申请日2006.06.13
公开(公告)日2008.06.11
IPC分类号C02F3/12; C02F1/28; B01D63/02; B01D71/26; B01D71/34; C02F3/10; B01D71/68; B01J20/06; B01J20/08; B01J20/10; C02F1/44; B01D71/42
摘要
水处理装置，其包括除去水中含有的成分的单元和使用多孔成形体作为吸附剂的离子吸附单元，其中该多孔成形体包含含有有机聚合物树脂的原纤维和无机离子吸附剂。所述原纤维形成在所述外表面开口的连通孔，且具有内腔，每个内腔的至少一部分在所述原纤维的表面开孔。所述无机离子吸附剂被负载在所述原纤维的外表面上和所述原纤维的内腔的表面上。
权利要求书
1.一种水处理装置，其包括：
除去水中含有的成分的单元;和
使用多孔成形体作为吸附剂的离子吸附单元，其中
该多孔成形体包含含有有机聚合物树脂的原纤维，和无机离子吸附材 料;
所述原纤维形成在所述成形体的外表面开口的连通孔，且具有内腔， 每个所述内腔通过各内腔的至少一部分在所述原纤维的表面开孔;和
所述无机离子吸附材料被负载在所述原纤维的外表面上和所述原纤维 的内腔的表面上。
2.根据权利要求1的水处理装置，其中所述多孔成形体在该成形体的 表面附近具有连通孔的最大孔径层。
3.根据权利要求1或2的水处理装置，其中所述有机聚合物树脂包含 选自乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PS)和聚 偏二氟乙烯(PVDF)的至少一种。
4.根据权利要求1～3中任一项的水处理装置，其中
所述无机离子吸附材料包含下式(I)代表的至少一种金属氧化物：
MNxOn·mH2O (I)
其中x为0～3;n为1～4;m为0～6;M和N彼此不同，并且为选自 Ti、Zr、Sn、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、 Er、Tm、Yb、Lu、Al、Si、Cr、Co、Ga、Fe、Mn、Ni、V、Ge、Nb 和Ta的金属元素。
5.根据权利要求4的水处理装置，其中所述式(I)代表的金属氧化 物为选自下列(a)～(c)组中的一种或者其中两种或更多种的混合物：
(a)水合二氧化钛、水合氧化锆、水合氧化锡、水合氧化铈、水合氧 化镧和水合氧化钇;
(b)由选自钛、锆、锡、铈、镧和钇的金属元素和选自铝、硅和铁 的金属元素组合而成的多金属氧化物;和
(c)活化氧化铝。
6.根据权利要求1～5中任一项的水处理装置，其中所述原纤维包含所 述有机聚合物树脂、所述无机离子吸附材料和水溶性聚合物。
7.根据权利要求1～6中任一项的水处理装置，其中所述除去水中含有 的成分的单元为生物处理单元和污泥分离单元的组合。
8.根据权利要求7的水处理装置，其中所述生物处理单元包括两个或 更多个曝气池。
9.根据权利要求7或8的水处理装置，其中所述生物处理单元包括其 中浸渍生物膜载体的曝气池。
10.根据权利要求9的水处理装置，其中所述生物膜载体包含芯材料 和部分固定至该芯材料上的纤维状材料，且所述纤维状材料围绕着所述芯 材料浓密生长。
11.根据权利要求10的水处理装置，其中所述芯材料具有螺旋形。
12.根据权利要求10或11的水处理装置，其中所述纤维状材料为聚 偏二氯乙烯。
13.根据权利要求7～12中任一项的水处理装置，其中所述污泥分离单 元为具有沉淀池和/或分离膜的膜分离装置。
14.根据权利要求13的水处理装置，其中所述膜分离装置的分离膜包 含选自聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙 烯(PE)和聚丙烯(PP)的至少一种。
15.根据权利要求13或14的水处理装置，其中所述分离膜的一种形 式为中空纤维形式。
16.根据权利要求13～15中任一项的水处理装置，其中所述分离膜为 通过附着和固定垂直排列的多个中空纤维的两端而制得的膜滤芯，和具有 液密地附着和固定至第一端部的外周上的滤芯头以及固定至第二端部的外 周上的裙缘;所述滤芯头与所述裙缘分离;所述滤芯头侧的中空纤维的端 部是开口的;将所述裙缘侧的中空纤维的端部的中空部分封闭;和在所述 裙缘侧的粘合固定层中形成有多个通孔。
17.根据权利要求7～16中任一项的水处理装置，其进一步包括污泥溶 解单元。
18.根据权利要求17的水处理装置，其中所述污泥溶解单元采用选自 机械细胞破坏法、超声波法、臭氧法、水热氧化法、化学试剂添加法和嗜 热菌法的至少一种方法。
19.根据权利要求1的水处理装置，其中所述除去水中含有的成分的 单元为凝聚沉淀处理单元。
20.根据权利要求19的水处理装置，其进一步包括将含有待除去的离 子的脱附排液返回到所述凝聚沉淀处理单元的单元，所述离子是在对所述 离子吸附单元所用的多孔成形体进行再生时产生的。
21.根据权利要求1的水处理装置，其中所述除去水中含有的成分的 单元为脱盐处理单元。
22.根据权利要求1的水处理装置，其中所述除去水中含有的成分的 单元为直接纯化单元。
23.根据权利要求1～22中任一项的水处理装置，其中所述水处理装置 具有分离和除去水中的悬浮固体的单元，所述单元被设置在所述离子吸附 单元的先前阶段。
24.根据权利要求1～23中任一项的水处理装置，其中所述离子吸附单 元为串联连接的多个离子吸附单元，且为旋转系统。
25.根据权利要求24的水处理装置，其中监测处理水中的离子浓度的 离子检测单元被设置在初始阶段的所述离子吸附单元中。
26.根据权利要求1～25中任一项的水处理装置，其中所述水处理装置 具有使脱附离子从与所述离子吸附单元所用的多孔成形体接触的脱附溶液 中结晶的单元，和用于结晶物质的固-液分离单元。
27.根据权利要求26的水处理装置，其进一步包括冷却所述脱附溶液 的单元。
28.一种水处理方法，其包括：
除去水中含有的成分的步骤;和
使用多孔成形体作为吸附剂的离子吸附处理步骤，其中
该多孔成形体包含含有有机聚合物树脂的原纤维，和无机离子吸附材 料;
所述原纤维形成在所述成形体的外表面开口的连通孔，且具有内腔， 每个所述内腔通过各内腔的至少一部分在所述原纤维的表面开孔;和
所述无机离子吸附材料被负载在所述原纤维的外表面上和所述原纤维 的内腔的表面上。
29.根据权利要求28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的 步骤为生物处理步骤和污泥分离步骤的组合。
30.根据权利要求29的水处理方法，其进一步包括污泥溶解步骤。
31.根据权利要求28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的 步骤为脱盐处理步骤。
32.根据权利要求28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的 步骤为凝聚沉淀处理步骤。
33.根据权利要求32的水处理方法，其进一步包括将含有待除去的离 子的脱附排液返回到所述凝聚沉淀处理步骤的步骤，所述离子是在对所述 离子吸附处理步骤所用的多孔成形体进行再生时产生的。
34.根据权利要求28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的 步骤为直接纯化步骤。
说明书
水处理装置和水处理方法
技术领域
本发明涉及一种水处理装置和对水进行处理以减少和除去水(例如污 水、食品厂排水、化工厂排水、自来水、海水、河水、湖水和地下水中) 含有的特定离子或全部离子从而使其达到非常低的浓度的方法。
背景技术
作为处理有机排水(例如污水和食品厂排水)的方法，已知有活性污 泥法、生物膜法和稳定池法等。但是，由于在这些方法的处理装置中产生 大量的剩余污泥，因此需要污泥处理装置，例如脱水器、干燥器和焚化器。 由于排水中的高磷浓度会引起诸如封闭水域内的富营养化等问题，因此通 过COD和氮的浓度对排水中的磷浓度进行调控。
近年来，已经提出许多产生少量的剩余污泥的有机排水处理方法，其 实例包括溶菌-潜在增殖法、维持代谢法、解偶联代谢法、维持代谢法和细 菌捕食法(非专利文献1)。溶菌-潜在增殖法溶解污泥来促进潜在的增殖 作用，除了专利文献1(JP-A-07-116685)中描述的臭氧法和专利文献2 (JP-A-11-235598)中描述的嗜热菌法。维持代谢法的实例包括专利文献3 (JP-A-2005-46748)中描述的膜生物反应器法，溶解污泥的实例包括氯法、 球磨法、高速旋转盘法、超声波法、水热法和化学试剂添加法。解偶联代 谢法的实例包括使用化学解偶联试剂的方法。细菌捕食法的实例包括两- 步体系。
上述的有机排水处理方法各自具有优点和缺点。但是，上述方法具有 下述问题：与产生大量的剩余污泥的情况相比，其处理水中的磷浓度增大。
因此，需要一种能够产生少量的剩余污泥并且有效地降低处理水中的 磷浓度的处理有机排水的方法。
另一方面，作为处理几乎不合有有机成分(例如陶瓷厂排水的COD) 的无机排水的方法，已知一种通过凝聚-沉淀处理或离子吸附处理来减少和 除去排水中含有的离子的方法。凝聚-沉淀法可以处理以较高浓度含有待除 去的离子的排水。但是，其需要加入大量化学试剂以实现其中将处理水中 待除去的离子的浓度调节为1mg/L或更低的所谓高级处理，不幸的是，还 会产生大量的污泥。
另一方面，虽然离子吸附处理在对排水的所述高级处理中表现优异， 但是其需要大量吸附剂来吸附含有高浓度待除去的离子的排水，并且还会 增加吸附剂的再生频率。因此，不幸的是还需要大量的化学试剂用于再生 所述吸附剂，从而提高了运行成本。
于是，考虑一种将凝聚沉淀处理与离子吸附处理串联组合以处理排水 的方法作为解决凝聚沉淀处理和离子吸附处理各自的问题的方法 (JP-A-10-314798(专利文献4)和JP-A-2001-276814(专利文献5))。 该方法粗略除去待除去的离子，即凝聚沉淀处理的排水中含有的离子，并 将其中待除去的离子已被清除至一定程度的凝聚沉淀处理水供至随后的离 子吸附处理。由于用于离子吸附处理的吸附剂通过进行吸附固定量而被饱 和，因此甚至在这种情况下也要使用再生溶液进行再生处理。该再生处理 会产生含有待除去的离子(即从所述吸附剂中脱附的离子)的再生排液。 不过，该处理将所述排液返回到所述凝聚-沉淀处理中以再次处理该排液。
但是，一直需要一种用于无机排水的更有效地提供含有低浓度待除去 的离子的处理水的方法。
此外，作为由无机排水提供高纯度水的处理方法，已知使用反渗透膜 装置、电除盐装置、蒸馏装置和使用离子交换树脂的离子交换装置等的处 理方法。
然而，出于各个处理方法的特性与用于处理的未净化水中含有的离子 的浓度之间的关系等原因，经常出现不能将某种类型的离子清除至所希望 水平的情况。
例如，使用反渗透膜装置处理海水而制得的处理水(淡水)具有通常 满足WHO水质指导值的水质量。但是，难以只将硼调整至WHO推荐值 (0.5ppm)或更低。
因此，JP-A-10-85743(专利文献6)提出了一种同时使用反渗透膜装 置和离子交换装置的处理海水的方法，其中所述离子交换装置使用硼选择 性的离子交换树脂以将硼浓度调整至WHO推荐值或更低。
但是，由于所述硼选择性的离子交换树脂的硼吸附能力并不是非常大， 因此所述硼选择性的离子交换树脂存在经济问题，例如所述离子交换装置 的规模增大和所述离子交换树脂的再生频率和交换频率增加。
甚至在电除盐装置处理自来水以制备超纯水时，取决于未净化水的类 型在未充分除去硼的情况下可能不能充分获得超纯水的水质。甚至在这种 情况下，使用利用所述硼选择性的离子交换树脂的离子交换装置对经电除 盐装置处理的水进行后处理(JP-A-8-89956(专利文献7))。但是，该处 理存在经济问题，例如所述离子交换装置的规模增大和所述离子交换树脂 的再生频率和交换频率增加。
如上所述，在多种水处理领域中需要能够有效地减少和除去水中含有 的离子至低浓度的装置和方法。
发明内容
本发明要解决的问题
本发明的目的是提供一种水处理装置和一种水处理方法，其能够有效 地减少和除去水(例如污水、食品厂排水、化工厂排水、自来水、海水、 河水、湖水和地下水)中含有的特定离子或全部离子从而使其达到非常低 的浓度。
解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明者进行了广泛的研究，结果发现具有特定 结构的多孔成形体对水中含有的多种离子显示非常高的吸附性能。本发明 者发现通过将所述多孔成形体与水接触和将用于吸附和除去水中含有的离 子的吸附单元与另外的除去水中含有的成分的单元组合可以解决上述问 题，并且基于上述发现完成了本发明。
也就是说，本发明如下所示。
1.一种水处理装置，其包括：
除去水中含有的成分的单元;和
使用多孔成形体作为吸附剂的离子吸附单元，其中
该多孔成形体包含含有有机聚合物树脂的原纤维，和无机离子吸附材 料;
所述原纤维形成在所述成形体的外表面开口的连通孔，且具有内腔， 每个所述内腔通过各内腔的至少一部分在所述原纤维的表面开孔;和
所述无机离子吸附材料被负载在所述原纤维的外表面上和所述原纤维 的内腔的表面上。
2.根据项1的水处理装置，其中所述多孔成形体在该成形体的表面附 近具有连通孔的最大孔径层。
3.根据项1或2的水处理装置，其中所述有机聚合物树脂包含选自乙 烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PS)和聚偏二氟 乙烯(PVDF)的至少一种。
4.根据项1～3中任一项的水处理装置，其中
所述无机离子吸附材料包含下式(I)代表的至少一种金属氧化物：
MNxOn·mH2O (I)
其中x为0～3;n为1～4;m为0～6;M和N彼此不同，并且为选自 Ti、Zr、Sn、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、 Er、Tm、Yb、Lu、Al、Si、Cr、Co、Ga、Fe、Mn、Ni、V、Ge、Nb 和Ta的金属元素。
5.根据项4的水处理装置，其中所述式(I)代表的金属氧化物为选 自下列(a)～(c)组中的一种或者其中两种或更多种的混合物：
(a)水合二氧化钛、水合氧化锆、水合氧化锡、水合氧化铈、水合氧 化镧和水合氧化钇;
(b)由选自钛、锆、锡、铈、镧和钇的金属元素和选自铝、硅和铁 的金属元素组合而成的多金属氧化物;和
(c)活化氧化铝。
6.根据项1～5中任一项的水处理装置，其中所述原纤维包含所述有机 聚合物树脂、所述无机离子吸附材料和水溶性聚合物。
7.根据项1～6中任一项的水处理装置，其中所述除去水中含有的成分 的单元为生物处理单元和污泥分离单元的组合。
8.根据项7的水处理装置，其中所述生物处理单元包括两个或更多个 曝气池。
9.根据项7或8的水处理装置，其中所述生物处理单元包括其中浸渍 生物膜载体的曝气池。
10.根据项9的水处理装置，其中所述生物膜载体包含芯材料和部分 固定至该芯材料上的纤维状材料，且所述纤维状材料围绕着所述芯材料浓 密生长。
11.根据项10的水处理装置，其中所述芯材料具有螺旋形。
12.根据项10或11的水处理装置，其中所述纤维状材料为聚偏二氯 乙烯。
13.根据项7～12中任一项的水处理装置，其中所述污泥分离单元为具 有沉淀池和/或分离膜的膜分离装置。
14.根据项13的水处理装置，其中所述膜分离装置的分离膜包含选自 聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE) 和聚丙烯(PP)的至少一种。
15.根据项13或14的水处理装置，其中所述分离膜的一种形式为中 空纤维形式。
16.根据项13～15中任一项的水处理装置，其中所述分离膜为通过附 着和固定垂直排列的多个中空纤维的两端而制得的膜滤芯，和具有液密地 附着和固定至第一端部的外周上的滤芯头以及固定至第二端部的外周上的 裙缘;所述滤芯头与所述裙缘分离;所述滤芯头侧的中空纤维的端部是开 口的;将所述裙缘侧的中空纤维的端部的中空部分封闭;和在所述裙缘侧 的粘合固定层中形成有多个通孔。
17.根据项7～16中任一项的水处理装置，其进一步包括污泥溶解单 元。
18.根据项17的水处理装置，其中所述污泥溶解单元采用选自机械细 胞破坏法、超声波法、臭氧法、水热氧化法、化学试剂添加法和嗜热菌法 的至少一种方法。
19.根据项1的水处理装置，其中所述除去水中含有的成分的单元为 凝聚沉淀处理单元。
20.根据项19的水处理装置，其进一步包括将含有待除去的离子的脱 附排液返回到所述凝聚沉淀处理单元的单元，所述离子是在对所述离子吸 附单元所用的多孔成形体进行再生时产生的。
21.根据项1的水处理装置，其中所述除去水中含有的成分的单元为 脱盐处理单元。
22.根据项1的水处理装置，其中所述除去水中含有的成分的单元为 直接纯化单元。
23.根据项1～22中任一项的水处理装置，其中所述水处理装置具有分 离和除去水中的悬浮固体的单元，所述单元被设置在所述离子吸附单元的 先前阶段。
24.根据项1～23中任一项的水处理装置，其中所述离子吸附单元为串 联连接的多个离子吸附单元，且为旋转系统。
25.根据项24的水处理装置，其中监测处理水中的离子浓度的离子检 测单元被设置在初始阶段的所述离子吸附单元中。
26.根据项1～25中任一项的水处理装置，其中所述水处理装置具有使 脱附离子从与所述离子吸附单元所用的多孔成形体接触的脱附溶液中结晶 的单元，和用于结晶物质的固-液分离单元。
27.根据项26的水处理装置，其进一步包括冷却所述脱附溶液的单元。
28.一种水处理方法，包括：
除去水中含有的成分的步骤;和
使用多孔成形体作为吸附剂的离子吸附处理步骤，其中
该多孔成形体包含含有有机聚合物树脂的原纤维，和无机离子吸附材 料;
所述原纤维形成在所述成形体的外表面开口的连通孔，且具有内腔， 每个所述内腔通过各内腔的至少一部分在所述原纤维的表面开孔;和
所述无机离子吸附材料被负载在所述原纤维的外表面上和所述原纤维 的内腔的表面上。
29.根据项28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的步骤为 生物处理步骤和污泥分离步骤的组合。
30.根据项29的水处理方法，其进一步包括污泥溶解步骤。
31.根据项28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的步骤为 脱盐处理步骤。
32.根据项28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的步骤为 凝聚沉淀处理步骤。
33.根据项32的水处理方法，其进一步包括将含有待除去的离子的脱 附排液返回到所述凝聚沉淀处理步骤的步骤，所述离子是在对所述离子吸 附处理步骤所用的多孔成形体进行再生时产生的。
34.根据项28的水处理方法，其中所述除去水中含有的成分的步骤为 直接纯化步骤。
本发明可以以低成本有效地减少或除去水(例如污水、食品厂排水、 化工厂排水、自来水、海水、河水、湖水和地下水)中含有的特定离子和 全部离子从而使其达到非常低的浓度。
