專利名稱：廢水處理方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢水處理領(lǐng)域。特別是，本發(fā)明提供一種在冷氣候下特別有效的廢水處理方法，所述氣候例如冬天的高山區(qū)域或北部區(qū)域所遇到的氣候。
在一年當中每時每刻由各地區(qū)產(chǎn)生大量廢水。術(shù)語“廢水”是指生活廢棄水，即污水管物流，工業(yè)污水即工廠、研磨廠、提煉廠和其它工業(yè)環(huán)境中水的用戶排出的物流，商業(yè)污水即來自如餐館之類的服務(wù)業(yè)和清理業(yè)的廢水物流。在發(fā)達國家，希望將產(chǎn)生的廢水100％地以某種方式處理以確保對環(huán)境有最小的消極影響。為此，大多數(shù)城市已建立了大型污水和廢水處理設(shè)備。這些設(shè)備的建立、操作和維護是非常昂貴的，而且它們具有有限的容量。
如果設(shè)計得當，廢水處理設(shè)備按照流通量有效地操作，并能處理任何給定期間內(nèi)產(chǎn)生的全部廢水。然而，在這樣的基礎(chǔ)上的有效操作在冬天的數(shù)月期間變得較困難，那時沉淀池可能結(jié)冰，污水貯留池結(jié)冰，河面上結(jié)冰，但污水在其中保持流動。許多設(shè)備在春季負荷過大，并且感到在春暖時節(jié)常常需要釋放未處理的或部分處理的廢水到環(huán)境中(即接收水)。
另外，有一些位于北部地帶的地區(qū)或區(qū)域，在那里污水或廢水處理基本上是不可能的，因為必須被貯存過結(jié)冰月份的量大大超過了在暖和月份期間可能實際處理的量，以致常規(guī)處理設(shè)備是不可行的。相似地，有些地區(qū)在雪季和冬天雖有較少的永久居住人口，但有非常多的冬季游客。這些居住區(qū)不需要夏季高容量廢水處理設(shè)備，或者必須使現(xiàn)有設(shè)備承受高度浮動的季節(jié)性負荷。
在北部地區(qū)還進行一些工業(yè)過程如從油砂回收油，這些過程使用大量的水，這些水不易用常規(guī)技術(shù)處理。另外，食品加工工業(yè)在收獲季節(jié)后的結(jié)冰月份常常有最大的產(chǎn)量，從而在這些月份產(chǎn)生的廢水。
關(guān)于普通的生活廢水處理有四個最主要的方面的考慮。第一，必須考慮要被處理的廢水量?？紤]最大影響成本目的是通過廢料和營養(yǎng)物與水的分離處理最大量的廢水而需最小的投資。
第二，考慮降低廢水的氮含量以得到基本不含氮的處理水。氮通常以NH3、NH4+、NO3-或NO2-形式存在于廢水中，是一種潛在的污染物，因為它為許多微生物提供基本營養(yǎng)，這些微生物可能存在于預(yù)定用于人們消費的水中。
第三，主要是降低處理后廢水中的細菌含量到限制量以下，該量一般在每100ml100-1000的數(shù)量級。
最后，為了感覺上的水質(zhì)量的原因，需要降低廢水中磷含量。一般以溶于廢水中的磷酸鹽離子形式存在的磷應(yīng)當優(yōu)選保持在約1mg/l以下，優(yōu)選在0.05mg/l以下，以限制水藻和水生植物的生長，因為水藻會消耗收水中的O2。
從而本發(fā)明基本上是無生物的，實現(xiàn)了上述每種基本考慮，并提供一種在冷氣候中處理來自居住、商業(yè)或工業(yè)來源的大量廢水的經(jīng)濟有效的方法以生產(chǎn)凈化水而不需貯存廢水直到暖和天氣到來。本發(fā)明已經(jīng)驗明且有利地利用一些在低溫(零度以下)大氣條件下在廢水由液體到固體的霧化和相變過程中表明的現(xiàn)象。另外，本發(fā)明以一種方法使它不同于以前的所有相對不成功的嘗試，這些嘗試是在廢水處理中利用濕法機械。例如，在題為“造雪過程中的低溫污水處理”的論文中，Zapf-Gilge、Russell和Mavinie討論了冰球或類似結(jié)構(gòu)的未結(jié)冰部分中的濃縮雜質(zhì)效應(yīng)。然而，Zapf-Gilge等人沒有獲得可行的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在所得到的融雪水中有不可接受的高濃度的氮和磷。他們的研究提出了積雪場的按時間順序融化的部分的處理方法。這樣一種處理方法的缺點是它沒有提供一種處理廢水的方法，它只濃縮了廢水中的雜質(zhì)，并產(chǎn)生排放水的問題。
然而，本發(fā)明提供一種處理方法，該方法并不僅僅濃縮營養(yǎng)物和雜質(zhì)。本發(fā)明基本上從廢水中除去所有氮，同時使磷酸鹽從中沉淀出，成為良好的不溶的堿性鹽。另外，本發(fā)明的方法在廢水中實際上完全避免了細菌的存在。
本發(fā)明廣泛地涉及一種處理廢水的方法，該方法包括在所選擇的大氣條件下將所述廢水噴成霧狀以使所述水實現(xiàn)基本上完全的相變。
本發(fā)明的另一廣泛的方面涉及一種轉(zhuǎn)化廢水中可溶的磷酸根離子包括磷酸根離子、氨氣、銨離子、鈣離子和鎂離子的方法，該方法包括在適合于所述廢水基本上完全地相變成冰晶或水蒸汽的大氣條件下將所述廢水噴成霧狀，從而在所述廢水中pH增加的影響下銨離子生成氨氣，而且所述廢水中的磷酸根離子與鈣或鎂離子結(jié)合分別成為磷酸鈣和磷酸鎂并作為不溶性鹽沉淀出來。
附圖以舉例方式闡述本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明方法的示意圖；圖2是闡明本發(fā)明方法的流程/對比圖，將其與一些典型的常規(guī)廢水處理方法進行定量對比。
參照附圖，圖1圖示地闡明了本發(fā)明的典型設(shè)備和操作。蓄水池4中的未處理的或部分處理的污水經(jīng)管3泵送到本發(fā)明的處理設(shè)備中，所述污水按照其中的固體密度和用于處理污水的局部可選擇物可以或未進行稍微澄清。設(shè)有噴嘴1，該噴嘴優(yōu)選設(shè)在塔2(但不必需)上。該噴嘴是一種壓縮空氣型水霧化噴嘴，如US5135167中所述的。這些噴嘴與商業(yè)制雪操作中所用的那些相比有所改進以確保完全凍結(jié)，并極好地應(yīng)用于本發(fā)明中，因為它們能使經(jīng)過該噴嘴的流體物流噴成細小霧滴。由于流體在從100至500psia的高空氣壓下從噴嘴中排出，該流體會經(jīng)受快速的從約500psia到約15psia的壓降，引起霧化和高達約8％至10％的水量的直接蒸發(fā)。另外，二氧化碳和一些氨氣、H2S等這些在所述條件下易揮發(fā)的成分會在水形成冰晶之前從霧化的廢水滴中逸出。
由于氨氣揮發(fā)，氨、NH3和銨離子趨于如下轉(zhuǎn)化(通常)
(NH3揮發(fā))另外，由于CO2從霧化的廢水中跑掉，出現(xiàn)下面情況HCO3-→CO2↑＋OH-HCO3-是CO2在水溶液中的常用形式。從而，由于CO2跑出，水溶液的堿性更大。由于由式[NH4+][OH-][NH3]]]>計算的對于氨的平衡常數(shù)Kb為1.8×10-5，隨著[OH]的增加即隨著pH增加，Kb保持不變，[NH4+]會降低，而且由于NH3的連續(xù)揮發(fā)，[NH3]會絕對增加，但溶液中[NH3]明顯降低。
從而，第一個重要的觀察結(jié)果是本發(fā)明的方法導(dǎo)致廢水中NH4+濃度的降低。正是NH4+增溶了廢水中的PO4--和PO3--。隨著NH4+的降低，這些磷酸根離子會趨向于與廢水中的Ca++或Mg++化合，并沉淀出，且保持為以碎基質(zhì)形式的不溶性鹽。
從而本發(fā)明的方法有效地同時減小NH3、NH4+、PO3--和PO4--的濃度，并且通過選擇操作條件，導(dǎo)致基本上完全地結(jié)成冰晶，達到本發(fā)明目的。另外，本發(fā)明的主要特征是基本上完全結(jié)成廢水晶粒，這使本發(fā)明明顯不同于本領(lǐng)域中過去的失敗的實驗。如果結(jié)冰不完全，一部分溶液會在冰晶(部分凍結(jié))的整個行程中連續(xù)存在。這部分液體會含有活性CO2、NH4+和磷酸鹽，必須當場仔細料理。結(jié)果大體上是未處理的水向上，未處理的水向下。然而，本發(fā)明的結(jié)果是未處理的水向上，基本上純的水向下，釋放出某些無害的固體鹽、無害的氨氣，釋放出CO2。
另外，關(guān)于細菌，本發(fā)明的方法通過實現(xiàn)霧化的廢水的完全凍結(jié)，會基本上殺死全部細菌。廢水中的細菌是單細胞的水性細菌。正如現(xiàn)有的失敗的實驗和研究中實現(xiàn)的結(jié)果，廢水的不完全凍結(jié)導(dǎo)致大部分細菌沉積入積雪場中，活性降低但還活著。然而在本發(fā)明的方法中，完全凍結(jié)成冰晶導(dǎo)致完全殺死殘留的細菌，所述凍結(jié)過程的膨脹特性直接使細菌的細胞壁破裂，或者滲透壓使細胞壁破裂，以及許多種細菌在所述溫度以下不能存活。只有所述過程100％改變才可獲得這些狀況。
由前面的討論應(yīng)當理解，本發(fā)明的主要方面是通過精細噴霧和廢水物流的成核現(xiàn)象形成冰晶的基本上完全凍結(jié)。
參照圖1，該方面通過下述條件實現(xiàn)i)僅在較低溫度下進行該過程。低于0℃的濕球溫度是必需的，優(yōu)選與-5℃以下，且進一步優(yōu)選-10℃以下。
ii)為了最大的凍結(jié)效率和分散，從噴嘴1噴出的冰晶應(yīng)有與水平面成45°的飛行方向。在任何給定的日子里，通過確定風速和調(diào)節(jié)噴嘴的角度可以確定所述方向。希望有風速大于零至70km/hr，優(yōu)選5km/hr至70km/hr，使得晶粒和副產(chǎn)物落入已知區(qū)域中形成積雪場7，如圖1所示。噴嘴與水平面成的角度會從0°至90°改變，并如此選擇使得風和傾角的綜合結(jié)果是等于在無風狀態(tài)下的45°傾角。優(yōu)選45°是為確保長的飛行時間，完全凍結(jié)和積雪場的最佳分散。
iii)如上所述使用一種壓縮空氣噴嘴。應(yīng)注意可能使用液壓噴嘴或無空氣噴嘴，但不能得到令人滿意的結(jié)冰效果，而且會需要特殊的成核劑。使用壓縮空氣噴嘴會產(chǎn)生大量的非常小的液滴，它會經(jīng)受較好的空氣汽提、較好的蒸發(fā)8、較好的霧化以及較快地形成大量的小至中等尺寸的冰晶5，該冰晶在著地并形成積雪場7之前會完全凍結(jié)。另外，會形成最小的冰顆粒6的細霧，該細霧由于質(zhì)量小、氣動性好和末端速度低不會很快落下。該晶霧會為可以落下且未開始凍結(jié)的較大水滴形成成核區(qū)。
參照圖2，可用本發(fā)明方法得到的典型結(jié)果與可供選擇的方法進行比較。還表明表面排放水或流瀉和泄出水即經(jīng)地表滲入地下水中的水之間，利用本發(fā)明的排放水質(zhì)量差別很小。
在最右側(cè)，定量表示原料污水的參數(shù)。在一個污水貯留池中進行的處理示于下一行中，無曝氣或噴霧或過濾，噴霧灌注和最后的大規(guī)模過濾所達到的典型結(jié)果示于下兩行中。應(yīng)當理解，后兩個結(jié)果常常是爭取做到的，而且如果達到，可認為對于二級處理標準來說是令人滿意的。下兩列數(shù)據(jù)記錄的是由按照本發(fā)明處理的廢水的表面流瀉和地面過濾獲得的結(jié)果。應(yīng)注意，在每一方面，本發(fā)明的結(jié)果滿足或超過按照常規(guī)廢水處理得到的結(jié)果(比三級處理好)。
在該圖的左邊并至底面，本發(fā)明的方法與按照本發(fā)明處理廢水時作用于其上的自然力的影響一起來闡明。即，本發(fā)明主要包括在所選擇的大氣條件下有控制地進行廢水的霧化。在進行本發(fā)明進行之后出現(xiàn)的自然效果是不受控制的，但申請人在開發(fā)本發(fā)明時將其說明。例如，會自然出現(xiàn)積雪場的壽命問題。申請人可以且已經(jīng)闡明了作為該自然過程的結(jié)果而出現(xiàn)的有益效果，但這并不是本發(fā)明的一部分。
應(yīng)當理解，上述實例并不用于限制本發(fā)明的范圍?？梢哉J為對于與本發(fā)明有關(guān)的領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說許多改變都是顯而易見的，并不脫離本發(fā)明的實質(zhì)。所附的適當解釋的權(quán)利要求限定了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種處理廢水的方法，包括在所選擇的大氣條件下霧化所述廢水，實現(xiàn)所述水的基本上完全的相變。
2.如權(quán)利要求1的處理廢水的方法，其中所述霧化通過利用壓縮空氣使這廢水噴入大氣中而實現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求2的處理廢水的方法，其中所述霧化通過以與水平成0°至90°角的方向?qū)⑺鰪U水噴入大氣中來實現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求3的處理廢水的方法，其中在大氣濕球溫度小于0℃下進行所述霧化。
5.如權(quán)利要求4的處理廢水的方法，其中通過由一個安在一個塔上的噴嘴噴射所述廢水進行所述霧化，所述塔位于一個用于收集由霧化水相變成冰晶產(chǎn)生的冰晶的收集區(qū)相鄰。
6.如權(quán)利要求5的處理廢水的方法，其中所述霧化是在盛行風條件允許所述冰晶以預(yù)定方式落入收集區(qū)時進行的。
7.如權(quán)利要求6的處理廢水的方法，其中在所述霧化過程中廢水實現(xiàn)的相變包括水結(jié)成冰；水蒸發(fā)成水蒸汽；和冰晶最大程度地升華成水蒸汽。
8.一種廢水中的可溶性磷酸鹽的轉(zhuǎn)化方法，所述廢水含有磷酸根離子、氨氣、銨離子、鈣離子和鎂離子，該方法包括在適合于所述廢水基本上完全相變成冰晶或水蒸汽的大氣條件下霧化所述廢水，從而在所述廢水中pH增加的影響下銨離子生成氨氣，而且所述廢水中的磷酸根離子與鈣或鎂離子分別化合成磷酸鈣和磷酸鎂，從而作為不溶性鹽沉淀出來。
全文摘要
一種廢水處理方法，包括在所選擇的大氣條件下霧化廢水實現(xiàn)水的基本上完全的相變。通過由安在一塔上的噴嘴噴射廢水進行所述霧化，所述塔位與一個收集冰晶的收集區(qū)相鄰，所述冰晶是通過在適合于霧化的水結(jié)成冰的大氣條件下進行霧化廢水成為冰晶的相變而產(chǎn)生的。
文檔編號F25C1/02GK1148030SQ9610463
公開日1997年4月23日 申請日期1996年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月11日
發(fā)明者杰弗里·A·懷特 申請人:杰弗里·A·懷特