本发明涉及用于对污水进行净化的过程。更具体地，本发明描述了采用电力从废水中获得可再度使用的水的装置的改进的结构。本发明结合了电解的各种效果以絮凝并去除胶凝物的和其它的颗粒，随后对微生物残留物进行消毒。
背景技术：
人类遇到了越来越多的市政和工业废水问题，必须对这些废水进行净化和再度使用。已经开发了物理、化学和生物净化过程。
电浮选和电絮凝是已建立的且相当常用的净化方法，尤其是用于工业废水。施加直流电流来实现水的分解，以根据水的无机内含物产生氢气、氧气和其它气体。电力在溶液中引起各种次级反应，这影响胶凝颗粒的溶解度使溶解度降低。它们形成絮凝物，絮凝物黏附到气泡上并且通过浮力上升到表面以形成相对稳定的絮凝物(泡沫)，絮凝物然后被收集。在例如anglada等人(2009)的公开j.chem.technol.biotechnol.84：1747-1755中描述了现有技术的现状。
对废水的净化和微生物消毒是相互关联的任务。从废水中去除有机负荷通常也会去除微生物。微生物或病毒在排放的经净化的水中的允许量非常低，并且足够仔细地净化水以达到微生物的纯度很少是经济的。因此，可能需要对微生物残留物进行消毒。
当处理过的水被释放到自然水循环中时，它几乎仍然始终包含干扰自然栖息地的微生物、颗粒和化学品。被微有机体诸如细菌、病毒、真菌、原生生物、朊病毒和藻类感染的风险仍然很高。它们可能通过净化过程存活下来，或者甚至在过程本身中繁殖。尽管病原体不会直接感染人类，但病原体可能会引起生态系统中的畸变。可能产生的有害影响主要取决于废物排放环境的气候和土壤/流域条件。然而，即使偶然的感染也可能有害，并且需要通过应用消毒来确保排放液体在微生物学上是安全的。
对污水的消毒可以分为化学技术和物理技术。化学技术包括利用活性氯化物处理。臭氧在饮用水的消毒中很普及。用以产生臭氧和氯气的或者产生释放臭氧和氯气的化合物的各种方法正在使用中。除了成本高和控制剂量方面困难外，化学方法具有产生非天然化学品及其反应产物的残留物的缺点。
许多消毒方法配置紫外线(uv)辐射来杀灭微生物。缺点是它的效率低且对于仅某些有机体的高选择性，而且uv辐射在水中尤其是在浑浊的溶液中透过率差。另一问题是需要持续清洁的辐射表面的积垢(fouling，污垢)。kv范围内的高电压电脉冲通过在细胞膜中产生允许细胞内含物泄漏的小孔来杀灭微生物。显然，不同的微生物对电的敏感性大不相同。施加高电压仅限于对公众关闭的空间。
已经配置了低电压直流电流来对各种形式的废水进行消毒。最普及的是由公开wo2012170774a1(lumettam.)例示的从浓缩nacl溶液原位(insitu)产生氧化氯化物。来自阳极的氯气被引入待进行消毒的水中。气体还包含其它消毒化合物，如活性氧、臭氧、碱和酸。电极可以包括半渗透膜或多孔过滤器，使得阳极和阴极处的气体不混合，如baichenw.的公开cn1075699a所例示的。原位产生消毒气体具有下述优点：产生有毒的化学品而不需要存储和运输该有毒化学品。原位过程的主要缺点是使用易于阻塞并且必须定期清洁和/或更换的半渗透膜。
电化学阴极反应产生碱性氢氧根离子和分子氢。氢生成为约0.4升(ntp)每ah。氢的形成对于消毒来说不太有用，而对于获得浮选效果很重要。us2004/0031761(m.blaschke等人)描述了一种没有阴极析出氢的装置。在适当的条件下，在阴极处的还原力可以转化为可以用作消毒剂的过氧化氢的形成。然而，该方法对于较广泛的使用来说太复杂。
电消毒系统已经在各种包括或不包括附加壁的电解腔室中进行过测试。在angala,a.等人(2009)j.chem.technol.biotechnol.84:1747-1755.的图3中描述了一种不同的现有技术电池的类别。
阳极腐蚀是电浮选以及消毒系统中的一个严重问题。如v.schmalz在waterresearch43：2009，pp.5260-5266中所描述的，可以通过电极的特定涂层如钛或不锈钢上的掺硼金刚石来减少阳极腐蚀。这种阳极涂层已经被认为提供了比其它常用的金属氧化物如pbo2和ti/sno2-sb2o5高的有机氧化速率和高的电流效率。高电流密度增加了电化学氧化剂的生成。考虑到电极的成本增加，电极的特定涂层提供相对有限的益处。依据s.zhang(wo2012088867a1)，钛阳极用10-35nm厚的纳米催化的tio2涂覆。由于粒状的纳米涂层的稳定性取决于电极的极性，明显不能改变极性来防止电极阻塞，这形成所述发明中的缺点。阻塞是在使用这种涂层时的普遍严重缺点。
在废水净化中也采用电极腐蚀。当在浮选装置结构中采用腐蚀的(同义词：活性的、溶解的、可消耗的、牺牲的等)电极时，目的是产生凝聚的(coagulating，聚集)金属离子(例如fe、al、mg)。这具有无需添加它们的优点，然而非常严重的缺点是由于不能使金属溶解的量和相对的气体析出的量最优化而失去了对该过程的控制。也满足了改变极性的限制。然而，在由robinson,v.n.e.的us7,914,662b”(2011)例示的浮选装置的背景下，已经用不同的结构描述了反应电极。该公开描述了具有惰性阴极的al或fe反应性阳极。us2012/0186992(barrack,a.)描述了腐蚀性电极，该腐蚀性电极另外包括流体的强力搅动以迫使絮凝化材料相遇。us3,975,247(stralser,b.j.，1976)采用多个电极，该多个电极除了外部电极和内部电极以外没有电连接到dc电源。内金属板的基本物理效应是用作屏障，以迫使废水自上而下流动并且引起可能有助于电絮凝的混合。
在废水净化中采纳电学技术的尤其严重的障碍是便利且长寿命免维护装备的技术性实现。主要问题是由电极腐蚀和由电极上的材料沉积的电极钝化引起的。在考虑整体经济时，如果已腐蚀的电极可以容易地被维修即更换和/或清洁，那么通常低腐蚀的阳极材料例如钛和不锈钢可能是最佳的。
本发明采用低电压电学技术，但通过使用用于浮选和消毒装置的新型一体化结构来避免上述缺陷。电生成气泡的浮力被设置成在液体上下流动中起到最佳作用，同时结构保持简单并且允许易于维修并易于去除腐蚀的部分。
附图说明
图1从侧面(纵向截面)示出了本发明的原理。结构的简化形式包括：中心杆c；两个圆形金属管，外管(o)和内管(i)。废水通常以恒定的速度通过阀门(带有十字的圆形符号)穿过底部进入c与i之间的腔室ci。电流在阳极和阴极处产生进入ci中的气泡，气泡随着废水向上移动。气泡从废水中收集各种颗粒和胶凝物(在图中用点表示)并且引起反应，以在向上流动期间形成较大且稳定的絮凝物。通过静态混合叶片和偏转(reflection)环和缓地混合向上移动的液体来加速絮凝物的形成。絮凝物在(o)的上盖部分处被收集，并且在从盖的上部分收集气体时，固体(泡沫)被主动或被动地移出。经净化的水流入i与o之间的腔室io并沿相反(向下)的方向移动。(i)和(o)之间的电流产生倾向于向上移动的气体。液体向下流动和气体向上流动产生稳态条件，引起由电解产生的消毒气体的浓度高度升高。清洁的经消毒的(处理过的)水从(o)底部中的孔移出并且进入在泡沫出口的水平的溢流出口管(管端由名称“处理过的水”指示)。壁(i)起到阳极的作用，而(o)和在(i)的中心处的金属杆(c)起到阴极的作用。(i)和(c)的电势相反并且能够根据需要调节(u1和u2)。可能的重质固体可以通过底部的阀门去除(称为固体排出)。
图2示出了图1中所示结构的变型。废水被引入o-i之间的空间中，而且经净化的水被引入内管并从内管的底部出去。符号具有与图1中的相似的含义。排水输出(处理过的水)被动地在泡沫出口的水平被排出(通过由名称“处理过的水”指示的管)。两个管i和o被塑料容器包围(如图3中所示的符号)。图3示出了本发明的结构的另一变型。利用附加的管包围管i和o。在该模型中，经灭菌的废水通过i在整个底部区域上的下端排出并且被上升至管o的四周，且最后处理过的水从顶部出来。这种结构具有以下优点：液体较长时间保持在灭菌条件下，管i周围的流速更恒定并且具有更紧凑的结构。管之间的距离不一定如图所示。
图4描述了当为了特定的目的通过用于消毒的一次附加停留来对流体流动系统进行优化时的结构的变型。通过这种结构，可以进一步延长灭菌时间。
具体实施方式
本发明描述了用于待应用于源自工业和/或商业源的废水的2步电净化和消毒装备的简单的紧凑结构。图1中描述了最简单的结构。该结构涉及操作上连接的两个主要腔室：用于去除固体的腔室(浮选和絮凝腔室)和用于对经净化的水进行灭菌或消毒的腔室。第三部分是辅助的，以用于去除所生成的固体(泡沫)和废气。该结构包括彼此内部直径不同的两个欧姆隔离的金属管。管通过废水电解接触。处理过程的第一步(浮选)包括破坏胶凝系统以实现絮凝和去除浮动的材料。在第二步中，经净化的废水经受通过由废水电解生成的强消毒化合物的处理。图2、图3和图4描述了相同原理的、可以被设置成满足不同需要的变型。变型也可以通过各种方式交叉，使得废水可以进入不同的腔室。尽管本发明采用电浮选和电絮凝以及通过电解进行消毒的已知技术的一般原理，但在技术上，装置的结构被布置得比现有技术更有利，并因此更有效。本发明的益处是：尺寸更小；由于灭菌气体在第二步骤(腔室2)中的浓度增加，所以净化和消毒结果更好；以及更容易维修。这些优点还带来了相对于现有技术改进的经济性。
本发明的应用领域广泛，从食品、农业行业以及到城市废水。
定义
废水在本文中广泛用于就有机污染物和无机污染物而言应该被进一步净化以改善水质的水。使用的术语废水包括但不限于地表水、地下水、工业生产用水、生活污水、工业废水、含化学品的水、常规水处理、活性污泥处理以及来自家庭和公共工厂的水。假定废水没有强烈沉积的固体，并且具有允许低的应用浮选技术的粘度。
浮选在本文中意味着通过使用借助于电解生成的气泡来使絮凝物上升至表面而从受污染的水中去除固体或胶凝物，该絮凝物在液体中生成或通过添加絮凝化学品来获得。
电凝法意味着通过使用由元素如al、fe或mg制成的电极构成的反应性或腐蚀性电极来电解地产生金属离子。
消毒或灭菌意味着杀灭废水中的小活生物体(例如细菌、真菌、病菌、花粉、病毒、朊病毒)。
电极在本文中是浸入废水中的导电材料(金属、半导体、石墨、导电聚合物)，该废水包含源自废水源的电解质或者意在被添加以在正(阳极)电极和负(阴极)电极之间获得电流的电解液。阳极和阴极的极性可以在过程期间不时地颠倒，同时阳极和阴极的术语保持为电极在大多数时间运行的极性。
术语中心杆用于位于组件的中心的电极。它在形式上不一定是杆，而可能具有另一种形式，如管或包括延伸部的杆。
欧姆接触意味着电极之间通过导电材料的电接触，导电材料通常为金属或石墨，而电解接触则通过存在于废水中的正离子和负离子发生。
浮选单元
浮选部分以已知的电浮选原理工作。原则上，水分解发生在阳极和阴极处，其中分别析出分子氧和分子氢。然而，由于废水包含各种溶解的离子，这使得水导电并自身还原或氧化，所以在电极处的实际反应更为复杂。电极反应的细节可以在教科书中找到。通过添加某些已知的絮凝化的金属盐或现有技术中已知的合适的有机聚合物可以提高絮凝效率。在某些情况下，可以添加适当的盐以改善电导率或生产特定的有毒气体。在现有技术中的电化学教科书和其它地方已经详细论述了电解的不同气体和其它反应中间物的生产的化学过程。
中心管和内管周围的气体形成发生在电极的仅表面处。气泡尺寸取决于表面特性和电流密度。气泡尺寸在表面附近很小，但是当气泡从表面四散时可能会合并，尤其是与胶凝物合并。由于气泡是电形成的，因此气泡具有与倾向于防止气泡合并类似的电荷。有利的是保持气泡尺寸尽可能小，以具有最大的絮凝(凝胶物制动(colloidbraking))和浮选能力。因此优选的是，流体流不断地混合以与胶凝物具有最大接触时间。混合也会影响该高度氧化，并且阳极处的酸性化合物不会长时间存在在电极附近，因此混合可以延长阳极材料的寿命。这对于在阴极形成的碱性氢氧根离子也是有效的。最好将酸性化合物和碱性化合物混合以中和。混合可以例如利用静态混合器叶片和偏转器来进行，如图1所示。
泡沫去除
浮动到浮选腔室顶部的絮凝物将被提高到为固体保留的空间(图1)。可以通过从系统的上盖或帽盖周围的孔释放的气体来允许泡沫被动地移出。气体本身将流过帽盖中的孔并被引入到适当的位置以进一步处理，例如，在穿过液气塞之后被燃烧。氢气也可以在燃料电池中被分离和燃烧以产生电力。通过应用现有技术中已知的机械刮板可方便地执行泡沫去除。源自污水的泡沫中的固体通常包含大量活的和已杀灭的微生物和病毒，因此应该以适当的方式处理泡沫。没有絮凝物的废水被动地溢流入消毒腔室(图1，i-o部分)。
消毒
位于内管与外管之间的消毒腔室(图1；i-o)的目的是对可能从浮选腔室逸出的微生物痕迹(trace，痕量、微量)进行消毒。消毒腔室被设计成使得内管与外管之间的空间对于通过系统的整体(平均)流速是最佳的。如果流速比在内管和外管的壁上生成的气泡的平均向上速度小，则该系统部分地用作单独的浮选腔室，部分地用作消毒腔室。如果流体速度高，则大部分气泡从腔室逸出并离开系统。本发明的目的是在抗菌气体和其它化合物在消毒腔室中的浓度保持最佳的限制下，维持气体析出与向前液体速度之间的稳态平衡。以这种方式，i-o室中的电流可以保持在最小值。
电极
本发明使用浮选腔室和消毒腔室本身作为电极(图1)。中心电极(c，图1)也可以提供除了电极功能之外的其它功能，例如作为用于混合的辅助。本发明的关键特征是内管(i，图1)从内表面和外表面均起到阳极的作用。这意味着该可容易更换的单个管是唯一的腐蚀部分。该结构是通过内管i、中心杆和外管的欧姆隔离完成的。dc电源产生关于正内管(图1中的i)的两个负电势。阴极与阳极之间的电压可以在从5v至110v的较大限制内变化，优选地在5v到26v之间。系统中的水分解即电解可以基于由溶解的离子产生的电解电导率来利用通常的废水获得。由于中心管c与外管o之间的电压相对于内管i可以变化，因此有利的是在c和o的上部分上布置电阻式涂层，使得电流保持平稳并且i的上部分的腐蚀与下部分相比保持平稳。
可以在包括金属、石墨和有机导体的大范围的欧姆导电材料中选择电极材料。阴极(负)不易腐蚀，除了那些在由从阴极注入的电子生成的碱性溶液中溶解的金属。如果阳极涂覆有惰性材料，则即使是易腐蚀的材料也可以使用。因此，可以在各种各样的导体中选择阴极材料。相反，阳极(正)在电解期间通过吸收电子产生强酸性氧化条件。除了金和铂之外几乎没有金属对这种条件有抵抗性。然而，由于它们的价格高昂，即使利用它们较少的贵金属涂覆通常也不现实，因此必须在电极的价格、电流密度和使用寿命之间折中。最普及的电极材料是包含crni或crmnni或crnimo的奥氏体钢。钛也可以用来稳定这种钢(crnimoti钢)。高mo含量强力地改进了点腐蚀稳定性但是相对昂贵。钛(ti)及其合金提供对酸、氯化物和盐优异的耐腐蚀性，并且在任何金属中具有最高强度重量比。最广泛使用的钛合金级别是astmgrade5(ti-6al-4v)。钛比钢轻约45％，比铝重60％，并且比其中任何一个强3倍以上。尽管最初昂贵，但ti由于其较长的使用寿命以及减少(或不存在)的维护和修复成本而降低了生命周期成本。钛属于所谓的反应性金属，这意味着它们对氧具有很强的亲合力。在室温下，钛与氧反应以形成tio2。这种被动的不可渗透的涂层抵抗与周围大气的进一步相互作用，并且该图层赋予钛该图层的耐腐蚀性。石墨具有抗性，但遭受机械脆性。也可以使用石墨烯和其它碳覆盖的电极。在某些情况下，腐蚀是有意的，例如，用于从元素金属电极产生al或fe的絮凝化的盐。
电源
电源是本发明的基本的辅助部分。就应用目的、液体的电导率、电导率的变量范围、电流密度、净化系统的尺寸、废水的所需流速等等而言，优选的是指定电源。应该注意的是，采取适当的防备电击的保护手段。在最简单的情况下，电源在次级输出具有两个独立的整流输出，以为浮选腔室和消毒腔室提供合适的dc输出电压。
阳极和阴极的极性应该手动地或根据程序颠倒，以用于清洁电极表面。颠倒的极性的周期可以在5秒至30分钟后改变，并且根据废水的特性它们将持续1分钟至若干小时。
在先进的模型中，对于两个腔室中的任何电压，能够调节电源，并且电流自动保持恒定，从而允许电压在设定的限制以下浮动。电源也可以受其它参数的控制，其它参数如为系统指定位置中的液体或由比较器电路指引的液体的温度、压力、电导率或浊度。电源故障可以与废水供应泵系统连接。气体形成之后有利的是一个或多个允许分析气泡参数的传感器。
整个结构
本发明的基本优点之一是关于制造和维修而言结构的简单。优选的结构包括由材料诸如塑料、玻璃或碳纤维增强聚合物制成的非导电容器。本发明不依赖于管的相对尺寸和液体腔室的体积。该装置适合于小型净化系统，同样适合于几立方米的系统并且上达工业过程。塑料容器的优点是它能够避免经净化和灭菌的水的排出到管外。电极系统可以作为一个单元从容器中上升，并且可以在电极可以被更换时执行维修，并且塑料容器不需要清空液体。可替代地，仅仅通过取下顶盖和被替换的管即可只更换(缓慢地)腐蚀的内管(参见图1，i)。但是，如果不想制造塑料容器，则外管(o)可以起到容器本身的作用。外部金属表面上的电压在正常使用(低于约36v)下即使在潮湿的地方也不会对人体有害。为防止任何短路，应当应用隔离变压器和其它保护手段。通过适当的接地来防止电点火。特别要注意的是，所生成的气泡在系统顶部上被收集并处理，或适当地稀释到大气中，而不允许在封闭的地点收集较大体积的析出的气体。关于废气处理的更详细说明应根据应用净化系统的地点决定。
机械或静态混合器
要通过浮选净化或待被灭菌的流体将在流体通道中移动，而气泡在壁上生成。优选的是使气泡与微粒和胶凝物更好地接触。通过将电流值调高可以将层流改变为湍流，但更有利的是通过附加的混合来完成。这可以最简单地通过静态混合器实现。静态混合器可以由适当形式的叶片构成。叶片可以附接到中心管或独立地位于电极之间的空间中，从而允许正电极和负电极的表面运转。叶片的材料优选是非导电的。在浮选腔室中，混合器有利地在腔室的顶部产生循环流移动，在该腔室的顶部中收集泡沫并因此帮助去除泡沫。混合器的附加益处是减少电极的腐蚀。
通过以下非限制性实施例进一步说明本发明。
实施例
图1描绘了根据本发明的试点装置的优选结构。中心杆、内管和外管分别由直径为2cm、10cm和20cm的标准圆形不锈钢管制成。内管(i)的壁厚度为1cm，而其他壁为2mm。内管长度为70cm，外管为100cm。如图1所示，与最大输出1500w的可调(0-36v)dc电源的电连接被连接到该装置。在试点系统中，有必要根据取决于固体负荷和消毒的水平的需要能够独立地优化浮选腔室和消毒腔室的电流。废水可能包含微生物的痕迹，这些微生物在先前的浮选步骤中未被去除并且必须被消毒。消毒腔室也可以通过除臭化学反应消除异味。具有1-5g/升的固体负荷的典型家庭污水的流速为1-2升/分钟，净化为97-98％。
通常，在浮选中用于生物预净化污水的电压为15-24伏并且电流为20-50a。在消毒腔室中因为消毒气体的浓缩，可以使用低电流密度。可以利用调节液体流动和施加的电流来找到最佳值。
结构的变型
虽然电极的圆管形式通常对于电流分布和电极腐蚀是最佳的，但是也可以使用其它形式如矩形形式的电极。中心管也可以具有附接到其上的静态混合器叶片。中心管(电极)也可以被布置成是旋转的然后包括混合器和/或泡沫去除叶片。在旋转中心管的情况下，附接在其上的叶片可以是导电的。旋转电极有利于防止不均匀腐蚀。电极系统可以浸入单独的电绝缘溶池(图1中称为塑料隔室)中。经废水消毒的水的入口和出口可以颠倒，使得废水被引入内管与外管之间的空间中，并从中心管的底部排出，如图2所示。这种结构对于某些有机负荷和管直径可能更有利。如图4所描绘的，整体结构可以包括浮选腔室，随后是一个或多个灭菌腔室。可选地，这些附加的腔室在它们之间可以具有电势(在图3和图4中未示出)。管系统不一定需要在竖向位置中操作，而是可以处于一角度，这允许气泡易于朝向位于相对壁上方的壁移动。这引起自然液体混合流并且还可以改善泡沫的去除。