用于水处理的装置和方法
【专利摘要】本发明描述了一种涉及模块化水处理装置的装置和方法，所述模块化水处理装置利用与静态混合相结合的侧流注射。所述装置和方法利用臭氧，使用或不使用过氧化氢，用于对存在于废水中的污染物进行有效消毒和/或使存在于废水中的污染物去污染。经过消毒、去污染的水适于再利用。
【专利说明】用于水处理的装置和方法
[0001]本申请是申请号为200980118253.6、申请日为2009年03月20日、发明名称为“用
于水处理的装置、系统和方法”的中国发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求于2008年3月21日提交的题为“Treatment Of Reclaimed Water(再生水的处理)”的美国临时申请N0.61/070, 288以及于2008年4月3日提交的题为“ModularSidestream Apparatus For Water Treatment (用于水处理的模块化侧流装置)”的美国临时申请61/072，991的优先权。这两个文件的全部内容引入本申请中以作參考。
【技术领域】
[0004]本申请的装置、系统和方法涉及水处理。更具体地，本申请涉及一种用于除去水污染物的模块水处理装置，该装置利用与静态混合相结合的侧流注射(s i d e s t r e aminjection)。本申请还涉及在再生的或其它废水中对污染物进行去污染并对病原体进行消毒。
【背景技术】
[0005]降低对新鲜水的需 求的ー种方式是使废水再生，以用于人和动物消费及其它用途。但是，公众关注残留的污染物，例如内分泌干扰化合物剂(EDC)、药物活性化合物(PhaC)、病原体和其它污染物，由于公众对于再生水的认可有限，因而减缓了水处理技术的应用。有机化合物污染物中特别关注的污染物有こ炔基雌二醇、三氯生(triclosan)、DEET、表面活性剂、壬基酚(NP)、三氯生(TCS)和双酚-A (BPA)0特别关注的生物污染物为病原体，例如大肠杆菌、脊髓灰质炎病毒和隐孢子虫(Cryptosporidium)。
[0006]对残留的生物污染物和化学污染物的关注促进了各种关于公共水供应的法律、规章和标准的采用，例如California Code of Regulations (加州管制法规)(CCR)第22号。除标准以外，第22号法规要求废水经过氯消毒法处理，接着过滤，第22号法规还提供了基于峰值干燥气候设计流动，在不低于450毫克分钟/升(mg-min/L),并且模态接触时间(modal contact time)为至少90分钟时,产品的总氯残留量和模态接触时间；或者当消毒过程与过滤过程结合吋，证实该消毒过程已经使在废水中99.999%的F-特异性细菌噬菌体MS2或脊髓灰质炎病毒的噬斑形成单位(pfus)失活和/或被清除。至少与脊髓灰质炎病毒ー样抗消毒的病毒可以用来证明。第22号法规还要求:(a)总大肠杆菌的中值浓度(median concentration)不超过2.2MPN/100mL, (b)在30天的时间内，在任何一个样品中存在的大肠杆菌不超过23MPN/100mL，以及(c)没有样品含有超过240MPN/100mL的大肠杆菌。第22号法规还要求脊髄灰质炎病毒含量至少下降5个数量级(5-log)，或者在合适的代表性的水生病毒方面具有等值的下降。许多州(state)有类似的规章和标准。
[0007]彻底除去大肠杆菌、病毒和其它生物污染物通常被称为“消毒”，这增加了将废水再生的成本，特别是使用常规的水处理方法，例如反滲透(R0)、超滤(UF)和高级氧化法(advanced oxidative procedure) (A0P),其中建立一个 I 百万加仑 / 天(Imeg gpd)处理设备的成本为一千万美兀左右。
[0008]臭氧可单独(或与氧气或空气组合)用于“臭氧溶解”法中，以氧化许多水生污染物。该方法较廉价，特别是当场产生臭氧时。臭氧与过氧化氢结合可用于“高级氧化”法中，该“高级氧化”法产生羟基自由基(参见下面的方程式I)，羟基自由基在除去一些污染物方面还更有效。
[0009]203+H202 — 20H' +302 (方程式 I)
[0010]使用臭氧(O3)或与过氧化氢(H2O2)组合的臭氧的水处理技术能有效地破坏存在于受污染的水中的有机化合物，但是实施该方法所需的设备的成本和复杂性妨碍了其广泛使用。
[0011]需要更有效并易于安装、操作和优化臭氧溶解和高级氧化的用于去除水污染物的装置，该装置能够结合于新设备的设计中并适于现有的处理设备。
【发明内容】
[0012]下面描述和说明的以下方面及其实施方式用于举例和说明，而不是要限制本发明的范围。
[0013]在一个方面,本发明提供了一种用于从进水(influent water)中除去污染物的装置。该装置包括适于装配在水处理装置中的多个模块，所述多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构(sidestream configuration)中与部分进水预混合的氧化剂，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合。所述混合器模块适于与所述注射器模块的下游连接，并且所述注射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模块和任何数量的混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式流动结构中从进水中除去污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以从所述进水中除去污染物。
`[0014]在一些实施方式中，所述氧化剂为臭氧。
[0015]在一些实施方式中，所述至少一个注射器模块包括至少两个注射器模块，第一注射器模块用于注射在侧流结构中与第一部分进水预混合的臭氧，且第二注射器模块用于注射在侧流结构中与第二部分进水预混合的过氧化氢。
[0016]在一些实施方式中，所述至少一个混合器模块为至少两个混合器模块，第一混合器模块与所述第一注射器模块的下游连接，且第二混合器模块与所述第二注射器模块的下游连接。
[0017]在一些实施方式中，用于注射过氧化氢的所述第二注射器模块位于用于注射臭氧的所述第一注射器模块的上游。
[0018]在一些实施方式中，所述静态混合部件选自叶片型混合部件和翼片型(tab-type)混合部件。
[0019]—些实施方式包括在所述注射器模块和混合模块上游的预混模块。在一些实施方式中，所述预混模块用于在与臭氧接触之前向所述进水中添加过氧化氢。
[0020]—些实施方式包括在所述注射器模块和混合模块下游的接触器模块。
[0021]在一些实施方式中，所述至少一个注射器模块和至少一个混合器模块共用一个公用的外壳，其中，所述至少一个注射器模块位于所述至少一个混合器模块的上游。[0022]在一些实施方式中，所述至少ー个注射器模块为多个注射器模块，并且所述至少ー个混合器模块为多个混合器模块，并且所述多个注射器模块和混合器模块在所述装置中交替排列。
[0023]在一些实施方式中，姆个注射器模块包括至少一个注射器。
[0024]在一些实施方式中，姆个注射器模块包括多个注射器，这些注射器被配置成使在侧流中预混合的氧化剂的溶解最大化。
[0025]在一些实施方式中，所述装置用于改进现有的水处理设备，并且其中，将所述装置安装在所述设备中，随后通过增加或減少注射器模块和/或混合器模块来优化效率和性倉^:。
[0026]在一些实施方式中，用选自由以下特性组成的组的流出水的特性来衡量增加或减少模块的效果:
[0027](i)预定的残余的污染物的水平，
[0028](ii)溶解的残余的臭氧的水平，
[0029](iii)残余的过氧化氢的水平，以及
[0030](iv)水质。
[0031]在另一方面，本发明提供了一种侧流装置，该侧流装置用于从进水中除去污染物。该装置包括适于装配在所述装置的主反应器内的多个模块，所述多个模块包括至少ー个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水预混合的氧化剂，以及至少ー个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合。`该装置还包括适于装配在至少ー个侧流内的多个模块，所述多个模块包括至少ー个注射器模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混合的氧化剂，以及至少ー个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，其中，将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器中，以促进氧化剂的溶解，并且进一歩地，其中，在安装之后，能够将额外的注射器模块和/或混合器模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
[0032]在一些实施方式中，所述至少一个侧流为至少两个侧流，包括用于注射并混合臭氧的第一侧流以及用于注射并混合过氧化氢的第二侧流。
[0033]在另ー个方面，本发明提供了一种用于除去污染物的方法，所述污染物使得进水供应具有令人不愉快的味道或气味。该方法包括:在过氧化氢存在下，使进水与臭氧接触，以产生去污染的出水，并将所述出水提供给消费者，其中，所述出水中具有令人不愉快的味道和气味的污染物的水平得到降低。
[0034]在一些实施方式中，该方法实现了对出水的消毒。
[0035]在一些实施方式中，无需事先加入消毒剂，进行在过氧化氢存在下与臭氧的所述接触。
[0036]在一些实施方式中，所述流出水不含有消毒剤。
[0037]在一些实施方式中，该方法还包括将消毒剂添加到所述出水中的步骤。
[0038]在一些实施方式中，使所述进水供应具有令人不愉快的味道或气味的污染物选自土臭味素和2-甲基异冰片(MIB)。
[0039]在一些实施方式中，所述进水为地表水或地下水。[0040]在一些实施方式中，在过氧化氢存在下，使所述进水与臭氧接触还能除去毒性有机污染物。
[0041]在一些实施方式中，所述毒性有机污染物选自内分泌干扰化合物(EDC)、药物活性化合物(PhaC)、病原体、壬基酚(NP)、三氯生(TCS)、双酚-A (BPA)、雌二醇等价物(EEQ)和N-亚硝基二甲胺(NDMA)。
[0042]在一些实施方式中，所述接触在用于从进水中除去污染物的装置中进行。在这些实施方式中，所述装置包括适于装配在水处理装置中的多个模块，所述多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水预混合的氧化剂，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，其中，所述混合器模块适于与所述注射器模块的下游连接，并且所述注射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模块和任何数量的混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式流动结构中从进水中除去污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以从所述进水中除去预定量的污染物。
[0043]在一些实施方式中，所述接触在用于从进水中除去污染物的装置中进行。在这些实施方式中，所述装置包括适于装配在所述装置的主反应器内的多个模块，所述多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水预混合的氧化齐?，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，以及适于装配在至少一个侧流中的多个模块，所述多个模块包括至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混合的氧化剂，以及至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，其中，将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器中，以促进氧化剂的溶解，并且进一步地，其中，在安装之后，能够将额外的注射器模块和/或混合器模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
[0044]在又一个方面，本发明提供了一种用于改良的将含生物污染物的再生废水消毒的改进的方法，所述生物污染物选自大肠杆菌和脊髓灰质炎病毒。该方法包括:(a)使用臭氧处理再生的水，臭氧的剂量和处`理时间足以将大肠杆菌和脊髓灰质炎病毒的水平降低至例如州法律(例如2008年或将来的某一日期加州管制法规中的第22号)所要求的水平，以及
(b)将在(a)中处理过的水引入公共水供给系统中。
[0045]在一些实施方式中，所述臭氧的剂量为5 μ g/mL或更多。
[0046]在一些实施方式中，加入过氧化物，以减少溴酸盐的形成。
[0047]在一些实施方式中，加入过氧化物，以促进痕量有机化合物的破坏。
[0048]在一些实施方式中，加入过氧化物，以缩短与臭氧的接触时间。
[0049]在一些实施方式中，在(a)中的所述处理还足以将选自由壬基酚(NP)、三氯生(TCS)和双酚-A (BPA)组成的组的有机化合物去除至所需的水平或者州或联邦政府要求的水平，例如加州管制法规，2008，第22号所要求的水平。
[0050]在一些实施方式中，在(a)中的所述处理将总大肠杆菌的水平降至所需的水平或者州或联邦政府要求的水平，例如加州管制法规的第22号所要求的水平。
[0051]在一些实施方式中，在(a)中的所述处理将粪便中的大肠杆菌的水平降至低于可检测水平。[0052]在一些实施方式中，在(a)中的所述处理将脊髓灰质炎病毒的水平降至所需的水平或者州或联邦政府要求的水平，例如加州管制法规的第22号所要求的水平。
[0053]在一些实施方式中,基于MS2大肠杆菌曬菌体的水平来计算脊髓灰质炎病毒的水平。
[0054]在具体的实施方式中，基于在相同条件下MS2大肠杆菌噬菌体水平的下降与脊髓灰质炎病毒水平的下降之间的相关性来计算脊髓灰质炎病毒的水平。
[0055]在具体的实施方式中，脊髄灰质炎病毒的水平下降5个数量级相应于MS2大肠杆菌曬菌体下降6.5个数量级。[0056]由以下描述、附图、实施例和权利要求将显而易见到本发明的方法、组合物等等的额外的实施方式。由前述和以下说明可以理解的是，本文所述的每一个特征以及两个或更多个这些特征的每ー个组合包括在本发明公开的范围内，条件是在该组合中所包括的特征不能相互不一致。此外，任何特征或多种特征的组合可具体从本发明的方法和组合物的任何实施方式中排除。在以下描述和权利要求中提出额外的方面和优点，特别是当结合所附实施例和附图进行考虑时提出额外的方面和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]图1为模块化侧流装置的一种实施方式的示意图。
[0058]图2A至图2B为ー种示例性的主反应器或侧流的侧视图。
[0059]图2C说明包括主反应器和两个侧流的一种示例性装置。
[0060]图3A至图3E为具有不同的注射器结构的注射器模块的侧视图(图3A至图3B)和截面图(图3C至图3E)。
[0061]图3F为ー种示例性的注射器的侧视图。
[0062]图4A至图4D为具有不同的混合器结构的混合器模块的侧视图(图4A和4C)和截面图(图4D)。
[0063]图5为ー种用于通过侧流接受臭氧和过氧化氢的示例性的模块化的主反应器装置的侧视图。
[0064]图6为显示使用常规的臭氧处理或通过高压氧化处理，土臭味素和MIB作为臭氧浓度的函数而下降的图。
[0065]图7为显示使用常规的臭氧溶解处理或高级氧化，土臭味素作为臭氧浓度的函数而下降的图。
[0066]图8为显示使用常规的臭氧溶解处理或高级氧化，土臭味素和MIB作为臭氧浓度的函数而下降的图。
[0067]图9为显示使用常规的臭氧溶解处理或高级氧化，土臭味素和MIB作为臭氧浓度的函数而下降的图。
[0068]图10为显示在可进行比较的处理条件下，脊髄灰质炎病毒的下降与MS2病毒的下降之间的相关性。
[0069]图11为显示使用中级过滤(media-filtered)的水,MS2作为臭氧剂量的函数而下降的图。
[0070]图12为显示使用中级过滤的水，MS2作为接触时间(CT)的函数而下降的图。[0071]图13为显示使用微过滤(microfiltered)的水，MS2作为臭氧剂量的函数而下降的图。
[0072]图14为显示使用微过滤的水，MS2作为接触时间(CT)的函数而下降的图。
[0073]图15至图16为显示使用不同的用于臭氧注射的结构，MS2作为臭氧剂量的函数而下降的图。
[0074]图17为显示总大肠杆菌作为臭氧剂量的函数而下降的图。
[0075]图18为显示总大肠杆菌作为接触时间(CT)的函数而下降的的图。
[0076]图19为说明进水的pH对消毒的影响的柱状图。
[0077]图20至图21为显示痕量有机污染物作为臭氧剂量的函数而下降的图。
[0078]图22为显示作为臭氧计量的函数的溴酸盐的形成的图。
[0079]图23为显示加入和不加入过氧化物，在微过滤的水的MS2下降以及在中级过滤的水中的MS2下降。
[0080]图24为一种示例性装置的示意图。
[0081]图25为说明与图24的装置结合使用的实验和设备设置的表格。
[0082]图26为说明使用图24的装置,使用或不使用过氧化氢,使用臭氧处理的废水的试验结果的表格。
[0083]图27为显示作为臭氧剂量的函数的雌二醇等价物的破坏响应的图。
[0084]图28为显示作为臭氧剂量的函数的吉非贝齐(Gemifibrozil)的破坏响应的图。
[0085]图29为显示作为臭氧剂量的函数的布洛芬(Ibuprofen)的破坏响应的图。
[0086]图30为显示作为臭氧剂量的函数的三氯生的破坏响应的图。
[0087]图31为显示作为臭氧剂量的函数的咖啡因的破坏响应的图。
[0088]图32为显示作为臭氧剂量的函数的氟西汀(Fluoxetine)的破坏响应的图。
[0089]图33为显示作为臭氧剂量的函数的联磺甲氧节唳片(Sulfamethoxazole)的破坏响应的图。
[0090]图34为显示作为臭氧剂量的函数的甲氧节唳(trimethoprim)的破坏响应的图。
[0091]图35为显示作为臭氧剂量的函数的乙炔基α -雌二醇-17的破坏响应的图。
[0092]图36为显示作为臭氧剂量的函数的碘普胺(1promide)的破坏响应的图。
[0093]图37为显示作为臭氧剂量的函数的大肠杆菌(E.Col1.)的破坏响应的图。
[0094]图38为显示作为臭氧剂量的函数的UV透射率的破坏响应的图。
【具体实施方式】
[0095]本申请描述了涉及使用臭氧和任选的过氧化氢进行水处理的装置、系统和方法。更具体地，本发明的装置、系统和方法涉及一种模块化设计的、活塞式流动水处理装置，其特征在于侧流注入臭氧和任选的过氧化氢，与积极(aggressive)静态混合结合，以使氧化剂在进水中的溶解最大化。通过侧流混合引入臭氧和过氧化氢确保上述试剂在主反应器中的溶解和分散最大化，带来高的传质效率，从而能够使用较低剂量的氧化剂，而无需延长进水在主反应器中的停留时间或使进水循环通过主反应器。该装置对用于低剂量、高流速、单程水处理应用而言是理想的，例如用作适于饮用的水(包括生活饮用水)，用于灌溉、工业应用、卫生间冲洗，等等 ，或者用于排放至环境(例如:湖泊、溪流或其它水体)中的水处理。[0096]1.模块化设计、活寒式流动水处理装置
[0097]一种示例性的装置100的示意图示于图1。待处理的水进入主反应器110的进水ロ 101，而处理过的水由出水ロ 102离开。将一部分进水从主反应器110引出，用于臭氧侧流反应器，在该实施方式中，该臭氧侧流反应器包括位于静态混合器119上游的臭氧注射器117。通过侧流反应器在注射点107注射至主反应器110中的臭氧可以与其它的静态混合器109接触，以促进臭氧溶解于主反应器110中的进水中。可在相对于水为正压下将臭氧引入侧流中，或者例如通过文丘里效应而离析(educt)进入侧流中。
[0098]在一些结构中，从主反应器110中引出第二部分进水，用于过氧化氢侧流反应器，该过氧化氢侧流反应器包括在静态混合器115上游的过氧化氢注射器113。虽然按常规将过氧化氢直接加入到主反应器中，或者加入到不加压的预混室内的进水中，但是本发明的装置的ー个特征为使用与静态混合器115相连的注射器113侧流注入过氧化氢，以在侧流中充分混合过氧化氢，从而促进过氧化氢在主反应器110中的溶解。将过氧化氢更有效地溶解于主反应器中能够在与臭氧接触时产生最大量的羟基自由基。该独特的方法能够通过活塞式流动反应系统在单程中从水中除去包括生物病原体在内的污染物，其中，在主反应器中的停留时间小于约5分钟,并且在一些实施方式中,在主反应器中的停留时间小于I分钟。
[0099]如图2A至图2B所示，在主反应器200 (图2A)或侧流反应器210 (图2B)中的注射器模块203和混合器模块205为模块化的，使得它们能够被组合于多种流动结构中，并且还能够根据具体的应用进行配置，以优化和定制该装置。用于侧流210的模块的直径通常比用于主反应器200的模块的直径小，但是具有共同的模块结构特征。因此，许多以下描述不仅涉及主反应器而且涉及ー个或多个侧流，所述主反应器和侧流为所述装置的一部分。
[0100]所述装置的部件在形式上和功能上为模块化的，使得所述部件能够大量制造并在定制应用中以不同的配置方式进行组装。装置的主要部件为位于主反应器和侧流中的注射器模块和混合器模块，尽管主反应器和侧流的直径不同，但是主反应器和侧流具有相似的特征，其中，侧流模块的直径显`著小于主反应器模块的直径。
[0101]优选地，提供给每个注射器模块203的第一端223的配件是相同的(即，可互換的)，并且提供给每个注射器模块203的第二端233的配件是相同的；以及提供给每个混合器模块205的第一端225的配件是相同的，并且提供给姆个混合器模块205的第二端235的配件是相同的(如上所述)，使得交替排列的注射器模块和混合器模块可由具有相同管子(pipe)或管道(tubing)直径的互连模块进行装配。
[0102]每个注射器203的第一端223和第二端233和/或每个混合器205的第一端225和第二端235可以相同，使得注射器模块203和混合器模块205能在任意ー个方向上进行操作，以易于装配。在其它实施方式中，所述注射器模块203和混合器模块205被设计成在单一流动方向上进行操作，并且第一端223、225和第二端233、235可以相同或不同。在再一种实施方式中，姆个注射器模块203和混合器模块205的第一端223、225和第二端233、235相同，从而能够如图2B所示装配注射器203序列和/或混合器205序列。
[0103]可以使用法兰型(即，装有法兰的)模块化外壳，并且所述法兰型模块化外壳可以包括密封，例如0-形环，从而将泄漏降低至最低。也可以使用螺纹配件。在一个实例中，注射器模块配备有外螺纹，而混合模块配备有内螺纹，从而能够将注射器模块与混合器模块装配在一起。在另一实例中，注射器模块配备有内螺纹，而混合模块配备有外螺纹。在又一实例中，注射器模块和混合器模块的每个第一端配备有外(或内)螺纹，并且该注射器模块和混合器模块的每个第二端配备有内(或外)螺纹，使得任何数量的注射器模块和混合器模块能够组装在一个装置中。可选择地，模块上的所有螺纹可为外螺纹或内螺纹，并且连接器或活接头可用于连接所述模块。可以使用其它管道或管子配件。[0104]可加入任选的预混模块211，以在与反应器接触之前，将氧化剂或其它水处理试剂引入进水中(图2A和图2B)。除了所述预混模块以外，可加入任选的二次混合(post-mix)接触器模块212 (或“接触器”)，或者加入任选的二次混合接触器模块212 (或“接触器”)来代替所述预混模块，以在氧化剂存在下提高水的停留时间。与注射模块和混合器模块相比，所述接触器通常具有更大的内体积，并且没有按比例示出的。当存在时，所述预混模块和接触器可以分别包括第一端221、222以及第二端231、232。所述预混模块211的第一端221和所述接触器模块212的第二端232可为端盖形式，其包括用于分别与进水接管(hookup)和出水接管连接的配件。
[0105]用于实施高级氧化模式的完整的装置200的一种实施方式示于图2C。装置200包括主反应器240、臭氧侧流260和过氧化氢侧流250。主反应器240包括换向器模块248，该换向器模块248用于将一部分进水分流至侧流250、260。换向器模块248或附带的接管可以包括用于调节分流至每个侧流的进水量的一个或多个阀(未示出)、用于注入过氧化氢的任选的预混模块241、用于注入侧流过氧化氢的过氧化氢注射器模块246、用于注入侧流臭氧的臭氧注射器模块243、以及混合器模块245。所述换向器模块可以为该装置的一个部件或外围部件。
[0106]当将过氧化氢引入预混模块241时，可通过直接注入(即，不使用侧流，如图所示)或通过额外的侧流引入，以使得混合和溶解最大化(未示出)。臭氧侧流260包括臭氧注射器模块263和混合器模块265。过氧化氢侧流250包括过氧化氢注射器模块253和混合器模块255。
[0107]流动通过所述过氧化氢侧流的全部或部分进水可以用于臭氧侧流，在这种情况下，所述装置、系统和方法可包括在将氧化剂引入主反应器之前，在侧流结构中连续(即，相继)加入过氧化氢和臭氧。在引入主反应器之前，将浓缩的过氧化氢或在侧流中混合的过氧化氢引入臭氧侧流，能有效控制溴酸盐形成。
[0108]在一些情况下，用于臭氧侧流和/或过氧化氢侧流的水与侧流水与氧化剂在其中进行混合的水的来源相同。在这种方式中，预定进入侧流的水是从流向主反应器的水中分流出来的。可选择地，侧流水来自于与进入主反应器的水不同的来源。在这种情况下，与供应至主反应器的水相比，侧流水可以含有更高水平或更低水平的污染物。
[0109]一个或多个排气口用于释放由于存在未溶解的臭氧、氧气或空气而引起的残余气压(依赖于所使用的具体的氧化剂气体)。排气(或“放气”)口可设置在主反应器中，优选在注入一种或多种气体的位置的下游，以释放由于未溶解的氧化剂气体而产生的气压。可选择地或者除此以外，排气口可以设置在侧流(通常为气体氧化剂侧流)中，以在主反应器中进行混合之前释放气压。排气口可以设置为额外的模块，该额外的模块可以与注射器模块和混合器模块组合装配(即，独立的“排气模块”)，或者与现有的模块(例如:混合器模块)组合。图2C示出了位于混合器模块265上的排气口 270，但是，也可以考虑在其它位置设置一个或多个排气ロ。
[0110]图3A至图3F示出了在注射模块303内的注射器301的几种不同的排列方式。每个注射模块303中可以存在ー个或多个注射器301。当存在多个注射器吋，注射器301可以设置在同一平面(图3A)内或者通过垂直于注射器模块303的主轴(虚线)的几个平面(图3B)内。多个注射器301在注射器模块303中可以以对置成对的方式设置(图3C和3D)或在注射器模块303中以放射状设置(即，以星形方式设置，图3E)，以使得注射的氧化剂在反应器中的分布最大化。为了简化附图，在图3C至图3E中仅示出了注射器模块303的内壁(未示出法兰)。
[0111]一种示例性的注射器示于图3F中。注射器为常规的喷嘴式设计，且包括喷嘴部分310、用于接合注射器模块312上的螺纹孔的螺纹、以及用于连接臭氧或过氧化氢供应装置314 (所述臭氧或过氧化氢以可来自侧流)的螺纹。根据应用场合来选择注射器301的大小和数量，并且喷嘴可以设计成能够产生扇形或圆锥形喷雾，以进一歩分散注射的氧化剂。
[0112]图4A至图4D示出了包括不同的静态混合器405结构的示例性装置。图4A示出了具有独立的注射器模块403和混合器模块405的装置400的侧视图。标注出了注射器模块403的第一端423和第二端433、以及混合器模块405的第一端425和第二端435。示例性的注射器模块403包括四个注射器401，每个注射器位于垂直于注射器403的轴(虚线)的不同平面上。
[0113]图4A示出的装置400包括混合器模块405，该混合器模块405包括叶片型静态混合器410，该叶片型静态混合器410包括基本上为扁平的旋转构件，该旋转构件在通过混合器405的水中引发涡 流。这种混合器可用凯米尼尔型(Chemineer model)WVM混合器(Chemineer, Derby, U.K.)来举例说明。图4B示出的装置400包括以下特征:混合器模块404与注射器模块共用ー个公共腔室,从而形成包括注射器模块403部分和混合器模块405部分的组合的注射器-混合器模块404。这种组合的模块可以用于该装置的许多实施方式中，特别是当期望提供具有基本水平的容量和性能的“核心”装置时，该装置可以按照需要使用额外的模块进行改装，以获得预定水平的容量或性能。额外的或“另加的”注射器模块和混合器模块的形式也可以为组合的注射器-混合器模块。
[0114]混合器模块405或组合的注射器-混合器模块404可以选择性地包括翼片型混合器，其中，从混合模块404的内壁延伸出的一个或多个翼片411在通过混合模块的水中引发湍流运动或涡流运动(图4C)。可以在注射器401的下游设置额外的预分布翼片或折流板420，用于将注射的氧化剂导向至静态混合器的中心区。该装置的截面图(图4D)示出了位于注射器401下游的混合翼片411和额外的翼片或折流板420。示例性的翼片型混合器为凯米尼尔型 KMS 混合器(Chemineer, Derby, U.K.)。
[0115]一般来说，任何ー个或多个注射器401与混合器模块405(或混合器模块405的部件)之间的距离不是关键的，但是可以进行选择，以使在引入侧流时，氧化剂与进水的混合达到最大。用于直接或通过侧流注射相同或不同的氧化剂的多个注射器模块可以串联设置在混合器模块的上游。具有相同或不同设计的多个混合器模块可以串联设置，以促进混合。本发明的装置、系统和方法的ー个目的在于使混合效率达到最大，同时使能耗最小；因此，通常优选使用获得充分混合和充分利用氧化剂所需的最小数量的有效混合器，可以用本文所述的气液比来表达。[0116]图5示出了一种示例性的主反应器500，该主反应器500包括预混模块501、两个注射器模块503、两个混合器模块505和二次混合模块502。注射器模块503包括用于注射由侧流提供的臭氧的臭氧注射器513。预混模块501和二次混合模块502包括用于注射由侧流提供的过氧化氢的过氧化氢注射器511、512。侧流臭氧和/或过氧化氢模块也可通过弯管连接在一起，从而使得整个装置更为紧凑。在这种情况下，弯管504用于连接混合器模块505与注射器模块503。弯管504还可以包括侧流或者直接过氧化氢注射器514和/或侧流或者直接臭氧注射器516。
[0117]图5中的装置还包括任选的进水压力表521、出水压力表522、以及出水样品口523，该出水样品口可用于监测装置的性能并报告调节和改良。
[0118]I1.操作结构
[0119]本发明的装置的模块化特征使得能够使用复杂程度最低且最少量的部件现场装配专门的处理装置。易于增加或减少该装置中的模块，以优化效率和性能。在这种方式中，可将装置安装在水处理设备中，装备初始数量的模块，测试效率和性能，再用额外的注射器模块和混合器模块(或组合的模块)来改进，直至得到令人满意的出水数量和品质。这样避免了为每个应用场合设计专门的装置而导致的高成本和风险，在一些情况下，具有有限的可扩展性和替代部件的能力。
[0120]该装置可在臭氧溶解模式下运行(其中，通过侧流将臭氧注入反应器中，无需添加过氧化氢)或在高级氧化模式下运行(其中，通过侧流将臭氧注入反应器中，并且将过氧化氢直接注入主反应器中或通过侧流注入主反应器中)。
[0121]在臭氧溶解模式下运行的优选的装置包括主反应器和至少一个侧流，该侧流用于在将臭氧引入主反应器之前注入并混合臭氧。侧流包括注射器模块和混合器模块，注射器模块和混合器模块可以为分立的部件或组合在一个公用的外壳中。除了位于侧流中的臭氧注射器和混合器以外，主反应器还可以包括任何数量的臭氧注射器和混合器。在一些实施方式中，混合器模块设置在主反`应器中紧邻侧流臭氧注射口的下游，使得侧流注入的臭氧最大限度地分布于主反应器中。混合器模块可以为叶片型混合器、翼片型混合器、本领域已知的其它类型的混合器、或它们的组合。当使用多个混合器时，所述混合器可以包括每种类型中的一个或多个混合器。
[0122]在高级氧化模式下运行的装置还包括至少一个用于在主反应器中注射并混合过氧化氢的过氧化氢注射器。过氧化氢可以直接引入或通过侧流引入，以使传质效率最大化并减少将进水中的污染物的水平降低至预定量所需的过氧化氢的量。如上所述，侧流包括注射器模块和混合器模块，所述注射器模块和混合器模块可为分立的部件或组合在一个公用的外壳中。除了位于侧流中的过氧化氢注射器和混合器以外，主反应器还可以包括任何数量的过氧化氢注射器和混合器。在一个实例中，混合器模块设置在主反应器中紧邻侧流过氧化氢注射口的下游，以使侧流注入的过氧化氢最大限度地分布在主反应器中。
[0123]多个注射器模块可以串联设置，接着是一个或多个混合器模块。单个注射器模块可以包括用于臭氧、过氧化氢、或者臭氧和过氧化氢的注射器。例如，当多个注射器位于同一个注射器模块中时，一些(即，第一部分)注射器可以用于注射臭氧，而其它(即，第二部分)注射器用于注射过氧化氢。可选择地，可以使用“仅臭氧”注射器模块和“仅过氧化氢”注射器模块，每个注射器模块具有仅用于指定的氧化剂的注射器。臭氧注射器模块和过氧化氢注射模块可以交替的方式设置或者以其它另ー种符合逻辑的方式设置，以使输送氧化剂，使效率和性能最优。
[0124]虽然臭氧和过氧化氢可以任何顺序被注入，但是优选首先在臭氧的上游注入过氧化氢，从而在暴露于臭氧之前，使过氧化氢有时间与水充分混合。在较早阶段加入过氧化氢能够减少溴酸盐的形成，在臭氧浓度高的情况下形成溴酸盐，但是在过氧化氢存在下则能减少溴酸盐的形成(參见例如美国专利N0.5，851，407和6，024，882)。当期望形成最大量的羟基自由基且减少过氧化氢消耗量时，可首先注入臭氧，以使臭氧与存在于进水中的有机化合物反应，从而产生羟基自由基或其它自由基，接着加入过氧化氢，以与残余的臭氧反应，从而产生额外的羟基自由基。
[0125]控制溴酸盐形成的另ー种方式为将浓缩的过氧化氢或来自于过氧化氢侧流的一部分稀释的过氧化氢引入臭氧侧流中，从而在臭氧侧流中控制溴酸盐的形成。可将其它化学物质(例如:氯气、氨或酸)注入臭氧侧流中，以控制溴酸盐的形成。
[0126]混合器模块可以为叶片型或翼片型，或者叶片型和翼片型。当使用多个混合器模块时，混合器模块可以包括每种类型中的ー个或多个，从而发挥每种类型的混合器的优点。混合器模块可以设置在每个臭氧注射器模块和/或过氧化氢注射器模块之后。可选择地，混合器模块可以设置在每个臭氧注射器模块-过氧化氢注射器模块对之后。混合器模块还可以设置在多个臭氧注射器模块和/或过氧化氢注射器模块之后。
[0127]预混模块可包括在主反应器的上游，并且可以包括臭氧和/或过氧化氢注射器。预混模块可包括入ロ(该入ロ可以为注射器)，该入ロ用于在注射臭氧之前，将过氧化氢加入到进水中。仅臭氧操作也可以从使用位于主反应器下游的接触器中受益，使得臭氧有足够的时间在水中分散并对去污染产生作用。这种下游臭氧接触器可以采用管线、有折流板或无折流板的槽(包括“上”或“下”折流板槽)的形式，或者类似的装置。下游臭氧接触器可整合到主反应器中，或者可为位于主反应器下游的独立的部件。接触器模块可包括入口(该入口可以为注射器)，该入口用于在注入臭氧之后将过氧化氢加入到出水中，例如以用于控制溴酸盐的形成。在不使用过`氧化氢的以臭氧稀释模式运行装置吋，预混模块和/或接触器模块可用于输送额外的臭氧。
[0128]可以包括下游气液分离器，以释放过量的臭氧气体、氧气和/或空气，例如，用于減少下游设备的腐蚀并降低短效排放，以促进健康和安全。可以使用直径比反应器大的管线或容器来释放(排放)过量的气体，从而降低水的速度，暴露于增加的表面积，并且使过量的气体能通过排气阀和任选的臭氧破坏装置而排放。在一些情况下，上述直径较大的管线或容器可以有折流板，或者将含有过量气体的液体流沿着切线方向引入较大的管线或容器中，以引发涡流，从而帮助排放过量的气体。
[0129]对于具体的应用，可以预先选定初始主反应器和侧流流速，并在安装和初始试验后进行优化。装置的初始设定的指南在下表1和2中提供；但是，仅用于举例说明。
[0130]表1臭氧和氧气流动參数
[0131]
【权利要求】
1.一种用于从进水中除去污染物的装置，该装置包括: 适于装配在水处理装置中的多个模块，所述多个模块包括: 至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水预混合的氧化剂，以及 至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合， 其中，所述混合器模块适于连接在所述注射器模块的下游，并且所述注射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模块和任何数量的混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式流动结构中从进水中除去污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以从所述进水中除去预定量的污染物。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述氧化剂为臭氧。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述至少一个注射器模块包括至少两个注射器模块，第一注射器模块用于注射在侧流结构中与第一部分进水预混合的臭氧，且第二注射器模块用于注射在侧流结构中与第二部分进水预混合的过氧化氢。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个混合器模块为至少两个混合器模块，第一混合器模块与所述第一注射器模块的下游连接，且第二混合器模块与所述第二注射器模块的下游连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置，其中，用于注射过氧化氢的所述第二注射器模块位于用于注射臭氧 的所述第一注射器模块的上游。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，所述静态混合部件选自叶片型混合部件和翼片型混合部件。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，该装置还包括在所述注射器模块和混合模块上游的预混模块。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述预混模块用于在将进水与臭氧接触之前向所述进水中添加过氧化氢。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，该装置还包括在所述注射器模块和混合模块下游的接触器模块。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，所述至少一个注射器模块和至少一个混合器模块共用一个公用的外壳，其中，所述至少一个注射器模块位于所述至少一个混合器模块的上游。
11.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，所述至少一个注射器模块为多个注射器模块，所述至少一个混合器模块为多个混合器模块，并且所述多个注射器模块和混合器模块在该装置中交替排列。
12.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，每个注射器模块包括至少一个注射器。
13.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，每个注射器模块包括多个注射器，所述注射器被配置成使在侧流中预混合的氧化剂的溶解最大化。
14.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，该装置用于改进现有的水处理设备，并且其中，将该装置安装在所述设备中，随后通过增加或减少注射器模块和/或混合器模块来优化效率和性能。
15.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其中，用选自由以下特性组成的组的流出水的特性来衡量增加或減少模块的效果: (i)预定的残余污染物水平， (ii)溶解的残余臭氧水平， (iii)残余过氧化氢水平，以及 (iv)水质。
16.ー种用于从进水中除去污染物的侧流装置，该装置包括: 适于装配在所述装置的主反应器内的多个模块，所述多个模块包括: 至少ー个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水预混合的氧化剂，以及 至少ー个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，以及 适于装配在至少ー个侧流中的多个模块，所述多个模块包括: 至少ー个注射器 模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混合的氧化剂，以及 至少ー个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件， 其中，将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器，以促进氧化剂溶解，并且进一歩地，其中，在安装之后，能够将额外的注射器模块和/或混合器模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个侧流为至少两个侧流，包括用于注射并混合臭氧的第一侧流、以及用于注射并混合过氧化氢的第二侧流。
18.一种用于除去污染物的方法，所述污染物使得进水供应具有令人不愉快的味道或气味，该方法包括: 在过氧化氢存在下，使进水与臭氧接触，以产生去污染的出水，以及 将所述出水提供给消费者， 其中，所述出水中，使所述出水具有令人不愉快的味道和气味的所述污染物的水平得到降低。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，该方法实现对出水的消毒。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，无需事先加入消毒剤，在过氧化氢存在下进行与臭氧的所述接触。
21.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，所述出水不含有消毒剤。
22.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，该方法还包括将消毒剂添加到所述出水中的步骤。
23.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，使所述进水供应具有令人不愉快的味道或气味的所述污染物选自土臭味素和2-甲基异冰片。
24.根据权利要求18-23中任意一项所述的方法，其中，所述进水为地表水或地下水。
25.根据权利要求18-24中任意一项所述的方法，其中，在过氧化氢存在下，使进水与臭氧接触，以进一歩除去毒性有机污染物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述毒性有机污染物选自内分泌干扰化合物、药物活性化合物、病原体、壬基酚、三氯生、双酚-A、雌二醇等价物和N-亚硝基二甲胺。
27.根据权利要求18-26中任意一项所述的方法，其中，所述接触在用于从进水中除去污染物的装置中进行，该装置包括: 适于装配在水处理装置中的多个模块，所述多个模块包括: 至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水预混合的氧化剂，以及 至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合， 其中，所述混合器模块适于连接在所述注射器模块的下游，并且所述注射器模块和混合器模块进一步适于将任何数量的注射器模块和任何数量的混合器模块装配在所述装置中，该装置用于在单程、活塞式流动结构中从进水中除去所述污染物，选择注射器模块和混合器模块的数量，以从所述进水中除去预定量的所述污染物。
28.根据权利要求18-26中任意一项所述的方法，其中，所述接触在用于从进水中除去所述污染物的装置中进行，该装置包括: 适于装配在所述装置的主反应器中的多个模块，所述多个模块包括: 至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射在侧流结构中与部分进水预混合的氧化剂，和 至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件，该静态混合部件用于将通过所述注射器模块引入的氧化剂与进水混合，以及 适于装配在至少一个侧流中的多个模块，所述多个模块包括:至少一个注射器模块，该注射器模块用于注射与部分进水预混合的氧化剂，以及 至少一个混合器模块，该混合器模块包括静态混合部件， 其中，将在侧流中与进水预混合的氧化剂引入所述主反应器中，以促进氧化剂溶解， 并且进一步地，其中，在安装之后，将额外的注射器模块和/或混合器模块添加到所述侧流和/或所述主反应器中，以优化所述装置。
29.—种改良的用于将含生物污染物的再生废水消毒的方法，所述生物污染物选自大肠杆菌和脊髓灰质炎病毒，该方法包括以下步骤: (a)使用臭氧处理再生的水，臭氧的剂量和处理时间足以将大肠杆菌和脊髓灰质炎病毒的水平降低至州或联邦政府的规章所要求的含量，以及 (b)将在(a)中处理过的水引入公共水供应系统。
30.根据权利要求29的所述方法，其中，所述臭氧的剂量为5μ g/mL或更多。
31.根据权利要求29或权利要求30所述的方法，其中，加入过氧化物以减少溴酸盐的形成、促进痕量有机化合物的破坏、或缩短与臭氧接触的时间。
32.根据权利要求29-31中任意一项所述的方法，其中，在(a)中的所述处理将选自由壬基酚、三氯生和双酚-A组成的组的有机化合物去除至州或联邦政府的规章要求的水平。
33.根据权利要求29-31中任意一项所述的方法，其中，在(a)中的所述处理将总大肠杆菌、粪便大肠杆菌或脊髓灰质炎病毒的水平降至州或联邦政府的规章要求的水平。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，基于MS2大肠杆菌噬菌体的水平来计算所述脊髓灰质炎病毒的水平。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，基于在同等条件下，MS2大肠杆菌噬菌体水平的下降与脊髄灰质炎病毒水平的下降之间的相互关系来计算所述脊髓灰质炎病毒的水平。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，脊髄灰质炎病毒的水平下降5个数量级相应于MS2大肠杆菌噬菌体下降6.5个数量级。
【文档编号】B01F3/04GK103601258SQ201310403649
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2009年3月20日 优先权日:2008年3月21日
【发明者】B·K·鲁滨逊, R·H·鲍曼, S·R·亚当斯 申请人:Apt水公司