專利名稱：采用氣體注射放電的液體凈化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種用于對水、污泥和其它液體進行凈化和去除污染物的方法和系統(tǒng)，上述水、污泥和其它液體中含有有毒或不希望的化學(xué)物質(zhì)及病菌。更具體地說，本發(fā)明涉及一種液體凈化系統(tǒng)，藉此在流動的液體中通過放電分解和/或去除污染物。
背景技術(shù)：
近年來在環(huán)境治理方面做了大量的探索和研究，尤其是針對地下水、廢水和飲用水的凈化和去除污染物。水的凈化與工業(yè)廢水的連續(xù)處理不同，它是在一個地點對水池或水塘中污水進行一次性處理。因此，這些方法對大、小規(guī)模的處理都要可行。
在已有技術(shù)中，已經(jīng)采用了各種各樣的技術(shù)分解或除去水中的污染物和毒性物質(zhì)。這些方法包括使用超聲波振動產(chǎn)生的沖擊波和對水進行紫外線輻照。電也可以作為一種凈化劑，例如在水流中引入正電荷離子，使顆粒物質(zhì)混凝并分離出來，通過在有流動液體的腔中通入電流，使在陽極和陰極之間流動的電流對微生物有殺傷作用。
眾所周知，加氯能夠有效地抑制有限的細(xì)菌和微生物的生長，但是，它對有機物卻沒有什么作用。相反活性炭過濾器能夠除去有機物，但是，這種過濾器非常昂貴并且需要定期維護。
注入臭氧也是一種有效的方法。然而，要想提高效率，臭氧設(shè)施必須非常大。因此，它的費用和體積使得它不適于治理少量被污染的地下水和現(xiàn)場廢水。還可以使用注入過氧化氫的系統(tǒng)，一些系統(tǒng)帶有紫外線閃爍燈活化，以便產(chǎn)生與有機化合物相結(jié)合所需要的氫氧根離子。這些技術(shù)提供了合適的治理污染物和有機物的方法，但是，由于需要大量的高純度過氧化氫，使得處理費用非常昂貴，由于紫外線閃爍燈的表面易被沾染，所以又需要定期維護，因為這種沾染會妨礙過氧化氫接受紫外線的能量。
活性炭過濾器對有機物也是一種合適的處理手段，但是，它相當(dāng)昂貴并且需要經(jīng)常更換，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)不能保證解決問題。
在相關(guān)問題上，全國成千上萬的工廠都在與對公眾或當(dāng)?shù)丨h(huán)境有害的副產(chǎn)品或副作用作斗爭。生產(chǎn)過程本身也會產(chǎn)生對環(huán)境和人類有害的有機物或其它污染物。在食品工業(yè)這個問題經(jīng)常出現(xiàn)，許多糧食食品引起或采用食用后會對人體有害的細(xì)菌和/或生物體。病原菌(包括沙門氏菌屬、病毒、細(xì)菌等等)在生產(chǎn)過程的某些時刻以及在運到銷售點之前，都對生產(chǎn)者提出了挑戰(zhàn)。在大多數(shù)情況下，生產(chǎn)商要使用化學(xué)殺菌劑或利用一種處理過程，切實消除產(chǎn)品污染而可能出現(xiàn)的問題。這對最后的消費者是非常好的，但是這又出現(xiàn)了另一個環(huán)境問題，如果這些殺菌劑或化學(xué)試劑從工廠排放到附近的水體或土地填筑場，它們會滲入地下水系統(tǒng)。
用于這類工藝的殺菌劑和化學(xué)試劑有許多。最有效的一種是酚基殺菌劑。酚能夠殺死病菌和其它有害化合物，已被許多工業(yè)廣泛采用。由于它具有很高的生物需氧量(BOD)，所以使用酚基殺菌劑的副作用對環(huán)境存在威脅。當(dāng)將其排放到環(huán)境中時，BOD會與其它長鏈有機物爭奪氧氣。對在環(huán)境中排放苯酚，環(huán)境保護機構(gòu)通常都在執(zhí)行日平均限度為0.5ppm和最大值限度為1.0ppm的標(biāo)準(zhǔn)。苯酚的這一濃度對本國的天然食物鏈顯然沒有威脅，因此被政府采納作為控制標(biāo)準(zhǔn)。然而，許多工廠在將殺菌劑釋放到環(huán)境中之前，或是不遵從這一規(guī)定，或是用成本很高的替代品分解這些殺菌劑。因此許多工廠都建造了室內(nèi)廢水處理裝置，使它們的產(chǎn)品既對最后的消費者安全，也對環(huán)境安全。
在家禽良種、家禽制品和蛋類的生產(chǎn)過程中，許多農(nóng)場和工場都采用酚作為殺菌劑。某些工場正在實施無沙門氏菌屬方法，它對整個工業(yè)都是極好的。這種方法保護了使用者和最后的消費者免受沙門氏菌屬的污染。一部分生產(chǎn)過程需要使用酚作為殺菌劑，清洗設(shè)備、機器和其它設(shè)施。通常將清洗流出的含有酚的水收集并就地排放到的小水體中。因為酚的濃度通常取決于環(huán)境保護機構(gòu)制定的就地排放限量，所以這就提出了一個問題，經(jīng)常會產(chǎn)生酚濃度為20PPM或更高、體積為8,700加侖/周的清洗水。
在美國成千上萬的廢水處理場中，污泥脫水設(shè)備還存在另一個問題。在美國，大量的污水處理裝置都采用生物處理法或采用被稱之為“細(xì)菌”的活的生物體作為污水處理系統(tǒng)或工業(yè)廢水處理系統(tǒng)的最后處理手段。最終的結(jié)果是在處理之后唯一剩下的固體物質(zhì)就是“細(xì)菌”本身。這種含這些細(xì)菌的水在最終處理池中被稱之為污泥。這種廢物處理方法產(chǎn)生了一個問題，在處理后的水能被循環(huán)或排放到河流或水體之前，必須除去剩余的固體物質(zhì)。
限制運行能力的因素是脫水速率。污泥中有機體細(xì)胞組織含有水，要想除去這些水需要大量的能量和時間。在許多情況下，常規(guī)處理設(shè)備不能徹底除去水，以便使處理后的污泥轉(zhuǎn)變?yōu)闉V餅，無需干燥便可進行土地填埋。如果將濕的污泥型廢物運送到土地填筑場進行填埋處理，估計其費用比處置費用要高得多。
許多脫水設(shè)備都是將固體物質(zhì)物理地從污泥中分離出來。這種脫水設(shè)備的例子包括皮帶擠壓機、板框擠壓機和離心分離機。一旦用這種脫水設(shè)備將固體物質(zhì)分離出來，便可用某些方法進行處置。主要的方法是將這些污泥運到土地填筑場。這種方法的限制因素是在脫水處理后物理去除水和擠壓的物料或濾“餅”干燥所需的時間和能量。如果脫水步驟太慢，必須使用額外設(shè)備來處理流動的污泥。如果濾餅干燥不充分，在填埋場必須對這種污泥作進一步處理或加工，這需要花費更多的費用。如果建造能夠接收較濕的濾餅的掩埋場，那么由于多余的水分沒被除去，肯定會顯著地增加運輸較重污泥的費用。最后的結(jié)果是如果脫水速率能夠提高一倍，那么用一半的脫水設(shè)備就能夠在一半的時間內(nèi)處理相同數(shù)量的污泥。如果濾餅較干，就能以最少的費用處置所有固體物質(zhì)。因此這樣的方法才能夠顯著地節(jié)省設(shè)備投資和運行費用。
于是需要有一種液體凈化和除去污染物系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以相對低的費用有效地分解或除去各種有機物和化學(xué)毒性物質(zhì)，它無需添加其它化學(xué)試劑或?qū)ξ鬯M行進一步處理，且適用于大小規(guī)模的操作中。還需要一種一次運行既能夠解決污泥脫水問題，又能夠解決濾餅干燥問題的污泥處理方法。這種系統(tǒng)在已有技術(shù)中是沒有的。
本發(fā)明公開本發(fā)明的目的之一是提供一種液體凈化和除去污染物的系統(tǒng)和方法，它既能有效地除去細(xì)菌和微生物，也能有效地除去有機物質(zhì)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種液體凈化的系統(tǒng)和方法，在大小規(guī)模的操作運行中，都是有效而經(jīng)濟的。
本發(fā)明的再一個目的是使用一種液體凈化系統(tǒng)，它無需增加系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，就可同時用幾個不同的凈化模式進行處理。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種低費用地處理污水和污泥的凈化系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)這些目的和其它目的，本發(fā)明的系統(tǒng)采用了在待處理液體中將紫外線輻照、脈沖機械沖擊波和流動液體離子化協(xié)同結(jié)合的凈化及除去污染物的方法。將待處理液體引入一個或多個串聯(lián)或并聯(lián)連接的凈化單元中。一對電極橫向延伸跨過并穿過位于凈化單元中的凈化腔，在其中限定了一個電弧縫隙或放電區(qū)域。從進水口將被污染的液體引入凈化腔和凈化單元，在凈化腔中穿過或靠近放電區(qū)域。采用大功率固態(tài)開關(guān)的脈沖發(fā)生器迅速傳遞穿過電極電脈沖引發(fā)的電弧，由此在電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生一系列的放電電弧。電弧具有足夠高的能量，從而使脈沖引發(fā)電弧能夠穿過電極之間的液體，產(chǎn)生具有直接殺死微生物和削弱其它微生物的致死能量的紫外線輻照，以及機械沖擊波。進一步，靠近放電區(qū)域的水分子被離解成受激基團，包括氫氧根離子和游離氧，它們能夠與有機物相結(jié)合，以便從水中去除它們。
為了在電極之間產(chǎn)生電弧，穿過陽極組件向放電區(qū)域注入氣體。進一步提供了一個低流量間隙水處理系統(tǒng)的實施方案，包括在電弧放電處理之前的預(yù)處理池中注入過氧化氫，并在進入后處理池之前提高通過液體的臭氧分布。
本文描述的系統(tǒng)代表了一個重大的科學(xué)突破，它在單一方法中提供了其它技術(shù)所有的主要凈化/處理的效果(UV、O3、OH、O2、沖擊、電殺傷)，它提供了一個其它任何系統(tǒng)都沒有達(dá)到的協(xié)同效果。


圖1a是本發(fā)明液體凈化系統(tǒng)第一實施方案的示意圖，其中凈化單元是剖視圖。
圖1b是帶有噴射氣體部件的本發(fā)明液體凈化系統(tǒng)第二實施方案的示意圖，其中凈化單元是剖視圖。
圖2是透過圖1a的本發(fā)明實施方案所示凈化單元觀察的端視圖。
圖3是圖1a或1b的實施方案所示脈沖發(fā)生器的示意圖。
圖4是用于低流量間歇污水處理的液體凈化系統(tǒng)第三實施方案的管線系統(tǒng)及其組件的示意圖。
圖5是圖4所示低流量間歇污水處理系統(tǒng)實施方案的電路及其組件系統(tǒng)的示意圖。
圖6a是用于圖4所示污水處理系統(tǒng)的凈化單元中陰極組件的平面圖。
圖6b是圖6a的陰極組件的側(cè)視圖。
圖7a是用于圖4所示污水處理系統(tǒng)的凈化單元中陽極組件的仰視圖。
圖7b是圖7a的陽極組件的側(cè)視圖。
圖8是圖4所示低流量間歇污水處理系統(tǒng)的凈化單元的剖透視圖。
圖9是用于污泥處理的液體凈化系統(tǒng)第四實施方案的控制柜的透視圖。
圖10a、10b和10c是圖9所示污泥處理系統(tǒng)的管線及其組件的示意圖，分別表示凈化單元是一個單獨的處理腔、兩個串聯(lián)的處理腔、兩個并聯(lián)的處理腔的情況。
圖11a、11b和11c是圖9所示污泥處理系統(tǒng)的凈化單元的透視圖，對應(yīng)圖10a、10b和10c分別表示凈化單元是一個單獨的處理腔、兩個并聯(lián)的處理腔、兩個串聯(lián)的處理腔的情況。
圖12是圖10a和11a所示單獨一個處理腔的透視圖，用虛線表示內(nèi)雙電極腔。
圖13a是圖12雙電極腔的放大透視圖。
圖13b是圖9到12所示污泥處理系統(tǒng)實施方案陽極組件和陰極組件的放大圖，表示它們在圖13a所示處理腔中的安裝位置。
圖14是如圖13a所示處理腔的側(cè)視圖。
圖15是圖13a所示處理腔的部分剖視前視圖，表示位于電極對之間的電弧放電區(qū)域。
圖16是如圖13a所示處理腔的俯視圖。
圖17是如圖13a所示處理腔的剖視圖，顯示的是緩沖板的位置。
圖18是圖9所示污泥處理系統(tǒng)采用變型的凈化單元的剖視圖，它帶有如圖10b和11c所示的串聯(lián)電極處理腔。
圖19a是如圖15所示陰極組件的放大截面圖，表示的是將絕緣體緊固在處理腔頂板上的情況。
圖19b是圖19a的電極端的平面圖。
圖20表示的是用于圖4所示低流量間歇污水處理系統(tǒng)和圖10b所示污泥處理系統(tǒng)實施方案的液體凈化系統(tǒng)中脈沖發(fā)生器的示意圖。
圖21表示的是液體凈化系統(tǒng)在污泥處理系統(tǒng)實施方案的電路及其組件系統(tǒng)的示意圖。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式本發(fā)明的液體凈化方法采用了三種不同方式對水或其它液體進行凈化和去除污染物，這些方式相結(jié)合形成了去除或分解有機物和化學(xué)毒物的協(xié)同方式。每一種凈化方式的開始都在流動液體中產(chǎn)生脈沖電弧。采用的放電電壓在10kV-50kV之間，弧峰電流為70A，在鄰近放電區(qū)域的凈化室中產(chǎn)生了等離子效應(yīng)。立即使局部溫度達(dá)到10,000-15,000K，局部等離子壓力為100-1000MPa。首先，隨著放電的進行，電弧本身產(chǎn)生很強的紫外線輻照，這種紫外線輻照可以殺死水流中的許多存活的生物體。其次，高溫使環(huán)境水迅速膨脹然后冷卻，并在凈化單元中產(chǎn)生了機械沖擊波，結(jié)果立即殺死了許多細(xì)菌和微生物，還打碎了微生物的保護殼和其它保護膜，從而使它們暴露在紫外線輻照或其它殺傷作用之中。再次，放電使水分解成水合電子、離子和受激自由基團，包括H、OH、HO2和O+。這些基團直接攻擊細(xì)菌和病毒，然后與有機物相結(jié)合從而去除它們，這與上述注入過氧化氫和臭氧的系統(tǒng)是相似的。
因此，本發(fā)明的顯著特點是在水中產(chǎn)生了高能電弧。產(chǎn)生這種電弧的系統(tǒng)10如圖1a所示。在凈化過程中，在一個或多個凈化單元12內(nèi)對經(jīng)過它的地表水、廢水或飲用水進行凈化并除去污染物。在一個優(yōu)選實施方案中，凈化單元12有一個圓柱形的腔壁14，它與進水口16和出水口18相連，并在其中限定了一個內(nèi)含凈化腔13的流動液體。在系統(tǒng)10的第一實施方案中，優(yōu)選的用Lexan塑料材料的制成的凈化單元12，其內(nèi)徑大約為3cm。
橫穿兩相對的腔壁14安裝有引發(fā)電弧的電極陽極組件22和陰極組件30。陽極組件22包括一個優(yōu)選用鎢制成的陽極部件23(見圖2)，它是一個圓柱體，直徑大約為1/8英寸，有一個尖端。陽極組件22插入地穿過腔壁14并由TeflonPTFE制成的絕緣體24支承住，并且還要裝配得易于取下陽極組件22并可調(diào)節(jié)它在凈化腔13中的位置。
陰極組件30有一個矩形電弧板或陰極部件32，它大體上橫向布置在靠近腔壁14內(nèi)表面的地方。從陰極部件32的末端垂直延伸的是陰極組件30的電極接線端34。一個液體密封件(圖中未示)以常規(guī)方式放置在接線端34的周圍，以防止污水從凈化單元12內(nèi)釋放出來。
參見圖1a和圖2，在陰極部件32平面和靠近陽極部件23末端區(qū)域之間限定了一個電弧放電區(qū)域26。該電弧放電區(qū)域26的長或陽極部件23的末端與陰極部件32的末端之間的距離，對凈化系統(tǒng)10的正常運行是至關(guān)重要的。然而上述空間應(yīng)當(dāng)最大，以優(yōu)化流速，并使其與在陽極部件23和陰極部件32之間產(chǎn)生和維持可靠放電和電弧27的能力相協(xié)調(diào)。在本系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施方案中，放電區(qū)域26的長大約為1.0cm。
陽極部件23是本系統(tǒng)唯一的一個需要定期更換的部件。因此，使用耐用性強的材料加工陽極組件是很重要的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可用來制作陽極部件23的金屬包括鎢釷合金和鉻鉬合金。
陰極部件32可用任何適宜長期運行的耐用金屬制成，例如可用不銹鋼制成。陰極組件30的陰極部件32的尺寸可大約為2cm×2cm，厚為0.2cm。
為了在陽極部件23和陰極部件32之間產(chǎn)生電弧27，借助于一個正電纜20使陽極組件22與脈沖發(fā)生器50(見圖1)相連。負(fù)電纜19使陰極組件30的接線端34與脈沖發(fā)生器50的負(fù)側(cè)相連。
為了實現(xiàn)在凈化單元12的凈化腔13內(nèi)重復(fù)產(chǎn)生沖擊波，隨后產(chǎn)生電弧27的目的，采用了一個脈沖電弧部件。參見圖3，它提供了脈沖發(fā)生器50的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，脈沖發(fā)生器50是電容放電型的脈沖發(fā)生器，它有一個放電電容器54，其電容量在3,500伏測量大約為40微法。借助于大功率固態(tài)開關(guān)56使電容器54放電，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計和選擇該固態(tài)開關(guān)56以使該電容器在一微秒內(nèi)放電到輸出脈沖轉(zhuǎn)換器58中。
為了在放電區(qū)域26產(chǎn)生足夠高能量的電弧27，脈沖變壓器58必須根據(jù)放電電容54為1,500伏、1,100安培的脈沖，在陽極組件22產(chǎn)生一個40,000伏、30安培的脈沖。因此，在一個優(yōu)選實施方案中，半導(dǎo)體開關(guān)56必須能接收到一個來自電子定時板60的觸發(fā)信號，該電子定時板60有能在每秒產(chǎn)生1-6個觸發(fā)信號的電路。通過一級變壓器63和整流器64，穿過電阻61放電電容54在幾毫秒內(nèi)充電到1,500伏，它連接著常規(guī)220伏交流電源線62。
在本裝置的一個優(yōu)選實施方案中，定時板60能穿過放電區(qū)域26每秒產(chǎn)生30個電弧，峰值功率為1.2兆瓦。電弧信號的脈沖寬度大約為5微秒，一個弧隙或間距大約為1.0厘米的放電區(qū)域26可提供每個脈沖大約為7.0焦耳的能量。
可以調(diào)節(jié)水穿過凈化單元12的流速，這取決于達(dá)到最佳凈化效果單位體積的水所需要的能量。在一個優(yōu)選實施方案中，水的能量密度為1.0J/cm3時，水能得到適當(dāng)?shù)膬艋幚?，允許水穿過凈化單元12的流速大約為每秒12升。
本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道可以根據(jù)被凈化水的種類和需要的流速適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)凈化單元12的尺寸和容積。此外，為了提供凈化能力，可同時并聯(lián)運行多個凈化單元12，從一個污水源注入到一組排水口。而且，為了提高凈化效果，還可以使多個凈化單元12串聯(lián)運行，從第一凈化單元12的出水口18流出的凈化后的水再立即流入第二凈化單元12的進水口16，等等。
對采用本文所述方法和裝置的試驗系統(tǒng)進行試驗，采用3.5J/cm3或1KWH/M3的能量密度，可達(dá)到99.5％的凈化率，并適合于凈化飲用水。為了滿足環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)，要想達(dá)到可使處理后的水排放到環(huán)境中去的凈化率，適宜的能量密度為0.3KWH/M3。
對一個除去普通有機污染物的優(yōu)選實施方案進行試驗，結(jié)果表明電弧能量在10-30J/cm3之間時可降低污染物的濃度，對初始濃度為.1克/升的殺蟲劑，0.1-40克/升的烴，和0.2-20克/升的石油產(chǎn)物去除率達(dá)到90-95％。
氣體注入為了在液體中產(chǎn)生所需要的電弧，應(yīng)當(dāng)向電弧放電區(qū)域26注入氣體。參見圖1b，在系統(tǒng)10的第二優(yōu)選實施方案中，在陽極組件22中插入一個高壓氣體噴射管21。穿過在陽極部件23中的、引向陰極組件30的小噴嘴注入高壓氣體，從而可形成一個潛入水中的氣體噴射通道。這種空氣或氣體通道形成了一個實際上的陽極，成為初始電弧穿過的通路。這是因為空氣或大多數(shù)氣體的擊穿電壓都高于水的擊穿電壓。
待凈化水穿過放電的凈化腔13并靠近放電區(qū)域26流動。被凈化水的流速是每單位體積所需能量的函數(shù)。假設(shè)1.0焦耳/厘米3是守恒的，則流速應(yīng)當(dāng)為12L/m。優(yōu)選地，在流速大約為5CM，具有足夠高壓力的情況下輸送氣體，以便在液體中產(chǎn)生氣泡。通常，合適的壓力是凈化腔13內(nèi)的氣體壓力高出液體壓力大約6-8PSI。
在本實施方案中脈沖發(fā)生器50也是一個電容放電單元，它被設(shè)計用來將非?？斓母邏焊唠娏髅}沖傳遞到凈化腔13的電極上。放電電容54(見圖3)是一個40.0微法的脈沖放電型電容，設(shè)計電壓為3500伏。通過使用一個具有足夠di/dt和峰值電流容量的大功率固態(tài)開關(guān)56使電容器54放電，在大約1.0微秒的時間內(nèi)使電容器54上的電荷排放到輸出脈沖變壓器上。可設(shè)計輸出脈沖變壓器，使其在實際陽極部件23產(chǎn)生40,000伏的電壓、70安培的脈沖電流，該實際陽極部件23是通過潛入水中的氣體噴射管21的高壓形成的，以便在放電區(qū)域26劇烈放電。脈沖變壓器58的這一輸出值要求電容器54和開關(guān)56的輸入值為1500伏、1100安培。開關(guān)56接到信號就打開一個每秒鐘能產(chǎn)生50-100個脈沖的電子定時板60。脈沖放電電容器54在幾毫秒的時間內(nèi)通過電源變壓器63和整流器64充電到1500伏的直流電壓，該變壓器63和整流器64從電源線62獲得電能。脈沖電源系統(tǒng)50的設(shè)計必須包括常規(guī)工程所需要的瞬時保護器件，以防止開關(guān)56過早地失效。
脈沖電源系統(tǒng)50在放電區(qū)域26中將產(chǎn)生所需要的高能放電或電弧27。這種放電每秒鐘大約出現(xiàn)60次，峰值功率為1.2兆瓦。脈沖寬度大約為5微秒(全寬度一半的最大值)，每個脈沖的功率為7.0焦耳。在靠近形成放電區(qū)域26的陽極部件23和陰極部件32的末端之間的間隙大約為2.0cm。
凈化腔13中有部分高能脈沖，結(jié)果穿過氣體或空氣通道產(chǎn)生了劇烈脈沖電弧27。該氣體通道浸沒在被凈化的液體(水)中。凈化腔13的尺寸是獲得希望的凈化度所必需的總平均放電能量和穿過該凈化腔流速的函數(shù)。局部脈沖壓力在100-1000MPa之間，局部溫度大約為10,000-15,000K。
一旦電弧27在冷氣體通道中形成，它會很快膨脹，然后當(dāng)其迅速冷卻時，它又會收縮。結(jié)果產(chǎn)生了不同的壓力波，在凈化腔13內(nèi)可以看到?jīng)_擊波。沖擊波是凈化過程開始時的一種最初效果，它可以直接殺死一些微生物和細(xì)菌，并且可以打破在許多病毒和細(xì)菌上看到的外部保護殼。產(chǎn)生電弧的沖擊波還可以產(chǎn)生高度集中的脈沖。這種脈沖是一種很強的紫外線(UV)輻照源，它本身就可以殺死許多細(xì)菌和病毒，并能夠產(chǎn)生一些改變化學(xué)污染物/毒性所需要的受激原子團。脈沖還能夠?qū)⒗錃怏w通道中的氧氣轉(zhuǎn)化成臭氧。眾所周知臭氧是一種很強的氧化劑，使用它可確實達(dá)到凈化水的目的。
電弧的另一個主要效果是產(chǎn)生了水合電子、離子和受激原子團，如H、OH、HO2、H2O2等等。這些原子團能夠直接作用于細(xì)菌和病毒，并用不同方式改變其化學(xué)毒性。這部分凈化過程的作用很象已有技術(shù)的注入H2O2(過氧化氫)系統(tǒng)，利用紫外線UV將H2O2分解成需要的受激原子團，但費用又很低。此外，與其它作用(臭氧、紫外線、脈沖和沖擊)的協(xié)同作用進一步提供了凈化能力。
建造一個實驗系統(tǒng)10，對該處理方法的有效性進行試驗。用大腸桿菌測試對細(xì)菌影響。當(dāng)嚴(yán)重污染的水流過本系統(tǒng)10時，在試驗過程中大腸桿菌明顯減少或消失了。在實驗過程中還要確定系統(tǒng)的能量效率。將廢水的凈化程度與能量消耗和能量效率作一比較。下列數(shù)據(jù)表示的是凈化實驗的結(jié)果和得到這些結(jié)果所需要消耗的能量。滿足飲用水要求消耗的能量W＝3.5J/cm3(1kWh/m3)-凈化到飲用水標(biāo)準(zhǔn)(99.5％)滿足環(huán)境要求消耗的能量W＝1J/cm3(0.3kWh/m3)-滿足環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)的凈化程度。
凈化單元12中的凈化腔13帶有陰極組件30和陽極組件22，在陰極組件和陽極組件上產(chǎn)生了高電壓和高電流電弧。單個凈化腔13帶有一個或多個放電區(qū)域26，該放電區(qū)域26是由一對或多對陰極和陽極組件30、22，或多對陽極組件22與一對陰極組件30限定的。系統(tǒng)10帶有一個或多個串聯(lián)或并聯(lián)排列的凈化單元12，其數(shù)量和排列方式由水的流速和一次通過凈化系統(tǒng)10所要達(dá)到的凈化程度來確定。凈化腔13的尺寸取決于水穿過凈化腔13的流速，和對電弧產(chǎn)生的沖擊波凈化腔12的機械共振程度。
氫氣注入系統(tǒng)10產(chǎn)生的強烈電弧將許多水分子分解成氫氧根離子和游離氫。這些離子的作用相當(dāng)于強氧化劑，并且在水中可以與有機烴類相結(jié)合，形成可釋放到大氣中的二氧化碳。不幸的是發(fā)生了產(chǎn)生不良副產(chǎn)物的氧化過程。在這種情況下，就要取消或避免使用這種氧化劑，并突出不同凈化作用。
這種電弧很熱，接近15000K，高溫本身就可以殺死任何活有機體或分解大多數(shù)與電弧相接觸的化合物。如果在電弧中注入氫氣，或者在水穿過電弧之前將氫氣溶解在水中，可以提供凈化效果，因為氫和任何一種氧化劑結(jié)合都可以生成水或過氧化氫，由此消除了進一步氧化存在的元素或化合物的可能性。該過程非常有效，它能將被氧化的元素還原成水的堿性形式，作為最終副產(chǎn)物。
能夠被高溫電弧的電子還原成其堿性元素的化合物的兩個例子是溴酸鉀和氯仿。溴酸鉀是一種危險的致癌物，當(dāng)用臭氧進行凈化的水中存在溴元素時，就會產(chǎn)生溴酸鉀。它將這種安全的元素氧化生成了不安全的化合物。
過氧化氫注入已有技術(shù)中采用的一種凈化水的方法是加入過氧化氫。該方法采用過氧化氫(H2O2)和紫外線UV閃爍燈以產(chǎn)生氫氧根。這些氫氧根離子可與任何有機化學(xué)物質(zhì)相結(jié)合，以有效地氧化這些化學(xué)物質(zhì)，生成作為最終產(chǎn)物的二氧化碳(CO2)。最近有關(guān)該方法的報告表明，過氧化氫的量比最初設(shè)想的多得多?，F(xiàn)實中在使水經(jīng)受紫外線照射之前，常加入過氧化氫進行預(yù)處理，以降低水的濁度，因為紫外線不能穿過混濁的水。加入過氧化氫直到混合物的pH接近5.5。這需要10-15％的過氧化氫。通常隱藏了預(yù)處理的費用，它不會加到所公布的每加侖水所需要的費用上。已有技術(shù)的系統(tǒng)具有從水中除去有機化合物的功能，但處理費用高。使用過氧化氫和紫外線閃爍燈方法的一個主要缺點是紫外線燈由于很快被蓋住而失效了。尤其是在溶解金屬(如鐵)濃度很高的時候。本發(fā)明系統(tǒng)的特點在于，由于電弧直接產(chǎn)生了紫外線，并且沒有可以被溶解金屬弄贓的玻璃殼。事實上，新系統(tǒng)能夠通過在電弧中注入氣體如氬氣，以增加紫外線的輸出量。這就相當(dāng)于有一個不帶玻璃殼的紫外線閃爍燈。因為殺死病菌需要紫外線，這種在紫外線中注入氣體的方法還可以應(yīng)用到細(xì)菌和病毒(大腸桿菌)的消毒器上。
本發(fā)明的系統(tǒng)還可以通過放電過程提高過氧化氫注入的利用率，產(chǎn)生一個用紫外線將過氧化氫分解成氫氧根(與有機化合物反應(yīng))的電化學(xué)分解與電振動、紫外線照射、離子再生和機械沖擊相結(jié)合的協(xié)同效應(yīng)。這種效應(yīng)是初始的/通過高能放電連同注入少量過氧化氫一起產(chǎn)生的。
電弧和過氧化氫的注入產(chǎn)生了高強度的紫外線輻照，紫外線輻照以前就顯示出具有殺死活有機體的功效。注入的過氧化氫直接被電弧產(chǎn)生的紫外線激活，這能顯著地降低對過氧化氫的需求量，并且能防止在已有技術(shù)的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的紫外線燈被污染和失效的現(xiàn)象。
放電將水本身分解成受激氫氧根離子和游離氧，游離氧可以與有機化合物相化合，可用與單獨使用過氧化氫相同的方式除去這些化合物。當(dāng)經(jīng)受高強度紫外線輻照時，所注入的少量過氧化氫會分解成氫氧根離子，該氫氧根離子與電效應(yīng)協(xié)同作用，從而將污染物降低到接近零的水平。
通過加入二氧化鈦，然后用紫外線輻照進行催化可以得到類似的提高凈化效率的效果。這樣將會增加在未處理水中氫氧根離子的濃度。進一步，為得到類似的效果，可在凈化腔13的內(nèi)壁表面涂覆二氧化鈦。
廢水的低流量間隙處理圖4-8表示的是本發(fā)明液體凈化系統(tǒng)的第三個實施方案，它是為廢水的低流量間隙處理而建造的。在本實施方案中，在三個獨立階段首先在預(yù)處理池40、然后在凈化單元12、接下來在后處理池41對水進行處理。儲槽76用于儲存在預(yù)處理池40注入到廢水中的過氧化氫。加入過氧化氫(或類似反應(yīng)物)的目的是增加直接攻擊細(xì)菌和病毒的受激原子團的濃度。在水進入凈化單元12之后，采用一個包括循環(huán)泵82、循環(huán)管線84和止回閥83的水循環(huán)系統(tǒng)對水進行循環(huán)，以延長污水在凈化單元12的凈化腔13中經(jīng)受電弧產(chǎn)生的紫外線輻照的時間。穿過陽極組件22注入凈化腔13的空氣從空氣儲罐88通到到凈化單元12中，上述空氣儲罐88由壓縮機90提供空氣。過濾器91從空氣中除去塵土，開關(guān)89使壓縮機90根據(jù)對空氣的需求在開和關(guān)狀態(tài)下運行。調(diào)節(jié)器87使氣體的壓力保持在高于凈化單元12處理壓力的最佳值，以便在電弧放電區(qū)域得到穩(wěn)定的氣泡。
在水從排放口18離開凈化單元12之后，它穿過凈化單元排放管92流動并流過臭氧塔93。當(dāng)水在臭氧塔93中時，分配板94打碎水中氣泡，以加速釋放和分配凈化單元12中電弧產(chǎn)生的臭氧。然后水流入后處理池41中。從這里水通過排水泵97穿過處理水排放管100排走。當(dāng)后處理池41排空后，啟動后處理池中的低水位浮動開關(guān)98。
當(dāng)系統(tǒng)10運行時，在現(xiàn)場儲罐15中充滿污水，儲罐76中充滿過氧化物。將儲罐的低液位浮動開關(guān)77放置在“開”的位置。預(yù)處理池40和后處理池41都是空的。啟動儲槽泵的開關(guān)112、啟動排水管的開關(guān)111、啟動電弧的開關(guān)110、啟動過氧化物泵的開關(guān)120、啟動警報開關(guān)117和啟動壓縮機的開關(guān)118都被接到其“開”的位置。當(dāng)啟動電弧開關(guān)處于“開”位置時，關(guān)閉產(chǎn)生電弧的繼電器114。啟動過氧化物泵的開關(guān)120可關(guān)閉繼電器125。如果現(xiàn)場儲罐15是滿的，浮動開關(guān)43就可被接通。然后穿過預(yù)處理池低水位浮動開關(guān)71接通電源。這樣就鎖住了繼電器101(見圖5)，打開了儲罐泵42和過氧化物泵79。未處理水穿過原水管線45流動，并流過篩網(wǎng)過濾器44。然后過氧化物穿過過氧化物供應(yīng)管78、止回閥80、過氧化氫流動控制閥并在進口48流入預(yù)處理池40。在系統(tǒng)10的使用者使用定時器102設(shè)定了預(yù)處理的時間期限后，關(guān)掉過氧化物泵79。當(dāng)浮動開關(guān)108探測到預(yù)處理池40是滿的時，打開繼電器101，關(guān)掉儲槽泵42，并使螺管啟動的空氣閥85與電源接通。當(dāng)空氣流動開關(guān)86探測到空氣已流入凈化單元12中時，流量總線105接通電源。
當(dāng)流量總線105與電源接通時，啟動預(yù)處理池泵70和循環(huán)泵82，并打開流量閥73。水穿過預(yù)處理池排放管的流動引起水流探測器開關(guān)74對凈化單元12的水流進行探測，由此啟動電源脈沖單元50(見圖5)。
水從凈化單元12流過臭氧塔93、后處理池進水管95并流入后處理池41。凈化單元12中的一部分水穿過循環(huán)管84、止回閥83、和循環(huán)泵82循環(huán)流動，以增加經(jīng)受紫外線照射的時間。當(dāng)后處理池41充滿后，后處理池高水位浮動開關(guān)103使脈沖單元50和流量總線105與電源斷開。然后開啟定時器106。當(dāng)定時器106在大約8分鐘后完成一個操作過程時，定時器繼電器124關(guān)閉。自鎖繼電器107關(guān)閉并打開螺管啟動的排水閥99，排水泵97開始排走后處理池41中的水。然后處理后的水通過排放管100從系統(tǒng)中排走。
在給定時器106通電時，也給自鎖繼電器101通電了，使其又開始了一個新周期的運行。在初始運行周期之后，隨著后處理池41的排空，預(yù)處理池40將被充滿。
預(yù)處理池40和后處理池41分別設(shè)置有一個通風(fēng)口47和96，以排放空氣和系統(tǒng)中的其它氣體。此外，還有一個空氣抽吸管49從廢水循環(huán)管84連接到預(yù)處理池40，用于從凈化單元12除去過量的氣體。
在系統(tǒng)10的某種應(yīng)用中，在排放管72中使用了一個增壓泵75，以使廢水能以適當(dāng)?shù)牧魉購念A(yù)處理池40流動到凈化單元12。
圖5是控制系統(tǒng)的示意圖，用于控制脈沖發(fā)生器50以及各種閥門和圖4中的其它組件。通過主開關(guān)123使系統(tǒng)10與常規(guī)的220伏交流電源62相連。然后主電源變壓器36為總線121提供120V的交流電，并為總線122提供220V的交流電。當(dāng)總線122由開關(guān)器126保護時，總線121則受環(huán)路開關(guān)器127的保護。預(yù)處理池低液位開關(guān)71(假設(shè)預(yù)處理池40是空的)使繼電器101閂鎖住，并接通儲罐泵42和過氧化物泵79。定時器102使過氧化物泵79運行大約20秒，然后關(guān)掉它。使用者可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)過氧化物泵79的運行時間。當(dāng)預(yù)處理池高液位浮動開關(guān)108探測到預(yù)處理池40是滿的時，打開繼電器101。這樣就關(guān)掉了儲罐泵42，并使螺管控制的空氣閥85與電源接通。當(dāng)空氣流量開關(guān)86探測到空氣流入凈化單元12時，使流量總線105接通電源。通電的流量總線105啟動預(yù)處理池泵70和循環(huán)泵82，并打開廢水流量閥73。使流入的廢水從預(yù)處理池40流動到凈化單元12中。
設(shè)置一個報警系統(tǒng)116以監(jiān)測凈化單元12缺少電弧或其它非正常運行狀況。在報警狀態(tài)下，使用者可以選擇使用超越開關(guān)113，跨過報警繼電器115。另一方面，在報警情況被校正之后，系統(tǒng)10能夠使用重復(fù)啟動開關(guān)109而重新啟動。當(dāng)系統(tǒng)控制柜的柜門(未示出)敞開時，使用者可以用動力聯(lián)鎖超越開關(guān)119啟動系統(tǒng)10。
圖8是用于低流量間歇處理系統(tǒng)10的凈化單元12的放大示圖。矩形外殼14包容著一個圓柱形的內(nèi)部凈化腔13。陽極組件22和陰極組件30固定在兩相對的位置上，在靠近陽極部件23和陰極部件32的末端區(qū)域之間限定了一個放電區(qū)域26。未處理水在入口16流入凈化單元12，處理后的水從穿過陰極組件30的排放管18流出。適當(dāng)?shù)剡x擇凈化單元12的凈化腔13的尺寸，使凈化腔13與凈化腔13內(nèi)部產(chǎn)生的近60HZ頻率的沖擊波聲學(xué)共振。在低流量間歇處理系統(tǒng)中，凈化單元12的一個最佳實施方案是凈化單元12的外殼14是20″×24″×2″。于是凈化腔13的直徑為20″。
圖6a和6b是陰極組件30的放大圖，圖7a和7b是陽極組件22的放大圖。陽極組件22包括絕緣體24，它最好由單塊TeflonPTFE或類似的非導(dǎo)電材料制成。同心設(shè)置在絕緣體24內(nèi)的是陽極部件23，它主要由銅管或類似的金屬管制成。并帶有一個氣體噴嘴21，因此可允許空氣和其它氣體穿過陽極組件22進入凈化腔13中，陽極部件23有一個環(huán)狀小孔，該小孔穿過陽極部件23的中心通到對面的陰極組件30，小孔的開口開在凈化腔13中。由于在電弧發(fā)生期間銅容易迅速分解，因此陽極部件23的末端有一個鎢或類似金屬的凸出部分(未示出)，它能夠用最小的磨損經(jīng)受重復(fù)產(chǎn)生的電弧。該凸出部分最好是設(shè)置在陽極部件23內(nèi)側(cè)的一環(huán)狀物，它大約向里延伸四分之一英寸(1/4″)，凸出部分的頂表面與陽極部件23的一端平齊。陽極部件23與絕緣體24之間的接合處用密封圈28進行密封防止液體流出，參見圖7a。將伸出凈化腔13的陽極部件23的末端加工成或設(shè)置一個裝配部件，以便于安裝空氣閥85的軟管。
下面參見圖6a和圖6b，陰極組件30也有一個絕緣體33，它圍繞陰極部件32同心設(shè)置。最好陰極部件32也由帶凸出部分(未示出)的銅管制成，該凸出部分可由鎢或類似金屬制成，形成電弧接收區(qū)域。陰極部件32的末端有一個彎管，該彎管構(gòu)成了排水口18，將它加工得或者另一方面使它適合與凈化單元的排水管92(見圖4)相連。另外與陰極部件32相連的裝配部件17連接到循環(huán)管84上(見圖4)，以便允許水在凈化腔13內(nèi)循環(huán)，并從凈化單元12中除去空氣。在陰極部件32與絕緣體33的接合處設(shè)置了一個密封圈35，以防止水從凈化腔13的內(nèi)部泄漏。由于在本實施例中陰極部件32沒有一個密封端，處理后的水穿過陰極部件32流出凈化腔13。實際上電弧與陰極部件32的周圍接觸。
這一特殊系統(tǒng)需要的平均輸入功率只有500瓦，包括凈化腔13、多個泵、和多個控制器。唯一的消耗材料是注入的過氧化物，它消耗42加侖/周。當(dāng)系統(tǒng)運行實驗時，在處理前后對污水進行測試得到下列結(jié)果處理前的濃度 19.2PPM處理后的濃度 ＜0.05PPM對該單元進行現(xiàn)場實驗表明處理前的濃度是22PPM，處理后的濃度是0.6PPM。
為了防止化學(xué)污染物污染地下水，為大型工程進行進一步實驗。該項處理包括在沖洗水和暴雨徑流水污染地下水之前，對它們進行處理。在待處理水中監(jiān)測到大量的各種各樣的有機物。最昂貴的處理方法是加入1％的過氧化氫，以增加氫氧根離子的數(shù)量和滯留時間使氫氧根離子與臭氧充分反應(yīng)。本發(fā)明系統(tǒng)能夠非常有效地解決下述化學(xué)物質(zhì)的污染問題。被處理的主要化學(xué)物質(zhì)和處理結(jié)果如下化學(xué)物質(zhì) 處理前 處理后三氯氟甲烷 71.85ppm ＜1ppb四氯化碳 84.30ppm 未檢出苯 57.09ppm ＜1ppb三氯乙烯 66.26ppm ＜1ppb四氯乙烯 117.5ppm 未檢出甲苯 77.03ppm ＜1ppb1，1，2，2-四氯乙烷 126.4ppm ＜1ppb1，4-二氯苯 139.5ppm 0.02ppm萘 134.8ppm 未檢出污泥處理圖9-21表示的是本發(fā)明的第四個實施方案，它特別適合于處理污泥。系統(tǒng)10的三個基本污水管道布置如圖10a，10b和10c所示。未處理污泥通過進水管55進到處理腔13中。閥門73使處理腔13與其它設(shè)備隔離開以便于維修。另一方面，打開閥門73，使污泥在入口16流入處理單元12的處理腔13。設(shè)置一個排水閥65以排空處理腔13內(nèi)的所有污泥進行維修。通過螺管控制的空氣閥85從外部給處理腔13提供空氣或其它氣體。使用空氣有兩種目的。第一，如前所述穿過陽極組件22為處理腔13內(nèi)的電弧放電區(qū)域26提供空氣，幫助產(chǎn)生電弧。第二，在陽極部件23和陰極部件32之間的區(qū)域吹入空氣，以便去除積累在那里的渣滓。
污泥在處理單元12中處理之后，通過排放口18和應(yīng)急排放閥99排放到處理后污泥排放管100中。
圖10b表示的是系統(tǒng)10的另一種布置，其中兩個處理腔13a和13b串聯(lián)設(shè)置在處理單元12中，第一處理腔13a的出水口是第二處理腔13b的進水口。然后既在第一處理腔13a通入空氣，也在第二處理腔13b通入空氣。
圖10c表示的是本實施方案的另一種改進，其中兩個處理腔13a和13b并聯(lián)運行而不是串聯(lián)運行。
圖11a、11b和11c分別是對應(yīng)于如圖10a、10c、和10b所示污泥處理系統(tǒng)不同實施方式的處理單元12的透視圖。處理腔13(未示出)包在外殼11內(nèi)，該外殼11包括帶有法蘭29的位于外殼一端的進口16，和位于另一端的也帶有法蘭29的排水口18。圖11b顯示的是圖10c所示系統(tǒng)10的實施方案，它有兩個排放口18，每一個排放口都有法蘭29，它們分別與第一處理腔13a和第二處理腔13b相連。在外殼11的一個側(cè)壁上設(shè)置有開口141以使各種所需的控制電纜穿入處理腔12。
圖12是對應(yīng)于圖10a所示實施方案的處理單元12的進一步放大圖，虛線表示的是內(nèi)部處理腔13。圖12還顯示出在處理單元12的外殼11上安裝了一個沖擊探測器147，用于探測處理腔13內(nèi)有還是沒有電弧。在外殼11上還為吹除閥159(見圖21)和裝配部件143安裝了一個吹除閥門組件142，以便與陽極空氣閥174相連，安裝在陽極氣體管上的球狀調(diào)節(jié)器144將氣體的壓力保持在比處理腔13內(nèi)污泥壓力高出大約6-8PSI的水平上。這樣有利于在電弧放電區(qū)域26內(nèi)產(chǎn)生氣泡以保持電弧的持續(xù)產(chǎn)生。在如圖12所示，外殼11的頂壁上安裝一個連接器145，以便使該連接器同心地連接在脈沖發(fā)生器50(未示出)上，將第一和第二陽極組件22以及第一和第二陰極組件30安裝在處理腔13內(nèi)。
圖13a是用于污泥處理系統(tǒng)10的處理腔13的放大圖，它有污泥進口16和出口18，處理腔13的頂部和底部密封有頂板135和底板136。在底板136上安裝有第一和第二陽極組件22(見圖13b)。頂板135上安裝著第一和第二陰極組件30(見圖13b)。頂板135和底板136與處理腔13的側(cè)壁154相連接。此外，處理腔13的尺寸應(yīng)當(dāng)能夠在60Hz或接近60Hz的頻率下與沖擊波共振，從而提高電弧產(chǎn)生沖擊波的效率。另一方面，應(yīng)當(dāng)將它的尺寸制造的盡可能的小，以使盡可能多的污泥經(jīng)受沖擊波的處理而不會限制污泥的流動。在污泥處理系統(tǒng)的一個實施例中，處理腔13的尺寸是高10″，深大約5″，寬7″。
圖13b是陰極組件30和陽極組件22的放大圖，它們位于圖13a處理腔13的兩相對的頂板和底板上，并在它們之間限定了兩個電弧放電區(qū)域26。陽極組件22的絕緣體24包括一個近似圓錐形的部分37、圓柱形的末端部分38和中心法蘭部分39。優(yōu)選地，陽極組件22由單塊TeflonPTFE制成或由類似的不導(dǎo)電材料制成。陽極部件23穿過絕緣體24中心的中心孔，允許空氣穿過陽極組件22進入放電區(qū)域26。
陰極組件30也包括一塊由圓柱形末端部分38構(gòu)成的絕緣體33、一個近似圓錐形的部分37、和一個法蘭39。陰極部件32也穿過絕緣體33的中心進入電弧放電區(qū)域26，只是在本實施方案中將其端部密封住，不讓污泥穿過陰極組件30。
圖14和15提供了處理腔13的附加技術(shù)特征。在處理腔13的側(cè)壁上設(shè)置有一對吹除管接頭138，以便與凈化單元吹除管裝配部件142(見圖12)的空氣管相連。然后，將空氣通入每一個電弧放電區(qū)域26以便除去積累的渣滓。調(diào)節(jié)器入口管接頭139連接到球形調(diào)節(jié)器144上(見圖12)，用于提供處理腔13內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)。類似的，沖擊波探測器接頭137使處理腔13與沖擊波探測器147相連。
圖16是處理腔13和頂板135的俯視圖。
圖17是顯示處理腔13內(nèi)緩沖板153位置的剖視圖，緩沖板153的作用是使未處理污泥最大限度地暴露在處理腔13的每一個電弧放電區(qū)域26。
圖18顯示的是如圖10b所示在單個處理單元12內(nèi)串聯(lián)連接的兩個處理腔13a和13b。注意，正電纜20與每一個陽極組件22相連，而負(fù)電纜19與每一個陰極組件30相連?？諝夤芙宇^140與空氣源相連，以穿過陽極組件22提供空氣。
圖19a和19b提供了如何將陽極組件22和陰極組件30固定在處理腔13的頂板135上的詳細(xì)情況。陰極組件30的絕緣體33的法蘭部分39用于裝配頂板135的頂板表面。緊固板150放置在法蘭部分39的上面，并且被緊固螺母151沿向下的方向緊固住。墊塊152焊接并裝配在緊固板150的下表面和頂板135的頂表面之間，以便為緊固它們提供杠桿作用。陽極組件在底板136上的緊固也可以采用類似緊固方式。
圖20是本實施方案系統(tǒng)使用的脈沖發(fā)生器50的示意圖。在該最佳實施方案中，如果在每一個處理腔13內(nèi)都有兩個陽極組件和陰極組件，那么就要有兩個脈沖發(fā)生器50a和50b。通過固態(tài)開關(guān)56穿過脈沖變壓器58產(chǎn)生電弧。電源整流部分64為開關(guān)單元56供電。定時回路60在固態(tài)開關(guān)56的SCR門產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拿}沖，以便接通和關(guān)閉電弧。通過第一繼電器51、熱回路總閘53和延時繼電器52使脈沖發(fā)生器單元50通電。延時繼電器52有6秒的延時以便完成吹除放電區(qū)域26的操作，并且在給固態(tài)開關(guān)56通電之前穩(wěn)定定時回路60的脈沖觸發(fā)器。最佳脈沖頻率是60Hz，脈沖寬度是15微秒。每一電弧的峰值電壓是35kv，峰值電流是70安培。固態(tài)開關(guān)必須是一種設(shè)備，例如一種有很快上升時間的可控整流器(SCR)。該可控硅整流器的模擬數(shù)是TR220CH12FHO，Westcode公司出售的商品適合本發(fā)明。它的額定容量為4000伏，20KA。
優(yōu)選地，將系統(tǒng)布置得使每一凈化腔中的每對電極同步運行，在每一凈化腔中設(shè)置兩個電弧放電區(qū)域26。兩個凈化腔都有備份以便長期運行，每一個凈化腔13a和13b都通過兩個相同的脈沖發(fā)生器50接通電源，一個凈化腔有一對電極。每對脈沖發(fā)生器50構(gòu)成了一個電路。因此，本文描述的脈沖發(fā)生器50a或50b本身就包括兩個一起工作的單元，單個單元如圖20所示。圖9顯示的是系統(tǒng)10控制柜130中某些組件的位置和子系統(tǒng)，包括主閘123、主電源變壓器36、鼓風(fēng)機繼電器156和第一和第二電路脈沖發(fā)生器50a和50b，每一個電路都有兩個單元。
圖21是本發(fā)明污泥處理系統(tǒng)10的控制系統(tǒng)的示意圖。轉(zhuǎn)換開關(guān)155可將系統(tǒng)10要么置于關(guān)的狀態(tài)，選擇對應(yīng)于第一處理腔13a的電路1運行，對應(yīng)于第二處理腔13b的電路2運行，一個自動轉(zhuǎn)換器，它每30分鐘在電路1和電路2之間進行自動轉(zhuǎn)換，要么置于聯(lián)合轉(zhuǎn)換模式，其中電路1(凈化腔13a)和電路2(凈化腔13b)同時運行。
如果將系統(tǒng)10置于自動轉(zhuǎn)換模式，則首先給電路1(圖10c的凈化腔13a)通電。給鼓風(fēng)機繼電器156通電以接通換氣扇157。然后，第一電路吹除定時器158a使吹除閥159a啟動兩秒，以便為第一凈化腔13a的電弧放電區(qū)域26提供吹除用的空氣(優(yōu)選的在100到120PSI)。這樣，可以除去任何積累在凈化腔13a靠近放電區(qū)域的渣滓。同時也給故障電路通電，其目的是在探測不到電弧時要么關(guān)掉系統(tǒng)10，要么使它自動轉(zhuǎn)換到另一電路。因此，使第一電路故障自鎖繼電器的定時器160a延時30秒，使第一電路故障自鎖繼電器162a接通電源，以便允許第一電路脈沖發(fā)生器50a產(chǎn)生并形成穩(wěn)定的電弧。在這一延時之后，第一電路振動探測器147a漏檢的電弧會使第一電路故障自鎖繼電器162a關(guān)閉。
同時，給第一電源繼電器51a通電，它又使第一電路脈沖發(fā)生器50a與電源接通。在脈沖發(fā)生器單元50a(圖21中的時間延時繼電器52a)中建立6秒的延時。使裝有30分定時的定時器167接通電源。在定時時序的最后，定時器167使電路選擇繼電器171通電，使電路1斷電(第一脈沖發(fā)生器單元50a)，并使電路2(第二脈沖發(fā)生器單元50b)接通電源，整個時序運行結(jié)束。
假設(shè)第一和第二電路能使開關(guān)172a或172b接通，在運行的處理腔13a或13b中損失的電弧會在沖擊波探測器147a或147b上產(chǎn)生很大的信號。這樣要么使繼電器162a要么使162b接通電源和自鎖，由此切斷定時器167，開關(guān)171要么接通電源要么重新啟動，選擇另一電路。重新啟動開關(guān)166會使系統(tǒng)10在探測到故障之后重新啟動。此外，如果在按動重新啟動開關(guān)166之前兩個電路都出現(xiàn)了故障，在探測到故障的內(nèi)電路中，不自鎖的繼電器(要么是162a要么是162b)將會使整個系統(tǒng)10關(guān)閉。這樣可防止系統(tǒng)10在兩個死電路之間重復(fù)擺動。在正常運行時，污泥處理系統(tǒng)10是連續(xù)運行的。
在殺死病菌對污水進行處理時，出現(xiàn)了許多也許是較顯著的副作用。實際上用于污水處理的活有機物或“細(xì)菌”在處理過程中被改變了。還發(fā)現(xiàn)改變的細(xì)菌組織明顯縮短了脫水時間，并在當(dāng)今絕大多數(shù)處理場都采用的污泥處理過程中增加了水的去除率。根據(jù)這種論點，在實際污水處理場對污泥進行脫水實驗。結(jié)果新系統(tǒng)10能夠以兩倍于單獨使用常規(guī)設(shè)備的速度對生物污泥進行脫水。系統(tǒng)10能夠使用現(xiàn)有的或新的脫水設(shè)備，并以兩倍的速度運行，或以一半的時間運行一個周期。這樣可以應(yīng)用所有現(xiàn)有技術(shù)的脫水方法和設(shè)備，包括皮帶擠壓機、壓濾機和離心脫水設(shè)備。它是用電的且需要很少的能量，包裝尺寸小，且初始的硬設(shè)備造價低。
污泥處理的重要作用是通過電弧產(chǎn)生的非常劇烈的沖擊波。過壓達(dá)到5000大氣壓。正是這種劇烈的振動破壞了細(xì)菌的外殼組織。在污泥進入脫水運行之前，對污泥進行振動處理可迫使大量的有機物脫除所含的水分?？梢酝ㄟ^破壞細(xì)胞膜釋放液泡中的液體達(dá)到上述目的。結(jié)果加速了脫水過程并可得到干燥的濾餅。
在水中產(chǎn)生電弧是該方法的關(guān)鍵。由于水是很好的非導(dǎo)電材料，所以很難在水中產(chǎn)生電弧。以脈沖方式，水的介電常數(shù)是47。因為現(xiàn)實中的水都是不純的，所以水也有很高的導(dǎo)電率，由于降低了預(yù)期的有效電壓和激發(fā)電弧需要的電應(yīng)力集中量級的電阻，即使很困難還是產(chǎn)生了電弧。只有通過使用高峰值功率和具有很快上升時間的短脈沖才能克服這些問題。開始時就可以看到顯著效果所需要的峰值功率是每個脈沖1兆瓦。由于本系統(tǒng)使用的是短脈沖，所以總能量消耗低，運行費用也相當(dāng)?shù)?。例如平?000瓦的功率可以每分鐘處理100加侖。粗略地估計相當(dāng)于一個家庭熱水器。
用不同來源的污泥對本系統(tǒng)進行測試，并使脫水時間從2倍減小到4倍。實驗室試驗表明，300瓦功率每分鐘能夠連續(xù)處理70-150加侖的污泥，無需附加能量和化學(xué)處理劑。
結(jié)果表明本發(fā)明的新系統(tǒng)能夠改進所有類型的生物污泥和某些類型的非生物污泥的脫水效率。在處理過程中還可往電弧中注入空氣和氧氣以產(chǎn)生臭氧。這種臭氧是一種強氧化劑，因此當(dāng)細(xì)胞壁被破壞內(nèi)部液體流出時，它有助于抑制BOD和COD的增加；然而，當(dāng)細(xì)胞壁被破壞，含有氮和磷的內(nèi)部液體流出時，增加了水中的營養(yǎng)物質(zhì)。通常磷的濃度增加了四倍，或大約0.2-0.8ppm。由于磷是“細(xì)菌”基本的營養(yǎng)物質(zhì)，所以希望磷能夠毫無問題地返回到處理裝置的首端，以便節(jié)省運行費用。在磷成問題的情況下，在濾液返回系統(tǒng)之前，可加入生石灰或熟石灰以使磷沉淀出來。在使用熟石灰的情況下，中和1.0ppm的磷需要0.85ppm的熟石灰，或每百萬加侖的水大約需要8鎊。
本系統(tǒng)重力脫水的速率是單獨使用常規(guī)設(shè)備的兩倍。最后濾餅的干燥度改進了3.5-10％。應(yīng)當(dāng)注意濾餅干燥度的增加與適當(dāng)?shù)剡x擇聚合物的種類和數(shù)量有關(guān)。當(dāng)用電弧系統(tǒng)處理污泥時，與其相連接的負(fù)電荷較少，因而為了進行中和需要聚合物的正電荷就較少。需要聚合物的量也將減少。重要的一點在于處理前后理想的聚合物是不同的。對該系統(tǒng)進行實驗，并驗證下列實驗結(jié)果濾餅干燥度增加、生產(chǎn)能力增加、聚合物需求量減少、聚合物組成改變、水需求量減少、濾出水中的TSS、殺死的病菌、濾液中磷和氮的含量、COD和BOD。在整個擴展實驗期間平均結(jié)果如下-濾餅的干燥度增加了3.5％。
-濾出水中的TSS減少了80％。
-每天從TSS減少的回流固體為2.9噸。
-聚合物用量減少29％。
-濾液中大腸桿菌數(shù)從每100ml2200個菌落減少到200個菌落。
-每天降低聚合物稀釋用水28,800加侖。
-濾液中磷濃度從0.19ppm增加到0.71ppm。
-COD為400。
殺死包括大腸桿菌和其它細(xì)菌和病毒在內(nèi)的病菌主要靠的是水下電弧產(chǎn)生的紫外線照射。為了得到每個脈沖的最大紫外線能量，需要的電弧溫度大約為15000k，它發(fā)出250到270毫微米之間的柔紫外線。大規(guī)模的紫外線研究表明當(dāng)能量集中在260nm時，殺死病菌的效率最大。這與本發(fā)明系統(tǒng)是一致的。
在常規(guī)處理系統(tǒng)中，經(jīng)常在污泥中加入聚合物“凝聚”污泥，也就是說，使懸浮物質(zhì)凝聚并且要么懸浮要么沉淀。一旦污泥流過本發(fā)明的系統(tǒng)，要求的聚合物就要改變。由于被處理的物質(zhì)使污泥電荷中負(fù)電荷較少，所以所需要的聚合物的種類將不同，并且由于細(xì)胞組織已經(jīng)改變，所以聚合物的數(shù)量也會不同。與聚合物需求量相關(guān)的最重要的一點是要認(rèn)識到對處理前后的污泥，聚合物的種類是不同的。
在本系統(tǒng)以外的優(yōu)選的聚合物是多正電荷和低分子量的聚合物。在處理過程之后，最佳聚合物是低正電荷、高分子量型。根據(jù)所選擇的聚合物的種類，可降低聚合物用量(20％-40％)。
其它明顯節(jié)省費用的地方已經(jīng)證實過了，包括在濾液中大量地降低總懸浮固體(TSS)，和顯著地減少附加處理水用量。來自皮帶擠壓機濾出水中的TSS通常為2000，在采用本發(fā)明的系統(tǒng)處理后大約為200。這使得數(shù)量減少的固體返回到處理裝置的始端進行重復(fù)處理。由于TSS低，運行的擠壓機非常清潔，因此顯著地降低了沖洗水量。
特殊應(yīng)用上述系統(tǒng)可以用作現(xiàn)有水凈化系統(tǒng)中的低能耗深度后處理器。它在處理含有較大微生物(如那些在許多Mexican供水中發(fā)現(xiàn)的微生物)的污水方面非常出色。該電弧系統(tǒng)還可以取代凈化游泳池水的氯消毒系統(tǒng)。產(chǎn)生的OH基、紫外線輻照和臭氧能夠非常有效地對水進行凈化。
本系統(tǒng)還可以用于凈化含有污染物的空氣，如用于使用揮發(fā)物質(zhì)或溶劑的場合。
因此，盡管本文描述了本發(fā)明的一些特殊實施方案，該實施方案采用新潁而有效的方法和裝置，利用一種注入氣體的電弧放電凈化液體，但是這并不意味著限制了本發(fā)明的范圍，下面的權(quán)利要求書闡明了本發(fā)明的范圍。此外，盡管本文描述了優(yōu)選實施方案中使用的某些尺寸和運行參數(shù)，但是這并不意味著這些尺寸限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍還是由下面的權(quán)利要求書闡明。
權(quán)利要求
1.一種液體凈化系統(tǒng)，包括a.至少一個凈化單元；b.容納待處理液體的凈化腔裝置，該凈化腔裝置所述凈化單元；c.至少一個陽極組件，該陽極組件包括一個陽極部件，至少一個陰極組件，該陰極組件有一個陰極部件，所述陽極部件和陰極部件位于所述凈化腔裝置中相對的兩側(cè)，并在它們之間限定了一個電弧放電區(qū)域；d.引導(dǎo)液流通過接近電弧放電區(qū)域的所述凈化腔裝置的液流裝置；e.向電弧放電區(qū)域的液體注入氣體的氣體注射器裝置；和f.在所述陽極部件和陰極部件之間產(chǎn)生一系列電弧的脈沖發(fā)生器裝置。
2.如權(quán)利要求書1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述氣體注射器裝置含有一個整合到所述陰極組件上的氣體噴嘴。
3.如權(quán)利要求書2所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括在所述凈化腔裝置中循環(huán)液體的液體循環(huán)裝置。
4.如權(quán)利要求書2所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括在液體進入凈化腔裝置之前，向液體中注入增強化合物的離子和游離基團的裝置。
5.如權(quán)利要求書2所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括在液體離開凈化腔裝置之后，在液體中增加氧化劑分布的氧化劑裝置。
6.如權(quán)利要求書2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述氣體噴嘴有一個小孔，它延伸出所述凈化腔，縱向穿過所述陽極部件，在電弧放電區(qū)域開有開口。
7.如權(quán)利要求書6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述陽極組件進一步包括一個設(shè)置在所述陽極部件周圍的絕緣體，所述陽極部件包括一個導(dǎo)電管和一個用第二種金屬制成的凸出部分，所述凸出部分插入所述管中，其靠近電弧放電區(qū)域，從而限定了一個靠近所述陰極部件末端的區(qū)域。
8.如權(quán)利要求書7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述陰極組件包括一個設(shè)置在所述陰極部件周圍的絕緣體，所述陰極部件包括一個導(dǎo)電管和一個用第二種金屬制成的末端，所述末端靠近電弧放電區(qū)域。
9.如權(quán)利要求書8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述陰極部件末端在所述金屬管中限定了一個開口，形成了一個從所述凈化腔裝置內(nèi)部流出并穿過所述陰極部件的液流排放通道。
10.如權(quán)利要求書9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述陰極絕緣體和所述陽極絕緣體都有一個近似圓錐形的部分，它向里向所述電弧放電區(qū)域逐漸變細(xì)。
11.如權(quán)利要求書10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述陰極絕緣體和所述陽極絕緣體都有一個法蘭部件，所述凈化腔裝置包括一個側(cè)壁、與所述凈化腔裝置的所述側(cè)壁相連的一個頂板和一個底板，所述凈化單元進一步包括多個將所述陰極絕緣體的所述法蘭緊固到所述頂板上，和將所述陽極絕緣體的所述法蘭緊固到所述底板上的緊固裝置。
12.如權(quán)利要求書10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述凈化腔裝置進一步包括多個位于所述凈化腔內(nèi)部的引導(dǎo)液體流動的緩沖板。
13.一種低流量間歇水處理系統(tǒng)，包括a、一個預(yù)處理池；b、一個儲罐；c、將增強化合物的離子和游離基團從所述儲罐輸送到所述預(yù)處理池的裝置；d、將未處理水輸送到所述預(yù)處理池中的裝置；e、一個凈化腔，所述凈化腔包括位于該腔中的一對陽極和陰極，在所述凈化腔中的所述陽極和陰極之間限定了一個電弧放電區(qū)域；f、一個在電弧放電區(qū)域中的所述陽極和陰極之間產(chǎn)生一系列電弧的脈沖發(fā)生器裝置；g、在電弧放電區(qū)域的所述凈化腔中注入氣體的裝置；h、一個氧化劑塔，該塔有一個在流過該塔的水中分布氧化劑的裝置；i、將水從所述預(yù)處理池輸送到所述凈化腔中的裝置；j、將水從所述凈化腔輸送到所述臭氧塔中的裝置；k、一個后處理存儲池；l、將水從所述臭氧塔輸送到所述后處理池中的裝置；和m、從所述后處理池排放處理后水的裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的水處理系統(tǒng)，進一步包括在所述凈化腔中循環(huán)水的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的水處理系統(tǒng)，進一步包括控制水流入和流出所述過氧化氫池、所述預(yù)處理池、所述凈化腔、所述臭氧塔和所述后處理存儲池的控制裝置。
16.一種污泥處理系統(tǒng)，包括a、處理單元，該處理單元有第一處理腔；b、安裝在所述第一處理腔內(nèi)兩相對位置上的第一陽極組件和第一陰極組件，并在所述第一陽極組件和所述第一陰極組件之間限定了第一放電區(qū)域；c、將未處理的污泥輸送到所述第一處理腔中的裝置；d、向所述第一處理腔中輸送氣體的裝置，它包括向第一電弧放電區(qū)域注射氣體的第一氣體注射裝置；e、從所述處理單元中排走處理后污泥的裝置；和f、第一固態(tài)開關(guān)裝置，它給第一陽極組件和第一陰極組件產(chǎn)生系列電弧脈沖，所述脈沖有足夠的電壓和電流，以在污泥中產(chǎn)生電弧。
17.如權(quán)利要求16所述的污泥處理系統(tǒng)，進一步包括a、安裝在所述第一處理腔內(nèi)兩相對位置上的第二陽極組件和第二陰極組件，并在所述第二陽極組件和所述第二陰極組件之間限定了第二電弧放電區(qū)域；b、向所述第一處理腔中第二電弧放電區(qū)域注射氣體的第二氣體注射裝置；c、第二固態(tài)開關(guān)裝置，它給第二陽極組件和第二陰極組件產(chǎn)生系列電弧脈沖，所述脈沖有足夠的電壓和電流，以在污泥中產(chǎn)生電弧。
18.如權(quán)利要求17所述的污泥處理系統(tǒng)，進一步包括a、一個第二處理單元，該第二處理單元有第二處理腔；b、安裝在所述第二處理腔內(nèi)兩相對位置上的第三和第四陽極組件以及第三和第四陰極組件，并分別在所述第三陽極組件和所述第三陰極組件之間，以及所述第四陽極組件和所述第四陰極組件之間，分別限定了第三放電區(qū)域和第四電弧放電區(qū)域；c、在所述第二處理腔中分別向第三電弧放電區(qū)域和第四電弧放電區(qū)域注射氣體的第三和第四氣體注射裝置；d、第三和第四固態(tài)開關(guān)裝置，它給第三和第四陽極組件以及第三和第四陰極組件分別產(chǎn)生系列電弧脈沖，所述脈沖有足夠的電壓和電流，以在污泥中產(chǎn)生電弧。
19.如權(quán)利要求18所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于所述第一處理單元和第二處理單元串聯(lián)運行。
20.如權(quán)利要求18所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于所述第一處理單元和第二處理單元并聯(lián)運行。
21.如權(quán)利要求19所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于進一步包括除去積累在所述電弧放電區(qū)域中陽極組件和陰極組件之間的渣滓的裝置。
22.如權(quán)利要求21所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于進一步包括控制所述每一個固態(tài)開關(guān)裝置和所述電弧放電區(qū)域除去渣滓裝置的控制裝置。
23.如權(quán)利要求22所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于所述控制系統(tǒng)包括一個事故探測裝置，用于探測每一個所述處理腔內(nèi)電弧缺失的情況，以便在探測到電弧缺失時，關(guān)閉所述系統(tǒng)。
24.如權(quán)利要求23所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于所述控制系統(tǒng)進一步包括一個調(diào)節(jié)輸送到每一個處理腔中氣體壓力的調(diào)節(jié)裝置，以及將壓力保持在高于所述處理腔中污泥壓力的壓力預(yù)定值上的裝置。
25.如權(quán)利要求16所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于所述氣體注射裝置包括一個陽極，該陽極有一個從所述處理腔外側(cè)進到所述處理腔中的內(nèi)部小孔。
26.如權(quán)利要求25所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于所述陰極組件有一個陰極部件，該陰極部件有一個從所述處理腔內(nèi)側(cè)到所述處理腔外側(cè)的內(nèi)部小孔。
27.如權(quán)利要求16所述的污泥處理系統(tǒng)，其特征在于所述處理腔的尺寸要在與所述處理腔內(nèi)產(chǎn)生的脈沖頻率接近時聲學(xué)共振。
28.一種液體凈化方法，包括以下步驟a、使被凈化的液體通過第一凈化腔中；b、在第一凈化腔中的第一對電極之間通入氣泡；和c、在第一凈化單元中的電極之間產(chǎn)生一系列的脈沖放電電弧，其能量要足夠高，以便在脈沖過程中在液體內(nèi)保持該電弧，在該液體中產(chǎn)生一系列的脈沖機械沖擊波。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于進一步包括向第一凈化腔中的第二對電極之間通入氣泡，在第一凈化腔中的第二對電極之間產(chǎn)生一系列的脈沖放電電弧，其能量要足夠高，以便在脈沖過程中在液體內(nèi)保持該電弧，在該液體中產(chǎn)生一系列的脈沖機械沖擊波。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于進一步包括在液體進入凈化腔之前，向液體中注入增強化合物離子和游離基團的步驟。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于進一步包括在液體離開凈化腔之后，增加氧化劑在液體中分布的步驟。
全文摘要
一種液體凈化方法和裝置(10)，它采用由放置在流動液體中的電極產(chǎn)生的一系列脈沖電弧，對穿過凈化單元(12)的流動液體進行凈化處理。通過脈沖發(fā)生器(50)向電極(22、30)提供足夠的能量，藉此在凈化單元(12)中通過電弧產(chǎn)生致死劑量的紫外線輻照和機械沖擊波。為了改變該裝置的凈化能力，可使多個凈化單元并聯(lián)或串聯(lián)運行。通過電極(22、30)中的一個電極向凈化單元(12)注入氣體，以利于在液體中產(chǎn)生電弧。
文檔編號C02F1/48GK1138316SQ95191143
公開日1996年12月18日 申請日期1995年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月11日
發(fā)明者休·W·格林, 小保羅·E·奇茲姆 申請人:科學(xué)應(yīng)用公司