用于处理池中水的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于清洁池中的水的方法和系统，并且特别地涉及用于清洁室内池中的水的方法和系统。本发明特别地旨在减少不期望的可能对吸入有害的消毒副产物(DBP)例如氯化物质诸如三氯胺的量。

背景技术

游泳池水将接收来自游泳者的各种有机物质，诸如尿素(来自尿液、汗液和皮肤)、毛发和化妆品。尿素是池水中最多的污染物之一。由于有机营养素的存在促进了微生物感染物诸如细菌、病毒和真菌的生长，并且对游泳者的健康造成了严重危害。它们的感染能力取决于病原体通过微生物的细胞壁的能力，然后病原体通过微生物的细胞壁的能力由表面电荷和水合程度决定。如霍乱、发烧、肠胃炎和血吸虫病的疾病可能通过喝疫水(infectious water)而发展。这些传染剂通过消毒消除。典型的消毒方法包括使用氯、次氯酸盐、二氧化氯、溴、臭氧、紫外(UV)光和电化学方法。水的电化学处理例如在US 2017/218529、AU 1994/64 807和GB2,368,838中公开。尽管有若干方法供选择，但通过氯进行的消毒仍然保持是游泳池中最常见的选择。游离氯(OCl-)的主要氧化机理被认为是氯被替换为细胞的蛋白质和核酸。被破坏的感染物变成灭活的形式。例如，细胞内代谢物的形成可以通过游泳池中藻类的氯化而释放到空气中。

此外，定期监测和馈送游离氯对于保持理想的消毒能力是必不可少的。在游泳池中，游离氯保持在一定水平(通常为0.5mg/L至1.5mg/L)，使得可以实现期望的消毒效果。需要连续馈送，是因为游离氯溶液的稳定性不是无限的，而是在很大程度上取决于浓度、温度、pH、杂质、UV光、水循环以及也取决于游泳者的数目。

即使有害的细菌和其他感染物由于消毒化学品变得无害，但通常留有消毒副产品(DBP)。关于由这些DBP引起的健康风险越来越受到关注，这些DBP存在于大多数经氯处理过的水中。形成的副产物的类型由包括pH、温度、游泳池中感染物的类型、反应的类型、化学物浓度和消毒方法等的消毒条件来确定。对于氯化，即用氯、次氯酸盐或一氯胺消毒，DBP是三卤甲烷、卤乙酸、氯胺、卤乙腈、水合氯醛、氯酸盐、醛等。氯胺(NH2Cl、NHCl2和NCl3)的总和被称为结合氯，并且结合氯和游离氯的总和为总氯。

就原始感染物浓度而言，DBP通常以相对小的量存在，但其健康风险不可忽略。最有害和研究最深入的化合物之一是三氯胺，或所谓的三氯化氮。它是由氯与包括氨和尿素的胺相关化合物之间的反应形成的。典型的三氯胺在水中的浓度非常低，这是因为它在水中的低溶解度且高挥发性。然而，三氯胺占了周围空气中最丰富的DBP。室内池的良好通风可以有效降低空气中三氯胺的浓度。由于开放的空气环境，室外游泳池通常具有较少的三氯胺的问题。然而，即使在室内池的情况下存在运行良好的通风，或者即使该池是室外池，三氯胺的浓度在池的表面附近仍然可能很高，因此，对于呼吸并且吸入池表面附近空气的游泳者来说是个问题。

与DBP有关的健康风险和综合症为诸如细胞毒性、癌症、哮喘、咳嗽、眼睛发痒、红眼、流鼻涕、失声、感冒、腹泻、皮肤发炎/皮疹(接触性皮炎)、特异反应性、鼻炎、上呼吸道综合症和其他气道炎症。这些综合症尤其经常发生在儿童、经常游泳者和室内游泳池服务员中。尽管三卤甲烷是池水中最丰富的DBP，但是除非处于很高的浓度，否则它们并不是所有这些疾病的重要原因。三卤甲烷很容易在人体内被肝脏代谢，因此造成的治疗要少得多。卤乙酸也能迅速代谢或排泄。其他不太丰富的DBP则较少引起关注，并且在文献中尚未进行充分研究。三氯胺被认为是大多数疾病的主要原因之一。

因此，期望用于使池保持清洁和卫生状况并且减少由于使用氯而引起的不期望的消毒副产物(DBP)的量的改进的方法和系统。

发明内容

本发明的目的是减少由于使用氯而引起的不期望的消毒副产物(DBP)的量。特别地，本发明涉及减少三氯胺的量。

该目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求9的系统来实现。

根据本发明的方法包括以下步骤：对池水进行电解处理。电解处理的目的是减少氯胺并且特别是三氯胺的量。通常，池中的水通过净化电路循环。基本思想是为净化电路提供用于电解的装置，该装置包括连接至电力供应并且用作阳极和阴极的第一电极和第二电极。电力供应由电子控制单元(ECU)控制。电解是使用直流电流在电解质中产生连续的电化学反应。电解可以用于驱动非自发反应并且改变溶液中例如DBP的成分/量。电解过程可以通过将电压或电流调节至期望值来控制。通过研究和测试观察到，使阳极的电位在1.4V至2.3V范围内的电解过程能够减少水中的氯胺特别是三氯胺的量。更优选的是，在1.6V至2.1V范围内的电位，并且最优选地，在1.7V至1.9V范围内的电位。在这种情况下，阳极的电位是相对于作为参考电极的可逆氢电极(RHE)而限定的。RHE是用于电化学过程的标准氢电极(SHE)的子类型。在实践中，可以使用其他种类的参考电极并且相对于RHE进行校准，以实现期望的阳极电位。通常，优选的是在用于处理水的电极装置中使用参考电极，但是该装置也可以在没有参考电极的情况下工作，例如通过在安装到待处理池中之前对电极装置进行预先校准。在当存在参考电极时的那些情况下，通常将第一电极或第二电极中控制至相对于参考电极的期望电位的一个称为工作电极，并且将第一电极或第二电极中的另一个称为对电极。

通过在上述电位范围内对水进行电解处理，由于三氯胺的分解和/或防止三氯胺的形成，降低了三氯胺的浓度。另外，电解处理还将部分地产生游离氯，这是其消毒性能所期望的，并且由于在该过程中重新获得了氯，因此减少了添加至池水中的氯的量。

通常通过将电流控制到期望值来控制电解过程。在这种情况下，优选地通过将电极的电位调节为期望值来控制电解过程。通过调节电位，可以实现良好的选择性，并且可以避免不期望的副反应，例如水分解成氧气和氢气，如果不控制电压，这可能是危险的。另外，如果电位太低或太高，则电解过程将无法按期望进行以减少三氯胺的量。

如上所述，可以在不使用参考电极的情况下控制电解过程。然而，在许多情况下，通过使用参考电极来控制电极的电位是最简单且最可靠的方式。参考电极是在平衡时具有恒定氧化还原电位的电极。在简单的双电极设置中，包括被布置成用作阳极和阴极的第一电极和第二电极，可以测量阳极与阴极之间的电压，但是除非使用了可靠的参考，否则阳极上的实际电位是未知的。在其中已知关于电解质和电极的参数的系统中并且该系统是稳定的，可以根据预校准和/或测量其中执行电解过程的电极和电解质的相关参数来估计电位。然而，为了容易地提供在第一电极或第二电极处的可靠的电位，参考电极可以用于提供三电极配置，其中第一电极或第二电极中的一个被控制为特定电位，并且因此用作工作电极，而其他电极用作对电极。参考电极用作电位的稳定参考，使得可以实现对工作电极上电位的精确控制。

上面已经指出，使用可逆氢电极(RHE)作为该过程中电位的参考。然而，如果在电解装置中使用参考电极，则它可以是任何合适的参考电极。因此，将针对RHE与所使用的参考电极之间的电位差来校准和调节电解的控制，使得相对于RHE的电位将在上述间隔内。

为了实现期望的水处理并且充分地减少氯胺并且特别是三氯胺的量，电极的表面面积应当足够大以提供期望的氯胺浓度的降低。因此，第一电极和第二电极的组合表面面积通常应当为至少0.0001平方米每立方米待处理池中的水，优选地为至少0.0002平方米每立方米池中的水。限定期望的表面面积的另一方式可以是限定第一电极和第二电极的组合表面面积通常为至少0.002平方米每立方米每小时通过电极的水，优选地为至少0.003平方米每立方米每小时通过电极的水。第一电极和第二电极的组合表面面积相对于净化回路中池水流量通常也可以限定为至少0.0005平方米每立方米每小时通过净化管道的水，优选地为至少0.001平方米每立方米每小时通过净化管道的水。净化装置可以被设计成使得仅该流的一部分被引导通过该电极装置。电极的组合表面面积相对于待处理水量可能不同，这取决于若干参数例如所用电极的类型、水中消毒副产物(DBP)的量，水中消毒副产物(DBP)的量通常取决于多少人正在使用池以及期望三氯胺的浓度降低至什么水平。因此，可以存在其中需要电极的总表面面积相对于水的量相当小的情况，而在其他情况下，则期望或需要相当大的总表面面积，并且在某些情况下，可能比以上指示的电极的表面面积小的电极的表面面积就足够了。

应注意的是，可以存在多个第一电极和第二电极，使得第一电极和第二电极的总面积可以包括多个单元或电极套件，这些单元或电极套件可以位于同一位置处或分布在不同的位置处。例如，可以有两个或更多个平行单元，以通过设置在不同净化电路中的电极套件或同一净化回路的平行流提供处理。

为了保持第一电极和第二电极清洁并且使系统有效地工作，第一电极和第二电极可以被设计成通过切换极性交替地用作阳极和阴极。

该系统由电子控制单元(ECU)控制。控制单元将电位控制在期望范围内。控制单元也可以被设计成交替地使用第一电极和第二电极用作阳极和阴极。控制单元还可以连接至参考电极，并且使用来自参考电极的输入来对电压进行更精确的控制。另外，控制单元可以连接至用于输入的其他传感器，例如用于测量水中相关物质的量或浓度例如游离氯和结合氯的量、氧化还原电位和pH测量的传感器，以及用于水的温度和通过电解系统的流量的传感器。特别地，可以在电解系统的上游和下游测量相关物质的浓度，以获得有关减少氯胺量的效率的相关信息。低效率可以指示需要清洁电极、调节阳极(工作电极)的电位或发现系统中应当调节的其他干扰。

该系统还可以设置有附加设备例如传感器和其他控制程序以以适当方式来控制要使用的系统，并且在不需要时不以全容量使用该系统。例如，一个或若干传感器可以被设计成测量相关参数，以估计池水中结合氯的量。如果结合氯的量低于某个极限值，则可以控制该系统关闭或以系统的全部容量的小部分运行。在提供了形成电解系统的一部分的若干电解槽的情况下，则容量减少的要求可能导致一个或若干个电解槽被关闭同时一个或若干个其他电解槽以全容量工作。可替选地，所有电解槽同时被关闭和打开，使得将存在与期望的总工作周期对应的平均时间值。因此，如果期望一半效果，则可以控制该系统关闭槽的一半(对应于全容量的一半)，或者使用间歇性的净化循环，其中在包括所有电解槽的整个电解系统关闭持续适当时间段后的一定的时间段内例如一小时内使用全容量。

应注意，电解净化系统可以与现有的净化系统和设备一起使用。如果已经存在这样的系统，则可以使用来自现有系统的相关数据，例如感测或测量的关于结合氯、氧化还原电位、pH或其他相关参数的数据，其也可以用于控制本文公开的电解净化系统。然而，电解系统无需与另一系统结合来运行。通常，该电解系统特别地被设计成用于用氯消毒的池。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1公开了根据本发明的电极装置；

图2公开了包括根据本发明的电极装置的针对池水的净化电路。

具体实施方式

在图1a中公开了要用于对池中的水执行电解处理的电极装置100a。通常，电极装置100a位于净化电路中，其中，从池中取池水进入净化电路。下面将在图2a和图2b中描述净化电路。电极装置100a包括：电极套件105a，通常也称为电解槽；以及电子控制单元(ECU)104。电极套件105a包括第一电极101、第二电极102和参考电极103。ECU 104可以是单个计算实体，或者包括若干不同实体，其一起形成ECU 104。ECU 104连接至第一电极101、第二电极102和参考电极103。然而，可以将装置设计为使得第一电极101或第二电极102中的仅一个连接至ECU 104。对控制单元104进行编程以控制递送至第一电极101或第二电极102的电功率，因此将第一电极101或第二电极102用作工作电极并且根据参考电极103进行控制。第一电极101和第二电极102中的另一个将用作对电极。ECU 104可以被编程为在第一电极101与第二电极101之间交替被用作工作电极。因此，ECU 104被设计成控制从电源到电极101、102中的一个或两个的输出电压。控制输出可以基于不同的电参数例如效应、电压、电位或电流。ECU 104可以连接至多个传感器，以根据相关参数控制过程。这将参照图2b进一步讨论。在图1a的装置中，在存在参考电极103的情况下，通常指示期望将工作电极控制至相对于参考电极的期望电位。对于旨在使用电极装置100a的特定目的，工作电极的电位是重要的，以按期望运行，这是优选地对ECU 104进行编程以将工作电极控制到期望电位或电位范围的原因。

描述了可以仅将电极之一例如第一电极101连接至ECU 104以用作工作电极。然而，将第一电极101和第二电极102两者连接至ECU可能是有用的，使得第一电极101和第二电极102两者可以由ECU 4控制，并且ECU可以控制电极101、102在使用第一电极101作为工作电极与使用第二电极102作为工作电极之间切换。通过切换要用作工作电极的电极，可以减少工作电极的劣化，并且该设备将在更长的时间内持久地令人满意地运行。

在图1中以示意和简化的方式公开了电极装置100a。ECU 104连接至电极101、102，以向电极101、102中的任一个提供期望的电压，以用作工作电极，同时接收来自参考电极103的输入，以校准电力供应，使得将电位控制为相对于可逆氢电极(RHE)的期望电位例如1.8V，或者在期望的范围内例如1.5V至2.3V。因此，在这种情况下，工作电极将因此用作阳极。要注意的是，参考电极103不必是RHE，而可以是已经被校准的与RHE相关的另一参考电极，使得可以在已知所使用的参考电极103与RHE之间的内部关系的情况下通过ECU 104来计算相对于RHE的电位。

在更高级的配置中，ECU 104可以连接至其他设备例如用于感测待处理水中的pH、水中的氯/氯胺量、温度的传感器或其他类型的传感器，这些传感器可以用作输入，以控制对电极的电力供应。

在图1b中，公开了可替选实施方式，其中电极装置100b包括电极套件105b，该电极套件105b包括第一电极101和第二电极102，但是不包括参考电极。电极装置105b可以例如被预先校准并且控制以在某些条件下提供期望的电压。另外，为了适应电极装置，ECU 104可以连接至用于感测水的相关状况的其他传感器。也可以使用某种类型的查找表或图表，其中基于要清洁的池的使用例如通过对进入池区域的人数进行计数来估计到第一电极101或第二电极102的相关输出，因此根据使用者的量来适应来自ECU 104的输出以满足预期需求。

因此，如图1b所述的电极套件105b可以运行并且提供池的净化，即使通常通过使用如图1a所述的其中存在参考电极103并且可以使用参考电极103来将被用作阳极的电极校准至期望电位的电极套件105a来实现到期望电位的更有效地控制。

图1a和图1b中的电极装置100a、100b仅用作可以如何配置电极套件的示例。可以修改电极套件105a、105b，并且单个电极套件可以包括若干第一电极101和第二电极102。还可以存在若干连接至ECU 104的电极套件，并且单个参考电极103可以用于用作针对多个电极套件的参考电极。还应注意，即使在存在参考电极的情况下，参考电极也不必定位成与第一电极和第二电极相邻，而可以位于净化回路中或池中的另一位置处，例如，位于净化电路的入口处。

在图2a中，公开了包括如例如图1或图2中公开的电极套件105的净化电路200a。因此，电极套件105包括第一电极101、第二电极102以及如图1a中所公开的可能的参考电极103。电极套件105连接至ECU 104。净化电路200a设置有入口侧201，从池中到入口侧201的水进入净化电路200。进入净化电路200的池水被引导至位于电极套件105上游的过滤器202。通常，期望在电极套件105的上游具有过滤器202，例如滤沙器或用于过滤颗粒物的其他类型的过滤器，以减少进入电极套件105的颗粒物。电极套件105被配置成使得池水的流动将通过并且与第一电极101、第二电极102以及参考电极103(如果存在的话)接触(参见图1a和图1b)。用作阳极和阴极的第一电极101和第二电极102应当相对彼此布置，使得它们彼此相当接近，以减少产生电流所需的效应并且提供有效的净化，同时将第一电极101和第二电极102充分地间隔开，以使水流在电极101、102的表面上平滑地流动，使得避免了静态区。因此，具体配置可以取决于为电极装置105所设计的流速。电极套件105经由缆线203连接至ECU 104。通过电极套件203的水被进一步引导至出口侧204，以返回池中。

在图2b中，公开了净化电路200b的可替选实施方式。在该净化电路200b中，添加了在净化电路中通常出现的其他特征。净化电路200b包括图2a中的净化电路中包括的所有特征，但是另外地设置有化学品馈送器205，化学品馈送器205包括用于存储化学品的罐206以及控制经由馈送器管道从罐206中添加化学品的剂量单元207。剂量单元207连接至ECU104，该ECU 104控制到剂量单元206的输出信号，以调节要添加至池水中的化学品的量。罐206中的化学品例如可以是例如用于池水的净化和消毒的氯或含氯化合物。

图2b中的净化电路200b还包括位于过滤器202下游且在电极套件105上游的第一传感器208，以测量在池水通过电极套件105之前的相关参数。第二传感器209位于电极套件105的下游但是在来自化学品馈送器205的管道的上游。因此，该第二传感器209可以在电极套件105的下游测量在池水已经经受电极套件105中的处理之后的相关参数。例如，可以将传感器设计成测量三氯胺的量或与用于估计电极套件的效率相关的一些其他参数，并且检测套件中的处理是否按其应当的那样进行工作。传感器连接至ECU 104，使得来自传感器208、209的输入可以用于计算来自ECU 104的输出，因此用于电极套件105和/或化学馈送器205的控制。

图1和图2中的示意图仅用作可以如何设计根据本发明的装置的一些示例。例如，图2a和图2b中的过滤器202位于电极套件105的上游。然而，过滤器可以位于电极套件105的下游，或者可以在电极套件105的上游和/或下游布置一个或若干过滤器单元，或者甚至在电极套件105所位于的净化回路中没有任何过滤器的情况下工作。

电极装置100a、100b可以用于更新到现有的净化电路中，或者可以作为单独的净化单元添加到单独的电路中。因此，电极装置可以与现有的净化设备一起使用，或者作为池中唯一的净化单元使用。然而，由于电极套件105旨在用于减少氯胺特别是三氯胺的量，明显的是主要旨在用于其中存在氯的池例如氯在池水中用作消毒剂的地方中。

待使用的电极可以由各种不同的材料制成，并且可以使用可商购的电极。通常，第一电极和第二电极由相同的材料制成，但是它们可以由不同的材料制成。特别地，当通过切换电极的极性将第一电极和第二电极交替地用作工作电极时，它们适当地由相同的材料制成。

实验

除实验室测试外，在对两个不同的室内池执行的两次中试(pilot test)中执行了实验。所使用的设备基本上对应于图1a中公开的电极装置100a，其中电极套件105a包括连接至ECU 104的第一电极101、第二电极102和参考电极103。第一电极101和第二电极102是由MMO材料制成的可商购电极，并且所使用的参考电极是可商购类型的Ag/AgCl参考电极。电极套件装配至各个池中的现有净化电路中。为了将电极套件装配至净化电路中，通过现有净化回路的水的一部分在水返回至现有净化电路之前被重定向至通过电极套件的单独电路。因此，将设备放置在游泳池的水净化电路中，以提醒装置是图2a，其中，在池水经由出口侧204返回至现有净化电路之前，来自现有的净化电路中的水在入口侧201处进入并且通过电极套件105。

在测量与减少离开池水的三氯胺有关的中试中使用的电极装置的效率时，在安装之前进行了基线测量，并且在其中使用了该电极装置的中试时段期间进行了类似的测量。

测量过程使用以下步骤：

(1)将水样本从水净化电路中取出放入容器中，然后

(2)提取容器内部的空气样本

(3)进行所提取样本中三氯胺浓度的测量。

利用这种方法，能够避免池厅通风系统的影响。

对容积为85m3的小游泳池执行中试一，其中净化电路中的通水量为58m3/小时，其中以20m3/小时通过电极装置，其具有19dm2的电极接触表面面积(在水通过的情况下)(对于组合的第一电极和第二电极)。

将系统控制在工作电极上的电位为1.8V。

与基线三氯胺浓度为0.7PPM相比，中试一示出三氯胺计数减少了60％至70％。

对容积为630m3(25×16m)的较大游泳池执行中试二，其中净化电路中的通水量为100m3/小时，其中以30m3/小时通过了电极装置。组合的电极接触表面面积为38dm2。使用与试点一中相同的电位控制。

与基线三氯胺浓度为1.0ppm相比，中试二示出该三氯胺计数减少了65％至70％。

在引入电极装置之前，用于这些中试的两个游泳池关于标准(池侧)方法进行的三氯胺计数具有“优于平均”的标准。

中试的结果示出，三氯胺计数的显著减少，并且池水中三氯胺的浓度减少了高达70％。