專利名稱：通過提供質子來處理水的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及處理水的一種方法與設備，可用它來凈化淡水(包括一般的生活廢水、污水、農業廢水、工業廢水、工程廢水、河水、池水、湖水與沼澤水、自來水、地下水、泉水、雨水與泥漿水等)，海水(包括海灣海水、港口海水與內海海水等)以及混合海水(包括鹽湖水、河口水、海水湖水等)之類的各式各樣的水;軟化硬水;以及分離或回收痕量的油、蛋白質或其它物質。更確切地說，本發明所涉及的用于處理水之方法與設備具有如下特征給擬處理的水提供質子或質子與磁場，同時控制釋放出的質子量或釋放出的質子量與磁場強度，以之為控制指標，從而通過使含于此種水中的物質絮凝化、把它們吸附到絮凝物上、使之成為膠體或飄浮水面而后分離等手段進行處理，由此來凈化擬處理的水、軟化硬水、或者分離或回收痕量的油、蛋白質等。
磷和富營養物質對湖泊、沼澤與內海等封閉水域的污染，當前不僅在日本而且在全世界已成為一個重大問題。眾所周知，這類污染的發展導源于農業污水與生活廢水等之中所含的富營養物質，它們流進湖泊、沼澤、內海、以及因海岸的開發而降低了水位的水域中。
為此，已實施了一些方法來限制富營養物質流入封閉水域，例如，對城市生活型家庭廢水，農業居民區廢水、以及由農業污水與雨水產生的表土洗脫物質作濃縮處理;同時采用了各種方法來保持和提高自凈能力，例如采用了除去沉積的污泥與藻類的方法以及在水中加入石灰一類化合物和吹入氧氣或空氣的方法。
至于軟化硬水的方法，已知有把硬水貯放一段時期，使堿土金屬(例如CaO)沉淀，用蒸餾或用離子交換樹脂來將其除去的方法，以及通過煮沸來沉淀這類金屬而使用上層清液的方法。
但是，上述這些先有技術涉及到下述一些問題在采用吸附劑、絮凝劑、中和劑、氧化劑與還原劑等的情形，以及在實行生物處理的情形，由于有次生污染物混入處理水中，同時產生出大量的污泥，就必須消除它們;而在采用其它方法的情形，即使投資了大量的設備與運行費用，迄今尚來能產生出滿意的效果。
還有，要分離出作為乳狀液而含在待處理之水中的油或以痕量溶解于水中的油，即令采用離心方法也是很困難的。
在先有技術中的將硬水貯存一段時間來軟化它的方法中，要是溶解在此種水中的堿土金屬濃度很高，則在絕大多數情形下水的pH變為弱堿性。這樣，便可讓水靜止一段長時間后來產生和沉淀出氫氧化鈣或類似物質，然而這種作用并非穩定的，而且隨著濃度的減小，產生的沉積物量也變得較少。另一方面，在用離子交換樹脂、蒸餾、或煮沸來軟化水的情形，則會使成本提高，以致難以處理大量的水。
因此，本發明的首要目的是提供一種處理水的方法與設備，它們能夠去掉，減少，消除，反增生或回收陽離子、部分陰離子、富營養物質、葉綠素、藻類、細菌、蛋白質以及痕量的油或類似物質。
本發明之另一目的則是提供一種處理水的方法，它能防止次生污染物混合到水中，而這種現象在先有技術中則是不可避免的，同時還只產生少量的污泥。
為了達到上述目的，在本發明的第一個方面中給出了一種處理水的方法，其特征在于為擬處理的水提供質子或質子與磁場，同時控制釋放出的質子量或釋放出的質子量與磁場的強度，通過使之絮凝、吸附到絮凝物上、膠體化或漂浮到水面予以分離去掉、減少、消除、反增生或回收此水中所含的陽離子、部分陰離子、富營養物質、葉綠素、藻類、細菌、痕量的油或類似物質。
本發明的第二個方面是給出一種處理水的方法，其中，上述質子的給予是通過提供含結晶水的釋放質子之結晶礦物來完成的。
本發明的第三個方面是給出一種處理水的方法，它能通過用待處理之水稀釋用上述水處理方法所得的處理過的水，使后者擴散入前者，從而去掉、減少、消除、反增生或回丈鮮鱸又省 本發明的第四個方面是給出一種處理水的方法，當為產生出有助于沉淀物的形成與生長之沉淀核而必須的陽離子量并不充分時，可以加入極少量的這類陽離子。
本發明的第五個方面是給出一種處理水的設備，此設備包括一水流槽或水管，其中盛有含結晶水的釋放質子之結晶礦物;在此水流槽或水管外部裝有勵磁線圈，或在此流水槽或水管內設置有一種磁性材料或磁性存儲件;在上述水流槽或水管內設有清洗用噴嘴，借助噴出的空氣和/或水來洗凈釋放質子之物質與附著在上述磁性材料或磁性存儲件上的絮凝物。
本發明的第六個方面是給出一種處理水的設備，其中，在上述設備內用來保持含結晶水的釋放質子之結晶礦物的是一種擋住釋放質子之物質的圓筒，它可以適當地轉動且其本體呈網狀結構。
附圖的圖面說明如下
圖1至4示明本發明的一種設備的實施例，其中圖1A為一處理槽的垂直剖面圖，截取自平行于包括一水管之直徑在內的平面;
圖1B為圖1A中所示之水管的縱向垂直剖面圖;
圖2A為采用了圓盤狀磁鐵的一種水流槽結構的平面圖;
圖2B為圖2A中所示結構之垂直剖面圖;
圖2C為圖2A中所示圓盤形磁鐵的透視圖;
圖3為采用了片狀磁鐵的一種水流槽結構的透視圖;
圖4A是裝有保持方石英之圓筒8的水流槽之側向垂直剖面圖;
圖4B是圖4A中所示之水流槽的縱向垂直剖面圖;
圖5示意性地表明采用一種稀釋法來處理水的方法;
圖6示意性地表明采用上述稀釋法的一種實驗性設備;
圖7至14為曲線圖，表明以例4中擬處理的各種水稀釋的各種處理用水內的離子行為。
在圖9至14中，以記號○標明未處理過之水(在稀釋前)的特征值，其中的第一個指示初始值，而第二個指示處理后的值。同樣以記號●標明稀釋后之水的特征值，其中的第一個指示初始值，而第二個指示處理后的值。
圖15為曲線圖，表明在例5中各種情形下磷(P)與氮(N)的行為隨稀釋程度和老化時間的變化;
圖16與17為曲線圖，表明在例6中按分批稀釋處理時，魚池中水的磷(P)與氮(N)的行為以及透光率;
圖18為曲線圖，表明在例7中按連續流動稀釋處理時水中的磷(P)與氮(N)的行為以及透光率。
本發明將參考以下例子加以更詳細的說明，但應理解本發明并不受這些例子限制。
作為含于待處理之水中的物質而被去掉、減少、消除、反增生或回收的，可列舉出陽離子、部分陽離子、富營養物質、葉綠素、藻類、細菌、蛋白質以及痕量的油或類似物質。
作為給予質子的方法，可資利用的有電解水法、離子交換法、電子碰撞法和提供含結晶水之釋放質子的結晶礦物方法等。至于含結晶水之釋放質子之結晶礦物，可資利用的例如有天然方石英、人造方石英、沸石和類似礦物，但任何具有易于釋放出質子之特征的礦物都可以采用。
在以下的例子中，所用到的提供含結晶水之釋放質子的結晶礦物的方法，乃是最容易、最廉價和最安全的供給質子的方法。
所釋放出的質子量可以根據含結晶水之釋放質子的結晶礦物之種類、擬處理的水量以及處理時間等自由調節。
釋放出的質子量，即它是高還是中/低質子濃度，可以通過測量水系的pH值來確定，此種水系中已配備有方石英之類的釋放質子的物質且已使其靜置24小時。換言之，釋放出之質子量要根據處理水的目的這樣控制，即，pH值不超過5.5時為高質子濃度，而pH不小于5.6時為中等或低質子濃度。
磁場是用常規方法提供的，即把水流通路本身置于一線圈中并激勵此線圈(通過改變此線圈的匝數可以自由地調節其磁通密度);或者將一磁性材料或磁性存儲件依下述方式置于此水流通路中，使磁通的分布平均化，得以使運行中的水之阻力減至最小(參看圖1、2、3與4)。至于此種磁性材料或磁性存儲件，采用的是一般的磁性材料與鐵氧體、鋇鐵氧體或類似材料，而以塑料為粘合劑。使用塑料是合宜的。
在下述的例子中，是通過鐵氧體磁鐵與磁鐵片(鐵氧體壓制成的片狀物，將N極與S極按網狀態布置)來形成磁場的。
至于質子與磁場的提供，則當釋出的質子量為中等或低濃度，而磁場強度低至處理槽中的最大磁通密度約為100-600高斯(以后記作G)之際，含于待處理之水中的物質，特別是陽離子，就絮凝得很快，一部分陰離子(磷酸鹽離子)共同沉淀，而有機氮與藻類等則為絮凝物所吸附而沉淀，同時痕量的油則飄浮到水面上而被分離。
當加多釋放出的質子量，并使磁場強度增至槽中的最大磁通密度為約1000～2000G的高磁場強度之際，此時水中所含的物質，特別是陽離子、磷酸鹽離子、油脂與蛋白質等即成為膠體，從而不會成為細菌的營養源，同時防止了有機物質沉淀到封閉水域之底部或能減少此種沉淀量。應用能釋出超量的質子的合成沸石，也可以和提供強磁場的情形相同，加速這種膠態的分散過程。應該根據處理水之目的來選擇釋放出的質子量或釋放出的質子量與磁場強度。
依據本發明，能夠直接地為擬處理的水提供質子或質子與磁場而處理含于此擬處理的水中之物質，也可以將在先前處理中所獲得的處理過的水，即所謂處理用水，稀釋和分散到擬處理的水中，以便處理含于擬處理之水中的物質。在上述處理方法中，為產生用于加速沉淀物的形成與生長的沉淀核而需之陽離子，在此處理用水或擬處理之水中的量不充分時，則最好在處理過程中添加少量的陽離子。當含于擬處理之水中的物質為葉綠素與藻類時，則可通過釋放中等數量或少量的質子，以及采用約100至600G的中或低磁場強度作為裝有方石英的處理槽中的最大磁通密度，使上述物質快速絮凝而完全除去。
當擬處理之水為硬水，即此擬處理之水中所含物質主要為鈣離子與鎂離子等一類堿土金屬離子時，則可通過釋放出中等數量或少量的質子，以及采用約100至600G的堿場強度作為處理槽中的最大磁通密度，來絮凝這類離子并將其完全除去，從而把硬水轉變成軟水。
當擬處理之水中所含物質為蛋白質和/或痕量的油時，要是通過直接提供含結晶水的釋放質子的結晶礦物來給予質子時，則所供給的質子量要據如下指標來確定，即當以磁場強度約為100至600G的中或低場強來作為處理槽中的最大磁通密度時，擬處理之水的pH屬于中性范圍。
當通過溶解有質子的水(在稀釋處理情形中)來提供質子時，這種處理用水(溶解有質子的水)所需添加的數量應據下述指標確定，即在添加有此種處理用水的被處理之水中的pH，要比原始的未處理之水中的pH低0.3以上，而此被處理的水經稀釋后的pH處于6至8的中性范圍。
在用含結晶水之釋放質子的結晶礦物來直接或間接地給擬處理之水提供質子以分離出油的兩種情形下，所給予的質子量要據下述指標確定，即乳狀液要消失，油滴要完全漂浮在水面上，而所處理之水的pH是在前述裝圍內。
采用上述方法，當蛋白質被絮凝，聚沉與沉降時，痕量油則是漂浮于水面上被分離并除去。
為了分離并回收水中的蛋白質，最好是把由添加溶解有質子之水稀釋過的擬處理之水的pH調節至6.9～6.0。為了分離出痕量的油，采用添加溶解有質子的水，即采用稀釋處理的方法最為有效。
各種元素的分析法則根據環境局的13號通告或JIS(日本工業標準)的分析法。
更具體地說，各種元素按下述方式分析。
1.磷將鐵的標準液加到待分析的樣品上，且進一步向其中添加硝酸與高氯酸。將此混合物加熱、濃縮并完全氧化，使有機物分解。用鉬藍法對磷進行定量分析。
2.氮用基耶達-奈斯勒(Kjeldahl-Nessler)測氮法或戴氏(Devorda)還原性基耶達-奈斯勒法，對樣品進行比色分析。
3.鈣將鹽酸加到待分析的樣品上來溶解絮凝物，并用原子吸收光譜法作定量分析。
4.鈉與鉀將鹽酸與水加到擬分析之樣品上，并用原子吸收光譜法作定量分析。
在以下各例中，N(作為NH+4)、P(作為PO3-4)、R.N、R.F、COD與SS分別指作為NH+4存在的氮、作為PO3-4存在的磷、有機氮、初始值、化學需氧量與懸浮的固體物質。
T.N、T.P與T.Fe中之T代表“全部的”。T.N即代表全部的NH+4型的氮(N)、有機氮(N)與NOX型的氮(N)。T.P則代表全部的磷酸鹽化合物與有機磷(P)，而T.Fe則代表全部的鐵(Fe)、Fe++與Fe+++型的鐵(Fe)。
例1T.N、T.P與COD等隨時間的變化
在例1的實驗中，考察了具有表1所列成分與化合物值的生活污水Omi-hachiman城市住宅開發公司污水處理廠的未處理的水、初級理過的水與二級處理過的水)。
將100克的方石英與場強為340G的磁鐵片一起裝入-500毫升的燒杯內，使它們與此燒杯的內壁緊密接觸。將400毫升未處理的水、初級處理過的水與二級處理過的水，分別加入相應的燒杯中。處理的時間順序確定在30分鐘至300分鐘之間，業已達到此預定處理時間的試樣立即通過GF/F濾紙過濾，測定此已分離掉絮凝物的濾液來研究T.N、T.P與COD等隨時間變化的行為。結果示明于表2。
(表中的tr表示痕量)從上述結果看出，在未處理過之水中的T.P、NH4、T.Fe與Ca顯示出隨時間延長而減少的有利傾向。但是，在共存有NO-3(在初次處理水與二次處理水的情形)時，除了對于磷(P)外，未觀察到有顯著的處理效果。上述未處理過的水則含有大量的有機SS(懸浮固體)，它們隨著時間的延長而呈膠態，且看來是增加COD值的原因。
例2T.P、NH+4與COD等隨最大磁通密度的變化。
在例2的實驗中，研究了已生有綠藻的Kakogawa城附近的灌溉池水。將800毫升的這種待研究的水加入一內裝有200克天然方石英的1升燒杯內。分別對這樣一批燒杯中的水施加180、600與1000G的最大磁場強度，然后都經120分鐘后過濾。對各種濾液測量了總的磷(P)與總的NH+4以及COD值與透光率。實驗結果列于表3。
在以上實驗結果中，在很廣的磁通密度范圍內觀察到磷(P)量存在著減少的有利趨勢。另一方面就NH+4看來，它在低磁通密度范圍內，類似于前述蚜追從Χ始跎僨魘 而在高磁通密度范圍，可以認為作為絮凝物分離出去的NH+4，將隨著時間的延長再次變為膠態形式而保留下來。
例3軟化的硬水例對受到了硬水有害影響的下述樣品中進行了除去鈣離子的實驗。同時也以絮凝物的形式，按鈣離子情形的相同方式除去了痕量的鎂離子等。
(樣品)(a)Koyama公園的池水(地下水)，(b)Higashi-Kakogawa區的農業灌溉池水(含生活污水與農業污水);
(c)瑞典，Bosta-Trask地區的水(湖水);
(d)瑞典，Bruns-Viken地區的水(生活用地下水)。
將100克的方石英(日本秋田港地區產)與場強為240G的磁鐵片分別置于一批300毫升的燒杯內，各加250毫升的樣品水。各燒杯均覆蓋以表玻璃，靜置24小時后通過GF/F濾紙過濾收集50毫升的濾液并加上10毫升的鹽酸，按100毫升的恒定體積進行原子吸收光譜法測定。
收集適量未處理的水，依同樣方式用原子吸收光譜法測定。未處理之水以及已處理之水中的鈣(Ca)離子濃度列于表4中。
在以上實驗中，任何飲用水都顯示出除去鈣離子的一種有利傾向，顯然，本發明的方法可用于軟化硬水并可防止鈣沉積到水管或其它類似容器上。
例4由各種未處理的水所稀釋之各種處理用水中的離子行為。
1.處理用水的配制(a)由污水與海水組成的處理用混合水可以認為，流入內海、海灣、池、湖與沼澤中的富營養物質都起源于一般的生活廢水。在這些實驗中，假定生活廢水是流入海水，將混合的海水(生活廢水與海水按1∶1比例混合)注入采用了方石英與磁場(220G)的處理槽中，使其靜置24小時，由此配制出處理用水。用于稀釋處理目的的按上述方法獲得的處理用水，它的pH定在約5.0至3.0之間。
(b)處理用污水按照上例(a)中相同的方式，處理了生活污水處理廠(Himeji城，Ebuna住宅發展公司水處理廠，廢水量600噸/日)排出的廢水。此外，還將鋁凝膠加到處理用水(a)與(b)中制成處理用水。
2.研究經稀釋之水中的離子行為為了研究經稀釋之水中的離子行為，將未處理的水(即排出的廢水、混合的海水與海水，在下表中分別稱之為A、B與C)與處理用水(即其中混合有排出的廢水及海水的處理用水)、處理用的污水、以及在其中添加有鋁凝膠的前兩種處理用水〔表中以后分別記為a，b，a+gel(gel代表凝膠體)與b+gel〕如表5所示組合，形成絮凝物，考察了磷(P)與氮(N)及其它陽離子的行為。
各種情形的處理時間均為60分鐘。混合60分鐘后，測量了各濾液中所保留的每一種離子的濃度，并用洗瓶將沉積物沖洗入原來的燒杯中，測量此沉積物中各種離子的濃度。
(測量結果)測量結果示于圖7至14的曲線圖中。在圖9至14中，符號○指未處理之水(稀釋前)的特征值。其中的第一個指初始值，而第二個指處理后的值。
同樣，符號●指稀釋后水的特征值，其中的第一個指初賈擔詼鮒復硨蟮鬧怠 盡管pH趨向酸性側，但CaO、MgO、Al2O3、Fe3O4與ZnO以及類似物質的陽離子會沉淀，且特別是處于弱酸態時，形成氫氧化物的離子將急劇地發生反應，足以快速地使得Al2O3、Fe3O4、ZnO與類似的物質沉淀。在堿性側產生氫氧化物的離子(例如MgO與CaO之類)則經過一段長時間逐漸成為沉積物。磷(P)與氮(N)的除去與上述這些陽離子的沉積緊密相關，這里P是作為PO-34而N是作為NH+4的，它們特別是在酸性側急劇地與產生氫氧化物的痕量(1至5ppm)陽離子化合，由此而從水中除去。因此，為了從水中除去磷(P)與氮(N)，極其重要的是要讓處理用水和/或待處理的水中含有適量的陽離子，同時需存在適量的質子與磁通密度。如果在此種處理用水和/或待處理之水中并不存在適量的陽離子，則可以通過添加1至5ppm的鋁(Al)離子(鐵(Fe)離子等)，來完全除去磷(P)。采用普通的堿處理法難以分離出不超過幾個ppm的作為氫氧化物的陽離子。
要是在處理用水和/或待處理之水中含有適量的陽離子，即使經稀釋后的pH達到6.5至6.8，也會足夠快地生成絮凝物來達到這一應用了采取圖6所示稀釋法的實驗設備，待處理的水與處理用水分別以1500毫升/小時與150毫升/小時的流量連續地流送。作為待處理的水，采用了魚池水與排出的廢水(Ebuna住宅開發公司的污水處理廠排出的廢水);而作為處理用水則有a排出的廢水+海水;b排出的廢水，以及b+gel;添加有鋁凝膠體且按例4同樣方式處理過的排出的廢水。待處理的水與處理用水是在一混合槽中自然地混合，以在上述沉降槽中產生絮凝物與沉淀出沉積物。使上面的清液流出而獲得處理過的水，并測量了以下各數值。把在收集各種水時通過分析獲得的數值用作為各個初始值。在除去磷、氮和藻類方面(代之以透光率)可獲得的滿意結果，有一些給出在圖18的曲線圖中。有關此種連續流動稀釋處理的實驗結果列出在表7中。
按照表6進行了老化實驗。結果示明于圖15中的曲線圖中。
分析中，讓生成的絮凝物通過GF-F濾紙過濾，并測量了留在濾液中的T.P與T.N，用以考察有效類別的處理用水，有效的稀釋時間與老化效應。
如圖15中的曲線圖所表明1.在混合水+處理用混合海水的情形，即使經100倍稀釋，也顯示出有良好的除磷(P)與除氮(N)效果，同時，老化處理也產生出良好的除害效果。
2.在排出的廢水+處理用排出的廢水之情形中，僅僅是經10倍目的。
顯然，通過稀釋處理能使磁場的分布在很大程度上得到均化。
例5各種情況下的磷(P)和氮(N)與稀釋程度和老化時間的關系。
作為擬處理的水，用到的是按1∶1混合的海水與排出的廢水(Himeji市政Ebuna住宅開發公司污水處理廠排出的廢水)之混合海水，以及該廠排出的廢水。
處理用水是按照例4中的相同方式處理上述的混合海水、上述的排出的廢水以及添加了2.65ppm當量鋁(Al)凝膠體的上述廢水。為了研究經稀釋的處理過的水的離子行為，將表6中的擬處理之水((即排出的廢水與混合海水，下表中分別稱作A與B)與處理用水((即處理用海水、處理用排出的廢水與通過添加2.65ppm當量之鋁凝膠體處于處理用排出的廢水中而獲得的處理用水，下表中分別稱作為a、b與c)混合，形成絮凝物，并考察了磷(P)、氮(N)與其它陽離子的行為。稀釋再結合上老化處理才顯示出除磷與除氮效果。
這一事實表明，蜓衾胱迂遜Χ賈氯鄙儷粱锝檔土宋接氤粱芰Α 3.在排出的廢水+添加有鋁凝膠體的處理用排出廢水的情形，即使是稀釋100倍也顯示出非常良好的除磷效果，由于質子量很小，即令在pH為6.7至6.8時，處理后仍含有適量的陽離子。除氮效果也是良好的，顯示出類似于老化效應的趨向。
由以上結果已可證明，要是擬處理的水和/或處理用水含有或使其含有適量的陽離子，同時提供了適量的質子來絮凝這些陽離子，則還可進一步提高稀釋的程度。
例6在分批稀釋處理下，魚池中水的磷、氮與透光率。
采用魚池中的水作為待處理的水，至于處理用水，采用“a”排出的廢水+按例4中同樣方式處理過的海水，“b”按例4中同樣方式處理過的魚池水;“b+gel”(gel表凝膠體)魚池中的水添加有鋁凝膠體且依例4同樣方式處理過。稀釋10倍與20倍時磷(p)與氮(N)量以及透光率隨時間變化的情形示明于圖16與17中，其中還示明了磷(P)與氮(N)的行為以及透光率與稀釋程度的關系。
例7在連續流動稀釋處理下之水的磷(P)與氮(N)之行為與透光率。
圖6示意性地表明了采用本發明之處理用水來稀釋水以對水進行處理的一種實驗設備。參考數字(14)表示未處理之水的貯存槽，(1)表示采用了方石英與磁場的處理槽，(15)表示海水與處理用水的貯存槽，(16)表示處理用水的貯存槽，(17)表示定量泵，(9)表示混合槽而(10)為沉降槽。
將例7中通過連續流動稀釋處理實驗所獲得的處理過的水，再次用魚池水稀釋(×11×5至×11×50)，并按相同方式生成絮凝物。測量了上層清液中留下的T.P與T.N以及透光率，由此肯定了，經11倍稀釋的處理用水是繼續有效的。從圖17中下面所示的結果可以證明，這種稀釋過的水仍然保持有適當的能力。
至于處理過之水的效果，在排出的廢水+排出的處理用水+50ppm凝膠體的情形，可以有效地稀釋550倍，而在排出的廢水+海水的情形，可以有效到稀釋330倍。
據以上所述例子，得到了以下結論1.當一種元素在較低的pH形成氫氧化物時，它就具有較高的去離子傾向，但即令是一種在堿性側產生氫氧化物的元素，它也會顯示出去離子的傾向，盡管本發明的處理是在弱酸側進行的。
2.本發明之方法中所表明的這類傾向與效果，對于分批處理與連續處理都是相同的。
3.在本發明的處理工藝中，即使是痕量的陽離子也會成為沉積物，而這樣一種傾向對于在低pH范圍內產生氫氧化物的元素來說尤其顯著。
4.在本發明的處理工藝中，陽離子首先被絮凝，而一部分陰離子則在陽離子絮凝時為此種陽離子所吸附與絮凝，由此而從處理的水中除掉此陽離子與部分陰離子。
5.在本發明的處理工藝中，極為重要的是，在擬處理的或已處理過的水中，應含有適量的陽離子(最好是1至5ppm的鐵(Fe)、鋁(Al)或類似元素的，但此數量可以變化且可采用其它離子)。因此，取決于處理時間、處理方法、擬處理之水中的離子濃度、處理過之水中的離子濃度等因素，在必要時，可在處理之前添加痕量的陽離子。
6.在本發明的處理工藝中，極為重要的是，在擬處理的水中或處理用水中，應根據陽離子量存在必需數量的質子(處理用水中的質子量，根據預定的pH，由處理時間控制)。
7.考察通過連續流動處理所獲得之處理用水(經稀釋11倍)中仍然保持的凈化處理能力，結果發現，在處理用的排出廢水中之質子，直至稀釋50倍(對于未處理過的水，則為稀釋550倍)仍然保持有作用;而在處理用的混合海水中所保留的離子與質子這兩者，直至稀釋30倍時仍起作用。當處理用的混合海水稀釋50倍時，所除去之磷(P)的比例大大降低了。看來這是由于陽離子的數量因絮凝物的形成而變得不充分所致。
8.比較此連續流動處理實驗前后的特征值，發現在除去BOD、T.P、藻類與葉綠素A方面是非常有效的。
例8處理含有粘土的工程廢水、河水與泉水(即含膨潤土的水)(樣品水)1.Shimane縣的河水。
2.Shimane縣山岳間一建筑工地的廢水。
3.Aichi縣山岳間一建筑工地的廢水。
4.Himeji城地下建筑工地的廢水。
5.Himeji城效區山麓間一建筑工地的廢水。
6.Kanuma城的泉水7.Hiuga城的泉水(處理用水的配制)將1公斤的方石英(粒度＜20毫米)浸入于1升的普通河水中，于230G的最大磁通密度下在處理槽中保持6小時，以便使質子充分溶于水中。這樣得到的水之pH為4.5。然后將3ppm的鐵(Fe)離子或鋁(Al)離子加到此溶解有質子的水中來調節其功能，這樣便配制成了此種處理用水。
(實驗級別)1.樣品水1，1升+處理用水2毫升2.樣品水2，1升+處理用水5毫升3.樣品水3，1升+處理用水5毫升4.樣品水4，1升+處理用水3毫升5.樣品水5，1升+處理用水3毫升6.樣品水6，1升+處理用水2毫升7.樣品水7，1升+處理用水2毫升(處理含粘土之水的實驗)將依據本發明配制成的處理用水添加到含有溶解狀態或膠態之膨潤土的泥漿水中，即含有粘土的工程廢水、河水與泉水中，添加后的pH使處于中性范圍。添加之后立即輕輕混勻，兩分鐘后再混一次。然后靜置此混合物，使水中所含的陽離子與膠態物質轉變為絮狀沉淀物同時沉降。這樣形成的沉淀物之沉降速度為30厘米/30分。至于在沉淀槽中的仃留時間，60分鐘是足夠的。
(測量結果)處理前后各種成分的測定值列出在表8中。處理后的值為上層清水的分析值。
根據以上實驗結果可以看出，為了從含有膨潤土的水中沉淀和形成出堿土金屬離子，老化處理是必須的，而其它的陽離子、懸浮的固體物質與膠態物質則很快轉變為待分離與除去的絮狀沉淀物。
例9通過連續下流混合來處理污水(樣品水)Himeji城的污水處理廠的輸入水(處理用水的配制)將10公斤的天然方石英(粒度＜20毫米)，浸入15升上述處理廠排出的廢水中，在槽中于230G的最大磁通密度下保持6小時，以使質子充分溶于水中。在這種情形下水的pH為4.45。然后將2ppm的鐵(Fe)離子或鋁(Al)離子加入此溶解有質子的水中，調節它的功能。這樣就得到了溶有質子的處理用水。
(通過連續下流混合來處理污水)將未經處理的污水與溶解有質子的水分別從-100升容量的未經處理之水的貯存槽與一處理用水的貯存槽，各自以10升/小時與0.02升/小時的速率連續下流。然后將此混合的水引入-20升容量的沉淀槽中進行沉淀的老化與沉積處理。由于此上層清水(污水經處理后)是連續地排出，就用泵唧方法從此沉淀槽的底部將沉淀物抽出，并引入一泵濾槽，由這里分離開過濾了的水與沉淀物。此過濾了的水被排出。
此沉淀槽的容量設計成具有200%安全系數的120分鐘的仃留時間。
(測量結果)由環境測量站測量了此未處理的污水與處理后排出的廢水的各種成分值。
測量的結果示明在表9中從以上實驗結果看出，對于BOD、T.P、SS、結腸桿菌菌落以及能見度具有特別高的處理效果。
在污水的常規處理方法中，在進行了初級與二級的生物處理之后，常需作三級處理(采用聚集沉淀法與磷酸鈣結晶法等)，而脫磷的性能是頗為不夠的。按照本發明，只需用一級處理就夠了，而且操作簡便，所處理過之水的級別相當于通過三級處理的水。
特別是在脫磷效果方面，本發明遠比任何其它方法優越。經處理過之水是無色的，顯示出良好的透明性而且幾乎是無氣味的。
例10分離鐵(Fe)、鋁(Al)離子和/或SS在本實施例中所用之含結晶水的釋放質子之結晶礦物，乃是粒度小于20毫米、含87.2%SiO2與5.25%結晶水的天然方石英。
至于樣品水，采用了(1)Ii河中的流水、(2)Izumo地區的泉水以及(3)制鐵工藝產生的廢液。
將1公斤的天然方石英浸入1升的水(pH7.0)中3至8小時，使質子得以充分釋放并溶解于水中。在此情形下，溶解有質子之水的pH，當此種水歷經3小時后為5.20，而在8小時后為4.05。然后抽出此種水，取10毫升與100毫升分別加入一升的上述(1)、(2)與(3)各種樣品水中。讓此種混合物靜置60分鐘。
在上述之水與溶液中的鐵離子、鋁離子或SS，在它們轉變成絮狀沉淀物的過程中徐緩地沉淀。所得到的上層清液表現出明顯地除去了鐵離子、鋁離子或SS的傾向。
根據JIS(日本工業標準)中的相應方法分析了此種未處理之水及溶液以及處理過之水及溶液。分析結果列于表10。
例11分離痕量的油(樣品水)采用Himeji市政污水處理廠接收一側處的含有痕量油的水(供給質子的方法)將10公斤的天然方石英(粒度＜20毫米)浸于從上述處理廠槽子中排出的15升廢水中6小時，最大磁通密度為230G，使質子充分溶在水中，此時水的pH為4.45。將2ppm的鐵離子或鋁離子加入到此溶解有質子的水中，調節其性能以獲得溶解有質子的這種處理用水。通過這種溶解有質子的水來提供質子。
(分離痕量油的實驗)將溶解有質子的水與含痕量油的未處理之污水，分別以0.02升/小時與10升/小時的速率連續地流下并混合，引入一沉降槽中。污水中的各種離子、懸浮固體物與細菌等均作為絮狀沉淀物而沉積出。當這種絮狀沉淀物靜置120分鐘后，痕量的油即上升到液面而被分離。
處理前后各種成分的測量值列出于表11。
(附注處理后的值即上層清水的測量值)
從表中的正己烷提取物與能見度的數值可以看出，以溶液態或乳狀液形式存在于未處理水中的油，按很高的比例被分離與除去。
例12痕量油的分離(樣品水)一般的污水，含有部分為乳狀液而部分為可溶于水之油的痕量油。
(提供質子的方法)1.由例11中溶解有質子的水來提供質子。
2.由天然方石英來直接提供質子。
(分離痕量油的實驗)1.將2毫升溶解有質子的水加入到1升樣品水中混合。將此混合液調至pH7.1，靜置60分鐘，讓生成的沉淀物沉積，使油作為油滴上升到液面。
2.將500克天然方石英(粒度＜20毫米)浸入1升的樣品水中，讓此兩者在230G的最大磁通密度下于一槽中靜置120分鐘。處理后的pH調至6.4，而痕量的油即作為油滴上升到液面并被分離。
(測量結果)對上面1與2中未處理的水與處理的水測量了pH、正己烷提取物與濁度。測得的值列于表12。處理后的值為上層清水的測量值。
由于油系痕量，正己烷提取物在任一種樣品水中均小于0.5ppm，在處理之前或之后的特征值未發現有差別，但從油滴上升到液面與濁度這兩方面看來，處理前后的數值間存在很大差別，由此斷定以溶液或作為乳狀液形式而含于水中的痕量油已被分離。
在上述分離法1與2的任何一種中，在水中所含的痕量油作為油滴升至液面而被分離的同時，乳濁液即行消失，因而油從水中完全分離。由以上濁度的測量值可以看出，上述分離法1(稀釋處理法)用于分離以溶液或乳狀液形式含于水中的痕量油最為有效。
例13分離蛋白質和痕量的油(樣品水)1.含蛋白的水。
2.加工魚的水(包括海水)。
3.加工食品的水(含水溶蛋白的水)。
4.含植物蛋白的水。
(提供質子的方法)將10公斤的天然方石英(粒度＜20毫米)浸于15升由一污水處理廠的槽中排出的廢水中，在最大磁通密度為230G的條件下靜置6小時，使質子全面地溶解于水中，這樣獲得之水的pH為4.45。將2ppm的鐵離子或鋁離子加到此溶解有質子的水中，調節其性能以獲得這種溶解有質子的處理用水。由此種溶解有質子的水來給出質子。
(分離蛋白質與痕量油的實驗)將1至5毫升的上述溶解有質子的水添加到一升的以上這四種樣品水中混合。將此類混合物調至pH為6.1至6.8的范圍，靜置60分鐘使熟化沉淀。通過沉降分離出蛋白質，同時痕量的油作為油滴上升到液面而分離。作為已處理之水測量了上層清水。
在這一處理中，pH用溶解有質子之水調節，而水中所含的蛋白質與其它物質被沉淀出。為了斷定是否能用任何其它方法調節pH使沉淀生成，采用了0.1NHCl、L-抗壞血酸〔10%重量/體積〕與1NH2SO4調節了pH，但并沒有沉淀物形成。由這一事實可以有定，含于水中之蛋白質沉淀現象乃是只能通過上述提供質子之方法來生成的一種反應。
(測量結果)處理前后之各種成分的測量值列出于表13。處理后的值乃是上層清水的分析值。
在以上任何一種已處理的水中，都形成了良好的蛋白質凝結沉淀物因而能夠從水中分離出并回收蛋白質(回收百分率為92～95%)。
關于少于0.5ppm的痕量油的分離，它的精確數值無法測量，但它的分離可從油滴上升到液面與濁度顯著降低這一事實得到證明。
從含植物蛋白之水的正己烷提取量在處理前后測量值的差別，可以明顯地看出痕量的油得到分離。
例14
圖1至4表明了本發明之設備的實施例。圖1所示的一種凈化水設備利用水管(1)本身(水通道管)作為處理槽。線圈(2)繞在此水管(1)上，受到激勵為此管內提供磁場。磁通密度由該線圈的匝數予以確定。方石英(6)置于水管(1)內，在線圈(2)的外側設有一絕緣套(5)。使未經處理的水流入水管(1)內，同時激勵上述線圈來提供磁場以凈化流入的水。從清洗噴嘴(4)周期性地噴入2至5公斤/平方厘米的空氣流和/或水，來清洗此方石英與類似物質。在過濾槽、沉降槽或感應分離槽中分離出絮凝物。
圖2表明的一種凈化水的設備利用水流槽(1)作為處理槽。這是采用了圓盤形磁鐵片(3)(塑料粘合劑+鐵氧體磁鐵)的一種設備例。在磁鐵件(3)中，N極與S極交替布置，這些磁鐵片間的最佳距離為2至3厘米。它們的排列方式要使得磁通密度的分布盡可能均勻。磁鐵件(3)的構型、磁通密度與類似的性質可自由地選擇，只要適合產生強磁場的目的即可。使未處理之水(7)流入水流槽(1)來接受處理。由清洗噴嘴(4)周期性地噴射入2至5公斤/平方厘米的空氣流和/或水，以清洗附著于方石英(6)與磁鐵件(3)表面上的絮凝物。生成的絮凝物與膠體按照圖1所示的同樣方式處理。
圖3所示的一種凈化水設備利用水流槽(1)作為處理槽，其中所設置的磁鐵片(3)的N極與S極交替地布置。磁鐵片(3)為一種磁化的塑料片，能夠為之提供可自由選擇的磁通密度。N極與S極按網狀排列，這些磁鐵片(3)之間的最佳距離為2至3厘米。它們適合于低磁場并加速絮凝物的生長。市售的多種這類產品具有180至160G的場強。由清洗噴嘴(4)周期性地噴入2至5公斤/平方厘米的空氣流和/或水，以清洗附著于方石英(6)與磁鐵片(3)之表面上的絮凝物。生成的絮凝物與膠體按圖1所示的同樣方式處理。
圖4所示的一種凈化水設備利用了水流槽(1)作為處理槽，同時采用了磁鐵片(3)。方石英裝在可旋轉的方石英保持圓筒(8)(方石英筐)中，后者的主體部分呈網狀。可以根據需要來旋轉此用于保持方石英的圓筒，從而能方便地將附著于此方石英表面上的絮凝物除去。
例15圖5與6示明了本發明的實施例。圖5則示意性地表明了采用稀釋法的處理水之方法。
在圖5中，參考數字(1)指一利用了方石英與磁場的處理槽。在此處理槽(1)中釋放出質子同時存儲磁場，由此獲得處理用水。參考數字(a)表示一混合槽，其中的質子與磁場的分布是均勻的，陽離子的絮凝逐漸發展，磷酸鹽離子被沉淀，有機態的氮被吸附與沉淀，同時藻類也被吸附與沉淀。參考數字(10)指用于進行沉淀、老化與分離的沉降槽。參考數字(11)指一過濾槽，磷酸鋁、磷酸鎂、磷酸鈣、氮磷酸鹽、磷酸鐵、有機態的氮、銨鹽與藻類之類的沉積物在槽中得到分離。這些分離出的物質在一沉積脫水槽(12)中脫水，用作農肥。參考數字(13)表示一陽離子添加槽，需要時用來將陽離子加到處理槽(1)或混合槽(9)中。
圖6示意性地表示了采用此種稀釋法的一種實驗設備。
在圖6中，數字14、1、15、16、17、9與10分別指一未處理之水的貯存槽、具有方石英與磁場的處理槽、海水與處理過的水之貯存槽、處理過的水之貯存槽、定量泵、混合槽與一沉降槽。在此實驗設備中，采用Ebuna住宅開發公司排出的廢水作為未處理的水。此種未處理的水在具有方石英與磁場的處理槽1中進行處理，經處理后，其中的一部分引入到海水與處理水的貯存槽15中，作為Ebuna住宅開發公司排出的廢水(50%)+海水(50%)組成的混合之已處理的水;而其余部分引入到已處理之水的貯存槽16中，作為Ebuna住宅開發公司本身的已處理過之排出的廢水。這兩種已處理過的水按150毫升/小時的速度，通過定量泵，分別引入兩個混合槽(容量分別為1.8升與4.5升)(9)中。另一方面，采用排出的廢水A2與魚池B2中未處理之水作為未經處理的水。將Ebuna住宅開發公司未經處理的排出之廢水，引入含有上述混合好的已處理之水的1.8升容量的混合槽9(A3)中;而將魚池中未經處理之水引入含有該公司已處理之水的4.5升容量的混合槽9(B3)中，兩者的引入速度均為1500毫升/小時。在此混合槽9中，完成了陽離子的絮凝、磷離子的共同沉淀、有機氮的吸附與沉淀以及藻類的吸附與沉淀。在沉降槽10(A4、B4)中完成沉淀、老化與分離，同時排出凈化的水。
工業上的適用性從上面的闡述中可知，根據本發明的水處理工藝，能夠凈化所有環境下的水、軟化硬水或回收有用的物質，而且是通過選擇釋放的質子量或選擇釋放的質子量與磁場強度這樣一種簡單作業方式，便能自由地處置與控制。這樣，本發明的工藝便具有以低的設備成本與運行費用來處理水的經濟效益。
根據本發明，通過選擇質子的數量或選擇質子的數量與磁場強度，便能夠去掉、減少、消除、抑止增生或回收磷(P)、氮(N)與其它的陽離子、部分陰離子、富營養物質、葉綠素、藻類、細菌、蛋白質與痕量的油等。
本發明的處理方法會帶來很高的實用價值，因為幾乎不會夾雜有由采用吸附劑、絮凝劑、中和劑、氧化劑、還原劑或類似處理劑或者施行生物處理時所帶來的次生污染物質，而且所產生的污泥量也很少。
采用本發明的這種水處理方法，能夠軟化硬水和除去工廠排出之廢水或類似污水中所含的痕量重金屬或類似物質。同樣，這種方法還能分離出和回收污水內所殘余的蛋白質或痕量的油。本發明還能分離出以乳狀液形式含于待處理之水中或溶解于其中之痕量的油，而這是過去即使用離心法也很難分離的。
由本發明之水處理方法所獲得的高度活性的水，抑制了從鋼管的內壁溶解出鐵，也抑制了氫氧化鐵的產生，從而防止了由于氫氧化鐵沉淀物于管內沉積而導致管的內膛變窄或使管道堵塞。
在按照本發明處理過的水中，細菌的活性受到抑制，同時阻止了綠藻或類似物質的生成。
當污水中含有適量的鐵離子和/或鋁離子時，就可以表現出對綠藻的絮凝效應和對NH4型的氮、有機形式的氮、PO4與類似物質的高度吸附與沉積效應。
通過用待處理水對本發明得到的已處理的水(即處理用水)進行稀釋，必要時輔以陽離子，就能從此待處理之水中除去陽離子、部分的陰離子、葉綠素、藻類與類似物質。
當通過稀釋此種處理用水來凈化與之結合的待處理之水時，就能借助于處理少量的待處理之水來凈化大量的待處理之水，而且由于這種處理方法很完善，能夠不用任何化學試劑或動力來從事凈化，因而它在凈化寬范圍的水域時尤其能顯示出很大的本領。
本發明之處理方法盡管具有上述多方面的優點，但操作簡便、設備成本不高而運行費用又低，從而對水處理領域作出很大貢獻。
權利要求
1.一種處理水的方法，其特征在于為待處理之水提供質子或者提供質子與磁場，通過控制所釋出的質子量或釋出的質子量與磁場的強度，使水中所含物質通過絮凝、吸附到絮凝物上、膠體化、漂浮到水面上分離等方式，得以去掉、消除、抑制增生或回收。
2.如權利要求1所述的一種處理水的方法，其中所述的提供質子是通過提供含結晶水的釋出質子之結晶礦物來實現的。
3.如權利要求2所述的一種處理水的方法，其中所述的含結晶水的釋出質子之結晶礦物為方石英。
4.一種處理水的方法，其特征在于為待處理之水提供質子或者提供質子與磁場，通過控制所釋出的質子量或釋出的質子量與磁場的強度，使水中所含物質通過絮凝吸附到絮凝物上、膠體化、漂浮到水面上而分離開來，由此得以去掉、減少、消除、抑制增生成或回收，當在待處理之水中，為加速沉淀物的形成與生長而用到的沉淀核在其形成過程中所需用的陽離子量不足時，則在此處理中添加少量的陽離子。
5.一種處理水的方法，其特征在于為待處理之水提供質子或者提供質子與磁場，通過控制所釋出的質子量或釋出的質子量與磁場的強度，使水中所含物質絮凝化、吸附到絮凝物上、膠體化或漂浮到水面上面分離開來，從而得以去掉、減少、消除、抑制增生或回收，由此而獲得了已處理之水，將這種已處理之水稀釋并擴散到擬處理之水中，便得以處理此擬處理之水中所含有的物質。
6.一種處理水的方法，其特征在于為待處理之水提供質子或者提供質子與磁場，通過控制所釋出的質子量或釋出的質子量與磁場的強度，使水中所含物質絮凝化、吸附到絮凝物上、膠體化或漂浮到水面上而分離開來，從而得以去掉、減少、消除、抑制增生或回收，由此獲得已處理之水，即所謂處理用水，將它稀釋并擴散到擬處理之水中，便得以處理此擬處理之水中所含物質，當在此擬處理之水中，為加速沉淀物的形成與生長而用到的沉淀核在其形成過程中所需用的陽離子量不足時，則在此處理中添加少量的陽離子。
7.用于處理水的一種設備，包括一水流槽或水管(1)，其內裝有含結晶水的釋放質子之結晶礦物(6);安裝在上述水流槽或水管(1)外部的勵磁線圈(2)，或設置于該水流槽或水管(1)內部的磁性材料或磁性存儲件(3);以及一清洗噴嘴(4)，通過它注入空氣或水，來清洗附著于上述釋放質子之結晶礦物(6)以及磁性材料或磁性存儲件(3)表面上的絮凝物。
8.如權利要求7所述的一種處理水的設備，其中所說的含結晶水的釋放質子之結晶礦物是裝在一用于保持此釋放質子之結晶礦物的可轉動的圓筒(8)內，后者的本體部分呈網狀結構。
全文摘要
用于處理水的一種方法與設備，它為待處理之水提供質子或提供質子與磁場，通過控制釋放出的質子量或釋放的質子量與磁場的強度，就能使水中所含物質絮凝化、吸附到絮凝物上、膠體化、或漂浮到水面上而分離開來，由此得以去掉、減少、消除、抑制增生或回收它們。
文檔編號C02F1/48GK1033980SQ8810006
公開日1989年7月19日 申請日期1988年1月9日 優先權日1986年7月11日
發明者西村勤 申請人:阿斯特古股份有限公司