專利名稱：處理地下水和廢水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理水的方法，尤其是處理地下水的方法，以生產(chǎn)待用作 飲用水、灌溉水或其它通常使用處理的地下水的水。本方法也可以用于處 理廢水，比如源于工業(yè)的水和選礦的水等，以循環(huán)4吏用或?qū)⑵浒踩嘏欧?到環(huán)境中。本處理系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上基于加壓流體回路，最小化處理的水的體積 和所得固體廢物的體積。在之后的步驟中除去污染物和氧化物，最小化或 消除注入強(qiáng)氧化劑的需要，并且通過該方法最小化了處理成本。本方法對 各種能源依賴性很小，但是不排除它們的使用。同時還記載了用于實(shí)現(xiàn)本 方法的水處理設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)在多級水處理中采用池塘、水槽、反應(yīng)器和過濾器，其中未加壓的水處理階段是主要部分。這些水處理系統(tǒng)有許多缺點(diǎn) 總的處理時間很長，在處理用作飲用水的井水時這是一個主要問題；占 地面積很大；大量的水通過蒸發(fā)損失而不是被重新使用；經(jīng)常無法控制 池塘和開放式水槽的氣味，難聞氣味蔓延到居民區(qū)； 一旦發(fā)生泄漏于地 面、溢出或者溢流，大量的未處理水或各個處理階段中的水存在于系統(tǒng) 中并會對環(huán)境造成威脅。過去由于污染的處理水和廢水的泄漏和溢出，造成了許多環(huán)境災(zāi) 難。使用這些安全性較低的系統(tǒng)是成本壓力的后果。但是，我們發(fā)現(xiàn)污 染的長期成本可能非常高，而且環(huán)境保護(hù)當(dāng)局對安全標(biāo)準(zhǔn)、排放水質(zhì)和 對違法行為及事故的處罰也日益嚴(yán)格。的時候，遇到困難。 一個實(shí)^^是保持船體的W潔。污一染物的含i;類型非常復(fù)雜，而且隨情況而變化。因?yàn)樘幚磉^程復(fù)雜和傳統(tǒng)處理設(shè)備龐大， 傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)在滿足所需的處理時具有很大的困難。與水的存儲、 用于岸上處理的水的運(yùn)輸、岸上處理的成本以及操作引起的船只延誤相 關(guān)的成本也非常高。并不令人奇怪的是常常有未完全符合安全環(huán)境標(biāo)準(zhǔn) 的或甚至完全沒有處理的清洗水被排放到海洋中。處理待用作飲用水和用于灌溉的地下水具有的首要問題與廢水處 理類似，且是復(fù)雜的。在處理地下水情況下的這種復(fù)雜性主要是由于地 下水分析中的巨大變化。來自相距僅幾百米的井中的水可能差別4艮大。 通常來講，來自同一口井的水的成分具有很大的季節(jié)性變化。因此，初 始用于一口井的處理方法，在后來或?qū)H相距很短距離的另一口井可能 不能令人滿意地起作用。在許多情況下，在除去鐵和錳時，成功地使用了多孔礦物磷酸鹽、 硅酸鹽和鋁-硅酸鹽。這些天然的或者合成的礦物與氧化劑協(xié)同作用。 所用氧化劑的例子為高錳酸鉀和次氯酸鈉。然而，許多系統(tǒng)由于沒有在 綜合處理過程的水平上解決水分析變化的問題，所以不能達(dá)到必需的性 能。通常來講，這種變化源于鐵和錳的濃度、其它元素和化合物的存在 以及酸度變化。使用太陽光的光催化處理需要長的曝光時間和大的曝光面積。紫外 線輻射處理和光催化氧化受存在時的濁度的限制，以及膝光時間和成本 的限制。在任何形式的處理中使用臭氧是昂貴的。當(dāng)只用臭氧進(jìn)行氧化時， 總的處理時間會是不可接受地長。臭氧的穩(wěn)定性差，并且不能有效地單獨(dú)用于基于催化氧化的水處理系統(tǒng)中。臭氧可成功地用作最終的氧化 劑，并且可在其它氧化劑不適合或者無效時使用。用于農(nóng)業(yè)灌溉的常用井水的處理標(biāo)準(zhǔn)非常低，其主要原因可能在于 可用的科技服務(wù)信息和輔助有限。盡管世界上有寶貴知識指出具體種類 的農(nóng)作物的理想水和土壤條件，但是很少從經(jīng)濟(jì)角度處理地下水。植物 是生物，有問題的灌溉水質(zhì)會降低它們的抗病能力，并減緩它們的生長。 還有一些建議是，在灌溉果園時，如果把水灑到樹干上，而不是灑到樹 葉上，可用含鐵量多至7mg/l的地下水。土壤中鐵的累積會影響植物可 利用的營養(yǎng)的平衡。首先，鐵的累積會通過降低磷酸鹽的可利用性，因 為作為磷酸鐵鎖住了磷酸鹽。在一些情況下，由于存在過量的鐵量，所 需的肥料量是正常量的三倍以上。增加磷酸鹽的量會減少鉀肥的可利用 性。對其他元素的可利用性存在多米諾效應(yīng)。從經(jīng)濟(jì)的角度講，其后果
是更高的肥料成本，而長期后果是土壤惡化。當(dāng)鐵含量高的水被噴灑到植物的葉子上時，由于形成粘液并阻塞樹 葉的氣孔，光合作用明顯降低。土壤中營養(yǎng)的不平衡和樹葉的污染，會導(dǎo)致植物對疾病敏感并降低 農(nóng)作物的生產(chǎn)水平。灌溉系統(tǒng)的另外一個問題是經(jīng)常存在的鐵細(xì)菌加重管道和噴灑器 的阻塞。鐵會引起洗衣房、陶瓷和家用水管配件上出現(xiàn)紅棕色銹斑。錳會引 起棕黑色銹斑。鐵銹斑和錳銹斑難以除掉。去污劑除不掉這種銹斑，而 采用比如氯的氧化劑漂白則會讓銹斑更牢固。盡管飲用水中含鐵量過高 并不認(rèn)為是有害的，但是過量的鐵會影響體內(nèi)其它金屬和化合物的平 衡，長期來看也會引起健康問題。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，提供了一種處理水的方法，其包括以下步驟a) 用惰性氣體汽提水中溶解的氣體；b) 對水進(jìn)行氧化處理，以沉淀金屬；c) 從水中除去沉淀；其中，氧化處理為包括如下階段的多級氧化處理(1) 在壓力下使氧化劑和水接觸以從水中沉淀金屬；(2) 用氧化劑對水進(jìn)行催化氧化，氧化通過催化劑比如沸石催化劑在 催化反應(yīng)器比如床式反應(yīng)器、柱式反應(yīng)器或過濾器中進(jìn)行催化。該處理方法可以包括靜壓水處理系統(tǒng)，用于對氧化處理階段(1) 的氧化劑加壓以增加水中溶解的氧氣含量。階段(1)和(2)可包括多 個反應(yīng)器。在氧化處理階段(1)和(2)之間，可以用合適的固/液分離器比如 斜板分離器或旋風(fēng)分離器除去沉淀。在這種情況下，也可將氧化性強(qiáng)于 次氯酸鈉的氧化劑注入催化氧化階段(2)之前的中間氧化階段。氯可 用作氧化劑。該氧化劑的性質(zhì)需要根據(jù)水中溶解的金屬而變化。除錳可 需要比除鐵所需氧化劑更強(qiáng)的氧化劑。在本發(fā)明的另 一個實(shí)施方案中， 催化氧化階段(2)可以在裝填有顆粒狀介質(zhì)比如沙?；蚱渌橘|(zhì)的床 式反應(yīng)器中進(jìn)行。根據(jù)水中存在的金屬的成分，可以代替沸石催化劑以 進(jìn)行催化氧化。金屬沉淀也可起催化作用。在地下水、井水和含水層水中的鐵和錳通常分別以溶解的碳酸氫鹽 Fe(HC03)2和Mn(HC03)2存在。尤其是錳可以以過量形式存在于水中， 比如在表面或河水中，例如在干旱一段時間后下雨時。下面將示出鐵的 化學(xué)反應(yīng)，但是類似的反應(yīng)路線同樣適用于錳和其它金屬。在常壓下， 碳酸氫亞鐵轉(zhuǎn)化成氫氧化亞鐵，釋放出二氧化碳。Fe(HC03)2 — Fe(OH)2+2C02氫氧化亞鐵仍是可溶的。在溶解氧氣的存在下，氫氧化亞鐵轉(zhuǎn)化成 氫氧化鐵并沉淀。4Fe(OH)2+02+H20 ~* 4Fe(OH)3在只含有很少量鐵的水井里形成鐵細(xì)菌。闊值水平為0.1 mg/L。形 成鐵細(xì)菌的最佳溶解氧氣水平為0.5-4 mg/L。大多數(shù)水井都滿足這些條 件。除了通過形成的沉淀限制水流的直接問題之外，鐵細(xì)菌還易于形成 硫酸鹽還原細(xì)菌。硫酸鹽還原細(xì)菌產(chǎn)生具有非常難聞味道的硫化氳?？?能存在于地下水比如井水中的其它不希望氣體是揮發(fā)性有機(jī)化合物、氨 和氡。本發(fā)明的水處理方法包括在加入空氣或氧氣進(jìn)行氧化之前，除去 或汽提氣體及揮發(fā)性有機(jī)化合物(如果存在)，作為第一步。可以分幾 個階段進(jìn)行的所述第一處理步驟目的是防止處理系統(tǒng)中鐵細(xì)菌的生長 和系統(tǒng)中某處的鐵沉淀，其中不優(yōu)選發(fā)生鐵細(xì)菌的生長和鐵沉淀，從而 使得使用氮?dú)饣蚱渌栊曰蚍茄趸詺怏w的汽提過程更有效。二氧化碳 和氮?dú)獾幕旌衔镆灿泻芎玫钠嵝Ч?，而且二氧化碳已?jīng)作為鐵或者錳 的碳酸氫鹽轉(zhuǎn)化為氫氧化亞鐵或氫氧化亞錳的副產(chǎn)品存在。井水可方便 的泵入如所需地以逆流模式操作的脫氣容器或脫氣槽內(nèi)，其中水以一個 方向移動，主要是對著容器底部的出口向下，而氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w則 以向上的相反方向移動。該容器配置具有狹窄開口的蓋子，以便在容器內(nèi)水面以上形成幾乎100%的氮?dú)夂投趸?。釆用的第一定律為亨?定律(Henry's Law ),其表示溶液中溶質(zhì)氣體的濃度直接正比于溶液上 方該氣體的分壓。調(diào)節(jié)氮?dú)獾淖⑷胨俾?，可以把其它氣體的濃度稀釋到 所需水平。該方法也可以包括浮選步驟，其例如基于氮?dú)庾⑷?。空氣浮選的缺 點(diǎn)是氣泡外的氧氣被消耗掉，部分鐵沉淀，并干擾處理過程。氮?dú)庠纯?以簡單地為膜分離器類型的氮?dú)獍l(fā)生器。生成氮?dú)馑璧膲嚎s空氣也可 用于啟動閥；并且除去部分可進(jìn)一步處理，并存貯用作氧氣源。水的氮 氣鼓泡導(dǎo)致汽提掉揮發(fā)性有機(jī)化合物。因此，不需專門的氧化步驟來除 掉這些污染物。二氧化碳的存在盡管不是必須的，但有利于汽提效果。 在將鐵保持在溶液中的同時，該脫氣方法的進(jìn)一步改進(jìn)是用氮?dú)獯祾咚?井，使用氮?dú)馐咕畠?nèi)水面以上區(qū)域保持輕度正壓。該壓力可低至10kPa， 其可使井內(nèi)水面降低1米。由于泵吸可用相對于大氣壓相同的壓力加壓， 所以在水泵系統(tǒng)中沒有隨后的能量損失。依據(jù)亨利定律，氮?dú)鈺U(kuò)散到 水中，即使氧氣以顯著的水平存在于含水層水中，也會向著井形成遞減 的氧氣濃度梯度，這是因?yàn)榈獨(dú)馊〈搜鯕?。該輕度正壓進(jìn)一步有助于 在井區(qū)內(nèi)將鐵保持在溶液中。同時，如果沒有氧氣，鐵不會被氧化并沉 淀，并且不會產(chǎn)生鐵細(xì)菌。在小生產(chǎn)量的工廠中，可以有利地在單個柱式反應(yīng)器中聯(lián)合加壓空 氣氧化(或者氧氣氧化)和汽提?？諝饪梢栽诜磻?yīng)器的下部引入，而原 水可以在上部引入。部分空氣溶解，在引入氣體點(diǎn)和工藝下游參與氧化 反應(yīng)。上行氣泡參與第一階段氧化，工藝中氣泡的氧氣含量降低，而氮 氣富集。當(dāng)氣體到達(dá)反應(yīng)器上部進(jìn)入或引入待處理原水處時，氣體基本上為惰性的，并可用于從進(jìn)入的原水中的汽提溶解的氣體。如氧化所需 的，氣泡與水的接觸時間隨pH變化，并由于高度需氧化合物的存在而 降低。這種化合物的一個例子是硫化氫。經(jīng)過汽提和可能的使用氮?dú)獾母∵x之后，下一個處理階段是用空
氣、氧氣或者富氧氣空氣進(jìn)行加壓氧化處理。加壓氧化反應(yīng)器有利地第一個串聯(lián)于泵后，使得反應(yīng)器內(nèi)的靜壓在系統(tǒng)中最高。這是因?yàn)闅怏w在 液體中的溶解度隨壓力增加而增大。高水平的溶解氧氣增加下一步中的氧化效率，并且降低催化氧化所需的氧化劑注入量。由于除去了大量的 但是濃度波動的高需氧化合物比如氨和硫化氫，所以該方法的脫氣步驟 產(chǎn)生了更可預(yù)期的更穩(wěn)定的水質(zhì)。將氧氣注入該加壓反應(yīng)器中，在短時 間內(nèi)將鐵濃度降至每升幾個毫克。該氧氣通過逆向垂直流注入。例如在 加壓反應(yīng)器頂部自動釋放的氣體中的氧氣含量的感測，可用來控制氧氣 的注入速率。盡管原水中的鐵水平波動，但是可以控制從氧化反應(yīng)器排出的水具有精確的鐵水平，優(yōu)選不超過5毫克/升。對于一些水處理應(yīng) 用，這可能為所需的氧化處理的最終水平。然而，許多試圖預(yù)先除去鐵 和錳的水處理工廠失敗的原因在于除去最后少量濃度的鐵和錳的部分 處理過程，受鐵、錳和其它需氧化合物的不可預(yù)期的波動水平的影響。 根據(jù)本發(fā)明的方法，期望催化氧化是有效的。在用于包括氧化劑注入的 催化氧化的、基于沸石過濾介質(zhì)的過濾器中，鐵和錳將被氧化并沉淀， 從而促進(jìn)具有類似電負(fù)性元素的共同沉淀。這些元素為銅、鉛、鎘、 鉻、鈷、鎳、鋅和砷?？梢允褂闷渌倪^濾介質(zhì)，只要它們具有催化作 用。便利地，注入的氧化劑為在水溶液中穩(wěn)定性更好的氧化劑次氯酸 鈉、高錳酸鉀和二氧化氯。然而，使用其它的氧化劑及氧化劑的混合物 也是可能的。也可釆用后催化氧化或者其它處理階段。例如可以注入臭 氧；例如可以將少量臭氧注入過濾器下游，所述過濾器具有其它性能中 的生物殺滅性能。可以根據(jù)需實(shí)現(xiàn)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和處理水隨后的應(yīng)用，來 改變氧化劑的性質(zhì)和加入方法。為此，后催化處理可采用反滲透或其它 處理步驟，以使水質(zhì)好到所需的飲用或使用標(biāo)準(zhǔn)。在原水中的鹽度高時， 反向滲透可降低鹽的含量。本發(fā)明的處理方法可構(gòu)成處理復(fù)雜污染的更 大處理方法的一部分或一個模塊。依據(jù)本發(fā)明，當(dāng)重點(diǎn)是處理地下水中 的鐵和錳時，可引入模塊來處理其它污染物，例如可能從汽油站、汽油 箱或其他源頭泄漏進(jìn)入含水層的烴類。肥料和營養(yǎng)浸出液以及高鹽度， 可采用進(jìn)一步的包括沉淀、反向滲透等的處理階段解決。在處理污水或 可能其它有機(jī)污染物污染的水時，生物處理最有效。在這種情況下，生 物處理也可引入本本發(fā)明的水處理方法中。依據(jù)本發(fā)明的處理方法，可以實(shí)現(xiàn)較短的總處理過程時間，比傳統(tǒng)
系統(tǒng)低的成本，且使用的方法處理廠可易于對于大幅變化的水分析進(jìn)行 調(diào)節(jié)。該方法可以在環(huán)境溫度下進(jìn)行。同時，在處理井水的情況下，如 希望地避免了在井內(nèi)的鐵沉淀和形成鐵細(xì)菌。形成鐵細(xì)菌粘液對水井的 生產(chǎn)能力和水井的維護(hù)成本具有嚴(yán)重的影響。


本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的以下說明有助于深入理解本本發(fā)明的原理。圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的中等到大流量處理能力的井水處理 系統(tǒng)的工藝流程圖。圖2是依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的小流量處理能力的井水處理系 統(tǒng)的工藝流程圖。圖3是顯示依據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的方法的一部分的井水處理 系統(tǒng)的部分工藝流程圖。圖4是顯示依據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案的方法的一部分的井水處理 系統(tǒng)的部分工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
依據(jù)本發(fā)明制備的水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件為脫氣單元，其使用比如 氮?dú)獾亩栊詺怏w進(jìn)行脫氣和非氧化浮選；預(yù)催化氧化反應(yīng)器，其減少催 化階段的氧氣的需求，并降低需氧化合物的濃度變化；催化氧化過濾器； 氣體制備和注入系統(tǒng)；以及監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明與常規(guī)設(shè)計的顯著差別在于惰性氣體脫氣、惰性氣體保護(hù)水井，及其與以后步驟中氧化的聯(lián)合以 更有效地利用氧化劑?？梢岳斫?，此處描述的本發(fā)明所有實(shí)施方案可以 整合于更大的水處理系統(tǒng)中，后者基于水處理產(chǎn)品的最終用途或應(yīng)用而 變化。圖l顯示的是水井9，其具有在這種應(yīng)用的常規(guī)性能中具有低透氣 性材料制成的外殼14。水井9具有低透氣性的合適材料的井蓋13，井 蓋13具有充分的緊固件和密封件，使得水井被密封并可在井內(nèi)維持輕 度正壓。井蓋13可方便地配置有壓力表用于肉眼檢查壓力的存在。在 特殊應(yīng)用中，如果認(rèn)為合適且成本上可以接受，可添加更多的裝置。例
如，壓力傳感器能夠監(jiān)測井中的壓力，并將壓力信號傳送給電子控制單元IOOO。此外，可安裝氧傳感器，以檢測井中的氧氣水平，并將信號傳 送至電子控制單元1000。裝置和控制的許多改變都是可能的，但是它們的目的在于防止井內(nèi)的氧氣滲透，并在發(fā)生滲透時引發(fā)某種警報，并且這些裝置和控制的改變也認(rèn)為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。壓縮空氣源400提 供壓縮空氣，用于氮?dú)夂脱鯕獍l(fā)生器單元401，也為使用空氣的中間氧 化階段提供壓縮空氣以及用于啟動岡。來自氮?dú)夂脱鯕獍l(fā)生器單元401 的氮?dú)饨?jīng)管道402和減壓岡15提供到井中，優(yōu)選管道末端在井中的水 面以下。使氮?dú)夤┙o管的末端在水面以下有助于清除安裝階段的氧氣以 及在氧氣滲透到井內(nèi)的任何情況下的氧氣。氧氣比氮?dú)庵?，為了清除?氣，所需氮?dú)獾捏w積約為井內(nèi)水面以上體積的4倍。用氮?dú)獯祾呔螅?只消耗了少量氮?dú)?。水面以上的氮?dú)馊芙庥谒?，并進(jìn)一步通過水井過 濾器16擴(kuò)散到水泵附近的含水層中。缺氧避免形成鐵細(xì)菌和井內(nèi)設(shè)備 的腐蝕。缺氧和存在壓力將鐵保留在溶液中。因此，消除了鐵細(xì)菌粘液 和鐵沉淀堵塞水井。另一個優(yōu)點(diǎn)是如果含水層中存在其它不希望的氣 體，其在井中及附近的濃度將被氮?dú)饨档?。減壓閥15為可調(diào)節(jié)的，維 持井內(nèi)設(shè)定的氣壓。井內(nèi)的原水經(jīng)井泵IO通過管線11泵入具有蓋101 的脫氣槽IOO，蓋101的構(gòu)造允許氣體溢出，但是限制空氣中的氧氣進(jìn) 入脫氣槽100。原水可以沿切線方向進(jìn)入脫氣槽100中以引起水的旋轉(zhuǎn)， 或者可以將噴頭陣列安裝在控制水面的上方。氮?dú)馔ㄟ^置于脫氣槽底部 附近的擴(kuò)散器注入。氮?dú)獾牧髁坑昧髁坑?04監(jiān)測，并任選根據(jù)原水的 化學(xué)分析用流動控制閥403進(jìn)行設(shè)定。注入氮?dú)獾难b置和控制的其它改 變也是可能的，但這些改變認(rèn)為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。氮?dú)夂退诿摎?槽100內(nèi)的流動是逆向流動。氮?dú)馀菹蛏贤ㄟ^水，而水經(jīng)由水泵103向 下輸送。通過氮?dú)獯祾吆推?，清除了氣體比如氡、硫化氫、氨、揮發(fā) 性有機(jī)化合物和二氧化碳。二氧化碳也有效參與汽提過程，尤其是揮發(fā) 性有機(jī)化合物的汽提。在氣體濃度在周圍環(huán)境產(chǎn)生令人不快的氣味或其 它問題的情況下，部分氧氣可用于在臭氧發(fā)生器407中產(chǎn)生臭氧，所述 氣體在洗滌塔408中氧化和汽提。在許多井水處理應(yīng)用中，不需要臭氧 發(fā)生器407和洗滌塔408。在浮選過程中，如果大量固體物料漂浮在脫 氣槽表面，可以撇去這些固體物料，導(dǎo)入第二過濾和處理系統(tǒng)中。脫氣 槽100底部的抽吸管線102連接至泵103，所述泵是該水處理系統(tǒng)的氧 化和過濾部分的主要工作泵。離心泵103優(yōu)選通過變頻器驅(qū)動。在水進(jìn)入預(yù)催化氧化反應(yīng)器200之前，計量加料系統(tǒng)203將絮凝劑注入水中， 以輔助絮凝懸浮的固體和通過氧化產(chǎn)生的不可溶化合物。該絮凝劑可以 是簡單的化合物或混合物，其性質(zhì)可隨原水的化學(xué)成分和處理水的用途 而變化。在去除高毒性金屬和準(zhǔn)金屬時，可以不使用絮凝劑，使得待處理污 染物的量保持最低?？梢岳斫?，與使用絮凝劑相比，金屬氫氧化物泥渣 可能不會迅速地被壓實(shí)，必須通過過濾器202過濾的體積更大。然而， 與使用絮凝劑相比，過濾器202產(chǎn)生的脫水濾餅量會更少，且污染物的 復(fù)雜性也較低。預(yù)催化氧化反應(yīng)器200是加壓容器，頂部具有自動排氣閥204,在 靠近底部位置具有氧氣注入系統(tǒng)。氧氣可使用可變流量壓縮機(jī)405泵入 反應(yīng)器內(nèi)，氧氣的流量可通過流量計406進(jìn)4亍監(jiān)測?？砂惭b氧傳感器以 測量通過閥204排出氣體中的氧氣水平。由于該反應(yīng)器第一個串聯(lián)于泵 后，所以預(yù)催化氧化反應(yīng)器內(nèi)的靜態(tài)壓力相對較高。溶解在液體中的氣 體量隨壓力增加而增大。同時，在向上通過水中的特定尺寸氣泡中的氧 氣含量也大于環(huán)境壓力下的氧氣含量。因此，在尺寸相對較小的反應(yīng)器 中也可能產(chǎn)生強(qiáng)的氧化作用。溶解的大量氧氣將降低階段(2)中催化 氧化所需的氧化劑的量。通過氧化化合物，高水平的溶解氧可確保催化 相中的過程更加穩(wěn)定，否則，這些化合物可能加重用于催化階段的氧化 劑注入的需要，并使得過程難于控制和復(fù)雜。泵201將泥渣從預(yù)催化氧 化反應(yīng)器的底部輸送至加壓過濾器單元202中。過濾器單元202由兩個 平行過濾器構(gòu)成，其使用布袋或篩網(wǎng)容器來容留固體。 一次使用一個過 濾器。當(dāng)通過過濾器的壓降達(dá)到設(shè)定值時，泥渣被引導(dǎo)通過另一過濾器。 然后除去之前使用過濾器的布袋，進(jìn)行清潔或置換。來自過濾器202的 過濾的水被返回脫氣單元IOO中，或者返回到預(yù)催化氧化反應(yīng)器200中， 這取決于在脫氣槽100中是否進(jìn)行浮選。如果不在脫氣槽100中進(jìn)行浮 選，那么水不應(yīng)該返回到脫氣槽100中。泵201為正排量型泵，優(yōu)選螺 桿泵。如果需要，對離開預(yù)催化氧化反應(yīng)器的水進(jìn)行酸度調(diào)節(jié)。計量加 料單元301注入調(diào)節(jié)pH所需的酸或堿。在高度酸性水的情況下，pH 補(bǔ)償在工藝的早期進(jìn)行，以保護(hù)工藝設(shè)備不受腐蝕，同時促進(jìn)中和反應(yīng) 的平衡。在較低的酸度下，計量加料單元301可置于泵103的抽吸管線 上。計量加料單元302為催化階段注入氧化劑。注入的氧化劑為比氧氣
更強(qiáng)的氧化劑。取決于原水分析和處理水的用途，其可以是次氯酸鈉或 其它氧化劑或氧化劑混合物。除非有其它有關(guān)工藝副產(chǎn)物和氯殘留量相 關(guān)的限制，通常使用次氯酸鈉，這是因?yàn)槠涑杀据^低。用作催化氧化反應(yīng)器的一個或多個過濾器300,填充有大約一半高度的沸石催化過濾介 質(zhì)，其能促進(jìn)金屬和其它元素、以及之前階段沒有氧化的化合物的進(jìn)一 步氧化。在井水的情況下，保留到該階段進(jìn)行氧化的最重要元素是部分 的鐵、錳和砷。每個過濾器的入口具有隔離閥303， 304和305。每個過 濾器的出口具有隔離閥309， 310和311。此外，隔離閥312將催化過濾 器的邊沿與該系統(tǒng)的下游部分隔離開。同時，反洗出口也具有隔離閥 306， 307和308。如果沒有下游過濾器313,那么在多數(shù)情況下必需安 裝閥，以提供圖1未顯示的特殊漂洗模式。過濾器300的操作模式為工 作模式和反洗模式。在工作模式中，水向下通過沸石材料床。大部分的 鐵會在過濾器床300的上部氧化。當(dāng)水通過沸石床時，其它材料和每種 元素或化合物的殘留濃度隨之降低。同時，沸石床還用作機(jī)械過濾介質(zhì)， 以除去類似于沙粒的沉積物和沉淀物。過濾器313的作用是保留可從過 濾器中漏出的沸石顆粒；它還進(jìn)一步用于過濾目的，盡管沸石不夠細(xì)而 不能截留細(xì)菌。通常情況下，如果處理的水用作飲用水，過濾器313可 為活性碳過濾器。在工作模式下，入口閥303、 304和305以及出口閥 309、 310和311打開。閥312也打開。而位于反洗出口的閥306、 307 和308關(guān)閉。隨著固體沉積物或沉淀物的累積，過濾器的壓降增加，并 到預(yù)定的壓降時，必須對過濾器進(jìn)行反洗，以除去沉淀。進(jìn)行反洗時， 每次反洗一個過濾器，通常其水流速度為工作模式下流速的二倍。如果 有三個過濾器在運(yùn)行，那么兩個過濾器將以工作模式運(yùn)行， 一個過濾器 將使用另外兩個過濾器中的水進(jìn)行反洗。在反洗過程中，閥312關(guān)閉。 關(guān)閉以工作模式運(yùn)行的過濾器的反洗線路上的閥。反洗運(yùn)行模式的過濾 器的入口閥關(guān)閉，出口閥打開，并且反洗出口閥打開。因此，來自另外 兩個過濾器中的水被向上引導(dǎo)通過反洗過濾器的過濾床，并除去沉積 物。用于過濾反洗水的過濾器314可以類似于過濾器202。參考圖2，其顯示的是較小處理能力的井水處理系統(tǒng)的工藝流程， 其中固定設(shè)備的投資比大處理能力的設(shè)備更為嚴(yán)格。水井9的特征與之 前所述的圖1中實(shí)施方案的特征相同。其脫氣和氧化所用的氣體發(fā)生器 簡化于前述實(shí)施方案。只生成氮?dú)庥糜诿摎?，而不產(chǎn)生氧氣和臭氧。因
此，壓縮空氣源400提供壓縮空氣，用于氮?dú)獍l(fā)生器單元450、用于使 用空氣的中間氧化階段和用于啟動閥。該簡化的水處理系統(tǒng)基本上以分 批模式運(yùn)行。預(yù)催化氧化反應(yīng)器200可以首先用氮?dú)獯祾?，然后從水?9中注入水，同時持續(xù)注入氮?dú)?。?dāng)預(yù)催化氧化反應(yīng)器注滿水時，水源 關(guān)閉，預(yù)催化氧化反應(yīng)器200中的水通過閉合回路中的泵103、打開的 閥334和過濾器314進(jìn)行循環(huán)。閥331， 332和333閉合。計量加料單 元203注入少量絮凝劑以輔助過濾原水中存在的懸浮固體。過濾裝置 314可具有專門用于該處理階段的過濾器。在下一個處理階段中，將壓 縮空氣注入預(yù)催化氧化反應(yīng)器200，水通過泵103循環(huán)限定的時間。該 水可以通過過濾單元314的不同過濾器部分過濾。在氧化初始進(jìn)行一段 時間后，通過計量加料單元203注入絮凝劑?？芍袛嗨h(huán)，同時可以 持續(xù)注入壓縮空氣。最后，必需重新開始循環(huán)以除去氧化的固體物質(zhì)， 并且完成該批次的水的預(yù)催化氧化處理。在催化氧化階段，閥331和334 關(guān)閉，以便將來自泵103的水導(dǎo)入過濾器300的入口。當(dāng)反洗出口閥關(guān) 閉時，閥330開啟。必要時計量加料單元301注入化合物以校正酸度， 計量加料單元302注入氧化劑比如次氯酸鈉用于催化氧化。水通過過濾 器中的沸石床，然后通過打開的閥312、最終的過濾器313，并存儲于 加壓罐500中。對于過濾器300的反洗循環(huán)，不絕對必要使用清潔的水。 清潔、完全處理的水可以用于短時間的漂洗循環(huán)，未顯示在圖2中實(shí)現(xiàn)。 在準(zhǔn)備反洗時，預(yù)催化氧化反應(yīng)器中的水可用氧氣處理更長的時間。當(dāng) 關(guān)閉反洗閥330、 312、 332和334時，打開閥331和333。來自泵103 的水被引導(dǎo)通過打開的岡331到達(dá)過濾器的底部，并向上通過過濾器中 的沸石床。攜帶沉積物的水從閥333流出。然后反洗水通過過濾單元 314，返回反應(yīng)器200而在閉合回路中循環(huán)。在反洗期間，可注入少量 空氣，以輔助除去催化過濾器300中的沉積物。參考圖3，其圖示的是作為部分處理工藝或其模塊的相同的在連續(xù) 的步驟中除去污染物和氧化的方法，該方法應(yīng)用于含有復(fù)雜污染物的井 水的處理或廢水的處理。從根據(jù)圖3的實(shí)施方案的廢水中除去金屬的主 要步驟為通過不同于傳統(tǒng)的方式使用沸石過濾介質(zhì)的催化氧化和共沉 淀，所述傳統(tǒng)的方式比如為選擇性化學(xué)沉淀、臭氧浮選以及通過升高 pH值的金屬的氧化和沉淀。共沉淀本身可對過程具有催化作用，這是 因?yàn)楸Ａ粼诜惺?或其它介質(zhì)如沙粒)床中的金屬氫氧化物沉淀對溶液
中的金屬具有催化氧化作用。與圖1所示的工藝的差別在于沒有水井部 分，添加了后催化氧化反應(yīng)器，盡管其可能不總是必要的。另外，高度污染的廢水常常以分批模式處理，而不是連續(xù)處理。廢水向著脫氣槽100 的頂部進(jìn)入脫氣槽。采用氮?dú)膺M(jìn)行脫氣，可以處理廢氣以消除洗滌塔408 的氣味和毒性。直到將水排出催化過濾器，該方法和井水處理的步驟完 全相同。進(jìn)行另外的處理步驟主要是為了降低非金屬無機(jī)污染物的含 量。后催化氧化反應(yīng)器467的結(jié)構(gòu)和預(yù)催化氧化反應(yīng)器200的結(jié)構(gòu)相似。 實(shí)質(zhì)性區(qū)別在于后催化氧化反應(yīng)器使用臭氧而不是氧氣來處理水。計量 加料裝置466將絮凝劑注入進(jìn)入后催化氧化反應(yīng)器的水中。關(guān)閉反應(yīng)器 467到下游處理的出口，并通過打開的閥462、泵201和過濾單元202 將水送回脫氣裝置，可以用分批模式來運(yùn)行整個工藝部分。通過閥463 控制臭氧從發(fā)生器407到反應(yīng)器467的流動，并用流量計464監(jiān)測。過 濾器的反洗和所有其它工藝與圖l所示實(shí)施方案相同。圖3所示的處理 廢水的實(shí)施方案和方法尤其適合于最成本有效地處理污染物水平超出 生物處理可接受限制的高度污染的水。圖4顯示的是圖3所示水處理方法的可替代實(shí)施方案，其中在預(yù)催 化氧化反應(yīng)器200和催化過濾器300之間使用分離器500以除去沉淀。 這樣可以減少反洗頻率和耗水量。分離器500可包含一個或多個分離器， 其可為斜板式分離器、旋風(fēng)分離器或其他分離器。優(yōu)選采用斜板式分離 器。容器520收集反洗液和泥渣。過濾器530可用于除去固體。引入分 離器500能在該工藝中在過濾器300之前包括另外的或者中間的氧化階 段。在這種情況下，可在過濾器300之前注入比次氯酸鈉強(qiáng)的氧化劑。根據(jù)本發(fā)明的方法處理含砷的水時，砷的水平被降低至檢測限以 下。有利地，本方法也可用于從地下水中除去砷。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的水處理方法和工藝圖進(jìn)行修改和變 化。這些修改和變化將視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。尤其是實(shí)施在此描述的 本處理方法所用的裝置和控制，并不意圖具體地局限于所記栽的內(nèi)容。也 能對裝置和控制設(shè)備以及自動化水平進(jìn)行許多修改。所有這些修改都在本 發(fā)明的范圍之內(nèi)，除非其引入全新的關(guān)鍵的處理原理。
權(quán)利要求
1. 一種水處理方法，包括以下步驟a) 在脫氣階段，通過惰性氣體汽提水中溶解的氣體；b) 對水進(jìn)行氧化處理，以沉淀金屬；和c) 從水中除去沉淀；其中，氧化處理為包括以下階段的多級氧化處理(1) 在壓力下使水和氧化劑接觸，以從水中沉淀金屬；和(2) 在催化反應(yīng)器中，用氧化劑對水進(jìn)行催化氧化。
2. 權(quán)利要求l所述的方法，其中在氧化處理階段(1)和(2)之間 除去沉淀。
3. 權(quán)利要求2所述的方法，其中在催化氧化階段(2)之前的中間 氧化階段注入氧化劑。
4. 前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中催化氧化階段(2)在裝 填有顆粒狀介質(zhì)的床式反應(yīng)器中進(jìn)行。
5. 權(quán)利要求4所述的方法，其中基于為處理提供的原水中存在的 金屬的分析，所述床式反應(yīng)器裝填有用于催化氧化的沸石催化劑。
6. 權(quán)利要求l所述的方法，其中所述惰性氣體選自氮?dú)?、二氧?碳及這些氣體的混合物。
7. 權(quán)利要求6所述的方法，其中在脫氣容器中進(jìn)行水中溶解氣體 的汽提，所述脫氣容器以逆流模式運(yùn)行，在所述逆流模式中水以一個方 向移動而惰性氣體以相反的方向移動。
8. 權(quán)利要求6所述的方法，還包括浮選步驟。
9. 權(quán)利要求6所述的方法，其中所述待處理的水源自井，且使用 所述惰性氣體將所述井的水面以上區(qū)域維持在輕度正壓。
10. 前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中氧氣是用于加壓氧化階 段(l)的氧化劑，和作為在所述加壓氧化反應(yīng)器內(nèi)感測的氧氣含量的 函數(shù)，來控制氧氣注入反應(yīng)器用于加壓氧化的速率。
11. 權(quán)利要求4或5所述的方法，其中催化氧化階段(2)使用比氧 氣更強(qiáng)的氧化劑進(jìn)行。
12. 權(quán)利要求11所述的方法，其中基于為處理提供的原水的分析選 擇所述氧化劑。
13. 權(quán)利要求12所述的方法，其中所述氧化劑為次氯酸鈉。
14. 前述權(quán)利要求任一項所述的方法，還包括后催化處理階段。
15. 權(quán)利要求14所述的方法，其中所述后催化處理階段包括氧化， 優(yōu)選使用臭氧進(jìn)行氧化。
16. 權(quán)利要求14所述的方法，其中所述后催化處理階段包括反向滲透。
17. 權(quán)利要求l所述的方法，其中在單個反應(yīng)器或反應(yīng)器系統(tǒng)中， 進(jìn)行通過惰性氣體的水中溶解氣體的汽提和加壓氧化。
18. —種水處理方法，包括金屬的氧化，其中在氧化之前，在脫氣 步驟中，通過惰性非氧化性氣體汽提為處理提供的原水中的溶解氣體和 揮發(fā)性有機(jī)化合物。
19. 一種根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 18任一項的方法運(yùn)行的水處理系統(tǒng)。
20. —種從權(quán)利要求19的水處理系統(tǒng)中生產(chǎn)的水產(chǎn)品。
全文摘要
一種水處理方法，包括下列步驟a)用惰性氣體汽提水或溶解的氣體；b)對水進(jìn)行氧化處理，以沉淀金屬；以及c)從水中除去沉淀。氧化處理為包括以下級的多級氧化處理(1)在壓力下使氧化劑和水接觸，以從水中沉淀金屬；以及(2)用氧化劑對水進(jìn)行催化氧化，氧化通過催化劑比如沸石催化劑在床式反應(yīng)器或過濾器中進(jìn)行催化。采用惰性氣體汽提的目的是防止處理系統(tǒng)中生成鐵細(xì)菌。加壓氧化可降低催化氧化所需的氧化劑注入量。本方法尤其適用于除去地下水中的污染物比如鐵、錳和砷等。
文檔編號C02F9/08GK101146747SQ200580047397
公開日2008年3月19日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者格奧爾·埃米爾·杜塔 申請人:Aw技術(shù)有限公司