置处(例如，在处理室114或分配室112中的废水的表面133上方，或者在再循环管道130中)。
在其它实施例中，泵132可以包括液位或浮动开关和控制器或者定时器和液位开关，其在流体水平低时关闭泵以防止分配室112的脱水。在又一些实施例中，泵132可以包括温度传感器，该温度传感器感测泵132中或再循环回路管道130中的冻结温度，以在可能冻结泵132中或再循环回路管道130中的液体的冻结条件的情况下关闭泵132。在另一些实施例中，泵可以连接到运行时间监视器(未示出)，该监视器记录运行时间并将运行时间控制到预设的限值或预设的时间表。
流通式电化学反应器140设置在再循环回路管道130中或连接到再循环回路管道130。流通式电化学反应器140电化学地修复流过再循环回路管道130的废水中不合需要的化学化合物，从而处理废水处理系统100中的废水。下面结合图4至图8描述流通式电化学反应器140的一个实施例。
在一些实施例中，可以包括任选的预过滤器142和/或任选的后过滤器144。任选的预过滤器142可以过滤掉可能堵塞电化学反应器140的大微粒。任选的后过滤器144可以过滤和/或修复由电化学反应器140中的化学反应形成的微粒。
一般来说，废水的一部分可以从分配室112泵出，通过再循环管道130以在流通式电化学反应器140中处理，并返回到处理室114。如图1中所图示，该部分废水可以通过在废水表面133上方被释放而被重新引入到处理室中。在其它实施例中，该部分废水可以在废水表面133下方被释放，或者该部分废水可以在废水箱110的底部处的污泥层135中被释放。在又一些实施例中，该部分废水可以在废水表面133附近的浮渣层中被释放。在另一些实施例中，该部分废水可以被重新引入到分配室或处理室中。
一般来说，流通式电化学反应器使用电来驱动化学反应，该反应减轻废水中不合需要的化学化合物。在一些实施例中，不合需要的化学化合物可以包括氨、总凯氏氮(TKN)、生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、药物和个人护理产品(PPCP)、其它人为化合物、金属氧离子或金属离子或它们的任何组合中的一种或多种。
依靠生物活性来分解废物的现有废水处理系统(诸如化粪箱和污水池)不能消除氮。这种氮然后沥滤到土壤中，在那里土壤细菌消耗有机氮和氨，并产生NOx(其为硝酸盐、亚硝酸盐和一氧化二氮的总和)。硝酸盐、亚硝酸盐和一氧化二氮渗入地下水中，其中在地下水位变空的开放水域(湖泊、河流或海洋)中，它们可能导致藻华。这些藻华可能对人类和其它野生动物是危险的，并可能由于海滩和渔业关闭而导致经济破坏。可能由NOx污染导致的藻华的一个众所周知的示例被称为“赤潮”，但是这种藻华通常被归类为有害藻华(HAB)。
在图示实施例中，不合需要的化学化合物的浓度降低，而不添加其它化学品，并且不产生大量的硝酸盐、亚硝酸盐和NOx。更具体地，该系统移除氨和有机氮，以防止地下水和附近地表水的污染。电化学反应器将废水中存在的氯化物转化为次氯酸(HOCl)。次氯酸然后与氨和/或TKN快速反应，以依次形成一氯胺(NH2Cl)、二氯胺(NHCl2)、三氯胺(NCl3)，并最后形成氮气(N2)。氮气然后形成气泡并被释放到大气中。另外，该系统有利地降解碳质废物(由BOD/COD测量)，从而增强化粪箱和/或污水池的主要用途。在其它实施例中，诸如电解质盐的额外的化学品可以添加到流通式电化学反应器的上游，或者直接添加到流通式电化学反应器中以增强流通式电化学反应器中所需的化学反应。
现有的化粪池系统和污水池依靠生物作用来处理废水。更具体地，细菌用来消化废水中一些不合需要的部分。因此，现有系统对温度变化、尤其是更冷的变化敏感。随着气温下降，生物活性减缓。本文中描述的废水处理系统和方法利用电驱动的化学反应来增强和补充生物活性。与生物活性不同，电驱动的化学反应对温度变化不敏感。结果，与已知的化粪池系统和污水池相比，所公开的废水处理系统和方法在更宽的温度范围内有利地保持高水平的处理。
现在转到图2，图示了废水处理系统200的第二实施例。在图2的实施例中的元件对应于图1中的类似元件的情况下，图2中的元件编号比图1中的类似元件大100。例如，图1中废水处理系统的第一实施例标有附图标记100，而图1中废水处理系统的第二实施例标有附图标记200。
图2的废水处理系统200包括具有分配室212和处理室214的废水箱210。分配室212包括已处理废水出口220，其流体连接到分配挡板221。处理室214包括未处理废水入口224，其流体连接到处理挡板225。分配室212和处理室214可以通过具有转移挡板217的隔板或分隔器215流体地分开，使得液体可以从处理室214流到分配室212。在图2的实施例中，泵232流体连接到转移挡板217，并且流通式电化学反应器240设置在转移挡板217内或连接到转移挡板217，使得来自处理室214的废水的一部分被泵送通过转移挡板217并通过流通式电化学反应器，在进入分配室212之前，在流通式电化学反应器中进行电化学处理。像图1的实施例一样，流通式电化学反应器240电化学地修复废水中不合需要的化学化合物。图1的实施例和图2的实施例之间的差异在于流通式电化学反应器的位置和泵的位置。
上面结合图1描述的任何任选特征可以与图2的实施例的特征相结合，并且反之亦然。
现在转到图3，图示了废水处理系统300的第三实施例。在图3的实施例中的元件对应于图1或图2中的类似元件的情况下，图3中的元件编号分别比图1或图2中的类似元件大100或200。例如，图1中的废水处理系统的第一实施例标有附图标记100，并且图1中的废水处理系统的第二实施例标有附图标记200，而图3中的废水处理系统的第三实施例标有附图标记300。
废水处理系统300的第三实施例针对现有的污水池系统，该污水池系统被修改以提供上述电化学处理。更具体地，废水处理系统300包括现有的污水池箱310，该污水池箱310包括处理室314。新的地下保持箱安装在污水池箱310旁边。新的地下保持箱包括保持室312。处理室314和保持室312可以由物理屏障(诸如土)流体地分开。可以安装输送管317以将处理室314流体连接到保持室312，使得液体可以从处理室314流到保持室312。
再循环回路管道330(其形成再循环回路)将保持室312连接到处理室314。泵332流体连接到再循环回路管道330，并且泵332适于通过再循环回路管道130将废水的一部分从保持室312泵送到处理室314。在图3的实施例中，泵332是位于保持室312中的液体的表面下方的潜水泵。泵332位于污泥层的上方，该污泥层由随时间推移从废水中沉淀出来的固体物质形成。在其它实施例中，泵332可以是不同类型的泵(例如，唧筒泵、容积式(非潜水)泵、抽吸泵等)，和/或泵332可以位于系统中的另一个位置处(例如，在处理室314或保持室312中的废水的表面上方，或者在再循环管道330中)。
流通式电化学反应器340设置在再循环回路管道330中或连接到再循环回路管道130。流通式电化学反应器340电化学地修复流过再循环回路管道330的废水中不合需要的化学化合物，从而净化废水处理系统300中的废水。
类似于图1的实施例，在一些其它实施例中，可以包括任选的滤网或预过滤器342和/或任选的后过滤器344。任选的预过滤器342可以过滤掉可能堵塞电化学反应器340的大微粒。任选的后过滤器344可以过滤和/或修复由电化学反应器340中的化学反应形成的微粒。
像图1的实施例一样，废水的一部分可以从保持室312泵出，通过再循环管道330以在流通式电化学反应器340中被处理，并返回到处理室314。该部分废水可以通过在废水表面上方、废水表面下方或在废水箱310的底部处的污泥层中被释放而被重新引入到处理室中。在又一些实施例中，该部分废水可以在废水表面附近的浮渣层中被释放。在另一些实施例中，该部分废水可以被重新引入到保持室312或处理室314中的任一个中。
在上述实施例中的任一个中，从废水处理系统中的废水中移除不合需要的化学化合物的方法包括将废水引入到具有处理室和分配室的废水箱中。来自分配室的废水的一部分被泵送通过再循环回路。通过使该部分的废水通过流通式电化学反应器，在再循环回路中的该部分的废水中的不合需要的化学化合物被电化学地修复。
一般来说，废水通过直接从处理室流到分配室在化粪池系统中被处理。废物在处理室中被消化，并且夹带的固体沉淀到处理室的底部。结果，从处理室移动到分配室的流体大部分是带有一些溶解的固体的液体，它基本上不含悬浮的固体颗粒。来自分配室的废水通过泵移除，并在返回到处理室之前通过流通式电化学反应器。在一些实施例中(例如，图1和图3的实施例)，流通式电化学反应器和再循环回路在现有化粪箱(或污水池)结构的外部。在其它实施例中，流通式电化学反应器可以放置在处理室和分配室之间的现有流体通路中(例如，图2的实施例)。无论如何，本文中描述的废水处理系统能够有利地改装到现有的废水处理结构。结果，与现有的先进营养物移除系统相比，改进的废水处理系统(带有电化学反应器)在处理废水方面更便宜且更有效。
在上述实施例中的任一个中，多个电化学反应器可以放置在处理室和分配室之间的流体流动路径中。如果多于一个的电化学反应器位于系统中，则电化学反应器可以是相同的(即，针对相同(或相似)的不合需要的化合物)，或者电化学反应器可以是不同的(即，针对不同的不合需要的化合物)。反应器可以并联地和/或串联地布置。
在又一些实施例中，市政废水系统可以用本文中描述的特征和/或功能来修改。一般来说，传统的市政废水系统通过曝气移除BOD。在曝气期间，含氮废物(主要是氨和/或TKN)被部分地移除。一旦已处理废水被重新引入回到环境中，这些氮化合物就可能转化为硝酸盐，硝酸盐可以作为用于细菌或藻类生长的营养物。本文中描述的系统和方法(更具体地，添加流通式电化学反应器)在已处理废水被释放回环境之前将这些氮化合物转化为危害较小的化合物。
现在转到图4至图8，流通式电化学反应器10包括具有溶液流动路径14的壳体12。流通式或实心第一电极(诸如阳极16)设置在溶液流动路径14内。在图示实施例中，阳极16是环形的，在一些情况下是包括多孔材料的中空圆柱体。
第二电极(诸如阴极18)与阳极16间隔开，从而在阳极16和阴极18之间产生电活性间隙20。电活性间隙20小于5mm且大于2mm。在例示性实施例中，电活性间隙为约3mm。如上文所提及，阳极16和阴极18的同心布置可以被反转。
在图示实施例中，阳极16和阴极18两者都具有中空的圆柱形形状。阳极16和阴极18同心地布置，阳极16位于阴极20的圆柱形壁22内。图1至图5中图示的布置可以用作氧化反应器。在其它实施例中，例如当用作还原反应器时，阳极16和阴极18可以被反转(诸如通过反转电连接)，使得阴极18可以位于阳极16的圆柱形壁内。无论如何，阳极16和阴极18可以共享公共纵向轴线x。阳极16的内部24形成用于待处理的水/溶液的初始流动路径，该水/溶液通过入口26进入壳体12。当待处理的水/溶液充满内部24时，它平行于纵向轴线x纵向地流动，并最终到达内部24的底部，在那里液体被塞子27阻止。一旦停止，内部24中的压力积聚，这迫使液体垂直于纵向轴线x径向地向外流动穿过阳极16的壁。
液体可以通过阳极中的多孔开口或通过阳极16中的穿孔穿过阳极16的壁。无论如何，一旦液体流过阳极16的壁，液体就进入电活性间隙20。当在电活性间隙20中时，通过由带电的阳极和阴极供应的电子流驱动的化学反应在液体中发生。液体继续径向地向外流过阴极壁22，例如流过阴极壁22中的多个开口28。一旦通过阴极壁22，液体在阴极18和壳体12之间形成的环形空间中朝向出口30流动。
在备选实施例中，阳极16和阴极18中的一者或两者可以包括实心圆柱形壁。在这样的实施例中，流动路径可以进入阳极16的中空内部，向下流动直到接触塞子27，然后绕过阳极16的底端部，穿过在阳极16壁的底部和塞子27之间的间隙，然后向上穿过电活性间隙20直到接触入口帽盖36，并穿过在入口帽盖36和阴极18的顶端部之间的间隙，然后在阴极18的外部向下到达出口。
电源34经由电连接32连接到阳极16和阴极18。通常，电源将是DC电源。然而，可以备选地使用AC电源。电源34对阳极16和阴极18充电，并且被处理的水/溶液填充电活性间隙20，电子在阳极16和阴极18之间流动，并且提供的电驱动某些期望的化学反应，导致污染物的氧化或还原以及病原体的灭活。
入口帽盖36设置在壳体12的第一端部38处，入口帽盖36保持阳极16相对于阴极18的适当间距和取向。出口引导流帽盖40设置在壳体12的第二端部42处。出口引导流帽盖40密封壳体12的第二端部42并接收来自阴极18的外部的出口流。出口引导流帽盖40还与塞子27结合密封阳极24的内部24的一个端部。
适配器基部入口44设置在壳体12的第一端部38处，适配器基部入口44提供管道和电气连接，同时保持压力密封。
阴极18可以包括不锈钢、石墨或其它碳质材料、尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛(通式TinO2n-1，例如Ti4O7)、混合金属氧化物(诸如RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂))、或掺硼金刚石(BDD)、或它们的组合。如本文中所用，术语“马格涅利相氧化钛”是指具有通式TinO2n-1的氧化钛，例如，Ti4O7、Ti5O9、Ti6O11或它们的混合物。在实施例中，马格涅利相氧化钛可以是Ti4O7。在其它实施例中，马格纳利相氧化钛可以是马格纳利相氧化钛的混合物。
阳极16可以包括尺寸稳定阳极(DSA)、马格纳利相氧化钛(通式TinO2n-1，例如Ti4O7)、混合金属氧化物(诸如RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂))、硼掺金刚石(BDD)、其它或它们的组合中的一种。
一旦构造和布置了合适的流通式反应器，就将功率施加到(多个)阴极和(多个)阳极，并且待处理的水/溶液通过电极，从而导致其电化学净化。净化的水/溶液随后从反应器中被移除。施加的功率可以周期性地反转，以防止电极的钝化并移除污垢。在该实施例中，阴极可以包括亚化学计量的氧化钛或其它电极材料。反应器可以周期性地反冲洗，以清除可能积聚在电极的小孔或开口中的堆积固体。
在图示实施例中，在使用期间，功率被施加到阴极和阳极，并且进水被输送到反应器的入口帽盖端部并进入竖直地位于反应器的中心的管状路径。进水从管的出口排出。典型地，反应器的取向被定位(并因此相对于图中描绘的图示旋转180度)成使得入口设置在底部处并且出口设置在顶部处。在这样的布置中，进水从底部流到顶部。在其它实施例中，如上文所讨论，阳极和阴极可以被反转。
根据任何实施例，流通式反应器还可以任选地包括氧化还原电位传感器、pH传感器、氯传感器、电导率传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器、一个或多个污染物传感器(诸如氮气、TOC、紫外可见光等)、或它们的组合。
使用所公开的流通式电化学反应器进行电化学水处理的一些优点是对酸性和碱性溶液的高耐腐蚀性、高导电性、增加的传质和电化学稳定性。
溶液可以包括金属氯化物(诸如氯化钠)在去离子水、自来水或水源水中的溶液。金属氯化物可以是碱金属氯化物、碱土金属氯化物、它们的组合，但不限于此。待处理的水/溶液可以包括多种活微生物、人为化合物、天然化合物或它们的任意组合。微生物可以是细菌、病毒、原生动物或其它。不同种类的微生物可以同时存在。
由所公开的流通式电化学反应器产生的氯和其它氧化剂(包括但不限于臭氧和羟基自由基)一起协同工作以净化被处理的溶液。
流入的液体还可以包括各种人为化合物。这些化合物中有许多是致癌物，并且对人类和动物健康高度危险。这些化合物可以被高效地氧化成危害较小的氧化产物。
图1至图3的实施例中图示的废水处理系统的任何特征可以与图1至图3的任何其它实施例中的元件组合或替代该元件。类似地，图4至图8中图示的流通式电化学反应器的实施例可以用于图1至图3的任何废水处理系统中。当结合到图1至图3的废水处理系统的任何实施例中时，流通式电化学反应器可以包括图4至图8中描述的任选特征或形式中的任何一个或多个。
示例
示例1：根据图4至图8中图示的实施例构造的流通式电化学反应器在修复典型地在化粪箱中发现的废水过程中进行了测试。在将功率施加到流通式电化学反应器之前，测试废水包括57.5mg/L TKN、3.09mg/L氨和0.0454mg/LNOx。测试废水还具有7.53的初始pH值和3.35ms/cm的初始电导率。在7.5V的电压和25A的电流下将功率施加到流通式电化学反应器，并且测试废水以3至5gpm的流量循环。在测试开始时，加入26g的NaCl以促进污染物的氧化。示例1的测试结果汇总在下面的表1中。
表1
示例2：上文关于示例1的流通式电化学反应器和测试废水阐述的初始测试条件与示例2相同。然而，施加到示例2中的流通式电化学反应器的功率是在11V的电压和50A的电流下进行的，并且测试废水再次以3至5gpm的流量循环。在测试开始时，加入40g的NaCl以促进污染物的氧化。示例2的测试结果汇总在下面的表2中：
表2
上文在表1和表2中阐述的测试结果显示，流通式电化学反应器有利地破坏了测试废水中超过80％的有机氮，同时保持相对稳定的pH值，这为化粪池系统中原本存在的生物制剂保持了稳定的环境，以作用于其它废物。出乎意料的是，形成了非常少的硝酸盐、亚硝酸盐或一氧化二氮，这表明大部分被破坏的有机氮被转化为无害的氮气N2。N2从系统中的放出(和损失)通过在时间0和测试结束时的总氮(对应于TKN和NOx的总和)之间的差异得到证实。
上表中的ORP代表氧化/还原电位，它是系统的氧化电位(正数)或还原电位(负数)的量的量度。该值越高，氧化电位(或还原电位)越高，并且因此氧化或还原化学成分的能力也越高。在上表中，随着测试进行，ORP的增加证实了电化学反应器在该环境中的功效，因为该测量证明由电化学反应器产生诸如氯的氧化剂。
除非明确排除或以其它方式限制，否则本文中引用的每份文献(包括任何交叉引用或相关的专利或申请，以及本申请要求其优先权或权益的任何专利申请或专利)均通过引用整体并入本文中。对任何文献的引用并不承认它是关于本文中公开或要求保护的任何发明的现有技术，也不承认它单独地或与任何其它一份或多份参考文献以任何组合教导、建议或公开任何这样的发明。此外，在本文献中的术语的任何含义或定义与通过引用并入的文献中同一术语的任何含义或定义相冲突的情况下，以本文献中赋予该术语的含义或定义为准。
虽然已经图示和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它改变和修改。因此，旨在在所附权利要求书中涵盖本发明的范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (22)

1.一种废水处理系统，包括：
废水箱，其包括分配室和处理室，所述分配室包括已处理废水出口和再循环回路入口，所述处理室包括未处理废水入口和再循环回路出口；
再循环回路管道，其将所述再循环回路入口连接到所述再循环回路出口；
泵，其流体连接到所述再循环回路入口，并且所述泵适于将废水的一部分通过所述再循环回路从所述分配室泵送到所述处理室；和
流通式电化学反应器，其设置在所述再循环回路中，所述流通式电化学反应器适于电化学地修复流过所述再循环回路的废水中不合需要的化学化合物。
2.根据权利要求1所述的废水处理系统，其中，所述泵是设置在所述分配室中的泵。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的废水处理系统，其中，所述废水箱是化粪箱。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的废水处理系统，其中，所述分配室通过分隔器与所述处理室分开。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的废水处理系统，其中，挡板连接到所述废水入口或所述废水出口中的一个。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的废水处理系统，其中，所述处理室包括现有污水池，并且所述分配室包括单独的地下箱。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的废水处理系统，其中，所述流通式电化学反应器包括电极和阴极。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的废水处理系统，其中，所述流通式电化学反应器包括壳体，所述壳体包括溶液流动路径、设置在所述溶液流动路径内的流通式或实心第一电极、与所述流通式或实心第一电极间隔开的第二电极，所述流通式或实心第一电极和所述第二电极之间产生电活性间隙。
9.根据权利要求8所述的废水处理系统，其中，所述电活性间隙小于5mm且大于2mm。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的废水处理系统，其中，所述第一电极是具有中空圆柱形形状的阳极。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的废水处理系统，其中，所述第二电极是具有中空圆柱形形状的阴极。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的废水处理系统，其中，所述第一电极具有环形形状，并且所述第二电极具有环形形状，并且所述第一电极和所述第二电极同心地布置，所述第一电极位于所述第二电极的壁内。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的废水处理系统，其中，所述溶液流动路径径向地延伸、穿过所述第一电极的壁、径向地横跨所述电活性间隙、然后径向地穿过所述第二电极的壁。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的废水处理系统，还包括连接到所述第一电极和所述第二电极的电源，从而形成电路。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的废水处理系统，其中，所述第二电极包括不锈钢、石墨或其它碳质材料、尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛、混合金属氧化物或掺硼金刚石(BDD)中的一种。
16.根据权利要求8至15中任一项所述的废水处理系统，其中，所述第一电极包括尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛、混合金属氧化物或掺硼金刚石(BDD)中的一种。
17.一种在废水处理系统中从废水中移除不合需要的化学化合物的方法，所述方法包括：
将废水引入包括处理室和分配室的废水箱中；
将所述废水的一部分从所述分配室并通过再循环回路泵送；和
通过使所述废水的所述部分通过流通式电化学反应器，电化学地修复在所述再循环回路中所述废水的所述部分中的不合需要的化学化合物。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括使所述废水的所述部分在通过所述流通式电化学反应器之后返回到所述处理室。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中，所述废水的所述部分在通过所述电化学反应器之后通过在所述废水箱中的所述废水的表面上方释放、在所述废水箱中的所述废水的表面下方释放、在所述废水箱的底部处的污泥层中释放、或在所述废水箱中的所述废水的顶部处的浮渣层中释放而被重新引入到所述分配室和所述处理室中的一个中。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，所述不合需要的化学化合物包括硝酸盐、高氯酸盐、硼酸盐、药物和个人护理产品(PPCP)、金属氧离子、金属离子以及它们的组合中的一种。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，在不添加其它化学品的情况下降低所述不合需要的化学化合物的浓度。
22.一种废水处理系统，包括：
废水箱，其包括分配室和处理室，所述分配室包括已处理废水出口和流通出口，所述处理室包括未处理废水入口和流通入口；
流通管道，其将所述流通入口连接到所述流通出口；
泵，其流体连接到所述流通管道，并且所述泵适于通过所述流通管道将废水的一部分从所述处理室泵送到所述分配室；和
流通式电化学反应器，其流体连接到所述流通管道，所述流通式电化学反应器适于电化学地修复流过所述流通管道的废水中不合需要的化学化合物。
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