[发明专利]用于废水处理的系统和方法

说明书

相关申请

本申请要求以下申请的优先权，将其结合于此以供参考：于2008年12月3日提交的题为“Ion Exchange Based Metal Bearing Wastewater Treatment and Recycling System Therefore(基于离子交换的含金属废水处理及其循环系统)”的美国临时申请第61/119,567号。

技术领域

本申请公开内容总体涉及含金属废物的工业废水处理的领域。更具体地，本申请公开内容涉及用来从工业废水去除受控(调节)的和非受控(未调节)的污染物的设备、操作程序(操作过程)、化学过程和物理过程。

背景技术

许多工业制造过程产生包含金属和其它污染物的废水；有机的和无机的。由于它们固有的毒性，监管机构严格地限制可合法排入到环境中的某些金属的最大浓度。为了遵守这些规章制度，工厂采用废水处理过程以从废水中去除受控(调节)的物质。两种主要的废水处理方法是化学沉淀和离子交换。

现今，化学沉淀是最常使用的从废水中去除溶解的(离子的)金属的方法。化学沉淀通常需要中和、沉淀、凝固、絮凝、沉积、沉降/过滤、和脱水的工艺操作。其使用一系列罐(槽)，在这些罐中，加入凝结剂、沉淀剂和其它化学品(例如，聚合物、硫酸亚铁、氢氧化钠、石灰、和聚氯化铝)，以将金属转化成不可溶形式。伴随废水的pH调节，这导致金属从水中沉淀出。使用澄清罐(沉淀罐)，允许沉淀物沉降，然后将其收集为淤泥(污泥，sludge)；也可以使用过滤来去除固体。使用压滤机和/或干燥机去除淤泥中过多的水。然后，将浆料(其本身是受控的有害废物)运送到装置外(厂区外)，在那里，通过将其与水泥或聚合物混合来使其稳定，然后，将其埋在有害物料填埋场中。以这种方式，将废水中的受控金属的浓度减小至与控制限度(regulatory limits)一致的水平，允许水从设备(工厂)中排出。然而，需要处理、运输和处置所得的有害淤泥，是用化学沉淀作为废水处理的最昂贵、劳动量大、需要资源且困难的问题之一。

化学沉淀的固有缺点是，其是主动和加成过程，因此需要向废水中加入化学品，以便去除受控金属。其副作用是增加了许多其它物质的浓度，以及使诸如化学需氧量(COD)和电导率的特性变差；从而需要额外的处理并导致水不适于循环和再利用或者对于循环和重新使用来说是不经济的。此外，所去除的金属不仅是不可回收的，而且它们还变成需要专门处理的受控的有害物料。作为一种加成过程，化学沉淀还增加了需要处理、运输和填埋的废料的量(按大小的等级)。

作为一种主动的过程，在适当的操作过程和相对于变动(波动)的变量(例如，溶液中金属的数量及其浓度，以及其它物质的存在和浓度)的化学品的配料的基础上，判定化学沉淀的效能。化学品的配料不足会导致沉淀和受控金属的去除不完全，而配料过多会浪费化学品，产生额外体积的淤泥，并增加成本。现在，由于非法排放的结果，大多数废水处理操作简单地承担附加成本，并在它们的处理操作中使化学品配料过多。而且，在包含几种金属的废水中，由于每种金属在不同的pH下最佳地沉淀，因此调节pH以使一种金属沉淀，可能实际上导致另一种金属重新溶解在废水中。最后，化学沉淀过程还需要大量占地面积和固定设备。

相反，离子交换是化学计量的、可逆的静电化学反应，在该化学反应中，溶液中的离子用络合物中的带类似电荷的离子交换。这些络合物通常化学结合于产生树脂的固态的、不溶的有机聚合物基质；其中最常见的是交联聚苯乙烯。而且，可以使用无机基质，例如，以各种多孔结构和化学改性的硅胶。通过向苯乙烯中添加二乙烯基苯来实现聚苯乙烯交联，这会增加稳定性，但会稍稍减小交换容量(能力)。通过大孔(介孔)结构，通常将这些离子交换树脂制造成小珠(1mm)的形式，从而提供非常高且可达到的用于结合官能团络合物的表面积；其中离子交换反应实际发生的位置(地方)。树脂的交换容量由交换位置的总数限定，或更具体地，由其总共可用的官能团的总数限定。