一种高速化学软化方法
【专利说明】一种高速化学软化方法
[0001]根据美国专利法第35条第119(e)款的规定，本申请声明要求2012年5月25日提交的申请序列号为61/651，798的美国临时申请的优先权。该申请通过引用以其整体并入本文。
发明领域
[0002]本发明涉及软化方法，且更具体地涉及一种在载体絮凝系统中实施的化学软化方法。
发明概要
[0003]本发明实现了一种高速软化方法，其中一种软化试剂与被处理的水混合。硬质粒子从水中沉淀并形成结晶。硬质结晶为通过该方法产生的悬浮固体。该固体从水中分离出来，产生澄清的流出液。将该固体引入固体分离装置，其将该固体分离成两股流，每股流均含有硬质结晶。在一个实施方案中，该方法使用第一和第二反应器。在该实施方案中，一股固体流被引入一个反应器且另一股固体流被引入第二反应器。在两种情况下，反应器包括将硬质结晶与被处理的水混合的混合器，所述混合器进一步促进沉淀的硬质粒子的结晶。
[0004]在一种方法设计中，该固体分离装置将固体分离成具有相对小的硬质结晶的第一流和具有相对大的硬质结晶的第二流。该第一固体流与软化试剂和水在第一反应器中混合，而具有相对大的硬质结晶的第二流与水在第二个下游的反应器中混合。在第一反应器中沉淀的硬质粒子开始结晶。水与硬质结晶一起从第一反应器转移至下游的第二反应器，在其中硬质结晶继续生长。混合第一反应器中的相对小的硬质结晶和第二反应器中的相对大的硬质结晶促进了有序和有效的结晶过程，该过程有效地促进从水中去除硬度和悬浮固体。
[0005]在另一个实施方案中，该高速软化方法可以在不使用砂子的情况下实施。在此硬质结晶生长且有效地形成载体(ballast)。当使用的澄清单元是沉淀池时，这些相对大的结晶可以用作载体，当与絮凝剂一起使用时，所述载体可吸引硬质、非硬质沉淀物和其它悬浮固体，且其将会在沉淀池中相对快速地沉降。这提高了从水中去除硬度、其它沉淀物和悬浮固体的效率。
[0006]通过研宄下面的说明和附图，将使本发明的其它目的和优势变得明显和显而易见，且所述说明和附图仅仅作为该发明的例示。
[0007]附图简要说明
[0008]图1是本发明的高速软化方法的示意图。
[0009]示例性实施方案的说明
[0010]本发明涉及一种在载体絮凝系统中软化水的方法，其可以在不使用砂子作为载体的情况下实施。将软化试剂如石灰、苛性碱和/或苏打灰与具有硬度的水混合。这导致硬质粒子如碳酸钙的沉淀。本发明的方法被设计为促进某些硬质粒子结晶，导致硬质粒子生长为相对大的结晶。在本发明的一个实施方案中提供的沉淀池中这些含有硬质粒子的相对大的结晶相对快速地沉降。为了促进硬质结晶生长和有效的硬度去除，回收这些硬质结晶并将其返回到主流中，在此它们与被处理的水混合。在一个实施例中，如下面所解释的那样，将含有硬质结晶和其它悬浮固体的沉淀池中回收的沉降的固体或污泥引入固体分离单元中，所述单元将固体分离成具有相对小的硬质结晶的污泥流和具有相对大的硬质结晶的污泥流。在该实施例中，该系统包括第一和第二反应器。具有相对小的硬质结晶的污泥流被引入第一反应器，在此相对小的硬质结晶与一种或多种软化试剂以及被处理的水混合。小的硬质结晶起晶种的作用以促进较大的硬质结晶在第一反应器中的生长。该方法促进硬质结晶的迅速生长。具有相对大的硬质结晶的污泥流与水和絮凝剂在第二个下游的反应器中混合。大的硬质结晶作为较小的粒子和其它悬浮固体可以依附的载体起作用，并由此形成含有多种有意从被处理的水中去除的污染物的絮体。
[0011]转向图1，其中显示了一种高速化学软化系统，且一般性地用数字10表示。如图1中可以看到的那样，该系统包括第一反应器或池12和第二个下游的反应器或池14。这两个反应器都可以安装导流管以增强混合。第二反应器14的下游是澄清单元16，在该公开的实施方案的情况下，其是沉淀池。如将会讨论的那样，污泥沉降到沉淀池的底部，并用泵18将污泥和其中所含有的固体通过管道26泵送到固体分离装置20。固体分离装置20可以构想各种形式。它可以包括高级的固体分离装置如水力旋流器，但对于本发明的目的而言，固体分离装置可以是简单设计的，如旋流浓缩器、淘析器或圆锥形底的池。固体分离装置20产生两股污泥流，一股流被引入混合池22，且另一股流被引回到第二反应器14。如图1所示，每股污泥流的部分都可以被废弃。
[0012]现在转向本发明的方法，系统10被设计用于软化水或从水中去除硬度。被如图1所示的系统处理的流入废水通常含有硬度，主要为钙和镁的形式。可能存在其它形式的硬度，如锶、钡、铁和锰。一般来说，典型的软化方法的目标是将钙和镁的化合物转化成碳酸钙和氢氧化镁沉淀。
[0013]在一个实施方案的情况下，本发明构想了混合石灰一一消石灰(CaOH2)或生石灰(CaO)与待处理的水。石灰可以直接与水在池12中混合，或者如图1所示，石灰可以与由固体分离装置20产生的污泥流中的一股在混合池22中混合且该混合物被引入第一反应器12。任何一种途径都将是有效的。在某些情况下，为了达到使悬浮固体和沉淀物去稳定化的目的，可以在池12或14的任一个中将促凝剂如三价铁盐加入到水中。但是，在图1所示的方法的情况下，据信促凝剂是不必要的，因为系统中存在相对大量的固体。
[0014]将石灰与水混合将导致石灰优先与二氧化碳和碳酸氢盐反应，导致碳酸钙沉淀为碳酸钙粒子。这一般发生在大约10到大约10.3的pH。例如，一旦满足了二氧化碳的需求，石灰会自由与碳酸氢钙反应，这进一步导致碳酸钙粒子的沉淀。碳酸氢钙通常是未处理的水中存在的最常见的钙化合物，但其它基于钙的硬质化合物具有相似的反应。镁化合物具有稍微不同的反应。一般来说，碳酸氢镁与石灰反应并生成碳酸钙和碳酸镁。然后碳酸镁与石灰反应并生成更多的碳酸钙和氢氧化镁。这两种化合物都从水中沉淀出来。
[0015]在某些情况下，可能合乎需要的是去除非碳酸盐硬度。作为一个选项，可以将苏打灰与水在第一反应器12中混合。非碳酸盐硬质化合物将具有稍微不同的反应。例如，在硫酸镁的情况下，石灰首先与硫酸镁反应形成氢氧化镁(其将会从溶液中沉淀出来)和硫酸钙。硫酸钙然后与苏打灰(NaCO3)反应，生成碳酸钙和硫酸钠。
[0016]可以使用其它软化方法。例如，根据流入的废水的化学性质，可以联合使用苛性碱如氢氧化钠与苏打灰来沉淀硬度。应当注意的是，在流入废水包括高浓度的硫酸盐的情况下，如上所述的软化方法将会沉淀硫酸钙。
[0017]本发明的方法被设计用于促进沉淀的硬质粒子(特别是碳酸钙粒子)结晶。正如下面将要讨论的，重复循环固体的下游方法促进和增进水中的硬质粒子和其它固体的结晶。
[0018]当石灰与水在反应器12中混合时，会导致硬质粒子沉淀，且反应器12中的混合作用使得硬质粒子结晶和尺寸生长。可以预期的是，在反应器12中沉淀的碳酸钙粒子和返回至反应器12中的那些将会生长。这受到反应器12中水和硬质结晶的连续混合，并且特别是其中含有的导流管中的混合的促进。导流管的目的是促进和鼓励反应器12中持续的结晶生长，有时被称作初次成核。结晶的初次成核应当在第一反应器12中发生。池12中的反应时间可变，但是在一个实施方案中，反应时间应当相对较短。例如，反应器12中的反应时间可以仅为大约5到大约10分钟。在一个实施方案中，该方法可能不会使软化化学作用在反应器12中完成。在其它情况下，软化化学作用可以在第一反应器12中完成。
[0019]公认的是，一些硬质粒子可能不会像其它粒子如碳酸钙一样容易结晶。例如，氢氧化镁粒子将不会显著结晶，且因此，在整个方法中，将会预期非常细的粒子尺寸。
[0020]来自反应器12的水和硬质粒子一起被转移至第二个下游的反应器14。在此，絮凝剂与水以及来自固体分离装置20的固体混合。下面将讨论来自固体分离装置20的与水在第二反应器14中混合的固体的性质。在某些情况下，软化化学作用可能没有在反应器12中完成，且因此，该软化反应将继续进行，直至在反应器14中完成。在反应器14中，硬质结晶继续生长。这受到反应器14中水、絮凝剂和硬质结晶的连续混合，并且特别是其中含有的导流管中的混合的促进。导流管的目的是促进和鼓励反应器14中持续的结晶生长，有时被称作二次成核。
[0021]与第一反应器12中的结晶相比，在第二反应器中，硬质结晶变得相对大。随着结晶长大，它们形成载体。载体的形成加上絮凝剂的使用导致其它悬浮固体团聚在载体周围以形成絮体。这些絮体相对较重，且因此快速沉降。虽然在第二反应器14中的停留时间可变，但在一个实施方案中，预期水在第二反应器中的停留时间可以相对较短，在大约5到大约10分钟的等级。
[0022]来自反应器14的水和固体被引入澄清单元，其在如图1所示的例子中是沉淀池16。在此，包括硬质结晶的固体沉降到沉淀池16的底部。由于硬质结晶已经生长且相对较大和较重，它们的沉降速度相对较快。污泥的沉降产生澄清的流出液，其通过管道24从沉淀池16中引出。
[0023]池16底部的沉降污泥通过泵18经由管道26泵送到固体分离装置20。如上所述，固体分离装置20可以构想出各种形式，且不需要高精密的分离装置。在一个实施方案中，固体分离装置将污泥分成两股流一一第一流