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CN110603229B - 活化的稻壳过滤器、过滤介质和方法 - Google Patents

活化的稻壳过滤器、过滤介质和方法 Download PDF

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CN110603229B CN201880013184.1A CN201880013184A CN110603229B CN 110603229 B CN110603229 B CN 110603229B CN 201880013184 A CN201880013184 A CN 201880013184A CN 110603229 B CN110603229 B CN 110603229B
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Abstract

本文公开的发明主题包括用于从水溶液，例如作为各种工业过程(包括采矿、石油和天然气勘探和提取、耕作、制造等)的副产物产生的废水中去除污染物的多种新型过滤介质，其包括活化的稻壳，以及过滤系统和方法。

Description

活化的稻壳过滤器、过滤介质和方法
技术领域
本发明涉及水过滤领域，更具体地涉及在水处理期间除去有毒化合物的系统、装置和方法。
背景技术
去除有毒化合物，例如重金属、挥发性有机化合物(VOC)、半挥发性有机化合物(SVOC)、杀虫剂和除草剂，是水处理中最困难的挑战之一。从废水中去除这些有毒化合物以进行适当处置对于确保采取适当的环境和公共卫生保护措施非常重要，以避免由于废水处理过程不充分而采取昂贵的补救措施。
目前已知和使用的方法和材料在去除优先污染物的能力方面受到限制。另外，这些当前的解决方案在加工过滤介质和将污染的水泵送通过过滤介质时都是昂贵的，能量密集的，并且当过滤介质在达到其使用寿命结束后需要处理时占据宝贵的填埋空间。目前流行的用于处理废水以去除重金属的处理技术包括反渗透(RO)、离子交换树脂、活性炭吸附和化学凝结(coagulation)和絮凝(flocculation)。然而，如下文将进一步描述的，这些已知技术方案中的每一个都具有许多限制，这些限制由本文公开的发明主题解决。
背景技术已知使用称为反渗透的过滤技术进行水过滤，并且该技术甚至已经适用于住宅水处理系统。反渗透过滤系统使用半透膜来从被过滤的液体中去除污染物。然而，反渗透不能容忍被处理的液体中存在油、油脂、溶解的污垢和/或淤泥以及重有机材料(heavyorganic materials)(例如藻类、浮游植物、植物碎片和氯)，并且无法从被处理的液体中去除这些物质。实际上，油、油脂、溶解的污垢和/或淤泥和重有机材料将阻塞反渗透材料，使得当废水源中存在足够浓度的这种污染物时反渗透将不起作用。另外，反渗透由于反渗透在过滤的水中产生25％或更多的废水，因此所产生的废水必须以某种方式进一步处理，这一事实带来了另外的缺点。
另一种已知的废水处理技术是离子交换树脂(IER)，然而该技术的缺点在于它也不能容忍并且在去除油、油脂和有机材料方面是无效的。另外，为了有效，IER必须以非常低的流速操作，以便去除其能够除去的有限污染物。因此，IER需要非常大的体积以在任何工业规模上进行有效处理，并且需要更长的水保留时间以进行有效处理。IER还具有与其实施相关的极高成本，依赖于化石燃料用于制造过滤介质的原料并且具有用于处理过滤介质的高成本，未必能够进一步处理过滤介质，以便在许多应用中重复使用。另外，IER必须使用有毒的酸和化学品再生(例如，恢复(refreshed))，从而在清理过程中产生额外的废水。因此，IER过滤系统的安全处理和清理本身就是环境污染的第二来源。
传统的颗粒活性炭(GAC)是从废水中去除重金属中最常用的过滤介质。虽然GAC去除重金属的能力已经被证明只是轻微的，但如果成功的话，GAC被广泛认为是最好的去除它们的介质。但是，GAC不能用于去除油或油脂，但可有效去除废水中的有机和无机化学物质。众所周知，GAC通常由稻壳灰、椰子壳、动物骨和/或蛤壳的原料制成。首先将该原料粉碎，然后在用有毒化学品进行最终处理之前将其焚烧成灰(例如小颗粒)，以产生所得的GAC产物。小粒度(particle size)堵塞了工业设备，使得这种方法不成功。由于生产用于过滤介质的GAC所需的能量消耗和时间，GAC也是一种非常昂贵的介质。另外，用于制造GAC的制造工艺仍然很昂贵，并且由于原材料成本的膨胀，成本实际上随着时间的推移而变得更高。
化学处理，例如使用凝结剂的处理，耗时、昂贵、不精确，并且需要大量设备来控制废水以进行处理，混合化学处理，沉淀从溶液中提取的污染物，以及干燥这些污染物。这些化学处理过程中的每一个还消耗相对大量的能量，用于压出过量的水并通过加热和/或对流蒸发去除的污染物中的水来干燥，在处理过程中去除污染物。此外，污染物的干燥“饼”很重，运输处理昂贵，并且不易于回收其中包含的潜在有价值的资源，其在处理之前是废水中的先前污染物。
另外，根据使用反渗透、GAC和化学处理的已知过滤溶液，这种过滤技术需要液压系统迫使废水通过处理单元。克服这种系统中固有的压头损失所消耗的能量是显著的，增加了与这种处理技术相关的费用。无论使用何种过滤技术，都会产生废物，无论是来自反渗透的二次废水，来自GAC或IER的废过滤介质，还是污染物“饼”，都必须进一步处理或处置。当过滤介质(例如，用滤液充分饱和以便不再是有效的过滤器)时，必须将这种用过的过滤介质埋在垃圾填埋场中，这进一步增加了与之相关的费用。此外，如果没有充分处置，这种废物副产品，无论是过滤介质、废水还是污染物“饼”本身都会成为潜在的环境危害。
因此，对于开发具有改进的功效和降低从废水中去除有毒污染物的相关成本的改进的和替代的过滤介质、过滤系统和过滤方法，存在强烈的商业和环境需求。
发明内容
本文公开的发明主题包括配置成从水中去除污染物的活性炭过滤介质。活性炭过滤介质产品由硅含量不大于40％的完整非颗粒烧焦稻壳制成，以及用于从水溶液中去除污染物的过滤系统和方法，例如在各种工业或制药工艺，包括采矿、石油和天然气勘探和开采、农业和制造业作为副产物产生的废水。另外，过滤介质可用于处理饮用水或用于工业用水的预处理。在一个方面，本发明包括活性炭过滤介质产品，其配置成从水中去除污染物，特别是含有重金属、油、离子、油脂、VOC、SVOC、杀虫剂和除草剂或其他污染物中的一种或多种的水。
过滤介质产品由以下材料制成：烧焦的稻壳，其硅含量不大于40％，该过程制造的产品包括以下步骤：提供有机纤维材料；将有机纤维材料暴露于热源；将有机纤维材料加热至约250℃至约550℃的温度，以至少部分地烧焦有机纤维材料；从热源中去除有机纤维材料；将有机纤维材料冷却至环境温度，制成活性炭过滤介质产品。
另一方面，本发明包括用于从水中去除污染物的过滤器，特别是含有重金属、油、油脂、VOC、SVOC、杀虫剂和除草剂中的一种或多种的废水，该过滤器具有壳体，该壳体具有至少一个入口并且至少一个出口和一个过滤介质。
在又一方面，本发明包括一种过滤系统，其配置成从水中去除污染物，该过滤系统具有至少一个过滤器；在至少一个过滤器中的至少一个的出口处的至少一个水测试仪；和至少一个阀，用于将流体流引导到所述至少一个过滤器中的一个或多个中。
更具体地，该新颖主题包括配置成从水中去除污染物的过滤系统。过滤系统由以下各项制成：第一活性炭过滤介质产品，第一活性炭过滤介质产品的出口处的第一水测试仪；和至少一个用于将流体流引导到第一活性炭过滤介质产品中的阀，第一活性炭过滤介质产品具有布置在其出口处的一级水测试仪；和第二活性炭过滤介质产品，第二活性炭过滤介质产品的出口处的第二一级水测试仪；和至少一个阀，用于将流体流引导到第二活性炭过滤介质产品中，其中第二炭过滤介质产品，其中第一活性炭过滤介质产品和第二活性炭过滤介质产品相对于彼此平行布置；其中水流入第一活性炭过滤介质产品或第二活性炭过滤介质产品的入口。
在另一方面，本发明包括降低废水中污染物水平的方法，包括以下步骤：将废水泵送到由至少一种活性炭过滤介质产品制成的过滤装置，其中所述介质产品提供过滤水；测试过滤水中的污染物；并将过滤后的水输送到第二过滤介质产品，以提供具有较低百分比的污染物的过滤水。
尽管在此已经陈述了本文公开的主题的一些方面，并且这些方面全部或部分地由当前公开的主题实现，当结合附图进行描述时，其他方面将变得明显，如下文最佳描述的。
附图说明
图1是根据本文的公开内容的制备过滤介质的第一示例性实施方案的方法的流程图。
图2是根据本文的公开内容的制备过滤介质的第二示例性实施方案的方法的流程图。
图3是根据本文的公开内容的制备过滤介质的第三示例性实施方案的方法的流程图。
图4是根据本文的公开内容的制备过滤介质的第四示例性实施方案的方法的流程图。
图5是根据本文的公开内容的过滤装置的示例实施例的示意图。
图6是根据本文的公开内容的过滤系统的第一示例性实施例。
图7是根据本文的公开内容的过滤系统的第二示例性实施例。
图8是根据本文的公开内容的过滤系统的第三示例性实施例。
图9是根据本文的公开内容的过滤系统的第四示例性实施例。
图10是根据本文的公开内容的过滤器的示例性实施方案的示意图，如图9的过滤系统中所示。
图11是构成活性炭过滤介质即901Y的完整稻壳的放大的黑白照片。
具体实施方式
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本发明公开的主题。尽管认为以下术语是本领域普通技术人员很好理解的，但阐述以下定义以便于解释本发明公开的主题。
除非下文另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语旨在具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。对本文所用技术的参考旨在表示本领域通常理解的技术，包括对那些技术的变化或对本领域技术人员显而易见的等同技术的替代。尽管认为以下术语是本领域普通技术人员很好理解的，但阐述以下定义以便于解释本发明公开的主题。在描述当前公开的主题时，应该理解，公开了许多技术和步骤。这些中的每一个都具有单独的益处，并且每个也可以与一个或多个或在一些情况下所有其他公开的技术结合使用。
因此，为了清楚起见，本说明书将避免以不必要的方式重复各个步骤的每种可能组合。然而，应该理解说明书和权利要求书，应理解这些组合完全在本发明和权利要求的范围内。根据长期存在的专利法惯例，术语“一”、“一种”和“该”在本申请(包括权利要求)中使用时指的是“一个或多个”。因此，例如，提及“一种细胞”包括多个这样的细胞，等等。除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示成分的量、反应条件等的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值，其可以根据寻求通过本发明公开的主题获得的所需性质而变化。如本文所用，术语“约”，当提及组合物的值或量、质量、重量、温度、时间、体积、浓度、百分比等时，意在包括从指定量变化在一些实施方案中±20％，在一些实施方案中±10％，在一些实施方案中±5％，在一些实施方案中±1％，在一些实施方案中±0.5％，并且在一些实施方案中±0.1％，因为这样的变化适合于执行所公开的方法或使用所公开的组合物。
与“包括”、“含有”或“特征在于”同义的术语“包含”是包含性的或开放式的，并且不排除另外的、未列举的元素或方法步骤。“包含”是权利要求语言中使用的术语，这意味着所指定的元素是必要的，但是可以添加其他元素并且仍然形成权利要求范围内的构造。如本文所用，短语“由...组成”不包括权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当短语“由...组成”在权利要求主体的一个分句中，而不是紧接在序言之后出现时，它仅限制该分句中规定的要素；其他要素不作为整体排除在权利要求之外。如本文所用，短语“基本上由......组成”限制了对特定材料或步骤的权利要求的范围，以及对所要求保护的主题的基本和新颖特征没有实质影响的那些。关于术语“包含”、“由......组成”和“基本上由......组成”，其中本文使用这三个术语之一，本发明公开和要求保护的主题可包括使用其他两个术语中的任一个。如本文所用，术语“和/或”当在实体列表的上下文中使用时，是指单独或组合存在的实体。因此，例如，短语“A、B、C和/或D”分别包括A、B、C和D，但也包括A、B、C和D的任何和所有组合和子组合。
图(也称为“FIG”)1至11示出了过滤系统的各种示例实施例、制造过滤介质的方法，以及从水源去除污染物的方法。水源可包括：工业废物的前处理和后处理；制药生产过程的前后处理；市政水处理；和饮用水和雨水的住宅处理(residential treatment)。
通常，大多数被重金属污染物污染的废水将存在这样的重金属，包括颗粒和溶解的重金属污染物。虽然污染程度可以广泛变化，但是大多数需要处理的废水源的重金属污染物浓度水平范围为约1至约1,000ppm。稻壳的碳含量是其化学组成中的主要化学成分。通常，稻壳具有与许多常见有机纤维类似的化学组成，在加工之前具有40-50％的纤维素含量，25-30％的木质素含量，15-20％的灰分含量和8-10％的水分含量。应该注意的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用其他有机纤维材料代替稻壳。其他合适的有机纤维的一些实例包括但不限于花生壳、向日葵籽壳和/或南瓜籽壳。稻壳具有约0.5mm至约5mm的一般尺寸(例如，长度)，但是具有该范围之外的尺寸的稻壳也适合用作过滤介质的加工。在处理烧焦的有机物纤维时，形成适于从废水中除去污染物的活性炭介质。
从稻壳制造活性炭过滤介质901X的方法的第一示例性实施方案总体上在图1的流程图中示出。该第一种方法的第一步包括将稻壳放在封闭的空间中。在某些方面，封闭空间非常大并且包含能够在高温下操作的各种设备(例如，传送带系统、一系列托盘等)，以便产生大量的活化稻壳。第二步然后包括从容纳稻壳的封闭空间中去除氧气以在其中产生有限的氧气条件(例如，使得氧气小于热解过程中存在的环境(atmosphere)的约2％)，通过加热器烧焦稻壳一段时间，并从封闭空间中去除烧焦的稻壳。通过将稻壳的温度升高到约250℃至约550℃之间约1至10分钟的时间来完成稻壳的烧焦。特别优选将稻壳的温度升高至约400℃的温度约1分钟，但不升温至加热至产生灰分的温度或长度。这种情况可以通过在介质中含有不超过40％的硅含量来验证，但优选在25-40％之间的硅含量。本发明的活性炭过滤介质是具有下列物理性质的烧焦有机非颗粒纤维。
表1活性炭过滤介质的物理性质
范围 单位
体积密度 0.7-0.9 g/cm<sup>3</sup>
固体密度 1.2-2.0 g/cm<sup>3</sup>
尺寸 0.5-5 mm
表面电荷密度 0.01 C/cm<sup>2</sup>
多孔性 0.4-0.55
比表面积 200-400 m<sup>2</sup>/g
pH(操作) 4-10
淤泥密度指数 30-100 μm
在烧焦过程中，稻壳的表面区域形成由微孔网状结构制成的活化稻壳，所述微孔网状结构适于捕获和去除通过含有活性炭过滤介质的过滤器的颗粒金属。通过活性炭过滤的这些金属可以通过吸附过程去除，从而能够重复使用过滤介质。
制造第二活性炭过滤介质901Y的方法的第二示例性实施方案总体上在图2的流程图中示出。该第二种方法的第一步包括在室温(例如，约25℃)下将活化的稻壳901X浸入1N硝酸(HNO3)溶液中约1小时。第二步包括从硝酸溶液中去除活化的稻壳901X。第三步包括将酸处理过的稻壳在约80-100℃的温度下干燥约2小时。酸处理的结果是酸对活化的稻壳901X的腐蚀作用进一步降低了活化的稻壳的结构，这种降解的形式是使表面更粗糙并增加微孔隙特征和活化稻壳901X的有效表面积。在一些实施方案中，有效表面积的增加为约15-20％或更多。901Y活性炭过滤介质的物理性质类似于901X活性炭过滤介质。通过硝酸工艺，活化的稻壳将具有更多的多孔和表面积。通常，与901X培养基相比，经处理的稻壳的表面积将增加至15-20％，约500m2/g。参考图11，以放大倍数示出了构成活性炭过滤介质901Y的完整非颗粒稻壳。
表2 901X和901Y的吸附容量
Figure BDA0002174503450000101
Figure BDA0002174503450000111
制造第三活性炭过滤介质901Z的方法的第三示例性实施方案总体上在图3的流程图中示出。第一步包括将热活化的米壳901X与乙二胺四乙酸(EDTA，C10H16N2O8)、硅酸盐水泥(Portland Cement)(CaO)和砂子以比例1∶1∶3∶3(例如，1份EDTA、1份活性稻壳901X、3份CaO和3份砂子)混合，作为阳离子树脂。第二步包括在室温(例如25℃)下干燥混合物约24小时。在另一个实施方案中，第二步包括将第一步产生的混合物加热至约80-100℃的温度10-14小时。还可以选择高温和时间段的中间组合，使用更温和的温度，时间小于24小时。第三步包括粉碎从第二步获得的干燥和聚集的混合物，以具有约2-5毫米(mm)的单个粒度。
从稻壳制造活性炭过滤介质901-alpha(或901-α)的方法的第四示例性实施方案总体上在图4的流程图中示出。首先，根据图1所示的过程提供活化的稻壳。在一个示例性实例中，将5克活化的稻壳与80/20v/v的乙醇/丁醇混合物混合以活化稻壳。接下来，将20重量％的盐如CaOH加入混合物中以附着在稻壳表面上，混合物在室温下浸泡约2小时。钙是交换树脂中的阳离子。接下来，将诸如4克氯乙酸(ClCH2CO2H)的弱酸加入混合物中以将钙附着到稻壳上。用强酸(如1N盐酸(HCl))洗涤混合物，使化合物牢固地附着在稻壳表面，然后在约160℃(150-170℃)下干燥数小时以形成活性炭过滤介质901-α。
表3：活性炭过滤介质901-α物理性质
范围 单位
体积密度 0.4-0.5 g/cm<sup>3</sup>
固体密度 1.1-1.6 g/cm<sup>3</sup>
尺寸 0.1-2 Mm
表面电荷密度 0.01 C/cm<sup>2</sup>
多孔性 0.4-0.55
比表面积 400-500 m<sup>2</sup>/g
pH(操作) 4-10
淤泥密度指数 50 μm
值得注意的是，活化稻壳过滤介质901X、901Y、901Z和901-α的实施例的整个处理消耗的能量要少得多，并且需要比传统GAC、IER和/或上述化学处理所需的系统维护投资显着更低的投资。此外，与常规GAC和反渗透过滤介质相比，用过的、受污染的稻壳过滤介质，无论是901X、901Y、901Z和901-α，在填埋场中占据的体积要小得多，这是由于与非常坚硬并且不能被显着压实的GAC相比，活化的稻壳拥有在处理过程中被大大压实的固有能力，压实比通常在约3∶1至约5∶1的范围内。在一些实施方案中，已经看到压实比高达约10∶1。这种压缩用过的过滤介质901X、901Y、901Z和901-α的能力导致较少的垃圾填埋空间被占用并使得用过的过滤介质901X、901Y、901Z和901-α更容易且更便宜地运输以便处置。此外，在压实之前，可以通过常规已知的提取和浸出方法回收和再利用一些金属。
现在参考图5，显示了使用由上文描述的各个方法产生的活化稻壳过滤介质901X、901Y、901Z和901-α的单个过滤装置。如图5中可见，活化的稻壳901X、901Y、901Z和901-α被包装在壳体中，填充其内部体积的至少大部分。在一些实施方案中，包装活化的稻壳以便实现约0.7至约2.0磅/立方英尺(1b/ft3)的过滤介质密度。应该注意的是，这与使用GAC的过滤装置所需的密度相比非常有利，所述过滤装置必须以125至130 1b/ft3的密度包装。因此，与常规已知的使用GAC的过滤装置相比，图5的单个过滤装置具有低得多的质量并且更容易组装和安装。壳体可以由能够承受其中包含的正常工作压力的任何合适的材料制成，例如任何合适的塑料或金属。壳体还具有用于入口和出口管的配件，优选地在壳体的端部上，以允许废水的流入和处理过的水的流出。图5的入口和出口处的配件仅示意性地示出，但是可以是任何合适的类型，包括例如螺纹(threaded)、带倒钩(barbed)、快速连接(quickconnect)、滑动(slip-type)型或粘接接头(adhesive joint)，以适应适合所处理的污染类型的所有类型的管道。
填充有活化的稻壳过滤介质的过滤装置不需要过多的泵送能量来迫使废水通过介质超过将废水泵送到过滤装置所必需的能量。换句话说，过滤介质901X、901Y、901Z和901-α在标称压力下是有效的并且不需要高操作压力才能有效。这允许使用较不粗糙且坚固的过滤器壳体，因为壳体必须设计为承受到最小的内部压力。在其他方面，废水可以在较高压力下泵送通过过滤介质901X、901Y、901Z和901-α以加速过滤过程。
虽然每个活化的稻壳过滤介质901X、901Y、901Z和901-α都能有效地过滤掉例如重金属、油、油脂、VOC、SVOC、杀虫剂和除草剂等形式的污染物，每种介质最适合去除一种或多种污染物而不是其他污染物。因此，过滤介质901X最适合过滤油和溶解的金属；过滤介质901Y最适合过滤掉悬浮固体、金属以及中和油和颗粒金属。过滤介质901Z最适合过滤和回收金属。901-α是一种离子交换树脂，适用于在短时间内捕获金属。该介质易于重新生成和重用。对于环境和可持续性方面，该介质将减少处理后的污泥饼产量。如上所述，在各种过滤介质901X、901Y、901Z和901-α中的每一种最适合于去除的污染物类别中存在一定程度的重叠。
现在参考图6，示意性地示出了过滤系统的示例性实施例。该过滤系统具有多个过滤装置，如相对于图5所描述和图示的。这些过滤装置通过多个管道或其任何合适的类似物相互连接，其中多个阀门和水测试仪布置在过滤系统内。在某些方面，水测试仪是原子吸收光谱仪，但是本领域普通技术人员将容易理解其他类型的水测试仪。
如图6中的箭头所示，水流入系统，并且取决于被处理的污染物的类型，打开通向具有过滤介质901X的过滤器902X的入口的阀门或通向具有过滤介质901Y的过滤器902Y的入口的阀门，以允许流入作为第一阶段过滤器的所需过滤装置902X或902Y。可以手动或通过计算机和合适的致动器(例如，电磁、气动等)控制和致动所有阀的操作；另外，如上所述，可以手动控制阀门(例如，通过按下按钮的人)，但是通过合适的致动器打开阀门。在一些实施例中，过滤器902X和过滤器902Y之间的阀门可以打开，使得废水将流入过滤器902X，然后流入过滤器902Y或其相反的过滤器。在其他实施例中，在不需要使用两种类型的过滤介质901X和901Y的双级过滤的情况下，处理过的水将离开相应的过滤器902X或902Y并进入水测试仪，其将比较第一处理阶段后废水中剩余的污染物水平与指定的允许污染水平。取决于结果，水测试仪将排出该“干净”水，或者如果水需要进一步过滤，则将处理过的水用过滤介质901Z输送到过滤器902Z/902-α。在通过过滤器902Z/902-α之后，通过第二水测试仪对照於水中污染物浓度的指定阈值再次测试排出的水。如果离开过滤器902Z/902-α的水的污染水平低于指定的阈值浓度水平，则水被排出，但如果没有，则水被送回过滤系统的入口。
在图7所示的过滤系统的示例性实施例中，具有高浓度水平的油和溶解的重金属的污染废水进入过滤系统并且被引导至过滤器902X的入口。在通过过滤器902X后，通过水测试仪测试水。如果水污染水平低于指定的阈值浓度水平，则排出“干净”的水。如果污染物的浓度水平保持高于阈值，则将水输送到过滤器902Z/902-α的入口以进行第二过滤阶段。在过滤器902Z/902-α中进行第二阶段过滤后，在二级水测试仪中再次测试水。如上所述，如果水污染水平低于指定的阈值浓度水平，则排出该“干净”水。如果污染物的浓度水平保持在阈值以上，则水被送回过滤系统的入口。在图7的图示中，虚线用于示出不活动的流动路径，由于示出了示例性过滤系统中的阀的配置，没有流体从中流过。
在图8所示的过滤系统的示例性实施例中，具有高浓度水平的悬浮固体、颗粒金属或颜色的污染废水由入口阀引导至过滤器902Y的入口，以进行第一过滤阶段。在过滤器902Y中退出第一过滤阶段后，在过滤器902Y出口处的水测试仪中测试处理过的水。如果水污染水平低于指定的阈值浓度水平，则排出“干净”的水。如果污染物的浓度水平保持高于阈值，则将水引导至过滤器902Z/902-α的入口以进行第二过滤阶段。在过滤器902Z/902-α中进行第二阶段过滤后，在第二水测试仪中再次测试水。如上所述，如果水污染水平低于指定的阈值浓度水平，则排出该“干净”水。如果污染物的浓度水平保持在阈值以上，则水被送回过滤系统的入口。在图8的图示中，虚线用于示出不活动的流动路径，由于示出了示例性过滤系统中的阀的配置，没有流体从中流过。可以通过添加过滤器901-α来进一步修改该系统。使用这种替代过滤介质，该系统可用于去除金属。
在图9所示的过滤系统的实施例中，污染的废水通过入口阀流到过滤器902Y的入口，以进行第一过滤阶段。在过滤器902Y中退出第一过滤阶段后，在过滤器902Y出口处的水测试仪中测试处理过的水。如果水低于指定的阈值浓度水平，则排出这种“干净”的水。在该实施例中，过滤器902Y出口处的水测试仪具有内部阀。如果污染物的浓度水平保持在阈值以上，那么水通过902Y出口处的水测试仪的内部阀门进入过滤器902X的入口而不是过滤器902Z/902-α的入口以进行第二过滤阶段。在过滤器902X中进行第二阶段过滤后，在第二水测试仪中再次测试水。如果水污染水平低于指定的阈值浓度水平，则排出“干净”的水。如果污染物的浓度水平保持在阈值以上，则将水引导至过滤器902Z/902-α的入口以进行第三过滤阶段。在过滤器902Z/902-α中进行第三阶段过滤后，在第二水测试仪中再次测试水。如上所述，如果水污染水平低于指定的阈值浓度水平，则排出该“干净”水。如果污染物的浓度水平保持在阈值以上，则水被送回过滤系统的入口。在图8的图示中，虚线用于示出不活动的流动路径，由于示出了示例性过滤系统中的阀的配置，没有流体从中流过。图9示出了具有多个入口的示例性过滤器902X，如在图10中示出和描述的过滤系统的示例性实施例中所采用的。正如图5中一样，过滤器902X具有壳体，壳体在其相对侧具有入口和出口，过滤介质901X插入壳体内部，用于过滤通过入口进入壳体的废水流中的污染物。然而，如图10所示，过滤器902X的入口是分叉的，其中一个分支与过滤器902Y的出口流体连通，另一个分支连接到过滤系统的入口。基于从废水中去除的污染物，根据需要，可以同等地应用图10中所示的连接方案以修改过滤器902Y和/或902Z中的任何一个。另外，出口可以以类似的方式分叉，无论是为了绕过相应的水测试仪还是出于本领域普通技术人员将理解的一些其他目的。
第一项实地研究是为了审查901X介质的表现。该研究是在一家制造变速箱和卡车相关零件的工厂进行的。本研究中处理的水是工厂的磷酸锌电泳漆(E-coat)涂料生产线产生的废水。该过程产生的水被乳胶漆固体、金属细粉和其他微粒碎片污染。水中还含有溶解的金属，其不经进一步处理无法排放到环境中。所讨论的金属是锰(Mn)、锌(Zn)和镍(Ni)。待处理的水波动但总是高于安全排放所需的限制。所选样品代表植物面临的最棘手的条件。进料质量和过滤质量都列在研究总结中。
目前的处理设计是一个包含化学沉淀的四步过程，紧随其后的依次是可反洗的40立方英尺砂滤器、可反洗的40立方英尺Micro-Z过滤器和双面50立方英尺活性炭过滤器，其利用骨炭加强去除金属。在每天操作8至12小时期间，系统流量平均为每分钟125加仑。该研究的过滤速率恰好与当前操作条件的过滤加载速率重复，每平方英尺每分钟约1.33加仑。因此，使用901X过滤介质在此流速下操作与当前的三步过滤过程进行了比较。通过901X介质一次后的结果是：
污染物 未处理 901X处理后 去除％
TSS(颗粒) 241mg/l 11mg/l 95.4％
锰(Mn) 10.1 1.1mg/l 89.1％
锌(Zn) 0.52mg/l 0.05mg/l 90.3％
镍(Ni) 1.172mg/l 0.014mg/l 98.8％
pH 8.71 6.25 未应用
901X在一次通过中表现出优异的污染物去除能力，涉及化学沉淀、过滤砂、Micro-Z(Watts San Antonio，TX)介质和骨炭颗粒状活性炭的四步法。除了优异的金属去除，901X还可以在同一步骤中提供沉淀物和颗粒物去除。必须注意的是，使用901Y、Z和/或α的组合的进一步处理将提供更大的污染物去除，并且强烈指示能够再利用现在丢弃的废水。
现有水系统与901X的原水污染物水平评估的比较。数据表显示现有四步处理系统后和通过901X过滤介质一次后的污染物水平。
Figure BDA0002174503450000191
第二项研究是使用塑料回收器回收和再生聚合物的废水。在该实施例中处理的水是具有不可接受的铅污染的废水。本地排放规定为0.25mg/l。除了废水铅之外，大量的悬浮固体导致水几乎不透明并且颜色为黑色。由于这些污染问题，这种水不适合排放到排水管，也不适合再利用。目前的处理设计是一个五步骤的过程，其中包括首先用苛性钠提高pH值，然后加入铝基凝结剂以沉淀溶解的金属(主要是铅)。然后将处理过的水放入碳/二氧化硅基重力过滤器中，然后通过一次性1微米过滤器。该过程的最后一步是将水送至压滤机以制造废物“饼”并将剩余的水挤出并将其传递至排水管。本研究使用901X/901Y组合。通过901X/901Y介质一次后的结果是：
<u>污染物</u> <u>未处理废物</u> <u>当前处理</u> <u>901X/901Y处理</u>
铅 78.1mg/l ＞2.0mg/l(97l4％) 0.737mg/I(99％)
颜色 黑色-不透明 黑色-不透明 透明，浅色
“饼”重 N/A ＞55磅/立方英尺 ＜4磅/立方英尺
901X的测试能够消除昂贵的有毒化学品，并提供透明的最终产品。901X和901Y可以回收目前未能满足排放法规的废水和将其排放到下水道。此外，基础重量仅为1.2磅/立方英尺901X，大大减少了送往垃圾填埋场的材料的重量和体积。
第三项研究是一家产生含金属废水的公司，产生废水的原因是在各种弹簧产品上加上耐腐蚀涂层和精加工(finishing)。精加工包括粉末涂层以至阳极氧化到铬。漂洗水中的金属中的重金属含量过高，无法送到城市下水道系统。需要还原/去除的金属是锌、铜、镍和铬。
目前的处理设计是一个多步骤的过程，包括首先用苛性钠提高pH值，然后加人铝基凝结剂以沉淀溶解的金属(主要是铅)。然后将处理过的水放人碳/二氧化硅基重力过滤器中，然后通过一次性1-微米过滤器。有时，使用具有去离子树脂的便携式交换罐来满足排放限制。该过程的最后一步是将水送至压滤机以制造废物“饼”并将剩余的水挤出并将其传递至排水管。通过901X介质一次后的结果(％＝去除效率)为：
<u>污染物</u> <u>未处理废物</u> <u>当前处理</u> <u>901X/901Y处理</u>
铬 6.11mg/l *8.16mg/l(-33.5％) 0.120mg/l(98％)
铜 0.298mg/l 0.080mg/l(73.1％) 0.017mg/l(94.3％)
镍 0.057mg/l *0.71mg/l(-88.6％) ＜0.005mg/l(99％)
锌 122mg/l 146mg/l(-19.6％) 0.100mg/l(99％)
单次通过901X的测试在金属去除方面产生了优异的结果。采用901介质设计替代现有技术，消除了化学添加、沉淀、压滤阶段和最终阶段抛光去离子的多个阶段。
以上研究实施例本质上是说明性的，并且上文中描述的任何内容都不应被解释为对在本文公开的主题的范围内的其他配置和实施例的限制。者虑到本说明书或本文公开的本发明的实践，本发明的其他此类实施方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，前述说明书仅被视为本发明的示例，其真实范围由所附权利要求限定。

Claims (6)

1.一种从废水中去除多种重金属的方法，包括：
一种制备部分烧焦的稻壳的方法，其由以下步骤组成
提供稻壳，
在小于2%氧气的环境中将稻壳暴露于热源以将稻壳加热至250℃至550℃的温度1至10分钟的时间，以部分地烧焦稻壳以形成部分烧焦的稻壳，
从热源中去除部分烧焦的稻壳，
将部分烧焦的稻壳冷却至环境温度，
其中部分烧焦的稻壳具有不大于40%的硅含量，0.5mm-5mm之间的长度，200-400m2/g的特定表面积，和0.4-0.55之间的多孔性，以及
废水通过所述部分烧焦的稻壳以从废水中至少部分地去除重金属。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将废水从部分烧焦的稻壳压出以形成废物饼，其中所述废物饼具有0.7至2.0磅/立方英尺（lb/ft3）的过滤介质密度。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括通过以酸性水溶液洗涤部分烧焦的稻壳，使部分烧焦的稻壳再生的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括将废水通过再生的部分烧焦的稻壳，以进一步从废水中去除重金属。
5.根据权利要求1所述的方法，其中多种重金属由锰、锌和镍组成。
6.根据权利要求1所述的方法，其中多种重金属由铬、铜、镍和锌组成。
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