废水处理的控制系统和方法

专利名称：废水处理的控制系统和方法
废水处理的控制系统和方法
背景技术：
本发明总体上涉及废水处理。更具体地说，本发明涉及废水 处理的控制系统和方法，包括经由独特浮选系统监测和调节混合时间、 混合能量和化学品在废水中的量以优化不断改变的液流的废物去除的 控制系统。工业废水处理对当前技术提出了许多挑战。污染物通常以悬 浮固体形式存在。此类固体在尺寸方面为宏观(数英寸至数百微米) 到胶状(亚微米)乃至纳米级颗粒。不混容油及其它亲油性物质(称 作疏水性物质)也有时存在并且在添加合适的乳化剂-表面活性剂(清 洁剂)或表面活性聚合物的情况下被乳化(增溶)。以成本划算、可 靠的方法除去此类污染物是必要的。已经开发了许多技术来实现工业废水处理设施中有效的固/ 液分离。历史上，最常用重力分离。在大净化槽中的沉降用来分离密 度大于水的颗粒。除了重力制备系统之外，对于不被精细篩网吸引的 颗粒，还使用这种筛网或膜分离小到50微米的悬浮固体，但是，筛网 可能堵塞和阻止废水的连续流动，因为固体被该屏蔽捕集。溶气浮选(DAF)系统也可以通常用来将颗粒材料与液体例 如废水分离。这些系统一般采用的原理是从液体中上升的气泡附着 并带走悬浮在液体中的颗粒。当气泡达到液体表面时，所附着的颗粒 聚结形成所收集的材料的浮渣。将处理添加剂添加到受污液体中并在 其中形成均匀的混合物，这能使溶解气体聚结成气泡并将大部分污染 物带到表面。如果该混合物不均匀，甚至在处理之后仍然会有不能接 受的量的污染物保留在液体中。浮选一般用来使密度接近于水的颗粒，例如脂肪、油和油脂， 或密度大于水的颗粒，例如污垢、重金属和材料漂浮。浮选是其中浆料(或细分散颗粒或小液滴的悬浮液)的一种或多种特定颗粒成分附 着于气泡以便与水或其它成分分离的方法。该气体/颗粒聚集体然后漂 浮到浮选容器的顶部以便与水或其它不可漂浮的成分分离。大多数废水固渣和乳化组分例如土粒、脂肪、油和油脂是带 电的。将凝结剂和絮凝剂之类的废水处理用化学品或添加剂加入以抵 消这种电荷并引发成核进而生长成更大的胶体和悬浮颗粒。这些颗粒 通常称为浮块。当凝结和絮凝过程最佳时，浮块的直径尺寸可以为数 毫米至数厘米。添加太多的化学品会使浮块再次充电并导致其破裂和/ 或永久》破坏(由于过,度充电的颗粒和/或浮块彼此排斥并倾向于分离)。凝结剂是用于抵消颗粒电荷的化学品并且可以是无机盐(例 如氯化铁)或聚合物(例如阳离子多胺)。此类化学品通常是粘性的 并且要求足够混合时间和混合能量以均匀地与到来的废水流混合。向 污染水中添加过量的化学品可能导致浪费化学品和/或产生受污的排 放水。太多混合能量也可能导致浮块的不可逆分裂和效率低的固/液分 离。絮凝剂是用于将较小的凝结浮块汇集成大而稳定的浮块以 促进固/液分离的大(通常盘绕)分子量聚合物。絮凝剂应该展开并与 到来的凝结废水流彻底混合以促进有效的固/液分离。太多混合能量或 混合时间导致浮块的分裂。太少混合能量导致聚合物丝条的不足够混 合或盘绕。如果聚合物丝条缠绕或"团"在一起，则该聚合物仅可附着 最小量的废物颗粒。如果混合没有最佳化，则可能将过量的凝结剂或 絮凝剂聚合物引入受污液体。欲谋求最大程度地凝结，由于此种低效 率而浪费了有价值且昂贵的凝结剂和聚合物化学品。太多混合能量也 可能引起浮块的不可逆分裂，导致效率低的固/液分离。常规系统使用长时间的强有力混合过程。认为这种方法提供 最佳均匀混合。但是，最近发现某些处理添加剂对混合速度或混合能 量敏感。因此，过分混合以及混合不足都会对添加剂造成有害影响并 会改变其均匀混合效率。根据所使用的混合能量，混合时间还随处理 添加剂改变。为了有效地使用凝结剂和絮凝剂，混合时间和能量必须
7匹配增压和减压能量以产生尺寸足够附着于浮块并此后长成更大气泡 的气泡。更大气泡的生长确保浮块簇合物漂浮出水和到其表面而形成 顶层浆料或浮渣。传统上，DAF系统选择一小部分该方法来排出料流并利用溶 解气体，通常是大气使该料流再次饱和。这部分料流被排入浮选槽的 下部并且溶解的气泡经过该液体上升并附着于该液体中的受污颗粒。 附着的概率随着所形成的气泡数目、气泡大小、碰撞角、气泡与颗粒 之间存在的疏水引力而变。 D A F系统处理时间和污染物去除效率通常取决于气泡在溶 液中的停留时间和气泡/颗粒接触的概率。反过来，停留时间受气泡大 小、气泡浮力、气泡在浮选槽中释放时的深度、以及液体中的湍流量 的影响。为了允许气泡具有足够时间从槽底部上升并到达液体表面， 相对较大的基底面是必要的。结果，常规DAF系统采用较大且成本高的 具有相应较大"基底面"的槽。这种系统的尺寸增加了调节控制和效果之间的时间。例如， 通过调节点，例如DAF上游的聚合物入口的水需要至少半小时，并且经 常超过一,J、时到达DAF的出口。因此，在DAF系统入口处的调节效果可 被在DAF系统出口处确认之前，存在相当大的延迟。因此，常规DAF系 统缺乏实时乃至接近实时控制。当处理过程产生了属于操作要求之外 的经处理排出物料流时，较长的响应时间导致产生与规格不符的许多 加仓的废水。在DAF系统接收来自几个不同过程的液流时，上述限制尤其 突出。这些分散的流量通常构成进入DAF系统的总流量的变化部分。因 此，到达DAF系统的复合流体的性质通常可能分分钟改变。除非对DAF 过程进行调节，通常通过调节化学制品剂量，混合时间或混合能量， 否则污染物的去除效率会改变并可容易地降级至规格之下。因此，当前技术不令人满意地对快速改变的废水流入液作 出响应。常规系统通常效率低并且一般要求长的时间来使用化学添加 剂适当地除去废物。这些系统通常极其大并且在生产设备中占据着贵重地位。另外，时间延误产生以下可能性受污料流不接收有效除去 其废物的合适的化学品混合物、混合时间和混合能量。因此，仍需要 能够进行实时或接近实时调节以致响应待处理液流性质改变的废水处 理系统。典型的DAF槽的大的槽尺寸对进行这些实时调节起反作用。[段15]因此，仍需要通过测量和调节输入化学品、pH值、混合时 间、温度和能量产生凝结剂和絮凝剂在数量和定量方面的最佳量的系 统。这些变量与加压和减压能量相配以产生具有附着于浮块的足够尺 寸的气泡。这些气泡应该在附着于浮块之后进一步生长成更大气泡以 确保废物从水中的适当排除。随着废水流随时间的改变，该系统应该适应于上述变量的任何改变。实时变量改变确保浮块簇合物有效漂浮 出水面并且用空气替代该浮块簇合物中的大部分夹带水。本发明满足 这些需要并且提供其它相关的优点。 发明内容[段16]本发明的系统和方法设计用来控制固体废物中水的浊度和 量。该控制系统设计用来优化化学添加剂(凝结、絮凝和pH值)，混 合能量(时间和大小)和混合受污液流的持续时间。实时适当地调节 这些变量优化化学品使用成本/系统排放水的特征。[段17]通过首先在一天的不同时间从工作料流中取样最初地设置 该系统。试验台试验分析程序用来排列上述变量中每一个的影响阶数。 使用这些样品建立对所有控制参数的起始设置。该起始设置设计用来 均匀地将添加剂混合到液流中，而不会物理上使聚集体退化。理想地， 组织气泡以便在起花室中进行有效的气泡/颗粒附着，从而有效地定位 所得到的浮块，并加速从这些浮块中排出水。[段18]基于性能目标(化学品比较排放要求的成本)，建立指令 以根据需要操作、测量和调节变量参数。在成核室出口处测量起始系 统浊度，或可以转换为排出水实时污染程度的任何其它参数。为控制 器编制程序来首先改变进料补偿化学添加剂。如果浊度读数超过目标， 则通过向一个或多个混和头添加进料补偿化学物来改变数量或输送顺 序。该顺序和程序量基于此前进行的试验台试验分析。通过分析实时计算值产生用于料流的混合能量和混合时间的最优组合。理想地，系 统将计算具有最小成本影响的理想最低浊度。该控制器经编程如下重复这一过程改变料流的试验台试验分析中确定的下一级能量变量， 直到考虑了所有变量。[段19]根据以下参照附图的更详细描述，本发明的其它特征和优 点将会更清楚，所述附图通过举例说明本发明的原理。 附图简述[段20]


本发明。在这些附图中[段21 ]图1是实施本发明的废水处理的控制系统和方法的示意图； [段22]图2A-2C是显示根据本发明对化学品的量、混合时间和混合 能量图解的浊度的曲线图；[段2 3 ]图3是根据本发明的彼此流体连接的多个混合器的示意图；[段2 4]图4是根据本发明使用的混合器的剖视图；[段25]图5A-5C是从图4的混合器中取出的旋风室和套管的透视图；[段26]图6是该多个混合器和具有与其可操作连接的控制器的浮 选槽的示意图，用于进行根据本发明的实时测量和调节；[段27]图7A-7D是显示根据本发明选择性流经多个混合器的示意图；和[段28]图8是根据本发明获得废水除去的最佳效率和成本的方法 的流程图。优选实施方案的详细描述[段29]如出于说明目的的示例性附图所示，废水处理控制系统和 方法的本公开内容总体上参照参考数字IO。现转到说明书中的代表性 附图，图I示出了废水处理控制系统IO,它具有与布置在浮选槽16内的 成核室14流体联接的混合器12。这里将更详细描述的混合器12特别设 计用来将化学添加剂、气体等混入受污液体。气体以小尺寸夹带在液 体中而与固体颗粒和絮凝剂粘附。此后，随着液体穿过成核室14，气 泡尺寸增大并使浮块和固体污染物朝浮选槽16的表面上升。最终，漂浮的颗粒形成淤渣或浮渣18，同时去污的液体20沉向浮选槽16的底部。 浮渣18被移动到脱水子系统22用于进一步脱水和处理。[段3 0]根据本发明的流体调节设计用来以任何比例模块化。控制 系统10被实时调节以在没有物理降解聚集体的情况下将添加剂均匀混 合于液流中。理想地，组织气泡(根据尺寸、数量、浮选时间、再循 环路径)以便进行有效的气泡/颗粒附着。控制系统10有效地定位所得 到的浮块，并加速从这些浮块中排出去污液或水。这里要更全面理解 的是，本发明通过监测固体中水的浊度和量通过连缘地调整和调节液 体中化学品的量、混合能量和混合时间显著地提高了从料流中除去废 物的效率。更小的浮选槽16又可用来减小占地面积和材料建造成本。 如这里将更全面解释的那样，当在整个废水处理控制系统10中进行连 续过程调节和测量时，该系统中组分的可调节性质允许实时过程控制。[段31]通过分析一系列受污液体的样品最初地校准控制系统10。 通常，为了完成试验罐或试验台试验，数夸或数加仑液体是必要的。 分析部分液体以确定pH值、悬浮颗粒特征等。从这些试验台试验确定 为改变pH值、使颗粒凝结和从水中除去废物必要的絮凝剂所必要的适 当化学添力n剂。[段32]从给定液流中去除废物的质量和效率在较低浊度下是最适 宜的。图2A-2C示出了浊度对化学品(图2A)、混合时间(图2B)和混 合能量(图2C)的可测变量数量的量。图2A-2C中的虛线代表试验性浊 度试验结果，而实线代表关于浊度水平的常规判断。在给定受污液流 中存在化学品的理想数量和混合该数量的化学品的相应持续时间和速 度，以获得最佳浊度。每一变量的这种"最佳点"优化浊度的降低以产 生从液流的有效废物去除。如图2A所示，大致80 ppm化学品获得最低 浊度(最佳点)。添加少于或多于80 ppm化学品产生更高和更低效率 的浊度。使用图2A的最佳化学品数量，可以计算混合时间(图2B)和 混合能量(图2C )来减小浊度。因此，对于其中具有特定量化学品的 给定受污液流，存在最佳混合能量(速度或速度范围)以及最佳混合 时间(混合持续时间)。从实验已经发现，在机械混合器中在ii1， 000-2， 000转/分(RPM)的高混合能量下10-20秒的较短混合时间产 生具有更低浊度和更大更容易漂浮的浮块的更清洁水。如图2B和2C所 示，对于80 ppm的化学品组成，存在15秒的最佳混合时间和大致1， 500 RPM的最佳混合能量。与这些"最佳点"的偏离有效地产生更高的浊度和 更低的整体系统效率。在更高转速下更长混合时间的世俗之见实际上 提高受污液体的浊度。例如，更少混合能量不完全地将受污料流内的 添加剂和气体混合以减小浊度，而过量的混合能量实际上可能破坏絮 凝剂。基于试验罐或试验台试验中的测定，控制系统10的组件设计用 来在去污过程中连续地实时微调化学品数量、混合时间和混合能量。 [段33]实际上存在可调节以优化从液流除去污染物的许多变量。 本发明解决它们中每一个的考虑并且公开了一种随着废水流特征改变 自动地随着时间调节这些变量的控制系统IO。例如，在制造设施中， 当工人可以休息时，废水流的在9: 00 a. m.和12: 00 p. m.之间产生的特 征可能不同于在12: 00 p.m.和2: 00 p. m.之间产生的废水流。本发明的 控制系统10在整个整个过程期间自动地进行受污液体的分析。相应地， 控制系统10能够适当地调节化学品、混合时间和混合能量以优化去污 过程。[段34]在进入控制系统10之前，首先对受污液体筛选尺寸大于该 废水处理控制系统10内任何组件的任何孔的最小尺寸的物体。立即从 受污液体中排除这些物体或将它们分解以防止堵塞。然后以预定压力 泵送所得的受污液流到混合器12中(图6)。此时，向该受污液流中添 加的必要的分离增强添加剂化学品和/或气体。混合器12(或图3中的 多个混合器12a-12f )调节本发明的化学品数量、混合时间和混合能量 的关键变量。[段35]参考图4，详细地示出了根据本发明使用的混合器12。这种 混合器12是水力旋流器，但是与单一"水力旋流器"不同，该混合器12 具有二阶段输送机构。类似的混合器12在美国专利号6， 964，740和未决 美国公开号2004/0178153中进行了公开，该文献的内容在此引入供参 考。如图4所示，混合器12包括上反应器头24和下管26，经过该下管，混合液体经由出口28进入和离开。混合器12经设计以致反应器头24为 受污液体30施加旋转运动以致在下管26中形成旋涡，从而使添加剂、 液体、污染物和任何夹带气彻底地且基本上均匀地混合。在操作中，混合器12经过污染物入口34将液体输送到接受 室充气间32中。该充气间32使液体均匀地围绕着中心筒36外部展开以 致液体在它周围均衡流动。受污液体30穿过一系列切向端口 38，该切 向端口被钻孔和攻螺紋到中心筒36的侧壁中。切向端口 38按切线将液 体导入旋流旋转室40。中心筒36装配为任何多侧堆室，其中中心筒36 的每一平面具有多个提供液体流过的路径的切向端口 38。切向端口 38可以打开或被围绕着中心筒36的外部周边布置 的可旋转调节器套管42约束。调节器套管42包括与切向端口38的开口 对齐的多个台阶44以调节受污液体30经过中心筒36的切向端口 38的流 动。台阶44与每一组切向端口 38的对齐可以是均匀或交错的(图5A-5C ) 以调节中心筒36内开放切向端口38的数目。调节器套管42旋转以致台 阶44形成横断相应切向端口 38的水密封。通过调节器套管42和台阶44 打开或关闭切向端口 38有效地控制旋流旋转室40内受污液体30的旋转 速度。如图5A所示，切向端口 38都没有被调节器套管42覆盖。混合器 12的混合能量随开放切向端口 38的数量增加，该开放切向端口 38能够 将受污液体30从充气间32转移并转入中心筒36。通过反时针方向旋转 调节器套管42，如图5A-5C中的箭头所示，通过台阶44逐渐地覆盖切向 端口38。相应地，减少开放切向端口38的数量降低流经进入中心筒36 的受污液体30的量。此后，受污液体30在旋流旋转室40内的旋转速度 降低。旋流旋转室40内的受污液体30的旋转速度取决于进入旋流旋转 室40的受污液体30的数量。通过打开切向端口 38的数量，增加受污液 体30的流速增加混合能量。通过减少开放切向端口38的数量，降低受 污液体30的流速有效地降低混合能量。相应地，相对于图5B或5C中的 混合能量，图5A中的混合能量更高。通过外部随动系统等自动地控制调节器套管42以致可以将 最佳混合能量输入该系统以使从污染水3O除去废物的效率最大化。该随动系统可以经由调节器套管42绕着中心筒36的外部旋转打开或关闭 切向端口38。该随动系统能够顺时针或反时针旋转调节器套管42,这 取决于当前开放切向端口38的数量和增加或减少混合能量的需要。随 动系统接收中央处理器(CPU)的指令响应于布置在浮选槽16内的浊度 计46测量的变化浊度，如本文更详细描述的那样。切向端口 38也可以攻螺紋以容納液流阻塞(未显示)，如 美国专利号6， 964， 740中详细公开的那样，该文献的内容在此引入供参 考。液流阻塞为调节器套管42提供任选的备选实施方案。 一般而言， 插入或取下阻塞增加或降低施加到混合器l2内旋流旋转室40中受污流 体30上的能量。通过从混合器12内部移除中心筒36使用阻塞。当将中 心筒36提升出时，在阻塞的调节、移除或添加期间压力室内部存在的 任何液体落入旋流旋转室40。本发明优选使用调节器套管42和相应的 台阶44代替阻塞以更好地促进混合器12内的实时混合能量调节。优选 使用阻塞作为更持久的解决方案以打开或关闭切向端口 38。如图4所示，反应器头24的污染物入口34在其充气间32的侧 壁中形成。基座48和盖子50密封该外壳。中心筒36布置在反应器头24 的外壳内。中心筒36如所示与下管26流体连通。中心筒36在图4中示出 为是圓柱形的。中心筒36还可以是多平面的。该中心筒36可以装配为 六边形、八边形或任何其它多边形或多面结构。该切向端口38在其至 少一个平面中，更优选在其每一平面中形成。切向端口38沿着每一平 面的对齐可以是均匀或交错的以使旋流旋转室40中的隆起部最小化。因此，受污液体30流入反应器头24，经过污染物入口34, 并进入充气间32，该充气间由中心筒36和外壳56之间的圆柱形空间界 定。受污液体30经由切向端口 38旋转进入中心筒36的内部，如图4中的 顺时针箭头一般性显示。开放切向端口38的数目，切向端口38的直径， 中心筒36的直径，旋流旋转室40的直径和下管26的直径决定液体旋转 和穿过混合器12的出口28的旋转速度。优选经由调节器套管42进行实 时调节，该调节器套管42如先前所述调节开放切向端口38的数量。废水处理控制系统10能够控制注入受污料流30中液体或固体添加剂的数量。这允许该控制系统10微调能量转换特征(压力向离 心力的转化)和规定混合器12的下管26中中心气柱的直径和长度。因 此，控制系统10包括用于引入气体或其它化学品的入口58。此外，副 入口60也可以引入气体或化学品到受污液体30中。入口的数量可以根 据气体或化学添加剂的数目改变。本发明中优选经由独立混合器).2添 加添加剂，如本文更完全描述的那样。当使用混合器12作为液/固混合 器时，通常将液体和/或固体添加到混合器12高压端上的料流中。通过 经由作用在切向端口 38和下管26中流体的旋转柱上的离心力使受污液 体30加速而将液体和固体混合。提高或降低经过入口 34的受污液体30 的压力改变混合能量，这与打开或关闭切向端口 38相似。相应地，提 高或降低入口压力还帮助管控混合能量的大小。如本文更完全描述的 那样，传感器测量经过下管26的受污液体30的特征以确保控制系统10 将达到适当的混合能量"最佳点"以获得最佳絮凝性能。调整混合能量 是常规DAF浮选系统设计的 一个重要，然而却忽视的组分。通过受污液体30进入混合器12的流速调节旋流旋转室40内 旋转受污液体30的直径。给定直径的旋流旋转室40可以适当地处理宽 范围流速。当受污液体3 0的流速超过运转的混合器的旋流旋转室直径 的额定值时，应该用不同混合器替换该运转的混合器。因此，对于较 高的流速，要求具有较大直径旋流旋转室的较大混合物，对于较低流 速需要具有较小旋流旋转室的较小混合器。例如，具有一英寸直径的 旋流旋转室40可以处理0. l-10加仑/分的流速。两英寸直径旋流旋转室 40可以处理5-80加仑/分的流速。三英寸直径旋流旋转室40可以处理 70-250加仑/分的流速。六英寸直径旋流旋转室40可以处理500-2， 000 加仑/分的流速。这些流速的上限不受旋流旋转室40限制，但受输送所 述受污液体30进入混合器12所要求的泵送系统的成本、处理液流的压 力要求、以及处理和分离所得液体/固体组分的下游浮选装置的尺寸的 限制。通常认为最佳絮凝和混合需要的是以低混合能量(机械混 合器为30-100RPM)的较长混合时间(1-IO分钟)。但是，情况不是这样。在高混合能量(高达4， OOORPM，用机械混合器)下较短混合时间 (5-10秒)产生具有较低浊度和较大，较容易漂浮浮块的较清洁水。 因此，混合器12的旋流旋转室40内部的混合可以仅持续数秒，而产生 优异的浮块，而没有任何机械预混或潜在聚合物破裂。受污液体30经 过混合器12时的混合能量或速度很大程度上由设置用来接收受污液体 30的开放切向端口38的数量决定，如此前论述那样。存在许多本发明控制系统10中待考虑的能量变量。这些变 量包括化学添加剂的类型、化学添加剂的用量、化学添加剂的顺序、 混合能量的量、混合能量的顺序、气穴能量顺序、气穴能量的量、流 体流速和流体料流在每一混合器12内的平均温度。根据上述试验台试 验分析程序，试验这些变量中的每一个以确定每一特定废水流的最佳 结果。本发明的废水处理控制系统10使用在去污处理期间连续数椐分 析的试验台试验结果以优化所有上述变量的顺序。具体来说，控制系 统10经由添加到受污料流中的化学品的量和相应的混合时间和混合能 量密切地监测浊度。
以改变上述变量。例如，气泡形成压力可以传递O. 5-150磅/平方英寸 (psi )。可以根据需要在控制系统10内的各个点插入孔大小不同的气 穴板以实现减压。随着料流改变，控制系统10还可以优化在本文公开 的方法期间添加的化学成分的量、添加频率和类型。其它变体可以包 括化学品添加顺序、混合的转动能、输送和溶解在液体内的气体的量 和下游气泡成核可利用的流体中剩余的能量的量。测量和添加化学品 并此后分析此种信息的方法用来获得浮块的最高效率的产生。其它可 操纵变量包括pH值、氧化还原电势和温度。在整个过程期间进行各种 试验台试验程序并编程输入控制器62 (图6 )以致控制系统10根据需要 自动地改变上述变量。另外，整个控制系统10可以经编程用来在整个 生产期间波动以适应废水流的特征和成分方面的差异。通常将添加剂，例如化学品、絮凝剂、凝结剂等添加到受 污料流中以改变其化学性质和将悬浮固体束縳在受污液体30中。虽然
16这些添加可以在混合器12的上游进行，但是本发明中优选经由入口58 或副入口60添加这些添加剂，如图4中一般性显示。副入口60可以就在 混合之前或在期间引入添加剂。优选地，入口58在反应器头24的盖子 50中形成以致经过其引入的气体或其它添加剂供入中心抽真空区区64 以致旋转液体吸收和夹带引入混合器12的该气体或其它添加剂。中心 抽真空区区64形成液体的旋涡，该旋涡使引入的气体接触中心旋转的 受污液体30，同时旋转进入下管26。可以根据需要经过入口58连续或 间歇地添加气体。中心抽真空区区64的尺寸影响能够流过下管26的受 污液体30的量。增加中心抽真空区区64的尺寸因此减少下管26内受污 液体30的数量。减小下管26内受污液体30的可利用体积有效地提高其 中受污液体30的旋转速率。相反地，减小中心抽真空区区64的尺寸增 大下管26中受污液体30的体积。下管26内受污液体30的旋转速度因此 降低。传感器66读取中心抽真空区区64的端点以通过增加或降低添加 到混合器12的气体的量操纵该旋涡的物理形状。此种传感器66可以以 视觉、超声、电子或其它方式读取或感测旋涡的位置以确定替换吸收 到待输送到下游的受污液体30中的气体所需要的补充气体的量。现参照图3，必要时，装配一系列混合器12a-12f以允许对 每一化学成分最佳的混合能量和混合时间单独地顺序注入化学品。多 重气体溶解旋涡暴露可用来优化每一气体混合旋涡的能量。在一个优 选的实施方案中，如图3所示，六个混合器12a-12f足以由于温和化学 品混合能量使受污料流饱和。根据在传感器66a-66f处采取的分析并与 初始试验台试验中编制的数据相比确定和改变混合器12a-12f的数目、 设置和布局。将液/固体化学品添加到料流进口并对于每一混合器12 如下微调每一个的设置经由浊度计46在成核室14出口处测量水排放 物的所得浊度。如图6中一般性显示，传感器66a-66c中的每一个与控 制器62电路联接。控制器62又经由进气口 58a-58c和副入口60a-60c直 接地调节化学品和气体的流动。取决于经由浊度计46通过控制系统10 计算的最佳读数，可以在混合器12a-12c的每一个中改变流速和混合时 间。[段49]此外，混合器12的数目可以在单系统内连续地改变。图 7A-7D示出了本发明控制系统10的一部分的俯视图。泵68与多个混合器 12流体连通，该混合器12最终排空到浮选槽16中。如所示，可通过打 开或关闭将混合器12中每一个互连的阀门(未显示)调节受污料流的 混合时间。例如，废水流穿过从图7A前进到图7D的增加数目的混合器 12。图7A使用可利用混合器12的一半，而图7D使用图7A-7D中所示的控 制系统10中的所有混合器12。因此，图7B和7C利用备选数目的混合器 12，如所示。打开混合器12之间的阀门有效地增加混合时间，因为液 流注入浮选槽16花费更长时间。因此，相对于图7A-7C,图7D中液流经 历最长的混合时间。相反地，关闭混合器12之间的阀门减少混合时间。 因此，在进入浮选槽16之前流经更少混合器12。因此，图7A中的混合 时间与图7B-7D中的混合时间相比相对更少。通过控制器62调节混合器 12中每一个之间的阀门的打开和关闭。基于从浊度计46取得的连续测 量值和鉴于试验台试验分析和最佳浊度读数，控制器62进行实时调节 (打开或关闭阀门)。虽然多个混合器12在本发明中是优选的，但是少到单个混 合器12是可行的。所使用的混合器12的数目同样取决于优化分离所要 求的混合时间的量和化学添加剂的数量和特征。连接多个混合器12允 许以对在过程期间添加的每种化学成分最佳的混合能量和混合时间顺 序注入化学品。此外，多重气体溶解旋涡暴露提供附加的混合能量。 控制系统10又可以优化每种添加剂的气体混合旋涡以作为温和化学品 混合能量要求等的结果使料流足够地饱和。如本领域技术人员将领会 的那样， 一系列管道70a-70e (图3)将出口 28a-28e与每一混合器 12a-12f的每一相应的入口 34b-34f互连。例如，本发明的控制系统IO 能够将高混合能量添加到一个混合器12a中，该混合器具有较多数目的 切向端口 38，这些切向端口是开放的以将高速施加到受污液体30上以 强力地混合其中的液体和化学添加剂。此外，另一个混合器12b可以注 入第二化学品，该第二化学品要求比注入前一个混合器12a中的化学品 更柔和的化学品混合能量。该第二混合器12b可以具有较小数目的打开
18的切向端口38以致施加更慢或更低混合能量。类似地，可以串联多个 混合器12来延长混合时间，而不是利用长下管26。除了以受控速率同时地将液体或固体添加剂输送到废水流 中之外，本发明的废水处理控制系统10还可以改变每一混合器12a-12f 的下管26中的旋流旋转室40 (图4)的直径或长度。图3中的传感器 66a-66f还能测量每一相应混合器12a-12f中的中心抽真空区区 64a-64f的长度。通过感测中心抽真空区区64终端位置，可以通过增加 或减少送到中心抽真空区区64 (例如，如先前所述，经过入口58)的 气体的量操纵旋涡的物理形状。该传感器66a-66f可以通过以视觉、超 声、电路或其它方式读取中心抽真空区区64的位置帮助维持旋涡位置。 如图6所示，传感器66a-66c将与中心抽真空区区64的特征有关的信息 发送给控制器62，该控制器62接着可以提高或降低经过每一相应入口 58a-58e的气流速以获得最佳浊度。维持最佳旋涡包括监测入口58以确 保以与吸收到液体中并向下游运送到成核室14的气体量相当的足够速 率补充气体。可以按稳态或脉冲方式添加气体。如图6中进一步所示，在线可调流量泵68控制液流的液体流 速并且可以緩和跨越该系统的能量输入。控制器62可以提高流量泵68 的速率以增加跨越系统的能量或，相应地，降低泵68的流速以降低跨 越系统的能量输入。还可以通过在水泵68的高压侧上插入流量控制阀 71 (图6)调节流量。控制器62与各种阀门，输入端口58、 60，传感器 66和泵68以电子仪器连接以致适当地调节气体、液体和化学品进入混 合器12的流速。控制器62还管控液体废水流经过的混合器12的数目和 所添加的液体和气体化学添加剂的量。控制器6 2是本发明废水处理控 制系统10的集成部件用于维持和稳定化最佳混合时间、混合能量和化 学品的数量以获得图2 A - 2 C的"最佳点"。回到参照图1 ，经由管道7 O将基本上均匀混合的料流从最后 一个混合器U引导至成核室14。进入成核室14的料流在其中经历压降。 在一个尤其优选的实施方案中，成核室14具有布置在其中的气穴板72。 该气穴板72具有预定数目和尺寸的多个孔，液流必须穿过该孔。气穴板72中这些孔的设计确保气泡以一种尺寸开始成形，该尺寸小得足以产生大范围的疏水力，由此促使气泡/颗粒附着。本发明的成核室14设计用来在连续变化的混合环境中产生最佳尺寸和数目的气泡。成核室14布置在浮选槽16的起花室74内。在此，受污液体混合物被推动经过气穴板72并减压。因此，当成核气泡由于减压以及与其它气泡聚结而增大尺寸时，该液体混合物漂浮至表面。可通过改变泵68的叶轮尺寸或旋转速度，或通过安装流量控制阀75来调节导向成核室14的管道70内的流速和压力，调节气穴板72处的压力。与控制器62电连通的压力表76用于优化液流进入成核室14的流动。控制器62从压力表76接收压力数据。此后，控制器62能够调节流量控制阀75以调节液流向成核室14的流速。调节液流的压力(如通过压力表76监测)使控制器62能够在成核室14和相应的起花室74内获得最佳絮凝。—旦所混合的液体离开起花室74中的成核室14,气泡的尺寸就开始增大并朝着浮选槽16的上部上升。不是所有的气泡都立即上升至浮选槽16内的液体表面。在上升之前一些气泡要花更长的时间完全增大。气泡经由气穴板72的聚结将加速漂浮过程。某一水平的停留时间对优化颗粒从液体内部的漂浮是合乎需要的。壁77将浮选槽16的起花室74与分离室78隔离。这导致在浮选槽16的上部中产生气泡和浮块的循环，如水平定向箭头所示。浮渣18由浮选槽16中的完全漂浮的气泡颗粒构成。浮渣18在浮选槽16中的液体表面处聚集。从成核室14连续输入新液体在浮选槽16上部产生涡流，其中气泡随着时间的流逝而增大和聚结。壁77包括可调堰80，以控制浮选槽16上部的水流，以及控制在起花室74中循环的液体的量。不断地从混合器12用新气泡/液体为起花室74再装料。当形成浮渣18的较轻气泡/颗粒向上漂浮至浮选槽16的表面时，较稠密经去污液体20朝浮选槽16的底部下沉。在一个尤其优选的实施方案中，浮选槽16包括具有多个流动端口84的限流活底82,经去污液体20经过该流动端口84下沉。在经去污液体20进入排出室86之前，活底82使穿过整个浮选槽16底部的经去污液体20的流动均衡。流动端口84的频率在浮选槽16内从左至右增加，如图1所示。可调壁88布置在排出室86内，用以控制从浮选槽16所除去的并由出口 90接收的经去污液体20的体积。这样，可基于经过成核室14进入并经过出口90离开的液体的量，调节浮选槽16中的液体高度。经过出口90离开的液体是显著去污的并且可准备再使用。在一个实例中，经去污液体可用来浇灌农作物。浮选槽16上表面的浮游的浮渣18此后排至脱水子系统22。通常，撇渣器92具有多个桨叶(一般性显示)，用于将浮渣18向上推向斜坡94并进入储存室96。脱水子系统22利用溶解于水并被浮块捕获的过量残留溶解气体，与浮渣18中所捕获的其它纳米气泡聚结，以迫使残留的液体从浮块浮渣18内部出来。对于特定的料流速率，撇渣器92以最佳速率移除浮渣18以维持浮选槽14内液体的高度。浮渣16中的夹带气经由与俘获在浮块内的其它气泡聚结连续地脱气。结果，这些气泡膨胀但是仍保持捕获于浮块内。这种膨胀使得等体积的水从浮块基体逐出，从而减少浮渣18的含水量而提供更干燥、更有浮力的浮渣18。该脱水子系统22包括由斜壁98界定的储存室96。该储存室壁98经调节以阻止浮渣18排入集水区100。浮块浮渣18漂浮在残液的上面直到它落入排除槽102。周期性地，经过出口104排除脱水液体103用于再循环回本发明的控制系统IO。泵68或其它适合的配管、管道或泵送系统可以直接地与其连接。桨轮或另 一个撇渣器可用来把已脱水的浮块推入排除槽102。具有上部传感器108和下部传感器110的浮渣传感器106通常与泵连接以致当脱水浮渣18到达排除槽102中的上部传感器108时，泵启动而从中除去浮渣18用于处理。当下部传感器110指示排除槽102内的浮渣18的水平已经达到较低水平时，该泵可以自动地停止。本领域技术人员要理解的是，本发明的控制系统10提供了胜于当前所用的浮选去污系统许多优点。该系统组件具有某些结构件和特征，它们控制和优化在浮选槽16内气泡的产生。此外，由于饱和
21气泡/液体在浮选槽16中的停留时间相对较短，进行接近实时调节来改变为实时满足受污料流的变化需要所需要的化学品的流量、压力、混合速度、混合能量和用量。浮选槽16的起花室74和分离室78的相互作用使浮选槽16能够具有极小的基底面(传统基底面的至多10% )。不像常规的DAF系统，由混合器12执行的基本完全和均勻的混合促使经过成核室14百分之百排入浮选槽16内，从而每次处理的是全部受污料流而不是仅一部分受污料流。当可通过混合时间、混合能量和添加到混合物中的化学品的量调节时，监测和调节浊度和最终固体中的水量的方法在图8中详述。如先前所述，设置在起花室74内的浊度计46连续地监测液流浊度，包括在成核室14出口处的pH值水平、凝结剂剂量和絮凝剂剂量。浊度计46与控制器62协同工作以确保最佳浊度、pH值、凝结剂剂量、絮凝剂剂量和LSGM压力。控制器62控制随动系统、传感器、阀门、端口和泵以调节pH值、凝结物剂量、絮凝剂剂量和压力以获得对浮渣18中的脱水最佳的浊度。因此，控制系统10的上述组件能够调节混合时间、混合能量和混合物内化学品的量以减少固体中的水量和获得最佳浊度。集成到控制器62(图3)中的处理器接收和计算与pH值水平、凝结剂剂量水平、絮凝剂剂量水平和LSGM压力水平有关的信息。因此，传感器、随动系统、阀门、端口和泵为控制器62提供反馈信息以致该处理器可以计算控制器、随动系统、阀门、端口和泵的适当调节以获得最佳pH值、凝结剂剂量、絮凝剂剂量和LSGM压力。如图8所示，在第一过程201中，控制器62发送指令到浊度计46以读取pH值202。然后，该控制器62读取浊度204并根据浊度和pH值读数改变pH值206。在典型的优化程序中，调节废水pH值以降低进入起花室74的液流的浊度。这种pH值水平通常接近于颗粒不高度充电的pH值以降低处理化学品的使用。这种pH值调节通常通过添加氩氧化钠或硫酸进行。是本领域技术人员熟知的标准试验台试验用来确定有效地使废水污染物凝结和絮凝需要最低量化学品的pH值。浊度测定步骤208分析改变的液流。如果浊度降低，维持210新的pH值，不然使液流返回到前一个pH值212。在第二个过程213中，可以将低分子量凝结剂添加到废水样品中并预混合以抵销电荷，或使颗粒略微过量充电。控制器62首先如此前说明的那样读取当前凝结剂剂量214和浊度216。该控制器62然后根据在前的液流和试验台试验的分析指示系统改变凝结剂剂量218。然后，在另一个浊度测定步骤220期间，系统决定是否维持新的凝结剂剂量222或返回到前一个凝结剂剂量224。如果浊度降低，则系统维持新的凝结剂剂量222。或者，如果浊度上升，则系统返回到前一个凝结剂剂量224。控制器62从浊度计46接收浊度信息。必须在液流中保留一些
浮块上，该预形成的凝结浮块引起这些浮块的生长。在第三个过程225中，控制器62读取絮凝剂剂量228，接着再次读取浊度228。根据需要，控制器62改变絮凝剂剂量230。在一些情形下，具有与凝结剂相反电荷的絮凝剂的后续添加产生更大、更强的浮块。例如，可以将机油和水乳液(0. 2%油)的pH值调节到pH值7。然后添加50 ppm阳离子多胺凝结剂以几乎抵销电荷。然后，添加10ppm阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂以略微使针浮块过量充电而开始絮凝。随后可以添加阴离子聚丙烯酰胺(10ppm)以形成大、稳定的浮块。因此，添加顺序是pH值-阳离子凝结剂-阳离子絮凝剂-离子絮凝剂。试验台试验分析用来确定电荷补偿化学作用的最佳量以致优化从液流除去污染物，同时利用最少昂贵的化学品。如果通过改变絮凝剂剂量230降低浊度，则该系统维持新的絮凝剂剂量234。或者，该系统简单地返回到前一个絮凝剂剂量236。添加过量化学品实际上可能降低系统的有效性。在图8中体现的第四个过程237中，控制器62经由浊度计46读取LSGM压力238。再次，控制器62读取浊度240并此后改变LSGM压力242。在浊度测定步骤244期间，如果浊度降低，则系统将维持新的LSGM压力246;或者如果浊度上升，则系统将返回到前一个LSGM压力248。可以通过泵68、流量控制阀75或压力表76改变系统内的压力，如先前所述。提高或降低系统内的压力对混合速度可能具有直接影响。第四个过程的完成标志着图8的过程结束250。控制器62进一步用在图8体现的过程期间接收的信息编制程序并且相应地调节废水处理控制系统IO内的变量。控制系统10设置用来用上述过程优化的混合时间和混合能量管理化学成分中的每一种。该过程分析引入废水流的每种化学成分。图8中体现的并且如此前上面论述的过程微调混合时间、混合能量和化学添加剂的适当组合以达到最低可能的浊度。此外，在混合器12中每一个的一个或多个上添加气体源和气体控制回路允许溶解气体的同时
夹带。这种夹带气用于形成成核点，其中气泡将稍后在浮块的结构内部形成。使用控制器62优化步骤确保最大化的性能，而化学品成本最小。大多数DAF输送预形成的气泡到预形成的浮块。这些气泡大多太大而不能形成与浮块的附属物。形成的附属物处于在浮块结构外面并且可容易地驱逐。根据本发明的附属物在浮块结构内形成并且当彼此附着时变得物理结合到浮块丝状体中。夹带在展开中的浮块内部的气体(纳米气泡)提供当降低混合系统压力时溶解气体最终沉积的部位。大的能漂浮气泡形成，它们将浮块携带到浮选槽16的水的表面。气泡机械地从浮块的表面替换许多水，制备该浮块更加能漂浮。虽然为说明的目的详细描述了数个实施方案，但是在不违背本发明的范围和精神的情况下可以对每个进行改变。因此，本发明除了附随的权利要求之外不应受到限制。
权利要求
1. 废水处理方法，包括以下步骤将化学品添加到废水处理输入流体中；在腔室内剧烈地混合该化学品和流体；测量离开该腔室的流体的浊度；和调节添加的化学品的量、混合持续时间或施加到该流体上的混合能量以降低该流体的浊度。
2. 权利要求l的方法，还包括以下步骤对该流体进4亍试验台试 验以确定以浊度最小化的速率添加到该流体中的该化学品。
3. 权利要求l的方法，其中该混合步骤包括以下步骤将该流体 和化学品注入该腔室以形成旋涡。
4. 权利要求3的方法，包括以下步骤将气体注入该腔室以在该 旋涡内形成抽真空区区和提高混合能量。
5. 权利要求4的方法，包括以下步骤以视觉、超声或电子方式 监测该抽真空区区的长度。
6. 权利要求l的方法，其中调节步骤包括以下步骤调节流体向 该月空室的注入。
7. 权利要求6的方法，其中该注入调节步骤包括以下步骤相对 于该腔室旋转套管。
8. 权利要求l的方法，包括以下步骤利用泵调节化学品流速。
9. 权利要求l的方法，其中该调节步骤包括以下步骤利用多个 混合室。
10. 权利要求9的方法，其中该利用步骤包括以下步骤利用控制 器管控该液体流速。
11. 权利要求10的方法，包括以下步骤为每一腔室编制程序以 接收化学品、混合时间和混合能量的不同组合。
12. 权利要求l的方法，包括以下步骤将布置在腔室和反应器头 之间的充气间内的废水处理流体加压。
13. 权利要求l的方法，包括以下步骤调节流体温度、pH值、絮 凝剂数量或凝结剂数量。
14. 权利要求13的方法，包括以下步骤重读浊度并对添加的化 学品量、混合持续时间或施加到该流体上的混合能量再进行调节。
15. 权利要求14的方法，包括以下步骤当达到所需浊度时，维 持所调节的流体温度、PH值、絮凝剂数量或凝结剂数量。
16. 权利要求l的方法，包括以下步骤实时测量浊度并使用此种 测量值周期性地调节化学品数量、混合能量或混合时间以达到所需流 体浊度。
17. 权利要求l的方法，包括以下步骤使该流体鼓泡经过设置在 与浮选槽流体连通的成核室内的气穴板，藉此鼓泡使该液体内的废物 絮凝。
18. 权利要求17的方法，其中该鼓泡步骤还包括以下步骤除去 在该浮选槽表面上形成的浮渣。
19. 权利要求18的方法，还包括以下步骤利用排除槽将该浮渣 脱水。
20. 废水处理方法，包括以下步骤 将化学品添加到废水处理输入流体中； 在腔室内剧烈地混合该化学品和流体； 实时测量离开该腔室的流体的浊度；和根据该浊度测量值周期性地调节化学品数量的量、混合持续时间 或施加到该流体上的混合能量；重读该浊度；和再调节添加的化学品量、混合持续时间或施加到该流体上的混合 能量。
21. 权利要求20的方法，包括以下步骤调节流体温度、pH值、 絮凝剂数量或凝结剂数量。
22. 权利要求21的方法，包括以下步骤当达到所需浊度时，维 持所调节的流体温度、pH值、絮凝剂数量或凝结剂数量。
23. 权利要求20的方法，包括以下步骤使该流体鼓泡经过设置在与浮选槽流体连通的成核室内的气穴板；使该液体内的废物絮凝；和 除去在该浮选槽表面上形成的所得浮渣。
24. 权利要求23的方法，还包括以下步骤利用排除槽将该浮渣 脱水。
25. 权利要求20的方法，其中该混合步骤包括以下步骤将该流 体、化学品和气体注入该腔室以形成内部具有抽真空区区的旋涡，以 增加混合能量。
26. 权利要求25的方法，包括以下步骤以视觉、超声或电子方 式监测该抽真空区区的长度。
27. 权利要求20的方法，其中该调节步骤包括以下步骤通过相 对于该腔室旋转套管调节流体向该腔室的注入。
28. 权利要求20的方法，包括以下步骤利用泵调节化学品流速。
29. 权利要求20的方法，其中该调节步骤包括以下步骤利用多 个混合室。
30. 权利要求29的方法，包括以下步骤为每一腔室编制程序以 接收化学品、混合时间和混合能量的不同组合。
31. 权利要求30的方法，其中该编程步骤包括以下步骤利用控制器管控该液体流速。
32. 权利要求20的方法，包括以下步骤将布置在腔室和反应器头之间的充气间内的废水处理流体加压。
33. 权利要求20的方法，还包括以下步骤对该流体进行试验台 试验以确定该化学品以使浊度最小化的速率添加到该流体中。
34. 用于处理废水的控制系统，包括 将添加剂与废水共混的混合器；与该混合器流体联接的浮选槽；布置在该浮选槽中用于测量废水浊度的测量计；和与该混合器和测量计电联接的控制器，其中该控制器确定添加剂数量、混合时间和施加到废水上的混合能量以达到所需浊度。
35. 权利要求34的控制系统，包括管控进入该混合器的废水流速 的泵。
36. 权利要求34的控制系统，其中该混合器包括在混合器外壳中 形成的端口。
37. 权利要求36的控制系统，包括布置在该外壳外部周围的可旋 转套管。
38. 权利要求36的控制系统，其中该端口经装配以致进入该混合 器的废水在其中形成旋涡。
39. 权利要求38的控制系统，其中该旋涡包括抽真空区区。
40. 权利要求39的控制系统，包括用于以超声、视觉或电路方式测量该抽真空区区的传感器。
41. 权利要求34的控制系统，其中该测量计布置在成核室的出口 ，该成核室布置在该浮选槽内。
42. 权利要求41的控制系统，包括布置在该成核室内用于形成废水气泡的气穴板。
43. 权利要求42的控制系统，其中该气泡与固体废物絮凝并漂浮 到该浮选槽的表面以形成浮渣。
44. 权利要求43的控制系统，其中撇渣器将该浮渣转移到排水系统。
45. 权利要求44的控制系统，其中该排水系统包括用于将该浮渣 与水分离的储存室。
46. 权利要求34的控制系统，包括通过多个相应的阀门互连的多个混合器。
47. 权利要求34的控制系统，包括布置在该混合器和成核室之间 的用于调节它们之间废水流速的阀门。
全文摘要
提供了用于优化化学品添加、混合能量、混合时间及其它变量同时处理受污液流的系统和方法。试验受污液流的样品以测定每一变量的最佳参数，包括待添加的化学品的类型和用量、化学品顺序、混合能量、混合时间、温度和加压。混合器、浮选室和脱水子系统的系统设计用来达到废水流的最佳浊度。可以经由控制器和一组传感器、阀门和端口响应于连续变化的受污液流实时改变该系统。
文档编号C02F1/24GK101506101SQ200780031481
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年8月24日
发明者达瓦恩·E·莫尔斯 申请人:世界水技术有限责任公司