专利名称：混合处理添加剂到污染液体的方法
背景技术：
在处理来自农业或工业过程的污染水，如废水等中，必须混合处理添加剂与污染水以有效除去污染物。例如，在其中通过聚结气泡的工艺除去污染物的浮选系统中，该气泡浮动到表面和形成絮凝物，可以从液体撇取或另外除去该絮凝物，添加剂如阳离子物质、阴离子物质、酸、碱、粘土、硅藻土、凝结剂和聚合物用于选择性改变污染液体化学和除去污染物。
优选污染液体和处理添加剂形成均匀混合物使得当将溶解气体加入和随后允许聚结成气泡时，大多数污染物与气泡一起达到表面。如果混合物不是均匀的，甚至在处理之后不可接受数量的污染物会保留在液体中。
过去，采用几种方式将处理添加剂加入到污染液体中。例如，通常将处理添加剂混入污染液体的罐和然后采用混合器等机械搅拌。然而，已经发现处理添加剂倾向于彼此过早″成团″。
如图1所示，含有单体主链和正电荷位置的处理添加剂可聚集或″成团″，防止所有的带负电荷废物粒子连接到其上，导致不完全的混合和处理化学的过度使用。在加入凝结剂16之后，通常将聚合物和阴离子或阳离子聚合物10和12加入到污染液体中以使聚合物条彼此聚集，以产生足够尺寸的簇以在浮选和絮凝过程中除去。然而，由于如下事实聚合物条卷绕或″成团″在一起，聚合物16仅可以连接最小数量的废物粒子14到聚合物10和12。因此，自由浮动废物粒子14和凝结剂16由于它们的尺寸，或脱除这样污染物的处理工艺可能不被除去，这样的工艺依赖于废物粒子14对聚合物10和12的连接。另外，可能尝试引入过量的凝结剂16到污染液体中以凝结到最大可能程度，因此浪费有价值的凝结剂和聚合物。
因此，这样的混合不精确和未达到最优混合。这可导致浪费有价值的化学处理添加剂，和也导致除去尽可能多污染物的失败。
其它方案加入化学品和其它处理添加剂到流动的污染流中。将此物流引入混合设备，典型地水力旋流器。然而，本发明人发现某些处理添加剂对流动液体的速度非常敏感。因此，过度混合，以及混合不足可对添加剂具有不利的效果和可改变它们的行为或效率。本发明的发明人也发现各种处理添加剂的混合时间根据流体的速度变化。然而，过度混合再次可对某些处理添加剂具有不利的效果。过去，相信在延长时间内的剧烈混合提供最优的混合。然而，本发明人发现情况不是这样。
因此，需要混合处理添加剂到污染液体的方法，该方法优化混合时间和速度以均匀混合和有效利用处理添加剂，因此要求较少的添加剂和促进污染物从液体的最优脱除。本发明满足这些需求和提供其它的优点。
发明概述本发明在于混合处理添加剂到污染液体，如废水，以优化在污染液体和处理添加剂之间的混合，和利用最低可能数量的处理添加剂的方法。首先，选择一种或多种处理添加剂。这包括如下步骤确定添加剂的特性和需要处理污染液体的每种添加剂的数量。这需要在一定时间内混合各种处理添加剂到污染液体样品和确定有效添加剂，和用于处理给定体积污染液体必须的每种添加剂的数量。
其次，确定污染液体和选择的处理添加剂的混合能量要求。混合能量要求由如下方式确定在一定混合时间和混合速度范围内混合处理添加剂，和测量浊度以确定导致最低浊度的混合时间和速度。例如，低混合能量要求需要比更高混合能量要求低的混合时间和混合速度。典型地，为方便起见，将混合能量要求分成对应更低混合速度和时间的低混合能量要求，根据较高混合速度和时间的中间混合能量要求，和根据更高混合速度和时间的高混合能量要求。
然后将污染液体和选择的处理添加剂导引入混合系统。混合系统包括至少一个水力旋流器，该水力旋流器具有根据混合能量要求测定选择的入口纵横比。也根据混合能量要求测定选择水力旋流器的机筒长度和直径。水力旋流器的纵横比包括入口横截面积。因此，将入口增大以符合更低的混合能量要求，和降低横截面积以对应更高的混合能量要求。这是由于如下事实更小的入口会导致更高的液体速度，而更大横截面积的入口导致通过水力旋流器的更缓慢速度通过增加水力旋流器机筒的直径或长度，增加总体混合时间。相似地，降低水力旋流器机筒的长度降低混合时间。改变机筒的直径也可影响混合速度。
在特别优选的实施方案中，将多个水力旋流器彼此流体结合。这可以实现在结合水力旋流器的整个长度中的适当混合时间。同样，这能够实现处理添加剂分阶段在整个混合系统中的加入。可以根据就在该水力旋流器上游加入到污染液体中的处理添加剂的每种处理添加剂或组合的混合能量要求测定，选择每个水力旋流器的纵横比和机筒长度/直径。
本发明混合方法的结果是均匀混合物，该混合物完全混合和具有优化的处理添加剂数量。
从以下更详细描述，结合附图，本发明的其它特征和优点是显然的，附图通过例子说明本发明的原理。
附图简述
本发明。在这样的图中图1是表示使用现有技术混合设备和方法，处理添加剂和污染流体中污染物不完全混合的视图；图2是在现有技术混合方法和设备中凝结剂到处理添加剂的图示表示；图3是表示对于给定的处理添加剂和污染液体，为确定混合能量要求在各种时间和速度下混合试验的结果的表；图4是表示根据本发明的混合方法，与污染液体的污染物混合的处理添加剂的图；图5是表示根据本发明的混合方法，产生絮凝物桥接的另一种聚合物的加入的图；图6是根据本发明污染液体和处理添加剂通过其间的水力旋流器的横截面视图7是说明各种水力旋流器机筒长度和流体速度作图的图；图8是实施本发明含有单一水力旋流器的混合系统简图；和图9是根据本发明含有多个彼此流体结合的水力旋流器的混合系统的简图。
优选实施方案的详细描述如在说明目的的附图中所示，本发明在于有效混合液体和/或包括处理添加剂的固体成液体流，以提供液体、污染物、化学品和溶解气体的均匀分布的方法，它是可控的。如在此更完全所述的那样，尽管本发明在包括水力旋流器混合设备的混合系统中实施，本发明的特别重要之处不全是它的组分，而是那些组分的精细调节以有效输送具体数量的混合能进入液体主体以达到处理添加剂液体和固体和污染物液体的均匀分布。本发明的有效使用导致与能够采用少得多的机械故障生产的其它设备相比，使用较少处理化学品和产生更清洁液体的能力。
本发明中的第一步骤是选择和确定一种或多种处理添加剂的特性，和需要处理污染液体的每种添加剂的数量。这典型地采用传统方式使用标准″广口瓶试验″进行。即将各种处理添加剂加入到污染液体样品中以确定有效添加剂，和用于处理给定体积污染液体的每种添加剂必须的数量。例如，有不同物质污染物的液体可要求不同的处理添加剂。这样的处理添加剂可包括粉状粘土、硅藻土、阳离子或阴离子或非离子聚合物、酸、碱、凝结剂等。这些处理添加剂用于将污染液体达到所需的pH，和适当地使污染物带电使得它们可以连接到凝结剂、聚合物等，和在分离工艺如絮凝和浮选工艺期间从液体除去。
现在参考图3，然后确定污染液体和选择的处理添加剂的混合能量要求。这由如下方式完成在一定混合时间和混合速度范围内将处理添加剂混入液体。测量浊度以确定导致最低最终浊度的混合时间和混合速度。图3显示在各个混合时间范围内和在各种速度下进行的许多试验的结果。典型地采用磁力搅拌器以在给定速度下搅拌液体，同时将处理添加剂分阶段在一定时间内加入到污染液体样品中，而产生图3的表。
特定的溶液包括洗衣店废水溶液。在化学品或处理添加剂和混合之前的浊度是2,528。硅藻土首先在900ppm(百万分之一份)下加入。随后在每种20ppm下加入三种剂量的阳离子溶液。本发明人发现分阶段在一定时间内加入处理添加剂导致最优的混合和需要较少的处理添加剂。
令人惊奇地，如图3所示，对于每种给定的污染液体和处理添加剂，存在一种或多种最优的混合速度和时间。在看图3时，很显然速度1，最低速度产生最高浊度，而不管混合时间。浊度是在给定混合时间和速度之后液体的透明度，在一次加入所有的处理添加剂之后，处理添加剂和污染物浮动到表面或沉到液体底部。高的浊度表示许多污染物仍然在液体中，而低的浊度测量值揭示更少的污染物。
一般情况下，给定这些处理添加剂和此特定污染液体，更大的混合时间和更高的速度导致更小的浊度。然而，在每种处理添加剂加入之间使用最高的速度，速度4和最高混合时间，60秒导致75的浊度读数。在相同的时间下，此结果大于更缓慢速度，速度3的使用，它导致59的读数。同样，在50秒间隔内速度3的使用导致74.25的轻微更低浊度读数。最高速度，速度4的使用，对于50秒间隔，40秒间隔，和30秒间隔都导致比在相同速度下60秒间隔下低的浊度。此结果是出乎预料的和认为如果混合太长或在太大速度下混合处理添加剂，某些处理添加剂会损失它们的效率。然而，不足混合这些处理添加剂导致除去较少的污染物。给定图3的污染液体和处理添加剂，最希望在速度3下以60秒间隔混合上述处理添加剂，总时间大约4分钟。或者，在最高速度速度4下在50秒间隔下按顺序加入处理添加剂，总时间大约3分钟20秒。这样会导致最低的浊度，和污染物的最优脱除。这表明在这些混合时间和速度下，发生最优混合。
已经发现聚合物链对混合时间和速度特别敏感。与图1和2中说明的现有技术混合方法形成对照，本发明的混合方法可导致聚合物的展形条10，它的带电部位12曝露以吸引带相反电荷的14，如图4和5中说明的那样。这能够实现每体积聚合物处理添加剂吸收更多的废物粒子。如图5中说明的那样，阴离子絮凝剂18的加入导致吸引或固定到更大数目的阳离子絮凝剂10和12上，它们吸收非常小的废物粒子14。这是由于如下事实混合速度和时间足够大以展开聚合物链和曝露电荷部位使得聚合物10和18不聚集或形成″团块″，以及如下事实当速度和时间不过度延长时，聚合物链10和18保持完整。一些处理添加剂也易受混合时间和速度变化的影响，而其它不这样。例如，酸、粘土、苛性物和凝结剂都在高混合速度和时间下表现最优。
参考图3，低混合能量要求是需要比更高混合能量要求低的混合时间和低的混合速度的混合能量要求。因此，对于延长的时间要求高速度以最优混合的污染液体和选择的处理添加剂具有相对高的混合能量要求，而仅需要最小数量时间和低速度的污染液体和选择的处理添加剂具有低混合能量要求。为简化工艺，将混合能量要求分成低、中间、或高混合能量要求。参考图3，这样可以经过表产生三个对角线区域说明。低混合能量要求是在混合时间20和30秒下速度1和2的混合能量要求。中间混合能量要求是在速度2和3下30-50秒的范围。高混合能量要求是在速度3和4下50和60秒的混合时间。对于说明的污染液体和处理添加剂混合物，高混合能量要求必须完全和最优混合添加剂到液体。然而，需要仔细以不过度混合处理添加剂到液体。
现在参考图6和7，必须将污染液体和处理添加剂通过系统或设备以适当混合它们。一旦以速度和时间表示的最优液体能量要求被测定，设计混合系统以适当混合选择的处理添加剂和污染液体。
继续参考图6和7，混合系统包括至少一个水力旋流器20。这样的设备是现有技术中公知的用于分离过程。然而，这样的水力旋流器没有改变某些物理参数以匹配混合能量要求和有效混合，本发明人发现了此现象。
将根据本发明使用的水力旋流器设备20配置为含有两个基础部分，反应器头22和降液管或机筒24的简单混合器。将污染液体26引入水力旋流器20，该污染液体含有在水力旋流器设备20上游加入，或注入其中用于混合的处理添加剂。将液体26通过入口28导引，该入口与输送液体26的导管相比尺寸降低并设计成引起液体26以径向方式沿水力旋流器20的壁旋转，同时在轴向沿管24的长度向下延伸。当它与静止降液管壁24接触时，旋转液体的外部层经受摩擦力。在液体外部边缘和自由旋转内部层之间的速度差异产生剧烈的混合作用。最后，整个降液管24由旋转液体26填充。
水力旋流器入口孔28的纵横比或横截面积确定了液体进入降液管24的速度。如上所述，这是一个节流孔。即在给定的压力下，泵输送给定数量的液体，正常描述为加仑每分钟。入口孔28和水力旋流器20的尺寸小于向水力旋流器20进料的管30。由于液体流的流量恒定，但液体26必须通过其的空间变小，液体穿过孔28的速度增加。孔尺寸确定了液体进入降液管24的速度，更小的孔口28导致高速度和更大的孔口28导致更低的速度。
液体26进入降液管24的加速由压力能到速度能的转化完成。当此转化发生时，在液体穿过孔28之后液体压力下降。参考表1，可以通过测量在它通过孔28之前液体26的压力(称为P1)和在它通过孔28之后液体26的压力(称为P2)之间的差确定液体的速度。正如小的孔口导致高液体速度那样，小的孔口也导致高的压差(ΔP)。大的孔口导致低速度，和低的压差。通过测量压差(ΔP)，当它进入混合水力旋流器设备20的降液管24时可以确定液体26的速度。表1说明当更多能量从压力转化成速度时该孔口尺寸对压力到速度的转化和液体的压降具有影响。
表1
对本发明的混合设备和方法的另一个关系因素是机筒24直径。机筒直径确定了液体26在降液管机筒24内部完全旋转的频率(每分钟转数)和每单位时间穿过降液管的液体体积(每分钟加仑-GPM)。在给定的速度下，当增加降液管24的直径时，液体必须穿过以在降液管24内部进行完全旋转的距离增加。由于要求进行完全旋转的小距离，更小直径的降液管得到更高的每分钟转数。相反，在相同的初始速度下，由于必须经过以进行完全旋转的相对长距离，大直径的降液管得到低的每分钟转数。除平均旋转速度的降低以外，轴向速度与半径的平方成比例降低。这增加液体曝露于混合的时间。
本发明的另一个关键因素在于降液管机筒24的长度。由降液管24的长度控制液体26经受混合的时间。如果确定需要更多的时间，将降液管24增长。如果需要更少的混合时间，则缩短机筒24的降液管。然而，摩擦力会最终将液体流26的径向旋转转化成简单轴向层流。如果液体26要求超过特定水力旋流器20能力，则可以将液体26接入第二，或甚至第三个水力旋流器以完成混合过程。
现在参考图7，图说明使用不同速度(速度1-4)，入口孔28横截面积的函数的效果，它们涉及以英寸计的降液管机筒长度，它提供增加的混合时间以达到废水液体的最终浊度测量。对于此特定图的污染液体和选择的处理添加剂与图3相同。因此，增加速度和增长降液管机筒24一般导致更低的浊度测量值。然而，注意到在最高的速度，速度4下，过度混合实际在210英寸和更大的机筒长度下发生。这与图3的磁力混合能量试验一致。因此，具有相对小孔入口28以达到速度4，和降液管机筒24的长度为200英寸或更小的水力旋流器导致最优的混合。或者，入口孔28的尺寸稍增加以达到速度3，同时将降液管机筒长度增加超过220英寸使得增加混合时间。
现在参考图8，说明例示的混合系统32，其中将污染液体26的罐34与液位传感器54，如需要的泵52流体结合到水力旋流器混合设备20上。根据图3和7中先前所述的预定混合能量要求过程选择水力旋流器设备20的纵横比、机筒直径和机筒长度。尽管可以调节水力旋流器入口纵横比或机筒24的尺寸和长度以应付速度的非常精细变化，典型地在三个尺寸的一个之间选择入口孔28以对应更低的混合能量要求、用于高速度的中间混合能量要求、和在更高速度下的高混合能量要求。典型地调节降液管24的长度以基本满足对于先前所述的给定污染液体和选择的处理添加剂必须的混合时间。
将处理添加剂的来源38和40结合到系统以在水力旋流器20的上游加入到液体26中，或在水力旋流器20的顶部22中加入，使得当它们穿过水力旋流器20时可以混合液体26和添加剂38和40。化学品泵42可以在液体化学添加剂的情况下采用。传感器44可以安装在水力旋流器20的上游以校验将足够的化学品和处理添加剂38和40引入液体液26中。电子控制机构46可用于增加或降低添加剂38和40的泵送速度以达到所需的结果。
然后通过外部管48排出混合的液体26和处理添加剂38和40到混合和分离系统的下一个子系统。这可以包括空化板50等的使用以增加混合系统32中的背压，和提供用于浮选和絮凝步骤的必须液体压力。
优选，液体来源26也包括泵52和相关传感器54和56以提供要处理的污染液体恒定来源26。应当理解单一处理添加剂38或40可以加入到污染液体26中，或可以同时加入多种处理添加剂。
参考图9，显示另一个系统58，其中污染液体26的罐34流体结合到一系列水力旋流器20。这可以是如下情况当混合时间足够长时使得必须提供一系列水力旋流器20以提供足够的混合时间。同样，这样的布置可以有利地用于分阶段混合选择的处理添加剂以优化每种处理添加剂的混合以及考虑分阶段加入某些处理添加剂以处理液体的必要性。因此，参考图9，将酸处理添加剂60加入第一水力旋流器20。结合到酸来源60的酸传感器62可用于确定向系统中注入足够的酸以使pH达到必须和所需的水平。粉状粘土64例如，然后可以在下一个水力旋流器20加入。硅藻土66然后可以在下一阶段加入，和聚合物68在最终阶段加入。然后将处理的液体26向下整个处理系统的下一阶段。
对本领域技术人员显而易见的是通过最优混合处理添加剂和污染液体，本发明导致处理添加剂的节省。另外，由于处理添加剂与污染物完全混合的事实，可以达到污染物脱除的更大程度。
尽管为说明的目的详细描述了本发明的几个实施方案，可以进行每个实施方案的各种变化而不背离本发明的精神和范围。因此，除所附权利要求以外不限制本发明。
权利要求
1.一种混合处理添加剂到污染液体如废水中的方法，包括如下步骤选择一种或多种处理添加剂；确定污染液体和选择的处理添加剂的混合能量要求；和将污染液体和选择的处理添加剂导引入包括至少一个水力旋流器的混合系统，该水力旋流器具有根据混合能量要求测定选择的入口纵横比，和根据混合能量要求测定选择的机筒长度/直径。
2.权利要求1的方法，其中选择处理添加剂步骤包括确定处理污染液体所需要的添加剂的特性和每种添加剂数量的步骤。
3.权利要求2的方法，其中选择处理添加剂步骤进一步包括如下步骤在一定时间内混合各种处理添加剂到污染液体的样品中，和确定有效的添加剂和用于处理给定体积污染液体必须的每种添加剂的数量。
4.权利要求1的方法，其中确定混合能量要求步骤包括如下步骤在一定时间和混合速度范围内混合处理添加剂，和测量浊度以确定导致最低浊度的混合时间和速度。
5.权利要求4的方法，其中低混合能量要求比更高混合能量要求需要更低的混合时间和混合速度。
6.权利要求1的方法，其中选择水力旋流器的纵横比步骤包括如下步骤增加入口的横截面积以对应更低的混合能量要求，和降低入口的横截面积以对应更高的混合能量要求。
7.权利要求1的方法，包括如下步骤增加水力旋流器机筒的直径或长度以增加混合时间以对应更高的混合能量要求，和降低水力旋流器机筒的长度以降低混合时间以对应更低的混合能量要求。
8.权利要求1的方法，包括将多个水力旋流器彼此流体结合的步骤。
9.权利要求8的方法，包括如下步骤分阶段在整个混合系统中加入处理添加剂，根据就在该水力旋流器上游加入到污染液体中的处理添加剂每种处理添加剂或组合的混合能量要求测定，选择每个水力旋流器的纵横比和机筒长度/直径。
10.权利要求1的方法，包括如下步骤将混合能量要求分成对应更低混合速度和时间的低混合能量要求，根据较高混合速度和时间的中间混合能量要求，和根据更高混合速度和时间的高混合能量要求。
11.一种混合处理添加剂到污染液体如废水中的方法，包括如下步骤确定处理污染液体所需要的一种或多种处理添加剂的特性和每种处理添加剂的数量；通过在一定混合速度和时间范围内混合处理添加剂确定污染液体和选择的处理添加剂的混合能量要求，和测量浊度以确定导致最低浊度的混合时间和速度，其中低混合能量要求需要比更高混合能量要求低的混合时间和混合速度；和将污染液体和选择的处理添加剂导引入包括至少一个水力旋流器的混合系统，该水力旋流器具有根据混合能量要求测定选择的入口纵横比，和根据混合能量要求测定选择的机筒长度/直径。
12.权利要求11的方法，其中选择处理添加剂步骤进一步包括如下步骤在一定时间内混合各种处理添加剂到污染液体的样品中，和确定有效的添加剂和用于处理给定体积污染液体必须的每种添加剂的数量。
13.权利要求11的方法，其中选择水力旋流器的纵横比步骤包括如下步骤增加入口的横截面积以对应更低的混合能量要求，和降低入口的横截面积以对应更高的混合能量要求。
14.权利要求11的方法，包括如下步骤增加水力旋流器机筒的直径或长度以增加混合时间以对应更高的混合能量要求，和降低水力旋流器机筒的长度以降低混合时间以对应更低的混合能量要求。
15.权利要求11的方法，包括将多个水力旋流器彼此流体结合的步骤。
16.权利要求15的方法，包括如下步骤分阶段在整个混合系统中加入处理添加剂，根据就在该水力旋流器上游加入到污染液体中的处理添加剂每种处理添加剂或组合的混合能量要求测定，选择每个水力旋流器的纵横比和机筒长度/直径。
17.权利要求11的方法，包括如下步骤将混合能量要求分成对应更低混合速度和时间的低混合能量要求，根据较高混合速度和时间的中间混合能量要求，和根据更高混合速度和时间的高混合能量要求。
18.一种混合处理添加剂到污染液体如废水中的方法，包括如下步骤通过在一定时间内混合各种处理添加剂到污染液体的样品中，和确定有效的添加剂和用于处理给定体积污染液体必须的每种添加剂的数量，确定处理污染液体所需要的一种或多种处理添加剂的特性和每种处理添加剂的数量；通过在一定混合速度和时间范围内混合处理添加剂确定污染液体和选择的处理添加剂的混合能量要求，和测量浊度以确定导致最低浊度的混合时间和速度，其中低混合能量要求需要比更高混合能量要求低的混合时间和混合速度；和将污染液体和选择的处理添加剂导引入包括至少一个水力旋流器的混合系统，该水力旋流器具有根据混合能量要求测定选择的入口纵横比，和根据混合能量要求测定选择的机筒长度/直径；其中将入口的横截面积增加以对应更低的混合能量要求，和将入口的横截面积降低以对应更高的混合能量要求；和其中增加水力旋流器机筒的直径或长度以增加混合时间以对应更高的混合能量要求，和降低机筒的长度以降低混合时间以对应更低的混合能量要求。
19.权利要求18的方法，包括将多个水力旋流器彼此流体结合的步骤。
20.权利要求19的方法，包括如下步骤分阶段在整个混合系统中加入处理添加剂，根据就在该水力旋流器上游加入到污染液体中的处理添加剂每种处理添加剂或组合的混合能量要求测定，选择每个水力旋流器的纵横比和机筒长度/直径。
21.权利要求18的方法，包括如下步骤将混合能量要求分成对应更低混合速度和时间的低混合能量要求，根据较高混合速度和时间的中间混合能量要求，和根据更高混合速度和时间的高混合能量要求。
全文摘要
为最优混合处理添加剂到污染液体，选择处理添加剂。然后通过在一定时间和混合速度范围内混合处理添加剂，和测量浊度以确定导致最低浊度的混合时间和速度，确定污染液体的处理添加剂的混合能量要求。低混合能量要求需要比更高混合能量要求低的混合时间和混合速度。然后将污染液体和选择的处理添加剂导引入包括至少一个水力旋流器(20)的混合系统(32)。每个水力旋流器(20)具有根据混合能量要求测定选择的入口纵横比，机筒长度和直径。改变水力旋流器的纵横比，直径，和长度导致不同的混合速度和混合时间，对于给定的污染液体和处理添加剂可以优化它们。
文档编号C02F1/70GK1694757SQ02829945
公开日2005年11月9日 申请日期2002年10月30日 优先权日2002年10月14日
发明者达瓦恩·E·莫尔斯, 韦德·O·莫尔斯, 托马斯·G·马瑟利 申请人:达瓦恩·E·莫尔斯