SK288076B6

SK288076B6 - Method of using water soluble polymers in a membrane biological reactor

Info

Publication number: SK288076B6
Application number: SK268-2004A
Authority: SK
Inventors: John H. Collins; Kristine S. Salmen; Deepak A. Musale; Seong-Hoou Yoon; William J. Ward
Original assignee: Nalco Company
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2013-05-03
Also published as: CZ2004771A3; ATE493193T1; NZ536696A; EP1461141A4; US6723245B1; PL371060A1; IN2004KO00921A; RU2005104552A; AU2003200842B2; HU228884B1; EP1461141B1; HUP0402564A2; DE60335518D1; CA2486835A1; SK2682004A3; EP1461141A1; RU2326722C2; WO2003057351A1; AU2003200842A1; CZ306420B6

Abstract

Method of treatment carried out in a membrane biological reactor is that it includes: (i) adding to the activated sludge at least one cationic water-soluble polymer to form a mixture of water and coagulated and flocculated suspended solids, (ii) and (ii) separating clarified water from the microorganisms and the coagulated and flocculated solids filtration, ultrafiltration or microfiltration membrane.

Description

Tento vynález sa týka spôsobu úpravy kalu v membránovom biologickom reaktore. Spôsob je založený na použití polymérov na zníženie tvorby kalu v biologickom reaktore.

Doterajší stav techniky

Biologické spracovanie odpadovej vody kvôli odstráneniu rozpustených organických látok je veľmi známy a rozsiahlo vykonávaný spôsob v komunálnych i priemyselných prevádzkach. Tento aeróbny biologický spôsob je všeobecne známy ako spôsob „aktivovaného kalu“, v ktorom mikroorganizmy spotrebovávajú v priebehu svojho rastu organické zlúčeniny. Tento spôsob nevyhnutne zahrnuje sedimentáciu mikroorganizmov či „biomasy“ kvôli ich oddeleniu z vody a dokončenie zníženia biologickej spotreby kyslíka (BSK) a celkových suspendovaných tuhých látok v konečnom odtoku. Zvyčajne sa vykonáva sedimentačný krok v klarifikačnej jednotke. Biologický proces je teda obmedzený nutnosťou vytvoriť biomasu, ktorá nemá dobré usadzovacie vlastnosti. Tieto podmienky sa obzvlášť ťažko udržiavajú v priebehu prerušovaných časových intervalov vysokej organickej záťaže a výskytu kontaminujúcich zložiek, ktoré sú pre biomasu toxické.

Zvyčajne toto spracovanie aktivovaného biologického kalu má pomer premeny organických látok na kal zhruba 0,5 kg kalu/kg CHSK (chemická spotreba kyslíka), čo spôsobuje tvorbu značného množstva prebytočného kalu, ktorý je potrebné ukladať do odpadu. Výdavky na spracovanie prebytočného kalu sa odhadujú na 40 až 60 % celkových výdavkov čistiarne odpadových vôd. Navyše môže konvenčný spôsob ukladania navážkou viesť k sekundárnym problémom znečistenia životného prostredia. Preto rýchlo rastie záujem o spôsoby zníženia objemu a hmotnosti prebytočného kalu.

Membrány v spojení s biologickými reaktormi na spracovanie odpadovej vody sú dobre známe, ale nepoužívajú sa v širokej miere v praxi. V týchto systémoch nahradzujú ultrafiltračné (UF) membrány, mikrofiltračné (MF) membrány alebo nanofiltračné (NF) membrány sedimentáciu biomasy s cieľom oddeliť tuhé látky od kvapaliny. Membránu možno inštalovať v nádobe bioreaktora alebo v niektorej priliehajúcej nádobe, kde sa miešaná tekutina nepretržite čerpá z nádoby biologického reaktora a späť za získania odtoku s oveľa nižším obsahom celkových suspendovaných tuhých látok, zvyčajne nižším ako 5 mg/1 oproti 20 až 50 mg/1 z klarifikačnej jednotky. Dôležitejšie je, že MBR (membránové biologické reaktory) oddeľujú biologický proces od nutnosti usadzovať biomasu, lebo membrána slúži ako sito oddeľujúce biomasu od vody. To umožňuje prevádzkovanie tohto biologického spôsobu za podmienok, ktoré by boli v konvenčnom systéme neprekonateľné vrátane: 1) vysokých hodnôt MLSS (bakteriálna záťaž) 10 až 30 g/1, 2) dlhého retenčného času kalu a 3) krátkeho hydraulického retenčného času. V konvenčnom systéme by takéto podmienky mohli viesť k nadobúdaniu objemu kalu a zlej schopnosti usadzovania.

Výhody prevádzky membránových biologických reaktorov zahrnujú nízku tvorbu kalu, úplné oddelenie tuhých zložiek od odtekajúcej kvapaliny, dezinfekciu odtekajúcej kvapaliny, kombinované zníženie biologickej spotreby kyslíka, obsahu tuhých látok a obsahu živín v jednej jednotke, schopnosť spracovania vysokej záťaže, elimináciu problémov s naberaním objemu kalu a malé množstvo zvyšku. Nevýhody zahrnujú obmedzenie prevzdušňovania, zanášanie membrán a náklady na membrány.

Náklady na membrány sú v priamom vzťahu k potrebnej ploche membrány pre daný objemový tok membránou či „prietok“. Prietok sa vyjadruje v litroch/h/m² (LMH) alebo v galónoch/deň/stopa² (GFD). Bežné prietoky sa menia od zhruba 10 LMH do zhruba 50 LMH. Tieto relatívne nízke prietoky, ktoré nastávajú hlavne následkom zanášania membrán, spomaľujú rast použitia systémov membránových biologických reaktorov na spracovanie odpadových vôd.

Membrána biologického reaktora tvorí rozhranie s tzv. „zmesnou tekutinou“, ktorá obsahuje vodu, rozpustené tuhé látky, ako sú proteíny, polysacharidy, suspendované tuhé látky, ako sú koloidné látky a látky vo forme častíc, agregáty baktérií či „vločky“, voľné baktérie, prvoky a rôzne rozpustené metabolity a bunkové zložky. Pri prevádzke sa koloidné a časticové tuhé látky a rozpustené organické látky usadzujú na povrchu membrány. Koloidné častice vytvárajú vrstvu na povrchu membrány nazývanú „koláčová vrstva“. Tvorba koláčovej vrstvy je obzvlášť problematická v membránových biologických reaktoroch prevádzkovaných v režime so „slepým koncom“, kde nie je žiaden priečny tok, t. j. tok v dotykovom smere k membráne. V závislosti od pórovitosti koláčovej vrstvy narastá hydraulický odpor a klesá prietok.

Navyše k tvorbe koláča na membráne môžu malé častice upchávať póry membrány, čo je stav zanášania, ktorý nemusí byť reverzibilný. V porovnaní s konvenčným spôsobom aktivovaného kalu je údajne vločka (častica) v bežných jednotkách membránového biologického reaktora menšia. Pretože sa veľkosť póru membrány membránového biologického reaktora mení od zhruba 0,4 pm do zhruba 0,4 pm, môžu menšie častice spôsobiť upchávanie pórov. Upchávanie pórov zvyšuje hydraulický odpor a znižuje prietok.

US-B 6 203 705 opisuje spôsob a systém spracovania odpadovej vody, ktorá obsahuje meď a iné častice z chemického spôsobu mechanickej planarizácie (CMP). Spôsob zahrnuje úpravu hodnoty pH odpadovej vody na hodnotu medzi asi 3 a 4 pridaním koagulantu alebo flokulačného polyméru k odpadovej vode, aby sa vytvorili väčšie častice, filtráciou odpadovej vody cez filtračnú jednotku na vytvorenie presakujúcej fázy (permeátu) a tuhých látok, vedenie permeátu cez lôžko aktívneho uhlíka na odstránenie všetkého organického uhlíka a vedenie permeátu spracovaného na uhlíkatom lôžku cez stĺpec naplnený iónomeničom na odstránenie medi z permeátu. Spôsob môže ďalej zahrňovať premývanie suspenzie zachytenej v zásobníku na koncentrovanie použitou parou odchádzajúcou z kolóny naplnenej iónomeničom. Uvedený patent sa však netýka spôsobu úpravy zmesnej kvapaliny v membránovom biologickom reaktore.

WO-A 96/07615 sa týka spracovania vody, zvlášť pri spôsobe odstraňovania rozpusteného organického uhlíka z vody. Spôsob zahrnuje kroky pridávania iónomeničovej živice k vode, ktorá obsahuje kontaminant, ako je rozpustený organický uhlík, dispergovanie živice v kontaminovanej vode, aby sa umožnila adsorpcia rozpusteného organického uhlíka na živici a oddelenie živice zaťaženej kontaminantom a vody. Spôsob výhodne používa magnetickú iónomeničovú živicu, pričom vhodné iónomeničové živice obsahujú katiónové funkčné skupiny. Tento dokument však neopisuje spôsob kondicionovania zmesnej kvapaliny v membránovom biologickom reaktore, ktorý zahrnuje pridávanie k relevantnému vodnému systému účinného koagulujúceho a flokulačného prostriedku z jedného alebo viac vo vode rozpustných katiónových, amfotémych, alebo zwitteriónových polymérov alebo ich kombinácie.

Preto tu vyvstáva potreba vyvíjať zlepšené spôsoby úpravy zmesnej tekutiny v jednotkách membránových biologických reaktorov kvôli zvýšeniu prietoku a zníženiu zanášania membrán.

Polyméme koagulačné a flokulačné prostriedky rozpustné vo vode sa doteraz v jednotkách membránových biologických reaktorov nepoužívali, lebo sa všeobecne uvažuje, že nadbytočný polymér zanáša povrchy membrán, čo spôsobuje dramatické poklesy prietoku membránou.

Autori tohto vynálezu však zisťujú, že pri použití určitých katiónových, amfotémych a zwiteriónových polymérov rozpustných vo vode v membránových biologických reaktoroch na koaguláciu a flokuláciu biomasy v zmesnej tekutine a na vyzrážanie rozpustného biopolyméru sa podstatne znižuje zanášanie membrány a môže viesť k nárastu prietoku membránou až o 500 % v podstate bez zanechania nadmerného množstva polyméru v spracovávanej vode pri účinnej dávke. Tento nárast prietoku membránou umožňuje použitie menších systémov so súčasným znížením kapitálových nákladov alebo alternatívne zvyšuje objemový prietok odpadovej vody z existujúceho systému so zodpovedajúcim znížením prevádzkových nákladov.

Podstata vynálezu

Predmetom tohto vynálezu je spôsob úpravy kalu v membránovom biologickom reaktore, ktorého podstata spočíva v tom, že zahrnuje:

(i) pridanie k aktivovanému kalu aspoň jedného katiónového polyméru rozpustného vo vode za vytvorenia zmesi vody a koagulovaných a flokulovaných suspendovaných tuhých látok a (ii) oddelenie klarifikovanej vody od mikroorganizmov a od koagulovaných a flokulovaných tuhých látok filtráciou ultrafiltračnou alebo mikrofiltračnou membránou.

Výhodné uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu spočíva v tom, že vo vode rozpustný katiónový polymér má molekulovú hmotnosť od zhruba 10 000 do zhruba 2 000 000.

Iné výhodné uskutočnenie spôsobu podľa tohto vynálezu spočíva v tom, že vo vode rozpustný katiónový polymér má katiónový náboj aspoň zhruba 5 molárnych %. Účelné uskutočnenie opísaného spôsobu podľa tohto vynálezu spočíva v tom, že vo vode rozpustným katiónovým polymérom je kopolymér z (met)akrylamidu a jedného alebo viacerých katiónových monomérov, ktoré sú zvolené z dialyldimetylamóniumchloridu, kvartémej soli dimetylaminoetyl-akrylátmetylchloridu, a kvartémej soli dimetylaminoetylmetakrylátmetylchloridu a kvartémej soli dimetylaminoetylakrylátbenzylchloridu. Ešte iné účelné uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu spočíva v tom, že vo vode rozpustným katiónovým polymérom je kopolymér dialyldimetylamóniumchloridu a akryl-amidu.

Ešte iné výhodné uskutočnenie spôsobu podľa tohto vynálezu spočíva v tom, že vo vode rozpustný katiónový polymér má katiónový náboj v množstve, ktoré zodpovedá 100 molámym %. Ďalšie výhodné uskutočnenie opísaného spôsobu podľa vynálezu spočíva v tom, že vo vode rozpustný katiónový polymér sa vyberie zo skupiny, ktorá pozostáva z polydialyldimetyl-amóniumchloridu, polyetylénimínu, polyepiamínu, polyepiamínu sieťovaného amoniakom alebo etyléndiamínom, kondenzačného polyméru z etyléndichloridu a amoniaku, kondenzačného polyméru z trietanolamínu a mastnej kyseliny lojového oleja, poly(dimetylaminoetylmetakrylátsulfátu) a poly(kvartémej soli dimetylaminoetylakrylátmetylchloridu).

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obrázok 1 je schematické znázornenie typického systému membránového biologického reaktora na bio3

SK 288076 Β6 logické spracovanie odpadovej vody, ktorý sa skladá z prevzdušňovacej nádoby I, ponoreného membránového modulu 2, sacieho čerpadla 3, prevzdušňovacích zariadení 4 na čistenie membrány, prevzdušňovacích zariadení 5 na biologickú reakciu a prípadného drviča kalu 6.

Obrázok 2 ukazuje krivky nárastu kalu vypočítané súčasným riešením rovníc 1 a 2 nižšie. Parametre a konštanty použité v tomto výpočte zahrňujú tabuľky 1 a 2. Rýchlosť produkcie kalu pri danej hodnote tuhých látok suspendovaných v zmesnej tekutine (MLSS) (napríklad 18 000 mg/ľ¹) sa môže získať zo smernice dotyčnice. „Nulová smernica“ teda znamená „netvorí sa žiaden kal“.

Na obrázku 2 smernica dotyčnice 1) klesá s vyšším hydraulickým retenčným časom (HRT) pri konštantnom MLSS a 2) klesá s vyšším obsahom MLSS pri konštantnom HRT. Pre prvý prípad, kde MLSS je konštantná, napríklad 14 000 mg/1, sa nebude vytvárať žiaden prebytočný kal zvýšením HRT na 12 hodín. Pre druhý prípad, v ktorom je HRT konštantný, napríklad 10 hodín, sa nebude tvoriť žiaden kal zvyšovaním MLSS na 17 000 mg/1.

Čas retencie kalu (SRT) sa vypočíta delením celkového množstva kalu v biologickom reaktore (kg) rýchlosťou odstraňovania kalu (kg/d). SRT teda stúpa pri menšej tvorbe nadmerného kalu a nakoniec sa stáva „nekonečnou“ za podmienok bez tvorby nadbytočného kalu.

V biologickom procese spracovania odpadovej vody mikroorganizmy v biologickom reaktore rastú so spotrebou organického substrátu obsiahnutého v odpadovej vode. Navyše, mikroorganizmy endogénne dýchajú, čím spotrebovávajú samy seba. Tieto javy sa opisujú rovnicou (1), v ktorej sa mikrobiologický rast vyjadruje Monodovou rovnicou s odčítaním endogénnej respirácie reprezentovanou kinetickou rovnicou prvého rádu (kjX) na konci pravej strany rovnice.

dx Pm

-=-x-kjx ------------------(1).

dt K_s + S_e

V tejto rovnici p_m je maximálna špecifická rýchlosť rastu (d¹), Ks je konštanta polovičného nasýtenia (mg/ľ¹), kj je konštanta endogénneho rozpadu (ď¹), Se je koncentrácia substrátu v zmesnej tekutine (mg/ľ¹), x je MLSS (mg/ľ¹) a t je čas (d).

Keď mikroorganizmy rastú, väčšina substrátu (organické znečisťujúce zložky v prítoku) sa spotrebováva a určitý podiel odchádza s odtokom. Túto rovnováhu možno opísať rovnicou (2), v ktorej prvý člen na pravej strane vyjadruje rovnováhu organickej hmoty medzi prítokom a odtokom a druhý člen spotrebu substrátu mikroorganizmami.

dS_e Q 1 pmS_e

- =-(S,-S_e)---x ---------------(2),

Dt V Y K,+ S_e kde Q je prietok pritekajúcej kvapaliny (m³ď¹) a Y je koeficient výťažku (kg MLSS kg CHSK'¹), V je objem v reaktore (m³) a Sj je CHSK pritekajúcej tekutiny (mg/Γ¹). Všetky konštanty a parametre použité v predchádzajúcich výpočtoch zhrňujú tabuľky 1 a 2.

Tabuľka 1 - Hodnoty kinetických a stechiometrických parametrov použitých vo výpočte

Parameter	Jednotka	Hodnota
ka¹	ď¹	0,028
k_s ²’³	mg liter'¹	100
Y³	kg MLSS kg CHSK'¹	0,5
beta³	kg CHSK kg MLSS'¹	1,2
úm^2,3	ď¹	3

Tabuľka 2 - Hodnoty prevádzkových parametrov použité vo výpočte³

Parameter	Jednotka	Hodnota
Q	m³ ď¹	1 x 10³
S_e(t = O)	mg ľ¹	30
s,	mg ľ¹	400
x(t = 0)	mg r¹	5 000

* Grády a kol. (1999) ‘H. Nagaoka, S. Yamanishi a A. Miya, Modeling of biofouling by extracellular polymers in a membráne sep4

SK 288076 Β6 aration activated sludge systém, Water Science and Technology, 38,4 - 5,497 - 504 (1998).

²M. Henze, C. P. L. Grády, W. Gujer, G. V. R. Marais a T. Matsuo, A generál model for single-sludge wastewater treatment Systems, Water Research, 21,5, 505-515 (1987).

³C. P. L. Grády, G. T. Daigger a H. C. Lim, Biological Wastewater Treatment, str. 61 -125, Marcel Dekker, NY, 1999.

Nasleduje podrobný opis vynálezu.

Definície pojmov

Nasledujúce skratky a pojmy, ako sa tu používajú, majú nasledujúce významy:

AcAm je akrylamid, DMAEA.BCQ je kvartérna soľ dimetylamino-etylakrylátbenzylchlorid, DMAEA.MCQ je kvartérna soľ dimetylaminoetyl-akrylátmetylchlorid, Epi-DMA je epichlórhydríndimetylamín, DADMAC je dialyldimetylamóniumchlorid, pDADMAC je poly(dialyldimetylamónium-chlorid) a PEI je polyetylénimín.

„Katiónový polymér“ znamená polymér majúci celkový kladný elektrický náboj. Katiónové polyméry podľa tohto vynálezu zahrnujú polyméry zostavené celkom z katiónových monomérov a polyméry zostavené z katiónových a neiónových monomérov. Katiónové polyméry tiež zahrnujú kondenzačné polyméry epichlórhydrínu a dialkylmonoamínu alebo polyamínu a kondenzačné polyméry etyléndichloridu a amoniaku alebo formaldehydu a amínovej soli. Katiónové polyméry podľa tohto vynálezu zahrnujú polyméry v roztoku, emulzné polyméry, disperzné polyméry a štruktúrne modifikované polyméry, ako sa opisuje v PCT US 01/10867.

„Katiónový monomér“ znamená monomér, ktorý má celkový kladný elektrický náboj. Reprezentatívne katiónové monoméry zahrnujú dialkylaminoalkylakryláty a metakryláty a ich kvartéme či kyslé soli vrátane, ale bez obmedzenia, kvartémej soli dimetylaminoetylakrylát-metylchloridu, kvartémej soli dimetylamino-etylakrylát-metylsulfátu, kvartémej soli dimetylaminoetylakrylát-benzylchloridu, dimetylaminoetylakrylát-sulfátu, dimetylaminoetylakrylát-hydrochloridu, kvartémej soli dimetylaminoetylmeta-krylát-metylchloridu, kvartémej soli dimetylaminoetylmetakrylát-metylsulfátu, kvartémej soli dimetylaminoetylmetakrylát-benzylchloridu, dimetylaminoetylmet-akrylát-sulfátu, dimetylaminoetylmetakrylát-hydrochloridu, dialkylaminoalkyl-akryl-amidov alebo metakrylamidov a ich kvartémych solí alebo kyslých solí, ako je akrylamidopropyltrimetylamónium-chlorid, kvartémej soli dimetylaminopropyl-akrylamid-metylsulfátu, dimetylaminopropylakrylamid-sulfátu, dimetylaminopropyl-akrylamid-hydrochloridu, metakrylamidopropyltri-metylamónium-chloridu, kvartér-nej soli dimetylaminopropylmetakrylamid-metylsulfátu, dimetylaminopropylmetakrylamid-sulfátu, dimetylaminopropyl-metakrylamid-hydrochloridu, dietyl-aminoetylakrylátu, dietylaminoetylmeta-krylátu, dialyldietylamónium-chloridu a dialyldimetylamónium-chloridu. Alkylové skupiny sú všeobecne Ci.₄ alkylové skupiny.

„Úprava“ znamená vyzrážanie rozpustného biopolyméru a koaguláciu a flokuláciu časticovej či koloidnej organickej látky v zmesnej tekutine za vytvorenia väčších agregátov častíc s výsledným nárastom prietoku filtračnou membránou biologického reaktora a znížením zanášania membrány.

„Hydraulický retenčný čas“ (HRT) znamená dobu, po ktorú odpadová voda zotrváva v biologickom reaktore. Získa sa delením celkového objemu biologického reaktora prietokom pritekajúcej kvapaliny.

„Zmesná tekutina“ alebo „kal“ znamená zmes odpadovej vody, mikroorganizmov používaných na rozklad organických látok v odpadovej vode, materiálu obsahujúceho organické látky odvodeného od bunkových zložiek, bunkové vedľajšie produkty a/alebo odpadové produkty alebo zvyšky po rozpade buniek. Zmesná tekutina môže tiež obsahovať koloidné a časticové látky (napríklad biomasa/biologické tuhé látky) a/alebo rozpustné molekuly alebo biopolyméry (t. j. polysacharidy, proteíny atď.).

„Tuhé látky suspendované v zmesnej tekutine“ (MLSS) znamenajú koncentráciu biomasy, ktorá spracováva organický materiál v zmesnej tekutine.

„Monomér“ znamená polymerizovateľnú alylovú, vinylovú alebo akrylovú zlúčeninu. Monomér môže byť aniónový, katiónový alebo neiónový. Preferujú sa vinylové monoméry, viac sa preferujú akrylové monoméry.

„Neiónový monomér“ znamená monomér, ktorý je elektricky neutrálny. Reprezentatívne neiónové monoméry zahrnujú akrylamid, metakrylamid, N-metylakrylamid, N,N-dimetyl(met)akrylamid, N,N-dietyl(met)akrylamid, N-izopropyl(met)akrylamid, N-terc-butyl (met)akrylamid, N-(2-hydroxypropyl)-metakrylamid, N-metylolakrylamid, N-vinylformamid, N-vinylacetamid, N-vinyl-N-metylacetamid, poly(etylénglykol)(met)akrylát, poly(etylénglykol)monometyl-étermono(met)akrylát, N-vinyl-2-pyrolidón, glycerolmono((met)akrylát), 2-hydro-xyetyl(met)akrylát, 2-hydroxypropyl(met)akrylát, vinylmetylsulfón, vinylacetát, glycidyl(met)akrylát a podobne.

„Bránenie“ zahrnuje tak bránenie, ako aj inhibíciu.

„Kalový retenčný čas“ (SRT) znamená dobu, po ktorú mikroorganizmy, ktoré zhruba predstavujú kal, zotrvávajú vnútri biologického reaktora. SRT sa vypočíta delením celkového množstva kalu v biologickom reaktore rýchlosťou odstraňovania kalu.

„Redukovaná špecifická viskozita“ (RSV) je ukazovateľom dĺžky reťazca polyméru a strednej molekulovej hmotnosti. RSC sa meria pri danej koncentrácii polyméru a teplote a vypočítava sa nasledujúcim spôsobom:

[(-)-!)

RSV---C kde:

η = viskozita polymémeho reťazca, η₀ = viskozita rozpúšťadla pri tej istej teplote a c = koncentrácia polyméru v roztoku.

Jednotky koncentrácie „c“, ako sa tu používajú, sú g/100 ml alebo g/dl.

Jednotky RSV sú teda dl/g. RSV sa meria pri teplote 30 °C. Viskozity η a η₀ sa merajú s použitím Cannonovho-Ubbelohdeho semimikrodilučného viskozimetra, veľkosť 75. Viskozimeter sa pripevňuje do dokonale zvislej polohy v kúpeli s konštantnou teplotou nastavenou na 30 ± 0,02 °C. Chyba, ktorá je vlastná výpočtu RSV, je zhruba 2 dl/g. Podobné hodnoty RSV zmerané pre dva lineárne polyméry identického či veľmi podobného zloženia ukazujú na to, že tieto polyméry majú podobné molekulové hmotnosti s podmienkou, že sa vzorky polyméru spracovávajú rovnakým spôsobom a že sa hodnoty RSV merajú za identických podmienok.

IV znamená vnútornú viskozitu, čo je RSV pri medznom či nekonečnom zriedení polyméru zriedenia (t. j. koncentrácia polyméru rovnajúca sa nule). IV, ako sa tu používa, sa získa z úseku na osi y vynesenia RSV proti koncentrácii polyméru v rozmedzí 0,015 až 0,045 hmotnostných % polyméru.

Preferované uskutočnenia

Vo vode rozpustné katiónové polyméry používané pri spôsobe podľa tohto vynálezu sa pridávajú do jednotky membránového biologického reaktora kvôli podpore zabudovania koloidných častíc, ako sú bunkové fragmenty a jednotlivé baktérie, do štruktúr agregátov či vločiek a/alebo kvôli zvýšeniu poréznosti vrstvy koláča. Polyméry rozpustné vo vode môžu byť polyméry v roztoku, latexové polyméry, suché polyméry alebo disperzné polyméry.

„Latexový polymér“ znamená invertibilnú polymému emulziu typu voda v oleji obsahujúcu katiónový, polymér podľa tohto vynálezu vo vodnej fáze, uhľovodíkový olej pre olejovú fázu, emulgačný prostriedok pre systém voda v oleji a prípadne povrchovo aktívnu látku na inverziu. Inverzné emulzné polyméry majú spojitú uhľovodíkovú fázu s polymérmi rozpustnými vo vode, ktoré sú dispergované ako častice mikrometrového rozmeru v uhľovodíkovej matrici. Latexové polyméry sa potom podrobia „inverzii“ alebo aktivujú na použitie vypustením polyméru z častíc pôsobením šmykovej sily, zriedenia a všeobecne ďalšej povrchovej látky, ktorá môže a nemusí byť zložkou tejto inverznej emulzie.

Príprava polymérov v emulzii typu voda v oleji sa opisuje napríklad v US patentoch č. 2 982 749, 3 284 393 a 3 734 873. Pozri tiež Hunkeler a kol., „Mechanism, Kinetics and Modeling of the InverseMicrosuspension Homopolymerization of Acrylamide“, Polymér, 30, 1, 127 - 142 (1989) a Hunkeler a kol., „Mechanism, Kinetics and Modeling of Inverse-Microsuspension Polymerization: 2. Copolymerization of Acrylamide with Quatemary Amonium Cationic Monomers“, Polymér, 32, 14, 2626 - 2640 (1991).

Latexové polyméry sa pripravujú rozpustením požadovaných monomérov vo vodnej fáze, rozpustením emulgačného prostriedku (emulgačných prostriedkov) v olejovej fáze, emulgáciou vodnej fázy v olejovej fáze na prípravu emulzie voda v oleji, v niektorých prípadoch homogenizáciou emulzie typu voda v oleji, polymerizáciou monomérov rozpustených vo vodnej fáze emulzie typu voda v oleji kvôli získaniu polyméru ako emulzie typu voda v oleji. V prípade požiadavky možno po skončení polymerizácie pridať samoinvertujúcu povrchovo aktívnu látku kvôli získaniu samoinvertujúcej emulzie typu voda v oleji.

„Disperzný polymér“ znamená polymér rozpustený vo vode dispergovaný vo vodnej spojitej fáze obsahujúcej jednu či viacero anorganických/organických solí. Reprezentatívne prípady polymérov pripravených disperznou polymerizáciou vo vode rozpustných monomérov vo vodnej spojitej fáze sa opisujú napríklad v US patentoch č. 4 929 655, 5 006 590, 5 597 859 a 5 597 858, v európskom patente č. 657 478 a 630 909 a v PCT/US 01/09060.

Všeobecný spôsob prípravy disperzných polymérov je nasledujúci. Typy a množstvá špecifických zložiek vo vzorci (napríklad solí a stabilizačných polymérov) sa budú meniť v závislosti od daného polyméru, ktorý sa pripravuje.

Vodný roztok obsahujúci jednu či viacero anorganických solí alebo jeden či viacero monomérov a akékoľvek ďalšie vo vode rozpustné monoméry, akékoľvek polymerizačné prísady, ako sú chelatotvomé prostriedky, pufry na úpravu pH, prostriedky na prenos reťazca, vetviace či sieťujúce prostriedky a jeden či viacero stabilizačných polymérov rozpustných vo vode sa dodáva do reaktora vybaveného miešacím zariadením, termočlánkom, trubicou na premývanie prúdom dusíka a zariadením na kondenzáciu vody.

SK 288076 Β6

Monomémy roztok sa energicky mieša, zahrieva sa na požadovanú teplotu, a potom sa pridá iniciátor rozpustný vo vode. Roztok sa premýva prúdom dusíka pri udržiavaní teploty a miešaní počas niekoľkých hodín. Po tom čase sa produkty ochladia na teplotu miestnosti a všetky post- polymerizačné prísady sa pridajú do reaktora. Disperzie polymérov rozpustných vo vode so spojitou vodnou fázou sú voľne prúdiace kvapaliny s viskozitami produktu všeobecne 100 až 10 000 cP (10⁴ až 10⁶ Pa.s) meranými pri nízkej šmykovej sile.

„Polymér v roztoku“ znamená polymér rozpustný vo vode v spojitom vodnom roztoku.

Pri polymerizačnom procese v roztoku sa pridáva jeden či viacero monomérov do nádoby s následnou neutralizáciou vhodnou bázou. Potom sa do reakčnej nádoby pridá voda, ktorá sa potom zahrieva a premýva dusíkom. Možno tiež pridať polymerizačné katalyzátory do nádoby na začiatku alebo ich dodávať postupne v priebehu reakcie. Iniciátory polymerizácie vo vodnom roztoku, ako sú akékoľvek azo alebo redox iniciátory alebo ich kombinácie, sa pridávajú spolu s monomémym roztokom do reakčnej zmesi v oddelených dodávkach v priebehu rovnakého času. Zahrievanie alebo chladenie možno použiť na nevyhnutnú kontrolu reakčnej rýchlosti. Ďalší iniciátor možno použiť po skončení pridávania kvôli zníženiu hladín zvyškového monoméru.

„Suchý polymér“ znamená polymér pripravený gélovou polymerizáciou. Pri spôsobe gélovej polymerizácie sa vodný roztok monomérov rozpustných vo vode, všeobecne s koncentráciou 20 až 60 hmotn. %, spolu s akýmikoľvek polymerizačnými či procesnými aditívami, ako sú prostriedky na prenos reťazca, chelatotvomé prostriedky, pufry na úpravu pH alebo povrchovo aktívne látky, umiestnia do izolovanej reakčnej nádoby vybavenej rúrkou na premývanie prúdom dusíka. Pridá sa iniciátor polymerizácie, roztok sa premýva prúdom dusíka a teplota reakčnej zmesi sa nechá bez kontroly rásť. Keď sa polymerizovaná hmota ochladí, odstráni sa výsledný gél z reaktora, rozreže, vysuší a rozomelie na požadovanú veľkosť častíc.

V jednom preferovanom aspekte tohto vynálezu majú vo vode rozpustné katiónové polyméry molekulovú hmotnosť od zhruba 2000 do zhruba 10 000 000 daltonov.

V ďalšom preferovanom aspekte je katiónový polymér kopolymérom akrylamidu a jedného či viacerých katiónových monomérov zvolených z prípadov dialyldimetylamónium-chlorid, kvartéma soľ dimetylaminoetylakrylát-(metyl)chlorid, kvartéma soľ dimetylaminoetylmetakrylát(metyl)chlorid a kvartéma soľ dimetylaminoetylakrylát-benzylchlorid.

V ďalšom preferovanom aspekte má katiónový polymér katiónový náboj v množstve aspoň 5 molámych

%.

V ďalšom preferovanom aspekte je katiónovým polymérom kopolymér dialyldimetylamóniumchlorid/akrylamid.

V ďalšom preferovanom aspekte má katiónový polymér katiónový náboj 100 molámych %.

V ďalšom preferovanom aspekte má katiónový polymér molekulovú hmotnosť zhruba 2000 až zhruba 500 000 daltonov.

V ďalšom preferovanom aspekte sa katiónový polymér volí z prípadov zahrnujúcich polydialyldimetylamónium-chlorid, polyetylénimín, polyepiamín, polyepiamín sieťovaný amoniakom alebo etyléndiamínom, kondenzačný polymér etyléndichloridu a amoniaku, kondenzačný polymér trietanolamínu a mastnej kyseliny z loja, poly(dimetylaminoetylmetakrylát-sulfát) a kvartéma soľ poly(dimetylaminoetyl-akrylát-metylchlorid).

V ďalšom preferovanom aspekte je neiónovým monomérom akrylamid.

Jednotka membránového biologického reaktora kombinuje dva základné procesy, biologickú degradáciu a membránovú separáciu, do jedného procesu, v ktorom sa suspendované tuhé látky a mikroorganizmy zodpovedné za biodegradáciu oddeľujú od spracovávanej vody membránovou filtračnou jednotkou. Pozri Water Treatment Membráne Processes, McGraw-Hill, 1996, s. 17.2. Celková biomasa je uzatvorená vnútri systému, čo zaisťuje možnosť kontroly času zotrvania pre mikroorganizmy v reaktore (vek kalu) i dezinfekciu odtekajúcej kvapaliny.

V bežnej jednotke membránového biologického reaktora sa odpadová voda 2 čerpá alebo prúdi pôsobením vlastnej tiaže do prevzdušňovacej nádoby i, kde sa privádza do styku s biomasou, ktorá biologicky degraduje organický materiál v odpadovej vode. Prevzdušňovacie zariadenie 5, ako sú dúchadlá, poskytujú pre biomasu kyslík. Výsledná zmesná tekutina sa čerpá z prevzdušňovacej nádoby do membránového modulu 2, kde sa filtruje membránou pod tlakom alebo sa preosieva membránou pri pôsobení nízkeho vákua. Odtekajúca tekutina L1 sa vypúšťa zo systému a koncentrovaná zmesná tekutina sa vracia do biologického reaktora. Nadmerné množstvo kalov 9 sa čerpá mimo kvôli udržiavaniu konštantného veku kalu a membrána sa pravidelne čistí premývaním spätným prúdom, chemickým umývaním alebo oboma spôsobmi.

Membrány používané v jednotke membránového biologického reaktora zahrnujú spôsoby ultrafiltrácie, mikrofiltrácie a nanofiltrácie, použitie vnútornej a vonkajšej povrchovej vrstvy, dutých vlákien, tubulámych a plochých organických, kovových, keramických elementov a podobne. Preferované membrány na komerčnú aplikáciu zahrnujú duté vlákna s vonkajšou ultrafiltračnou vrstvou, ploché vrstvy (naskladané) na mikrofiltráciu a duté vlákna s vonkajšou mikrofiltračnou vrstvou.

Preferované membránové materiály zahrnujú chlórovaný polyetylén (PVC), poly viny lidénfluorid (PVDF), polyakrylonitril (PAN), polysulfón (PSF), polyétersulfón (PES), polyvinylalkohol (PVA), acetát ce7

SK 288076 Β6 lulózy (CA), regenerovanú celulózu (EC), rovnako tak ako anorganické látky.

K membránovému biologickému reaktoru možno pripojiť ďalšie zariadenie na spracovanie kalu 6. Prebytočný kal 9 z prevzdušňovacej nádoby I sa čerpá do rozmelňovacieho zariadenia kvôli ďalšej degradácii. Skvapalnený kal 8 opúšťajúci zariadenie sa recykluje späť do bioreaktora a použije sa ako dodávaný materiál. Príklady zariadenia na spracovanie kalu zahrnujú ozonizáciu, alkalické spracovanie, tepelné spracovanie, ultrazvuk a podobne. V tomto prípade prispieva protoplazmatický materiál obsiahnutý v spracovanom kale k zvýšeným hladinám biopolymérov (t. j. proteínov a polysacharidov) v zmesnej tekutine. Tento prídavný biopolymér sa odstraňuje spracovaním polymérov, ktoré sa tu opisuje.

Odpadová voda sa môže predbežne spracovávať pred vstupom do membránového biologického reaktora. Napríklad možno použiť roštové mreže, štrkové komory alebo rotačné bubnové sitá na odstránenie hrubých tuhých látok.

V priemyselných prevádzkach, kde sú v nespracovanej odpadovej vode prítomné syntetické oleje, ako je to v rafinériách olejov, sa vykonáva predbežné spracovanie kvôli odstráneniu oleja v jednotkách, ako je separátor s naklonenou doskou a jednotka pre indukovanú vzduchovú flotáciu (1AF). Často sa používa niektorý katiónový flokulačný prostriedok, ako je kopolymér DMAEM a AcAm v jednotke IAF kvôli zlepšeniu odstránenia oleja. Nadbytočný fosfát sa tiež niekedy zráža v biologickom reaktore pridaním kovových solí, ako je chlorid železitý, takže fosfát neprechádza membránou do konečnej odtekajúcej tekutiny.

V závislosti od konečného použitia vody a čistoty tekutiny prechádzajúcej membránovým biologickým reaktorom sa môže odpadová voda tiež podrobiť dodatočnému spracovaniu. Napríklad kvôli spätnému získavaniu vody, pri ktorom sa spracovaná odpadová voda v konečnom stupni vypúšťa späť do niektorej vodonosnej vrstvy využívanej ako zdroj pitnej vody, sa môže prechádzajúca tekutina ďalej spracovávať reverznou osmózou (RO) kvôli zníženiu obsahu rozpustených minerálnych látok. Ak sa má voda recyklovať do procesu, potom môžu požiadavky tohto procesu vytvárať nevyhnutnosť ďalšieho spracovania prechádzajúcej tekutiny kvôli odstráneniu rezistentných organických látok, ktoré sa nepodarilo odstrániť v membránovom biologickom reaktore. V týchto prípadoch možno použiť spôsoby, ako je nanofiltrácia alebo adsorpcia na aktívnom uhlí. Konečne možno všetku biologicky spracovanú odpadovú vodu ďalej dezinfikovať pred vypustením do recipientného vodného toku, všeobecne pridaním chlómanu sodného, ale tento spôsob sa nepožaduje pri vypustení do komunálnej kanalizácie.

Ako sa diskutuje skôr, pri spôsobe použitia membránového biologického reaktora umožňuje úplné zadržanie biomasy membránou udržiavať v biologickom reaktore vysoké hodnoty MLSS (bakteriálnej záťaže) v bioreaktore a tieto vysoké hodnoty MLSS umožňujú dosiahnutie dlhších retenčných časov tuhých látok (SRT). Následkom toho rýchlosť tvorby kalu v membránovom biologickom reaktore, ktorá je nepriamo úmerná retenčnému času tuhých látok SRT, sa značne znižuje v porovnaní s konvenčným spôsobom aktivovaného kalu na zhruba 0,3 kg kalu/kg BSK. Ale výdavky na spracovanie kalu v prevádzke s membránovým biologickým reaktorom sú stále podľa odhadu 30 až 40 % celkových výdavkov.

Ako sa diskutuje skôr, možno tvorbu kalu značne znížiť jednoduchým zvýšením HRT (hydraulického retenčného času) alebo cieľových hodnôt MLSS (rozpustených tuhých látok v zmesnej tekutine) bioreaktora. Ale tento spôsob zrýchľuje zanášanie membrány a v konečnom dôsledku zvyšuje „frekvenciu čistenia membrány“.

V skutočnosti vysoké hodnoty HRT a vysoké hodnoty MLSS spôsobujú vysoké hodnoty SRT (retenčného času tuhých látok). Za týchto podmienok mikroorganizmy zotrvávajú v biologickom reaktore dlhšie časové obdobie a v priebehu tohto času sa niektoré staré mikroorganizmy samovoľne rozpadajú. V priebehu tohto procesu rozpadu sa vytvárajú podstatné množstvá rôznych protoplazmatických materiálov, ako sú polysacharidy, proteíny atď. Tieto materiály sa spoločne opisujú ako „biopolymér“. Tento biopolymér je tu navyše k základnému biopolyméru, tzv. extracelulámemu polyméru (ECP) vylučovanému mikroorganizmami. Následkom toho vysoké hodnoty SRT (retenčného času tuhých látok) spôsobujú vysoké hladiny biopolyméru, ktorý je hlavným faktorom spôsobujúcim zanášanie membrány.

Preto sa znižovanie kalu zvyšovaním HRT (hydraulického retenčného času) a/alebo MLSS (suspendovaných tuhých látok v zmesnej tekutine) obmedzuje zrýchleným zanášaním membrány biologickým polymérom. Vysoká hladina rozpustného biologického polyméru v zmesnej tekutine sa môže znižovať použitím polymérov podľa tohto vynálezu, ktoré reagujú s biologickým polymérom a vedú k jeho koagulácii a flokulácii za vytvorenia nerozpustnej zrazeniny vo forme väčších častíc.

V praxi možno v novom zariadení s membránovým biologickým reaktorom znižovať tvorbu kalu o zhruba 50 až 90 %, lebo použitie polymérov, ktoré sa tu opisujú, umožňuje zvyšovanie HRT (hydraulického retenčného času) na zhruba 10 až 15 hodín bez zvýšenia MLSS (suspendovaných tuhých látok v zmesnej tekutine).

V prípade daného zariadenia s konštantným HRT (hydraulickým retenčným časom) možno znížiť tvorbu kalu o zhruba 30 až 50 %, lebo použitie polymérov, ktoré sa tu opisujú, umožňuje zvýšenie MLSS (suspendovaných tuhých látok v zmesnej tekutine) o zhruba 2 až 2,5 %.

Katiónové polyméry sa zavádzajú do prevzdušňovacieho bazénu/biologického reaktora rôznymi spôsob8 mi, napríklad dávkovaním do dodávacieho potrubia odpadovej vody pred biologickým reaktorom alebo dávkovaním priamo do biologického reaktora.

Vo všetkých prípadoch je potrebné polymér dôkladne premiešať so zmesnou tekutinou v bioreaktore kvôli dosiahnutiu maximálnej adsorpcie. To možno uskutočniť dodávkou polyméru do oblasti biologického reaktora, v ktorej je prevzdušňovacia dýza. Je potrebné sa vyhnúť tzv. „mŕtvym“ zónam v bioreaktore, v ktorých je nízke prúdenie alebo nie je žiadne prúdenie.

V niektorých prípadoch je potrebné použiť ponorené vrtuľové miešadlo kvôli zvýšeniu miešania v bazéne alebo možno recirkulovať kal bočnou slučkou.

Polyméry v roztoku možno dávkovať pomocou chemického odmeriavacieho čerpadla, ako je LMI model 121 od Milton Roy (Acton, MA).

Odporúčané dávkovanie polyméru vzťahujúce sa na zmesnú tekutinu v biologickom reaktore je zhruba 1 až 200 ppm na aktívnej báze, pri MLSS (obsahu tuhých suspendovaných látok v zmesnej tekutine) zhruba 1 až 2 %. Pokiaľ je MLSS nižšie ako 1 %, možno použiť úmerne nižšie dávkovanie. Polymér možno periodicky čerpať priamo do zmesnej tekutiny biologického reaktora alebo do dodávacieho potrubia odpadovej vody. Polymér sa môže čerpať prerušovane („nárazové dodávanie“) alebo spojito do odpadovej vody. Pokiaľ sa polymér dodáva do dodávky odpadovej vody nepretržite, potom bude dávkovanie zreteľne nižšie, zhruba 0,25 až zhruba 10 ppm.

Predávkovanie polyméru môže viesť k zníženiu biologickej aktivity a odstraňovaniu organických látok v biologickom reaktore. Z toho dôvodu je na začiatku potrebné používať nízke dávky polyméru: napríklad zhruba 25 až zhruba 100 ppm v zmesnej tekutine. Ďalší polymér možno potom dodávať kvôli zvýšeniu prietoku pri udržiavaní biologickej aktivity. TOC (celkový obsah organického uhlíka) v prechádzajúcej tekutine, CHSK. (chemická spotreba kyslíka) alebo BSK (biologická spotreba kyslíka) sa môže monitorovať kvôli určeniu biologickej aktivity.

Alternatívne možno vykonávať so vzorkami zmesnej tekutiny skúšku v sklenených nádobách. S použitím štvorlopatkového miešadla sa do nádob na vzorky postupne dávkujú vyššie množstvá polyméru a jedna nádoba zostáva bez ošetrenia. Po miešaní sa vzorky nechajú usadiť počas niekoľkých hodín, takže tuhé látky môžu sedimentovať ku dnu nádobky. Zákal vody nad usadenými tuhými látkami (v supematante) sa meria kvôli zisteniu účinnosti dávkovania polyméru. Možno použiť turbidimeter od Hach Company (Loveland, Co.). Dávkovanie, ktoré poskytuje nižší zákal v nádobke ako v neošetrenej vzorke, zvyčajne zvyšuje prietok v membránovom biologickom reaktore.

V prípade predávkovania polyméru je potrebné dávkovanie polyméru zastaviť do návratu biologickej aktivity k normálnym hladinám. Môže tiež nastať nutnosť vypúšťať z reaktora viac kalu, aby sa napomohlo obnoveniu biologickej aktivity. Tiež môže pomôcť na obnovenie aktivity po predávkovaní polyméru pridanie bioaugmentačných produktov obsahujúcich príslušné baktérie.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Opísané skutočnosti možno lepšie pochopiť pri odkaze na nasledujúce príklady, ktoré sa poskytujú na účely ilustrácie a nie sú myslené ako obmedzenie rozsahu tohto vynálezu.

Reprezentatívne katiónové polyméry podľa tohto vynálezu sa uvádzajú v tabuľke 3. Polyméry B a C sú od Ciba (Tarrytown, NY), polyméry M a N sú od BASF (Mount Olive, NJ). Všetky ostatné polyméry sú od Ondeo Nalco Company, Naperville, IL.

Tabuľka 3 - Reprezentatívne polyméry

Polymér	Chemické zložky	Mol. hm.	I.V. (RSV)	% akt. polyméru
A	Epi-DMA, sieťovaný amoniakom		0,18	50
B	Epi-DMA, sieťovaný EDA		0,3	50
C	Epi-DMA, sieťovaný EDA			45
D	Epi-DMA, lineárny		0,1	50
E	PDADMAC		0,2	30
F	pDADMAC		1,0	18
G	polymér etyléndichlorid/amoniak	< 15 000		30
H	poly(dimetylaminoetylmetakrylát- sulfát)	100 000		30-40

Polymér	Chemické zložky	Mol. hm.	I.V. (RSV)	% akt. polyméru
I	poly(kvartéma soľ trietanolamín-metylchlorid)	50 000		100
J	poly(bis-hexametyléntriamín), sieťovaný EO na diétylénglykole pokrytom epichlórhydrínom, ďalej sieťovaný EP-hydrochloridom	< 500 000		50
K	kopolymér N,N-dialylcyklohexyl-amín/zmes N-alylcyklohexylamínu a akrylamidu	< 500 000		80
L	kopolymér trietanolamínu a kvartémej soli metylchloridu mastnej kyseliny z lojového oleja	< 100 000		50
M	polyetylénimín		0,32	20
N	polyetylénimín sieťovaný EO		0,35	20
O	kopolymér DADMAC/akrylamid		1,2	20
P	kopolymér kvartéma soľ dimetylaminoetylakrylátmetyl- chlorid/akrylamid		16-24	30

Príklad 1

Vzorka aeróbne spracovanej zmesnej tekutiny zo stredozápadnej čistiarne komunálnych odpadových vôd (celkový obsah tuhých látok TSS zhruba 10 až 1,5 %) sa mieša s reprezentatívnym polymérom rozpustným vo vode podľa tohto vynálezu s použitím lopatkového miešadla pri frekvencii otáčania 110 min.'¹ počas 5 minút. Zmes sa potom umiestni do miešanej komory Amicon Model 8400 Stirred Celí (Millipore Corporation, Bedford, MA) a pretláča sa polyvinylidéndifluoridovou membránou Durapore^R s nominálnym rozmerom póru 0,1 pm s efektívnou plochou membrány 0,0039 m² (Millipore Corporation, Bedford, MA) pri konštantnom tlaku 179,4 kPa (26 psi). Prietok sa stanoví vážením prechádzajúcej kvapaliny v určených časových intervaloch na váhach zaťažovaných zhora Mettler Toledo Model PG5002S. Hmotnosť zaznamenáva počítač v časových intervaloch 2 alebo 6 sekúnd. Objem sa vypočíta za predpokladu hustoty 1,00 g/ml a nevykonáva sa žiadna oprava hustoty na teplotu. Prietok sa vypočíta nasledujúcim spôsobom;

J = 913,7 AW/At, kde:

J = prietok (litrov/m²/hod.),

AW = rozdiel medzi dvoma stanoveniami hmotnosti (v g) a At = rozdiel medzi dvoma meraniami času (v sek.).

Výsledky ukazuje tabuľka 4.

Tabuľka 4 - Prietok membránou pre reprezentatívne katiónové polyméry v zmesnej tekutine pri tlaku 179,4 kPa (26 psi)

Polymér	Dávkovanie akt. zložky, ppm	litre/m²/hod. pri 80 g
žiaden	0	65
A	50	576
A	100	1 296
A	150	2 088
D	100	295
E	150	900
E	90	612
E	30	252
F	150	1 836

Ďalšie testy sa vykonávajú na zmesnej tekutine z tej istej mestskej čistiarne. Vo všetkých testoch sa vzorky zmesnej tekutiny s polymérom a bez polyméru miešajú pri frekvencii otáčania 275 min.'¹ počas 15 minút pred testovaním v komore Amicon. Tlak dodávaný na komoru je 103,5 kPa (15 psi). Výsledky ukazuje tabuľka 5.

Tabuľka 5 - Priechod membránou pre reprezentatívne katiónové polyméry v zmesnej tekutine pri tlaku 103,5 kPa (15 psi)

Polymér	Dávkovanie akt. zložky, ppm	litre/m²/hod. pri 80 g
žiaden	0	57,6
A	100	410,4
I	100	358,9
H	100	359,3
L	100	181,4
K	100	57,24
G	100	284,4
N	100	286,9
M	100	1 728
M	80	860,4
M	40	482,4
M	20	162
žiaden	0	(49)
A	100	(522)
P	100	(183)

Údaje v tabuľkách 4 a 5 zreteľne ukazujú významný nárast toku membránou pri použití katiónových polymérov rozpustných vo vode na spracovanie kalu. Hlavne Epi-DMA sieťovaný amoniakom vykazuje až 700 % nárast prietoku a PEI vykazuje nárast zhruba 1 500 %. Ďalšie katiónové polyméry vrátane lineárneho EpiDMA a pDADMAC rovnako vykazujú nárast prietoku vzhľadom na kal bez ošetrenia.

Príklad 2

Nadmerné množstvo prítomného rozpustného katiónového polyméru sa meria pridaním rôznych množstiev reprezentatívneho katiónového polyméru Epi-DMA k zmesnej tekutine zo stredozápadnej komunálnej čistiarne odpadových vôd pri miešaní zmesi pri frekvencii otáčania 110 min.'¹, centrifugovaní pri frekvencii otáčania 20 000 min.'¹ počas 25 minút a následnom meraní zvyškového polyméru v odstredenej hmote titrá20 ciou koloidu 0,001 M roztokom draselnej soli kyseliny polyvinylsírovej (PVSK). Výsledky zhrňuje tabuľka

6.

Tabuľka 6 - Zvyškový polymér v odstredenej hmote v ppm

Akt. polymér v kale	Akt. polymér v odstred. hmote
0	0
22,5	0
45	0
90	0
135	0
1 350	4,5
1 800	79,7
2 250	211
4 500	1 650

Ako ukazuje tabuľka 6, v odstredenej hmote odpadovej vody sa nedeteguje žiaden zvyškový polymér pri dávkach polyméru, ktoré poskytujú podstatné nárasty prietoku membránou. Kvôli výskytu zvyškového polyméru v odstredenej hmote je potrebné dodať 30-násobok optimálneho množstva. To je veľmi dôležitý obil jav, lebo je známe, že nadmerné množstvo polyméru zanáša membránové povrchy, a tým spôsobuje dramatické poklesy prietoku membránou.

Príklad 3

Odoberie sa 5 galónových vedier zmesnej tekutiny z komunálnej čistiarne odpadových vôd zo západu USA s jednotkou membránového biologického reaktora, nechajú sa za prístupu vzduchu cez noc a testujú nasledujúci deň. Vzorka sa udržiava v chladničke cez noc, a potom sa ochladí na teplotu miestnosti kvôli skúškam v nasledujúcich dňoch. Do kadičky s obsahom 400 ml sa pridá katiónový polymér (2,0 g 1 % roztoku polyméru) a 198 g zmesnej tekutiny. Zmes sa mieša na miešačke s motorčekom počas 15 minút pri frekvencii otáčania 275 min.’¹ kvôli opätovnej dispergácii tuhých látok. Zmesný kal sa prenesie do komôrky Amicon s polyvinylidéndifluoridovou membránou s nominálnym rozmerom póru 0,2 pm tesne pred vykonaním filtračnej skúšky.

Zmes sa pretláča membránou pri konštantnom tlaku 103,5 alebo 55,2 kPa (15 alebo 8 psi). Prietok sa stanoví vážením prechádzajúcej tekutiny v časových intervaloch na váhach s horným zaťažením Mettler Toledo Model PG5002S. Počítač zaznamenáva hmotnosť v intervaloch 2 sekundy. Objem sa vypočíta za predpokladu hustoty 1,00 g/ml bez vykonania korekcie hustoty na teplotu. Prietok sa vypočíta ako v príklade 1.

Ku koncu testu so vzorkou kalu sa membrána odloží do odpadu. Všetky skúšky so spracovaním polymérom zahrnujú skúšku, v ktorej sa nepridáva žiaden polymér na stanovenie východiskových podmienok. Tento test porovnáva prietoky pre kal spracovaný polymérom s prietokmi pre zmesnú tekutinu bez spracovania. To sa vykonáva kvôli kvantifikácii účinkov dávkovania, chemických zložiek, tlaku atď. na prietok. Výsledky zhrňuje tabuľka 7.

Tabuľka 7 - Prietok membránou pre reprezentatívne katiónové polyméry v zmesnej tekutine membránového biologického reaktora pri tlakoch 55,2 kPa a 103,5 kPa (8 a 15 psi)

Polymér	Tlak kPa	Dávk. akt. zl. ppm	Prietok pri 80 g l/m²/h*
žiaden	103,5	0	311,4
A	103,5	25	806,4
A	103,5	50	1 155,6
A	103,5	100	1 512
M	103,5	0	370,8
M	103,5	20	928,8
M	103,5	40	1 915,2
žiaden	55,2	0	138,2
A	55,2	25	367,2
A	55,2	50	500,4
A	55,2	100	694,8

* Prietok čistej vody pri 55,2 kPa (8 psi) bol 1 440 l/m²/hod. a pri 103,5 kPa (15 psi) 2 160 l/m²/hod.

Údaje v tabuľke 7 zreteľne ukazujú významný nárast prietoku membránou pri oboch tlakoch 55,2 a 103,5 kPa (8 a 15 psi) pri použití katiónových polymérov A a M vzhľadom na stav kalu pred skúškou.

Príklad 4

Účinnosť odstraňovania biopolyméru katiónovým polymérom sa tiež vykonáva analýzou v infračervenom svetle nasledujúcim spôsobom. Zmesná tekutina z membránového biologického reaktora sa odstredí a získa sa supematant. Potom sa pridá reprezentatívny katiónový polymér P. Infračervená analýza zrazeniny a supernatantu ukazuje, že väčšina pôvodne obsiahnutého biopolyméru v supematante je v zrazenine, zatiaľ čo v objeme roztoku sú iba stopové množstvá. Navyše, neexistuje žiaden dôkaz zanášania membrány katiónovým polymérom pri koncentráciách až do 100 ppm v zmesnej tekutine.

Trojmesačný poloprevádzkový experiment ďalej ukazuje, že sa polymérom P zadržiava zanášanie membrány. V prípade vsádzkového pokusu vykonaného s miešanou komôrkou sa nepozoruje pokles prietoku ani pri koncentrácii polyméru P 1 000 ppm. Navyše katiónové polyméry, ako je polymér P a polymér A, pri extrémne vysokých koncentráciách polyméru 3 000 ppm neovplyvňujú biologickú aktivitu.

I keď sa tento vynález opisuje podrobne na účely ilustrácie, je potrebné si uvedomiť, že tieto podrobnosti slúžia iba na tento účel a že skúsení odborníci môžu vykonávať mnohé modifikácie, pozmenenia a zmeny bez odchýlky od ducha a obsahu tohto vynálezu s výnimkou obmedzení daných patentovými nárokmi. Všetky zmeny, ktoré nastávajú v rámci zmyslu a rozmedzia ekvivalencie nárokov, patria do ich obsahu.

SK 288076 Β6

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY že vo vode rozpustný katiónový polymér že vo vode rozpustným katiónovým po1. Spôsob úpravy kalu v membránovom biologickom reaktore, vyznačujúci sa tým, že zahrnuje:

(i) pridanie k aktivovanému kalu aspoň jedného katiónového polyméru rozpustného vo vode za vytvorenia zmesi vody a koagulovaných a flokulovaných suspendovaných tuhých látok a (ii) oddelenie klarifikovanej vody od mikroorganizmov a od koagulovaných a flokulovaných tuhých látok filtráciou ultrafiltračnou alebo mikrofiltračnou membránou.
2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že vo vode rozpustný katiónový polymér má molekulovú hmotnosť od zhruba 10 000 do zhruba 2 000 000.
3. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, má katiónový náboj aspoň zhruba 5 molámych %.
4. Spôsob podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým lymérom je kopolymér z (met)akrylamidu a jedného alebo viacerých katiónových monomérov, ktoré sú zvolené z dialyldimetyl-amóniumchloridu, kvartémej soli dimetylaminoetylakrylátmetylchloridu, a kvartémej soli dimetylaminoetylmetakrylátmetylchloridu a kvartémej soli dimetylaminoetyl-akiylátbenzylchloridu.
5. Spôsob podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že vo vode rozpustným katiónovým polymérom je kopolymér dialyldimetylamóniumchloridu a akryl-amidu.
6. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že vo vode rozpustný katiónový polymér má katiónový náboj v množstve, ktoré zodpovedá lOOmolámym %.
7. Spôsob podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že vo vode rozpustný katiónový polymér sa vyberie zo skupiny, ktorá pozostáva z polydialyldimetylamóniumchloridu, polyetylénimínu, polyepiamínu, polyepiamínu sieťovaného amoniakom alebo etyléndiamínom, kondenzačného polyméru z etyléndichloridu a amoniaku, kondenzačného polyméru z trietanolamínu a mastnej kyseliny lojového oleja, poly-(dimetylaminoetylmetakrylátsulfátu) a poly (kvartémej soli dimetylaminoetylakrylátmetylchloridu).

2 výkresy