废水处理方法和设备 本发明涉及废水处理领域。特别是，本发明提供一种在冷气候下特别有效的废水处理方法，所述气候例如冬天的高山区域或北部区域所遇到的气候。
在一年当中每时每刻由各地区产生大量废水。术语“废水”是指生活废弃水，即污水管物流，工业污水即工厂、研磨厂、提炼厂和其它工业环境中水的用户排出的物流，商业污水即来自如餐馆之类的服务业和清理业的废水物流。在发达国家，希望将产生的废水100％地以某种方式处理以确保对环境有最小的消极影响。为此，大多数城市已建立了大型污水和废水处理设备。这些设备的建立、操作和维护是非常昂贵的，而且它们具有有限的容量。
如果设计得当，废水处理设备按照流通量有效地操作，并能处理任何给定期间内产生的全部废水。然而，在这样的基础上的有效操作在冬天的数月期间变得较困难，那时沉淀池可能结冰，污水贮留池结冰，河面上结冰，但污水在其中保持流动。许多设备在春季负荷过大，并且感到在春暖时节常常需要释放未处理地或部分处理的废水到环境中(即接收水)。
另外，有一些位于北部地带的地区或区域，在那里污水或废水处理基本上是不可能的，因为必须被贮存过结冰月份的量大大超过了在暖和月份期间可能实际处理的量，以致常规处理设备是不可行的。相似地，有些地区在雪季和冬天虽有较少的永久居住人口，但有非常多的冬季游客。这些居住区不需要夏季高容量废水处理设备，或者必须使现有设备承受高度浮动的季节性负荷。
在北部地区还进行一些工业过程如从油砂回收油，这些过程使用大量的水，这些水不易用常规技术处理。另外，食品加工工业在收获季节后的结冰月份常常有最大的产量，从而在这些月份产生的废水。
关于普通的生活废水处理有四个最主要的方面的考虑。第一，必须考虑要被处理的废水量。考虑最大影响成本：目的是通过废料和营养物与水的分离处理最大量的废水而需最小的投资。
第二，考虑降低废水的氮含量以得到基本不含氮的处理水。氮通常以NH3、NH4+、NO3-或NO2-形式存在于废水中，是一种潜在的污染物，因为它为许多微生物提供基本营养，这些微生物可能存在于预定用于人们消费的水中。
第三，主要是降低处理后废水中的细菌含量到限制量以下，该量一般在每100ml100-1000的数量级。
最后，为了感觉上的水质量的原因，需要降低废水中磷含量。一般以溶于废水中的磷酸盐离子形式存在的磷应当优选保持在约1mg/l以下，优选在0.05mg/l以下，以限制水藻和水生植物的生长，因为水藻会消耗收水中的O2。
从而本发明基本上是无生物的，实现了上述每种基本考虑，并提供一种在冷气候中处理来自居住、商业或工业来源的大量废水的经济有效的方法以生产净化水而不需贮存废水直到暖和天气到来。本发明已经验明且有利地利用一些在低温(零度以下)大气条件下在废水由液体到固体的雾化和相变过程中表明的现象。另外，本发明以一种方法使它不同于以前的所有相对不成功的尝试，这些尝试是在废水处理中利用湿法机械。例如，在题为“造雪过程中的低温污水处理”的论文中，Zapf-Gilge、Russell和Mavinie讨论了冰球或类似结构的未结冰部分中的浓缩杂质效应。然而，Zapf-Gilge等人没有获得可行的结果，发现在所得到的融雪水中有不可接受的高浓度的氮和磷。他们的研究提出了积雪场的按时间顺序融化的部分的处理方法。这样一种处理方法的缺点是它没有提供一种处理废水的方法，它只浓缩了废水中的杂质，并产生排放水的问题。
然而，本发明提供一种处理方法，该方法并不仅仅浓缩营养物和杂质。本发明基本上从废水中除去所有氮，同时使磷酸盐从中沉淀出，成为良好的不溶的碱性盐。另外，本发明的方法在废水中实际上完全避免了细菌的存在。
本发明广泛地涉及一种处理废水的方法，该方法包括在所选择的大气条件下将所述废水喷成雾状以使所述水实现基本上完全的相变。
本发明的另一广泛的方面涉及一种转化废水中可溶的磷酸根离子包括磷酸根离子、氨气、铵离子、钙离子和镁离子的方法，该方法包括在适合于所述废水基本上完全地相变成冰晶或水蒸汽的大气条件下将所述废水喷成雾状，从而在所述废水中pH增加的影响下铵离子生成氨气，而且所述废水中的磷酸根离子与钙或镁离子结合分别成为磷酸钙和磷酸镁并作为不溶性盐沉淀出来。
附图以举例方式阐述本发明。
图1是本发明方法的示意图；
图2是阐明本发明方法的流程/对比图，将其与一些典型的常规废水处理方法进行定量对比。
参照附图，图1图示地阐明了本发明的典型设备和操作。蓄水池4中的未处理的或部分处理的污水经管3泵送到本发明的处理设备中，所述污水按照其中的固体密度和用于处理污水的局部可选择物可以或未进行稍微澄清。设有喷嘴1，该喷嘴优选设在塔2(但不必需)上。该喷嘴是一种压缩空气型水雾化喷嘴，如US5135167中所述的。这些喷嘴与商业制雪操作中所用的那些相比有所改进以确保完全冻结，并极好地应用于本发明中，因为它们能使经过该喷嘴的流体物流喷成细小雾滴。由于流体在从100至500psia的高空气压下从喷嘴中排出，该流体会经受快速的从约500psia到约15psia的压降，引起雾化和高达约8％至10％的水量的直接蒸发。另外，二氧化碳和一些氨气、H2S等这些在所述条件下易挥发的成分会在水形成冰晶之前从雾化的废水滴中逸出。
由于氨气挥发，氨、NH3和铵离子趋于如下转化：
(通常)
(NH3挥发)
另外，由于CO2从雾化的废水中跑掉，出现下面情况：
HCO3-→CO2↑＋OH-
HCO3-是CO2在水溶液中的常用形式。从而，由于CO2跑出，水溶液的碱性更大。由于由式：[NH4+][OH-][NH3]]]>
计算的对于氨的平衡常数Kb为1.8×10-5，随着[OH]的增加即随着pH增加，Kb保持不变，[NH4+]会降低，而且由于NH3的连续挥发，[NH3]会绝对增加，但溶液中[NH3]明显降低。
从而，第一个重要的观察结果是本发明的方法导致废水中NH4+浓度的降低。正是NH4+增溶了废水中的PO4--和PO3--。随着NH4+的降低，这些磷酸根离子会趋向于与废水中的Ca++或Mg++化合，并沉淀出，且保持为以碎基质形式的不溶性盐。
从而本发明的方法有效地同时减小NH3、NH4+、PO3--和PO4--的浓度，并且通过选择操作条件，导致基本上完全地结成冰晶，达到本发明目的。另外，本发明的主要特征是基本上完全结成废水晶粒，这使本发明明显不同于本领域中过去的失败的实验。如果结冰不完全，一部分溶液会在冰晶(部分冻结)的整个行程中连续存在。这部分液体会含有活性CO2、NH4+和磷酸盐，必须当场仔细料理。结果大体上是：未处理的水向上，未处理的水向下。然而，本发明的结果是未处理的水向上，基本上纯的水向下，释放出某些无害的固体盐、无害的氨气，释放出CO2。
另外，关于细菌，本发明的方法通过实现雾化的废水的完全冻结，会基本上杀死全部细菌。废水中的细菌是单细胞的水性细菌。正如现有的失败的实验和研究中实现的结果，废水的不完全冻结导致大部分细菌沉积入积雪场中，活性降低但还活着。然而在本发明的方法中，完全冻结成冰晶导致完全杀死残留的细菌，所述冻结过程的膨胀特性直接使细菌的细胞壁破裂，或者渗透压使细胞壁破裂，以及许多种细菌在所述温度以下不能存活。只有所述过程100％改变才可获得这些状况。
由前面的讨论应当理解，本发明的主要方面是通过精细喷雾和废水物流的成核现象形成冰晶的基本上完全冻结。
参照图1，该方面通过下述条件实现：
i)仅在较低温度下进行该过程。低于0℃的湿球温度是必需的，优选与-5℃以下，且进一步优选-10℃以下。
ii)为了最大的冻结效率和分散，从喷嘴1喷出的冰晶应有与水平面成45°的飞行方向。在任何给定的日子里，通过确定风速和调节喷嘴的角度可以确定所述方向。希望有风速大于零至70km/hr，优选5km/hr至70km/hr，使得晶粒和副产物落入已知区域中形成积雪场7，如图1所示。喷嘴与水平面成的角度会从0°至90°改变，并如此选择使得风和倾角的综合结果是等于在无风状态下的45°倾角。优选45°是为确保长的飞行时间，完全冻结和积雪场的最佳分散。
iii)如上所述使用一种压缩空气喷嘴。应注意可能使用液压喷嘴或无空气喷嘴，但不能得到令人满意的结冰效果，而且会需要特殊的成核剂。使用压缩空气喷嘴会产生大量的非常小的液滴，它会经受较好的空气汽提、较好的蒸发8、较好的雾化以及较快地形成大量的小至中等尺寸的冰晶5，该冰晶在着地并形成积雪场7之前会完全冻结。另外，会形成最小的冰颗粒6的细雾，该细雾由于质量小、气动性好和末端速度低不会很快落下。该晶雾会为可以落下且未开始冻结的较大水滴形成成核区。
参照图2，可用本发明方法得到的典型结果与可供选择的方法进行比较。还表明表面排放水或流泻和泄出水即经地表渗入地下水中的水之间，利用本发明的排放水质量差别很小。
在最右侧，定量表示原料污水的参数。在一个污水贮留池中进行的处理示于下一行中，无曝气或喷雾或过滤，喷雾灌注和最后的大规模过滤所达到的典型结果示于下两行中。应当理解，后两个结果常常是争取做到的，而且如果达到，可认为对于二级处理标准来说是令人满意的。下两列数据记录的是由按照本发明处理的废水的表面流泻和地面过滤获得的结果。应注意，在每一方面，本发明的结果满足或超过按照常规废水处理得到的结果(比三级处理好)。
在该图的左边并至底面，本发明的方法与按照本发明处理废水时作用于其上的自然力的影响一起来阐明。即，本发明主要包括在所选择的大气条件下有控制地进行废水的雾化。在进行本发明进行之后出现的自然效果是不受控制的，但申请人在开发本发明时将其说明。例如，会自然出现积雪场的寿命问题。申请人可以且已经阐明了作为该自然过程的结果而出现的有益效果，但这并不是本发明的一部分。
应当理解，上述实例并不用于限制本发明的范围。可以认为对于与本发明有关的领域中的技术人员来说许多改变都是显而易见的，并不脱离本发明的实质。所附的适当解释的权利要求限定了本发明的范围。