申请日2000.05.22
公开(公告)日2000.12.06
IPC分类号C02F1/72; C02F1/24; C02F1/463
摘要
用于从含有污染物的水源中分离污染物的方法和装置。该方法包括使用溶于水系统中的高能氧化剂。气体在贮水器内溶于水溶液中,并且贮水器内的压力是可控制的。这使得溶解的氧化气体与污染物最大接触。一旦被氧化,贮水器的出口就被调节以形成液压空化,诱导形成泡沫,而泡沫把絮凝物从水溶液转移到分离相中。也可在该操作中加上电凝法。这包括使用置于含有氧化剂的贮水器内的电絮凝池。通过提供电极并使电极暴露于水流,水溶液中的污染物既可以被氧化,也可以被降解,并通过溶解的气态氧化剂补充了氧化作用。
摘要附图
权利要求书
1.从水溶液中分离污染物的连续方法，所述方法包括下述步骤：
提供含有污染物的水溶液;
提供具有入口和出口的封闭贮水器，其中入口所处的位置比出口 高;
将该水溶液置于所述贮水器中;
把氧化剂夹带入该水溶液中;
在所述贮水器中保持超大气压，以使氧化剂气泡最小，由此使得 与所述水溶液中污染物反应的该氧化剂气泡有效表面积最大;
氧化所述污染物;和
选择性地诱导贮水器外压力间断，以将被氧化的污染物从该水溶 液中絮凝到分离相内。
2.权利要求1的方法，其中还包括根据所述贮水器外压力调节所述超 大气压的步骤。
3.权利要求1的方法，其中夹带的氧化剂和所述水溶液在贮水器内逆 向流动。
4.权利要求1的方法，其中还包括在所述贮水器中提供压力释放以释 放未溶解气态氧化剂的步骤。
5.权利要求1的方法，其中还包括控制所述水溶液和氧化剂在所述贮 水器中停留时间的步骤。
6.权利要求1的方法，其中所述压力间断是通过将被氧化的水溶液流 过孔板来诱导的。
7.权利要求6的方法，其中在流过所述孔板的水溶液中形成羟基/基 团。
8.权利要求1的方法，其中还包括从所述水溶液中分离絮凝相的步 骤。
9.权利要求1的方法，其中还包括把电絮凝池置于所述贮水器中以在 所述水溶液中电凝所述污染物的步骤。
10.权利要求9的方法，其中还包括在所述贮水器中提供多个空间分隔 的电极以与所述水溶液接触的步骤。
11.权利要求9的方法，其中还包括在所述贮水器中提供颗粒状导电 材料并对所述材料施加电流以使所述电絮凝池发生电凝的步骤。
12.权利要求9的方法，其中还包括诱导湍流以流过所述电絮凝池的步 骤。
13.权利要求1的方法，其中还包括将所述水溶液在所述贮水器中处 理之前进行预处理的步骤。
14.权利要求13的方法，其中所述预处理步骤包括将悬浮固体从所述 溶液中除去。
15.从水溶液中分离污染物的连续方法，所述方法包括下述步骤：
提供含有污染物的水溶液;
提供具有入口和出口的封闭贮水器，其中入口所处的位置比出口 高;
将电絮凝池安置在贮水器中以给所述水溶液提供电场;
将该水溶液导入所述贮水器中;
把氧化剂夹带入该水溶液中;
在所述贮水器中保持超大气压，以使氧化剂气泡最小，由此使得 与水溶液中污染物反应的该氧化剂气泡有效表面积最大;
氧化所述污染物和氧化剂，并通过暴露于所述电场来絮凝污染 物;和
选择性地诱导该贮水器外压力间断，以将剩余的所有被氧化的污 染物从所述水溶液中絮凝到分离相内。
16.权利要求15的方法，其中还包括把所述水溶液预处理以将不溶物 从该水溶液中除去的步骤。
17.权利要求15的方法，其中还包括在夹带的氧化剂和所述水溶液之 间诱导逆向流动的步骤。
18.权利要求15的方法，其中还包括在所述贮水器以诱导湍流以增强 所述电絮凝池、氧化剂以及水溶液间的接触的步骤。
19.权利要求15的方法，其中还包括在所述贮水器内将所述电絮凝池 旋转的步骤。
20.权利要求15的方法，其中所述电絮凝池包括多个空间分隔的电 极，每一电极彼此都绝缘。
21.权利要求15的方法，其中所述电絮凝池包括多个可移动电极以增 强电极与所述氧化剂和水溶液的接触。
22.从水溶液中分离污染物的方法，所述方法包括下述步骤：
a.提供含有污染物的水溶液;
b.在将氧化剂保持在溶液中的可调节超大气压下，用氧化剂氧化 该水溶液;
c.将水溶液暴露于电絮凝池以电凝污染物;和
d.选择性地诱导压力间断以将凝结和被氧化的污染物从水溶液 中絮凝到分离相内。
23.权利要求22的方法，其中步骤c包括提供多个电絮凝池，被处理 水从其中一个所述电絮凝池作为进料流被被引入到相邻电絮凝池。
24.权利要求22的方法，其中电絮凝池包括多个空间分隔的板电极、 不连续颗粒状电极或它们的组合中至少之一。
25.权利要求1的方法，其中还包括提供以下述方式排列的多个贮水 器的步骤：一个所述贮水器的出口与相邻贮水器的入口通过阀门连 接，可调节所述阀门以逆流到所连贮水器中。
26.权利要求15的方法，其中还包括提供以下述方式排列的多个贮水 器的步骤：一个所述贮水器的出口与相邻贮水器的入口通过阀门连 接，可调节所述阀门以逆流到所连贮水器中。
27.权利要求22的方法，其中还包括提供以下述方式排列的多个贮水 器的步骤：一个所述贮水器的出口与相邻贮水器的入口通过阀门连 接，可调节所述阀门以逆流到所连贮水器中。
28.用于从水溶液中分离污染物的装置，所述装置包括：
含有污染物的水源;
具有入口和出口的封闭耐压贮水器，其中入口处于比出口高的位 置，入口与水源连在一起;
在压力下将氧化剂引入所述贮水器中的手段;
置于该贮水器内用于电凝水源中物质的电絮凝池;
向电絮凝池中提供电流的手段;和
用于选择性地在被处理水溶液中诱导流体动力空化作用以把被氧 化的污染物从水溶液中絮凝到分离相内的手段。
29.权利要求28的装置，其中所述贮水器包括至少一个耐压容器。
30.权利要求28的装置，其中所述贮水器包括地下接地构造。
31.权利要求28的装置，其中所述电絮凝池包括多个空间分隔的电 极。
32.权利要求31的装置，其中所述多个空间分隔的电极是共轴排列。
33.权利要求31的装置，其中所述电极包括由导电材料制成的各个 板。
34.权利要求33的装置，其中所述板是固体。
35.权利要求33的装置，其中所述各个板包括可渗透壳，在该壳中放 置有颗粒状或密封的导电材料。
36.权利要求31的装置，其中所述电絮凝池在贮水器中和空间分隔的 电极间包含分离的导电材料的珠子或颗粒。
37.权利要求33的装置，其中所述板包含由于在所述贮水器内诱导水 溶液湍流的手段。
38.权利要求36的装置，其中所述贮水器包含用于使所述珠子或颗粒 在所述电絮凝池中运动的器具。
39.权利要求28的装置，其中所述装置包含多个贮水器，每一贮水器 包含具有所述电极的电絮凝池，其中所述每一贮水器包含多个固体板 电极、在所述贮水器中的电极间含有导电材料珠子或颗粒的可渗透电 极、或它们的组合中的至少一种。
40.权利要求28的装置，其中所述贮水器包含用于释放该贮水器内的 过量压力的过压力释放手段。
41.权利要求28的装置，其中所述装置包括可由贮水器中和用于把所 述氧化剂引入贮水器以将氧化剂释放到所述贮水器内的器具中的水溶 液水平操作的液体传感器手段。
42.权利要求28的装置，其中用于有选择地诱导流体动力空化的手段 包含用于在所述贮水器出口调节出口压力的可变孔阀。
43.权利要求34的装置，其中所述板包含有分隔关系的开孔。
44.权利要求43的装置，其中所述开孔诱导所述水溶液的湍流。
45.权利要求44的装置，其中所述开孔将在该开孔内产生的电场局部 集中。
46.权利要求28的装置，其中所述装置包括多个以交替反向关系排列 的耐压容器，其中一个容器的出口与相邻容器的入口相连。
47.权利要求46的装置，其中所述相连的容器包含置于它们之间用
于选择性操作以使贮水器内容物逆流的阀门。
说明书
废水处理方法和装置
本发明涉及废水处理方法和装置，更具体来说，本发明涉及用传 质技术和电凝法从水溶液中分离出污染物的方法。
从水系统中分离出或除去污染物的难题已经成为困扰本领域多年 的复杂问题。到目前为止，因为工业发展所带来的水污染正日趋严重， 本领域正同其它工业方法一起发展。起初，水处理仅是简单地通过加 入适于引起一些物质沉淀的材料、过滤、离子交换和其它方法来进行 的。随着对干净水严格要求的不断提高，人们采用了电化学方法。概 括来说，人们发现置于电解槽并通以电流的电极可用于处理含有污染 物的溶液。在某些情况下，为了除去惰性化合物，将其它单元操作与 该处理过程联合进行。
其中一篇本发明选作参考的文献是公开于1914年5月5日的 Landreth的第1095893号美国专利。该专利涉及电化学处理，并且在 该专利中，专利权人认为，这种电解槽能用于处理水。正如该公开文 件所指出的那样，紫铜电极、铝电极、黄铜电极、或其它合金电极被 用作电解槽电解板物料。此外，该公开文件讨论了下述事实，即沉降 槽可用于帮助物质沉降(絮凝)。该公开文件的第2栏表明，电极系 列被排列在一起，以使水通过该装置，并“经历迂回过程，由此任何 加到其中或其中含有的物质可充分混合，并且液体中的所有颗粒都能 与电极接触”。在该公开文件的第2栏中还指出，电极呈水平放置的 电解板形式，并且该电解板还具有在中心排列的小孔，同时其它电解 板的交替系列板凹进它们的末端。该公开文件的第3栏指出：“如附 图8和9中所清楚图解说明的，为了在电解板14间提供液体的适当通 道和循环以及液体在装置中的运动，提供了在14A指示的具有小孔的 另一电解板，而如14B所示，中间电解板具有缺口或凹进的剖面转角。 通过该方法，进行处理的液体以其流速转移并与各自电解板的整个表 面接触，以确保所需的电处理。”
虽然该公开文件可用于对水的电化学处理方法提供指导，但是它 没有提及加入氧化物质例如臭氧。此外，该专利的教导是限制在电化 学;该公开文件对于溶解空气浮选法、流体水动力学、空化、絮凝、 或其它能增加该专利所述电化学槽实用价值的流体动力原则没有提供 任何详细描述。
在公开于1915年7月20日、Landreth的第1146942号美国专利 中，提供了在前述专利中已经讨论过的问题的改变。该参考文献清楚 地指出，电极具有不同极性，并且可使用合适的电极改变开关(其实 例如图中26所示)来变换电流以使一组电解板在一定时间内作为阴 极、而另一组电解板在该期间内作为阳极。该公开文件通过提供极性 排列以改变装置内各电解槽的极性而使现有技术得到了发展。象上一 篇公开文件一样，该公开文件在使用溶解气体的逆流氧化方面也有不 足。此外，据信该装置在处理多种污染物(有机物、无机物、或它们 的混合物等)方面效果不是特别好。
在公开于1915年3月9日、Landreth的第1131067号美国专利中， 专利权人又论述了通过装置来进一步处理以提供再处理的液体，以及 氧化处理，或通过金属电极或简单的化学反应来生成絮凝物的处理， 或者通过电流刺激来形成絮凝物的处理;或其它处理。在开始于第25 列的第2栏，该公开文件讨论了物质的再循环以在装置中进一步处理。
公开于1973年4月17日、Preis等人的第3728245号美国专利公 开了用于处理污水的装置，该装置包括用于电凝的一系列电解板。该 专利权人认为，需要在回路中保持压力，这样可使氯和臭氧保留在溶 液中以增强杀菌作用。该公开文件通过采用氧化剂增强电凝而发展了 由Landreth等人建立起来的现有技术。虽然该公开文件对现有技术提 供了进一步指导，但是对于在处理的含水材料的出口流中，通过不连 续压力来空化或形成絮凝物方面没有提供任何讨论。
其它通常相关的文献包括公开于1909年3月2日、Korten等人的 第913827号美国专利;公开于1970年8月11日、Mehl等人的第 3523891号美国专利;第5928493、5705050、5746904和5549812、 3846300、5587057以及5611907号美国专利。
电解法通常有用的，然而，设计的电解槽使得电极经常出现碎屑， 因此将改变电解槽电流的要求。此外，现有装置中的许多电解板相当 大，并且对于增大表面积以由此增加与水中被处理污染物的反应的数 量，不能提供任何改善。当然，这导致较低程度的相互作用，并且从 由于碎屑集结而导致的电流要求的角度来考虑，还导致运转电解槽所 需的较高成本。
已经有人提出采用溶解空气浮选系统。其中一种装置是由 Precision Environmental Systems Company制造的。该公司制造了用于 在同一单元内浮选和凝聚的装置。该装置对于其设计目的非常适用， 然而，该装置具有非常大的足迹，并且不能在同一单元内提供不同化 学过程。
对于水处理，现有技术中更可取的装置可能是采用溶解气体，因 为氧化效果已中度成功。在已知的现有技术中，通常氧化槽一般是通 大气，其中是使溶于溶液的气体可从溶液中析出。现有技术中的装置 提供了弯曲的通道或其它应用力以使溶液尽可能长时间地冒气泡。该 装置的优点是提供了氧化物质的反应位点(气泡的表面)，因此可将 污染物氧化。一旦气体物质冒出表面，污染物就絮凝，然后絮凝物被 分离出去。换气是广为所知的，并且在现有技术中已经设计了多种装 置以维持溶液冒气泡，因此就增强了气泡表面与想要氧化或净化的物 质作用的程度。
如果有在足以使气体维持在溶液中的压力下将气态氧化剂引入贮 水器或其它贮水室或限制区域的方法，则该方法是可取的。这使得能 在溶液中提供最小气泡以氧化溶液中存在的污染物。如果有可将溶解 的氧化气体保持在溶液中以提供最小可能气泡，并由此提供用于与欲 分离的污染物反应的最大可能表面积，以及能控制气泡大小的系统， 则该系统特别可取。
本发明的目的是提供用于从水溶液中分离污染物的传质装置和先 进的氧化技术，其中是将氧化剂保持在溶液中，直至需要将压力降低 并使氧化剂冒出溶液为止。
本发明一个实施方案的一个目的是提供从水溶液中分离污染物的 改进方法。其中采用了逆流传质装置。
本发明一个实施方案的另一目的是，提供从水溶液中分离污染物 的连续方法，所述方法包括下述步骤：
提供含有污染物的水溶液;
提供具有入口和出口的封闭贮水器，其中入口所处的位置比出口 高;
将该水溶液置于贮水器中;
把氧化剂夹带入该水溶液中;
在贮水器中保持超大气压，以使氧化剂气泡最小，由此使得与水 溶液中污染物反应的氧化剂气泡有效表面积最大;
氧化污染物;和
有选择地诱导贮水器外压力间断，以将被氧化的污染物从水溶液 中絮凝到分离相内。
对于可用于本发明的氧化剂，臭氧是其中一种优选的氧化剂，然 而，应当很容易理解，也可以使用其它适当氧化剂例如氯、溴、过氧 化氢、特别是合适的硝基化合物。
已经发现，通过有效地提供反转或逆转换气系统，可将污染物有 效地氧化。贮水器可以是孤立室，具有封闭末端的管子，或者可包含 用于在地下处理水溶液污染物的接地构造。在本申请方法中，入口处 于比出口高的位置。如此，进来的夹带气态氧化剂向下通过溶液，并 因此以逆流方式与被处理的水溶液作用。通过在室、贮水器、容器等 当中保持超大气压，可将气态氧化剂保持在溶液中并以非常细小的气 泡存在。这产生了显著效果，因为较小气泡能显著改善与污染物接触 并将其氧化的表面积。这是通过控制进入贮水器的压力以及在贮水器 出口的压力来实现的。如此，压力可有效地调节，并且可由使用者制 定。这与下述现有技术形成了鲜明对比：即有效地提供开放式容器， 并因此使压力与大气压相等，并简单地提供使气体通过的旋绕或弯曲 的通道。该现有技术的观点是，提供弯曲通道以试图使气泡保持在溶 液中，并由此与欲处理物质至少部分接触。该现有技术是有效的换气 技术，其中将气体通过溶液是出于氧化目的。
本申请与现有技术的区别很显著，并且使现有技术有很大进步。 已经发现，通过在限制室内保持压力，可在使用者选择的期间内将气 态氧化剂保持在溶液内，这与现有技术提出的方法不同。本申请使得 能在贮水器内控制氧化剂的气泡大小，因此便于使氧化剂气泡与水溶 液逆流接触，并且使得使用者能够以例如流体动力空化方式选择压力 间断来诱导絮凝物形成。无论什么现有技术都没有提出在该水平上的 控制;现有技术有效地使用了与也导致形成大量絮凝物和纯净水溶液 的控制法完全不同的“尝试”换气法。
总的来说，本发明将包括溶解空气浮选、流体动力空化作用、流 体动力学、传质和电凝在内的一系列技术成为一体。将这些技术结合 在一起提供了有效的污染物分离法，该方法能不加区别地分离污染 物。这是现有技术不可能具有的特征;在大多数情况下，现有技术提 供的是对欲处理系统中存在的物质敏感的方法。通过提供贮水器物料 入口相对于出口的压力控制，可将最大量的气态氧化剂保留在溶液 中，因此就能在溶液中以最长可能时间、最大可能密度提供最小可能 气泡。这些技术特征与电凝原理一起促成了本申请提供的技术方案的 成功。
为了增强上述传质方法的效果，已经发现，将传质技术与电凝一 起采用可获得超好效果，并能显著减少现有技术中的局限和问题。实 际上，作为本发明一个实施方案的另一目的，可以将用气态氧化剂系 统提供的控制与电凝法的优点结合成一体。因此，本发明一个实施方 案的另一目的是，提供从水溶液中分离污染物的连续方法，所述方法 包括下述步骤：
提供含有污染物的水溶液;
提供具有入口和出口的封闭贮水器，其中入口所处的位置比出口 高;
将电絮凝池安置在贮水器中以给水溶液提供电场;
将该水溶液置于贮水器中;
把氧化剂夹带入该水溶液中;
在贮水器中保持超大气压，以使氧化剂气泡最小，由此使得与水 溶液中污染物反应的氧化剂气泡有效表面积最大;
氧化污染物和氧化剂，并通过暴露于电场来絮凝污染物;和
有选择地诱导贮水器外压力间断，以将剩余的所有被氧化的污染 物从水溶液中絮凝到分离相内。
本发明一个实施方案的另一目的是，通过从水溶液中分离污染物 的方法，所述方法包括下述步骤：
a.提供含有污染物的水溶液;
b.在将氧化剂保持在溶液中的可调节超大气压下，用氧化剂氧化 水溶液;
c.将水溶液暴露于电絮凝池以电凝污染物;和
d.有选择地诱导压力间断以将凝结和被氧化的污染物从水溶液 中絮凝到分离相内。
特别价值是，所述水溶液可含有机、无机废物或它们的混合物。
本发明另一目的是提供用于从水溶液中分离污染物的装置，所述 装置包括：
含有污染物的水源;
具有入口和出口的封闭耐压贮水器，其中入口处于比出口高的位 置，入口与水源连在一起;
在压力下将氧化剂引入贮水器中的手段;
置于贮水器内用于电凝水源中物质的电絮凝池;
向电絮凝池中提供电流的手段;和
用于有选择地在被处理水溶液中诱导流体动力空化作用以将被氧 化的污染物从水溶液中絮凝到分离相内的手段。