基于电解法的水处理的制作方法

专利名称：基于电解法的水处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及水处理，具体是，采用电絮凝和/或电凝聚反应来处理污水。
背景技术：
能方便地获得洁净水是健康和经济繁荣的重要需求。因此，随着污染增加和对洁净水供应的需求，污水处理是很重要的。
电解法水处理技术代表处理污水的一类方法。在这方面，有三种不同种类的基于电解的水处理方法(1)电浮选法；(2)电絮凝法；(3)电凝聚法。
电浮选法是要使用与加入需处理污水中的凝聚剂关联的惰性电极。在电极上施加一定电压，释放的气泡捕集凝聚的颗粒，将其上浮到水面。这种方法类似于处理工业污水用的溶解空气浮选法(DAF)，不同之处是由水的电解提供气泡，而不是从压缩空气提供气泡。该方法自20世纪70年代中期已经商业化，Dr Anselm Kuhn在其著作电浮选-工艺及废水应用，Chemical Processing IPC Industrial PressLtd，London概述了这种方法。
电絮凝使用牺牲电极来产生絮凝剂，但也使用在电极释放的气泡使污染物悬浮到水面。以前尝试了几种电絮凝法，由于各种原因而未获成功。这些缺点包括● 在金属充分牺牲之前电极发生阻塞；● 由于一单套电极不能处理各种电导率的水，所以需要对每一特定用途建立一个装置。
由于电极替换的成本很高，电极阻塞就会明显增加处理方法的成本，使得这种方法通常很昂贵。这后一缺点意味着必须定制一特定水质量的电极絮凝系统。迄今还未发现能工业应用的实际解决办法。
电凝聚也是要使用牺牲电极来产生凝聚剂，通常是铝或铁离子。水经过处理后，或过滤，或任其沉积，或送到气体或空气悬浮装置除去污染物。电极凝聚法提供了许多潜在的优点，如果能够实现的话。然而，与电絮凝一样，电凝聚也会遇到电极阻塞的问题，也需要对需清洁的一定水建立其处理系统。
试验电凝聚法已有许多年，但尚未能获得满意结果。例如，美国专利4,872,959(Herbst等)描述一种管状系统，在此系统中，水在内、外和中心电极之间通过，设计成可加入絮凝离子，将污染物沉积到沉积槽底部，水将通过该沉积槽。此系统使用铁和铝阳极，但也建议了其它金属，例如铜阴极、铁阳极。但未能获得完全成功，因为电极具有阻塞的倾向。而且，该系统是为特定电导率的水设计的，并且不易控制特定反应所需的絮凝聚离子剂量。
美国专利5,372,690(Gardner-Clayson等人)认识到电极的替换是很大的问题，使用金属，较好是铝、钢(合金)或镁作为解决这一问题的方法。使用一层金属球、金属丸、可消耗的不规则形状金属颗粒代替片材。电流从金属阳极通到这些球，这些球则将阳离子通到水中，重复该过程。存在的问题是需要高电压来驱动阳极和阴极之间的电流。也不能保证这种形状的金属颗粒能很好适应电流的通过。该方法也未涉及对不同电导率水的适应问题。
美国专利5,558,755(Gardner-Clayson等人)是基于上述专利的后续申请。讨论的设备包括一个金属颗粒的流化床，介质流动通过该床，由电极提供电流，使污染物在介质上聚集。为使电极成为非自耗的，不需要频繁替换，所以颗粒应是可消耗的。
在电凝聚和电絮凝中，一直有使用同样材料电极例如铝阳极和铝阴极的倾向。这种情况下，明显的一个问题是由于电极表面形成的氧化物层而使电极阻塞。铝可在称作阳极化过程中有意对其氧化，一般认为此时铝在阳极溶入溶液。结果，一直认为难以解决铝在阳极溶入溶液而不在阳极形成氧化物层的问题。
现有技术一般有一种或多种缺点，例如● 在金属充分牺牲到溶液很早之前，电极在不断发生阻塞现象。这意味着必须以高成本替换电极，使这种方法不经济。
● 要处理的水的电导率常变化，意味着该方法常难以控制。
● 水中污染物量的变化意味着必须对一特定的水质量建造一套设备，这也使得难以工业应用。
本发明的目的是至少解决与现有技术有关的上述一个或多个以及的其它缺点。
发明概述人们已经认识到铝既在阳极又在阴极会进入溶液，在阴极的反应速度是阳极上的反应速度的2.5-3倍。阴极也是释放氢气、产生氢氧基团并使水的pH上升的电极。铝是一种两性金属，能与酸性基团(H+)又与碱性基团(OH)发生反应。在阴极，OH-与水和铝反应，形成不溶解的Al(OH)3，附着在阴极上，而在阳极，铝仅进入溶液而不形成氧化物层。
本发明认识到可采用电絮凝/电凝聚原理提供一种水处理法，该方法结合使用两个电极。在两个电极上施加电压，正电压施加在牺牲阳极上，负电压施加在惰性阴极上。电压可以是直流电(DC)，也可以是经整流的交流电。
两个电极的极性可以周期性颠倒，减少铝电极的表面阻塞。极性颠倒可以排斥先前吸引的物质而使吸引到一个极性电极上的物质驱除。与因为电吸引导致阻塞的情况相比，可在较短时间内发生排斥。极性颠倒一段短时间，在整个操作时间的0.1-30％的较宽时间范围，可以减少电沉积物质的形成，因此，延长电极的有效寿命。
使用一预定量电荷作为水处理程度的标志，因此能具有更大的适应性，即可以方便地处理例如各种不同电导率的水。通过电极之间的总电荷(按安培-小时计)，发现它对水处理程度的有效度量，因此可用来保证适当的处理结果。
本发明提供一种通过在阳极和阴极之间通过电流进行水解来处理水的方法。本发明还提供一种水处理装置，包括一个盛水的储槽，阳极和阴极浸于其中，通过电解处理水。本发明还提供适用于实施上述本发明方法的电源设备。本发明第一方面，通过两个电极之间的瞬间电流，其方向作周期性颠倒，以便抑制牺牲电极的阻塞，使牺牲电极主要作为阳极，惰性电极作为阴极。本发明第二方面，传递瞬间电流，使一预定量的电荷通过水，预定量电荷作为水经处理程度的标志。
在较好的实施方案中，要求使用一系列电极，以便适应不同电导率的水。使用的电极数目可以选用，如果水的电导率下降，更多电极接通，增加面积，因此由同样电压获得更大的电流。如果电导率提高太多，使电压明显下降，则将部分电极断开，减小面积，因此对同样电流提供更高电压。
在一较好的方式中，采用间歇方法，将污水泵送到反应器。对电极激活，使其部分物质进入水中形成凝聚剂，与污染颗粒(分子、离子等)结合。同时，释放的气泡捕集凝聚的污染物，将其悬浮到水面，从水面力便地除去污染物。
可以使用电源设备和电极的结合，此时牺牲电极逐渐耗去直到几乎完全用完。牺牲电极的成本相当于每处理1,000升水需0.10-0.30美元的金属，依据要求的处理程度(即遇到的污染情况)而不同。与其它水处理方法相比，由于是几乎完全耗尽牺牲电极，可能达到很大的成本降低。
一个较好实施方案能有效处理不同电导率的水，无需对某一特定类型的水专门设计所用的设备，也不一定需要通过操作者进行经常检测和调节。
将水泵送到槽，使电极激活，从槽的顶部除去污染物，将处理后水泵出。这种方法可重复下去，直到已没有需处理的水原料或接受已处理水的储槽已满。这样一个系统可以处理很宽范围的污染物，包括大多数一般是通过颗粒滤器、微过滤和超滤系统除去的物质，即悬浮固体，包括大的溶解分子、乳化脂肪油和脂(FOG)、重金属阳离子和磷酸根等。悬浮固体包括细菌、寄生虫、藻类、油漆和其它颜料、炭黑、石棉纤维、工业砂、粘土等等。
所述系统能处理含有大的溶解分子污染物的水，这些大分子包括腐殖质、染料分子、蛋白质、乳胶和聚合物等。该系统不能除去小的非极性分子如糖、杀虫剂等，也不能除去较低原子序数的阳离子或阴离子(例如不能除去盐)。除去率一般大于98％，有些情况下除去率大于99.95％。
附图简述

图1是根据本发明一个实施方案建造的水处理装置主要特征的示意图。
图2是根据本发明建造的水处理装置的示意图，其主要特征示于图1。
图3是图2水处理装置中使用的多电极组的示意图。
图4是图2水处理装置中使用的双电极组的示意图，可作为对图3所示电极组的替换。
图5是图2水处理装置中操作的图3多个可选用极组用的控制器和有关电源的示意图。
图6是图5电源的示意图。
实施方案和最佳模式的描述现结合附图，按照污水处理批料的内容描述本发明一个实施方案。
图1给出这种系统的特征。电源110向两个电极供给电流阴极140和阳极150都浸于储槽120的水130中。所述处理方法是使电流在两个电极之间通过，其中一个电极是牺牲电极，通常是铝或铁，另一个电极是电“惰性”材料如不锈钢。
电流通过阳极和阴极之间的水。在阴极释放氢气。在阳极，牺牲金属以牺牲物质金属离子的形式从阳极进入溶液。
图2表示具有图1特征的操作系统的特征。储槽210通过泵220接受和储存需处理的水212，水由水源222提供。在储槽内操作的电极230由电极选用控制器232激活，电极选用控制器与受微机控制器(后面描述)控制的电源234连接。
连接在储槽210顶部的管道214是从处理水212除去污染物的设施。泵240将经电极230处理的水212从储槽泵出。另一个泵250从水容器252向槽210供水，作为计划的维护步骤的一部分，对槽210进行周期性冲洗。
下面详细描述所述水处理法的结构特征和操作。
图3和图4说明适用于图1和图2所示装置的两种可用的电极排列。
图3所示是合适电极排列的一个例子，其中阴极340对所有电极组是同样的，阳极则可各自独立选用。除非选一个用特定的阳极组，否则没有电流通过该阳极。
固定板310可螺栓固定在反应槽侧面上。通过320的阴极供电头子连接到阴极共用载体330，而后者又连接到所有的阴极340。通过350的各个隔开的阳极供电头子连接到各个阳极360，它们是可独立选用的。
每组阳极/阴极电极360/340之间是一中性体370，图中为铝和不锈钢的结合。采用螺栓和垫圈组的固定机构将各电极组固定起来。仅在选用了某个阳极时，在包含该阳极360的电极组之间才发生反应。
按照这种方式，当需处理的水是比较低电导率的水时，对所有阳极360都激活；而当水的电导率比较高时，则例如只激活一个阳极360。
通过电源进行其余的调节。可以使用任意数目的独立选用的阳极。
应注意在图3所示排列中，电荷通过两组340/360电极从电源的负极到正极。电荷首先从阴极340出来通过水至中性体370(图中为铝和不锈钢电极结合构成)，通过铝进入，通过不锈钢出来。按照这种模式，每个电子反应两次，这样，电极上的电流读数加倍，得到适用的阳极安培小时测量值。
图4所示为与图3不同的另一种电极排列。这种情况下，三个阳极420和四个阴极410形成一组电极。阴极通过电缆连接到电源负极402，在每组中通过电缆413彼此连接。
同样，阳极420通过电缆424彼此连接。第一组的阳极420通过电缆450连接到第二组的阴极。第二组所有阴极通过电缆490连接在一起，而阳极通过电缆492彼此连接。
阳极通过电缆415连接到电源404正极。该阳极通过开关416为可选用的(正如图中第二组的阳极)，也可以永久连通。不难看到，电子从电源402负极先通至第一组的阴极，通过溶液至第一组阳极，由此，电子直接通到第二组阴极，由此通过溶液至第二组的阳极，最后回到电源正极404。这意味着每个电子通过一个电极组两次，电流效应加倍。电极组的第二对是该组第一对的重复，是可选用的。电流控制只要通过该组第二对上的开关进行，在电流太低时闭合，在电流太高时断开。
这种情况下，电极的结合是可选择的，可以是一组工作，也可是两组平行工作。在图3和图4的排列中，电子从一组的阴极迁移通过溶液，至同组的阳极，然后，直接到第二组的阴极，通过溶液到同组的阳极，最后到电源的正极。每个电子两次通过一组电极和水，意味着反应量是从电流通过所期望的两倍。
图5所示是结合有支撑硬件的电极和电源的一个例子，适用于所述实施方案。控制板550通过显示板540连接到逻辑控制器530。逻辑控制器530接受输入配电盘560以及控制板550的输入，向显示板540提供输出，并通过输出配电盘570回到电源110。电源110根据来自逻辑控制器530的指令操作电极140、150，随后将详细描述。电极有接头612和614。
图6所示为图5的电源110的各个部件。由外部电源电压610供电。该电压610通过断路器620，分支进入低电压变压器630，这种情况下，后者是个变压器调节器，将适当电压传递到配电盘，分配到合适的电子器件/控制器，以及该装置的主电源。
扼流器650和变压器660向一组SCR670提供电压，它们都能按照要求进行整流并产生极性变化。在其输出端测定供给电极的电压。利用串联的一个已知低电阻的棒测定供给电极的电流。还可以采用其它的电流测定方法如磁场测量。
在接头612和614上测定输出电压，该电压输出到微处理器/逻辑控制器530。系统的状况通过显示板540显示，并由控制器550加以控制。电流从配电盘输出。传感器信号通过在电源110的传感器线路(未示出)输入逻辑控制器530。
极性颠倒和pH调节电极阻塞是阻碍现有电解法水处理实现其合理功能的一个主要问题。阻塞是两种过程引起的，其中一个是带电的颗粒附着在电极上，另一个是在电极表面上形成氧化物层(或其它绝缘层)。
如果水的pH处于两端(即偏离7很远，如小于4和大于10)，极可能发生带电颗粒附着在电极表面上。这可以通过改变pH至接近7来解决。即使pH接近7，一些物质仍附着在电极上。发现，在用铝电极处理前用铁处理水，在铝用作主要电极的处理系统时，能在一定程度上解决这个问题。
发现，极性颠倒有助于去除聚集的物质。在较好的操作中，极性颠倒要在足够短的时间进行，使得没有大量物质聚集在电极表面。极性宜每数分钟在适当长的时间是颠倒的。如上所述，极性颠倒的时间宜为操作时间的0.1-30％，更好为2-25％。发现若为10％，其效果很好。
要求的极性颠倒量与水的pH有关。pH越接近6-7范围，防止阻塞要求的极性颠倒时间越短。对极端值的pH，如3.5＜pH＜5和8＜pH＜9.5，需要极性颠倒的时间为12.5-8.5％，较好为10％。在5＜pH＜6和7＜pH＜8的pH范围，操作时间的15-5％的极性颠倒就已经足够。而6＜pH＜7时，20-2％操作时间的极性颠倒能得到满意的效果。
如上所述，在5.5-7的pH能提供反应的最佳结果，在开始操作之前，要求pH在3.5-9范围之内，如果开始的pH超出该范围，宜调节在5.5-7之间。这样pH调节可以在预处理槽中进行，也可在装有电极的主反应槽中进行。
氧化物在活性电极表面上的聚集通常发生在阳极，由于显著产生氧化物层。通过主要使用铝作为阳极可解决这一问题。这种情况下，通过周围金属的溶解可以除去阳极上的任何氧化物聚集。当阳极上的铝进入溶液时，在进行的反应中不含有氧化物聚集(pH至少为9时)。纵使有氧化物层，氧化物周围的铝溶解会使氧化物剥落下来。
使用惰性阴极(例如“316不锈钢”)，由于在惰性物质上难以发生沉积，所以不会引起阴极的堵塞，并使铝阳极表面上的氧化物层充分除去，所以铝阳极和惰性阴极构成的电极组能连续正常地发挥功能。
当使用单极性模式的电极时，即铝作为阳极和不锈钢作为阴极，会引起在一定时间的聚集。如上所述，发现进行短时间的极性颠倒可减少聚集。占0.1-30％的操作时间的极性颠倒有助于防止在电极的操作寿命里发生聚集。已经发现，铝作为阴极和惰性电极作为阳极的时间大于过程时间30％的极性颠倒仍会由于氧化物(氢氧化物等)沉积而产生阻塞。
累积充电处理这里的过程是让一定量电荷在电极间通过，而不论水的电导率如何。采用间歇法，要求一定量的电荷通过，对通过的快慢并无要求。已经发现，水中1％粘土的悬浮液(即每千升含1千克粘土)要求以约50阳极安培小时(aAh)的电量通过铝阳极，2小时就可以净化这种水。由计算可确定这相应于约15克铝电解溶入1kL水中，如果全部电流使铝溶入溶液的话。
电流乘以时间(安培小时)的一定量适于获得一定质量的处理水。然而，在宽的电导率范围难以保持恒定电流。但采用变化的电流时，测定各个电流和相应时间，将各电流和相应时间相乘，加和起来直到达到适量的通过电荷，也能获得这一效果。对电源进行合理控制可达到这一点，但是，就电压和电流而论，都不是线性的。电源可以是个变压器和扼流器的组合那样简单的装置，这种情况下，电压随电导率上升而下降。当电导率增加至20倍时，这样的组合一般会增加电流至四倍，此时降低电压至五分之一，这使得一个电源能处理电导率差异高达20倍范围的水。
在使用的电源中，可用一电容装置或通过传递到电极的瞬间电流的数字积分来测量通过的累积电量。
电极排列能够测定电流的电源仅能处理在一定电导率差异范围的水。在此之后，需要对电极排列进行一定改变，来处理更大电导率差异的水。为达到这一点，如前，可使用不同电极的系统。
随着电导率下降，将更多电极并联接通，这就降低电极板之间的电阻，从而对同样电压能供给更大电流。或者，随着电导率提高，将有些电极线路断开，对同样电压就供给更小电流。要求传递在一ding目标范围内的电流。可以接通或断开的电极数目决定了通过这种方法可处理的水的电导率差异范围。例如，如果使用四组电极，电导率范围可增加至四倍。如果使用八组电极，该范围可增加至八倍。
使用上述电子控制，这种电极的组合还可达到20倍。如果使用八组电极，而电子控制可获得20倍的变化，则可导致能处理的水的电导率160倍的总变化。这相当于能处理电导率在50μS/cm至8mS/cm之间的水，或者说，可用的电导率范围为20μs/cm至3mS/cm。
然而，较好采用电导率为50倍的范围，由30μS/cm(乡村地区雨水的代表性电导率)至1.5mS/cm(可作家用/农用的钻井水的代表性电导率上限)。对小型老式水处理装置，水的电导率范围通常在100μS/cm至2mS/cm范围，而通过本发明系统能方便地处理。
另一种做法，是在电流方面电源不受限制，通过使用的电极数目进行控制。电源使用的部件有处理最强电流的充分能力，仅是通过接通或断开电路中更多的电极来调节。要求监测电压和电流，如果电流太大或电压太低则断开该装置。
虽然电极电压控制是自动化的，极性颠倒能够人工进行，按指示器所示的需要用开关进行，也可以使用软件和继电器自动进行。后一方法，对使用者更为有效并是透明的，但所需成本更高。前一方法对工业设施和涉及大电路的情况较好。
选用合适的电源设置，能够使用不同程序来控制不同的电极。例如，铁电极能具有每次数分钟的极性颠倒，而铝电极颠倒仅为反应时间的10-25％。不同电极组可用于不同用途。
这种装置的优点是能连续监测电极上的电压，如果电压低于一定的预定值时，装置可停止操作，该预定值由串联电极的数目决定。该装置仅在电压太低时停止。如果电流太低，装置应发出标记，否则应保持计数，只是在处理时间超过系统计数的能力时，系统停止操作。
电源考虑总之，发现电源110宜在下列条件下操作a)令电源输出对于电极组合和水电导率来说最大可能的电流，并测定通过电极之间的电流；b)在电源的输入端设置一个电能限制装置如扼流器，使得当电流增加时，电压下降，减少通过的电流；c)监测电极上电压，当电能下降低于一预定值时，切断电源，停止操作。
要求使用的电压至少例如为4V，以便适合进行电极反应。使用例如30伏的电源，使施加的电压可以明显改变。
对给定的电压和电极排列，通过的电流与水的电导率约成比例。当电导率变化数百倍时，对给定的电极排列要保持恒定电流，则对要施加的电压提出明显的要求，即必须能够在数百倍范围内变化。由于这是不实际的，所以一般是通过进行电极/电源组合来解决，而这是由具体用途即具体所处理的水的电导率决定的。
如上所述，通过的总电荷量可以测定，电流乘以时间的乘积，更一般地说电流对时间的积分可以算出。以这种方式，供给的电流可以是在给定条件下从具体电源能够获得的最大电流，而如果电流随电导率的变化而改变，则可改变反应发生的时间来补偿。整个过程是易于控制的。
这个情况本身仍对电源有很大要求，因为此时不需要电源必须处理宽范围的电源，而是必须能够处理宽范围电流，电流则是随水的电导率而变化的。
如上所述，如果以适当方式控制从电源能获得的电能，则电导率变化可通过电流和电压的改变来适应。通过如包括适当选用的扼流器(镇流器)与供电中使用的变压器进行配合这样的简单步骤，可达到获得最大电能的条件。当水的电导率增加时，通过变压器和扼流器的电流增加，而扼流器就产生限制电流的效果。这样就自动降低电压，降低在该电导率条件下通过的电流。
在使用中，发现适当选用变压器和扼流器，能够处理的水的电导率变化可约为15倍或更大。例如，配有0.5H的扼流器的30V变压器，能将最大电能限制到91W，并且有次级电压和电流范围(大于4V)在25伏的2A至10伏的8A，至6伏的12A。考虑到通过电路和整流器的2V电压降，这对应于电路电阻范围为11-0.4Ω。总之，这对应于20倍以上的有用范围。如果认为最小电压仅为8V，这对应于10倍的范围。
可使用的变压器通常的规格为30V，15A，100VA铁芯，配用的主线路扼流器为0.5H，电流容量为2A。这就能提供处理10Ω至0.5Ω范围电导率的能力。虽然在较低电阻时的电流是足够的，但在较高电阻值电流将较低。
当电极排列接近电导率下限时，即此时通过的电流很小，限制电流的扼流线圈可以从电路中断掉。或者，也可以改变主电路变压器上的抽头，使得变压器产生的电压增加或降低。以这种方式，电极数目的改变和电压的选用都可用来限制一具体电导率情况下的电流，而不必使用电流限制装置。
然而，这种电压范围能按照水的电导率变化而明显改变电流。为获得要求的每千升(kL)水50阳极安培小时(aAh)，可以使用一恒定电流维持一定时间。如果电导率太高，在电导率增加不多时就会为保持恒定电流而要降低电压太多。例如，如果一组具体电极对100μS/cm的水电导率需要28V来通过10A的电流，则在700μS/cm的水电导率需要仅仅4V来通过10A的电流。如果确定合理的电压下限为4V，这样的系统能处理的水的电导率变化仅为7倍，远远不能达到总的可能1000倍以上的变化。
电极材料惰性阴极可以由任何合适的材料制造，例如316级不锈钢、铜、低碳钢、涂铂的钛、涂镍的低碳钢、浸渍硅的低碳钢。任何不易形成水性离子的材料一般都适合用作惰性电极。同样，牺牲阳极也可以由任何合适材料制造，例如，铝、铁、铜、镁。极性颠倒可以延长这类牺牲电极的操作寿命，直到它们在牺牲操作中有效消耗掉为止，而不是在牺牲消耗之前就不能有效操作。
用铁预处理大多数情况下，用铁对水进行预处理一般能减少随后所需的铝处理量。用铁预处理可以作为主要过程的预先步骤在主反应槽中进行，或者在主反应槽中进行处理之前在另一槽中进行。按所述的方式用铁进行预处理，可有助于降低方法的总成本。铁可以和不易与铝反应的物质反应。
在其常规操作中使用铝能除去残余的铁。其它金属经常是使用的，例如铜用来杀死细菌或藻类。铜的使用能在处理前杀灭这些生物，使它们更易除去。在有待处理的储存水是例如来源不明的水情况下，加入铜能防止细菌繁殖，从而防止其进一步对水污染。
所述实施方案的变动可以使用继电器、硅控制整流器(SCR)阵列或其它合适的开关装置来选用电极。使用多个可选用并都可通过所测电流控制的电极，有可能采用一个电源来控制所有电极组。
SCR能用于极性颠倒以及电压整流。要以大功率操作时，仅需要使用能处理大电流的SCR和能提供大功率的变压器/扼流器组合以及不同数值的分流器，来确定通过的电流。
电极宜使用平行板的形式，因为它们能有效使用电能。其它形状需要更大电压(因此更大电能)来驱动同样的电流。本文中，术语平行包括大约平行的板以及(大约)同心的一些圆筒或一个筒及在其中大约同心的棒。这些板可以各种不同的组合连接。这些板宜并联连接，此时电流的通过对流过所有电极的每一电流量只导致一种量的反应。其缺点是需要低电压、大电流容量的电源，使反应充分进行。
然而，如果电极组以串联连接，电流通过每一组，所以效率会倍增，与电极数目成正比。这种方式中，由高电压电源产生同样反应。这是个优点，因为高电压电源供电比大电流电源供电更易产生和控制。设计的结构可以是许多电极在安装前预先以不同方式接线，对于一定电导率范围的水优选其适用的结构。这样方式中，一组电极也可用于略为不同的电导率范围。
槽中的铜电极组可以激活，它们能杀灭水中细菌并使砷酸盐不溶解。这样的适当处理之后，铜电极可以断开，然而对铝/不锈钢电极激活。这样就可除去残留的污染物以及不溶的砷酸盐。铜还可用来杀灭藻类，然后使用铝/不锈钢电极将其和其它污染物除去。
也可以使用铁来调节处理漆的废水，然后使用铝电极除去。同样，用铁处理能分解乳化的脂肪、油和脂(FOG)，其残余物再用铝电极除去。铁可用来代替铜处理含砷酸盐的水。也可以使用铁来处理氰化物废水，然后用铝电极除去。整个反应宜在该一个槽中进行，以节约时间和资金。
应当注意，在一个有一组以上电极供电接头并能由一个电源控制的系统中，可以在同一反应器中放入多组不同电极。这种情况下，可能是一组电极由铁组成，另一组由不锈钢和铝组成。只要必须用两组不同电极来处理水，可以在一个反应器中进行。例如，处理含乳化FOG的水需要用铁电极进行预处理，破坏乳化并除去部分污染物，随后用铝电极进行二次处理，除去大多数残留的污染物。这两步就可以在一个槽中进行。同样，在处理含油漆和其它物质的废水时，也可以这样进行。将铁电极接通一段时间，随后用铝电极进一步处理。
适当选用电极和其设置，可以使用一个反应槽来除去比其它单一方法能处理范围更宽的污染物。如果使用自动选用电极，这些都能实现。
可以使用一套可选用的电极，其中的电极数目可自动调整或人工调整，与水的电导率匹配。然后，调节或监测电压，使合适的电流通过电极。按照需要使电极极性颠倒，一般其时间为反应时间的0.1-30％，测定电流，计算电流和时间的乘积。发现，极性颠倒例如为50％时间，不能防止电极由于形成氧化物发生的阻塞。调节水通过反应器的流量，以便对一定体积的水产生适当量的反应。
这样就可确保对水进行处理的量对于所遇量的污染物是充分的。这种情况下，操作者设置所需的处理量，对污染严重的水，需更大的阳极安培小时，对污染较轻的水需要较小的阳极安培小时。然后，系统自动调节流量，使得每次处理的水都受到正确量的处理。可以在一个较小反应器内进行处理，水在几秒内进出，而在一个外容器中发生凝聚反应和/或除去污染物。也可以在一较大容器内进行，水在其中停留较长时间，让反应在这同一容器内进行。在后一情况，水可直接通入滤器，不再多占据空间。或者，可以用足够大的容器，反应以及污染物的去除可以在这一个容器内进行，不需要使用滤器。
将水通入反应器的泵的控制可以是不连续冲击式的，也可以是连续流动泵式的。在上述两种情况下，将水泵送到容器内，由同样的电子器件和上述电极系统控制。然后，对水进行特定反应的处理，以一定的阳极安培小时/千升(aAh/kL)。也是测定电流，电流乘以记录的时间得到乘积。在一定的电流和时间乘积结束后，将预定量的水泵入，取代部分或全部已在反应器中的水。为达到有效操作，最好取代一部分，约50％或更少，用残留的水作为进水的缓冲剂。本领域的技术人员知道，电极操作和水的泵入可以分开或结合起来进行，结果没有多大区别。尽管排出少于50％较为适宜，但排出100％体积经处理的水也是可能的。测出泵入水的体积，并有时让泵停止，让电极对水充分处理，这几乎相当于连续过程。如果电极处理水的速度大于水泵入通过系统的速度，就停止系统的处理操作，避免不必要的水的过分处理。
在任何情况下，要求电极是其使用的数目可依据水的电导率人工或自动控制的类型。电极数目还可以根据通过反应器的水量来控制，与产生絮凝离子的电解反应速度匹配。通过测定电流乘以时间(即电量)，并通过控制泵速或在给定电量通过以后将一定体积的水泵入，可以达到上述目的。
如果需要，还可以增加一些其它特征。例如包括● 如果电压过低自动停止操作；● 如果处理时间太长时发出警示；● 如果电极将耗尽(根据反应进行时间太长)时发出警示。
所述实施方案提供一种通用的电絮凝系统，它是使用一个反应槽来处理很宽范围电导率和含有不同污染物的水。将水泵入反应槽，对电极激活，从顶部除去颗粒污染物，将洁净水泵出。
还可以使用其它除去方法，包括例如使用化学品来提高达到水面的絮凝物量，象目前使用的DAF(溶解空气浮选)。这种方法可以只使用铁电极来产生铁絮凝剂，同时还捕集产生的物质。还可以采用其它方法，如提高水面，使絮凝的物质溢出堰壁，随后再收集废物。
然而，在许多情况下，水可流入一个室，在其中进行处理，使污染物悬浮到水面，再采用任何方法定期除去。以连续流形式加入额外的水，使水从一个槽，通过某种障碍流到另一个槽。在第二阶段，可以让水静置一定时间，或者由第二组电极进行处理。之后，水再通过一个障碍流入第三区。在其中发生水中污染物的沉积，最后水流出该系统。还可以使用更多的反应室或沉积室。当然要求使水送入通过一个个室，不得绕过反应区。
这种情况下，要控制水流，使之与要求的处理匹配。如果，例如，一种特定类型的水要求的处理为80阳极安培小时/千升，就必须调节水流量，使得对设置的每80阳极安培小时电量有1kL水流过。使用上述系统，这种方法不需要任何监测，因为水的电导率变化会因改变水的流量而得到适应。
或者，水的通过速度可以由通过的电流控制。这涉及使用一个伺服机构，是由通过电极的电流值来控制泵或节流阀。有许多现有方法可获得这样的结果。
还合适的是通过电极排列或电源或这两种来控制电流的量。这种方式中，水会处理至要求的程度，不论水的电导率如何。无需人的干预，这种方法即能产生一致的效果。
重要的是，水流过的流量要由通过电极的电流和其预先设定值控制。如果要求进一步处理水，只需要减慢水通过该系统的流量。这就要求智能控制，此时由预定处理程度加上电流的值来控制最终的水通过量。水流减慢，如果决定需要更大处理程度的话(如果要求较低处理程度，加快水流)。如果水的电导率下降(即更小电流通过)水流就要求减慢，而电导率增加时(即通过更多电流)，则加快水流。
所述程序能使本发明的系统自动控制将水电导率变化和水污染程度变化考虑进去。如果水污染程度严重，泵应减慢，使反应槽中的反应时间加长。如果电导率下降因而电流较小，泵应进一步减慢，使得具有充分的反应时间，发生足够的反应。以这种方式，操作者可选择水中所认为的污染物的量以及所要求的合适反应。然后电子器件开始工作并自动按照水的电导率变化进行调节。这就提供一种自动进水系统，它不需要连续观察和随电导率变化而改变。
虽然使用变压器扼流器的组合是限制电能的最简单方法，降低电压而同时增加电流的任何装置都是同样可用的。例如，可采用脉冲调制方案。确实，脉冲调制和变压器扼流器操作的结合能提高系统处理宽电导率范围的能力。或者，可用抽头的扼流线圈或它们的任意结合进行。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于所述的任何一个实施方案，各种变动和修改都包括在本发明范围之内。
权利要求
1.一种处理水的方法，该方法包括下列步骤提供一对或多对电极，每对电极包括一个牺牲电极和一个惰性电极，将所述一对或多对电极浸在需处理的水中；向浸在水中的一对或多对激活电极传递一瞬间电流；周期性颠倒瞬间电流的方向，用以抑制牺牲电极的阻塞；牺牲电极主要用作阳极，惰性电极主要用作阴极，牺牲电极产生溶解于水的离子，有助于水的处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述瞬间电流的周期性颠倒定义为相关电压的极性操作循环。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述极性颠倒的时间占一对或多对电极激活操作时间的2-25％。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述极性颠倒时间占5-15％。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述极性颠倒时间约占10％。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于根据需处理水的pH调节负载循环。
7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的方法，其特征在于由瞬间电流传递的电能受到一预定上限值的限制。
8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的方法，其特征在于对不同电导率的水选用性改变所述电极对的数目，使瞬间电流保持在目标值范围内。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述选用的电极对是并联连接。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述选用的电极对是串联连接。
11.如权利要求1-10中任一权利要求所述的方法，其特征在于电流以大于预定最小电压的电压差在电极之间通过。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于预定最小电压约为3V。
13.如权利要求1-12中任一权利要求所述的方法，其特征在于，如果需要，将需处理水的pH调节在3.5-9的范围。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，如果需要，将需处理水的pH调节在5.5-7的范围。
15.如权利要求1-14中任一权利要求所述的方法，其特征在于在一对或多对电极之间通过电流之前，在水中加入铁。
16.如权利要求1-15中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个牺牲电极由铝制成。
17.如权利要求1-15中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个牺牲电极由铁制成。
18.如权利要求1-17中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个牺牲电极包括铝电极和铁电极的结合。
19.如权利要求1-18中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个惰性电极由不锈钢制成。
20.如权利要求1-19中任一权利要求所述的方法，其特征在于在一预定时间期间处理一定静态体积的水。
21.如权利要求1-19中任一权利要求所述的方法，其特征在于连续处理动态的水流。
22.一种处理水的方法，该方法包括下列步骤提供一对或多对电极，将这一对或多对电极浸在需处理的水中；向浸在水中的一对或多对激活电极传递瞬间电流，使牺牲电极产生溶解离子，有助于对水的处理；监测通过水的电荷的累积量，电荷累积量标志着水受到处理的程度。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于当电荷累积量达到一预定电荷量时停止瞬间电流。
24.如权利要求22或23所述的方法，其特征在于由瞬间电流传递的电能受到所述预定上限的限制。
25.如权利要求22-24中任一权利要求所述的方法，其特征在于对不同电导率的水选用性改变所述电极对的数目，使瞬间电流保持在目标值范围内。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于所述选用的电极对是并联连接。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于所述选用的电极对是串联连接。
28.如权利要求22-27中任一权利要求所述的方法，其特征在于电流以大于预定最小电压的电压差在电极之间通过。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于预定最小电压约为3V。
30.如权利要求22-29中任一权利要求所述的方法，其特征在于，如果需要，将需处理水的pH调节在3.5-9的范围。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在，如果需要，将需处理水的pH调节在5.5-7的范围。
32.如权利要求22-31中任一权利要求所述的方法，其特征在于在一对或多对电极之间通过电流之前，在水中加入铁。
33.如权利要求22-32中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个牺牲电极由铝制成。
34.如权利要求22-32中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个牺牲电极由铁制成。
35.如权利要求22-34中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个牺牲电极包括铝电极和铁电极的结合。
36.如权利要求22-35中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述一个或多个惰性电极由不锈钢制成。
37.如权利要求22-36中任一权利要求所述的方法，其特征在于在一预定时间期间处理一定静态体积的水。
38.如权利要求22-26中任一权利要求所述的方法，其特征在于连续处理动态的水流。
39.一种处理水的方法，该方法包括下列步骡提供一对或多对电极，每对电极包括一个牺牲电极和一个惰性电极，将所述一对或多对电极浸在需处理的水中；向浸在水中的一对或多对激活电极传递一瞬间电流，使牺牲电极产生溶解的离子，有助于水的处理；周期性颠倒瞬间电流的方向，用以抑制牺牲电极的阻塞，使牺牲电极主要用作阳极，惰性电极主要用作阴极；监测瞬间电流通过水的电荷的累积量，电荷累积量标志着水受到处理的程度。
40.一种水处理装置，该装置包括可接受并盛有需处理体积水的槽；在该槽内提供一对或多对电极，用来浸在水中，每对电极包括一个牺牲电极和一个惰性电极；可控电源，可用来(i)传递瞬间电流通过所述电极对，使牺牲电极产生溶解离子，有助于水的处理，(ii)周期性颠倒瞬间电流方向，用以抑制牺牲电极的阻塞，使牺牲电极主要用作阳极，惰性电极主要用作阴极。
41.一种水处理装置，该装置包括可接受并盛有需处理体积水的槽；在该槽内提供的一对或多对电极，供浸在水中之用；电源，可用来传递瞬间电流通过所述电极对，使一对或多对电极产生溶解离子，有助于水的处理；监测由瞬间电流传递的累积电荷量的装置，该累积电荷量标志着水受到处理的程度。
42.一种基于电解法对水进行处理所使用的电源设备，该设备包括电能输出装置，能向浸在水中的一对或多对激活电极供给瞬间电流，每对电极包括一个牺牲电极和一个惰性电极；输出端，用来通过它传递瞬间电流；控制装置，能控制从电能输出装置通过输出端供给一对或多对电极的所述瞬间电流；其中，控制装置能周期性颠倒瞬间电流的方向，用以抑制牺牲电极的阻塞，使牺牲电极主要用作阳极，惰性电极主要用作阴极。
43.一种水处理中使用的电源设备，其作用是将瞬间电流传递到一对或多对浸在水中的激活电极，该设备包括电能输出装置，能向浸在水中的一对或多对激活电极供给瞬间电流；输出端，用来通过它传递瞬间电流；控制装置，能控制从电能输出装置通过输出端传递给一对或多对电极的所述瞬间电流；其中，控制装置能够测定由瞬间电流传递的累积电荷量，该累积电荷量标志着水所受处理的程度。
44.一种处理水的方法，该方法包括向浸在水中的一对或多对激活电极传递瞬间电流，每对电极包括主要起阳极作用的一个牺牲电极和主要起阴极作用的一个惰性电极，当电流通过各电极对之间时，牺牲电极产生溶于水的离子，有助于水的处理。
45.一种处理水的方法，该方法包括控制传递到浸在水中的一对或多对激活电极的瞬间电流，当电流通过各电极对之间时，牺牲电极产生溶于水的离子，有助于水的处理。
46.通过权利要求1-39，44和45中任一权利要求所述的方法获得的经处理的水。
全文摘要
一种水处理方法，是向一对或多对浸在水中的激活电极提供瞬间电流，每对电极包括主要起阳极作用的一个牺牲电极和主要起阴极作用的一个惰性电极。当电流通过电极对之间时，作为阳极的牺牲电极能产生溶入水的离子，有助于水的处理。对电极的极性进行周期性颠倒，用以减少电极阻塞。由瞬间电流通过的电荷量标志水处理程度，用来控制处理过程。
文档编号C02F1/463GK1418175SQ01806678
公开日2003年5月14日 申请日期2001年3月15日 优先权日2000年3月15日
发明者V·N·E·鲁滨逊 申请人:奥森特控股有限公司