用于从富含腐殖质的水中去除铁的方法和设备与流程

1.本发明涉及一种如在权利要求1的序言中定义的方法，以及一种如在权利要求12的序言中定义的用于从富含腐殖质的水中去除铁的设备。
2.有利地，本发明涉及一种用于从富含腐殖质的水中去除铁的方法和设备。在下文中以通用名称“本发明的解决方案”指代的本发明的方法和设备适用于在地下水含有铁和腐殖质的区域的净水厂中净化例如地下水。本发明的解决方案还可以用于处理除地下水以外的其它类型的水。
3.铁含量是指示地下水的适用性的变量之一。如果铁含量高，则水作为家庭用水的适用性低。水中的铁含量以每升水的微克数(μg/l)或每升毫克数(mg/l)表示。铁会在家庭用水中引起味觉和气味公害。在沼泽水系统中，铁含量与腐殖质的存在相关。在水中，铁离子与氧气形成氧化铁和铁锈色化合物，这会使家庭用水变得混浊和有色并污染使用水的家用电器的内部。
4.地下水和井水中的铁含量受基岩成分、水的ph值、氧化还原反应条件和水中有机物含量等影响。
5.铁从基岩矿物溶解到地下水中。砂子、砾石和冰碛含有溶解到地下水中的铁。当使用浓缩水摄入时，摄入过多铁的风险很低，因为在净水厂中会监测铁含量。可以从饮用水的棕色或从铁作为锈斑在家用电器表面的上沉淀来检测水的铁含量。
6.富含腐殖质的地下水通常含有比正常情况更多的铁。铁含量是每个水系统的典型值。400至600μg/l可以视为正常水平。在极褐色的富含腐殖质的水(例如沼泽水)中，铁含量可能高达20.0mg/l。即使腐殖质含量低，也可能出现高铁含量。另外，耕作土壤的地下水通常富含铁。
7.当铁含量过高时，它可能是饮用水中的有害成分。在优质的家庭用水中，铁含量低于0.1mg/l，并且在市政家庭用水中，铁含量的建议最大值为0.2mg/l。铁和锰是最常见的元素，它们会损害井中饮用水的质量。
8.在饮用水和家庭用水的质量要求中，没有定义任何基于健康的最大铁含量限值。实际上，存在应遵守的质量建议。质量建议基于水的美学品质，即水的气味、味道和颜色，但它也可以防止健康危害。对于通过例如水厂分配的水，建议的最大铁含量可以考虑200μg/l，并且对于私人水井，建议的最大铁含量可以考虑400μg/l。
9.发明背景
10.根据现有技术，出于处理各种类型的水的特定目的，存在各种类型的水处理方法和不同类型的水处理设备。
11.全世界有大量富含腐殖质的地下水，这些地下水具有高cod值(化学需氧量)、高toc值(总有机碳)以及高铁和锰含量。腐殖质会阻碍铁的去除，因此简单的除铁方法在处理富含腐殖质的地下水时不起作用。对于富含腐殖质的水，存在不同类型的水净化过程，下面呈现最常见的水净化过程。
12.1)用铝盐或铁盐进行化学沉淀。此过程包括：
13.‑
曝气、搅拌、沉积、过滤；
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在过滤开始以及过滤前或后加入碱剂；
15.‑
通常还加入高锰酸钾来氧化铁和锰。
16.通过这种处理，可以获得高质量的水。这种方法的问题是投资和运行成本高。另外，沉淀剂和高锰酸钾是昂贵的化学品。操作也需要大量人员。
17.2)流砂过滤
18.此过程包括：
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曝气；
20.‑
添加氧化剂，例如高锰酸钾以氧化铁和锰；
21.‑
添加碱化剂以调整被处理水的ph；
22.‑
添加铝盐或铁盐；
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流砂过滤；
24.‑
任选地添加后氧化剂。
25.仅当水中的铁含量不太高时，这种水处理过程才会起作用。另外，投资和运行成本相当高。
26.3)慢滤
27.此过程包括：
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大部分铁通过接触过滤去除，其包括以下步骤：
29.‑
曝气；
30.‑
添加高锰酸钾；
31.‑
砂滤；
32.‑
慢滤。
33.此外，慢滤是一个非常昂贵的过程。除其它外，它需要一个非常大的盆。问题是由于盆尺寸较大，因此盆不包括冲洗系统。因此，积聚在盆表面上的铁需要手动地去除，这是缓慢且昂贵的。
34.4)膜滤
35.此过程包括：
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反渗透或纳滤；
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曝气；
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后处理，例如石灰石过滤。
39.膜滤的问题是膜成本高。而且，迄今为止，所述方法的用户体验很少。另一个问题是过滤器的堵塞并不总是在控制之中。
40.高投资成本、高运行成本、化学品的使用以及有害和不生态的环境影响可以被视为根据现有技术的用于去除铁以及用于净化地下水的所有解决方案的共同问题。
41.在现有技术中，已经对从富含腐殖质的水中去除铁进行了大量研究，但是还没有发现根据本发明的生物水净化解决方案。
42.本发明的目标
43.本发明的目标是克服上述缺点，以实现从地下水中去除铁和腐殖质的容易自动化、生物、负担得起、简单且可靠的解决方案。本发明的另一个目标是能够处理含铁和富含
腐殖质的地下水，从而以环保方式且低成本地获得饮用水。
44.根据本发明的方法的特征在于权利要求1的特征部分中呈现的内容。对应地，根据本发明的设备的特征在于权利要求12的特征部分中呈现的内容。本发明的其它实施例的特征在于其它权利要求中呈现的内容。
45.本发明的简要描述
46.在本发明的方法中，为铁细菌创造了有利条件，然而所述条件不会促进铁的化学沉淀。通过将水的ph值保持在适当低的值，可以防止铁的化学沉淀并且为铁细菌创造有利条件以从水中生物地过滤掉铁。
47.通常，通过将水输送通过过滤器而用本发明的方法生物地从富含腐殖质的水中去除铁，所述过滤器包括过滤材料。过滤材料可以是例如天然砂、粘土制成的材料或无烟煤。根据本发明，在将水输送通过过滤器之前降低待处理水的ph值。有利地，通过向水中添加酸来降低待处理水的ph值。
48.通过本发明的设备，从富含腐殖质的水中生物地去除铁。因此，所述设备包括含有过滤材料的至少一个过滤器，待处理的水被布置为输送通过所述过滤器。有利地，设备包括酸化部分以降低待处理水的ph值。
49.从水中生物地去除铁和锰在现有技术中是已知的并且是标准程序。根据本发明的新方法也基于水的生物处理，但是没有与根据本发明的方法可比的方法，并且它不同于现有的生物水厂。
50.水中的铁可以通过空气化学地或生物地氧化。化学氧化通常需要高于7的ph值。化学沉淀中形成的沉淀物是细粒状的并且快速地堵塞过滤器。因此，当铁含量达到每1m2过滤材料0.2kg时，通常应冲洗过滤器或过滤材料。
51.通过生物过滤，铁会更深地渗透到过滤器中，并且在需要冲洗过滤器之前，每1m2过滤材料中的铁含量可能超过1.0kg。通过生物过滤，也更容易去除铁。通常，在生物除铁中，氧含量低以防止铁的化学氧化。然而，通常一部分铁仍会化学沉淀，这会损害过滤器的性能。
52.在去除铁之后，单独地生物去除锰。锰的去除缓慢地开始，但腐殖质不会对去除产生不利影响。
53.通过从富含腐殖质的水中标准地生物去除铁，净化结果是不够的。铁含量和腐殖质含量都仍然很高。当建议水平是0.2mg/l时，在处理之后铁含量可以是1至2mg/l。应将低于0.1mg/l的铁含量设定为目标。
54.根据本发明的方法涉及从富含腐殖质的地下水中生物地去除铁和腐殖质。在所述方法中，通过添加酸至某一水平，使得过滤器之后的过滤水的ph值为约3.1至6.0，有利地为4.1至4.5，调整输送至过滤器的水的ph值。调整取决于所使用的水、其碱度以及二氧化碳、铁、腐殖质和其它物质的含量。在过滤器中去除铁会降低水的ph值。为了防止这种情况发生，通常在过滤前将待过滤地下水的ph值调整到预先计算的值并保持基本不变就足够了，所述值取决于被处理水的流速、水的铁含量和水的碱度。在过滤之后，用单独的测量仪器测量水的ph值。有利地，在净化过程之前针对每个地下水源具体地计划ph值的调整，因为所述方法取决于地下水的ph值、铁含量和腐殖质含量。例如，地下水源可以是水井。以某种方式设计水井的使用，使得防止不利的水质变化。在除铁过程投入运行之前，通常对每个地下水
源进行过程设计和详细设计。基于水的铁含量估计酸的消耗量，因此也可以估计所需的酸化水平。这种预先设计通常是足够的，在这种情况下，不一定需要通过过滤器的反馈来指示通过过滤器的水的ph值。
55.然而，反馈系统是用于调整待处理水的ph和/或碱度的更先进方法。在这种情况下，基于流出的过滤水的ph值来调整进入过滤器的水的ph值。所述方法需要测量过滤水的ph值并且基于反馈的测量结果来调整引入过滤器的水的酸化量，即在酸化步骤中增加或减少酸的量。
56.在本发明的生物除铁和腐殖质方法中，为铁沉淀细菌创造了有利条件，因此在从水中去除腐殖质时，所述条件也可以最佳地沉淀水中的铁。
57.铁的去除会降低碱度，同时降低被处理水的ph值，也就是说，水的ph值根据过滤器内铁的去除而降低。有利地，将被处理水的ph和/或碱度调整至某一水平，使得过滤之后的过滤水的ph值为约3.1至6.0，有利地为4.1至4.5。如上文所述，可以基于被处理水的特性或通过反馈系统预先进行调整。每种地下水中的铁含量是每个区域的特征而不是本发明操作的变量。因此，对于将ph值调整至适当值来说，在没有反馈系统的情况下，将ph值自动地调整到相对于水的流速基本不变通常是没有问题的。
58.通过粘附在过滤材料上，铁与腐殖质一起从过滤器中的水中生物地去除。定期冲洗过滤器并去除铁腐殖质沉淀物，之后可以重复使用过滤器。
59.根据本发明的典型除铁过程：
60.‑
用酸(例如，硫酸)降低ph值；
61.‑
曝气；
62.‑
快滤。
63.如果水的ph值低，铁就无法化学地沉淀。因此，过滤器仍然很少堵塞。直接沉淀在过滤材料表面上的铁会从水中去除腐殖质。因此，腐殖质不会阻碍铁的去除，这样，获得腐殖质含量低的基本上不含铁的水。在此之后，所述过程取决于水的其它质量。下一步骤可以是例如曝气和石灰石过滤。
64.本发明的优点
65.本发明的解决方案具有若干优点，所述优点尤其包括：
66.‑
通过添加酸降低水的ph值，从而防止铁的化学氧化并有效地去除腐殖质；
67.‑
不需要沉淀剂(聚合氯化铝、硫酸亚铁)；
68.‑
不需要氧化剂(例如高锰酸钾、次氯酸钠)；
69.‑
所述过程是环保的；
70.‑
冲洗水的量极小；
71.‑
所述过程可以容易地自动化，因此需要很少的劳动力；
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投资成本低；
73.‑
运行成本显著降低。
74.根据本发明的解决方案的目标和主要优点是通过自动化过程并且通过不使用昂贵且污染性的化学品来降低运行成本并减少不利的和不生态的环境影响。另一优点是由于其结构简单，可以负担得起构建所述设备。
75.通过根据本发明的解决方案，可以确保在新区域可靠地、环保地且可负担地采用
地下水源。
附图说明
76.在下文中将通过参考所附的简化图和示意图借助于示例详细地描述本发明，在附图中
77.图1简化地且示意性地呈现在根据本发明的方法中采用的水净化设备，
78.图2简化地且示意性地呈现根据图1的设备以及根据现有技术的附接至所述设备的生物过滤或石灰石过滤设备，以及
79.图3简化地且示意性地呈现根据本发明的用于从富含腐殖质的地下水中去除铁的方法。
具体实施方式
80.图1呈现根据本发明的用于从地下水中生物地去除铁和腐殖质的有利设备10。有利地，设备包括用于待处理的水的入口1，通过所述入口将所述待处理的水馈送到设备10中。入口1可以连接到例如输送管或管道。在入口1之后，在水的运动方向上，设备10包括酸化部分2，所述酸化部分与被处理水接触并且通过所述酸化部分将酸加入到被处理水中以降低水的ph值和/或碱度。在酸化部分2之后，在水的运动方向上，设备10进一步包括曝气部分3，所述曝气部分包括用于测量水的氧含量并且用于将氧含量调整至所需水平的测量和调整设备。曝气部分3的主要目的是向被处理水中添加氧气。
81.在被处理水的运动方向上，设备10还包括过滤器4，水被布置成在曝气部分3之后被引导到过滤器4。过滤器4包括过滤材料4a，所述过滤材料有利地为例如砂子。不需要自动地调整引导至过滤器4的水的空气量。然而，设备10包括至少一个氧气测量仪，用于测量离开过滤器4的过滤水的氧含量并且用于监测曝气的效率。然而，如果氧含量足够高，则氧含量不是关键的。有利地，具体地定义氧含量。
82.根据本发明的设备10还包括用于过滤水的出口1a，过滤水被布置成被引导通过所述出口1a以供进一步处理。出口1a有利地在被处理水的运动方向上置于过滤器4中，在过滤材料4a之后。
83.图2简化地且示意性地呈现根据图1的设备10以及附接至所述设备的另一处理设备11。另一处理设备11可以是现有技术并且所述另一处理设备可以包括用于调整被处理水的氧含量的曝气部分3a。另外，另一处理设备11可以包括在水的运动方向上在曝气部分3a之后的过滤器5，所述过滤器5包括例如石灰石过滤器5a以调整被处理水的ph值。有利地，过滤器4和5通过例如将过滤器4中的过滤水的出口1a用例如合适的管道或通道系统连接到另一处理设备11的曝气部分3a的入口而彼此连接。另外，另一处理设备11的过滤器包括出口1b，过滤水被布置成通过所述出口进一步引导至后续处理。有利地，出口1b有利地在被处理水的运动方向上置于过滤器5中，在过滤材料5a之后。
84.在图2中呈现的生物除铁和腐殖质设备10是基本版本的改进版本并且包括反馈系统7，所述反馈系统连接在过滤器4的出口1a与酸化部分2之间。反馈系统7包括用于测量水的ph值的测量元件6，所述测量元件6还包括用于将测量数据传输至酸化部分2的设备。相应地，酸化部分2包括用于接收测量数据以及用于基于测量数据控制酸化部分2以将酸分批添
加到被处理水中的设备。有利地，致力于保持待添加的酸的量，使得在过滤器4的出口1a处，已通过过滤器4过滤的水的ph值为约3.1至6.0，有利地为4.1至4.5。具体地寻求最佳值。
85.图3示意性地且简化地呈现根据本发明的用于从富含腐殖质的地下水中去除铁的方法。
86.在根据本发明的方法的第一步骤s1中，通过入口1将待处理的地下水引导至设备中，并且在第二步骤s2中，将待处理的地下水引导至酸化部分2中以进行酸化，其中将酸添加到水中以降低水的碱度。有利地，待添加的酸是硫酸，但也可以代替硫酸使用其它酸，例如盐酸。在酸化之后，在第三步骤s3中将酸化水引导至曝气部分3中，其中测量水的氧含量并且将氧含量调整至所需水平。在第四步骤s4中，将酸化和曝气水进一步引导至过滤器4中，其中被处理水的铁和腐殖质用过滤器4内部的过滤材料4a(有利地为砂子)过滤掉。在过滤器4中，当铁细菌对铁进行生物氧化时，铁从水中沉淀出来，同时沉淀的铁带走腐殖质，并且铁和腐殖质都粘附到过滤材料4a。在过滤之后，在第五步骤s5中通过出口1a从设备10去除被处理水并且引导被处理水以进行进一步处理。
87.通过以某种方式测量，使得当穿过过滤器4时，水的铁含量和腐殖质含量以及碱度(所述碱度可以间接地用过滤水的ph值测量)降低到所需值，有利地预先执行对水的酸化、曝气和流速的调整。
88.如上文呈现，有利地将被处理的地下水的ph和/或碱度调整至某一水平，使得过滤器4之后的过滤水的ph值为约3.1至6.0，有利地为4.1至4.5。因为每种地下水中的铁含量是每个区域的特征并且它不是本发明的操作的变量，所以可以自动地将ph值的调整布置为相对于水的流速基本不变。因此，通过例如测量水的ph值、铁含量、碱度、腐殖质含量和流速，并且通过调整酸化和曝气以及过滤材料的组成和量，使得因此获得基本上不含铁和腐殖质的过滤水，可以基于待处理水的特性预先计算调整，所述过滤水的ph值在所需范围内。有利地，预先执行的这种调整偶尔会通过新的测量和测试重新调整。
89.如果需要，则有利地连接在过滤器4的出口1a与酸化部分2之间的反馈系统7可以附接至根据本发明的生物除铁和腐殖质设备10。在这种情况下，即使进水的特性由于某种原因发生变化或即使过滤材料4a的过滤特性由于使用而发生变化，也可以精确地调整被处理水的酸化以获得质量均匀的过滤水。在这种情况下，测量从设备10的出口1a流出的水的ph值并且将测量数据连续地或周期性地传输至酸化部分2以用作调整数据，其中在酸化部分2中，基于测量结果调整添加到水中的酸的量，使得在过滤器4的出口1a处，已通过过滤器4过滤的水的ph值尽可能稳定为约3.1至6.0，有利地为4.1至4.5。
90.本发明的基本思想本质上是用于去除铁和腐殖质的无化学物质的生物溶液，其最简单地仅包括酸化步骤s2、曝气步骤s3以及没有任何化学处理的过滤步骤s4。
91.对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明不限于上述示例，而是可以在下面呈现的权利要求的范围内变化。
92.对于本领域技术人员来说还显而易见的是，除铁设备和另一处理设备的过滤器可以是例如过滤元件。