电化学处理工业废水和饮用水的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通过电化学方法处理工业废水的方法和装置。根据国际专利分类 (IPC)，装置被归类为：C02F1/46-电化学方法；即C02F1/463电凝聚；C02F1/465电浮 选；C02F1/467电化学消毒；C02F1/32紫外线；C02F1/36超声波振动；C02F1/48磁场或 电场；C02F1/52通过絮凝或悬浮污染物沉淀进行的化学或物理水处理；C02F1/78臭氧氧 化。
[0002] 工业废水的电化学处理是各种方法和设备所解决的技术问题。本解决方案描述了 利用电化学方法，即电凝聚、电浮选、电化学消毒、UV(紫外线）消毒、电磁和超声波处理以 及絮凝和悬浮污染沉淀的工业废水处理装置。废水在反应器容器中进行电化学处理。反应 器电极组和臭氧的作用产生了有机物的氧化条件，平行地开始了悬浮杂质和溶解杂质（具 体指废水内重金属）的凝聚和絮凝。已处理水被排放到分离罐中，其中通过随后在底部沉 淀，污染的絮状物被分离，同时不带杂质和重金属的已处理水处于沉淀物上方的上部部分 并且可以排放到指定接收器中。
【背景技术】
[0003] 各种工业生产过程的众多应用以及许多工业活动产生大量具有高浓度的重金属 和其它有害无机和有机物质的工程废水。在被排放到指定接收器之前，需要借助重金属和 其它污染物去除方法来处理废水，以便进入自然接收器或公共下水道系统的排出物达到法 定要求的浓度。
[0004] 实际上，消除废水中的重金属所使用的大多数装置在其操作期间使用危险且具有 腐蚀性的化学物质。最常用的凝聚/絮凝方法在严格控制的pH条件下利用充足的液体絮 凝剂（Al2 (S04)3、FeCl3、Fe2(S04)3、聚错羟基氯化物（polyaluminumhydroxychloride))，以 及另外的电解质（膨润土、娃石、聚丙稀酰胺）。最佳结果在pH= 7到pH= 8的范围内实 现。凝聚剂导致晶种的生成，并且由于其高分子质量，另外的电解质导致颗粒聚集成较大的 簇和它们的重力沉淀。由于水解，凝聚剂（铁盐和铝盐）的添加显著减小pH值，尤其在低 碱度水的情况下。由于pH减小，大多数金属的溶解度增大，因此凝聚/絮凝效率也降低，由 此，废水处理装置需要具有pH计和滴定仪，以用于调节和维持最适宜pH值的目的。为产生 晶种，需要对水进行快速混合（每分钟200转）。在应用聚电解质之后，需要将混合速度减 慢到最大每分钟30转，以便不损坏絮状物的结构和因此降低从废水中去除元素的效率。
[0005] 利用凝聚/絮凝的其它组的工业废水处理装置不使用腐蚀性且危险的化学物质 诸如酸或碱。一个实施例是Kukec Leander等人（发布于2003年4月30日的克罗地亚专 利PK20010753)发明的工业废水处理装置。该装置利用专门制备的pH值为中性的胶状絮凝 剂。它们是不具有pH计和剂量装置的前面提到的相同类型和目的的装置组相关技术术语 方面被显著简化的特征。凝胶状絮凝剂在废水处理过程期间以一定的剂量逐渐混合，并且 在混合过程期间通过絮凝过程与其自身污染和重金属结合。通过在沉淀池中的后续沉淀， 水的不纯部分在底部与清水分离。不带污染和重金属的已处理水位于罐的上部，沉淀物上 方，并且可以排放到指定的接收器中。
[0006] 由发明人AronaMikhailovichK.等人发明的专利（发布于2005年5月3日的 美国专利No. 6,887,368)描述从技术溶液和废水中电分离重金属的方法和装置。出于分离 或降低铬-6浓度以及重金属的高浓度的目的，利用三相交流电并采用专门设计的电极对 工作介质进行预处理。现有发明中的准备阶段，即工作介质预处理阶段，意味着仅通过沉淀 从介质中分离出较粗糙的污染颗粒。现有发明通过电化学方法在第一和第二反应阶段进行 重金属的分离，无论浓度水平如何。在第一反应器容器中，通过由不锈钢（indox)制得的反 应器电极组进行水的电解，之后进行电浮选、氧化、臭氧化、UV灯消毒、电磁和超声波处理。 在第二反应器容器中，交替地首先用钢反应器电极组执行电解，然后用铝反应器电极组执 行电解，之后进行电浮选、氧化、臭氧化、UV灯消毒、电磁和超声波处理。来自第二反应器容 器的已处理水被释放到分离罐中，在此，沉淀物与净化水分离。另外，来自分离罐的已处理 水被引导至调节容器或过滤器容器中。该方法自动运行。现有发明使用的电极是交替连接 于阳极（即直流电场中的负极）的简单金属板。所述发明使用压缩空气来混合反应器容器 中的介质，而在现有发明中，通过在电极板表面生成的气泡的流动以较小的程度进行，其中 电极板表面借助浮力作用并且主要借助在反应器容器的底部释放的小气泡形式的泵送进 入的臭氧朝向表面上升。
[0007] 发明人ArmstrongLouisB.的专利（发布于1972年5月23日的美国专利 No. 3, 664, 951)描述用于废水处理的装置和方法，其中废水包含有机废物组分。在准备阶 段，工作介质的初始pH值和电阻是被控制的，并且通过添加酸和碱调节它们的值。电解作 用去除了细菌、病毒和其它有机化合物。进一步的氧化作用去除剩余的细菌、气味和残余的 有机物。处理之后，水可以排放到接收器中。相比之下，现有发明在准备阶段不需要持续控 制工作介质的pH和电阻的输入值，或后续调节至所设计的操作值。在工作介质的前期制备 阶段中，现存解决方案既不使用酸或碱，也不在之后在工作介质处理过程中或在后续处理 的任何其它阶段中使用它们。PH或水的电阻不是直接测定的。所述参数的调节通过控制 操作周期的电力消耗间接进行。现存解决方案利用相同的反应器容器进行电解、电浮选、氧 化、臭氧化、UV消毒、电磁和超声波处理。在另外的过滤之后，已处理水可以排入接收器中。
[0008] 用于工业废水的电凝聚处理的方法和装置在发明人为MorkovskyPaulE.等人的 专利（发布于1999年6月3日的W0 9926887)中示出。其中描述的方法的阶段如下：（a) 低压供应含有在废水电解期间容易絮凝和沉淀的污染物的工业废水至设计成长期使用且 易于维护的电凝聚电池中的电极之间；(b)通过采用直流电进行废水电解，使得当前的污 染物被破坏并且化学改变从溶解状态转变成电解水中的悬浮液，形成絮状物沉淀于底部； (c)如有需要，通过添加用于絮凝的化学添加剂和所设计的机械纯化装置来分离絮状物和 已处理水，从而比常规的净化器的操作更高效、更简单且更易于维护。另外，被授予专利权 的废水处理装置由以下部件组成：泵，其用于通过电凝聚电池、电凝聚电池泵送废水；泡沫 减少灌，其用于降低已处理水中的气泡数量；含有用于絮状物制备的区室的净化器，多系列 水平排放的各种长度的嵌入板，其中嵌入板被设计成遵循净化器外壁的轮廓并且带有较浅 设置的表面入口和阶梯式出口，该阶梯式出口终止于出口闸门；压滤机（filterpress)，其 用于压缩絮凝后的废料。接着，描述了带有可供使用的钢电极板的电凝聚电池，其中电极 板朝向彼此以固定的距离平行放置，并且用轴承架固定在电池壁的左侧和右侧。可替代的 设计包括由其它材料诸如铝、碳等等制造的板，这取决于待处理的污染水平。在电池外壳 中，板形成废水的弯曲通路，从电池入口引导至其出口。电池内的供电被施加于每第11个 板。处理装置的描述包括三个主要区域，在该三个主要区域内发生电凝聚。首先，具有用 于混合絮状物的区室，然后是处理装置的主体，最后是出口闸。沉淀于主要外壳的底部的粗 料由装置操作员输送，从而在机器压滤机中过滤。比较本专利的解决方案和现有的解决方 案，显然，废水处理阶段与所描述的专利显著不同，如下：(a)废水的制备，其通过在接收罐 内的沉淀作用进行；(b)第一反应器容器中的反应，诸如由对不锈钢反应器电极组施用直 流电流引起的电凝聚、电氧化、电浮选、通过臭氧和UV照射的消毒同时混合并通过电磁和 超声波处理；(c)第二反应器容器内的反应，诸如由首先对钢反应器电极组施用直流电流 导致的电凝聚（之后也对铝反应器电极组施用）、电氧化、电浮选、通过臭氧和UV照射的消 毒同时混合并通过电磁和超声波处理；（d)凝聚和絮凝阶段；（e)分离和沉淀阶段，其中沉 淀物被分离到沉淀物收集罐中；（f)已处理水通过沙子和活性炭过滤器进行的过滤，之后 已处理水排放到接收器中；（g)通过紫外线照射和臭氧处理进行的氧化阶段，之后已处理 水排放到接收器中。现有的解决方案不使用压滤机，并且在处理过程期间，未添加酸或碱来 增强絮凝。另外，通过比较废水处理装置的设计，我们特此声明现有解决方案包括：水制备 罐，其配备有水泵、液位调节器、用于从罐中排出收集的沉淀物的排放阀、电磁阀以及用于 将预处理后的水泵送至第一反应器容器的循环水泵；第一反应器容器，其配备有由不锈钢 制得的反应器电极组、液位调节器、排风扇、吸风扇、温度计、循环水泵、电磁体、紫外线灯、 超声波单元、分散淋洒器、用于供应清洁的漂洗清水的电磁阀、用于通过穿孔塑料管将臭氧 注入反应器容器底部的电磁阀、循环水泵以及用于将已处理水重新泵送至第二反应器容器 中的电磁阀，第二反应器容器，其配备有钢反应器电极组、铝反应器电极组、液位调节器、排 风扇、吸风扇、温度计、容器漂洗淋洒器、循环水泵、电磁体、紫外线灯、超声波单元、分散淋 洒器、用于供应清洁的漂洗水的电磁阀、用于通过穿孔塑料管将臭氧注入反应器容器底部 的电磁阀、循环水泵以及用于将已处理水排放到第一可用分离罐中的电磁阀；臭氧发生器， 其配备有泵，该泵用于将臭氧泵送至反应器容器和调节容器中；两个分离罐，这两个分离罐 配备有液位调节器、用于供应水的电磁阀、用于排放已处理水的电磁阀、用于供应清水到漂 洗淋洒器的电磁阀、用于排放收集的沉淀物的电磁阀；过滤器容器，其配备有用于供应水的 电磁阀、沙子过滤器和活性炭过滤器；调节容器，其配备有液位调节器、排风扇、紫外线灯、 用于供应清水到漂洗淋洒器的电磁阀、用于通过穿孔塑料管将臭氧注入调节容器底部的电 磁阀、水泵和用于将已处理水排放到溢流罐中的电磁阀；溢流罐，其配备有潜水泵，该潜水 泵用于通过淋洒器供应清水来漂洗反应器容器和分离器容器；手动排放阀，其用于对已处 理水采样；直流电源系统，其配备有太阳能电池板充电调节器、电池组、频率DC-AC转换器； PLC控制器，其用于运行处理程序。另外，在现有解决方案中的反应器容器是矩形的，即方形 的，其中不锈钢的反应器电极组固定于反应器容器的下部的最底部。铝反应器电极组以相 同的方式布置。电极板是矩形的，并且朝向彼此以适当的距离并行地放置且用电绝缘体隔 开。这些电极板在反应器容器中被布置成垂直于反应器容器的轴线，使得在电解期间，在电 极板上生成的气泡可以在水面上自由地冒出。DC电源被施加于所有的板，考虑将正极连接 到反应器电极的每个偶数板（evenplate)，并将电源的负极连接到反应器电极的每个奇数 (unevenplate)。在废水处理期间，电极板交替地操作。在第一反应中，方形容器的电解通 过不锈钢反应器电极组发生，之后发生电浮选、氧化、