用于去除水中的钙并同时去除污染物的反应器及方法

摘要

本发明涉及一种用于去除水中的钙并同时去除污染物，以及降低浊度和杀菌的反应器及方法，能保证实际中在实施形式以及处理水量上的最大变化。反应器的特征在于固定的板均在中心有钻孔，从这些孔中穿过一个装置，并通过这个装置上的锥体和/或圆柱体可以将这些孔打开或者关闭。该装置的顶端部分没有板，或者与一块或多块不固定在反应器中的板相连接，并具有一个手柄。所述一块或多块固定的板上沿着其边缘区开多个小孔，而另外一块或多块固定的板的边缘不开孔。在反应器中相隔的空间内有直接加热装置和充气管。进水口和/或出水口分别设置在反应器的上部和/或下部，只在中心处设有开口的板设置在周边有开孔的板的上面，另外还可以设一个排放口来清除渣滓。

说明书

技术领域

本发明涉及一种反应器及方法，用于从水中除钙并同时去除污染物、去除浊度和消毒，根据权利要求1中的总概念，处理过程在一个有进出口的反应器中实现，不需加入化学品，不需要过滤器。

背景技术

这样一种反应器和方法，其基本原理已经在德国发明专利DE 10247686中公布。

此外，在用于水的除钙方面，氢氧化钙混凝技术、诱导碳酸钙生成的设备和离子交换技术得到广泛应用。但这些方法都属于化学处理。也有物理处理方法，比如德国发明专利DE 43 36 388所公布的在磁场中改变结晶结构的除钙方法、利用气穴的方法、反渗透、膜过滤。另外也有热处理的方法，如美国专利US Patent5,858,248通过优化反应器中水加热的微观水利条件实现除钙和污染物的去除。

专利DE 102 47 686及公布资料WO 2004/035487 A1不仅优化了反应器中微观水利条件，而且同时对水进行曝气，从而即使在低于水的沸点温度下也能有效地除钙和去除污染物。

上述各种方法均具有在装置中加强除钙，或减少结钙的作用。在热处理方法中，同时也实现了减少钙、减少浊度以及污染物的去除。该类方法的缺点是或者系统过于复杂，仅对大规模应用才有可能较实际和经济，或者技术应用不方便，效率不高。

例如，热处理方法的缺点在于(参见US Patent 5,858,248)，在水温达到沸点之前，水的湍流和混合是非常有限的，所以采用该方法时为了实现除钙、污染物去除及挥发性污染物的去除时需要将水加热到沸点并长时间保持温度才有效。这样，比如在用于热水供应这样的情况中，水的温度通常只被加热到70℃，这样由于该类方法费用高而无法得到应用。另外还有采用过滤器及滤芯的方法，滤芯在失效后更换，异地再生。该类方法仅适应于制备不含氧气的水。对生产过程来说，有的时候脱氧也许对有些生产制造用水会有好处，但对于饮用健康并不是个好事。另外由于设备相对复杂所以更多适用于工业上的大水量处理，而对于类似家庭使用的情况来说不适宜。

虽然专利DE 10247689克服了上述美国专利的部分缺点，但在处理效率上仍有局限，因为水的强烈微混合实际上只是在离热源较近的第一个板下面存在，而在其它板上仅在反应器壁较近的地方出现。所以，这样处理的时间就较长。另外由于板没有固定在反应器内壁上，可以从反应器中取出，所以无法实现板和反应器内部彼此附加的加热和鼓气。另外由于板是由一个或者两个轴来固定在盖子上的，非连续工作的装置在添加水时需要用手将盖子和板一起从反应器取出来，这样，特别是对于大的反应器和热水来说就很不方便。

对于离子交换、活性炭、过滤等类似技术，一方面，必须需要电能，另一方面对混浊物非常敏感，并很快会造成堵塞。所以，特别是在家庭使用中，通常只适用于清洁的自来水的净化。否则还需要附加一个预处理。

发明内容

本发明旨在对上面一开始提到的反应器和方法的进一步改善，在不加任何化学药剂和过滤器的情况下，解决上面所表述的问题，在不需要复杂装置和维护的前提下除钙，并同时从水中去除污染物、去除浊度、并起到杀菌的作用。本发明进一步的目的还在于在连续、不连续和半连续操作条件下沉淀的钙能够容易地从换热表面脱落，不形成永久性的结垢。所发明的反应器应满足0.5升以上不同容积的制造，并可灵活构成不同的工艺。

上述任务及目标通过权利要求1中所述反应器装置的特征以及权利要求6所述流程与方法得到实现。

水加热时在水的内部或多或少产生层流。按照本发明，通过反应器中固定的并有孔的板以及向水中鼓气，一方面层流变为湍流，并通过此，在整个反应器中形成强烈的微混合，同时水的内部扰动被引导到相表面(反应器内壁)使得那里的物质交换增强，加速非均匀的结晶母体的形成。在低过饱和状态下，形成非均匀和二次结晶母体。另一方面通过固定的板以及其特殊的布置形成反应器中的不同状态的区域，使得在靠近加热源的地方温度升高比别的地方来得快。这时不同区域的温度差可以达到几十摄氏度。其结果是那里形成更快的结晶母体的生成和结晶的增长。通过这些结晶母体和结晶，然后局部地向其他区域扩展，从而自动地形成其它区域的接种和二次结晶，与非均匀的晶核和结晶体一起最终导致一个更快的过程。

通常的水垢结晶是一种混凝结晶。众所周知，通过相同的结晶的接种可以加速结晶过程。在混凝沉淀结晶时通常是在一个高过饱和状态下的结晶，这时非均匀的结晶与均匀结晶相比起了更大的作用。通过一定的能够在反应器内壁与水之间存在较大表面能的适合材料可以促进结晶体母体的形成以及晶体的增长。已有报道，即使是气泡作为一个异类外来的颗粒也可以支持非均匀结晶体母体的形成。

反应物之间不仅大尺度范围的混合，而且小范围的混合也会对混凝结晶的结晶母体形成产生有益的作用。二氧化碳从水中的快速吹脱对水中碳酸盐的沉淀能够起到重要作用。通过在板的下部鼓气并造成混合剧烈的区域以及同时二氧化碳的解析会使得在很小的过饱和状态下和远低于沸点的温度下产生结晶。

专利DE 10247686中，强烈的微混合仅发生在第一块板的下面。专利USPatent-Nr.5,858,248中快速的二氧化碳吹脱仅在沸点时才可能出现。

二氧化碳的吹脱及低过饱和状态下的结晶意味着更多的二氧化碳和碳酸盐从水中被去除。这种作用导致水的pH值通过此过程和方法比在通常的反应器中更高。增高的pH值导致更强的碳酸盐混凝沉淀，这两点最终共同导致混浊物、磷酸盐、金属和重金属氢氧化物的物理和化学的混凝沉淀。

所以本方法除了对自来水外还适用于高浊度的地表水、地下水以及废水的处理。

众所周知，硬度物质在热的接触表面(加热表面或者反应器内壁)相比在水中更早的达到晶核形成的过饱和。所以上述盐类首先在这些表面形成结晶。水流被导向至反应器内壁减小了该区域的层流厚度并使物质和能量交换得到加强。实际中显示，除了反应器内壁周边的微混合之外，在反应器水中的其他部位的微混合同样对结晶起了重要作用。通过优化的板的布置，对水分区域加热，以及其他区域的结晶接种，合起来，达到了更好地利用反应器以及所输入能量的效果。

使用移动板或芯子的反应器只能通过一个附加的反应器侧面加热来强化水中其他区域的结晶。这与水的直接加热-如使用电热丝-相比热损失明显增加。在有固定板的反应器中，在水中直接加热是可以的。上述描述同样也适用于向水中鼓入空气的情形。

根据处理的不同目的，不仅在处理时水可以被加热和鼓气，而且在需要的时候可以通过减小供热量将水保持在这一温度，和/或延长鼓气的时间。

根据本发明，通过分区加热及较早的在加热源附近达到沸点，该区域产生水蒸气，并以小气泡的形式通过固定盘上的孔向上浮动，从而实现上面区域水的微混合。换句话说，如果有什么原因不能或不希望对水进行鼓气，可以通过稍微延长时间同样可以达到明显的效果。而上面说的其他热处理工艺无法达到这种优化的效果。

虽然上述热处理方法中在加热源附近也有一定程度的分区加热和产生蒸汽，然而蒸汽和空气以大气泡的形式上浮，他们不像小气泡那样能有效地将水充分混合并强化传质，即使在反应器中安装了空气分布器的专利DE 10247686同样也是如此。原因一方面是水的表面张力随温度增加而降低，这时气泡通过聚合作用很快形成更大的气泡。再加上板又促进了小气泡的碰撞而形成大气泡。

根据本发明的反应器中将这一问题通过特殊设计的固定板来解决，大的气泡在通过板的周边的小孔时，被破碎成小的均匀气泡，均匀分散在反应器内壁附近并上升。而在其上所安装的板仅在中间有一个大孔，周边没有孔。如此，气泡在上升的时候在这两个板的中间被导向，并在此区域产生强烈的混合。

至于反应器材料涉及到的混凝结晶，晶核形成过程在润湿性良好的表面接触表面的高表面能时被减少。

被固定的板和并不在反应器壁上固定的板的另一个功能是使得钙结垢时通过强烈的混合以及可能产生的水的沸腾不使其形成粘结和不断增大的垢，而是形成具有较小的粘着力的疏松的(不规则的)片状结晶。水的湍流状态产生的张力不断将晶体脱落并引到水中。从而避免了反应器的结垢和由结垢引起的热源表面的导热性能下降。

最后，将水加热至70℃以上，可以起到安全杀菌和杀军团菌的作用。

根据本发明的一种实施简单的装置，可以是非连续，半连续运行的装置和反应器。通过外部能量从下部加热和鼓气。在反应器处理室内的空间中固定有两个板，并与反应器底部保持一定距离，作用在于对水进行有序的加热并且使水的流动被导流，以及强化反应器内壁的湍流和水中的微混合。板是水平安装的。下面的板的边缘均匀分布有小孔，中间有大孔，第二块板只有一个大孔。一开始，水由反应器的上部倒入，然后，将一个由一个板和在一个手柄上固定的圆柱体金属和锥体金属部分插入孔内，最后将下面板中间的孔完全堵上，上面板的孔留有空隙。

反应器中固定的板也可以先通过两个或者三个支撑件彼此固定好后一齐插入反应器，这样在需要时可以再抽出来。

可移动的上部的板一方面促进固定板上部水的微混合，另一方面制约该区域的水的沸腾。处理完后，水往外倒的时候渣滓留在板上和反应器的底部。多次处理之后，可以将容器歪倒来清除渣滓，这时抽出反应器中间的装置。如此，除了渣滓的去除外，根据本发明的这种反应器不再需要其他的任何维护。

为了减少在处理室中残余的水，不连续和半连续的操作时处理室的下部适当变窄。

在处理过程中，沉淀物会在水中漂浮。如果要在处理过程中或者水沸腾的状况下取水使用的话，在出水阀门上增加一个隔网可以避免沉淀物流出。

根据不同的处理要求，从反应器处理后的出水可以马上使用，或者在反应器中冷却一定时间再取出，因为通常化合物在低的温度下溶解度会更小。更多的优点和特征在子权利要求中进行描述，因为它们与主权利要求在一起可以体现这里的创新意义。为了更容易理解，下面加上图示描述本发明的实施例子。需要指出的是，发明本身并不局限于这里叙述的例子。

附图说明

图1：截面图，根据本发明的一个最简单的实施方式，包括固定的板，一个可取出的装置以及鼓气装置(图1中的反应器尤其适用于间歇式处理2至约50升的水量)；

图2：根据本发明的另外一种形式的反应器示意图，用于间歇式半连续操作，在不同区域附加的加热和鼓气装置，也有一个排除渣滓的排放阀门(图2中的反应器尤其适用于间歇或半连续处理10升至数百立方米的水量)；

图3：根据本发明的另外一种形式的反应器的示意图，用于间歇和半连续操作，具有内装的加热与鼓风以及一个排除渣滓的排放阀门(图3中的反应器尤其适用于间歇或半连续处理2至100升的水量)；

图4：根据本发明的另外一种形式的反应器的示意图。不含排放阀，内置加热、鼓风以及可分离的反应器以及鼓风管，处理后的水从上面倒出，所以所有出水区域的板上有附加的孔(图4中的反应器尤其适用于间歇式处理1到大约3升的水量)；

图5：根据本发明的另外一种型式的反应器，无鼓风装置，有排放阀门(图5中的反应器尤其适用于间歇式处理2至大约20升的水量)；

图6：根据本发明的另外一种型式的反应器，无鼓风装置，无排放阀门(图6中的反应器尤其适用于间歇式处理0.5到大约3升的水量)；

图7：根据本发明的另外一种型式的反应器，具有一个排放管，无鼓气，用于处理水及热饮料的保温(图7中的反应器尤其适用于间歇式处理1到大约2.5升的水量)；

图8：根据本发明的另一种型式的连续运行的反应器的示意图。具有多个固定的板，在不同段上附加的加热和鼓气装置，以及后置的鼓气柱(图8中的反应器尤其适用于连续处理每小时10升至几百立方米的水量)。

具体实施方式

图1是一个最简单的反应器型式，有以下组成部分：处理室1，盖子2，不固定的板3，该板与可取出的装置4相连接，固定的板5，用于板的彼此固定的杆6，止逆阀7，气泵8，活性炭过滤器9，出水阀10，滤网11，布气装置12，该反应器可以通过外部的热源13从底部加热并可人工加水。

图2是一个用于间歇和半连续操作的反应器。通过顶部的第二个阀门可以将水从上方注入，每段可另加加热和鼓气。

图3、4是另外的两种反应器形式，自带电加热及控制器9以及外壳和支座。反应器或者固定在支座上，通过提高处理室的高度，并在底部设置一个倾倒口，使水更容易流出，或者反应器可以从支座上移下。

图3中，气泵10，活性炭过滤器11，加热和控制器9都集成安在处理室下面的外壳12中。

图4中加热板、控制器9安装在可移动的反应器下方，气泵10和活性炭过滤器11在处理室下部的外壳12中。该反应器处理后的水可以从上部倾倒出来。

间歇、半连续反应器的大小尺寸可以在遵照上述优化的前提下任意放大。也可在每一层加热和鼓风，板的数量也可增加。为节能，处理室的壳可以进行绝热保温处理，以减少热损失。

图5、6、7是图1、3和图4中没有鼓风装置的反应器，并且可以利用外部的加热源，尤其是在没有或者不想用电源驱动气泵的情况下可以使用。需要时，可以在达到沸点后再供给一定时间的热能使水得以处理。

一个根据本发明的连续运行的装置，由一个反应器和一个鼓气柱构成。反应器处理后的水在柱子里继续被曝气处理(图8)。反应器内水平放置多个板，反应器器壁也可以是双层，也可以对每一层加热、鼓气。水被加热至期望的温度并被鼓气。然后水进入鼓气柱，水仅被曝气。当出于某种原因而不能使用鼓气柱时，在没有此装置的工艺可将第一个反应器的停留时间适当延长来实现。

根据本发明的反应器以及加药或不加药的工艺的进一步应用领域为：饮用水处理、地表水处理、废水处理、污泥处理等。

如果根据本发明的反应器仅靠热处理还是不能够充分去除污染物的话，可根据具体情况辅以添加化学药剂或气体(如纯氧、臭氧)。

同样也可以在每一层的处理室中安装紫外线发生器，以提高更多污染物氧化的效果。

根据本发明的热处理的反应器本身是一个高效的化学反应器，也适用于化学反应工程其它领域。

本方法可应用于微滤、超滤、纳米过滤以及特别是反渗透的预处理以节省化学药剂的用量。

处理室的加热可以不仅仅是电，也可以为使用矿物燃料，可再生能源来制造。所以根据本发明的反应器也适用于分散的饮用水处理或无电力供应的地区和灾害地区。

另外，以下特征之一或几个合起来对本发明很重要：

-通过相应改动加热装置可以实现集成的加热方式用矿物燃料和可再生资源加热水，

-为了搅拌、充气、吹脱和化学氧化，可使用流量可调节的气泵，

-充气和加热可在反应器中不同区域进行，

-在间歇、半连续和连续运行的装置中板可固定在反应器壁上，

-固定的板上可以有一个大孔，周边区域可以有小孔，

-一个无板或带有一个或多个板的可取出的装置，放置在大孔中，以减小或堵住开孔，

-反应器和板可以是圆和圆柱以外的形状，

-板可以做出锥形的，

-在间歇、半连续、连续的反应器的最低处有第二个排放口，用于污泥清除，

-家庭应用装置中在20℃以上可以实现钙-碳酸平衡或在30℃以上实现化学沉淀，

-反应器可用隔热材料保温。