水消毒设备、系统和方法

技术领域

本申请要求澳大利亚临时专利申请No.2020900876(2020年3月23日提交)的优先权，其内容全部并入本文。

本发明涉及水消毒设备、系统和方法。特别地，本发明涉及用于游泳池和温泉浴场应用的水的消毒。但是，本领域技术人员会理解本发明可用于其他水处理应用。

背景技术

要实现安全的游泳池化学，需要几个不同的方面。首先，重要的是要实现充分的水消毒和水pH平衡。

关于消毒，氯通常用于对许多水池和温泉浴场的水进行消毒。氯作为消毒剂杀死细菌、藻类和其他有害生物。但是，虽然氯适合于消毒，但需要避免对水进行过度氯化，因为氯具有强烈的味道和气味，可能会刺激一些游泳者。

除了达到所需的消毒水平，还需要实现酸碱度的pH平衡。对于大多数游泳池应用，需要达到在7.2和7.6之间的pH水平。若pH水平变得过低，例如低于7，水就会变成酸性。这会导致眼睛和皮肤受到刺激以及金属泵和叶轮部件的腐蚀。相反，若pH水平变得过高，例如超过8，氯活性会变低且低效，导致消毒不达标。这可能也会导致眼睛和皮肤受到刺激。

氯以两种形式存在于池水中：

1)游离性余氯–这是还未与任何污染物进行反应的氯，仍可以用于池水消毒和氧化有机物质；和

2)化合性氯–这是“使用过”的氯，其已经和有机物质进行反应，不能再用于水的消毒。

手动将氯添加到游泳池是非常劳动密集的。在实践中，这要求定期监测池水，通常每两天测试一次以确定所需的氯剂量。

最近，出现一种使用盐氯化器的盐水池的趋势。盐水池使用盐氯化器将普通的氯化钠晶体转化为可溶于水的氯气。氯化钠通常以每1000升约4kg的剂量添加到池水。

盐氯化器通常使用电解对游泳池进行消毒，方法是将盐水通过电解池，将盐水转化为氯气和钠。

现有的盐氯化器的一个问题是它们池上会有盐和/或钙的积聚。这通常需要使用者定期手动清洁池，例如每两星期一次。

在游泳池中添加正确剂量的氯时需要考虑许多因素。例如，要处理的水量和水池的使用量(游泳负荷)都是相关的。此外，阳光和高环境温度会导致氯通过蒸发的耗散增加，需要增加氯剂量。因此，简单地连续运行盐氯化器不足以提供正确的剂量，因为需要考虑各种现场特定因素。

二氧化氯是化学式为ClO

二氧化氯在水处理工业中有若干应用，它尤其善于消除那些氯不能消除的病原体(例如，隐孢子虫可以通过短时间接触和低浓度的二氧化氯被杀死，而氯需要长时间接触和极高的浓度)。二氧化氯不会形成导致难闻气味的副产物(与氯不同)。二氧化氯通常用作辅助消毒剂(secondary sanitiser)，并仍依赖氯作为主要消毒剂(primary sanitiser)。二氧化氯有许多潜在应用，但仍有一些因素限制了主流使用的商业可行性。

这些限制包括但不限于以下内容：

·生产费用高；

·不方便混合；

·一些方便的二氧化氯生产形式(例如可溶性片剂)价格昂贵且不能完全活化；

·原位系统的操作和维护昂贵。它们还可能是危险的。

·原位混合液体形式的二氧化氯会造成职业健康和安全(OH&S)问题。在现场一旦混合，混合物的保质期很短。

·若混合不正确，可能会爆炸；

·二氧化氯是高度腐蚀性的，因此难以维护给料设备；

·二氧化氯在搅动时容易在水中气化逸出；和

·二氧化氯在紫外线照射下会分解。

由于上述缺点，有一些原因导致二氧化氯没有广泛用于水处理，当然也不能作为主要消毒剂。

在整个说明书中对现有技术的任何讨论都不应被认为是承认这种现有技术是众所周知的或构成本领域公知常识的一部分。

发明目的

本发明的目的是基本克服或至少改善上述一个或多个缺点，或提供有用的替代方案。

发明内容

在第一方面，本发明提供一种对水体消毒的方法，其包括以下步骤：

向所述水体添加亚氯酸钠和/或氯酸钠；和

在与所述水体的水循环系统流体连通的电解池中，将亚氯酸钠和/或氯酸钠转化为二氧化氯。

优选地，该方法进一步包括将过氧化氢添加到水体的步骤。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生0.1-0.8ppm的目标二氧化氯浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生0.1-0.6ppm的目标二氧化氯浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生0.1-0.5ppm的目标二氧化氯浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生0.2-0.5ppm的目标二氧化氯浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生约0.1ppm、约0.2ppm、约0.3ppm、约0.4ppm、约0.5ppm、约0.6ppm、约0.7ppm、或约0.8ppm的目标二氧化氯浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生约0.3ppm的目标二氧化氯浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生10-250ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生30-250ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生30-200ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生30-150ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生30-100ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生30-75ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生约10ppm、约20ppm、约30ppm、约40ppm、约50ppm、约60ppm、约70ppm、约80ppm、约90ppm、约100ppm、约110ppm、约120ppm、约130ppm、约140ppm、约150ppm、约160ppm、约170ppm、约180ppm、约190ppm、约200ppm、约210ppm、约220ppm、约230ppm、约240ppm或约250ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生约10ppm、约30ppm、约100ppm、约150ppm或约200ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生约35ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生0.1-0.8ppm的目标二氧化氯浓度，并且，优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生10-250ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生0.2-0.5ppm的目标二氧化氯浓度，并且，优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生30-200ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生约0.1ppm、约0.2ppm、约0.3ppm、约0.4ppm、约0.5ppm、约0.6ppm、约0.7ppm或约0.8ppm目标二氧化氯浓度，并且，优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生约10ppm、约20ppm、约30ppm、约40ppm、约50ppm、约60ppm、约70ppm、约80ppm、约90ppm、约100ppm、约110ppm、约120ppm、约130ppm、约140ppm、约150ppm、约160ppm、约170ppm、约180ppm、约190ppm、约200ppm、约210ppm、约220ppm、约230ppm、约240ppm或约250ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到所述水体以产生约0.3ppm的目标二氧化氯浓度，并且，优选地，将过氧化氢添加到所述水体以产生约35ppm的目标过氧化氢浓度。

优选地，每千升所述水体添加1-10克的亚氯酸钠和/或0.5-5克的氯酸钠。

优选地，每千升所述水体添加约3克的亚氯酸钠和/或约1.5克的氯酸钠。

优选地，每千升所述水体添加0.05-0.5克的过氧化氢。

在第二方面，本发明提供一种水消毒混合物，其包含：

亚氯酸钠和过氧化氢；

氯酸钠和过氧化氢；或

亚氯酸钠、氯酸钠和过氧化氢。

优选地，消毒混合物直接添加到待处理的水体。

在第三方面，本发明提供一种水消毒系统，其包含：

电解池，其配置为安装在水体的水循环系统中，所述电解池可操作为将亚氯酸钠和/或氯酸钠转化为二氧化氯；

控制单元，其与所述电解池连通；和

传感器，其配置为检测所述水体中存在的二氧化氯水平，

其中，所述控制单元配置为当所述传感器确定水体中存在的二氧化氯水平已超过预定的阈值时使所述电解池停止或减缓。

优选地，所述控制单元配置为当所述传感器确定二氧化氯水平为0.8ppm或更高时使所述电解池停止或减缓。

优选地，所述电解池由所述控制单元以如下方式控制：

若感测到的二氧化氯水平小于0.1ppm，则提高二氧化氯的产生；

若感测到的二氧化氯水平在0.1至0.8ppm之间，则降低二氧化氯的产生；和

若感测到的二氧化氯水平高于0.8ppm，则不产生二氧化氯。

优选地，所述水消毒系统进一步包含配置为检测所述水体中存在的过氧化氢水平的传感器。

除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求中，“包含”、“包括”等词应被解释为包括性的含义，而不是排他性或穷举性的含义；也就是“包括但不限于”的含义。

附图说明

现参考附图，通过具体实例来描述本发明的优选实施方案，其中：

图1是本发明的对水消毒的方法的第一个实施方案的示意图；和

图2是本发明的对水消毒的方法的第二个实施方案的示意图。

具体实施方式

本文公开了水处理设备和系统10，以及使用水处理系统10对游泳池、温泉浴场和其他水处理应用的水进行消毒的方法。

如背景技术中所述，使用二氧化氯对水消毒存在一些缺点。为了解决这些问题，申请人已确定在水中形成二氧化氯的新方法。申请人没有使用将亚氯酸钠与活化剂(通常为盐酸)混合的传统方法来制备准备给料到水中的物质，而是分离出形成二氧化氯(亚氯酸钠(NaClO

该过程的一些优点如下：

·添加到主要水体的所有亚氯酸钠和/或氯酸钠最终会转化为二氧化氯；

·由于化学过程发生在流通池中，二氧化氯的产生被高度稀释，不会造成安全问题；

·由于二氧化氯在制造时被高度稀释，因此消除或至少显著降低腐蚀损坏的可能性；

·仅将亚氯酸钠和/或氯酸钠添加到水来生成二氧化氯的便利性，降低需要预混化学品来形成二氧化氯的安全风险；

·即使同时产生二氧化氯，也会正常持续产生氯(仅在过氧化氢不存在时)。

·生产成本大大降低，因为二氧化氯的活化可以由与通常生产氯相同的设备完成。

·以这种方式产生二氧化氯的设备价格低廉，而且不易于发生故障；以及

·亚氯酸钠的保质期非常长，所以可以在现场储存而无需担心其变质。

在这一过程进一步增加步骤。特别地，在一个实施方案中，当以上述方法通过电解生成二氧化氯，还将过氧化氢添加到主要水体中。通过添加过氧化氢，可能有更好的结果。

过氧化氢是化学式为H

在光的存在下，过氧化氢不稳定并会缓慢分解。由于其不稳定性，过氧化氢通常与稳定剂一同储存在微酸性溶液中。过氧化氢存在于包括人体的生物系统中。使用或分解过氧化氢的酶被归类为过氧化氢酶。

当用于水处理应用中，过氧化氢存在一些限制。一些限制如下：

·容易以网状线(reticulations lines)形成生物膜；

·在水中会形成对细菌响应的过氧化氢酶–过氧化氢酶会破坏过氧化氢；和

·杀灭速度慢–过氧化氢的细菌灭活速度比氯慢得多。

鉴于上述缺点，如果过氧化氢不与辅助杀菌剂一起使用，则不适合作为游泳池或温泉浴场的主要消毒剂。

申请人发现，当二氧化氯与过氧化氢联用时，可以克服如背景技术中所述的与使用二氧化氯相关的一些缺点。

特别地，申请人发现，当二氧化氯与过氧化氢联用，二氧化氯在水中更稳定。例如，现场试验表明，当与过氧化氢联用，二氧化氯在水中的持续时间将延长至5倍。除此以外，二氧化氯水平不受搅动影响。因此，当与过氧化氢联用，持续添加二氧化氯来维持残留水平的需求被大幅降低。

电解池产生二氧化氯(生成自电解亚氯酸钠和/或氯酸钠)。由于水中存在过氧化氢，因此氯不再存在。过氧化氢是超过氯的主要化学物质，因此很快会转化为一系列活性氧物质，包括单线态氧、羟基自由基和超氧化物。亚氯酸钠/氯酸钠有助于形成这些活性氧物质(Ali and Mahmood 2017,Environmental Toxicology 32(4):1343-1353)。所有这些元素都能有效灭活在水中的病原体，其方式远比常规使用氯更加有效(Jeong et al 2006,Environmental Science and Technology 40(19):6117-22)。

此外，从这一过程中产生的二氧化氯在水体(例如游泳池或温泉浴场)中也保持得更加稳定。该过程使得二氧化氯在水中保持活性达5天或更长。除此以外，当搅动时，二氧化氯不会气化逸出。此外，紫外线不会减少水中残留的二氧化氯。

本发明涉及二氧化氯(通过将亚氯酸钠/氯酸钠添加到水体生成)、过氧化氢(添加到水体)和电解过程(使用标准盐水氯化硬件以将亚氯酸钠/氯酸钠转化为二氧化氯)的组合。本发明涉及革命性的水处理平台。

电解过程可以使用低水平TDS(总溶解固体)，因为已经发展了新的硬件，使电解能够在非常低的TDS水平下发生(低至600ppm TDS，其为饮用水中钠的最大允许水平)。

用于游泳池应用的传统盐氯化器需要4000-5000ppm的TDS水平才能产生氯。目前，新的硬件也可以适用于游泳池应用，可以使用更低的TDS水平。

根据上述发现，申请人提出一种新的化合物或混合物，其由亚氯酸钠和/或氯酸钠的组合构成(单独或与过氧化氢组合)，其用于添加到游泳池和温泉浴场。该化学物质可以是粉末或液体形式。但是，也有可能分别提供过氧化氢和亚氯酸钠/氯酸钠并独立地给料至水体中。

过氧化氢酶是常见的酶，几乎在所有暴露于氧气的生物体(例如细菌、植物和动物)中都可以发现。它催化过氧化氢分解为水和氧气。它是一种非常重要的酶，可以保护细胞免受活性氧物质(ROS)的氧化性损害。同样，过氧化氢酶是所有酶中转换数最多的酶之一，一个过氧化氢酶分子每秒能够将数百万个过氧化氢分子转化为水和氧气。

二氧化氯控制过氧化氢酶的存在，并使得过氧化氢起到水处理的作用。二氧化氯和过氧化氢可以共存。

过氧化氢是主要的消毒剂，所以氯和过氧化氢不能共存。当过氧化氢和亚氯酸钠/氯酸钠存在于水体中，通过电解产生二氧化氯而不是氯。

在化学中，氧化剂是能够氧化其他物质的物质—换言之，即接受它们的电子。常见的氧化剂是氧气、过氧化氢和卤素。

在某种意义上，氧化剂是经历获得一个或多个电子的化学反应的化学物质。从这个意义上来说，它是氧化-还原(氧化还原)反应中的一个组分。

氧化还原反应：H

氧化还原反应是其中原子的氧化态发生改变的化学反应。氧化还原反应特征在于化学物质之间的电子转移，最常见的是一种物质(还原剂)经历氧化(失去电子)而另一种物质(氧化剂)经历还原(获得电子)。被剥离电子的化学物质称为被氧化，而被添加电子的化学物质称为被还原。

水处理系统10包括控制单元20，其监测并通过电解池30调节二氧化氯的产生。控制单元20连接到240伏交流(AC)主电源。

水处理系统10包括水循环系统，其具有泵40，用于将水从池、温泉浴场或其它此类水体循环至电解池30并返回水体。

电解池30由一系列带相反电荷的钛电极32组成。电极32封装在电极笼中。

在操作中，控制单元20向电解池30(阳极和阴极)供电并在指定的时间段内保持它们之间的电势差。在该时间段结束后，可以随后反转极性，然后阳极变为阴极，并且阴极变为阳极。

反转极性或电势差的作用是除去任何可能已沉积在阴极上的钙的堆积。因此，这种极性的连续反转提供自清洁功能，能在运行时保持电解池30清洁，没有钙的沉积，提供化学平衡，并且通过电解池30的池/温泉浴场的水的流动保持在正常参数内。

当在水体中达到目标二氧化氯量，控制单元20可以停止或减缓电解速率。

控制单元20可以包括二氧化氯传感器50，或者可替代地可以连接到二氧化氯传感器50，二氧化氯传感器50配置为检测水体中存在的二氧化氯水平。

控制单元20配置为当传感器确定水体中存在的二氧化氯水平已超过预定的阈值时停止或减缓电解池30。二氧化氯的目标水平为约0.1-0.8ppm。

控制单元20还可以提供预警，例如，若传感器50感测到的二氧化氯水平低于0.1ppm或超过0.8ppm或一些其他的预定的阈值时发出警报。或者，若传感器50感测到的二氧化氯水平超过0.8ppm，控制单元20可以关闭电解池30。

例如，电解池30可以在三种设置下运行：

若感测到的二氧化氯水平小于0.1ppm，则提高二氧化氯的产生；

若感测到的二氧化氯水平在0.1至0.8ppm之间，则降低二氧化氯的产生；和

若感测到的二氧化氯水平高于0.8ppm，则不产生二氧化氯。

控制单元20还可以包括过氧化氢传感器70，或者可替代地可以连接到过氧化氢传感器70，过氧化氢传感器70配置为检测水体中存在的过氧化氢水平。

控制单元20还可以提供预警，例如，若传感器70感测到过氧化氢水平被确定为太低或太高时，发出警报或其他此类信息。这可以用于提示池主人或技术人员向水体添加更多的过氧化氢或采取其他合适措施。

尽管已参考具体实例描述本发明，但本领域的技术人员会理解，本发明可以以许多其他形式实施。

实施例

根据澳大利亚农药和兽药管理局(APMVA)的指南，安装了一台模拟游泳池条件的设备。装有180升水的水箱通过设置为低速的ECO 100泵(Waterco)进行再循环。

将以下化学物质添加到装有180升饮用水的测试箱，以达到目标H

·过氧化氢＝Perox 598(Waterco)-50％浓度

·亚氯酸钠＝Zydox亚氯酸钠溶液(Zychem)-6％浓度

·铜＝Concide(Water)–3.2％浓度

·苯扎氯铵＝Algatrol Concentrate(Waterco)–40％浓度

·酶＝Perox Activate(Waterco)–控制生物膜的专有混合物。

目标H

·溶液1＝200ppm H

·溶液2＝75ppm H

·溶液3＝35ppm H

表1

打开电解单元并以175l/min流速(28℃和pH 7.4)运行。一旦达到H

每隔30秒采集大肠杆菌样本，每隔2分钟采集铜绿假单胞菌样本(如相应的APVMA指南)并进行活菌落分析(表2和表3)

表2

表3

还监测H

表4

结果表明，所有测试溶液的细菌性减少都优于7Log(当使用氯对相同的病原体进行灭活测试，至少需要减少4Log才能证明类似的细菌性失活)，证明过氧化氢和二氧化氯的组合是强效消毒剂，即使在低浓度下(35ppm过氧化氢，0.3ppm二氧化氯)也是如此。

在实验室功效试验和现场试验完成的水试验表明，样品中的游离氯是可测的，但电压读数在300mV以下。现场试验表明，过氧化氢水平和游离氯试验结果之间存在关联。若过氧化氢水平超过200ppm，游离氯试验会反馈几乎为零的结果。在过氧化氢水平低于100ppm时，游离氯试验开始变为可测的，范围在0.2–0.3ppm。在过氧化氢水平在15-30ppm之间时，游离氯试验的范围在0.7–1.1ppm。在过氧化氢水平低于10ppm时，当与水接触时可以检测到轻微的氯味，但在游泳池环境中无法检测到。这对于遵守当地卫生部门的游离氯可测量的要求是非常重要的，以便遵守对商业游泳池运营商实施的卫生部门指南。根据已经进行的现场试验，可以实现以下操作范围：

·过氧化氢20-40ppm

·二氧化氯0.2-0.4ppm

·游离氯0.7-1.0ppm

在这些情况下添加过氧化氢的控制方法可以通过一些方式实现。测量过氧化氢或游离氯的安培探针可以用于控制游泳池中化学物质浓度。

可以设置过氧化氢探针来给料以控制所需的过氧化物水平。或者，可以使用游离氯探针在达到最大游离氯水平时给料过氧化氢，以防止游离氯在水中占主导。

基于现场试验计算亚氯酸盐/亚氯酸盐的消耗速率。电解单元(在最佳TDS下额定每小时生产30克氯，并在50,000升水池中每天运行8小时)每30天消耗1ppm亚氯酸盐和0.5ppm氯酸盐。

基于现场试验计算过氧化氢的消耗速率。电解单元(在最佳TDS下额定每小时生产30克氯，并在50,000升水池中每天运行8小时)每天消耗750-1000ml过氧化氢。

基于现场试验计算二氧化氯的产生速率。电解单元(在最佳TDS下额定每小时生产30克氯，并在50,000升水池中每天运行8小时)从含有最低水平的1ppm亚氯酸盐和0.5ppm氯酸盐的溶液中产生稳定水平的0.2–0.4ppm二氧化氯。

功效试验中注意到的一个化学反应是二氧化氯的速率受到病原体激增的显著影响。过氧化氢没有受到同样的影响–病原体激增后，过氧化氢的减少是最小的。因此，在将经历高的浴者负荷的情况下，较高的过氧化氢可能是有益的。在二氧化氯水平因浴者负荷而短暂降低的情况下，过氧化氢能够作为辅助消毒剂来保护游泳者，同时二氧化氯水平通过电解恢复到目标水平。