申请日2010.06.23
公开(公告)日2012.11.14
IPC分类号C02F1/469; C02F1/465; C02F1/463; C02F1/46
摘要
本发明废水处理设备具有用于除去污染物且具有至少一个阳极和至少一个阴极的电凝结单元和用于氧化污染物且具有至少一个阳极和至少一个阴极的电氧化单元，其中氧化剂电化学产生。基于废水的类型，该设备可在电凝结单元与电氧化单元之间具有电浮选单元。该设备还具有氧化剂脱除单元，该单元可具有用于与残余氧化剂反应并除去残余氧化剂的金属离子释放电极。在一些情况下，来自氧化剂除去单元的一部分流出物可再循环至电凝结单元以提高效率。
权利要求书
1.一种用于处理废水的设备，其包括：
用于从所述废水中脱除污染物的电凝结单元，其包括至少一个用于接 收所述废水的入口及至少一个阳极和至少一个阴极，所述阳极和所述阴极 连接在电源上;
用于将所述废水中的污染物氧化的电氧化单元，其包括至少一个用于 接收来自所述电凝结单元的所述废水的入口、至少一个阳极和至少一个电 化学产生氧化剂的阴极，至少一个用于排出废水的出口;和
用于从所述废水中脱除氧化剂的氧化剂脱除单元，其包括至少一个用 于接收来自所述电氧化单元的所述废水的入口、用于在氧化剂脱除方法期 间容纳所述废水的容器和至少一个用于将经处理的废水从所述设备中排出 的出口。
2.根据权利要求1的设备，其中所述氧化剂脱除单元出口适于使部分 经处理的废水返回所述电氧化单元中，从而形成密闭再循环回路以进一步 处理所述部分经处理的废水。
3.根据权利要求1或2的设备，其进一步包括电氧化单元且其中所述 电氧化单元为密闭容器，所述电氧化单元具有用于排出所述电氧化单元中 产生的气体的出口。
4.根据权利要求1-3中任一项的设备，其中氧化剂脱除方法进一步包 括用于使残留氧化剂与所述金属离子反应的金属离子释放电极。
5.根据权利要求1-4中任一项的设备，其进一步包括在氧化剂脱除单 元与任何其它上游位置之间的回路使得可将来自所述氧化剂脱除单元的金 属氧化物输送至所述上游位置。
6.根据权利要求1-5中任一项的设备，其中所述电氧化和氧化剂脱除 单元为闭环电路的一部分，使得具体氧化剂均在同一所述闭环电路产生和 脱除。
7.根据权利要求1-6中任一项的设备，其进一步包括电浮选单元，其 特征在于至少一个阳极和至少一个阴极连接在电流源上，所述电浮选单元 在所述电凝结单元的下游且在所述电氧化单元的上游以确保将残留悬浮污 染物从所述电凝单元中脱除。
8.根据权利要求1-7中任一项的设备，其进一步包括具有预定孔隙率 的筛以脱除大于所述筛的孔径大小的颗粒。
9.根据权利要求1-8中任一项的设备，其进一步包括在电氧化单元中 的硼掺杂的金刚石涂覆的电极。
10.根据权利要求1-9中任一项的设备，其进一步包括适于接收来自 一个或多个关于二氧化碳、氧化还原电位、流速、压力、温度、氯气、浊 度、pH、电导率、具体离子和/或表面张力、电流和电压的传感器的输入 信号的控制器，所述控制器根据各单元中所述输入信号编程以控制处理参 数。
11.根据权利要求1-10中任一项的设备，其进一步包括用于选择废水 类型的选择器。
12.根据权利要求1-10中任一项的设备，其进一步包括位于所述电凝 结单元上游的传感器，所述传感器将关于废水特征的输入信号发送至控制 器以控制有效处理所述废水所需的单元顺序，所述控制器将输出信号发送 至装置如阀或泵以控制流入各单元或从各单元流出的废水 流量。
13.根据权利要求1-12中任一项的设备，其中所述电凝结单元进一步 包括至少一个分隔壁以将所述电凝结单元分隔成共享一些外围设备的至少 两个独立的电凝结隔室，各个所述隔室具有入口和适于将部分经处理的废 水输送至任何其它所述单元的出口。
14.根据权利要求1-13中任一项的设备，其中残留氧化剂为氯基氧化 剂。
15.根据权利要求1-14中任一项的设备，其中所述氧化剂脱除单元为 紫外线辐射基氧化剂脱除单元。
16.一种用于从废水中脱除氧化剂的氧化剂脱除设备，其包括：
至少一个用于接收所述废水的入口;
包括连接在电源上的至少一个阳极和至少一个阴极的氧化剂脱除容 器，其中所述至少一个阳极为适于将金属离子释放到废水中的金属阳极， 所述金属离子与残留氧化剂反应形成金属氧化物;
接收来自至少一个氧化还原电位传感器和氯气传感器的输入信号以确 定氧化剂水平的控制器;和
用于排出经处理废水的出口。
17.根据权利要求16的设备，其进一步包括适于将金属氧化物与经处 理废水分离的固/液分离单元。
18.根据权利要求16或17的设备，其中当所述氧化还原电位传感器 达到预定阈值时，所述氯气传感器起动。
19.一种用于处理废水的设备，其包括：
用于氧化所述废水中的污染物的氧化单元，其包括至少一个适于容纳 所述废水并容许污染物氧化的容器;和
用于脱除所述废水中的氧化剂的氧化剂脱除单元，其包括至少一个用 于接收来自所述氧化单元的所述废水的入口、连接在电源上的至少一个阳 极和至少一个阴极，其中所述至少一个阳极为适于将与残留氧化剂反应形 成金属氧化物的金属离子释放到废水中的金属阳极，且其中所述氧化剂脱 除单元适于将金属氧化物与所述废水分离;和
用于排出经处理流出物的出口。
20.一种用于根据一个或多个CO2、pH、氯气和ORP测量而控制废 水处理系统中的氧化反应的装置，其包括适于容许废水污染物氧化的氧化 室和与所述氧化室流体连通的一个或多个CO2、pH、氯气和ORP传感器， 所述传感器将关于CO2、氯气和ORP的量的输入信号发送至氧化室控制 器以控制处理水平和/或进程。
21.根据权利要求20的装置，其进一步包括在氧化室中连接在电源上 并接收来自所述控制器的输入信号的至少一个阳极和至少一个阴极，其中 所述氧化室中的氧化剂的量通过电流量、电压或脉冲频率和到达所述氧化 室的电极的持续时间控制。
22.根据权利要求20的装置，其进一步包括适于接收来自所述控制器 的输入信号并将预定量的氧化剂加入所述氧化室中的分配器。
23.根据权利要求20的装置，其进一步包括适于接收来自所述控制器 的输入信号以控制流至所述氧化室的废水流量的阀或泵。
24.根据权利要求20的装置，其进一步包括适于接收来自所述控制器 的输入信号以控制污染废水在所述氧化室中消耗的时间的定时器。
25.根据权利要求20-24中任一项的装置，其进一步包括用于脱除从 EO单元排出的气体二氧化碳的酶或化学催化剂。
26.一种处理废水的方法，其包括：
在电凝结单元中将所述废水的污染物电凝结;
在电氧化单元中将所述废水的污染物电氧化;和
从电极中释放金属离子以与残留氧化剂反应并产生金属氧化物，其可 在氧化剂脱除单元中从废水中分离。
27.根据权利要求26的方法，其中残留氧化剂包括至少一种氯基氧化 剂。
28.根据权利要求26或27的方法，其中所述金属电极主要释放铁离 子。
29.根据权利要求26-28中任一项的方法，其中所述金属电极主要释 放铝离子。
30.根据权利要求26-29中任一项的方法，其进一步包括使废水在电 凝结单元之后或在电氧化单元之前通过电浮选单元。
31.根据权利要求26-29中任一项的方法，其进一步包括使废水在电 凝结单元之后或在电氧化单元之前通过溶解浮选单元。
32.根据权利要求26-31中任一项的方法，其中含油废水含有大于 15ppm的油含量且经处理的废水符合关于油含量小于15ppm的国际海运 排放标准。
33.根据权利要求26-31中任一项的方法，其进一步包括提供含有大 于35ppm的总悬浮固体(TSS)、大于125ppm的化学需氧量(COD)、大于 25ppm的生物需氧量(BOD)和大于100CFU/100ml的粪大肠菌(F.C.)的流 入物，处理所述流入物并排出含有低于35ppm的TSS、低于125ppm的 COD、低于25ppm的BOD、6-8.5的pH、低于0.5ppm的氯气和低于 100CFU/100ml的F.C.的流出物。
34.根据权利要求26-33中任一项的方法，其进一步包括提供含油水 和污水结合且含有大于15ppm的油含量、大于35ppm的TSS、大于25ppm 的BOD和大于100CFU/100ml的F.C的流入物，处理所述结合的流入物 并排出含有低于35ppm的TSS、低于125ppm的COD、低于25ppm的 BOD、6-8.5的pH、低于0.5ppm的氯气和低于100CFU/100ml的F.C.及 低于15ppm的油含量的流出物。
35.根据权利要求26-34中任一项的方法，其进一步包括使来自所述 氧化剂脱除单元的至少一部分所述金属氧化物再循环至所述电凝结单元或 氧化剂脱除单元上游的任何位置。
36.根据权利要求26-35中任一项的方法，其中所有处理试剂在废水 中原位产生。
37.根据权利要求26-36中任一项的方法，其进一步包括产生由黑水、 灰水和含油水中任一种或组合组成的混合废水，和当它们在船舶上产生时 处理所述废水。
38.根据权利要求26-37中任一项的方法，其进一步包括用各个传感 器表征所述废水的物理化学性能，和基于所述表征确定处理形式，例如调 整处理的持续时间和水平、调整氧化剂的量和就具体单元设旁路。
39.根据权利要求26-38中任一项的方法，其进一步包括测量pH、液 体中的氯气含量和从所述氧化室排出的气体中的二氧化碳量中一项或多项 的步骤，并使用结果作为所述废水的净化水平。
40.根据权利要求26-39中任一项的方法，其进一步包括基于各单元 中所述废水的净化水平调整电化学参数如电流和电压、脉冲频率和各单元 中的持续时间。
41.根据权利要求26-39中任一项的方法，其进一步包括调整流入各 单元和从各单元流出的废水流速。
42.根据权利要求26-39中任一项的方法，其进一步包括调整各单元 中消耗的时间并使废水行进至随后的单元。
43.一种处理废水的方法，其包括：
使所述废水经受氧化步骤，其中氧化剂水平可以控制;和
通过使所述废水经过连接在电源上的电极之间而使氧化废水经受氧化 剂脱除步骤，所述电源导致至少一个牺牲电极释放金属离子到所述废水中， 其中所述金属离子会与氧化剂反应以产生金属氧化物。
44.根据权利要求43的方法，其进一步包括在所述氧化剂脱除步骤中， 通过在所述废水中形成金属氧化物而减少氧化分子。
45.根据权利要求43或44的方法，其进一步包括将所述金属氧化物 与经处理废水分离的步骤。
46.根据权利要求43-45中任一项的方法，其进一步包括测量所述废 水中的氧化还原电位以确定可有效使用氯气传感器的阈值的步骤。
47.根据权利要求43-46中任一项的方法，其进一步包括使用所述氧 化剂脱除单元产生的所述金属氧化物作为促凝剂和/或吸附剂。
48.一种控制氧化室中的氧化反应的方法，其包括：
在氧化室中氧化污染物;和
测量一个或多个处理进程指示物如ORP、氯气、pH或二氧化碳;和
根据所述污染物标记调整氧化反应。
49.根据权利要求48的方法，其中调整氧化反应通过改变加入的氧化 剂的量而实现。
50.根据权利要求48的方法，其中调整氧化反应通过改变流入和/或 流出所述室的废水量而实现。
51.根据权利要求48的方法，其中调整氧化反应通过改变所述室中所 述废水的处理时间而实现。
52.根据权利要求48的方法，其中调整氧化反应通过改变所述氧化室 中的至少一个电化学参数如电压和电流和脉冲频率和/或持续时间而实现。
53.根据权利要求48的方法，其中调整氧化反应通过使或不使废水行 进至随后处理单元或排出而实现。
54.一种处理含有氧化剂的废水的方法，其包括：
通过使所述废水经过连接在电源上的电极之间而使所述废水经受氧化 剂脱除步骤，所述电源导致至少一个牺牲电极释放金属离子到所述废水中， 其中所述金属离子会与氧化剂反应以产生金属氧化物;
用ORP和/或氯气传感器测量所述废水中氧化剂的量;
根据所述废水中所述氧化剂的量排出所述废水。
说明书
电化学处理废水的设备和方法
技术领域
本发明涉及废水处理领域。更具体而言，它涉及电化学净化废水的设 备和方法。
发明背景
存在小的居住区、企业和团体不能获得(或由于各种原因不能使用)市 政废水处理系统的许多情况。实例包括隔离的居留地、船和海运平台、小 岛、研究或军事前哨、偏僻的农业或工业作业和废水点源。
这些各种居住区产生大量液体废物，包括灰水、黑水、污水、含油水 和与被病原体、有机和无机材料、溶解或悬浮固体污染的任何其它废水。
在这些中，小居住区为产生大量废水料流的船舶。这些料流包含来自 机舱的舱底污水、来自盥洗室和小便池的黑水，和来自淋浴、洗衣房、船 舰厨房和厨房的灰水。
地方和国际陆基流出物排放规则以及海运流出物排放标准变得更严 格。陆基规则尤其对于位于接近水体的居留地而言更严格，其中主要考虑 污染物如磷酸盐、硝酸盐和粪大肠菌。国际海运规则和其它监察机构也由 于它们对生态系统的负面影响而对敏感性水中的污染物如油、粪大肠菌、 生物需氧量、氯气以及营养素如磷和氨而言变得更严厉。事实上，在许多 海运区域，船只产生的废水不再可以不经预先处理而排出。
存在描述对于船基无化学品水处理系统的需要的现有技术参考文献， 例如Leffler等人在美国专利6,923,901和美国出版物No.20040099607所 教导。Leffler等人教导了使用空气和电产生反应性气态氧和氮离子物种， 该物种会帮助净化各种水料流如源自压舱物、盥洗室和洗衣间的那些。 Leffler等人的体系还教导了使用盐水以由盐在水中电解而产生氯气用于 消毒。
几个现有技术文献描述了使用电化学装置的各种组合，该装置以特殊 顺序起作用以产生净化流出物。例如，Mehl(美国专利7,354,509)教导了通 过电凝结、旋转激励磁性介质过滤系统(rotating energized magnetic media filter system)、UV基杀菌和最终沉降步骤的顺序步骤而有效考虑空间要求 和流出物品质的废水处理系统。
Bradley(美国专利No.6,960,301)教导了一种用于沥出液和废水补救的 系统，其包含初始过滤筛以脱除较大颗粒，其后是臭氧预处理、用于使颗 粒絮凝的电凝结单元、氧化单元和用于使用离子交换单元脱除残留铵污染 物的修整单元。
然而，需要能同时处理复杂和/或非均相料流而不使用化学品添加、生 物处理或没有高氧化气体产生且具有完全自动化和开/关能力的小型设备 和方法。这种设备可用于其中空间受限的应用、不能获得集中废水处理系 统的偏远居住区、产生不可排放到可用废水处理系统中的废水的居住区中， 和用于含有不能通过传统处理路线脱除或降解的污染物(如药物残留)的废 水料流。因此，该设备和方法会克服现有技术的限制和缺点。
发明概述
已发现仅需要电操作和定期低成本电极置换的基于电化学加工单元的 称为废水电化学处理技术(WETT)的使用简单的系统可有效地单独或同时 处理非均相废水料流。该系统的重要特征是它是杂食性的且不需要加入外 部化学品、处理试剂或生物处理。WETT的另一重要特征是它与生物处理 和许多其它处理路线相比是快速的。
不同于大多数废水处理技术，申请人的系统为能处理数种且不同的废 水，使它安全地再使用或排放到周围环境中的杂食性系统。而许多废水处 理路线仅能处理一类废水，申请人的技术设计为顺序方法，其系统地脱除 大多数类型的污染物，从最容易的(通常为大尺寸或容易回收的)开始一直 到最难的(通常为小尺寸、溶解或顽抗的)。
不同于大多数废水处理技术，申请人的系统不使用昂贵且要求安全处 理和储存(许多偏远居住区不能负担这些和/或不能获得正规运输)的化学品 或生物处理(许多偏远居住区不具有专门人才、可用空间或合适条件以操作 这些系统，该系统可容易地失调)。
因此，本发明的目的是提供一种用于处理废水的设备，其包括用于从 废水中脱除污染物的电凝结单元，其包括至少一个用于接收废水的入口和 至少一个阳极和至少一个阴极，阳极和阴极连接在电源上;和用于将废水 中的污染物氧化的电氧化单元，其包括至少一个用于接收来自电凝结单元 的废水的入口、至少一个阳极和至少一个电化学产生氧化剂的阴极，至少 一个用于排出废水的出口;和用于从废水中脱除氧化剂的氧化剂脱除单元， 其包括至少一个用于接收来自电氧化单元的废水的入口、用于在氧化剂脱 除方法期间容纳废水的容器和至少一个适于将处理的废水从设备中排出或 使处理的废水返回电氧化单元而形成用于使经处理的废水再循环的闭合回 路的出口。
在本发明一些实施方案中，该设备进一步包括在氧化剂脱除单元之后 的反渗透单元或蒸发-冷凝单元，其中附加单元能产生饮用水。
本发明的另一目的是提供一种用于从废水中脱除氧化剂的氧化剂脱除 设备，其包括至少一个用于接收废水的入口。另外，包括连接在电源上的 至少一个阳极和至少一个阴极的氧化剂脱除容器，其中至少一个阳极为适 于将与残留氧化剂反应形成金属氧化物的金属离子释放到废水中的金属阳 极，且其中该设备适于将金属氧化物与废水分离;接收来自至少一个氧化 还原电位传感器和氯气传感器的输入信号以确定氧化剂脱除水平的控制 器;和用于排出经处理的流出物的出口。
本发明的又一目的是提供一种根据一个或多个CO2、pH、氯气和ORP 测量而控制废水处理系统中的氧化反应的装置，其包括适于使废水污染物 氧化的氧化室和与氧化室流体连通的一个或多个CO2、pH、氯气和ORP 传感器，传感器将关于CO2、氯气和ORP的量的输入信号发送至氧化室 控制器以控制处理水平和/或进程。
本发明的又一目的是提供一种处理废水的方法，其包括在电凝结单元 中将废水的污染物电凝结;和在电氧化单元中将废水的污染物电氧化;和 从电极中释放金属离子以与残留氧化剂反应并产生可在氧化剂脱除单元中 从废水中分离的金属氧化物;最后排出经处理的流出物。在某些情况下， 例如将当少量或已知残留氧化剂从电氧化单元中排出时，氧化剂脱除单元 的金属离子释放电极可被用于氧化剂分解的紫外线源代替。
在本发明一些方面中，提供一种处理废水的方法，包括使废水经受氧 化步骤;和通过使废水经过连接在电源上的电极之间而使经氧化的废水经 受氧化剂脱除步骤，电源导致至少一个牺牲电极释放金属离子到废水中， 其中金属离子会与氧化剂反应以产生金属氧化物。
在本发明一些方面中，提供一种处理含有氧化剂的废水的方法，包括 通过使废水进入连接在电源上的电极之间的循环回路中而使废水经受氧化 剂脱除步骤，电源导致至少一个牺牲电极释放金属离子到废水中，其中金 属离子会与氧化剂反应以产生金属氧化物;用ORP和/或氯气传感器测量 废水中的氧化剂水平，最后根据废水中氧化剂的量排出废水。
在本发明又一些方面中，提供一种控制氧化室中的氧化反应的方法， 包括在氧化室中氧化污染物，和测量一个或多个指示处理进程的处理指示 物如ORP、游离氯、pH或二氧化碳;然后根据处理指示物调整氧化反应。
在本发明一些方面中，提供一种设备，其包括在氧化剂脱除单元与任 何其它上游电化学单元之间的回路使得可将来自氧化剂脱除单元的含金属 氧化物的废水输送至上游位置以增强天然有机或其它物质的凝结和吸附， 进一步提高系统的能量效率。
