除去硫化氢的方法和设备 【发明背景】
本发明涉及水的提纯，更具体涉及除去饮用水中的硫化氢。某些现有技术的硫化氢去除系统是将硫化氢气体排放到建筑物中或室内。虽然另外一些使用了通风装置，但需要较长的处理时间，及将被处理的水储存很长的时间以提供足够的供应。这样长时间地储存被处理的水就使其曝露在污染之中。另一种硫化氢去除系统需要额外的下游处理介质。这些系统使用了处理介质，该处理介质短寿命，或者需要有毒化学品以进行再生。
本发明的目的
因此，本发明的目的是提供从水中除去硫化氢的改进方法和设备。
本发明的另一个目的是提供轻便的硫化氢去除设备，该设备在工厂中组装，作为整体装置运送到家庭或办公室，在这些地方由普通的管道工具将其和已有的供水系统相连。
本发明的再一个目的是提供从水中除去硫化氢的环境清洁地方法和设备，该方法不向大气中排放硫化氢气体。
本发明的又一个目的是提供除去硫化氢的方法和设备，此设备具有高液体流动流量，而无须长期储存被处理的液体。
还有一个目的是提供空气注入除去硫化氢的设备，该设备防止了系统供压泵短路。
再有一个目的是除大气中的氧以外不使用任何化学品就可以从水中除去硫化氢。
其它的目的是在不同的条件和流速下，在环境温度下和在民居和办公室结构中一般遇到的水压下，从饮用水中安全地将硫化氢沉淀为元素硫和其它固体硫颗粒。
再有一个目的是提供一种通过向水中注入空气而除去硫化氢的方法和设备，该方法和设备使用持久、比较经济、容易安装和维修，而且没有在类似的现有技术水处理系统中遇到的缺点。
本发明方法和设备的其它目的和优点将在本说明书和权利要求中看到，本发明的范围将在权利要求中说明。
【附图说明】
图1是本发明液体处理设备的一个代表性实施方案的局部剖面示意图；
图2是本发明液体处理设备的另一个代表性实施方案的局部剖面示意图；
图3是滞留时间和硫化氢浓度图。
本发明的说明
附图1显示本发明设备1的实施方案，用来在间歇或可变速的流动系统中，从含有硫化氢的饮用水中沉淀出全部的硫。加压的玻璃纤维釜或罐2是不透明的并对大气封闭的，它有一个入口3用于流入含硫化氢的水和出口4用于流出不含硫化氢的水。必须不让阳光照到罐的内部，而且高浓度的氧不与玻璃纤维反应，因为氧会与金属罐反应。正如在本发明中所使用的，釜和罐这些词的意思也包括两个或多个串联或并联的液体容器，提供足够的液体容积，以达到尽可能低的如下所述的滞留时间，此时间是处理硫化氢的浓度，以及使系统的有效处理过的液体流出的流量要求所需要的。
未处理水的入口3可以通过罐的底部与入口上升管5相连，该上升管向上伸到接近罐的中心处；或者入口也可以连接在罐顶或侧面。出口4与一根端部开口的出口上升管6相连，此管的入口7与罐底的距离为D。在罐2的底部有一个排水孔8，此孔与开口7的垂直距离为D。出口7也可以通过罐顶或罐侧，但入口开孔7必须在罐的排水孔8上方间隔至少一个距离D。在罐2的顶部，一个罐适配器9位于最高水平处使罐中的水无法达到，该适配器包括一个压力表9a、一个空气控制管线连接器9b和过量空气排气管线9c。支架10支撑着此罐。
从一个井泵、自流水源或城市自来水厂来的加压饮用水流通过单向阀11，并流经电动的增压泵12进入设备1。所述泵将系统的压力增至能够保证所有的硫都能以固态元素硫颗粒的形式从进入的水中沉淀出来的水平。用泵12将加压的水送入文丘里注射器喷管14的入口13。环境的空气经过滤和在空气净化器16中除去细菌后，通过管线15被吸入喷管14。
加压的空气-水混合物通过一端和喷管14的出口18相连的管线17流进入口3。也可以用通常的电机带动的鼓风机或适当尺寸的空气压缩机将环境空气注入管线17。另外，如果高浓度硫化氢需要，可以将纯氧气本身注入管线17，或者将氧气加入到进入的空气中。在喷管14下游的减压阀19通过管线20与废水管线21相连。此废水管线21通过清洗球阀22连接排水孔8，阀门22能打开排水口使液流从罐2的底部冲洗掉沉淀下来的固体硫颗粒和晶体。
罐2的内部压力由连接压力控制管线23的泵12上的电动压力开关24来控制。控制管线23通过空气管线连接器9b与罐2的顶部相连。空气排气管线9c连接到偏移下降管25上，该管25向下伸到位于靠近罐2中心处的由浮子操纵的平衡排气阀26。在罐2顶部聚集的压缩空气将罐中的液体降低到水平面27，在此水平面，阀26中的浮子打开了阀门，通过下降管25和排气管线9c将空气释放到大气中。这就使液面上升到水平面28，这时浮子闭合了阀门26。连续聚集和释放在罐2上部的过量空气将保证液面不会升高到阀门26以上。聚集的空气的体积必须容许在罐2中液体的下降(比如5加仑)，以防止泵12短路。泵12的流量越大，在罐2顶部应该压缩的空气的体积就越大，这才能防止泵短路。管25与入口上升管5在垂直位置是偏离的，以避免罐中的进水旋涡和水流影响排气阀门26的动作。从罐2排出的空气不含有硫化氢气体。
从下面公开的不同硫化氢浓度所需最低滞留时间可以确定罐2中水平面27以下的液体体积。也可以由被处理的液体通过出口4流出设备的有效流速来确定罐的液体体积，而此流速是与处理水用户的需求形式有关的。罐2的体积还应该大到当电源失效时，足可以避免将大量空气排放到下游的处理水的水源中。
在入口上升管5顶端的液体扩散器29将进入的水-空气混合物在接近水平面27处，从罐的中心向外向以360°圆周分散为缓慢的水流。如箭头所指出的，这在罐2中水的上部建立了一个湍流混合区，在此处，进入的受污染的水与已经在罐中的水混合。此混合促进了固态元素硫和其它固体硫颗粒30的沉淀。随着水和沉淀的固体硫颗粒30向下朝着出口开口7流动，水中的湍流逐渐平息。在开孔7的下方，在排水孔8的上方至开孔7的距离D在垂直方向上必须足够长，以建立一个安静的无湍流液体运动区，使得沉淀出的硫颗粒通过此无湍流区沉降或下落到罐底并进入排水孔8。在出口上升管6的顶部的粗滤器31防止了沉淀的硫进入出口4及随同处理好的水一起流出。
可以用出口阀32来关闭或控制从罐2流出的处理水的量。可以从下游用户的任何水龙头33得到不含硫化氢的饮用水，而不需进一步处理。然而，实施本发明并不阻止用其它操作处理入口3上游和/或出口4下游的水，比如进行软化以除去硬离子，或除去铁或其它杂质。
附图2表明本发明另一个实施方案的设备40，用以在一个连续流动的系统中，将含硫化氢的水中的所有硫全部沉淀出来。一个加压的玻璃纤维釜或罐41是不透明的，并对大气是密闭的，它在罐顶有一个入口42用来进入含硫化氢的水，并有一个出口43是供不含硫化氢的水使用的。未处理水入口42可以通过罐顶与向下伸展的下降管44相连，在下降管44的底端有一个液流分布器45。出口43连接末端开口的出口上升管46，该上升管46有一个入口开孔47，它距罐底基本为距离D。在罐41的底部有一个排水孔48，它位于入口开孔47以下垂直距离D处。出口43也可以通过罐侧壁，但入口开孔47必须距离罐排水孔48以上至少有D的距离。为了控制罐中水的液面，一个在操作上与阀门26类似的排气浮子阀49位于靠近罐41的顶部。支架50支撑着此罐。
加压进水的连续流从井泵、自流水源或城市自来水厂通过单向阀51并流经电动的增压泵52进入设备40。该泵52将系统的压力增至能够保证所有的硫都能从进入水中沉淀出来的水平。用泵52将加压的水送入文丘里注射器喷管54的入口53。环境空气经过滤和在空气净化器56中除去细菌后，通过管线55被吸入喷管54。
加压的空气-水混合物通过一端和喷管54的出口58相连的管线57流进入口42。也可以用通常的电机带动的鼓风机或适当尺寸的空气压缩机将环境空气注入管线57。在喷管54下游的减压阀59通过管线60与废水管线61连接。此废水管线61通过清洗球阀62连接排水孔48，球阀62能打开排水口使液流从罐41内部冲洗掉沉淀下来的固体硫颗粒和晶体。从罐41的顶部通过阀门49释放的空气将不含有硫化氢。
罐41内的压力由反压控制阀63控制，该阀门与出口43的下游接连，当阀门63的压力刚好低于减压阀59的压力设定值时，阀门63被设定打开(比如阀门63的压力是73psi，而阀门59的压力是75psi)。当在罐41中的压力下降至预定的最低安全压力时，反压控制阀63被关闭。必须保持此最低安全压力以在所有时间内保证罐中固体元素硫颗粒能够沉淀(比如60psi)。
在罐41中储存液体的体积应该由在下面给出的不同硫化氢浓度所需要的最低滞留时间，以及由通过该设备的液流速度来确定。在下降管44底部的液体扩散器45在靠近液体上方表面64处将进入的水-空气混合物从罐的中心向外，沿360°圆周分散为缓慢的液流。正如箭头所指出的，这就在罐41中水的上部形成湍流混合区，在这里进入的被污染水流与已经在罐41中的水相混合。此混合促进了固体硫颗粒49的沉淀。随着水和沉淀的硫颗粒49向下流向出口开孔47，水中的湍流逐渐消散。在低于开孔47处，在排水孔48以上至开孔47之间的距离D在垂直方向上必须足够长，以形成一个静止的非湍流液体运动区，使得沉淀的硫颗粒将通过此非湍流区沉降或降落到罐底并进入排水孔48。在出口上升管46顶部的一个粗滤器64防止了沉淀的硫颗粒进入出口并随已处理的水流出。
从出口43向下游连续地提供不含硫化氢的水流，而用不着进一步处理。然而，实施本发明并不避免用其它操作在设备上游处理被硫化氢污染的水和/或在出口43的下游处理被处理过的水，比如用软化除去硬度离子，或者除去铁或其它杂质。
可以将温度为50～80°F被硫化氢污染的饮用水或非饮用水中的硫沉淀出来。此水可以连续地流动，也可以以满足用户需求的预定的有效流速间歇地流动。进入的被污染水将具有从井泵或其它水源中的压力。必须用泵11和52充分地升高进入的水压以适应通过注射器14和54的压降，然后在罐2和41中保持足够的压力，使得硫颗粒沉淀下来。已经发现，当罐2和41中的压力下降到每平方英寸55英磅(psi)时，该设备就无法以满足足够的处理结果的流速将硫沉淀。因此，罐2和41中的最低压力必须随时保持在55psi以上。罐中压力的上限可以设置在任何安全的水平，比如说75psi。此20psi的差值是一个足够大的区间，保证在这样的水系统中一般会遇到的连续或变化的进出水流时，罐压仍然在55psi的失效点以上。通过注射器14或54的压降一般在大约35psi的范围，在此情况下，泵11和41将必须在注射器入口12和53处增压至大约90～110psi的范围，以保持罐中55psi的最小压力。
为了使硫沉淀，溶解氧的浓度必须不低于大约百万分之6份(ppm)。通过从罐出口4和43排放到开口容器中的水，用装有#5739探头的Yellow Spring仪器公司51B型手提分析仪测试溶解氧的浓度。溶解氧的浓度是6ppm，这意味着在大气压下水已经被氧饱和。罐2和41中溶解氧的浓度明显高于6ppm，这取决于罐内压力和水温的不同。
为了确保将硫充分沉淀出来以除去全部硫化氢，对于在加压富氧罐2和41中的水-空气混合物，要有一个比较短，但却是必要的最低滞留时间。在罐2和41中水的最低滞留时间必须足够长，以保证基本上全部的硫作为固体颗粒沉淀出来，但是又不能长到会发生污染。根据水中硫化氢的浓度来确定所需的滞留时间。通过经验的测试发现，对于0～5ppm之间的硫化氢浓度，可以由图3中显示的曲线得到近似的所需最低滞留时间。从图3曲线得到的数据产生了下面的对于指定硫化氢浓度的近似所需最低滞留时间表，单位是分钟：
H2S (ppm)时间(min) H2S (ppm) 时间 (min) H2S (ppm) 时间 (min) H2S (ppm)时间(min) H2S (ppm) 时间 (min) 0.0～0.1 0.1～0.2 0.2～0.3 0.3～0.4 0.4～0.5 0.5～0.6 0.6～0.7 0.7～0.8 0.8～0.9 0.9～1.0 6 25 35 40 45 48 52 54 57 60 1.0～1.1 1.1～1.2 1.2～1.3 1.3～1.4 1.4～1.5 1.5～1.6 1 6～1.7 1.7～1.8 1.8～1.9 1.9～2.0 63 65 68 70 73 75 77 80 82 84 2.0～2.1 2.1～2.2 2.2～2.3 2.3～2.4 2.4～2.5 2.5～2.6 2.6～2.7 2.7～2.8 2.8～2.9 2.9～3.0 86 87 88 90 92 94 95 97 98 100 3.0～3.1 3.1～3.2 3.2～3.3 3.3～3.4 3.4～3.5 3.5～3.6 3.6～3.7 3.7～3.8 3.8～3.9 3.9～4.0 101 102 103 104 104 105 105 106 107 1084.0～4.14.1～4.24.2～4.34.3～4.44.4～4.54.5～4.64.6～4.74.7～4.84.8～4.94.9～5.0 109 110 111 112 112 113 113 114 114 115
上述的所需的最低滞留时间是近似值，它还可能受到所要处理的水的温度、水中的其它化学物质如铁或硬度离子、pH值和系统所在的海平面高度的影响。将在罐出口4和43的有效流出流速去除由其液面控制装置保持的罐内水的最小体积，就可以计算出任何特定罐2或41的最低滞留时间。
在与图1所示的基本相似的工厂组装实施方案中，在喷射入口13处，一个Myers增压泵12以9加仑/分钟的流速供应110psi的水。注射器14是一个Mazzei 584型注射器。在此压力下，注射器14具有35psi的压降，每小时向含硫化氢的水中注入2.5标准立方英尺的环境空气。此空气-水混合物流入不同尺寸的罐2中，该罐的尺寸取决于所需的滞留时间和被处理水的有效流出速度。阀26是North American 10734HP-18AV型浮球阀。罐2有控制管25和浮球阀26，设定来保持液面28，使得在每个罐的顶部有4加仑水占据的空气空间是空的。压力开关24、浮球阀26和减压阀19都设定得保持罐2内压力在60～75psi。在64～73°F的温度下测定的罐2内溶解氧的浓度为13.2～15.0ppm，在出口4处，在大气压下溶解氧始终是6ppm。用插入罐中的装有#5739探头的Yellow Spring仪器公司51-B型手提分析仪测试溶解氧的浓度。位于排水孔8和出口管进口7之间的限定沉淀硫颗粒用的静止液体沉降区的垂直距离D至少6英寸。对于进入液体的湍流混合区在管进口7上方至少大约24英寸区扩展。
上述的本发明工厂组装的图1实施方案已经用来给八家饮用水系统完全除去硫化氢，其中硫化氢的浓度为大约0.1～5ppm。在一个实施方案中，计算出在罐2中的空气-水混合物的滞留时间为40加仑÷大约6gpm=大约6min，这对硫化氢浓度浓缩直至大约0.1ppm的是足够的。硫化氢作为固体元素硫和其它固体硫颗粒被沉淀出来，通过静止区沉降到罐底。通过打开阀门22将颗粒冲出排水孔8而除去沉降下来的固体硫颗粒。流出出口4的处理水不再有溶解的硫化氢或硫的气味或味道，从罐2经浮球阀26或减压阀19释放的空气也没有硫的气味。除了环境的空气外，没有用任何化学品来处理含硫化氢的水。
虽然参照特定的实施方案叙述了本发明，但并不意味着说明或叙述了本发明的全部等效形式或其衍生方案。还有，这里使用的语言是说明性的而非限制性的，只要不脱离本文所公开发明的精神或范围，可以进行任何的改变。后面所附的权利要求覆盖了所有这些改变，因为它们都在本发明的构思和范围之内。