申请日2012.08.15
公开(公告)日2014.05.28
IPC分类号C02F1/34; B01F5/06
摘要
本发明涉及一种水处理设备，该水处理设备包括水磨机和抽吸装置，其中水磨机具有转子和定子，该转子和定子的直径在流动方向上朝向出口方向逐渐扩大并且该转子和定子构成了环状间隙。此外，本发明还涉及用来处理和净化海水、优选船上的压舱水的方法。通过转子和定子的特殊啮合、环状间隙的几何形状和抽吸装置能够在能量消耗低和设备费用低的情况下有效地进行水处理。对此一方面通过在转子和定子的区域中进行机械研磨或刮和分离方法以及另一方面通过在出口处环状间隙上的空穴作用杀死有机生物。
权利要求书
1.一种水处理设备(1)，所述水处理设备包括水磨机(2)和 抽吸装置(3)，其中所述水磨机(2)具有转子(4)和定子(5)， 所述转子和定子的直径d在流动方向上朝向出口方向逐渐扩大并且 所述转子(4)和所述定子(5)构成了环状间隙(8)，其特征在于，
-啮合深度和所述环状间隙(8)在水流方向上朝向出口(9) 逐渐变小，
-所述转子(4)和所述定子(5)在表面(6、7)上分别具有 交叉啮合齿，所述交叉啮合齿在转子(4)和定子(5)上彼此相反地 设置或者在所述表面(6、7)上具有杂乱的图型，以及
-所述定子(5)在出口的区域中具有扩散环(10)而不是交 叉啮合齿或杂乱的图型。
2.根据权利要求1所述的水处理设备(1)，其特征在于，所 述扩散环(10)具有在所述表面(7)上的、杂乱的压印图型，优选 具有所述表面(7)上的、逐点的凸起部。
3.根据权利要求1或2所述的水处理设备(1)，其特征在于， 所述水磨机(2)在所述环状间隙(8)的后面具有导流器边缘(11)。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的水处理设备(1)， 其特征在于，所述环状间隙(8)在出口(9)处具有2μm至20μm 的宽度，优选具有2μm至10μm的宽度。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的水处理设备(1)， 其特征在于，借助于至少一个固定装置将所述定子(5)固定在底座 上，其中所述定子(5)能够径向移动地固定在所述底座上。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的水处理设备(1)， 其特征在于，所述抽吸装置(3)是外部的抽吸装置或内部的抽吸装 置或者是两者的结合体，优选仅仅是内部的抽吸装置。
7.根据权利要求6所述的水处理设备(1)，其特征在于，内 部的抽吸装置由入口处的叶轮(12)和/或出口(9)处的排放叶片(13) 构成，其中所述排放叶片(13)在引导盘(14)的圆周上延伸。
8.根据前述权利要求中的任意一项所述的水处理设备(1)， 其特征在于，所述转子(4)上的啮合深度在水流方向上朝向出口(9) 逐渐变小直至为零和/或所述定子(5)上的啮合深度在水流方向上朝 向所述扩散环逐渐变小直至为零。
9.根据前述权利要求中的任意一项所述的水处理设备(1)， 其特征在于，所述转子(4)具有驱动轴(16)并且经由驱动机、优 选电动机(15)进行驱动。
10.一种用于水处理的方法，所述方法至少包括下面的步骤：
a.使水进入到储备容器中，
b.通过形成压力将水抽吸至以物理机械方式工作的初滤装 置，
c.在初滤装置中以物理机械方式对水进行初滤，
d.在根据权利要求1至9中任意一项所述的水处理设备中处 理水，其中杀死水中的微生物，以及
e.将水输送到下一个储备容器中。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在另一个步骤 f中，在输送(步骤e)到储水器之前以物理方法、化学方法和/或生 物方法对水进行后处理。
12.根据权利要求10或11中任意一项所述的方法，其特征在 于，处理海水，优选处理压舱水。
13.根据权利要求10、11或12中任意一项所述的方法，其特 征在于，在步骤a中将水输送到海底阀箱中并且在步骤e中将水输送 到压舱水箱中或者在步骤a中将水输送到压舱水箱中并且在步骤e 中将水输送到海底阀箱中。
14.根据权利要求10至13中任意一项所述的方法，其特征在 于，以物理机械方式工作的初滤装置是过滤器、过滤装置或水力旋流 器。
说明书
用于杀死有机生物的水处理设备以及处理海水的方法
技术领域
本发明涉及一种水处理设备，该水处理设备包括水磨机和抽吸 装置，其中水磨机具有转子和定子，该转子和定子的直径在流动方向 上朝向出口方向逐渐扩大并且该转子和定子构成了环状间隙。此外， 本发明还涉及用来处理和净化海水、优选船上的压舱水的方法。
背景技术
已知有多种方法用于水处理。通常以机械方法，例如通过过滤 或超声波的方法、以化学方法，例如借助氯或氧气或者以生物方法进 行水处理。然而化学方法具有这样的缺陷，即必须加入额外的物质， 该物质其本身有一部分又会损害环境，而许多的机械方法具有高的设 备费用以及高的能量消耗。因此这些方法通常成本相当高并且仅能够 用在占地面积和能量需求不太重要的领域。
Jyoti和Pandit阐述了一系列采用机械方式进行水处理的方 法，在这些水处理的方法中通过空穴作用进行消毒(作者K.K.Jyoti, A.B.Pandit,Biochemical Engineering Journal生物化学工程期刊， 第7卷，2001年，第201-212页)。对此能够通过空穴作用在没有 加入额外的化学剂的情况下进行有效的杀菌。然而只有在例如 69-689bar的高压情况下才能获得满意的效果，这样会伴随有相应的 设备费用以及高的能量消耗。
除了例如在污水处理装置或者工业中进行的水处理以外，对于 海水、特别是压舱水的水处理也具有这个问题。有机生物随压舱水一 起被收入。当排放压舱水时，这些有机生物又排放到水域中。由于现 在的国际航运分支非常广泛，因此会将外来的有机生物大量地引入到 水域中。为了在吸收和排放压舱水时调整水交换，在这个过程中使压 舱水取得一致性。相应地，在压舱水再次排放到水域中之前，必须在 船上处理压舱水，从而避免引入外来生物。
由EP1975130A2已知一种用于给压舱水杀菌的方法。对此， 通过具有转子和定子的均化器运输压舱水。通过其中所产生的剪切力 以及空穴作用杀死压舱水中所包含的微生物。然而通过均化器产生了 压力损失，以至于根据所施加的压力不再能够保持对于充分进行空穴 作用所需的流速。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种水处理设备，该设备没有上述 缺陷，特别是即使在水压低时也具有足够的流速，从而能够有效地杀 死生物和有机生物，特别是微生物，并且不需要对此投入高能量或者 使用部分地损害环境的额外物质。
根据本发明这样实现了该目的，即使水处理设备包括水磨机和 抽吸装置，其中水磨机具有转子和定子，它们的直径d在水流方向上 朝向出口方向逐渐扩大，并且转子和定子构成环状间隙，其特征在于， 啮合深度和环状间隙在水流方向上朝向出口逐渐减小，该环状间隙在 出口处优选具有2μm至20μm的宽度，转子和定子在表面上分别具 有交叉啮合齿，该交叉啮合齿在转子和定子上彼此相反地设置，定子 在出口的区域中具有扩散环而不是交叉啮合齿。
此外还通过水处理的方法实现了该目的，该方法至少包括下面 的步骤：
a.使水进入到储备容器中，
b.通过形成压力将水抽吸至初滤装置，优选抽吸到过滤器，
c.在初滤装置中以物理机械方式对水进行初滤，
d.在根据本发明的水处理设备中处理水，在其中杀死水中的微
生物，以及
e.将水输送到下一个储备容器中。
其他的实施方式是从属权利要求的主体或者在下面进行阐述。
即使水压低的情况下，根据本发明的水处理设备也能够有效地 杀死生物和微生物。以机械方式磨碎这些有机生物或者通过在转子和 定子的啮合齿上刮或分离细胞壁来损坏这些有机生物，从而使这些有 机生物逐渐死去。此外通过在出口处环状间隙上的空穴作用以及由此 引起的、突然施加的压力负载或者暴聚进一步杀死有机生物。
根据本发明，有机生物是指出现在水、特别是在海水中的生物 和微生物，例如藻类、菌、细菌、单细胞生物、小鱼、甲壳类动物和 浮游生物。
根据本发明的水处理设备具有由转子和定子构成的水磨机。转 子和定子的表面交叉啮合或者杂乱地啮合，优选交叉啮合。转子上的 啮合深度在水流方向上朝向出口逐渐变小，优选变为零并且定子上的 啮合深度在水流方向上朝向扩散环逐渐变小，优选变为零。对此齿数 和齿间距取决于直径。这样选择间距，即产生所希望的涡流。通过两 个表面上互相相反的啮合齿产生剪切间隙，在每次旋转时两个啮合齿 在该剪切间隙中交错相切。优选啮合深度和环状间隙在水流方向上朝 向出口逐渐减小，从而通过变化的涡流区而使得水持续地起猛烈旋 涡。由于这种猛烈涡流而使得在水中的有机生物在转子和定子的表面 (所谓的研磨面)之间受到剪切作用以及撕裂作用。不仅以机械方式 磨碎这些有机生物而且还在表面上切割以及撕裂这些有机生物，在此 过程中以机械方式毁坏细胞壁，从而使这些有机生物逐渐死去。
转子和定子的直径在流动方向上朝向出口方向逐渐扩大，因此 转子和定子优选具有圆锥形状。由于直径的扩大使得液体沿着减小的 环状间隙受到加速。研磨面构成了逐渐变狭窄的环状间隙，该环状间 隙在出口处优选具有2至20μm的宽度、进一步优选具有2至10μm 的宽度以及特别优选具有5μm的宽度。转子优选具有经由电动机驱 动的驱动轴。
有机生物在流过水磨机时由于作用在有机生物上的剪切力而以 机械方式被杀死。这种效果随着转子和定子之间间距的逐渐减小以及 由此所产生的环状间隙宽度的减小而得到加强。流速沿着环状间隙大 大增加并且输送介质中的压力升高。由于高的流速和在出口处转子和 定子之间的最小间距位置上所作用的、高的压力以及引导盘区域中 的、直接连接在出口上的、大的截面扩展部而出现空穴现象。
因此，一方面通过在转子和定子的区域中进行机械研磨或刮和 分离方法以及另一方面通过在出口处环状间隙上的空穴作用杀死有 机生物。杀死有机生物或者至少损坏它们，从而使它们逐渐死去。
在出口的区域中，定子在其表面还具有扩散环。该扩散环优选 由定子表面上的、杂乱的压印图型构成，特别优选由表面上的逐点的 凸起部构成。扩散环通过压印的、狭窄的、在小的面积上具有许多表 面上的不平整处的图型提供了经增强的额外涡流，该涡流再一次研磨 了有机生物。此外，额外的涡流有助于在水磨机的出口处形成空穴作 用。转子优选在扩散环对面的区域中没有啮合齿或刻槽。
在根据本发明的水处理设备的环状间隙出口处、优选在导流器 边缘上这样提高小水滴的局部速度，即，使该局部速度超过临界速度。 由于之后在引导盘的区域中所产生的截面突然扩大使小水滴破碎并 且形成空穴作用。在直接影响的周边产生20000Hz以及更高的压力 波，其具有直至1000W/cm2的高强度。这些小水滴和其中所含的有机 生物由于猛烈的压力下降而暴聚。由此杀死了有机生物或者破坏了它 们的细胞壁，从而使它们逐渐死去。这个过程和在潜水员突然从深水 浮出水面时所产生的效果相同。
例如根据本发明涡轮机以水磨机形式存在，在涡轮机工作时通 常出现压力损失。这种压力损失是不期望发生的，因为余留的系统压 力对于实际运行有时候是不够的。特别是在船上处理压舱水时仅有低 的、1至3bar的工作压力可供使用。
在根据本发明的水处理设备中通过抽吸装置、优选通过内部的 抽吸装置补偿了这种压力损失。相对于普通的成穴装置、例如喷嘴， 根据本发明的水处理设备具有这样的优势，即不需要具有高压或将超 声波能有效地引入液体中的超声波发生器的外部射流泵。因此可以避 免为此使用非常高的电功率用于引入能量并且用于根据本发明的水 处理设备的设备费用以及能量消耗明显低于传统设备中所需的。
内部的抽吸装置优选由水磨机的入口处的叶轮和水磨机的出口 处的排放叶片构成。叶轮作为额外的叶片安置在转子的下部区域中。 通过叶轮的抽吸作用提高了进入的水的压力并且达到了所需的流速。
此外优选在水处理设备的出口处将排放叶片固定在引导盘上， 该排放叶片使得经过导流器边缘之后所出现的压力下降得到补偿。因 此水磨机和内部的抽吸装置优选构成了一个结构统一体。
内部的抽吸装置具有这样的优势，即水处理设备对系统压力没 有不利的影响并且不需要额外的外部泵。
在研磨机入口处具有内部的抽吸装置的实施方式中借助安装在 转子上的叶轮开始加速并产生了所希望的压力梯度并且进一步通过 直径逐渐变大的楔形转子和定子在刻槽处对水进行轴向加速。由于转 子和定子的啮合，水在流过变窄的环状间隙时受到抑制并且再次加速 直至超过临界速度以及之后在环状间隙的出口处发生水的破裂和成 穴。
由于仅有几个μm大小的小间隙，所需要的渗透距离和由此所需 要的、空穴的、低的功率密度低。然而压力波的强度足够确保杀死水 中所含的有机生物。根据本发明的水处理设备相对于通常的超声波发 生器的优势就在于此。在通常的超声波发生器中为了杀死有机生物需 要达到基本上能够接受的渗透距离，因此需要非常高的功率以及高的 能量需求。然而通常即使在高的功率的情况下也达不到该渗透距离。
根据本发明的水处理设备和根据本发明的方法能够特别有效地 应用于海水以及特别是压舱水。在应用于船舶时通过物理机械方式工 作的初滤装置所抽吸的水通常仅具有低的水压。使用额外的外部泵经 常是有问题的，因为对此需要提供额外的能量。在使用根据本发明的、 具有内部抽吸装置的水处理设备时不需要额外的泵，因此在船上也无 需额外的能量消耗。
优选借助于至少一个固定装置将定子固定在底座上，其中该定 子能够径向移动地固定在该底座上。为了能够将非常窄的环状间隙调 整到几个μm的程度，需要在转子和定子之间进行精准地定位。这在 结构上是通过使定子能够相对于转子径向移动来实现的。将定子安置 在底座上并且首先在该底座上仅这样进行固定，即该定子能够在一定 的范围内移动。在第一个步骤中通过将转子推进到止动位置使定子精 确地置于中心。然后在第二个步骤中以规定的长度轴向提起转子，由 此也能够获得非常小的环状间隙。然后最终固定定子，使其不能继续 移动。通过这种构造方式能够得到任意大小的环状间隙，该环状间隙 仅取决于构件的制造精确度。
根据本发明的方法优选用于海水、特别是压舱水的水处理。在 船上，海水进入到海底阀箱。然后借助压舱水泵向以物理机械方式工 作的初滤装置的方向抽水。船上的压舱水泵以1.5至3bar、优选2bar 的低工作压力运转。对水进行过滤，由此清除沉淀物和大的颗粒。在 流过初滤装置时出现压力损失，因此初滤之后的水压小于经过过滤器 之前的水压。为了使水处理设备中的水压以及水流速度足够高并且出 现空穴作用，使用一个外部的泵或优选使用内部的抽吸装置，该抽吸 装置使水再次获得合适的流速以及相应的水压。在水处理设备中杀死 水中的有机生物。
以物理机械方式工作的初滤装置优选是过滤器、过滤装置或水 力旋流器。然而，根据本发明也可以使用以物理机械方法从水中分离 出杂质和有机生物的其它装置。
在一个实施方式中，额外地在另一个工序中净化经过在水处理 设备中净化的水。这种额外的净化/后处理能够借助于生物方法(例 如紫外线辐射)、化学方法(例如加入杀菌剂)或其它的机械方式进 行。然后将经这样净化的水输送到下一个储备容器中，如果在船上净 化海水则输送到压舱水箱中。