CN109095631A - 能够同时去除悬浮物、磷和重金属的混合下水道溢流和非点污染源处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种处理混合下水道溢流(CSO)或非点污染源的方法和系统，其能够从流入水中去除悬浮物、重金属和磷化合物，并能降低生化需氧量，其中吸附剂包含在吸附塔中，由此，不额外使用絮凝剂，且因此不会产生絮凝污泥，并且由于通过磷酸和从吸附剂浸出的钙离子结合而吸附到吸附剂的表面，磷酸根离子去除效率高，而且其中，流入水和排出水沿横向方向移动，由此在CSO或非点污染源处理期间中产生的沉积物大部分沉淀在过滤和吸附设施的中空区域中，显著减轻了过滤和吸附设施的堵塞，最终显著改进了所述设施的维护便利性。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月21日提交的名为“能够同时去除悬浮物、磷和重金属的CSO和非点污染源处理系统”的韩国专利申请号10-2017-0078617的优先权，该申请的内容通过引用全文纳入本申请。
背景技术
1.技术领域
本发明涉及用于处理混合下水道溢流(combined sewer overflows，CSO)或非点污染源的方法和系统，其可以从流入水中去除悬浮物(SS)、重金属和磷(P)化合物，并且可以降低生化需氧量。
2.相关领域描述
通常，从城市、家庭、工厂等排放的污水通过污水管道引入污水处理厂，通过各种处理工艺净化成干净的水，且随后排放入河流等，或经过处理从而回收作为工业用水。用于处理溢流或非点污染源的常规系统需要额外使用絮凝剂，并因此具有产生絮凝污泥的问题。此外，因为过滤器由于在流入水处理期间产生的沉淀物而堵塞，所以常规系统存在问题，不理想地降低了污水处理效率。
[引用列表]
[专利文献]
(专利文献0001)韩国专利第10-1146275号
发明内容
因此，本发明旨在提供用于处理混合下水道溢流(CSO)或非点污染源的方法和系统，由此可以从CSO或非点污染源去除SS、重金属和磷化合物，并且可以通过多次过滤工艺降低生化需氧量。
因此，本发明提供处理CSO或非点污染源的方法，所述方法包括：过滤步骤，通过使用过滤用过滤器从流入水中去除悬浮物，并降低生化需氧量；第一吸附步骤，使用第一吸附塔从通过第一过滤步骤的第一排出水中去除重金属；以及第二吸附步骤，使用第二吸附塔从通过第一吸附步骤的第二排出水中去除磷化合物；其中，第一排出水和第二排出水的pH范围分别为2至6和8至12，并且第一吸附塔和第二吸附塔包括含有钙离子的吸附剂。
此外，本发明提供了一种处理CSO或非点污染源的系统，所述系统包括：构造为供应流入水的流入水供应单元；第一处理单元，其与所述流入水供应单元流体连接，以对所述流入水供应单元供应的流入水进行过滤；第二处理单元，其与所述第一处理单元流体连接，以对所述第一处理单元供应的第一排出水进行过滤；第三处理单元，其与所述第二处理单元流体连接，以对所述第二处理单元供应的第二排出水进行过滤；排出水收集单元，其构造为收集来自第三处理单元的第三排出水；以及排出水注入单元，其构造为将在第n处理单元(n＝1或2)中过滤的第n排出水注入第n+1处理单元的底部，其中，第一排出水和第二排出水的pH范围分别为2至6和8至12，第一处理单元包括过滤用过滤器，并且第二处理单元和第三处理单元包括吸附塔，所述吸附塔包括含有钙离子的吸附剂。
根据本发明，处理CSO或非点污染源的方法和系统中，吸附剂包含于吸附塔中，由此并未额外使用絮凝剂，因此不会产生絮凝污泥，并且由于磷酸与从吸附剂中浸出的钙离子结合，磷酸根离子的去除效率较高。
而且，因为流入水和排出水以相对于其引入方向的横向方向进行过滤，在流入水处理期间产生的沉淀物沉淀于多孔膜之间，因此显著降低了过滤器的堵塞。
附图说明
图1显示根据本发明的用于处理CSO或非点污染源的系统；
图2A和2B是显示通过根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法，取决于所处理的流入水的过滤速度的SS去除效率的图，图2A显示取决于过滤速度的压头损失，图2B显示随时间推移的SS去除效率和累积SS流入；
图3A和3B是显示通过根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法取决于流入水处理时间的去除砷(As)的图，图3A显示使用常规炉渣从流入水中去除As的测试数据，图3B显示使用表面改性炉渣从流入水中去除As的测试数据；
图4是显示取决于吸附剂类型的As吸附测试结果的图；
图5是显示通过根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法取决于流入水的处理时间的在初始pH条件下的磷酸根离子去除效率的图；
图6是显示由根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法中由吸附所获得的磷酸根离子去除效率的图；以及
图7是显示P和As吸附前后常规炉渣和表面改性炉渣的扫描电子显微镜图(SEM)。
具体实施方式描述
本发明可以进行多种修改，并且可以多种不同的形式实施，并且具体实施方式显示于附图中，并且在本文中进行了详细描述。
然而，应该理解本发明不限于具体实施方式，而且包括可以包括在本发明精神和范围内的各种修改方式、等同方式和替代方式。
还应当理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包括”等表示存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合，但是并不排除存在或加入一种或多种其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合的情况。
为了描述的目的，应该理解的是，附加到本发明的附图可以显示为放大或缩小。
本发明涉及用于处理CSO或非点污染源的方法和系统，其可以从流入水中去除SS、重金属和磷化合物，并且可以降低生化需氧量。
下面将对本发明进行详细描述。
本发明提供处理CSO或非点污染源的方法，所述方法包括：过滤步骤，通过使用过滤用过滤器从流入水中去除悬浮物，并降低生化需氧量；第一吸附步骤，使用第一吸附塔从通过第一过滤步骤的第一排出水中去除重金属；以及第二吸附步骤，使用第二吸附塔从通过第一吸附步骤的第二排出水中去除磷化合物；其中，第一排出水和第二排出水的pH范围分别为2至6和8至12，并且第一吸附塔和第二吸附塔包括含有钙离子的吸附剂。
根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法中，第一排出水的pH可以是2至6，并且第二排出水的pH可以是8至12。具体地，第一排出水的pH可以是2至5，第二排出水的pH可以是8至11。当使用pH在上述范围内的第一排出水时，可以高效地去除重金属，并且包含于吸附剂中的钙离子可以高效渗出。而且，使用pH在上述范围内的第二排出水高效地去除了磷化合物。
在本发明中，过滤用过滤器、第一吸附塔和第二吸附塔独立地具有中空圆柱形，其具有通过叠加多个多孔膜形成的径向横截面。具体地，过滤用过滤器以及第一吸附塔和第二吸附塔独立地具有中空圆柱形，并且它们的横截面可以是通过围绕圆柱形叠加2至10个多孔膜的径向形状。
例如，将流入水和排出水引入至各过滤用过滤器以及第一吸附塔和第二吸附塔中的中空，并且可以相对于流入水和排出水引入方向的横向方向进行过滤。具体地，将流入水和排出水引入至各过滤用过滤器以及第一吸附塔和第二吸附塔中的中空，并穿过径向叠加的多孔膜，并且因此可以相对于其引入方向的横向方向进行过滤。更具体地，中空的横截面可以具有圆形、正方形、长方形、或具有5至12条边的多边形。
例如，过滤用过滤器、第一吸附塔和第二吸附塔可以独立地进一步包括对应于厚度方向的1/3至2/3的位置处的幕墙形过滤器。在本发明中，通过多层纤维过滤材料(膜)所形成的幕墙位于多孔膜之间，由此提高过滤效率。
在本发明中，第一吸附塔和第二吸附塔可以包括含有钙离子的吸附剂。具体地，吸附剂可以分散或涂敷在吸附塔所包括的多孔膜表面上，或者吸附剂可以填充在多孔膜之间。
在一示例性实施方式中，所述吸附剂可以是选自下组的至少一种：炉渣(slag)、沸石、膨润土和飞灰。具体地，所述吸附剂可以是选自下组的至少一种：炉渣、沸石、和膨润土。更具体地，所述吸附剂可以是炉渣。当包含上述吸附剂且适当进行表面改性，可以从流入水中高效地去除SS、重金属或P化合物。
例如，吸附塔所包括的单位面积的吸附剂量范围可以是1.1kg/L至1.5kg/L。具体地，过滤器所包括的单位面积的吸附剂量范围可以是1.1kg/L至1.3kg/L、或1.1kg/L至1.2kg/L。当吸附剂的量落入上述范围时，根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法能够从流入水中高效地去除SS和有害材料，或者降低它们的量。
以1g吸附剂为基准计，吸附剂所包含的钙离子的量可以是290mg至330mg。具体地，以1g吸附剂为基准计，吸附剂所包含的钙离子的量可以是300mg至320mg或者305mg至315mg。使用钙离子在上述范围内的吸附剂在三级过滤期间高效地除去P化合物。
在另一示例性实施方式中，所述吸附剂可以进行化学表面改性，并由此用包含铁(Fe)、氧(O)和氢(H)的化合物来包围。具体地，所述吸附剂是化学表面改性的，并由此具有芯-壳结构，所述芯包含钙(Ca)、铁(Fe)、硅(Si)和镁(Mg)的至少一种氧化物，并且所述壳由包含铁(Fe)、氧(O)和氢(H)的化合物形成。
在根据本发明的处理流入水的方法中，流入水和排出水的过滤速度可以是5米/小时或更高。此处，过滤速度是指过滤线速度，表示流入水和排出水的移动速度。具体地，流入水和排出水的过滤速度可以是5米/小时至40米/小时、或10米/小时至35米/小时。考虑到上述过滤速度，可以减少在流入水和排出水通过过滤用过滤器和吸附塔时发生的压头损失。此处，压头损失是指在过滤期间未过滤流入水高度和经过滤流入水高度之间的差值。
在一示例性实施方式中，可以将流入水和排出水注入过滤用过滤器或吸附塔的上游。具体地，将流入水和排出水引入过滤用过滤器或吸附塔中的中空，并且可以在上游方向注入。在上游方向注入时，在本发明中，流入水和排出水以横向方向过滤所获得的固体并未累积在过滤用过滤器或吸附塔中，而是累积在过滤用过滤器或吸附塔中的多孔膜之间的空间中。如需要，用于排出固体的开口可以设置在其底部。
此外，本发明提供了一种处理CSO或非点污染源的系统，所述系统包括：构造为供应流入水的流入水供应单元；第一处理单元，其与所述流入水供应单元流体连接，以对所述流入水供应单元供应的流入水进行过滤；第二处理单元，其与所述第一处理单元流体连接，以对所述第一处理单元供应的第一排出水进行过滤；第三处理单元，其与所述第二处理单元流体连接，以对所述第二处理单元供应的第二排出水进行过滤；排出水收集单元，其构造为收集来自第三处理单元的第三排出水；以及排出水注入单元，其构造为将在第n处理单元(n＝1或2)中过滤的第n排出水注入第n+1处理单元的底部，其中，第一排出水和第二排出水的pH范围分别为2至6和8至12，第一处理单元包括过滤用过滤器，并且第二处理单元和第三处理单元包括吸附塔，所述吸附塔包括含有钙离子的吸附剂。
图1显示根据本发明一实施方式的用于处理CSO或非点污染源的系统的结构。如图1所示，用于处理CSO或非点污染源的系统100可以包括：第一处理单元110、第二处理单元120、第三处理单元130、流入水供应单元112、排出水收集单元132、过滤用过滤器111、吸附塔121、131、以及排出水注入单元141、142。
以下是参照图1的依据本发明的用于处理CSO或非点污染源的系统100的说明。
在本发明中，第一处理单元110可以与流入水供应单元112流体连接，并且由此可以起到从流入水供应单元供应的流入水中除去SS、并降低生化需氧量的作用。
此处，引入流入水的第一处理单元110的入口可以设置有能够粉碎大SS的装置，并且具体地，所述装置可以是筛选机或研磨机。
并且，第二处理单元120可以与所述第一处理单元流体连接，并且由此可以起到从所述第一处理单元110供应的排出水中去除重金属的作用。具体地，重金属可以是砷、铜、镉和铅中的至少一种。更具体地，所述重金属可以是砷。
此处，第二处理单元120可以进一步包括用于测定pH的pH计和用于调整pH的化学物质注射器中的至少一种。具体地，第二处理单元中的第一排出水的pH可以使用调整pH的化学物质注射器设定在2至6或3至5的范围内。当以此方式提供调整pH的化学物质注射器时，可以在第二处理单元中高效地去除重金属，并且可以获得具有高钙离子含量的第二排出水。
此外，第三处理单元130可以与所述第二处理单元流体连接，并且由此可以起到从所述第二处理单元120供应的排出水中去除P化合物的作用。具体地，P化合物可以是磷酸根离子。
此处，第三处理单元130可以进一步包括用于测定pH的pH计和用于调整pH的化学物质注射器中的至少一种。具体地，第三处理单元中的第二排出水的pH可以使用调整pH的化学物质注射器设定在8至12或8至11的范围内。当以此方式提供调整pH的化学物质注射器时，可以在第三处理单元中高效地去除P化合物。
在本发明中，第一至第三处理单元可以独立地包括具有中空圆柱形的过滤器，其具有通过叠加多个多孔膜形成的径向横截面。具体地，各过滤器具有中空圆柱形，并且其横截面可以是通过围绕圆柱形叠加2至10个多孔膜的径向形状。
例如，可以将流入水和排出水通过流入水供应单元或排出水注入单元引入至过滤器中的中空，并且可以相对于流入水和排出水引入方向的横向方向进行过滤。具体地，将流入水和排出水通过流入水供应单元或排出水注入单元引入至过滤器中的中空，并可以穿过径向叠加的多孔膜，并且因此可以相对于其引入方向的横向方向进行过滤。更具体地，中空的横截面可以具有圆形、正方形、长方形、或具有5至12条边的多边形。
例如，各第一至第三处理单元中所包括的过滤器可以独立地进一步包括对应于厚度方向的1/3至2/3的位置处的幕墙形过滤器。在本发明中，通过多层纤维过滤材料(膜)所形成的幕墙位于多孔膜之间，由此提高过滤效率。
在本发明中，各第二和第三处理单元中所包括的吸附塔可以包括含有钙离子的吸附剂。具体地，吸附剂可以分散或涂敷在吸附塔所包括的多孔膜表面上，或者吸附剂可以填充在多孔膜之间。
在一示例性实施方式中，所述吸附剂可以是选自下组的至少一种：炉渣(slag)、沸石、膨润土和飞灰。具体地，所述吸附剂可以是选自下组的至少一种：炉渣、沸石、和膨润土。更具体地，所述吸附剂可以是炉渣。当提供包含上述吸附剂的过滤器时，可以从流入水中高效地去除SS、重金属或P化合物。
例如，各第二和第三处理单元的吸附塔所包括的单位面积的吸附剂量范围可以是1.1kg/L至1.5kg/L。具体地，过滤器所包括的单位面积的吸附剂量范围可以是1.1kg/L至1.3kg/L、或1.1kg/L至1.2kg/L。当吸附剂的量落入上述范围时，根据本发明的处理CSO或非点污染源的系统能够从流入水中高效地去除SS和有害材料，或者降低它们的量。
以1g吸附剂为基准计，吸附剂所包含的钙离子的量可以是290mg至330mg。具体地，以1g吸附剂为基准计，吸附剂所包含的钙离子的量可以是300mg至320mg或者305mg至315mg。当提供包括如上所述含有钙离子的吸附剂的吸附塔时，在第三处理单元中可以从第二排出水中高效地去除P化合物。
在另一示例性实施方式中，所述吸附剂可以进行化学表面改性，并由此用包含铁(Fe)、氧(O)和氢(H)的化合物来包围。具体地，所述吸附剂是化学表面改性的，并由此具有芯-壳结构，所述芯包含钙(Ca)、铁(Fe)、硅(Si)和镁(Mg)的至少一种氧化物，并且所述壳由包含铁(Fe)、氧(O)和氢(H)的化合物形成。
在根据本发明的处理CSO或非点污染源的系统中，流入水和排出水的过滤速度可以是5米/小时或更高。此处，过滤速度是指过滤线速度，表示流入水和排出水的移动速度。具体地，流入水和排出水的过滤速度范围可以是5米/小时至40米/小时、或10米/小时至35米/小时。考虑到上述过滤速度，可以减少在流入水和排出水通过流入水供应单元以及第一至第三处理单元时发生的压头损失。此处，压头损失是指在过滤期间经过滤流入水高度和未过滤流入水高度之间的差值。
在一示例性实施方式中，可以将流入水和排出水注入过滤用过滤器或吸附塔的上游。具体地，将流入水和排出水引入过滤用过滤器或吸附塔中的中空，并且可以在上游方向注入。在上游方向注入时，在本发明中，流入水和排出水以横向方向过滤所获得的固体并未累积在多孔膜上，而是累积在过滤用过滤器或吸附塔中的多孔膜之间的空间中。如需要，用于排出固体的开口可以设置在其底部。
通过以下实施例可以更好地理解本发明的构造和效果，以下实施例仅仅是为了说明，而不应该被解释为限制本发明的范围。
实施例1
以20米/小时的速度将流入水注入第一处理单元，由此去除SS并降低生化需氧量，并且使得通过第一处理单元过滤的第一排出水与第二处理单元接触1至2小时，由此去除重金属(例如，As)，并且将通过第二处理单元过滤的第二排出水注入第三处理单元，以使接触时间为1至2小时，由此去除磷酸根离子。此处，第二和第三处理单元包含表面改性的炉渣。
测试实施例1
为了评估根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法的SS去除效率，在如下不同条件下随时间测定压头损失、SS去除效率、以及累积的SS流入：过滤线速度为20米/小时、30米/小时和40米/小时，并且流入SS浓度为150mg/L、200mg/L和300mg/L。结果如图2A和2B所示。
如图2A所示，在如下不同条件下的最大压头损失低于4cm(固体负载(solid load)为6kg/m2或更高)：过滤线速度为20米/小时、30米/小时和40米/小时，并且流入SS浓度为150mg/L、200mg/L和300mg/L。而且，SS去除效率高达80％或更高。
如图2B所示，在过滤线速度为20米/小时、流入SS浓度为200mg/L、400mg/L和600mg/L且运行时间为12小时或更长时间的条件下，最大固体负载为143.2kg/m2。由此，在过滤浴器(filtration bath)中的最大压头损失为7.4cm。而且，随着流入SS浓度更高，SS去除效率随着固体负载的增加而略有下降，但总计为80％或更高，这是过滤设施的推荐标准。即使在异常苛刻的条件下，压头损失也小于8厘米，且SS去除效率也达到80％或更高。因此，在长期使用对应过滤装置时，压头损失和SS去除效率被认为是良好的。
测试实施例2
为了评估根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法中所用吸附剂的As去除效率，使用常规炉渣和根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法中所采用的经表面改性的吸附剂，在单个pH条件下，依赖于反应时间来测定流入水中的As量。结果如图3A和3B所示。
如图3A和3B所示，当将引入的流入水的pH调整至5或更低时，使用常规EAF炉渣从6小时As吸附测试获得的As去除效率为约10％，而使用经表面改性的EAF炉渣的As去除效率最高为99％。
如图4所示，As离子的最大等温吸附量为39.2mgAs/g炉渣，其高于用作As离子吸附剂的活性炭或含有铁离子的改性活性炭的等温吸附量，并因此超过类似国内外As吸附剂研究的最佳结果。
测试实施例3
为了评估根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法中所用吸附剂的磷酸根离子去除效率，使用根据本发明的处理CSO或非点污染源的方法中所采用的炉渣，在单个pH条件下，依赖于与流入水的反应时间来测定流入水中包含的磷酸根离子的量，并且进行磷酸根离子的等温吸附测试。结果如图5和6所示。
如图5所示，为了绘制初始pH下炉渣的磷酸根离子吸附测试结果，由吸附所获得的磷酸根离子去除效率最大为83％，因此极其有助于防止水质恶化(例如由于存在于流入水中的磷酸根离子而发生绿潮)。
如图6所示，为了绘制炉渣的磷酸根离子等温吸附测试结果，磷酸根离子的最大等温吸附量为75mg PO4-P/g炉渣，其高于用作磷酸根离子吸附剂的活性炭或含有铁离子的改性活性炭的等温吸附量。
图7显示P和As吸附前后常规炉渣和表面改性炉渣的SEM图。如图7所示，使用SEM在放大100,000倍下观察在吸附P和As之前的炉渣表面和吸附P和As之后的炉渣表面，并且由此确定P和As吸附之后改性吸附剂表面上存在大量被吸附的物质。
虽然出于阐述的目的描述了本发明的实施方式，但本领域技术人员应理解，各种修改、增加和替代方式也是可能的，不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围和精神。
Claims (12)
1.一种处理混合下水道溢流或非点污染源的方法，所述方法包括：
过滤步骤，该步骤通过使用过滤用过滤器从流入水中去除悬浮物，并降低生化需氧量；
第一吸附步骤，该步骤使用第一吸附塔从通过第一过滤步骤的第一排出水中去除重金属；以及
第二吸附步骤，该步骤使用第二吸附塔从通过第一吸附步骤的第二排出水中去除磷化合物；
其中，第一排出水和第二排出水的pH范围分别为2至6和8至12，并且
第一吸附塔和第二吸附塔包括含有钙离子的吸附剂。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一排出水的pH是2至5，第二排出水的pH为8至11。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附剂是选自下组的至少一种：炉渣、沸石、膨润土和飞灰。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附剂进行化学表面改性，从而用包含铁(Fe)、氧(O)和氢(H)的化合物来包围。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，过滤用过滤器、第一吸附塔和第二吸附塔具有中空圆柱形状，其具有通过叠加多个多孔膜形成的径向横截面。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，过滤用过滤器、第一吸附塔和第二吸附塔还包括对应于厚度方向的1/3至2/3的位置处的幕墙形过滤器。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，流入水和排出水的过滤速度为5米/小时或更高。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将流入水和排出水注入过滤用过滤器或吸附塔的上游。
9.一种处理混合下水道溢流或非点污染源的系统，所述系统包括：
构造为供应流入水的流入水供应单元；
第一处理单元，其与所述流入水供应单元流体连接，以对所述流入水供应单元供应的流入水进行过滤；
第二处理单元，其与所述第一处理单元流体连接，以对所述第一处理单元供应的第一排出水进行过滤；
第三处理单元，其与所述第二处理单元流体连接，以对所述第二处理单元供应的第二排出水进行过滤；
排出水收集单元，其构造为收集来自第三处理单元的第三排出水；以及
排出水注入单元，其构造为将在第n处理单元(n＝1或2)中过滤的第n排出水注入第n+1处理单元的底部，
其中，第一排出水和第二排出水的pH范围分别为2至6和8至12，
第一处理单元包括过滤用过滤器，并且
第二处理单元和第三处理单元包括吸附塔，所述吸附塔包括含有钙离子的吸附剂。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，第二处理单元和第三处理单元还包括用于测定pH的pH计和用于控制pH的化学物质注射器中的至少一种。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，过滤用过滤器、第一吸附塔和第二吸附塔具有中空圆柱形状，其具有通过叠加多个多孔膜形成的径向横截面。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，过滤用过滤器、第一吸附塔和第二吸附塔还包括对应于厚度方向的1/3至2/3的位置处的幕墙形过滤器。
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