专利名称：电絮凝方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于水处理，特别是用于生产饮用水的电-絮凝方法和设备。
更具体地说，本发明涉及一种使用三价离子如铝和铁的三价离子的絮凝方法和设备，并伴有原位消毒，而无需现有技术中描述的浮选和沉降步骤。
目前对用于提供饮用水的地表水进行除颗粒处理直至达到非常低的浊度。
在某些国家将水处理掉之前要求进行第三或进一步的水处理，并且这是废水再利用中最为重要的要求之一。通常的第三或进一步的废水处理方案包括第二沉降器废水的化学凝结(絮凝)，随后是沉降，和/或过滤和消毒。适用于传统凝结的物理方法为快速混合(当化学凝结为在水中快速且均匀地分散并且使颗粒不稳定时)，而后缓慢混合或絮凝(当颗粒缓慢聚结并形成可沉淀的或可过滤的絮凝物时)。公知化学絮凝方法可以聚结尺寸为0.1μm～约10μm的废水组分。
铝或铁盐可以在饮用水或废水处理的各个步骤加入以增强对固体的移除。该金属盐(凝结剂或絮凝剂)使仍残留于悬浮液中的胶态固体不稳定，因而可用于提高废水的质量。尽管化学凝结的使用在增加，但是凝结理论仍不能使该方法以最佳方式使用，特别是在瞬变条件下。这可能导致废水质量降低，由于日常配药过量而导致化学成本增加，或两者。一种改进的凝结方法将减少其在沉淀物脱水能力和处理方面的不利影响。
凝结成为许多研究的主题，其中的一些研究已经提出在水处理的过程中凝结。然而，废水处理在数个方面与饮用水处理不同在废水中，颗粒物质实质上以较高的浓度存在；平均颗粒尺寸也较高。这些因素将影响凝结要求和絮凝行为这两者。要被除去的颗粒中的有机物质的比例比以饮用为目的的水处理中的高得多。这些颗粒的更为亲水的表面将与凝结剂发生不同的反应。
Al3+盐的凝结机理将涉及某些化学因素，包括Al3+离子的水解和聚合倾向，此种氢氧化铝物质的吸附能力；该物质的溶解度；氢氧化铝沉淀的性质和范围，包括与其它胶体表面的相互作用以及其它溶质对该金属氢氧化物表面性能的影响。由于该显而易见的复杂性，可见提出许多种不同的模式来解释铝盐能够使胶体不稳定的方式也就不足为奇了。
在使颗粒不稳定方面的最早解释中仅考虑了如上所述的Al3+离子的双层压缩。其它的解释提出铝的水解产物在使颗粒不稳定方面起到更为重要的作用。当前的解释是假定用明矾或铁絮凝剂的凝结存在两种不同的机理，它们是使多核的铝类与颗粒进行电中和与正电吸附；或者使颗粒物理陷入氢氧化铝沉淀中。
在水处理中基本的电化学方法为电絮凝和消毒。消毒的电化学方法的主要优点是在处理设备中原位生产消毒用化学品。
絮凝是一种重力分离法，其中气泡与独立的固体颗粒接触，从而降低它们的密度，以使它们飘浮在液体的表面上。在电絮凝方法中，气泡通过该液体的电解产生。使用5-20V直流电，其电极的电流密度为约100A/m2。与沉降相比，絮凝的特别之处在于，颗粒的上升速率通常比它们的沉淀速率高很多，因此对于给定的负荷，该设备的尺寸大约是沉降器的三分之一。
在WO95/15295，EP668244，GB2045803和DE3641365以及WO97/35808中描述了涉及通过电解槽释放铝离子的电絮凝法。头四篇文献涉及废水的电絮凝-浮选法并教导了通过金属铝或铁电极的电解在原位形成三价离子，而后一篇文献，尽管涉及利用所述方法生产饮用水，但是并未教导能够使上述工艺得以实现的设备或方法。
在了解了本领域的技术状况后，本发明的一个目的是将已知的水和废水处理用的通过电解直接将三价离子引入溶质中的电化学方法和使用特别设计的设备相结合，如在下文中限定和描述的。
更具体地说，本发明提供一种用于水和废水处理的电絮凝方法，包括通过电解选自金属铝电极和金属铁电极的金属电极原位形成三价离子，其中使待处理的水通过小孔顺序地上升，该小孔是在作为电极的平行金属板的所述堆中形成的，每块板相对于相邻的板带有相反的极性，相邻板上的小孔在垂直方向不重合，因此通过所述处理水从所述最低板的小孔顺序地通过上一块板的小孔一直到从最高板上的小孔流出而产生湍流和混合。
在本发明优选的实施方案中，所述板之间的距离在0.5～1.5cm之间。
传统的凝结剂Al3+通常是由溶解的含13～18分子结晶水的明矾盐[Al2(SO4)3]的离解获得的。明矾的分子量为666.7，其中作为絮凝过程活性组分的铝(m.m.54)仅占8％。去除效率是凝结剂用量，和pH，以及混合(分散)条件的函数。
根据本发明并且与凝结和絮凝的传统方法不同，直接原位引入三价离子。
凝结剂化学品或者以干态购买或者以液态购买。干化学品需要相当精细的溶解和供料设备。为了化学品的高效使用，与处理水流的混合必须快速和完全。需要高速混合器或相当的静态混合器(equivalentstatic mixer)。
对于加入的每mg/l明矾，水的硫酸盐含量增加0.5mg/l。如果原料水中的硫酸盐含量高，或者如果该工厂采用离子交换去除硝酸盐时，这将是有害的。
本发明提供了在电化学过程中，仅向原料水流中直接引入Al+++或Fe+++离子。根据本发明的混合条件比传统方法中的容易。另外，由于原料水OH-含量将增加，在相同的单独处理步骤中可发生有效的氧化-消毒步骤。
除了节省絮凝成本外，流出水中的铝浓度也减到最小，因此降低了由于水中的高铝浓度导致的潜在的危险结果。
本发明的方法简单地说包括装配、操作和维护这些方面。因此，它还适用于不能聘用熟练的专家来运行昂贵且复杂的程序的小型社区。
现在，将在下述实施例中，结合特定的优选实施方案，描述本发明，由此可更为全面地理解和鉴别其各个方面，但是本发明并不限制在这些特定的实施方案中。相反地，将在所附的权利要求书中覆盖所有本发明范围内的替代、改进和等同方案。因此，包含优选实施方案的下述实施例将用于说明本发明的实施，应能理解所述细节仅用于举例和说明本发明讨论的优选实施方案，并且可对组成步骤以及本发明的原理和概念作出最有用和便于理解的说明。
比较例1进行一系列的实验室规模的实验。得到下列结果(如下文中的表1所示)。
将初始浊度为400NTU且TSS为660mg/l的原料废水试样用用量为40mg/l的明矾进行常规处理。结果得到降低至65NTU且TSS为135mg/l。
根据本发明通过对相同的原料废水第二试样进行电絮凝，采用金属电极以产生三价离子，得到2.5NTU且TSS为8.8mg/l。
实施例2根据本发明进行另一系列的电絮凝实验，结果列于下面的表1中。表1
由此可见，当使用本发明的设备时，随着电压和电流的增加，浊度和总颗粒数，以及总悬浮固体降低。
下面将参照附图，结合特定的优选实施方案描述本发明，从而能够更全面地理解本发明。
现在参照附图详细说明，所示的细节仅用于举例和说明本发明讨论的优选实施方案，并且是对本发明的原理和概念的最有用和便于理解的描述。在这方面，无意展示理解本发明的功能所需以外的本发明的结构细部，结合附图的描述将使本领域的熟练人员更加清楚地了解本发明中所采用的数种方案的具体实施。
图1是根据本发明的设备的优选实施方案的透视图；图1b是在相同的实施方案中使用的电极板中的一块的透视图；图2a是电极板的第二个实施方案的透视图；图2b是同一块板的截面详图；图3是具有变压电源的设备的一个实施方案的图解；图4是具有设置在电极板的外周边缘和壁的内表面之间的橡胶密封元件的设备的一个实施方案的截面详图；以及图5是布置为控制添加含有Al+++和Fe+++离子的流体的设备的一个实施方案的图解。
由图1可见，设备10用于在通过电-絮凝法由不纯水生产饮用水方法中进行中心步骤。
在上述步骤之前或之后，通过沉淀或过滤去除固体。
处理容器12具有不纯水的下部入口14，和纯净水和絮凝物的上部出口15。容器12由金属制成。应当注意，容器12可以由玻璃纤维增强的聚酯制成。
一堆导电且穿孔的间隔设置的电极板16用作金属电极。图1b所示为电极板中的一块。
板16之间的距离优选在0.5～1.5cm之间。板16或者为金属铝，或者为金属铁。
优选的，当使用铝板时，所有板16均由金属铝制成。类似的，当使用铁板时，所有板16均由金属铁制成。
板16悬挂在容器12中，它们的外周边缘18靠近容器12的壁20。每块板16与相邻的板16电绝缘，并与容器12电绝缘。
如图4所示，板上的小孔22相对于相邻的较高和较低的板上的小孔不重合，在水穿过这些不重合的小孔上升时导致湍流。
在本实施方案中，板16由中心管24支撑，并且所有板通过塑料垫圈26与之绝缘，适当的该塑料垫圈由PVC制成。
第一和第二导电元件28，30将电输送给电极板16。
第一元件28与该堆中的上部板16和交替的下部的板电连接，而与其它板绝缘。
第二元件30与其余板电连接，即，与不和第一元件28电连接的交替的板电连接。然而，该第二元件30与所有和第一元件28连接的板16绝缘。因此，当供电时，在每对相邻的板间形成电磁场，并且电流流过板16之间的水。
实施这一布置的简单方式由举例说明的实施方案可见。第一和第二元件28，30由螺丝状的金属杆制成。将与之电连接的板紧固在一对金属螺帽之间，并且需要绝缘的板由PVC突肩管衬支撑(这些部分太小在图中不能清楚示出)。
两个导电元件28，30具有在容器12外部的接线端32，用于连接到电源。
提供充足的电力，处理水的速率依赖于进料水中杂质的含量和电极板16的尺寸。例如，如果板的主要表面的表面积为约900cm2并且对水处理1分钟，则产生40l/min的水，对于80-100户人家的小型社区就足够了。
参照其余附图，相同的数字用来表示相同的部分。
现在参照图2a和2b，可见电极板34的一个实施方案，其中穿孔36由板上的U形切口形成。弯折所述U内侧的材料以使之向板的板面外侧伸出，从而形成导流挡板38，导致流过该穿孔36的水产生湍流，并提高由于电晕效应发射的三价离子。此种穿孔和挡板易于在具有适当的打孔机和冲模的动力压机上大规模生产。
图3用于说明类似于设备10的设备40，该设备还包括改变供应电压的装置。优选的，供应的电压可以在2-60V范围内变化。变压是由变压器42获得的，该变压器具有所需接头44，即线圈中间接点。该电路图所示为在绕组的中间具有接头-变换的标准变压器。如已经说明的，选择的电压将与处理容器46中的水的电导率大致成反比。
参看图4，该图为与图1相似的设备的详图。处理容器48由金属制成，例如由钢制成，它还包括设置于电极板52外周边缘和容器48内的壁54内表面之间的电绝缘橡胶密封元件50。密封元件50防止水流过板边缘56和壁54，因此确保所有水通过流过板上的穿孔22而得到处理。
现在，参看图5，其中描述了还包括连接到处理容器不纯水的入口64的混合泵62的设备60。适当的泵的例子是由Bron在US4395201中描述的注射泵。
该泵62允许受控添加含Al+++58和Fe+++离子66的流体。添加的离子使水处理加速，并减少了电极板16的损耗。
该图还示出开口68，用以从处理容器70中除去积聚的淤渣。
本发明还提供一种方法，该方法可通过上述设备或其它类似设备实施。
由不纯水生产饮用水的电絮凝法，包括下述步骤在开始该方法前，应通过过滤或沉淀除去粗固体。
步骤1通过电解金属电极在原位形成三价离子，该金属电极选自金属铝电极和金属铁电极。
步骤2使处理水通过作为所述电极的一堆平行金属板上的小孔顺序地上升，每块板与相邻的板极性相反，相邻板上的小孔在垂直方向不重合，其中通过使所述处理水从所述最低板的小孔流过位于其上的板上的小孔直至从所述最高板流出而产生湍流和混合。
优选的，所有所述板由金属铝制成。在另一个实施方案中，所有所述板由金属铁制成。
适当的，水以一定的速率泵送以使其在0.5～2分钟内穿过所述板堆。
提供适当的电压以使电流密度为1.5～4mA/cm2电极表面。
优选的，提供的电压可变化，将较高的电压施加到具有低电导率的水中，并将较低的电压施加到具有较高电导率的水中。
使用AC电流的优点是节省了整流器并使电极板上的损耗得以补偿，因此延长了它们的寿命。在使用DC电流时，为了同样的目的，极性间隔逆转，例如，每天逆转。
可以仅使用由电极板获得的金属离子运行该方法，也可通过向进料不纯水中加入含Al+++和Fe+++离子的流体来促进该方法。
向外流出的纯水中夹带的絮凝物通过使用公知的过滤或沉淀方法除去，这不是本发明的一部分。
对于本领域的熟练人员而言显然本发明不限于对上述说明性实施例的描述，并且本发明还可用其它特定方案实施，而不偏离其发明点，因此无论如何应将本实施方案和实施例作为说明性的而不是限制性的，参照所附的权利要求书，而不是参照上述描述，并且在书的同等意义和范围内的所有变化均包含在其中。
权利要求
1.一种用于由不纯水生产可饮用水的电絮凝方法，包括通过电解选自金属铝电极和金属铁电极的金属电极原位形成三价离子，其中使待处理水穿过作为所述电极的平行金属板的所述堆中的小孔顺序地上升，每块板带有与相邻板相反的极性，相邻板上的小孔在垂直方向不重合，其中通过使所述处理水由所述最低板上的小孔顺序地流过其上的板上的小孔直至流出所述最高板而产生湍流和混合。
2.根据权利要求1的方法，其中所有所述板由金属铝制成。
3.根据权利要求1的方法，其中所有所述板由金属铁制成。
4.根据权利要求1的方法，其中所述水在0.5～2分钟内穿过所述板堆。
5.根据权利要求1的方法，其中施加的电流密度为1.5～4mA/cm2电极表面。
6.根据权利要求1的方法，其中施加的电压可以变化，将较高的电压施加给具有低电导率的水，并将较低的电压施加给具有较高电导率的水。
7.根据权利要求1的方法，其中施加的电流为交流。
8.根据权利要求1的方法，其中施加的电流为直流。
9.根据权利要求8的方法，其中施加的电流的方向在充分操作后反向，以便补偿电极板的损耗，从而延长电极的操作寿命。
10.根据权利要求1的方法，还包括向进料不纯水中加入含Al+++和Fe+++离子的流体。
11.一种通过电絮凝方法由不纯水生产饮用水的设备，包括a)处理容器，具有不纯水的下部入口，和纯净水的上部出口；b)一堆作为金属电极的导电且穿孔的间隔设置的板，所述电极选自金属铝电极和金属铁电极，并且所述板悬挂在所述容器中，使它们的外周边缘靠近所述容器的壁，每块板与相邻的板电绝缘，并具有与相邻板上的小孔不重合的小孔；以及c)第一和第二导电元件，所述第一元件与所述堆的上部板电连接，并与交替的较低板电连接，而与其它板绝缘，所述第二元件与不和所述第一元件电连接的板电连接，并与和所述第一元件连接的板绝缘，所述导电元件具有位于所述容器外部的接线端，用于与电源连接。
12.根据权利要求11的设备，其中所述板上的所述穿孔是由所述板上的U形切口形成的，弯折所述U内侧的材料以使之向板的板面外侧伸出，从而形成导流挡板，该导流挡板导致流过通过弯折所述材料形成的所述穿孔的水产生湍流。
13.根据权利要求11的设备，其中所述板之间的距离在0.5～1.5cm之间。
14.根据权利要求11的设备，其中所有所述板为金属铝。
15.根据权利要求11的设备，其中所有所述板为金属铁。
16.根据权利要求11的设备，还包括改变电压的装置。
17.根据权利要求11的设备，其中所述电源电压可在2-60V之间改变。
18.根据权利要求11的设备，还包括设置于所述板的外周边缘和所述处理容器壁之间的电绝缘橡胶密封元件。
19.根据权利要求11的设备，还包括连接到所述不纯水入口的混合泵，用以受控地添加含Al+++和Fe+++离子的流体。
20.根据权利要求12的设备，还包括用以从所述处理容器中除去积聚的淤渣的入口。
全文摘要
本发明提供了一种用于由不纯水生产饮用水的电絮凝方法,包括:通过电解金属电极(16)在原位形成三价离子,该金属电极选自金属铝电极和金属铁电极,其中使待处理的水穿过作为所述电极的平行金属板(16)的堆上的小孔(22)顺序地上升,每块板与相邻的板带有相反的极性,相邻板上的小孔在垂直方向不重合,其中通过使所述处理水从所述最低板上的小孔流过其上板上的小孔直至流出所述最高板而产生湍流和混合。
文档编号C02F1/463GK1359355SQ00809669
公开日2002年7月17日 申请日期2000年5月22日 优先权日1999年5月27日
发明者A·埃丁, N·维斯坎 申请人:耶路撒冷希伯来语大学依苏姆研究开发公司