用于水處理的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于水處理的方法和設(shè)備
[0001] 本發(fā)明涉及用于水處理的方法和設(shè)備，所述水處理包括至少一個催化氧化步驟。
[0002] 缺水是日益增長的全球威脅問題，其具有比最近的金融危機(jī)更大的經(jīng)濟(jì)影響。在 20世紀(jì)，世界人口增加了 4倍，而耗水量增加了 9倍。超過70個國家經(jīng)歷了限制用水和缺 水。這種情況并不限于發(fā)展中國家。地球上可利用的約97%的水是鹽水。海水淡化正在迅 速擴(kuò)大。然而，可用的將海水處理成飲用水品質(zhì)的淡化技術(shù)需要大量能量并且越來越多的 海水淡化廠能夠?qū)夂蜃兓a(chǎn)生相當(dāng)大影響。
[0003] 雖然海水淡化可以為沿海城市提供水保障，但是為小型社區(qū)和遠(yuǎn)離沿海地區(qū)的水 處理遇到了重大困難。水組成因地方不同而變化很大并且隨著時間的推移可能也顯著改 變。這使得當(dāng)使用膜分離和紫外線消毒時難以實現(xiàn)所需的給水品質(zhì)。膜系統(tǒng)的操作和維護(hù) 復(fù)雜并且不太適合于在沒有高度熟練的操作員的情況下的遠(yuǎn)程應(yīng)用中。
[0004] 對于水處理而言最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一是在源頭處的工業(yè)廢水處理。工業(yè)廢水組 成通常顯示出大的組分形態(tài)差異，可能包含高的金屬濃度和/或有機(jī)物。來自同一工廠，通 常有多個需要處理的不同組分的廢水流。這些流通?；旌铣蓡蝹€流，被引導(dǎo)至水處理，即便 在不混合這些流的情況下不同流或許可以更有效地被處理時也是如此，因此增加了污染的 復(fù)雜性。在水處理技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)下，經(jīng)濟(jì)地處理分開的少量廢水流一般是不實際的。因 此，經(jīng)常頒布將具有超過建立的安全標(biāo)準(zhǔn)的污染物的廢水釋放到環(huán)境和市政下水道的遵守 例外許可證。這使得更難以通過市政設(shè)施設(shè)備處理廢水并且更難以避免淤泥的污染，所述 淤泥可以被處理成土壤改良劑。
[0005] 僅需要最少處理以實現(xiàn)飲用水品質(zhì)的可利用的清潔原水源越來越有限。待處理供 人類消費的水日益受到無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)和病原體的嚴(yán)重污染。例如，在飲用水中過量的砷 和氟化物正影響著超過一億人。由于飲用受病原體污染的水而導(dǎo)致嚴(yán)重疾病和死亡的案例 每年超過十億。研宄預(yù)測表明，即使通過實現(xiàn)將從根本上改善獲取安全飲用水的現(xiàn)狀的千 年發(fā)展目標(biāo)，在2020年死于水傳疾病的最小數(shù)目也將為約3千萬人。
[0006] 對于用于再利用的廢水的飲用水處理已經(jīng)采用消毒水平和標(biāo)準(zhǔn)。水的濁度基于穿 過處理系統(tǒng)進(jìn)入經(jīng)處理的水中的懸浮性固體可以包庇和保護(hù)病原體免于被滅活和破壞而 與消毒水平相關(guān)聯(lián)。飲用水應(yīng)無危險的細(xì)菌和病毒。當(dāng)人與經(jīng)處理的水接觸有高風(fēng)險的情 況下，每100毫升水大腸桿菌數(shù)必須小于10個。據(jù)認(rèn)為，在這樣的情況下，在消毒之前水的 濁度應(yīng)小于2NTU以實現(xiàn)消毒目的。這也適用于使用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行水消毒以生產(chǎn)高品質(zhì)的 水。所使用的技術(shù)是膜過濾以及臭氧和紫外線輻射的結(jié)合，這些技術(shù)為潛在地昂貴方法。對 于來自食品生產(chǎn)、屠宰、紙漿和造紙廠和雨水的工業(yè)廢水再利用，遇到類似處理挑戰(zhàn)和消毒 要求。具有高的有機(jī)載荷的市政廢水和工業(yè)廢水的最后處理階段（其中包括消毒）稱為三 級處理。
[0007] 串聯(lián)雙混合介質(zhì)過濾器可以去除高濃度懸浮固體。其中每個過濾器利用給水被反 沖洗至特定過濾器并且被確定尺寸至以恒定流量來操作的布置在實現(xiàn)高澄清度的同時也 非常經(jīng)濟(jì)。這樣的過濾器可以產(chǎn)生濁度小于4NTU的水。雖然這是良好的性能，但是所產(chǎn)生 的水的品質(zhì)不適合消毒以產(chǎn)生安全的高品質(zhì)水。還需要一個過濾階段，并且膜過濾通常是 附加的最后階段。微濾膜和超濾膜實現(xiàn)在消毒之前所需要的澄清水平。與混合介質(zhì)過濾器 相比，膜的一些缺點是由于更頻繁的反沖洗而引起的較高成本、較高的操作壓力和較低的 水效率。
[0008] 本發(fā)明的一個目的是提出一種適于解決如上所述的水污染和缺水的各方面的能 量有效且成本有效的可替代水凈化方法。
[0009] 考慮到這一目的，在第一實施方案中，本發(fā)明提供了一種用于處理水的方法，所述 方法包括：在調(diào)節(jié)模塊中使用含氧氣體氧化處理用水的步驟，其中所述氧化過程在形成反 應(yīng)性金屬自由基和羥基自由基的氧化性條件和PH條件下通過投放到所述調(diào)節(jié)模塊中的至 少一種金屬鹽進(jìn)行催化。
[0010] 在第二個實施方案中，本發(fā)明提供了一種用于處理水的設(shè)備，所述設(shè)備包括調(diào)節(jié) 模塊，所述調(diào)節(jié)模塊具有：含氧氣體供應(yīng)裝置，以使得能夠使用含氧氣體來使水氧化；以及 金屬鹽投放裝置，其用于向所述調(diào)節(jié)模塊供應(yīng)至少一種金屬鹽以在形成反應(yīng)性金屬自由基 和羥基自由基的氧化性條件和PH條件下對水氧化過程進(jìn)行催化。
[0011] 含氧氣體可以包括空氣。氧可以通過基于吸附或膜的合適的氧發(fā)生器來產(chǎn)生。雖 然不需要氣體供應(yīng)裝置在高壓下傳遞氣體，但是控制氣體流量是有利的。根據(jù)本發(fā)明所使 用的主要氧化劑源是含氧氣體。這樣的氣體通常不如氧化劑例如過氧化氫和臭氧昂貴。操 作通常也更安全。
[0012] 申請人已經(jīng)注意到，上述方法不需要在高壓下進(jìn)行，比方說大于兩個大氣壓。實際 上，有利的操作壓力包括大氣壓并且不超過〇.2MPa。也不需要水加熱設(shè)備。上述催化氧化 過程在所述模塊的地理位置處、在用于水處理的可接受的速率下并且在環(huán)境溫度下（預(yù)計 總是低于50°C)下進(jìn)行。因此，該過程可以在環(huán)境溫度、和環(huán)境壓力或如上述的有利的近 環(huán)境壓力范圍下有利地進(jìn)行。這提高了安全性、能源效率并且降低了工廠資金和運營成本。 因此，本說明書中所述的金屬催化氧化過程區(qū)別于先前的加壓氧化過程。
[0013] 金屬鹽可以有利地選自：水溶性鐵鹽、水溶性鋁鹽和水溶性錳鹽。這些金屬的氯 化物和硫酸鹽（例如氯化鐵、氯化錳、氯化鋁和硫酸鋁）特別適合，不僅僅是因為所選的 可溶性金屬鹽一一其作為在氧化性條件下溶液中的反應(yīng)性金屬自由基的來源一一是催化 氧化反應(yīng)過程的最佳選擇。任意這些金屬鹽均可以作為單一鹽被引入調(diào)節(jié)模塊中的水。 鐵鹽是特別有利的實例，這是因為在氧化性條件下，高度反應(yīng)性的金屬自由基（如鐵?；?(ferryl)離子）可以根據(jù)芬頓反應(yīng)型方案生成，但是不完全相同，這是因為根據(jù)本發(fā)明一 般不需要過氧化氫（以及其他強(qiáng)氧化劑）和酸性PH條件。反應(yīng)性金屬自由基例如鐵?；?自由基及類似自由基（如猛酰基（manganyl)自由基）在中性到堿性條件下最穩(wěn)定。
[0014] 更有利地是，選自上述鹽中的多種金屬鹽被組合引入到調(diào)節(jié)模塊中，以優(yōu)化形成 共沉淀物或絮狀物的催化氧化，所述共沉淀物或絮狀物使得能夠從處理中的水去除有毒元 素和有機(jī)化合物。有用組合的一個非限制性實例為鐵的氯化物、錳的氯化物或鋁的氯化物 中的任意兩種或更多種的組合。這樣的金屬鹽與水形成酸性溶液，從而調(diào)節(jié)模塊處需要PH 控制以確保用于元素（特別是與鐵、錳和鋁一起的重金屬和類金屬）的氧化和共沉淀的有 利的堿性條件得到保障（support)和維持。應(yīng)該或必須避免酸性條件。催化氧化反應(yīng)應(yīng)該 至足夠的程度以降低水中元素和有機(jī)物的濃度，從而符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。不希望受理論約束， 這樣的金屬鹽的引入促進(jìn)類芬頓反應(yīng)，這種類芬頓反應(yīng)生成高度反應(yīng)性自由基，如具有與 臭氧可比的氧化能力的羥基和鐵酰基（涉及鐵的）自由基。這使得調(diào)節(jié)模塊中水的氧化速 率最大化。
[0015] 在調(diào)節(jié)模塊中水的溶解氧水平顯著增加。溶解氧水平自身的這種增加增強(qiáng)了調(diào)節(jié) 模塊內(nèi)的催化氧化反應(yīng)，特別是在根據(jù)本發(fā)明的水處理通常所需的堿性條件下。這些反應(yīng) 產(chǎn)生了對于金屬和有機(jī)物去除或去污所必需的大量且有效的氧化，而不需要在大多數(shù)情況 下要引入的強(qiáng)氧化劑。
[0016] 此外，引入所述至少一種金屬鹽（但更優(yōu)選為兩種或更多種金屬鹽）有助于通過 氧化（礦化）、共沉淀、絮凝和/或凝結(jié)過程去除有機(jī)物和其他元素，這些過程本身通過催化 氧化反應(yīng)驅(qū)動。本發(fā)明的方法和設(shè)備中所使用的金屬鹽以及有利于礦化、氧化以及共沉淀 物和絮狀物的形成的金屬鹽的最有效組合可以針對其絮凝劑特性進(jìn)行選擇。氯化鐵又是針 對催化特性和絮凝劑特性進(jìn)行選擇的合適的金屬鹽實例。然而，聚合物絮凝劑更方便被投 放到調(diào)節(jié)模塊中。聚合物絮凝劑（方便的是具有兩性特性的那些，如基于丙烯酸和丙烯酰 胺的那些）在水為PH高于約9的強(qiáng)堿性時是特別有價值的。在那樣的pH范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的 絮凝劑如明礬和氯化鐵可能失效。還可以使用陰離子型或陽離子型絮凝劑。
[0017] 除了水氧化以外，調(diào)節(jié)模塊還執(zhí)行另外的潛在功能。在調(diào)節(jié)模塊中可能會發(fā)生部 分絮狀物和沉淀物的沉降，調(diào)節(jié)模塊可以包括用于去除這部分絮狀物和共沉淀物的固體去 除裝置。因此，水處