申请日2009.03.20
公开(公告)日2014.02.26
IPC分类号C02F1/00; B01F3/04; C02F1/78; B01F5/06; C02F1/72; B01F5/04
摘要
本发明描述了一种涉及模块化水处理装置的装置和方法，所述模块化水处理装置利用与静态混合相结合的侧流注射。所述装置和方法利用臭氧，使用或不使用过氧化氢，用于对存在于废水中的污染物进行有效消毒和/或使存在于废水中的污染物去污染。经过消毒、去污染的水适于再利用。
权利要求书
1.一种用于从进水中除去污染物的装置，该装置包括：
适于装配在水处理装置中的多个模块，所述多个模块包括：
至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水 预混合的氧化剂，以及
至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部 件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，
其中，所述混合器模块适于连接在所述注射器模块的下游，并且所述注 射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模块和任何数量的 混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式流动结构中从进 水中除去污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以从所述进水中除 去预定量的污染物。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述氧化剂为臭氧。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述至少一个注射器模块 包括至少两个注射器模块，第一注射器模块用于注射在侧流结构中与第一部 分进水预混合的臭氧，且第二注射器模块用于注射在侧流结构中与第二部分 进水预混合的过氧化氢。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个混合器模块为至 少两个混合器模块，第一混合器模块与所述第一注射器模块的下游连接，且 第二混合器模块与所述第二注射器模块的下游连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置，其中，用于注射过氧化 氢的所述第二注射器模块位于用于注射臭氧的所述第一注射器模块的上游。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，所述静态混合部 件选自叶片型混合部件和翼片型混合部件。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，该装置还包括在所述注 射器模块和混合模块上游的预混模块。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述预混模块用于在将进水与 臭氧接触之前向所述进水中添加过氧化氢。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，该装置还包括在所述注 射器模块和混合模块下游的接触器模块。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，所述至少一个注 射器模块和至少一个混合器模块共用一个公用的外壳，其中，所述至少一个 注射器模块位于所述至少一个混合器模块的上游。
11.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，所述至少一个注 射器模块为多个注射器模块，所述至少一个混合器模块为多个混合器模块， 并且所述多个注射器模块和混合器模块在该装置中交替排列。
12.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，每个注射器模块 包括至少一个注射器。
13.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，每个注射器模块 包括多个注射器，所述注射器被配置成使在侧流中预混合的氧化剂的溶解最 大化。
14.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，该装置用于改进现有的 水处理设备，并且其中，将该装置安装在所述设备中，随后通过增加或减少 注射器模块和/或混合器模块来优化效率和性能。
15.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，用选自由以下特 性组成的组的流出水的特性来衡量增加或减少模块的效果：
(i)预定的残余污染物水平，
(ii)溶解的残余臭氧水平，
(iii)残余过氧化氢水平，以及
(iv)水质。
16.一种用于从进水中除去污染物的侧流装置，该装置包括：
适于装配在所述装置的主反应器内的多个模块，所述多个模块包括：
至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水 预混合的氧化剂，以及
至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部 件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，以及
适于装配在至少一个侧流中的多个模块，所述多个模块包括：
至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混合的氧化 剂，以及
至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，
其中，将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器，以促进氧 化剂溶解，
并且进一步地，其中，在安装之后，能够将额外的注射器模块和/或混 合器模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个侧流为至少两 个侧流，包括用于注射并混合臭氧的第一侧流、以及用于注射并混合过氧化 氢的第二侧流。
18.一种用于除去污染物的方法，所述污染物使得进水供应具有令人不 愉快的味道或气味，该方法包括：
在过氧化氢存在下，使进水与臭氧接触，以产生去污染的出水，以及
将所述出水提供给消费者，
其中，所述出水中，使所述出水具有令人不愉快的味道和气味的所述污 染物的水平得到降低。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，该方法实现对出水的消毒。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，无需事先加入 消毒剂，在过氧化氢存在下进行与臭氧的所述接触。
21.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，所述出水不含 有消毒剂。
22.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，该方法还包括将消毒 剂添加到所述出水中的步骤。
23.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，使所述进水供 应具有令人不愉快的味道或气味的所述污染物选自土臭味素和2-甲基异冰 片。
24.根据权利要求18-23中任意一项所述的方法，其中，所述进水为地 表水或地下水。
25.根据权利要求18-24中任意一项所述的方法，其中，在过氧化氢存 在下，使进水与臭氧接触，以进一步除去毒性有机污染物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述毒性有机污染物选自内 分泌干扰化合物、药物活性化合物、病原体、壬基酚、三氯生、双酚-A、雌 二醇等价物和N-亚硝基二甲胺。
27.根据权利要求18-26中任意一项所述的方法，其中，所述接触在用 于从进水中除去污染物的装置中进行，该装置包括：
适于装配在水处理装置中的多个模块，所述多个模块包括：
至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水 预混合的氧化剂，以及
至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部 件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，
其中，所述混合器模块适于连接在所述注射器模块的下游，并且所述注 射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模块和任何数量的 混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式流动结构中从进 水中除去所述污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以从所述进水 中除去预定量的所述污染物。
28.根据权利要求18-26中任意一项所述的方法，其中，所述接触在用 于从进水中除去所述污染物的装置中进行，该装置包括：
适于装配在所述装置的主反应器中的多个模块，所述多个模块包括：
至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水 预混合的氧化剂，和
至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部 件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，以及
适于装配在至少一个侧流中的多个模块，所述多个模块包括：
至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混合的氧化 剂，以及
至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，
其中，将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器中，以促进 氧化剂溶解，
并且进一步地，其中，在安装之后，将额外的注射器模块和/或混合器 模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
29.一种改良的用于将含生物污染物的再生废水消毒的方法，所述生物 污染物选自大肠杆菌和脊髓灰质炎病毒，该方法包括以下步骤：
(a)使用臭氧处理再生的水，臭氧的剂量和处理时间足以将大肠杆菌 和脊髓灰质炎病毒的水平降低至州或联邦政府的规章所要求的含量，以及
(b)将在(a)中处理过的水引入公共水供应系统。
30.根据权利要求29的所述方法，其中，所述臭氧的剂量为5μg/mL 或更多。
31.根据权利要求29或权利要求30所述的方法，其中，加入过氧化物 以减少溴酸盐的形成、促进痕量有机化合物的破坏、或缩短与臭氧接触的时 间。
32.根据权利要求29-31中任意一项所述的方法，其中，在(a)中的 所述处理将选自由壬基酚、三氯生和双酚-A组成的组的有机化合物去除至 州或联邦政府的规章要求的水平。
33.根据权利要求29-31中任意一项所述的方法，其中，在(a)中的 所述处理将总大肠杆菌、粪便大肠杆菌或脊髓灰质炎病毒的水平降至州或联 邦政府的规章要求的水平。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，基于MS2大肠杆菌噬菌体的 水平来计算所述脊髓灰质炎病毒的水平。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，基于在同等条件下，MS2大 肠杆菌噬菌体水平的下降与脊髓灰质炎病毒水平的下降之间的相互关系来 计算所述脊髓灰质炎病毒的水平。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，脊髓灰质炎病毒的水平下降5 个数量级相应于MS2大肠杆菌噬菌体下降6.5个数量级。
说明书
用于水处理的装置和方法
本申请是申请号为200980118253.6、申请日为2009年03月20日、发 明名称为“用于水处理的装置、系统和方法”的中国发明专利申请的分案申 请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年3月21日提交的题为“Treatment Of Reclaimed Water(再生水的处理)”的美国临时申请No.61/070,288以及于2008年4 月3日提交的题为“Modular Sidestream Apparatus For Water Treatment(用 于水处理的模块化侧流装置)”的美国临时申请61/072,991的优先权。这两 个文件的全部内容引入本申请中以作参考。
技术领域
本申请的装置、系统和方法涉及水处理。更具体地，本申请涉及一种用 于除去水污染物的模块水处理装置，该装置利用与静态混合相结合的侧流注 射(sidestream injection)。本申请还涉及在再生的或其它废水中对污染物进 行去污染并对病原体进行消毒。
背景技术
降低对新鲜水的需求的一种方式是使废水再生，以用于人和动物消费及 其它用途。但是，公众关注残留的污染物，例如内分泌干扰化合物剂(EDC)、 药物活性化合物(PhaC)、病原体和其它污染物，由于公众对于再生水的认 可有限，因而减缓了水处理技术的应用。有机化合物污染物中特别关注的污 染物有乙炔基雌二醇、三氯生(triclosan)、DEET、表面活性剂、壬基酚(NP)、 三氯生(TCS)和双酚-A(BPA)。特别关注的生物污染物为病原体，例如大 肠杆菌、脊髓灰质炎病毒和隐孢子虫(Cryptosporidium)。
对残留的生物污染物和化学污染物的关注促进了各种关于公共水供应 的法律、规章和标准的采用，例如California Code of Regulations(加州管制 法规)(CCR)第22号。除标准以外，第22号法规要求废水经过氯消毒法 处理，接着过滤，第22号法规还提供了基于峰值干燥气候设计流动，在不 低于450毫克分钟/升(mg-min/L)，并且模态接触时间(modal contact time) 为至少90分钟时，产品的总氯残留量和模态接触时间;或者当消毒过程与 过滤过程结合时，证实该消毒过程已经使在废水中99.999%的F-特异性细菌 噬菌体MS2或脊髓灰质炎病毒的噬斑形成单位(pfus)失活和/或被清除。 至少与脊髓灰质炎病毒一样抗消毒的病毒可以用来证明。第22号法规还要 求：(a)总大肠杆菌的中值浓度(median concentration)不超过2.2MPN/100 mL，(b)在30天的时间内，在任何一个样品中存在的大肠杆菌不超过23 MPN/100mL，以及(c)没有样品含有超过240MPN/100mL的大肠杆菌。 第22号法规还要求脊髓灰质炎病毒含量至少下降5个数量级(5-log)，或者 在合适的代表性的水生病毒方面具有等值的下降。许多州(state)有类似的 规章和标准。
彻底除去大肠杆菌、病毒和其它生物污染物通常被称为“消毒”，这增 加了将废水再生的成本，特别是使用常规的水处理方法，例如反渗透(RO)、 超滤(UF)和高级氧化法(advanced oxidative procedure)(AOP)，其中建立 一个1百万加仑/天(1meg gpd)处理设备的成本为一千万美元左右。
臭氧可单独(或与氧气或空气组合)用于“臭氧溶解”法中，以氧化许 多水生污染物。该方法较廉价，特别是当场产生臭氧时。臭氧与过氧化氢结 合可用于“高级氧化”法中，该“高级氧化”法产生羟基自由基(参见下面 的方程式1)，羟基自由基在除去一些污染物方面还更有效。
2O3+H2O2→2OH˙+3O2 (方程式1)
使用臭氧(O3)或与过氧化氢(H2O2)组合的臭氧的水处理技术能有效地 破坏存在于受污染的水中的有机化合物，但是实施该方法所需的设备的成本 和复杂性妨碍了其广泛使用。
需要更有效并易于安装、操作和优化臭氧溶解和高级氧化的用于去除水 污染物的装置，该装置能够结合于新设备的设计中并适于现有的处理设备。
发明内容
下面描述和说明的以下方面及其实施方式用于举例和说明，而不是要限 制本发明的范围。
在一个方面，本发明提供了一种用于从进水(influent water)中除去污 染物的装置。该装置包括适于装配在水处理装置中的多个模块，所述多个模 块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构(sidestream configuration)中与部分进水预混合的氧化剂，以及至少一个混合器模块， 该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模 块引入的氧化剂与进水混合。所述混合器模块适于与所述注射器模块的下游 连接，并且所述注射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模 块和任何数量的混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式 流动结构中从进水中除去污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以 从所述进水中除去污染物。
在一些实施方式中，所述氧化剂为臭氧。
在一些实施方式中，所述至少一个注射器模块包括至少两个注射器模 块，第一注射器模块用于注射在侧流结构中与第一部分进水预混合的臭氧， 且第二注射器模块用于注射在侧流结构中与第二部分进水预混合的过氧化 氢。
在一些实施方式中，所述至少一个混合器模块为至少两个混合器模块， 第一混合器模块与所述第一注射器模块的下游连接，且第二混合器模块与所 述第二注射器模块的下游连接。
在一些实施方式中，用于注射过氧化氢的所述第二注射器模块位于用于 注射臭氧的所述第一注射器模块的上游。
在一些实施方式中，所述静态混合部件选自叶片型混合部件和翼片型 (tab-type)混合部件。
一些实施方式包括在所述注射器模块和混合模块上游的预混模块。在一 些实施方式中，所述预混模块用于在与臭氧接触之前向所述进水中添加过氧 化氢。
一些实施方式包括在所述注射器模块和混合模块下游的接触器模块。
在一些实施方式中，所述至少一个注射器模块和至少一个混合器模块共 用一个公用的外壳，其中，所述至少一个注射器模块位于所述至少一个混合 器模块的上游。
在一些实施方式中，所述至少一个注射器模块为多个注射器模块，并且 所述至少一个混合器模块为多个混合器模块，并且所述多个注射器模块和混 合器模块在所述装置中交替排列。
在一些实施方式中，每个注射器模块包括至少一个注射器。
在一些实施方式中，每个注射器模块包括多个注射器，这些注射器被配 置成使在侧流中预混合的氧化剂的溶解最大化。
在一些实施方式中，所述装置用于改进现有的水处理设备，并且其中， 将所述装置安装在所述设备中，随后通过增加或减少注射器模块和/或混合器 模块来优化效率和性能。
在一些实施方式中，用选自由以下特性组成的组的流出水的特性来衡量 增加或减少模块的效果：
(i)预定的残余的污染物的水平，
(ii)溶解的残余的臭氧的水平，
(iii)残余的过氧化氢的水平，以及
(iv)水质。
在另一方面，本发明提供了一种侧流装置，该侧流装置用于从进水中除 去污染物。该装置包括适于装配在所述装置的主反应器内的多个模块，所述 多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与 部分进水预混合的氧化剂，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包括静 态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进 水混合。该装置还包括适于装配在至少一个侧流内的多个模块，所述多个模 块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混合的氧 化剂，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，其中， 将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器中，以促进氧化剂的溶 解，并且进一步地，其中，在安装之后，能够将额外的注射器模块和/或混合 器模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
在一些实施方式中，所述至少一个侧流为至少两个侧流，包括用于注射 并混合臭氧的第一侧流以及用于注射并混合过氧化氢的第二侧流。
在另一个方面，本发明提供了一种用于除去污染物的方法，所述污染物 使得进水供应具有令人不愉快的味道或气味。该方法包括：在过氧化氢存在 下，使进水与臭氧接触，以产生去污染的出水，并将所述出水提供给消费者， 其中，所述出水中具有令人不愉快的味道和气味的污染物的水平得到降低。
在一些实施方式中，该方法实现了对出水的消毒。
在一些实施方式中，无需事先加入消毒剂，进行在过氧化氢存在下与臭 氧的所述接触。
在一些实施方式中，所述流出水不含有消毒剂。
在一些实施方式中，该方法还包括将消毒剂添加到所述出水中的步骤。
在一些实施方式中，使所述进水供应具有令人不愉快的味道或气味的污 染物选自土臭味素和2-甲基异冰片(MIB)。
在一些实施方式中，所述进水为地表水或地下水。
在一些实施方式中，在过氧化氢存在下，使所述进水与臭氧接触还能除 去毒性有机污染物。
在一些实施方式中，所述毒性有机污染物选自内分泌干扰化合物 (EDC)、药物活性化合物(PhaC)、病原体、壬基酚(NP)、三氯生(TCS)、 双酚-A(BPA)、雌二醇等价物(EEQ)和N-亚硝基二甲胺(NDMA)。
在一些实施方式中，所述接触在用于从进水中除去污染物的装置中进 行。在这些实施方式中，所述装置包括适于装配在水处理装置中的多个模块， 所述多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构 中与部分进水预混合的氧化剂，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包 括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂 与进水混合，其中，所述混合器模块适于与所述注射器模块的下游连接，并 且所述注射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模块和任 何数量的混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式流动结 构中从进水中除去污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以从所述 进水中除去预定量的污染物。
在一些实施方式中，所述接触在用于从进水中除去污染物的装置中进 行。在这些实施方式中，所述装置包括适于装配在所述装置的主反应器内的 多个模块，所述多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射 在侧流结构中与部分进水预混合的氧化剂，以及至少一个混合器模块，该混 合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引 入的氧化剂与进水混合，以及适于装配在至少一个侧流中的多个模块，所述 多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混 合的氧化剂，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件， 其中，将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器中，以促进氧化 剂的溶解，并且进一步地，其中，在安装之后，能够将额外的注射器模块和 /或混合器模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
在又一个方面，本发明提供了一种用于改良的将含生物污染物的再生废 水消毒的改进的方法，所述生物污染物选自大肠杆菌和脊髓灰质炎病毒。该 方法包括：(a)使用臭氧处理再生的水，臭氧的剂量和处理时间足以将大肠 杆菌和脊髓灰质炎病毒的水平降低至例如州法律(例如2008年或将来的某 一日期加州管制法规中的第22号)所要求的水平，以及(b)将在(a)中 处理过的水引入公共水供给系统中。
在一些实施方式中，所述臭氧的剂量为5μg/mL或更多。
在一些实施方式中，加入过氧化物，以减少溴酸盐的形成。
在一些实施方式中，加入过氧化物，以促进痕量有机化合物的破坏。
在一些实施方式中，加入过氧化物，以缩短与臭氧的接触时间。
在一些实施方式中，在(a)中的所述处理还足以将选自由壬基酚(NP)、 三氯生(TCS)和双酚-A(BPA)组成的组的有机化合物去除至所需的水平 或者州或联邦政府要求的水平，例如加州管制法规，2008，第22号所要求 的水平。
在一些实施方式中，在(a)中的所述处理将总大肠杆菌的水平降至所 需的水平或者州或联邦政府要求的水平，例如加州管制法规的第22号所要 求的水平。
在一些实施方式中，在(a)中的所述处理将粪便中的大肠杆菌的水平 降至低于可检测水平。
在一些实施方式中，在(a)中的所述处理将脊髓灰质炎病毒的水平降 至所需的水平或者州或联邦政府要求的水平，例如加州管制法规的第22号 所要求的水平。
在一些实施方式中，基于MS2大肠杆菌噬菌体的水平来计算脊髓灰质 炎病毒的水平。
在具体的实施方式中，基于在相同条件下MS2大肠杆菌噬菌体水平的 下降与脊髓灰质炎病毒水平的下降之间的相关性来计算脊髓灰质炎病毒的 水平。
在具体的实施方式中，脊髓灰质炎病毒的水平下降5个数量级相应于 MS2大肠杆菌噬菌体下降6.5个数量级。
由以下描述、附图、实施例和权利要求将显而易见到本发明的方法、组 合物等等的额外的实施方式。由前述和以下说明可以理解的是，本文所述的 每一个特征以及两个或更多个这些特征的每一个组合包括在本发明公开的 范围内，条件是在该组合中所包括的特征不能相互不一致。此外，任何特征 或多种特征的组合可具体从本发明的方法和组合物的任何实施方式中排除。 在以下描述和权利要求中提出额外的方面和优点，特别是当结合所附实施例 和附图进行考虑时提出额外的方面和优点。