专利名称：通过实施天然絮凝剂的压载絮凝来处理水的方法
技术领域：
本发明的领域涉及对各种类型的水进行处理，从而清洁水并使其能够饮用。具体而言，本发明涉及水处理的技术，所述技术包括压载絮凝的步骤。
背景技术：
此类型的方法除了包括待处理的水之外，还包括一种或多种试剂，这些试剂至少能使水中存在的大部分污染物质絮凝，即以絮状物形式结合，并且随后能使这些污染物质的絮状物从净化水中分离出来。在絮凝之前通常先进行凝结。凝结包括将至少一种凝结试剂注入到待处理的水中，从而减少或移除水中以悬浮胶体颗粒形式存在的污染物质所携带的电荷，从而促进其随后的以絮状物形式的凝聚。絮凝包括将至少一种絮凝试剂注入到优选为预凝结的水中从而通过悬浮在水中的胶体颗粒的凝聚而形成较大的、容易分离的颗粒或絮状物。絮凝由凝结的预备实施来协助。随后通过沉淀来分离出悬浮在水中的絮状物以获得净化水。在一项变体中，密度大于水的粒状材料，例如沙，优选地具有60到300微米的粒度，在絮凝的上游或在絮凝过程中将其注入到待处理水中，以向絮状物提供压载，并且因此促进并加速絮状物的倾析。在FR2627704下公开的法国专利文件中特别描述了此类技术。在絮凝步骤中或絮凝步骤的`上游，将密度大于水的粒状材料或压载物注入到水中，通常称作压载絮凝。为了使待处理的水中的压载物保持悬浮从而促进絮状物围绕压载物的颗粒而形成，可在搅动状态下实施压载絮凝。因此，絮凝步骤发生在絮凝罐中，所述絮凝罐中通常有桨式搅拌器类型的机械搅拌器。因此，为了使压载絮凝更为有效，理想的是在罐内实施压载絮凝的特定速度应大于 0.lm.s、所述特定速度等于在絮凝罐中搅动净化水的泵流速Qp与所述罐的占地面积的比。此外，已知的是可根据以下公式计算出搅拌器的功率P(NP表示在流体中搅拌器的阻力系数):P= P NpN3D5并且罐中的混合的强度可通过平均速度梯度G来评估；
Γρ~G=——
VV//因此可根据以下公式计算出平均速度梯度G:G'\PN斯
VV/"
其中:Qp是泵流速(ml s—1)Np是功率数N是搅拌器的旋转速度(rpnT1)D是搅拌器的直径(m)P是流体的密度(kg.m_3)μ是流体的运动粘度(kg.s' πΓ1)V是罐的体积(m3)P是搅拌器的功率(kg.m2.s_3)G是平均速度梯度(s—1)因此，实施此类搅拌器能够在絮凝罐中引起通常为100到1400s—1的平均速度梯度G0在絮凝罐中存在的平均速度梯度可对悬浮在罐内的絮状物产生剪力。因此，絮状物必须具有大的机械阻力，才不会在这些剪力的作用下分离。为此，所实施的絮凝试剂，也称作絮凝添加剂，必须向絮状物提供足够的机械阻力。目前所实施的满足这些约束的絮凝试剂是有机的。它们通常是从石油衍生物中合成出来的。实施此类絮凝剂的优势在于这样有利于生成能够抵抗压载絮凝中固有的水力条件的絮状物，并且因此能够有效地生产由压载絮凝所处理的水。然而此项实施也存在一些缺点。现有技术的缺点具体而言，一些有机絮凝试剂，例如聚丙烯酰胺，目前被怀疑是致癌产品。因此，考虑到处理这些试剂的操作人员的健康以及使用由实施此类有机絮凝剂的方法所生产的净化水的消费者的健康，人们对此类试剂的实施并非完全中立。此外，在对絮状物进行分离之后，获得的存在于沉淀污泥中的这些有机絮凝剂不能生物降解。通常会收集这些污泥以对其进行焚烧或将其用作肥料。然后，这些污泥中所包含的有机絮凝剂会成为大气的或土壤的污染源。因此，在法律上限制此类有机絮凝剂的使用，最终会导致它们被禁止用于水处理。此外，在对压载絮凝所生产的净化水进行过滤的水处理方法中，有机絮凝剂是用于过滤而实施的过滤膜的堵塞原因所在。此外，由于现有的有机絮凝剂是石油的副产品，所以其成本的开发与石油价格密切相关，而考虑到石油比较罕见这个事实，石油价格整体上正在不断攀升并且还将持续上升。因此，这些絮凝剂的实施对水处理的总成本具有巨大影响
发明内容
发明目标本发明的目标尤其在于克服现有技术的这些缺点。确切地说，本发明的目标在于提供一种通过压载絮凝来处理水的技术，所述技术的实施对生态的影响较小，甚至为零。具体而言，本发明的目标在于提供此类技术，其不影响实施此类技术的操作人员的健康以及使用由此类技术所生产的净化水的消费者的健康。本发明的另一目的在于实施此类技术，其具有的效率水平即使不接近，也等效于通过压载絮凝来处理水的当前技术。本发明的另一目标在于提供此类技术，其实施成本至少恰好不超过通过压载絮凝来处理水的当前技术成本。具体而言，本发明的目标在于提供此类技术，其可防止膜的堵塞，所述膜可能是为了对由压载絮凝所生产的净化水进行过滤而实施的。
发明内容
这些目标，以及将在下文中呈现的其他目标是通过采用压载絮凝来处理水的方法来实现的，所述方法包括:向所述水中注入至少一种絮凝剂的步骤；向所述水中注入至少一种密度大于水的颗粒材料的步骤；以及对净化水进行回收的步骤，所述压载絮凝是在搅动状态下以100到1400s—1之间的平均速度梯度执行的，并且所述絮凝剂包括阴离子电荷密度在-900与-4000 μ eq/g之间的至少一种天然碳水化合物聚合物。在本说明书中，术语“具有阴离子电荷密度的天然碳水化合物聚合物”应理解为:-从植物材料特别是淀粉中提取的任何碳水化合物聚合物，其根据所属领域的专业化学家已知的传统技术来迁移阴离子活性基以实现其功能，以及:-从植物材料以及天然就是阴离子或可被制成阴离子的天然存在的基团中提取的任何天然碳水化合物聚合物。因此，本发明的一般原理取决于实施源自天然碳水化合物聚合物，所述聚合物在采用压载絮凝的水处理中作为絮凝剂，所述压载絮凝是在高平均速度梯度的条件下进行的，所述聚合物具有选自特定范围内的电荷。此类实施方案在现有技术中并不明显，这是因为絮状物中的大剪应力引起了高平均速度梯度。事实上，在现有技术中已经提出了在非压载絮凝的方法中使用天然碳水化合物聚合物，即，淀粉，但是由于所形成的絮状物的凝聚性不佳、在实际操作中非常容易分解并且无法适当发挥其作用，所以这些技术已经被抛弃。现在，非压载絮凝的技术使用的平均速度梯度远远小于在压载絮凝技术中所实施的平均速度梯度。因此，考虑到现有技术的这种状况，并不鼓励水处理领域的专业人员在这些压载絮凝技术中试图使用此类聚合物。此外，申请人在进行了许多研究之后，证实了只有某些天然碳水化合物聚合物才能有效地应对能够进行压载絮凝的高平均速度梯度的这些约束，并且为了实现此目的，这些聚合物需要具有从上文所指出的范围内选择的阴离子电荷密度。本发明使得所生产的净化水的质量等同于实施传统合成有机絮凝剂聚合物的压载絮凝来处理的水的质量，而同时更加有利于环境保护并且对个人健康的影响较小:这是因为根据本发明的基于起作用的天然碳水化合物聚合物的阴离子絮凝剂可生物降解。所述絮凝剂优选地基于取代淀粉。取代淀粉是优选的，这是因为它们成本较低并且容易在市场上购得。取代淀粉的阴离子电荷密度范围从-900 μ eq/g到_4000 μ eq/g，这对应于范围从大约0.1到0.5的取代率。另外还有利的是，所述取代淀粉的取代基或多个取代基是从包括羧酸酯、磺酸酯、磷酸酯、膦酸酯的取代基的组中选择的。
根据第一项优选实施例，根据本发明的方法包括所述压载絮凝步骤上游的凝结步骤。同样优选地，所述压载絮凝步骤之后是沉淀步骤。根据第二项优选实施例，根据本发明的方法包括所述凝结步骤上游的将活性炭注入到所述水的步骤。在这种情况下，根据本发明的方法在所述沉淀步骤之后优选地包括过滤步骤，特别是采用膜的过滤步骤。在所述沉淀步骤下游执行过滤使得净化水能够从炭的细粒以及过量的絮凝剂中被分离出来。优选地，在这种情况下根据本发明的方法包括在所述过滤步骤之前紧靠执行的额外的凝结步骤。额外的凝结引起了絮状物的形成，所述絮状物带有源自沉淀的水中含有的过量聚合物。这些絮状物的尺寸大于沉淀步骤产生的水中最初含有的颗粒的尺寸。这些絮状物在过滤单元的膜的表面沉积，而絮凝产生的水中最初含有的颗粒则穿过膜的表面到达更深的深度。因此，执行第二凝结是有利的，因为它可防止过滤单元上的堵塞或者至少使堵塞更加容易解除。发明者还进一步出乎意料地发现，对于天然聚合物，这些聚合物的离子载荷优选地应根据水的碱度来进行选择。在实践中，待处理的水的硬度越大，阴离子电荷的密度就越接近-4000 μ eq/g。水的硬度越小，阴离子电荷的密度就会越接近-900 μ eq/g。因此，本发明的方法包括预备步骤用于根据待处理的水的硬度来选择所述絮凝齐U，水的硬度越大，絮凝剂就包含越多的阴离子。再一次根据本发明的优选变体，将至少一种絮凝剂注入到所述水中的所述步骤的执行是通过添加所述絮凝剂到先前凝结的水中，所添加的量在从0.1到5ppm的范围内，优选地是在0.1到2ppm的范围内，具体取决于在能够絮凝的污染物质中的待处理的水的电荷。这些含量值远远大于用合成的聚合物来实施的含量值。因此，所属领域的技术人员开始担忧如此高含量值的实施方案会促进生物的D0C(可生物降解的溶解的有机碳“bDOC”)的急剧增加。所述bDOC的估计是通过在悬浮的细菌(AFNOR T 90-318)或者固化微生物(AFNOR T 90-319)的存在下在较长的培养周期(28天)之后，从溶解的有机碳DOC的减少中得出的。然而出乎意料的是，无论如何都没有发生此类增加。最终，根据本发明的一项变体，所述压载絮凝是在具有200到800s—1之间的平均速度梯度的搅动下实施的。此梯度范围是在大多数絮凝反应器中所实施的。
通过下文对优选实施例的描述，并借助于简单的说明性而非详尽的实例以及附图，本发明的其他特征和优点将更加清楚，在附图中:-图1描绘了用于实施根据本发明的方法的第一项实施例的装置；-图2描绘了用于实施根据本发明的方法的第二项实施例的装置；-图3和图4是表达了在图1所示的类型的装置中对含有有机材料的水进行处理的比较图，首先实施的是现有技术的合成有机絮凝剂，其次实施的是根据本发明的天然絮凝剂；图5是描绘了根据本发明所使用的絮凝剂相比于传统絮凝添加剂具有更少的堵塞这一事实的图。
具体实施例方式提示发明的一般原理本发明的一般原理取决于实施一种阴离子絮凝剂，其包含天然碳水化合物聚合物，该聚合物用于通过高平均速度梯度来进行压载絮凝以对水进行处理。此实施方案使得所生产的净化水的质量等同于采用合成的有机絮凝剂聚合物的压载絮凝所处理的水的质量，而同时更加有利于环境保护并有利于人，因为包含天然碳水化合物聚合物的絮凝剂可生物降解。此外，此类絮凝剂相比于合成的有机絮凝剂具有的优势是能够在堵塞可能性更低的情况下生产净化水。随后可对此水进行过滤，并且同时，对用于此目的的过滤单元解除堵塞的约束性降低。第一项实施例的实例现参阅图1，描述了根据本发明的通过压载絮凝来处理水的方法的第一项实施例。此方法包括，将待处理的水10(例如，所述水已预先经过净化或漂浮)引入到凝结罐11中，向凝结罐11注入凝结剂12，在此项实施例中，凝结剂12包含三氯化铁(FeCl3)，其为市售产品。因此凝结的水13被引入到搅动的压载絮凝罐14中，向絮凝罐14注入絮凝剂15以及密度大于水的颗粒材料16,或压载物,在此实施例中是微砂(microsand)。絮凝罐14内有桨式搅拌器20，其所实施的方式是，在此罐内，普遍的平均速度梯度为300到HOOs'絮凝剂15包含天然碳水化合物聚合物，优选地是取代淀粉，絮凝剂15的阴离子电荷密度优选地在-900到-4000 μ eq/g的范围之间。当其是取代淀粉时，这样的阴离子电荷密度的范围对应于0.1到0.5的取代率。所述取代基有利地是从包括羧酸酯、磺酸酯、磷酸酯以及膦酸酯的取代基的组中选择出来的。凝结的并絮凝的水17被引入到沉淀罐18中，在沉淀罐的底部获得了沉积的淤泥，所述淤泥是由从净化过的水中分离出来的压载的絮状物所组成的，所述净化过的水作为溢流19被提取。从倾析器18中将淤泥21提取出来，例如，借助于重复循环泵22，并且将淤泥通过管道23引入到水力旋流器24中，水力旋流器24中注入有工业水25。将含有大量微砂16的淤泥/微砂混合物从水力旋流器24处在底流中倒入压载絮凝罐14中。将含有大量淤泥27的淤泥/微砂混合物从水力旋流器24处作为溢流倒入流出槽26中。借助于提取泵28将部分脱水的混合物30从槽26中提取出来，并且将脱水产生的出水29注入到凝结罐11中。在此项实施例的一个变体中，可计划不执行任何凝结。
第二项实施例的实例参阅图2，描述了根据本发明的通过压载絮凝来处理水的方法的第二项实施例。此第二项实施例区别于先前的一项实施例主要是通过以下事实:-将待处理的水10引入到带搅拌的预接触罐31中，通过泵33将粉末状的活性炭32 (PAC)注入到预接触罐31中，并且-将来自流出槽26的出水27注入到此预接触罐31中。随后将待处理的水以及PAC的混合物34引入到凝结罐11中。此第二项实施例进一步区别于第一项实施是通过以下事实:将生产的净化水19引入到凝结室40中，凝结室40中还引入了凝结剂，并且随后将净化水19引入到过滤单元中，所述过滤单元包括具有150微米的截断点的预过滤器42以及具有25纳米的截断点的膜超滤组件41。在所述沉淀步骤下游执行过滤使得净化水能够从炭的细粒以及过量的絮凝剂中分离出来。在紧靠过滤单元之前的凝结区域中实施的凝结剂引起絮状物的形成，所述絮状物带有从沉淀槽中流出的水中含有的过量絮凝剂。这些絮状物的尺寸大于沉淀步骤产生的水中最初含有的颗粒的尺寸。这些絮状物在超滤单元的膜的表面沉积，而沉淀步骤产生的水中最初含有的颗粒则穿过超滤单元到达更深的深度。因此，此凝结的实施是有利的，因为其使超滤单元的堵塞更加容易解除。根据此第二项实施例的方法包括清洁超滤单元的阶段。这些清洁阶段(预防性维护)有两种类型:水力清洁操作，其包括反洗以及实施化学清洁方法的化学清洁操作。比较试验根据第一项实施例的方法的实施方案中的试验进行试验来比较压载絮凝的效率，所述压载絮凝所实施的要么是根据本发明的基于淀粉的以及/或者改性的藻酸盐的天然絮凝剂，要么是根据现有技术的合成的有机絮凝剂。第一测试包括对未净化的水的处理，所述水具有D0C(溶解的有机碳)的含量为
10.6mg/l，碱度为5° f ( S卩，50mg/l CaCO3)，所述处理是根据上文所描述的第一项实施例的通过压载凝结-絮凝的方法来实施的，其具有以下特点:-以50mVh的流速向凝结罐供应待处理的水；-絮凝罐中的平均速度梯度为SOOs'-注入剂量为150ppm的三氯化铁(市售产品)作为凝结剂；-注入剂量为0.2ppm的阴离子聚丙烯酰胺作为合成的有机絮凝剂，所述聚丙烯酰胺具有的阴离子电荷密度为-1400 μ eq/g，所述聚丙烯酰胺是法国爱森絮凝剂(SNFFL0ERGER)公司以商品名FLOPAM AN905销售的。如图3所示，参考此图的前两个柱状图，实施此处理可实现:-未净化的水的浑浊度降低大约93%；_254nm处的紫外吸光度降低大约80%。此处理使得所生产的净化水的DOC含量为3.3mg/l。第二测试包括对未净化的水进行处理，所述水具有DOC的含量为10.8mg/l，所述处理是根据第一项实施例的通过压载凝结-絮凝的方法来实施的，其具有以下特点:-以50mVh的流速向凝结罐供应待处理的水；-絮凝罐中的平均速度梯度为SOOs'-将剂量为150ppm的三氯化铁(市售产品)作为凝结剂；-将剂量为2ppm的取代淀粉作为絮凝剂，所述取代淀粉具有的阴离子电荷密度为-900 μ eq/g，所述取代淀粉是嘉吉(Cargill)公司以商品名C*plus 35704销售的。此淀粉的阴离子电荷的测量是借助于一种名为Μ ΕΚ P⑶-04便携式(电势仪)(MlJEK POMMTravel pack(zetameter))的设备，此设备在法国是由供应商Noviprofibre以参考号X20128销售的。如图3所示，参考此图的第二组的两个柱状图，此处理的实施能够:-使未净化的水的浑浊度降低大约87%；-在254nm处使紫外吸光度降低大约76%。此处理使得所生产的净化的DOC含量为3.6mg/l。下面的表I指出了这两个测试所使用的聚合物剂量、所使用的凝结剂剂量、未净化的水的可生物降解的DOC和净化水的可生物降解的DOC以及未净化的水的DOC和净化水的 DOC。
权利要求
1.一种用于通过压载絮凝来处理水的方法，其包括注入至少一种絮凝剂到所述水中的步骤、注入至少一种密度大于水的颗粒材料到所述水中的步骤，以及回收净化水的步骤， 其特征在于所述压载絮凝是在平均速度梯度为100到1400s—1之间的搅动下执行，并且特征在于所述絮凝剂包括阴离子电荷密度在-900到-4000 μ eq/g之间的至少一种天然碳水化合物聚合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述絮凝剂是取代淀粉。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述取代淀粉具有在0.1与0.5之间的取代率。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述淀粉的(各)取代基是从包括羧酸酯、磺酸酯、磷酸酯、膦酸酯的取代基的组中选择的。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，其特征在于其包括所述压载絮凝步骤上游的凝结步骤。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述压载絮凝步骤之后是沉淀步骤。
7.根据权利要求5或6中任一权利要求所述的方法，其特征在于其包括所述凝结步骤上游的将活性炭注入到所述水中的步骤。
8.根据权利要求6或7中任一权利要求所述的方法，其特征在于其包括所述沉淀步骤之后的过滤步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于其包括在所述过滤步骤之前紧靠执行的额外的凝结步骤。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的方法，其特征在于其包括预备步骤，所述预备步骤包括根据所述待处理的水的硬度来选择所述絮凝剂，所述水的硬度越大，所述絮凝剂的阴离子越多。
11.根据权利要求5至10中任一权利要求所述的方法，其特征在于将至少一种絮凝剂注入到所述水中的所述步骤的执行是通过将所述絮凝剂添加到先前凝结的水中，所添加的述絮凝剂的量为0.1到5ppm之间,优选地为0.1到2ppm之间。
12.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述压载絮凝的执行是在平均速度梯度在200与800s-1之间的搅动下执行的。
全文摘要
本发明涉及一种通过加重的絮凝来处理水的方法，其包括注入至少一种絮凝试剂到所述水中的步骤、注入至少一种密度大于水的颗粒材料到所述水中的步骤，以及回收净化水的步骤，其特征在于所述加重的絮凝是在采用平均速度梯度在100到1400s-1之间的搅拌下使用的，并且特征在于所述絮凝剂包括阴离子电荷密度在-900与-4000μeq/g之间的至少一种源自天然的碳水化合物聚合物。
文档编号C02F1/56GK103108688SQ201180030555
公开日2013年5月15日 申请日期2011年4月18日 优先权日2010年4月20日
发明者瑟琳·勒维克, 菲利普·索伟妮 申请人:威立雅水务技术支持公司