CN101878074B

CN101878074B - 补救污染水的方法和设备

Info

Publication number: CN101878074B
Application number: CN2008801179562A
Authority: CN
Inventors: K·S·奇尔哈姆; G·I·帕顿; L·卡西蒂
Original assignee: University of Aberdeen
Current assignee: University of Aberdeen
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-09-29
Also published as: WO2009040559A3; JP2010540222A; GB0718989D0; CN101878074A; WO2009040559A2; EP2207633A2; EP2207633B1

Abstract

本发明公开了补救污染水的方法，该污染水例如为地下水、地表水和废水，例如被下列物质污染的地下水：溶解的和游离的子相烃、金属如铬和其他过渡金属、铀、石油烃(BTEX)的可溶性成分、高氯酸盐和六氢-1，3，5-三硝基-1，3，5-三嗪(RDX)，特别是氯代烃。该方法包括用残渣例如威士忌生产中大麦发酵过程的固体废产物来处理水。本发明也公开了补救污染水的设备。

Description

补救污染水的方法和设备

技术领域

本发明涉及补救污染水的方法，该污染水例如地下水、地表水和废水，例如被氯代烃污染的地下水。本发明也涉及补救污染水的装置。

背景技术

氯代烃是水系中普遍的污染物。已知氯代烃对补救和降解具有抵抗能力，并对人类和野生动物有毒，可能致癌和致突变。例如，四氯乙烯/全氯乙烯(PCE)和三氯乙烯(TCE)是被美国环境保护局(USEPA)列为《美国环境污染经济赔偿综合法(CERCLA)》涵盖的场所(site)(通常称为“超级基金(Superfund)”场所)中的最常见的被检测地下水污染物之一。

由于氯代脂肪烃(CAH)表现出的物理化学性质，用于评估、检测和补救CAH污染水的场所的公知技术被认为有问题。CAH导致形成浓厚的非水相层(DNAPL)，使得场所的特性化和补救变得困难。本领域技术的进步使得确定原始材料的质量和位置更加容易，且最近的污染物可视化模型能进一步洞察羽流行为。但是，恢复水系(例如蓄水层)到最大污染水平(MCL)在很大程度上仍然是不可能的。

传统的还原性水补救处理包括使用简单的电子施主化合物例如乳糖、酒精、牛奶脂肪、释氢化合物(HRC)或者复杂的电子施主化合物例如糖蜜、玉米糖浆、零价铁(ZVI)、有机覆盖物、酵母提取物、食用油和生物地球化学还原脱氯(BIRD)。但是这些处理费用昂贵(HRC)，需要重复应用(乳酸钠、乳清)，需要复杂的储存技术(乳清)或者会降低渗透性/水通量(ZVI、一些覆盖物)。

本发明试图提供一种补救污染水例如地下水、地表水和废水的方法，该方法可以原位使用或异位使用，且有效、可持续和廉价。

发明内容

因而，根据本发明，提供一种通过去除氯代烃来补救污染水的方法，该方法包括用含有威士忌生产中的副产物的残渣处理水。

本发明的方法优选去除或者减少水污染物，该水污染物包括但不局限于氯代烃、溶解的和游离的产品阶段烃、金属、BTEX、铬、铀、高氯酸盐和RDX。

残渣是谷物发酵的固体副产物，例如来自于威士忌或啤酒生产中大麦的发酵。例如，在威士忌生产中，首先浸泡大麦以诱发谷物的萌芽，然后通过加热来中断萌芽(“麦芽制造”)，在此之后，研磨谷物并在麦芽浆桶(mash tun)中加热谷物和水(“捣碎”)。捣碎之后，取走液体(“麦芽汁”)用于蒸馏以制取威士忌，而固体(“残渣”)作为副产物被移去，该副产物通常被用作动物饲料。

本发明优选使用的残渣包括威士忌生产中的大麦发酵过程中的固体副产物，但本文所用的术语“残渣”包括威士忌生产中的任何谷物如玉米、小麦、大麦、黑麦发酵过程中的所有固体副产物。

作为谷物发酵过程的副产物，残渣是便宜和易于获得的。残渣可以被冷藏例如长达四个月而没有显著的性能抑制，且可以被冻结。

残渣的生物/物理/化学成分是不同组分的复杂混合物，不同组分的含量在不同谷物和发酵过程之间变化。表1显示的是威士忌残渣的含量的示例。

虽然没有受到理论的约束，但是通过来自于化学、生化和物理成分的因素的结合，残渣被认为对水补救是有益的。因此，有人认为残渣保持着有利的氧化还原条件，提供了电子施主化合物、细菌群落的碳源和催化化合物，并且利用生物、非生物和协同途径实施了积极的反馈循环。残渣的化学特性被认为保持着还原环境，麦芽和酵母提供糖和微量营养物，也有利于谷皮内纤维素的破坏。酒精、油和蛋白质被认为起着表面活性剂的作用，改变污染水界面的界面张力，残渣也提供发酵性生物体。

本发明的方法的实施例包括通过加强自然衰减来补救水。一些水系显示出期望的特性，这些特性可加强自然过程，导致增大的衰减率。

本发明的方法的另一实施例包括通过氯代烃的还原脱氯来补救水。可以通过生物途径(例如发酵或呼吸作用)或者非生物途径(例如氢解作用或亲核取代作用)进行还原脱氯。本发明的方法的优选实施例包括还原脱氯的生物途径和非生物途径之间的协同作用。

在本发明的方法中，残渣可用于原位处理水，例如在处理墙、可可渗透反应性障碍物(PRB)或者在利用钻孔可配置输送系统的井孔内处理水。作为替代，残渣也可用于异位处理水，例如在生物反应器、流化床反应器或沉淀箱中处理水。可被动地处理水，例如通过启动和/或增加自然的和可持续的净化和衰减机制。例如，可以将残渣放置在地下水通过的土壤里，例如，通过钻出钻孔，并沿着钻孔向下放置钻孔可配置输送系统，例如含有残渣的滤毒罐或连接的滤毒罐链。作为替代，可以挖掘沟渠，并在沟渠里放置残渣。作为替代，可以主动地处理水，例如通过将待处理的地下水捕获或集中到含有残渣的处理区域。残渣可单独地使用或与非活性物质如沙子或木屑混合在一起。例如，在沟渠或者钻孔可配置传输系统中，残渣可被夹在沙层、木屑层或其他非活性物质层之间。

根据本发明，还提供在通过去除氯代烃来补救污染水的方法中使用的设备，该方法包括用含有威士忌生产中的固体副产物的残渣处理水，该设备包括含有残渣的容器和允许水在通过该容器时接触残渣的装置。

该容器可包括细长的滤毒罐，且可由在预期使用环境中基本惰性和抗蚀性的材料例如不锈钢制成。

该容器可包含网孔，该网孔的尺寸足够小以便充分阻止残渣从容器中流出，同时允许地下水穿过网孔和容器中的残渣。

该设备可包括连接成链的多个容器。

该设备可沿井孔向下使用，即该设备是钻孔可配置的。

附图说明

本发明现在将参考附图进行详细描述，其中：

图1是穿过用于测试残渣的水补救效果的系统的水流的处理系列示意图；

图2是穿过包括图2所示的四个处理系列的系统的水流示意图；

图3显示使用残渣补救水库中受TCE污染的人工地下水的结果；

图4显示使用残渣补救直接将TCE注入处理系列的人工地下水的结果；

图5显示使用残渣补救水库中受六种不同污染物污染的人工地下水的结果；以及

图6a和图6b分别显示适用于本发明的方法中的钻孔可配置输送系统以及正在使用中的钻孔可配置输送系统。

具体实施方式

实施例1

按照图1示意性所示设计通过系统的水流的处理系列。含有热压处理过的蒸馏水的20L储水池10通过PTFE管连接到蠕动泵12，蠕动泵12连接到三个串联的不锈钢柱体14a、14b和14c。柱体14a、14b和14c包括直径为76mm、高为300mm的不锈钢核和不锈钢盖。进口16a、16b和16c以及出口18a、18b和18c安置在距离每个柱体14a、14b和14c的顶部和底部20mm处，并配备细钢丝网(图1中未显示)以防止颗粒堵塞。另外的泵20安置在出口18b和进口16c之间。在每个试验中，同时运行三个处理系列(标示为A、B和C)和一个控制系列(没有处理，标示为系列Z)，如图2示意性所示。

每个系列A、B、C的第一和第三柱体(分别为14a和14c)和系列Z中只包含酸洗砂。柱体A、B和C中含有威士忌残渣(来自于Strathisla distillery，Scotland，Moray，Keith)的第二柱体14b位于中间柱体位置(图1中的箭头X)，该威士忌残渣构成柱体14b内部的5％v/v(67.5g的残渣)。系列Z的柱体14b不包含残渣。

处理系列A、B、C和Z被用于处理TCE浓度为100mL/L的人工地下水，该人工地下水是通过在储水箱10中注入纯TCE来制备的。该人工地下水以0.74mL/min的速率被泵送通过处理系列A、B、C和Z 24小时以给出24小时的静置时间。

在选定的采样点处抽取10mL人工地下水样品，采样点(i)在水进入柱体14a之前，(ii)在出口18a和进口16b之间，(iii)在出口18b和泵20之间，以及(iv)在出口18c之后。

图3中显示了提取的样品的TCE浓度。在采样点(i)处提取的水的分析显示，该水与储水箱中的水的化学组成相同。在采样点(ii)处提取的水的分析显示，系列A、B、C和Z中每一个的柱体14a吸收了大约20-25％的TCE。在采样点(iii)处提取的水的分析显示，系列A、B和C(即柱体14b含有残渣的那些系列)的TCE浓度有显著的减少(P≤0.05)(小于最初浓度的5％)，但是系列Z的TCE浓度和在采样点(ii)处提取的样品相比没有进一步的减少。在采样点(iv)处提取的水的分析显示，系列A、B和C(即柱体14b含有残渣的那些系列)的TCE浓度低于检测下限(LOD)，但是系列Z的TCE浓度与在采样点(ii)处提取的样品相比没有进一步的减少。

实施例2

如图2所示，按照上文实施例1所述建立处理系列A、B、C和Z。按照上文实施例1所述进行实验，但其中储水箱10不含污染物，仅有蒸馏水。相反，TCE是通过在进口16b注入来直接引入的，且只进行上文所述的点(iii)和(iv)处的样品分析。用这种方式传输TCE的目的是描述“源头”TCE，例如来自直接溢出或储存器泄漏。

提取的样品的TCE浓度显示在图4中。指定来自系列Z的流出液的浓度为100％，即该流出液没有经过残渣处理，并且仅仅穿过三个装满沙子的柱体。最终流出液的TCE浓度为1460mg/L，且系列A、B和C中被残渣处理去除的TCE的量表达为这个值的百分数。

图4显示出，在穿过系列A、B和C的残渣处理柱体14b后，TCE平均损失了78％，而穿过系列A、B和C的柱体14c后，TCE平均损失了90％。

实施例3

如上文针对实施例1所述建立处理系列A、B、C和Z。按照上文实施例1所述进行实验，但其中储水箱10含有6种不同的CAH污染物，每一种的浓度为100mg/L(PCE、TCE、二氯乙烯(DCE)、四氯化碳(CT)、三氯甲烷(CF)和三氯乙烷(TCA))。如实施例1所述在点(i)、(iii)和(iv)处提取人工地下水样品。

提取的样品的CAH浓度显示在图5中(每个样品组中从左到右分别为PCE、TCE、DCE、TCA、CT和CF的显示结果)。结果显示，与系列Z相比，系列A、B和C中的所有六种污染物的浓度出现了显著的减少(P≤0.05)。浓度减少最大的是含有CT和TCA的样品，其中在所有采样点处都记录大于90％的减少。TCE的浓度减少了70-80％，并且DCE的浓度减少大于80％。受残渣处理影响最小的污染物是PCE和CF，但即使这样这些污染物在采样点(iv)的浓度也分别减少了78％和82％。

如上所述，本发明提供了在通过去除氯代烃来补救污染水的方法中使用的设备，该方法包括用含有威士忌生产中的固体副产物的残渣处理水，该设备包括含有残渣的容器和允许水在穿过容器时接触残渣的装置。

图6a和图6b分别示出适用于本发明的方法的钻孔可配置输送系统和正在使用中的钻孔可配置输送系统。

参考图6a，该图示出适用于本发明的方法的钻孔可配置输送系统。在图6a所示的实施例中，该系统包括含有残渣的细长的滤毒罐100。该残渣可以单独使用，或者和非活性物质如沙子或木屑一起使用。例如，残渣可以被夹在或者嵌在滤毒罐100中的沙子或木屑中。滤毒罐100优选由在预期应用环境中基本为惰性和抗腐蚀性的材料例如不锈钢制成。滤毒罐100包括网孔110，该网孔的尺寸足够小以充分阻止残渣从筒100中流出，同时允许水穿过网孔110和滤毒罐100中的残渣。滤毒罐100可单独使用，或者多个滤毒罐100可以通过滤毒罐100每一端的接头120连接成链。尽管对滤毒罐100的尺寸没有理论限制，但出于实际目的，长为10-20cm(例如大约15cm)、直径为1-5cm(例如大约3cm)和网孔尺寸为0.25-0.75mm(例如大约0.5mm)是合适的。

滤毒罐100适合于沿钻孔向下配置，以便被动地补救地下水。图6b示出通过与钻孔150一起设置的接头120相连的滤毒罐100的链140。箭头A指示地下水流动的方向。

应该理解这里所述的实施例仅以举例的方式示出本发明的应用。实际上，本发明可适用于许多不同的配置，具体实施例的实施对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims

1.一种通过去除氯代烃来补救污染水的方法，所述方法包括用含有威士忌生产中的固体副产物的残渣处理水。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水还被溶解的和游离的产品阶段烃、金属、BTEX、高氯酸盐和/或RDX污染。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述金属是铬或铀。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述残渣包括玉米、小麦、大麦、或黑麦的发酵过程中的固体副产物。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述残渣包括大麦的发酵过程中的固体废产物。

6.根据权利要求1所述的方法，其包括通过加强自然衰减来补救地下水。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述水是地下水，并且所述方法包括通过所述氯代烃的还原脱氯来补救地下水。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述还原脱氯是通过生物途径和/或非生物途径进行的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述还原脱氯是通过生物途径和非生物途径的结合进行的。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述水是经原位处理的地下水。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述原位处理包括使用处理墙、可渗透反应性障碍物或利用钻孔可配置传输系统的钻孔。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述水是经异位处理的地下水。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述异位处理包括使用生物反应器、流化床反应器或者沉淀箱。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述水是被被动处理的。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述水是被主动处理的。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述残渣是作为活性材料单独使用的。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述残渣是与非活性材料混合在一起的。

18.一种在通过去除氯代烃来补救污染水的方法中使用的设备，所述方法包括用含有威士忌生产中的固体副产物的残渣处理水，所述设备包括含有残渣的容器以及允许水穿过所述容器接触所述残渣的装置。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述容器包括细长的滤毒罐。

20.根据权利要求18或19所述的设备，其中所述容器是由在预期使用环境中基本惰性和抗腐蚀性的材料制成的。

21.根据权利要求18所述的设备，其中所述容器是由不锈钢制成的。

22.根据权利要求18所述的设备，其中所述容器包括网孔，所述网孔的尺寸足够小，以便充分阻止残渣从所述容器中流出，同时允许水穿过所述网孔和所述容器中的残渣。

23.根据权利要求18所述的设备，其包括连接成链的多个容器。

24.根据权利要求18所述的设备，其用于沿钻孔向下配置。