水处理系统及工艺的制作方法

申请日为2005年5月27日，申请号为201310473218.4，发明名称为“水处理系统及工艺”的申请是申请日为2005年5月27日，申请号为200580025169.1，发明名称为“水处理系统及工艺”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及水处理系统及工艺，尤其是用于生产人用净化水的水处理系统及工艺。

背景技术：

净化水被应用于包括化学、食品、电子、能源、医学和制药在内的许多行业，以及用于人用。一般在用于这些领域中任何一个之前，水都要进行处理以将污染物水平降低到可接受的水平。这些处理技术包括灭菌、蒸馏、过滤、离子交换、反渗透、光氧化、臭氧化及其结合。

对于不同的最终应用可能要求不同程度的纯净度。水质可能受包括美国环保署(EPA)和食品与药物管理局(FDA)在内的各种政府机构和同业公会管制。

饮料工业会消耗大量必须满足环境及健康要求的水。除了那些保证饮料可以安全饮用的规定之外，饮料工业还面对基于品质控制的额外标准。例如，满足微生物联邦条例的水源可能满足不了饮料生产商对可能影响产品品质的附加参数如味道和气味的质量控制标准。这些标准可能包括硬度(钙、镁和硅含量)、碳酸氢盐、pH、总悬浮固体量(TSS)、总溶解固体量(TDS)、颜色、味道和温度。

饮料工业本身的分散结构使这些参数的控制变得非常复杂。例如，国际性的饮料生产商通常在全世界有许多生产点。这些点每个都可能使用不同于其它工厂所用的水源。尽管联邦条例可能有助于使对美国的饮料生产用水的健康和安全要求标准化，但这些标准可能远远不同于其它国家的标准。这些不同的标准可能会影响例如味道、气味和外观等参数。这对于以同一商标在很大区域内销售一种饮料的生产商来说可能非常重要。例如，在某国一个地方消费某种饮料的顾客将期望该饮料不论在何处购买都具有相同的外观和味道。为保证这种一致性，饮料生产商可能会要求用于饮料生产的水满足相同或相似的标准，而无论该饮料在哪里生产。实现此目的的一种途径就是通过使用水处理工艺。

对于许多瓶装厂来说要保证水质通常要求对可能使用的各种供水强加以能以最低成本实现的可测量并可达到的水质标准。这些品质控制问题在包括喷泉代销点时将变得更加难以实施和控制。喷泉代销点通常是那些生产用于即刻就地或附近消耗的饮料的位置。通常，在喷泉代销点，水将与调味糖浆混合，对于碳酸饮料来说所述调味糖浆为二氧化碳。然后饮料将可以直接供应给消费者。喷泉代销点的一个优点在于由不需运输或储藏大量产品所实现的节约。由于种种优点，世界上存在无数被许可的喷泉代销点。

消费者通常期望无论他们选择从商店购买一听或一瓶饮料还是从喷泉代销点购买一杯饮料他们的饮料都具有一致的品质。由于水质会影响饮料的味道和外观，所以对于饮料许可证发放者来说重要的是对喷泉代销点以及灌瓶机提供水质标准。对于喷泉代销点来说有几个可能影响水质标准的因素，其中两个为可利用的水源和处理所述水的成本。

由于喷泉代销点可能存在于各种地点，所以用于生产泉水饮料的水源可能也不同。这些水源可能包括例如城市供水、地表水、井水、降水和淡化海水。这些水源中每个都可能提供不同品质的水，甚至在同类水源例如井水中，所供给的水的类型和品质从一个地方到另一个地方也可能不一致。

另外，喷泉代销点一般出现在饭店、快餐店、便利店等等，而且在许多这些场所水处理的成本可能对盈利有影响。因此，饮料生产商和许可证发放者必须平衡消费者对一致味道和外观的需要以及代销点对低成本水源的需要。此外，代销点操作员还关心可靠性；如果水处理系统故障，喷泉代销点处的饮料生产将停止。系统维护同样重要且通常目标是以更简单的步骤实现更不频繁的维护。

水处理系统的容量与灌瓶机所要求的也不同。通常，喷泉代销点的输出量要求要低得多，但该系统在高峰需求时必须仍能产生足够的高品质水供应，且由于喷泉代销点可能会经历停用时间，所以水处理系统应在停用一段时间后一旦需要就能马上提供高品质的水。

不同的井水源可能会对那些为喷泉代销点设计水处理系统的人提出挑战。井水可能包含高浓度的溶解物如碳酸氢盐和溶解固体以及可能影响味道和外观的悬浮物质。例如水可能是硬水，具有高浓度的钙、镁或二氧化硅且可能包含影响总溶解固体量(TDS)的额外离子物质。此外，还可能存在有机物以及溶解气体，pH和缓冲能力可能变化很大，且来自同一井的水组成也可能会随着时间或不同水平的应用而变化。对于生产饮料制造及其它行业所用高纯度水，已有各种水处理系统和工艺。这些系统中包括灭菌装置如加氯器和臭氧发生器、过滤器、水质软化器、反渗透系统和化学离子交换装置。

灭菌装置通常用于降低水源中可丰活微生物的浓度。这可通过向供水中直接添加消毒剂例如氯、臭氧或氨使致病生物被消灭来完成。或者，也可以通过某种处理例如加热或用紫外线处理来消灭微生物，或者可以通过过滤物理地除去微生物。当使用化学消毒剂时，通常可取的是在饮用之前将消毒剂从水中除去，这可通过包括化学中和和滤除在内的许多途径完成。

过滤用于从水源中除去悬浮物，不过可能同时有助于除去溶解物或胶体物质。过滤器可以由各种材料构成，包括颗粒物质如砂子、硅藻土或粒状活性炭(GAC)，或者也可以基于一种可由包括聚合物和纤维状材料在内的许多不同材料构成的薄膜。过滤器一般通过阻止悬浮物质通过但同时允许水流过的形式工作。过滤器的一种分级方法是按其"孔径"，它可以提供关于什么尺寸的颗粒将被该过滤器留住的信息。某些方法如超滤可以具有小到足以除去某些溶解物质的孔径。

水可能会受到钙或镁离子的存在的不利影响。通称的"硬度"即高浓度的这些阳离子(一般大于200ppm(mg/L，CaCO3))会造成水可能在设备和管道上留下水垢或其它沉积物。一般通过用替代阳离子(一般为钠)交换钙和镁离子来从水中去除钙和镁(被软化)。水软化剂一般包含能用两个钠离子交换从处理过的水中除去的每个钙或镁离子的树脂粒。可以周期性地将水软化剂再生以向树脂粒重新提供充足的钠或替换阳离子。

反渗透(RO)是一种能从水源中去除溶解物质的过滤技术。通常，水在高压下供向RO膜的一侧，而从膜的低压侧收集净化水。RO膜的结构使水可以流过该膜而其它化合物例如溶解的离子物质被保留在高压侧。然而，某些物质如碳酸氢盐并不能被留住。包含浓度升高的离子物质的"浓缩物"可以随后被排放或回收，而通常包含浓度降低的离子物质的渗过物则被收集以供后用。

图1示出了目前用于净化饮料生产体系用水的系统。给水流经导管150进入微粒过滤器110，后者有助于除去可能悬浮在给水中的任何颗粒物质。然后水流经导管151进入泵140。泵140对水加压使其经过导管152进入RO装置120。在RO装置120中，从膜的低压侧收集净化水并使其流经导管153到储罐130。当有充量供应的净化水包含在储罐130中时，它可以通过连接到导管154的泵(未示出)抽到饮料生产系统中。

也可使用去离子单元从水源中除去各种离子。去离子单元通常利用化学或电去离子作用使用替换离子替换特定阳离子和阴离子。在化学去离子中，使用离子交换树脂来替换包含在给水中的离子。树脂上的离子通过使再生流体周期性地流过树脂床来再生。这种流体可以是补充阳离子交换树脂上的氢离子供应的酸。对于阴离子交换树脂，可以通过使碱流过树脂用羟基替换任何结合的阴离子和使树脂为另外的阴离子去除作好准备来对树脂进行再生。

然而，在电去离子作用中，一种或多种树脂可以通过由向所述去离子单元施加电流过程中水分裂所产生的氢和羟基离子来再生，在连续电去离子作用(CEDI)中，离子在给水被处理的同时被替代，由此不需要单独的再生步骤。通常，给水首先穿过RO膜以降低存在于给水中的离子总浓度。这降低了CEDI单元的负荷并防止了水垢和沉积物在所述单元的浓缩室中堆积。

技术实现要素：

一方面，提供了一种净化水的方法，该方法包括提供给水，将水的硬度降低到5-100ppm CaCO₃的范围，将水的碱性降低到10-100ppm CaCO₃的范围，和将所述碱性和硬度降低的水提供给人用。

另一方面，提供一种水处理系统，该水处理系统包括给水入口，与给水入口和给水出口流体连通的电化学去离子装置，和与给水出口液体连通的饮料生产装置。

另一方面，提供一种净化饮料生产用水的方法，该方法的步骤包括向电化学去离子装置提供给水以产生净化水流，和将净化水流供给喷泉饮料生产装置。

本发明还涉及以下项目：

(1)一种净化水的方法，包括：

提供给水，

将水的硬度降低到5-100ppm CaCO₃的范围，

将水的碱度降低到10-100ppm CaCO₃的范围，和

将所述碱度和硬度降低的水作为净化水提供给人用。

(2)项目(1)的方法，其中所述硬度和碱度范围的获得无需混合硬度小于5ppm的净化水或碱度小于10ppm的净化水。

(3)项目(1)的方法，其中在任何时候净化水的任何部分的硬度都不小于5ppm或碱度都不小于10ppm。

(4)项目(1)的方法，其中所述净化水的pH为6.5-8.5。

(5)项目(1)的方法，其中所述净化水的TDS水平为10-200ppm。

(6)项目(1)的方法，其中硬度被降低到10-100ppm CaCO₃的范围。

(7)项目(1)的方法，其中碱度被降低到30-80ppm CaCO₃。

(8)项目(1)的方法，其中碱度被降低到30-50ppm CaCO₃。

(9)项目(1)的方法，其中从给水中除去硬度无需化学离子交换。

(10)项目(1)的方法，进一步包括对给水进行预处理。

(11)项目(10)的方法，其中预处理选自颗粒过滤、化学过滤、絮凝、充气、消毒和化学处理。

(12)项目(1)的方法，其中降低硬度和碱度是由同一装置执行的。

(13)项目(12)的方法，其中所述装置为电化学去离子装置。

(14)项目(1)的方法，进一步包括将硬度降低的水供应给喷泉饮料装置。

(15)项目(1)的方法，其中净化水的硬度被保持在+/-20ppm的范围。

(16)项目(1)的方法，其中净化水的碱度被保持在+/-20ppm的范围。

(17)项目(13)的方法，其中控制器响应于净化水品质而改变所述电化学去离子装置的操作条件。

(18)项目(1)的方法，其中净化水的电导率大于约20μS/cm。

(19)项目(1)的方法，其中水的净化不使用RO装置。

(20)项目(1)的方法，进一步包括通过消毒对净化水进行后处理。

(21)项目(20)的方法，进一步包括用紫外线对净化水进行消毒。

(22)项目(1)的方法，进一步包括用微过滤对净化水进行消毒。

(23)一种水处理系统，包括：

给水入口，

与给水入口和给水出口流体连通的电化学去离子装置，和

与给水出口流体连通的饮料生产装置。

(24)项目(23)的水处理系统，进一步包括位于电化学去离子装置上游的炭层过滤器。

(25)项目(24)的水处理系统，其中所述饮料生产装置是喷泉饮料生产装置。

(26)项目(23)的水处理系统，进一步包括位于电化学去离子装置上游的微粒过滤器。

(27)项目(23)的水处理系统，其中给水入口与自来水源相连通。

(28)项目(27)的水处理系统，其中给水直接输入炭层过滤器。

(29)项目(23)的水处理系统，其中给水被加氯。

(30)项目(23)的水处理系统，其中电化学去离子装置通过容积小于1升的导管与净化水出口流体连通。

(31)项目(23)的水处理系统，其中系统可热消毒。

(32)项目(23)的水处理系统，其中电化学去离子装置可热消毒。

(33)项目(23)的水处理系统，其中电化学去离子装置与控制器连通。

(34)项目(33)的水处理系统，其中建造和设置所述控制器以响应于净化水的品质而调节电化学去离子装置的一个或更多个操作条件。

(35)项目(34)的水处理系统，其中所述一个或更多个操作条件选自电压、电流、流速和逆转周期。

(36)项目(34)的水处理系统，其中控制器与导电率探测器相连通。

(37)一种净化饮料生产用水的方法，该方法包括如下步骤：

向电化学去离子装置提供给水以产生净化水流，和

将净化水流供给饮料生产装置。

(38)项目(37)的方法，其中净化水流被立即用于制造喷泉饮料。

(39)项目(37)的方法，其中给水是自来水。

(40)项目(37)的方法，进一步包括使给水流过炭层过滤器。

(41)项目(37)的方法，进一步包括使给水流过微粒过滤器。

(42)项目(37)的方法，其中给水中包含大于约500ppm的总溶解固体，而净化流中包含小于约200ppm的总溶解固体。

(43)项目(37)的方法，其中给水中包含大于约300ppm的硬度，而净化流中包含小于约100ppm且大于约10ppm的硬度。

(44)项目(37)的方法，其中给水中包含大于约200ppm的碱度，而净化流中包含小于约100ppm且大于约10ppm的碱度。

(45)项目(37)的方法，进一步包括监视净化水流的品质。

(46)项目(45)的方法，其中所监视的品质为电导率。

(47)项目(45)的方法，进一步包括响应于净化水流品质而调节电化学去离子装置的一个或更多个操作条件的步骤。

(48)项目(47)的方法，其中所述一个或更多个操作条件选自电压、电流、流速和逆转周期。

(49)项目(37)的方法，其中所述饮料生产装置是喷泉饮料生产装置。

(50)项目(37)的方法，进一步包括在将净化水流提供给饮料生产装置之前储存净化水1分钟以上。

(51)项目(37)的方法，其中净化水流在产生之后于不到1分钟之内提供给饮料生产装置。

(52)项目(37)的方法，其中所述净化水流包含小于100mg/L但大于10mg/L的总溶解固体。

(53)项目(47)的方法，其中调节一个或更多个操作条件以降低净化水流的纯度。

附图说明

下面将参照附图对本发明的非限制性优选实施方案进行举例描述，其中：

图1是现有技术的水处理系统示意图。

图2是本发明装置的实施方案的示意图。

具体实施方式

本发明涉及用于有效处理人用水的水处理系统及工艺。本发明可使用各种给水来制造一致的高品质水源以满足饮食工业的要求。在各种实施方案中，净化水可用于例如烹调、饮用、热冷饮生产、酿造、洗涤和/或制冰。

本发明可以特别好地适应饮料生产商的特定需求。例如，喷泉饮料生产者可能使用远远不同于其它生产者所用的水供给，但饮料公司所要求的生产水技术规范在制造中的一点到下一点可以是精确的或至少在指定的范围内是精确的。由此，使用城市地表水供给作为水源的生产者可能需要降低氯的水平，而使用其自己井的另一生产者可能需要降低碳酸氢盐和钙的水平。一方面，因为其在由各种水源制造一致的处理水供给上的通用性，本发明可适用于大部分这些生产者。

一方面，本发明可被用于向饮料制造装置提供净化水。饮料制造装置是使用水制造人用饮料的任何装置。饮料制造装置可用于制造碳酸或非碳酸饮料并也可提供净化的饮用水。某些饮料制造装置通过向水中添加糖浆浓缩液和当是碳酸饮料时添加二氧化碳来提供饮料。喷泉饮料制造装置是那些制造用于现场或附近立即消耗而非用于储存或装运的饮料的装置。喷泉饮料通常使用冷冻水制造且在制造后不冷藏。喷泉饮料装置常常出现在饭店、快餐店、加油站和便利店。有时，还可以是便携式的。

另一方面，可使用电化学去离子装置来制造净化水。电化学去离子装置可以是利用电流或电场来降低水样中离子化合物浓度的任何装置。本发明的某些电化学去离子装置没有活动部件和/或过滤膜。电化学去离子装置的例子包括电渗析(ED)、反向电渗析(EDR)电去离子(EDI)、电容去离子、连续电去离子(CEDI)和可逆的连续电去电离(RCEDI)。

电化学去离子装置、使用方法以及制造方法由例如Giuffrida等人在美国专利US 4,632,745、4,925,541、4,956,071和5,211,823，Ganzi在美国专利US 5,259,936，Ganzi等人在US 5,316,637，Oren等人在美国专利US5,154,809，Kedem在美国专利US 5,240,579，Liang等人在美国专利申请No.09/954,986和美国专利US 6,649,037，Andelman在美国专利US5,192,432，Martin等人在美国专利US 5,415,786以及Farmer在美国专利US 5,425,858中有记述。

用于净化饮料生产(如在喷泉饮料代销点处)用水的水处理系统，传统上设计成使用各种可根据如水源类型、位置和预期需水量等因素包括在内或除去的装置。例如，使用井水的地方可能包括化学离子交换水软化器，而使用城市给水的地方可能使用反渗透(RO)装置、储罐和泵。一方面，本发明保证了基于一个或多个电化学去离子装置的系统能产生品质一致的净化水。系统可安装在具有不同供水类型的不同地方。电化学去离子装置如CEDI或RCEDI可以"调节"到用于提供饮料生产的既不含太多也不含太少杂质的水。例如，如果给水中包含高水平的硬度和TDS，则可以改变装置的操作条件以除去更多的杂质。如果给水中含有低水平的杂质，则可以调节装置除去较少的污染物以免生产的水太纯。装置可以由操作员手动调节，或也可响应于条件的改变如产品水导电率或需求速度而自动调节。由此，系统中的变化如需求速度、设备效率或给水品质可以通过调节来自动补偿。由于效率方面的许多变化可以通过调节而不是通过例如替换零件来补偿，所以装置只需很少或不需维护。所述调节对于操作员来说可以是显而易见的。

在一个实施方案中，所述装置可以只用于为饮料生产提供水，且装置的产品输出可以唯一地管接到饮料生产系统如喷泉代销点。在这种情况下，电化学去离子装置与饮料制造装置唯一流体连通。在其它实施方案中，产品水可用于其它目的例如食品制备、饮用水和洗碗。

通常，RO系统要求巨量的存储，因为尽管它们在从水源中除去某些溶解物方面可能很有效，但这些系统可能并不能在需要时即提供充足的流量，而是设置成将处理水收集在存储装置中，在需要时从中抽取的结构。由此，与传统的RO基系统相比本发明可以提供许多优点。电化学去离子系统可以提供大于1、2、3、5或10加仑/分钟的恒定或即期流率。对于某些实施方案，如用于喷泉饮料自动售货机的那些实施方案，电化学去离子装置的生产能力可能小于20、小于10或小于5加仑/分钟。可使更小容积的系统尺寸最适合用于饭店、特许经营柜台、便利店等等。这些容积的系统可调整尺寸到放入约9平方英尺的占地面积上，并可被用于许多喷泉代销点而无需为安装水处理系统另造空间。

简单易用和操作经济对于喷泉饮料操作员来说可能非常重要。通常，喷泉操作员并未经过水处理培训并更喜欢那些能自行运转无需不断监视或来自操作员的输入的系统。本发明的系统可很适合这种环境，因为它可以自我监控并可以一天24小时提供即期水而无需预先测试水的品质。此外，当需要维护时，优选的是骤简单且常规。例如，系统可以使用能以预定间隔或在某些参数例如水质达到某范围时切断的GAC滤芯或微粒过滤器滤芯。

电化学去离子装置可以部分或完全不用维护。例如在RCEDI系统中通过转换系统的极性可以停止或逆转任何水垢堆积。树脂可以通过在室内或在与膜的界面处就地水解来再生。效率的暂时或持久降低或升高可以通过改变操作条件来补偿，它可以自动进行。操作条件的改变可能包括电压或电流改变或通过耗尽、浓缩或电极室导致的流率改变或其任何组合。

如美国专利US 4,956,071中所述，可逆的连续电去离子(RCEDI)装置是设置为能够周期性转换电极极性的CEDI装置。稀释和浓缩室也可以交换功能。在某些实施方案中，可用于本发明的RCEDI装置可以在少量或无维护下运行。此外，如果RCEDI装置发生故障，其通常慢慢发生，能给操作员机会对装置进行维修，而同时仍产生可接受品质的水。或者，如果RO系统故障，其可能立即发生，导致直到被修复之前都不能生产净化水。RCEDI装置可以手动操作，或由能响应于例如给水或产品水质调节操作条件的自动控制器操作。

一方面，本发明的系统可以具有比替代系统更低的能量需求。例如，RO和化学去离子系统通常需要额外的泵来获得正常运行所需的压力，而本发明能够在龙头压力下制造可接受品质的水，并且能够在低于约20psig的进料压力下运行。在某些实施方案中，没有使用泵且所需的唯一压力由龙头压力提供。系统可以设计成使用易获得的能源供应，消除对昂贵配线选项的需要。

特别是对于喷泉饮料生产者来说，空间要求可能也很重要。通过可选地规定删去例如泵、贮罐和电源等大的组件，系统可以安装在相对较小的地方，也许不需要重新布置已经位于适当位置的生产设备。此外，通过省去额外的泵，例如，系统可以提供比替代系统如RO或离子交换安静得多的操作，且由此特别是适合于要考虑噪音的地方之用。

盐水和浓缩液的排放也可得到显著减少。通常，特别是水质软化器和化学去离子装置需要定期再生，这会导致产生大量具有低pH水平或含有高水平的盐的废水。废水处理会导致用户必须遵守的额外控制要求。这在规定禁止或控制盐水和其它再生流体排入地方下水体系或其它污水处理设施的区域可能更重要。通过用电化学去离子装置替换所述装置，本系统可以大大降低排放到废水中的这些流体量。在某些实施方案中，自来水中容纳的总溶解固体量可能并无净增加。

通过实施本发明的一个或多个方面可以最小化水的使用。本发明的系统在水的利用上比替代系统如RO更有效。例如本发明的系统运行时可达到回收超过约55、60、65、70或75％的给水。这相比之下优于双程RO系统制造相应品质的水时通常只能达到的50-55％的回收。此外，在启动时，本发明可以制造立即可用于饮料生产的水。替代系统可能在供应达到充分的使用品质之前需要先排出最初量的水。例如，在再生之后，化学去离子系统可能在一段时间内产生pH约为3的水。此pH的水可能不适于饮料生产并因此需要排放到废水中。此外，本系统的输出量可以在设计输出量的约50-150％的范围内调节并仍产生可接受品质的水。这意味着给水不必被浪费于制造高于指定应用所需纯度的水。或者，如果需要提高水质，可以对操作条件进行类似的调整来获得期望的结果。调整可以手动进行也可以通过控制器自动进行。

图2显示了本发明的一个实施方案。在通过导管11进入系统之前，给水可以首先以许多方式预处理。"预处理"是指水质在进入电化学装置之前被改变。预处理可以包括添加或从水中去除物质或者改变水质。例如，可以利用化学或物理技术对水进行消毒。化学消毒通常包括向供水中添加氧化剂。这些氧化剂可包括氯、氯胺、臭氧或氨气。如果通过非化学技术对水进行消毒，可能要在足以破坏微生物或至少部分地使微生物失活的温度下将水加热一段时间。或者，可以通过辐射如紫外线对水进行线消毒或通过滤出有关的微生物来对水进行消毒。

充气作为一种预处理步骤也可以提供某些益处。充气涉及将一定量空气(或其它气体)鼓泡通过供水以促进化学反应或从水中物理地除去化合物。例如，充气可能有助于除去剩余的消毒剂如氯和氯胺。此外，充气可能有助于除去可能存在于水中的挥发性和半挥发性有机物包括三卤甲烷(THM)。充气还可降低给水中的硫化氢(H₂S)和氡的浓度以及用来氧化有机物和/或金属如铁。溶液中铁的氧化可能导致形成沉淀如氧化铁，它比溶解铁更容易从给水中分离。优选地对含有较高浓度铁的给水进行预处理以从溶液中除去铁，因为铁可能会影响饮料的口味和气味。

另一种可用的预处理技术是用絮凝剂处理。絮凝剂例如明矾的添加可能有助于凝聚悬浮粒子，使它们可以更容易地从给水中分离。这可能会导致需要在本发明的微粒过滤器中滤出的微粒减少和由此延长过滤器的寿命。絮凝剂的使用可以与充气相结合。

一方面，本发明提供不如可由其它净化法制造的水纯的水。常常，饮料生产者可能更喜欢纯的但并不太纯的水。例如，如果水中包含极低水平的TDS，例如小于约50ppm、小于约20ppm或小于约10ppm，则这种水可能对饮料的味道有负面影响。此外，其它特征如腐蚀性也可能会受过纯的水影响。因此，某些水净化技术例如RO可能会提供比饮料生产装置通常所希望的更纯的水。

提供包含足以满足味道需求的TDS和碱度的水的一种方法是将纯水(本身就已经太纯的水)与包含高水平的碱度和TDS的给水或其它水混合。适当的混合比例能产生具有适当味道特征的水。当然，这可能涉及额外的步骤、阀、泵等等。也可以向纯水中添加(或回加)矿物质或其它可溶物质。在某些实施方案中，可以无需净化水中添加物质而制造饮料品质的水。

另一方面，可以无需将净化水与较不纯净的水混合以获得所需范围的溶解物质例如矿物质、盐、硬度、碱度、CO₂或TDS来制造例如用于人用的净化水。在某些实施方案中，给水中的一或多种杂质被降低到所需的范围而无需混合高和低杂质浓度的水。杂质的水平例如硬度、TDS和碱度可使用单个装置如电化学去离子装置单步降低到所需的水平。水不必与例如使用某些RO系统时那样首先净化到低于期望范围的水平和与含有高范围杂质的水混合。系统运行时可不必将任何水净化到一或多种杂质的目标水平之下的水平。使用电化学去离子，通过调节电化学去离子装置的操作条件可以直接达到目标范围。

在某些实施方案中，为了水质可以控制和调节电化学去离子装置。控制和调节产品水质的选项可以扩展能用于制造适于饮料生产的具有一致的预定品质的净化水的给水类型和品质。操作条件如电压、电流、流速和可逆循环时间可以手动或自动改变，也可以响应于例如净化水品质、浓缩液水质或给水品质来完成。操作条件还可能由于与水质无关的因素如温度和需求速度的改变而调节。改变操作条件可能包括改变装置的去除效率。例如，如果检测到TDS水平太低，则可以降低装置的效率以使较少的杂质从水中去除。这可以例如通过降低CEDI或RCEDI装置的电流来实现。同样，如果TDS水平在期望的范围之上，则可以通过升高电流或减小流量来提高装置的效率。在其它实施方案中，效率可以通过以不同的间隔打开和关闭(循环)电化学去离子装置的供电来改变。例如，电流可以在90％的时间施加和在10％的时间关闭，同时保持恒定的流体流过装置。与该装置100％时间都带电流运行时生产的水相比，这可以得到约90％杂质被除去的净化水。任何循环都可以在短时间内完成，以避免可由延长的不施加电流期所引起的可能的产品水质变化。例如，循环可以以小于每分钟或小于每10秒钟发生。

电化学去离子装置可以热消毒。如果电化学去离子可以热消毒，则可将在处理中常与水接触的装置表面升高到某一温度并保持足以杀死或防止致病微生物繁殖的一段时间。例如，温度可以升高到50、60、70、80、85或90摄氏度。装置可暴露于于高温以大于10、30分钟或1小时的一段时间。能热消毒的电化学去离子装置的例子以及它们的用法在Arba等人的"Electrodeionization device and methods of use"，美国专利申请No.09/954,986,公开号No.20020144954中有提供。

在一个实施方案中，可以调节穿过CEDI或RCEDI装置的电流以减小或增大从给水中去除的离子物质量。在很多情况下，不需要混合。在另一实施方案中，如果确定了净化水的品质水平，则可以响应于给水品质的变化或系统效率或性能的变化而调节一个或多个操作条件。当在具有不同给水的不同装置中使用类似设计时也可采用这类调节。例如，电化学去离子装置可以足够通用以被用于从城市水源或从具有软或硬水供应的井水源提供给水的地方。用于调节电化学去离子装置的操作的控制器如PLC可以包括在系统中且可以对许多因素如产品水质、水流量、给水温度、产品水温度、给水品质和操作员输入敏感。由此，可以实施一种反馈控制系统来随例如期望的净化水品质、给水品质、温度、使用率和装置与相关设备的状况的变化而提供品质一致的净化水。可以由单个装置保持如导电率、硬度、碱度和TDS等特征的可接受范围，与例如需求、给水品质、温度和装置效率的变化无关。

在某些饮料应用中，可能优选的是减少储水量。基于RO装置的系统通常需要下游的存储来满足部分由于RO装置的通常缓慢的生产速率而导致的要求。任何储存水都可能为微生物提供生长环境，与其需要额外的消毒和监视，可能有时更有效的是完全省去储存。因此，如在本发明的一个实施方案中所提供的"即期"型系统用于喷泉饮料生产装置或任何受益于储水量降低的应用例如饮料(包括水)自动售货机、咖啡机、洗碗机和洗车设施用冲洗水来说可能是理想的。即期型系统是能够为即时应用(例如在其被净化后不到1分钟之内使用)而净化水的系统。即期型系统通常在水净化装置与应用点例如喷泉饮料装置之间没有储罐。如果在水净化装置与应用点之间可能会有一些导管或管道，此导管或管道的总容量通常小于约1升。在某些实施方案中，在水净化装置的下游不必有泵。即期型系统还可以在一段时间的停用后，例如在一夜之后，立即提供适合于饮料生产的水。在使用所述水之前系统可不需要清洗。

如图2所示，本发明的系统可以包括许多可选组件，如炭层过滤器10。炭层过滤器可以是一系列处理装置中的第一个。提供给炭层过滤器10的给水压力可以通过压力计76监视。炭层过滤器10可有助于去除任何数量的污染物包括有机化合物以及剩余的消毒剂如氯和氯胺。任何类型的炭层过滤器都可使用，包括可优选地位于饮料生产位置的滤芯型炭层过滤器，因为滤芯在其去除效率下降时可被快速和容易地换出。或者，也可简单地根据使用时间或总通过容积来替换滤芯。通常饮料生产位置未配备再生炭设备，所以使可更换的滤芯更富有吸引力。可使用的其它炭层过滤器类型包括碳块过滤器和颗粒活性炭(GAC)。可以并联或串联使用多个不同类型的炭层过滤器。例如，碳块过滤器可以与含GAC的过滤器串联使用。优选地，炭层过滤器10包含由于其从水源去除味道和气味化合物的能力而特别适用于饮料工业的GAC。优选地炭层过滤器10的尺寸可以使通过过滤器的压降和流动限制最小化并降低必须更换它的频率同时平衡这些特性与成本和尺寸因素。更优选地，过滤器可以包含添加剂如沸石来帮助去除不能仅被碳有效除去的任何重金属或其它污染物。

在给水流经炭层过滤器之后，它可被供应给另一种预处理装置如微粒过滤器20。微粒过滤器20可以是能够从给水中除去颗粒物质的任何过滤器。这种过滤器包括例如深层式、网式、表面型过滤器和微孔性过滤器。所用过滤介质可以是深层式滤芯如绿砂或硅藻土床或者是棉花、聚丙烯或其它聚合物的线绕滤筒。或者，微粒过滤器20可以例如是微滤或超滤膜。所述膜可以是疏水性或亲水性的，且可以由例如PVDF、PTFE、聚丙烯、聚醚砜或聚乙烯构成。所选微粒过滤器可以根据安装位置的给水类型选择。例如，如果给水一般包含大量的悬浮物，则可以使用具有高承载能力的深层式过滤器。如果水来自未经过处理消灭微生物的水源，则可以选择能够除去有关微生物的过滤器如超滤装置。

优选地，微粒过滤器20是一种深层式过滤器。更优选地，微粒过滤器20是一种筒式过滤器，最优选地，它是一种具有由纤维材料如棉花或聚丙烯构成的过滤介质且与水接触的所有部分都是食品级材料的筒式过滤器。筒式过滤器保证了很容易由未受训练的人员进行更换，由此最小化了在装置处的维修请求需要。此外，许多不同的滤筒类型可以用于单个滤筒壳体单元，由此最小化向水处理系统提供不同壳体类型的需要。

在给水流经微粒过滤器20之后，其可以随后被供应给电化学去离子装置如RCEDI单元30。RCEDI是一种设计为逆转电极极性和在大约极性逆转发生时轮换浓缩室与消耗室的连续电去离子装置。Giuffrida等人的美国专利US 4,956,071中描述了这种装置的操作。这种装置可以包含一系列的通常以阴离子渗透性或阳离子渗透性膜为界的消耗和浓缩室。每类室可以包含一种离子交换树脂，通常是既具有阴离子交换树脂又具有阳离子交换树脂的混床树脂。离子交换树脂也可以是均匀或掺杂的，且可以呈层状。提供至少一个阴极和至少一个阳极来提供将水分子分解成不断补充再生消耗室中所含离子交换树脂的氢离子和氢氧根离子的电流。当水流经消耗室时，阳离子被氢离子交换且所述阳离子在所施加的电场作用下通过阳离子渗透膜被抽入浓缩室。同样，阴离子被羟基离子交换，并流经阴离子渗透膜进入浓缩室。去离子的水随后离开消耗室并可被供应给另一个消耗室以进一步净化，或者排出以供使用或另一种处理。离开浓缩室的水可以流经额外的浓缩室以被进一步浓缩或者被排出到废水或其它应用。

在一个预定或随后例如由操作员或控制器决定的时间，RCEDI系统30的极性可以被逆转以使阴极变成阳极，反之亦然。例如，极性可以以10分钟的间隔进行转换。在这时，或大约在这时，浓缩室变成消耗室而消耗室变成浓缩室。很快，离开新的消耗室的水将比离开新的浓缩室的水更纯。通过以这种方式交换室，可以最小化水垢和沉积物的聚积，因为没有一个室长时间地充当浓缩室。因此，树脂、室、膜、阀和导管可以不经受在不采用极性逆转的系统中可能发生的固体聚积程度。此外，树脂的寿命可得到延长，且产品水的品质可得到改进。

用于电化学去离子装置的阴极和阳极可由相同材料构成。这些电极可以基于例如钛、铌或钽并具有铂、钌、铱或其它尺寸稳定的阳极材料的涂层。优选地，涂层(当有涂层时)厚度为约150到约200微英寸。此涂层厚度有时相当于大约25克每平方米。

在某些实施方案中，可以与电化学去离子装置串联设置冷却器。冷却器可以在装置的上流或电化学去离子装置的下流，也可以在喷泉饮料生产装置的上流。当冷却器设置在电化学去离子装置上流时，可以实现水垢聚积的减少。

在图2所大略显示的实施方案中，给水在流经微粒过滤器20后，进入导管31和32以及导管33。给水流量和压力可以在流量计70和压力计71处测量。导管31和32可向RCEDI组件的浓缩和消耗室(未示出)提供水。当导管31向消耗室提供给水时，导管32向浓缩室提供给水。当极性逆转时，导管31向浓缩室提供给水而导管32向消耗室提供给水。净化水，即离开消耗室(或紧接极性倒转之后离开浓缩室)的水根据目前哪套室被用作消耗室而被供应给导管37或导管38。输送来自浓缩室水的候补导管(37或者38)被传送到废水管路60或被回收。每个导管37和38的通道由阀80或者阀81控制。所述阀可以设置成只允许导管37或者38之一向产物导管39供应水的形式。由此，如果导管37供应产品导管39，则导管38将被引向废水管路60。产品水的压力和流量可以用压力计72和流量计73监视。还可以通过包括光学、化学和电测量装置在内的许多方法测量水质。在某些实施方案中，可以使用电导率计74，因为它是一种监视水中离子含量的可靠方法。

导管33可以串联地向阳极和阴极室(未示出)提供水，并且当极性逆转时，阀34可被开启以使流过这些室的水被转向。从阴极和阳极室出来的水流经排水管35或排水管36，二者合并在一起形成通向废水管路60或被回收的导管40。排水管内的流量可通过流量计75测量。

与普通的利用化学离子交换从给水中除去钙、镁和二氧化硅的水软化技术不同，本发明的系统可以保证去除这些离子而不用钠、钾或其他阳离子替换被除去的阳离子。钙、镁和/或二氧化硅可被氢离子替代或交换。硬度可被去除至能提供不会软到使味道受到严重影响的水的范围。

某些水软化和水净化技术可能导致水过纯以至于可能是腐蚀性的、可能是低或高pH的或可能缺少能提供味道成分的溶解物质。饮料售主和许可证发放者可能特别关心用于制造可能在一个商标下出售的饮料的任何水的味道，因此必须对其进行仔细的品质控制。由于喷泉代销点的巨大数量和所用水供给的变化，这在喷泉代销点上尤其重要。例如，能在一个代销点向喷泉饮料提供可接受的给水的RO系统可能在安装于另一代销点时实际提供的水会纯度过高。此外，由于RO膜操作的本性，输出的纯度不能改变。本发明那些利用电化学去离子装置的工艺控制能力的实施方案允许在既不含太多也不含大少TDS、硬度、碱度和其它组分的相对较窄围内控制水的输出。例如，硬度可被控制在以碳酸钙计为5-100ppm(mg/L)、10-100ppm、20-80ppm或30-70ppm的范围内。同样，碱度可被控制在以碳酸钙计为10-100ppm、20-80ppm和30-70ppm的范围内。此外，可以控制电化学去离子装置如RCEDI以保持纯水品质水平在±10ppm、±20ppm或±30ppm的范围内。而且，可以针对包括城市用水和井水在内的许多给水保持这些范围。在某些实施方案中，来自喷泉代销点的水的品质可被控制在某一范围之内，使喷泉不仅能出售带味饮料，而且还能出售带商标的水。有时候，这可以不向净化水中添加矿物质或其它物质就能实现。对于其它系统来说这可能是不可能的，因为不加味和充碳酸气来帮助掩饰水味的轻微变化，由喷泉代销点获得的水将不具有一致的足在以某种商标出售的品质。

碳酸氢盐可以是用于制备饮料的水的一种重要组分。例如，溶液中碳酸氢盐过多将消耗添加的二氧化碳，生成乏味的碳酸饮料。如果溶液中碳酸氢盐过少，其它特征如pH可能会受影响。例如，如果碳酸氢盐水平太低，水的缓冲能力可能降低，添加少量酸就可能导致极低的pH。在一个实施方案中，可以制造含某一范围碳酸氢盐的净化水，这一范围的碳酸氢盐既不会消耗添加的二氧化碳又具有足以提供适当缓冲能力的浓度。水样中的碳酸氢盐浓度可以反映在碱度测量中。

在一个实施方案中，可以制造pH在6-9之间，优选地在6.5-8.5之间的水。可以通过用电化学去离子装置净化水来达到上述范围。所述水可以同时包含一些碱度形式的缓冲能力。所述水可以无需混合两种或多种不同pH的水来制造且可被用于饮料生产。

在一个实施方案中，水可以被软化，即钙、镁和/或二氧化硅的浓度可被降低，且该工艺可以导致离子含量的净降低。与化学离子交换水软化技术不同，电化学去离子技术可以除去阳离子如钙和镁而不用使用其它阳离子如钠或钾来交换它们。如此，水可以在水的总离子浓度被降低的同时被软化。

在另一实施方案中，电化学去离子装置可以除去和/或降低水源中有生存力的微生物的量。例如，通过使水流过CEDI或RCEDI装置的消耗室，大部分任何可能包含在水中的微生物可通过所述装置操作而被变成不可存活的。

用于系统中的导管可以由任何能够输送水的材料制成。优选地所述导管是食品级聚合物制管道。所述管道可以是小直径的且可以在给定最高流速和压力要求下尽可能地短，以使停用期间"储存"在管道中的水体积最小化。在期望储存的实施方案中，可以使用储罐。贮罐可以与电化学去离子装置流体连通且可以位于电化学去离子装置的上游或下游。贮罐的容积可以大于1升、大于5升或大于10升。储罐可由任何适于存储水的材料例如玻璃、聚合物材料和不锈钢制成。在适当的实施方案中，储罐由食品级的材料制成。

控制器可以是例如微处理器或计算机如程序逻辑控制器(PLC)。控制器可以包括几个已知组件和电路，包括处理单元(即处理器)、存储系统、输入输出装置和接口(例如互连机制)、以及其它组件如传输电路(例如一或多个总线)、影音数据输入/输出(I/O)子系统、专用硬件以及其它组件和电路，如下面所详述。此外，控制器可以是多处理器计算机系统或可以包括通过计算机网络连接在一起的多台计算机。

控制器可以包括处理器，例如可商购处理器如x86系列，可从Intel获得的Celeron和Pentium处理器，可从AMD和Cyrix获得的类似装置，可从Motorola获得的680X0系列微处理器，和可从IBM获得的PowerPC微处理器。还有许多其它处理器，所述计算机系统并不局限于特定的处理器。

处理器通常执行一种叫作操作系统(例如WindowsNT、Windows95或98、UNIX、Linux、DOS、VMS、MacOS和OS8)的程序，它控制其它计算机程序的运行并提供预定计划、排除故障、输入/输出控制、计算、编辑、内存分配、数据管理和内存管理、通信控制和相关服务。处理器和操作系统一起定义了用于以高级编程语言书写的应用程序的计算机平台。此处所用控制器不局限于特定的计算机平台。

控制器可以包括存储系统，它通常包括计算机可读写的非易失性记录介质，其例子有磁盘、光盘、闪存和磁带。这种记录介质可以是可移动的例如软盘、读/写CD或存储棒，也可以是永久性的例如硬盘。

这种记录介质通常以二进制的形式(即翻译成1和0的序列的形式)存储信号。一个盘(例如磁盘或光盘)具有许多轨道，上面可以通常以二进制的形式即翻译成1和0的序列的形式存储信号。这些信号可以定义将由微处理器执行的软件程序例如应用程序、或定义将由所述应用程序处理的信息。

控制器的存储系统还可以包括集成电路存储元件，它通常是易失性随机存取存储器如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。通常，在操作中，处理器使程序和数据从所述非易失性记录介质读入所述集成电路存储元件中，后者通常能比非易失性记录介质更快地使程序指令和数据被处理器访问。

处理器通常根据程序指令操纵集成电路存储元件之内的数据，然后在处理完成之后将处理过的数据复制到非易失性记录介质中。管理非易失性记录介质与集成电路存储元件以及实施此处所述方法、步骤、系统和系统元件的控制器之间数据传送的机制已知有许多种，但并不仅限于此。控制器不局限于特定的存储系统。

上述这种存储系统的至少一部分可被用来存储一个或多个数据结构(例如查找表)或方程式。例如，至少部分非易失性记录介质可以存储包括一个或多个这种数据结构的数据库的至少一部分。这种数据库可以是各种类型数据库中的任何一种，例如包括一个或多个平面文件数据结构且其中数据被组织成被分界符隔开的数据单元的文件系统、其中数据组织成被保存在表中的数据单元的关系型数据库、数据组织成被保存为对象的数据单元的面向对象的数据库、其它类型的数据库或其任意组合。

控制器可以包括影音数据I/O子系统。该子系统的音频部分可以包括模-数(A/D)转换器，它能容纳模拟音频信息并将其转换成数字信息。所述数字信息可使用已知的压缩体系压缩，以存储在硬盘上供其它时间使用。所述I/O子系统的典型视频部分可以包括视频图像压缩器/解压器，所述视频图像压缩机/减压器在本领域中已知有许多。所述压缩器/减压器将模拟视频信息转化成压缩的数字信息，反之亦然。压缩的数字信息可被存储在硬盘上以供后用。

控制器可以包括一个或多个输出装置。输出装置的例子包括阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、触摸屏显示器和其它视频输出装置、打印机、通讯装置如调制解调器或网络接口、存储设备如盘或磁带、以及声音输出装置如扬声器。

控制器还可以包括一个或多个输入装置。输入装置的例子包括键盘、小键盘、跟踪球、鼠标、记录笔和手写板、触摸屏、如上所述的通讯装置、以及数据输入设备如音频与视频采集装置和传感器。控制器不局限于此处所述的特定输入或输出装置。

控制器可以包括特殊编程的专用硬件，例如专用集成电路(ASIC)。这种专用硬件可以设计成能实施如上所述的一或多个方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件。

控制器与其中的组件可以使用各种一种或多种适合的计算机程序语言中的任何一种编程。所述语言可包括程序编程语言例如C、Pascal、Fortran和BASIC，面向对象的语言例如C++、Java和Eiffel，以及其它语言如命令式语言乃至汇编语言。

所述方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件可以使用能被这种计算机系统执行的各种适合的编程语言中的任何一种执行，包括程序编程语言、面向对象的编程语言、其它语言及其组合在内。所述方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件可以以计算机程序的单独模块实现，或者可以作为单独的计算机程序独立实现。所述模块和程序可以在单个计算机上执行。

上述方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件可以以软件、硬件或固件或三者的任意组合、作为上述控制器的一部分或作为单独组件实现。

所述方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件或单独或结合地可以作为有形地具体化为计算机可读介质例如非易失性记录介质、集成电路存储元件或其组合上的计算机可读信号的计算机程序产品实现。对于每种所述方法、步骤、模拟、算法、系统或系统元件，所述计算机程序产品可以包括例如作为一或多个程序的一部分定义指令的有形地具体化在计算机可读介质上的计算机可读信号，它被计算机执行后能指令计算机执行所述方法、步骤、模拟、算法、系统或系统元件。

电化学去离子系统的操作可以手动或自动控制。优选通过控制器如PLC来自动控制其操作。PLC(未示出)可以编程以控制所述系统的某些或所有功能。例如，PLC可以控制RCEDI组件的极性被逆转的点并可同时操作适当的阀将水流按上面所述导向。这可以通过基于例如时间或总产量的既定程序的条件来触发，或者可以是更主动的系统，它通过例如水质、流量或压力差等可使用遍及系统并与PLC连通的各种计量器和量表来测量或检测的变量控制。例如，当在导管39中探测到水质降低时，这可以通知PLC逆转极性并触发阀80和81转换消耗和浓缩室。PLC还可以如当碳或微粒过滤器滤筒需要更换、或者如果探测到水压力或品质一致降低、需要维修组件时向系统操作员指示某些条件。还可通过例如电话、因特网或无线电通知场外设施或工作人员。PLC还可用来调节输入组件的功率。这在响应给水品质、水输出需求的变化或存在电极效率降低时尤其有用。例如，如果系统运行在3加仑/分钟的峰值输出下而需求量突然增加到4加仑/分钟，则输入组件的功率增加就是满足增大的体积去除要求所需要的所有操作。

在某些实施方案中，净化水可进行后处理。例如，在净化之后，水可以以化学品、过滤、辐射或它们的任何组合进行消毒或保存。后处理可以包括例如化学消毒，如用臭氧、氯、氯胺或氨气消毒；热消毒，例如通过将净化水加热到50、70或85摄氏度以上消毒；辐射消毒，如通过用紫外线辐射消毒；和通过过滤如使用可被用于从净化水中物理去除微生物的微过滤器、沙滤器和/或离心砂滤器进行过滤。当水需要储存时，优选地进行后处理。

下面将用以下实施例对本发明作进一步说明，其目的本身在于说明，不应被认为是对本发明范围的限制。

实施例

为说明本系统的有效性，建造了一个RCEDI装置并供以包含化合物和显示与喷泉饮料生产设施有关特性的井水试样。最初先分析14种不同井水试样的硬度、碱度、pH和TDS。最初预处理分析的结果总结在下表1中。

表1给水参数

通过使水流过具有以下特征的RCEDI装置对每种水样进行处理。

设备类型:20个室对的CEDI系统

极性逆转频率:10分钟

功率供应：200瓦

流量计:用于测量稀释、浓缩和电极流的三个流量计

压力计:用于监视供给、产物、浓缩液流、电极流以及碳和微粒处理之前的供给的五个压力表。

PLC:带四个双拉双掷继电器的Allen-Bradley MicroLogix 1000PLC

电极:带约30微英寸厚铂涂层的钛板电极。

装置运行在喷泉饮料装置的实际条件下。这些参数如下表2所示。

对处理的每种试样，多次测量系统所制造的水的特性。这些结果以及典型的饮料用水要求总结在下表3中。

在处理中还周期性地对来自浓缩室和电极室的废液流进行分析。结果如下表3所示。

表2可逆CEDI模块的系统参数

表3可逆CEDI模块的产品水参数

表4可逆CEDI模块的浓缩液/电极水参数

将测量给水和产品水的结果与饮料用水规格进行对比表明系统提供了一种使典型的给水变得符合饮料用水要求的有效方法。硬度、碱度和TDS的中间结果表明尽管给水不符合每个这些参数，RCEDI工艺仍能有效地将水质提高到所需水平。还值得注意的是水的pH被保持在可接受的水平。

对于本领域技术人员来说仅仅通过常规实验将可想到此处公开的本发明的改进和等价物，所有这些改进和等价物都被认为属于如以下权利要求所定义的本发明的精神和范围之内。