TWI586608B - 用於絮凝物調節之螺旋混合器 - Google Patents

Description

用於絮凝物調節之螺旋混合器

本發明係關於一種用於絮凝物調節之螺旋混合器。

習知水處理之核心元件包括凝聚、絮凝、沉積與物理過濾之連續程序步驟。此等程序步驟需要相當的物理結構，例如個別程序部分發生之凝聚盆與絮凝盆。通常，化學凝聚劑係用以阻隔庫倫斥力(亦即，中和電荷)與加速次微米微粒聚集成針狀絮凝物。聚集所需要的時間(亦即，聚集時間)係由包括聚集物之濃度與聚集物之尺寸的數個參數決定。

然後，能夠添加長鏈聚合物形式之絮凝劑以固定絮凝物，形成更長的實體，該實體於沉積盆之沉澱較快。經歷首先的3階段之水力停留時間可能為5-10小時，其係視輸入水量與設施、需要實質的底面積與最初基礎結構的成本而定。

本專利說明書併提例如實施習知水處理之變換方法所揭示的應用供參考。此方法之特點係包括：高的擴充性、模組性、小的底面積、高的產率、純的流體、連續的流動、無薄膜、尺寸選擇性的阻隔、與加速的凝聚動力。所說明的系統將與任何密度之微粒起作用，尤其與具有中性浮力之微粒起作用。此等特點允許減少50%凝聚劑之劑量而達成相同的濁度降低；此可能歸因於流體剪切效應而引起針 狀凝聚劑的緻密(亦即，緊密)與自限窄的尺寸分布。組合的效應允許流體結構中微米尺寸的針狀絮凝物的萃取可刪除絮凝與沉積步驟，結果，經由減少土地與化學成本、操作上的負擔，導致明顯的節省，以及從生水到精製水的更快處理時間。

習知之混合係經由主動的攪拌(例如，用馬達)，或是強制水與凝聚劑流過被動的盤旋通道，產生亂流以加速化學物質之紊流分散而減少接觸時間(CT)。因為接觸時間通常很短，通過通道的數秒鐘內之水力停留時間便可能充分有效的混合。習知之絮凝劑生成係發生於周動聚集(擴散驅動)很慢的大型盆中。直動聚集(剪切驅動)極快，尤其更大量的聚集，由於大型尺寸並無效率，因而必須設計對流之流動圖案。

其係一種用於水處理之系統與方法。入口可操作用以接收具有微粒之原水。螺旋混合器具有所界定的螺旋通道，可操作用以混合原水與凝聚劑物質和鹼性物質之控制良好的連續流線。螺旋混合器係配置用以執行凝聚劑與其他化學物質之線內極快速地混合，於螺旋混合器內之螺旋通道中，使成核的初步聚集物均勻地散佈原水中，且使此等初步聚集物之所引發控制的生長成為緊密與緻密的聚集物。緩衝槽可操作用以接收緊密的聚集物，且允許聚集物進一步生長而超過下列分離器之阻隔尺寸。螺旋分離器係 隔離緩衝槽之內容物而成為流出水與具有聚集的絮凝物微粒之廢水。出口係可操作用以提供用於流出水的第一路徑與用於具有聚集的絮凝物微粒之廢水的第二路徑。

現在將說明的實施形態係針對實行螺旋混合與螺旋分離程序之系統與方法。螺旋混合器係包括允許恰好在螺旋裝置之前而將控制良好的連續劑量之凝聚劑(與用於水處理之其他已知化學物質)加入原水流中的裝置。螺旋通道之相當窄的範限連同紊流狀態允許所添加的化學物質極快速分布，因而提供極為均一的初步聚集之成核環境。由於受限的通道空間內之(受控制的)高剪切速率，於通道內之此等初步聚集的進一步聚集被限制為緊密且緻密的聚集。然後此等均一尺寸聚集的絮凝物微粒能夠移動且容易被分離，並無下游沉積之必要。分離能夠以直流接觸螺旋混合器之螺旋分離器完成。緩衝槽能夠選擇性地置於螺旋混合器與螺旋分離器之間，允許聚集物超過螺旋分離器之阻隔尺寸，進一步生長。此緩衝槽中之生長能夠使用於2008年9月19日申請，名稱為”水處理程序中，用於以成熟的絮凝物之成核來加速聚集的方法與系統”之U.S.Serial No.12/234,373中所說明之外加大種粒進一步最佳化，在此併提其全文以供參考。概念實驗之證明顯示，此等實施形態中所說明之更有效的混合與分離允許減少50%凝聚劑之劑量而達成與需要延伸沉積之習知系統相同的濁度降低能力。

現在轉到第1圖，其顯示根據本實施形態之觀念，使用螺旋混合與螺旋分離之水處理系統100的流程圖。於一些實施形態中，泵係用以將水移送入系統100中。因此，於此等實施形態中，如此設計中之輸入原水102可理解地包括泵。

於例示性系統100中，水係從適當的入口接收輸入原水102，入口構造之一形式為篩網濾器104。須知，濾器篩網104係設計用以從輸入原水濾除相當大量的微粒。在這方面，濾器104可由2mm-5mm篩網材料形成。鹼係以鹼液的形式而連續線內地添加於經濾器篩網104過濾後的輸入原水中來調節整個過程之pH。任何適宜的鹼液皆可被使用。凝聚劑係於螺旋混合器108混合之前，被連續添加至已加過鹼之輸入水中。可使用任何適當的凝聚劑。鹼及凝聚劑二者係經由已知控制良好的劑量系統106添加，其中劑量系統106係注入界定良好的連續流而調節原水之量。

螺旋混合器108接收輸入之原水，以鹼與凝聚劑處理。顯示於第1圖之螺旋混合器係作為雙重目的使用。第一，提供迅速的混合功能，當原水撞擊螺旋混合器108之下螺旋通道牆時，所流入的原水係於入口處以一角度流入而造成亂流混合。第二，通道內之高剪切驅動流體流速係自定設計以達到一剪切速率，其增加緊密且緻密的絮凝物微粒於窄且均一尺寸之範圍內生長。一般而言，剪切速率越高，則聚集的絮凝物越小。設計規則係為了下游螺旋分 離器之高效率分離，以使絮凝物尺寸超過阻隔尺寸。螺旋混合器108具有連接於(選擇性的)緩衝槽110之輸出，其中於槽內之聚集物能夠進一步生長直到超過隨後分離階段之阻隔尺寸(例如，某些情形下，大約4分鐘)。

緩衝槽110之輸出係連接於具有流出輸出114之螺旋分離器112。流出輸出114係從輸入至螺旋混合器的原水至過濾機構116而直接流出分離。過濾機構116之輸出通常包括能以各種方式使用之處理水。例如，過濾機構116可能為一種用於適合飲用之水處理的EPA授權之物理阻隔。螺旋分離器112係具有廢水流通的第二輸出線118。廢水能夠以專有的方式處理。

螺旋分離器112能夠採取各種形式。然而，於至少一些形式中，螺旋分離器係如所揭示的方式操作：例如，U.S.Serial No.11/606,460，於2006年11月20日申請，名稱為”微粒分離與濃縮系統”；U.S.Serial No.11/936,729，於2007年11月7日申請，名稱為”用於中性浮力微粒分離之流體元件與方法”；及U.S.Serial No.11/936,753，於2007年11月7日申請，名稱為”用於水純化中之動力程序之元件與方法”。另外，螺旋混合器108也可以作為螺旋混合器-調節器操作，轉彎操作於或是超過關鍵的Dean號碼(於150或是更多)之通道中發生混合，操作低於關鍵的Dean號碼的轉彎之通道中發生聚集調節。

持續留意螺旋分離器112，各種流體結構、工具與所 選擇的製造技術被用以了解流體分離構造之結構為堆積與/或平行組態。此等預期的系統提供所進行的有效率之流體輸入、改良之產率、與某些變化中，輸出流體的可調節或有效率之處理。

須知，以尺寸尺度與通道結構為基礎，可實現此等元件之變化。然而，在此所說明的實施形態構思可於尺度上可大幅度跨微尺度(0~10mL/min)、小尺度(10~1000mL/min)與大尺度(1~10L/min)之單一通道流速。

利用便利的堆積技術的平面實施形態構思允許平行的操作。在這方面，圓弧(不完全充分的物理螺旋，但是於此處依然被視為螺旋分離器)以180~360。之範圍允許橫向流動圖案展開的連續階段，獲得流體流動中通過數個循環以將微粒掃除至所要求的位置之穩定狀態流動速度與時間。此處所說明其他平面實施形態也包括彈簧狀螺旋。

所構思此種裝置之值得注意的特點係包括便利的入口歧管與出口歧管，其係將流體分流成微粒和流出液流的分叉機制或分流器。所構思實施形態也允許可操作成輸出微粒之極度窄帶而用以進一步處理或處置的多階段裝置。因而，構思其他平行組態實施形態與製造技術。回饋與/或控制系統可藉目前所說明之實施例之任一者實施。

現在參照第2圖，說明單一平面的螺旋混合器裝置200。裝置200係具有一入口202、至少一曲線或螺旋部分204與出口206、208。流體進入螺旋混合器之入口角度係 90°，於入口產生充分的紊流而提供亂流混合來混合生的原水中之凝聚劑與懸浮的微粒。於一形式中，此平面的多螺旋通道裝置200可以從塑膠切割。如後所述，於裝置200之一變化例中，裝置200之中心區域接近入口202能夠被移除以允許接近入口聯結器。裝置之螺旋部分204可採取各種形式。例如，螺旋部分204能夠為收斂或發散。就又一例子而言，出口206、208與入口202之位置能夠互換以適合於應用，例如增加或減少離心力。平面的螺旋也能夠為以平行狀態堆積的複數個混合器裝置200，其允許用於更高的流體輸出之N-層平行加工。

須知，上述所參考的專利應用之所選出的部分已詳細揭示個別彎曲的或螺旋的混合器裝置-例如裝置200或其他所構思的裝置之基本操作(併提於此以供參考)。因此，除非如此之說明增進本專利說明書所說明的實施形態之描述，否則此處並說明此種操作。

現在參照第3A與3B圖，其顯示下游之螺旋分離器之實施形態。於第3A與3B圖中，螺旋分離裝置300係採取彈簧狀螺旋之形式。在這方面，元件304之螺旋主體部分係一種彈簧狀螺旋，其具有一入口306、第一出口308與第二出口310。須知，此單一通道彈簧狀螺旋構造係類似一種具有線圈的彈簧形狀之中空”slinky(彈力線圈)”型裝置。此裝置能夠以包括區段使用射出成形技術之各種方式製造。使用之前所使用的已知程序來將此等區段一併熔 融。另一種用於製造此裝置之程序包括擠壓模製技術，其中所擠壓的塑膠能夠被空氣冷卻或浸漬於液體浴中而固化成所需要的形狀和結構。並能夠藉由控制擠壓緊軸或冷卻浴之旋轉而完成彈簧狀螺旋線圈。能夠使用各種不同的材質，包括例如PVC與肖式”A”硬度、高密度之聚乙烯、聚丙烯與聚碳酸酯的熱塑性塑膠。

如第3B圖所示，例如顯示於第3A圖之螺旋裝置能夠被平行排列配置來增加系統之產率。如圖所示，螺旋分離裝置300全部從液體歧管連接於輸入主要部分320，且裝置300之個別第一出口係連接於第一輸出主要部分322。裝置300之第二出口係連接於第二輸出主要部分324。

在這方面，本發明所說明的實施形態係利用一螺旋分離器，其係使用螺旋裝置之彎曲通道來將離心力導入施加例如中性浮力微粒(例如，微粒實質上係具有相同於水之密度，或是流體中之微粒殘存物)之微粒而流入例如水之流體中，容易從流體改善如此微粒之分離。該用於分離中性浮力微粒之技術特別有用。然而，亦構思其他分離技術。例如，某些此等技術係以例如通道之幾何與速度為函數，利用彎曲通道內之流體流動中所產生的力量來分離微粒。此等力量特別是包括離心力與壓力驅動力。

於中性浮力微粒之情形下，例如微粒流過通道，管的捏縮效應將造成流入管帶。所導入的離心力將擾亂管帶(例如，迫使管帶有些偏離通道之中心而流動)，造成帶不對 稱的慣性移向通道之內壁。該力量平衡係允許懸浮微粒之集中與緻密成為萃取之窄帶。在內壁附近，在此所構思之分離原則實現離心與流力之平衡而達到不對稱之慣性平衡。由於壁摩擦係用以附著撞擊流動之康達(Coanda)效應，入口流流向內壁之射入角撞擊也允許更早的帶生成。以所選擇的操作體系作為基礎，移動也朝向外壁。

轉到第4圖，其顯示用於線內絮凝物產生與分離之另一種螺旋混合-螺旋分離系統。參考系統400，輸入原水402係藉由泵403而經由篩網404之例如入口所灌入。然後，原水402係具有一流控制良好之連續劑量系統，其於供應至螺旋混合器408之前，用於鹼性物質與凝聚劑流被添加至原水402中。於此實施形態中，螺旋混合器408係一種具有複數個堆積的螺旋混合器成分(例如，第1圖之螺旋混合器108)而操作呈平行排列的螺旋混合器。此種螺旋混合排列將增加混合產率，因而增加整個系統之產率。類似於第1圖之觀念，系統400之設計與操作，於原水進入螺旋混合器408之前，便將凝聚劑添加於原水中，允許於螺旋混合器408中發生線內凝聚與絮凝。為了增進均一尺寸的絮凝物微粒之產生，螺旋混合器408之每個螺旋混合器成分係設計對原水提供迅速的混合功能，且應用自定之剪切速率以確認均一尺寸的絮凝物之快速聚集，其中剪切速率能夠改變以控制聚集物之尺寸。改變剪切速率能夠藉由螺旋混合器之自定設計而達成。

所混合的原水係從螺旋混合器408而供應至緩衝槽 410。然後，藉由使用閥411而使原水可控制地流至位於緩衝槽410高度H以下之螺旋分離器412。此重力驅動之流動允許不使用泵灌入之操作。於螺旋分離器412中，原水被分離與收集成流出水流與廢液流，流出水流414進一步藉由過濾排列416而過濾，且廢液流418經適當的處理。

混凝試驗係一種標準的方法，其係用於水工業以決定用於原水淨化之化學劑量。典型的試驗體積係2升，以所決定出的劑量，依比例放大而用於操作的流動速率。用於標準混凝試驗之規範包括：-2分鐘快速混合；-將2.3ml之1N NaOH(作為鹼)與110mg/L之1%的鋁(作為凝聚劑)添加至具有26濁度測定單位(NTU)之起始濁度的原水中；-28分鐘緩慢混合；及-於30分鐘停止攪拌，並允許絮凝物沉澱。

一種測試本專利說明書所揭示的實施形態之改良式混凝試驗規範，其包括收集於罐內之前的液體流過螺旋混合器之通道所執行的規範：2分鐘快速混合；-將2.3ml之1N NaOH(作為鹼)與110mg/L之1%的鋁(作為凝聚劑)添加至具有26NTU之起始濁度的原水中；-28分鐘緩慢混合；及-於30分鐘停止攪拌，並允許絮凝物沉澱。

第5圖係闡述將螺旋混合與螺旋分離系統相對於結合的混凝試驗之濁度降低結果繪製的比較圖形500。第5圖中之曲線502係用於標準混凝試驗之情形，於規範完成之30分鐘結束後，立即開始沉澱。聚集的絮凝物沉澱歷時過久而允許濁度降低。第5圖中之曲線504係試樣水流過螺旋混合器與螺旋分離器且被收集於輸出罐內，其濁度再被監視到歷時過久之情形。與標準混凝試驗曲線作一比較，數個觀察很明顯：(1)由於在螺旋混合器之快速流動的通道中之流體剪切的尺寸限制效應，濁度最初的增加較低；(2)120分鐘之後，最後的濁度進一步降低，其係指更有效率的混合與更完全的凝聚與沉澱。第5圖中之第三條曲線506係以減少50%之劑量，或是凝聚劑55mg/L之情形。除了濁度增加更為低的理由係如上所引用的理由之外，於120分鐘之濁度係與標準混凝試驗之全部劑量完全相同。此觀察暗示螺旋混合器不僅達到更有效率的混合，且液體剪切也限制絮凝物生成之速率與尺寸而導致均一尺寸的緊密絮凝物將更有效的聚集。

得知小(次微米)的微粒擴散驅動(周動)聚集優於直動聚集(剪切驅動)。就動力之周動形式而言，聚集物(或微粒)之間的碰撞頻率係依照二個擴散微粒所決定出的相對速率而定。

直動聚集之速率係隨著微粒尺寸之增大而增加，且就超過周動聚集速率1/s之典型的剪切速率而言，微粒超過 1μm。

在大的微粒(>1μm)物種與小的微粒(<1μm)物種相混合之情形下，吾人觀察到二個競爭的聚集動力。在周動聚集速率，小的微粒將一起生長。同時，在直動聚集速率，較大的微粒將”掃除”較小的微粒。

本專利說明書所揭示的實施形態至少產生下列之觀點：

＊為了均一尺寸聚集，所自定設計的剪切速率。

＊為了流速，可自定的流體設計。

＊經由通道之垂直堆積的產率。

＊為了流速之可自定的流體設計。

＊通道可以為收斂(向內)的螺旋或發散(向外)的螺旋。

＊通道寬度使擴散時間最小化以減少接觸時間(CT)。螺旋混合器之螺旋通道的寬度減少擴散時間，以致於停留時間之內，經由螺旋混合器裝置而使水中之化學物質徹底混合。

＊線內聚集、絮凝與分離之水處理系統並無絮凝與沉澱盆，且大幅減少程序時間。

100‧‧‧水處理系統

102‧‧‧輸入原水

104‧‧‧2mm-5mm篩網

106‧‧‧加凝聚劑、加鹼

108‧‧‧螺旋混合器

110‧‧‧緩衝槽

112‧‧‧螺旋分離器

114‧‧‧流出輸出

116‧‧‧過濾機構

118‧‧‧第二輸出線

200‧‧‧螺旋混合器裝置

202‧‧‧入口

204‧‧‧曲線或螺旋部分

206‧‧‧出口

208‧‧‧出口

300‧‧‧螺旋分離元件

304‧‧‧元件

306‧‧‧入口

308‧‧‧第一出口

310‧‧‧第二出口

320‧‧‧輸入主要部分

322‧‧‧第一輸出主要部分

324‧‧‧第二輸出主要部分

400‧‧‧系統

402‧‧‧輸入原水

403‧‧‧泵

404‧‧‧2mm-5mm篩網

408‧‧‧螺旋混合器

410‧‧‧緩衝槽

411‧‧‧閥

412‧‧‧螺旋分離器

414‧‧‧流出水流

416‧‧‧過濾排列

418‧‧‧廢液流

500‧‧‧圖

502‧‧‧曲線

第1圖係按照本發明所揭示的實施形態之系統的代表視圖。

第2圖係作為螺旋混合器所使用的裝置之實施形態。

第3A與3B圖係以彈簧狀螺旋形式揭示單一螺旋裝置，與以如此複數個裝置平行排列放置的彈簧狀螺旋。

第4圖係按照本發明之實施形態而揭示螺旋混合與螺旋分離系統之另一實施形態。

第5圖係說明反應成濁度降低之具有三條曲線的圖形。

100‧‧‧水處理系統

102‧‧‧輸入原水

104‧‧‧2mm-5mm篩網

106‧‧‧加凝聚劑、加鹼

108‧‧‧螺旋混合器

110‧‧‧緩衝槽

112‧‧‧螺旋分離器

114‧‧‧流出輸出

116‧‧‧過濾機構

118‧‧‧第二輸出線

Claims (5)

1. 一種用於水處理之系統，該系統係包括：一入口，可操作用以接收內有微粒之原水；一控制良好之連續劑量系統，用於添加引發微粒生長所需要的鹼及凝聚劑至該原水；一螺旋混合器，具有所界定的螺旋通道，且可操作用以接收添加有該鹼及該凝聚劑之該原水，並於該螺旋通道內執行線內凝聚與絮凝處理而生成聚集的絮凝物微粒；一緩衝槽，可操作用以從該螺旋混合器接收該聚集的絮凝物微粒；一螺旋分離器，可操作用以分離該緩衝槽之內容物而成為流出水與內有該聚集的絮凝物微粒之廢水；及一出口，可操作用以提供用於該流出水的第一路徑與用於具有該聚集的絮凝物微粒之廢水的第二路徑，該螺旋混合器之於該原水內所添加的該凝聚劑及該鹼之最大擴散長係該螺旋混合器的該螺旋狀通道的寬度的程度。
2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該螺旋混合器係構造成提供迅速混合，且構造成該原水會以90°的角度撞擊該螺旋通道的壁而造成亂流混合。
3. 如申請專利範圍第1或2項之系統，其中該緩衝槽係構造成接收來自該螺旋混合器的該聚集的絮凝物微粒，且 具有用於使絮凝物微粒進一步生長的4分鐘的停留時間。
4. 如申請專利範圍第1或2項之系統，其中該螺旋分離器係被設置於比該緩衝槽更低的位置，在該緩衝槽處理的該內容物係藉由重力驅動之流動而被供給至該螺旋分離器。
5. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該螺旋分離器係被設置於比該緩衝槽更低的位置，在該緩衝槽處理的該內容物係藉由重力驅動之流動而被供給至該螺旋分離器。