申请日2012.06.21
公开(公告)日2014.04.30
IPC分类号C02F1/56; B01D21/02; C02F103/36; C02F103/32; B01J8/00
摘要
本发明提供了废水或再生水的单步骤预处理，其包括用纳米复合材料处理，所述纳米复合材料由诸如矿物粘土的锚定颗粒和聚合物，优选聚阳离子聚合物组成。
权利要求书
1.一种用于预处理具有高有机物负载量的废水或再生水的一步方法，所述 方法包括用由锚定颗粒和聚合物组成的纳米复合材料处理所述废水或再生水。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述锚定颗粒选自粘土矿物、诸如沸 石的非粘土类粘土矿物、硅藻土或粉状活性炭。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述粘土矿物为选自以下的页硅酸铝 或页硅酸镁：海泡石、坡缕石、蒙皂石、蒙脱土、锂蒙脱石、合成锂皂石、膨 润土，和皂石。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述粘土矿物为海泡石或膨润土。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述聚合物为聚电解质， 优选聚阳离子聚合物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述聚合物为选自以下的聚阳离子聚 合物：(i)选自聚二烯丙基-二甲基氯化铵(本文聚-DADMAC或PDADMAC)和 阳离子聚丙烯酰胺的直链水溶性聚合物;(ii)选自季铵化羟乙基纤维素乙氧基化 物和聚[(2-甲基丙烯酸二甲氨基乙基硫酸二乙酯)-共-(1-乙烯基吡咯烷酮)的聚季 铵盐;(iii)选自阳离子瓜尔胶和壳聚糖的阳离子生物聚合物;及(iv)具有芳族环 的聚合物诸如聚-4-乙烯基吡啶-共-苯乙烯。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述聚合物为聚DADMAC或壳聚糖。
8.根据权利要求1所述的方法，其中利用所述复合材料对所述废水或再生 水的所述预处理导致所述废水或再生水的悬浮固体总量显著降低，且浊度显著 减小。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述废水来自橄榄油厂、 制酒厂、养猪场、牛舍、屠宰场、水果和蔬菜加工工业，或者大豆或咖啡豆工 业，并且所述再生水为沿海滩涂、湖泊、河流或池塘。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米复合材料由矿物粘土和聚 阳离子聚合物构成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述矿物粘土为海泡石或膨润土并 且所述聚阳离子聚合物为聚-DADMAC或壳聚糖。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述纳米复合材料选自：聚 -DADMAC-海泡石、聚-DADMAC-膨润土和壳聚糖-海泡石。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述纳米复合材料为：(i)聚 -DADMAC-海泡石，并且聚-DADMAC与海泡石的数量比率在选自介于3mg/g 至3000mg/g之间、介于30mg/g至2400mg/g之间、介于80mg/g至1800mg/g 之间、介于500mg/g至1000mg/g之间的范围内;(ii)聚-DADMAC-膨润土，并 且聚-DADMAC与膨润土的数量比率在选自介于3mg/g至500mg/g之间、介 于30mg/g至490mg/g之间、介于130mg/g至165mg/g之间的范围内;以及(iii) 壳聚糖-海泡石，并且壳聚糖与海泡石的数量比率在选自介于3mg/g至1200 mg/g之间、介于120mg/g至1000mg/g之间、介于500mg/g至600mg/g之间 的范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，其中调整所述聚合物与所述锚定颗粒的 数量比率，使其适应于所述废水或所述再生水的类型。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述废水来自：(i)制酒厂，并且所 述纳米复合材料为具有70mg/g比率的聚-DADMAC-海泡石;(ii)橄榄油厂，并 且所述纳米复合材料为具有1800mg/g比率的聚-DADMAC-海泡石。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述纳米复合材料用 小剂量的新纳米复合材料强化用于进一步使用，其中所述小剂量包括所述纳米 复合材料的原始量的10%至25%。
说明书
用纳米复合材料预处理废水和再生水的方法
技术领域
本发明涉及具有高有机物负载量的废水或再生水的处理。具体地，它涉及 使用纳米复合材料预处理废水或再生水的方法。
背景技术
迫切需要加工由于大量有机和悬浮物质而不适合于排放到标准污水处理厂 中的特殊的工业或农业废液(诸如橄榄油厂、制酒厂、养猪场、大豆或咖啡豆 产业)。已知此类废液在不经任何处理的情况下排弃将会引起严重的环境问题。 制酒厂是含有机物废水的主要产生者，每吨葡萄产生约1000-3000L，该含有机 物废水的特征是有机材料和营养物含量高、酸度高，及季节性流水线生产变化 大。有机质、悬浮固体和钠吸附比(SAR)的值非常高，这使得此种水不适合于 排弃在常见污水系统中。
有堵塞过滤装置倾向的胶体颗粒是此类废液的问题之一。在大多数情况下， 废液的胶体稳定性(即，胶体的保持分散的倾向)是由于该颗粒非常小并且带 负电荷，因此，相互斥力使该颗粒保持悬浮状态。在数种情况下，废水的预处 理工艺涉及使用化学物使这些胶体中和、絮凝和沉淀。在大多数情况下，此类 处理基于两个单独的阶段：(a)中和电荷(工业上称为“凝聚”的步骤)和(b) 在数个相对小的颗粒之间架桥从而形成较大的聚集体，该聚集体由于它们的尺 寸和密度而沉在器皿底部，从而得到澄清的废液(称为“絮凝”的步骤)。
诱导大量悬浮物质絮凝的此种胶体悬浮液脱稳降低了悬浮固体总量(TSS)、 浊度，及甚至化学需氧量(COD)的值。这进而提高后续水处理的效率，从而降 低环境危害。
粘土和有机粘土(用有机阳离子处理的粘土矿物)已被广泛用于废液的预 处理(Amuda和Amoo,2007;Beall,2003)。粘土矿物与有机化合物的组合有效 去除了造纸厂废水中的胶体固体。数项研究使用阳离子或阴离子聚电解质、凝 聚剂与聚电解质的组合，或甚至粘土矿物与有机季铵离子的组合(Mousavi等 人，2006)去除橄榄油厂废水中的有机污染物。在所有情况下，都使得废液的 胶体性质发生相当大的变化，包括浊度、TSS和COD及其他质量参数减小。
US6,447,686公开了用于处理废水的高速凝聚-絮凝和沉降方法。该方法基 于包括依次连接的混合槽、搅拌槽、聚合物聚集槽和沉降槽的槽装配，其中混 合槽包括基于粘土矿物的聚集剂。
术语“纳米颗粒”通常用于至少在一个维度上具有100nm或更小的尺寸的 组合材料。因而，大多数粘土矿物被认为是纳米颗粒。使用粘土作为构造块 (building-block)组装在纳米范围内的有机物质可产生有用的混杂纳米结构化材 料。由聚合物分子和天然或层状矿物样粘土组成的纳米复合材料可通过将粘土 矿物与有机聚合物组合在一起从而使它们在分子水平上相互作用来制备和设计 (Ruiz-Hitzky,2001)。
在先前的研究中，我们证明了合适的纳米颗粒能够非常有效地去除与橄榄 油厂或制酒厂废水的组分类似的酚类化合物(Rytwo等人，2007)。其他研究 (Rytwo等人，2011a)陈述了基于有机粘土纳米颗粒与粗粘土的组合的非常有 效的预处理，其通过两步骤工艺持续数个循环地改变制酒厂和泡菜工业废液的 胶体稳定性，从而降低TSS和浊度：利用有机粘土进行的第一步骤和通过加入 原粘土(raw clay)进行的第二步骤。一般来说，该工艺类似于现今工业使用的工 艺：(a)工业中利用阳离子聚合物，或者利用硫酸铝或其他无机聚阳离子执行的 凝聚步骤(在那种情况下，凝聚剂基于有机粘土)，及(b)工业中利用在数种情 况下基于阳离子或阴离子聚丙烯酰胺衍生物的絮凝剂执行的絮凝步骤(在那种 情况下，絮凝剂是原粘土矿物)。
发明内容
依据本发明已发现，通过使用由锚定颗粒和作为“凝聚絮凝剂 (coagoflocculant)”的聚合物构成的纳米复合材料，可在一个单一处理步骤中实 现对具有高有机物负载量的废水的非常迅速且有效的预处理。
本发明因而涉及预处理具有高有机物负载量的废水或再生水的一步方法， 所述方法包括用由锚定颗粒和聚合物组成的纳米复合材料处理所述废水或再生 水。
锚定颗粒可为粘土矿物、非粘土类粘土矿物、硅藻土或粉状活性炭。
在某些实施方案中，粘土矿物为可选自以下的页硅酸铝或页硅酸镁：海泡 石、坡缕石、蒙皂石(smectite)、蒙脱土(montmorillonite)、锂蒙脱石、合成锂皂 石(laponite)、膨润土、皂石(saponite)等。在某些实施方案中，粘土矿物为海泡 石或膨润土。
根据其他某些实施方案，锚定颗粒为非粘土矿物诸如沸石。根据其他某些 实施方案，锚定颗粒由硅藻土(硅藻泥(diatomite)或硅藻石(kieselguhr))组成或 者由粉状活性炭组成。
用于根据本发明使用的聚合物优选为聚电解质，更优选为聚阳离子聚合物。 用在本文中的聚阳离子聚合物的实例包括但不限于：(i)直链水溶性聚合物诸如 聚二烯丙基-二甲基氯化铵(本文聚-DADMAC或PDADMAC)和阳离子聚丙 烯酰胺;(ii)在聚合物中具有季铵中心的聚季铵盐，诸如季铵化羟乙基纤维素乙 氧基化物(聚季铵盐10)和聚[(2-甲基丙烯酸二甲氨基乙基硫酸二乙酯)-共-(1- 乙烯基吡咯烷酮)](poly[(2-ethyldimethylammonioethyl methacrylate ethyl sulfate)-co-(1-vinylpyrrolidone)])(聚季铵盐10);(iii)阳离子生物聚合物诸如阳 离子瓜尔胶和壳聚糖;及(iv)具有芳族环的聚合物诸如聚-4-乙烯基吡啶-苯乙烯 共聚物和其他基于苯乙烯的阳离子共聚物。
根据本发明的方法适合于预处理具有高有机物负载量的废水或再生水。废 水可来自橄榄油厂、制酒厂、养猪场、牛舍、屠宰场、水果和蔬菜加工工业， 或者大豆或咖啡豆工业，并且再生水可为沿海水(coastal water)或淡水诸如沿海 滩涂、湖泊、河流或池塘。
