專利名稱：補救污染水的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及補救污染水的方法，該污染水例如地下水、地表水和廢水，例如被下列 物質污染的地下水溶解的和游離的子相烴、金屬如鉻和其他過渡金屬、鈾、石油烴(BTEX) 的可溶性成分、高氯酸鹽和六氫-1，3，5-三硝基-1，3，5-三嗪(RDX)，特別是氯代烴。本發 明也涉及補救污染水的裝置。
背景技術：
氯代烴是水系中普遍的污染物。已知氯代烴對補救和降解具有抵抗能力，并對人 類和野生動物有毒，可能致癌和致突變。例如，四氯乙烯/全氯乙烯(PCE)和三氯乙烯(TCE) 是被美國環境保護局(USEPA)列為《美國環境污染經濟賠償綜合法(CERCLA)》涵蓋的場所 (site)(通常稱為“超級基金(Superfimd)”場所)中的最常見的被檢測地下水污染物之一。由于氯代脂肪烴(CAH)表現出的物理化學性質，用于評估、檢測和補救CAH污染水 的場所的公知技術被認為有問題。CAH導致形成濃厚的非水相層(DNAPL)，使得場所的特性 化和補救變得困難。本領域技術的進步使得確定原始材料的質量和位置更加容易，且最近 的污染物可視化模型能進一步洞察羽流行為。但是，恢復水系(例如蓄水層)到最大污染 水平(MCL)在很大程度上仍然是不可能的。傳統的還原性水補救處理包括使用簡單的電子施主化合物例如乳糖、酒精、牛奶 脂肪、釋氫化合物(HRC)或者復雜的電子施主化合物例如糖蜜、玉米糖漿、零價鐵(ZVI)、有 機覆蓋物、酵母提取物、食用油和生物地球化學還原脫氯(BIRD)。但是這些處理費用昂貴 (HRC)，需要重復應用(乳酸鈉、乳清)，需要復雜的儲存技術(乳清)或者會降低滲透性/ 水通量(ZVI、一些覆蓋物)。本發明試圖提供一種補救污染水例如地下水、地表水和廢水的方法，該方法可以 原位使用或異位使用，且有效、可持續和廉價。
發明內容
因而，根據本發明，提供一種補救污染水的方法，該方法包括用殘渣處理水。本發明的方法優選去除或者減少水污染物，該水污染物包括但不局限于氯代烴、 溶解的和游離的子相烴、金屬、BTEX、鉻、鈾、高氯酸鹽和RDX。殘渣是谷物發酵的固體廢產物，例如來自于威士忌或啤酒生產中大麥的發酵。例 如，在威士忌生產中，首先浸泡大麥以誘發谷物的萌芽，然后通過加熱來中斷萌芽(“麥芽制 造”)，在此之后，研磨谷物并在麥芽漿桶(mash tun)中加熱谷物和水(“搗碎”)。搗碎之 后，取走液體(“麥芽汁”)用于蒸餾以制取威士忌，而固體(“殘渣”)作為廢產物被移去， 該廢產物通常被用作動物飼料。雖然本發明優選使用的殘渣包括大麥的發酵過程中的固體廢產物，特別是威士忌 生產中的固體廢產物，但本文所用的術語“殘渣”包括任何谷物如玉米、小麥、大米、大麥、高 粱、小米、燕麥、黑麥、黑小麥和蕎麥的發酵過程中的所有固體廢產物。
作為谷物發酵過程的廢產物，殘渣是便宜和易于獲得的。殘渣可以被冷藏例如長 達四個月而沒有顯著的性能抑制，且可以被凍結。殘渣的生物/物理/化學成分是不同組分的復雜混合物，不同組分的含量在不同 谷物和發酵過程之間變化。表1顯示的是威士忌殘渣的含量的示例。
雖然沒有受到理論的約束，但是通過來自于化學、生化和物理成分的因素的結合， 殘渣被認為對水補救是有益的。因此，有人認為殘渣保持著有利的氧化還原條件，提供了電子施主化合物、細菌群落的碳源和催化化合物，并且利用生物、非生物和協同途徑實施了積 極的反饋循環。殘渣的化學特性被認為保持著還原環境，麥芽和酵母提供糖和微量營養物， 也有利于谷皮內纖維素的破壞。酒精、油和蛋白質被認為起著表面活性劑的作用，改變污染 水界面的界面張力，殘渣也提供發酵性生物體。本發明的方法的實施例包括通過加強自然衰減來補救水。一些水系顯示出期望的 特性，這些特性可加強自然過程，導致增大的衰減率。本發明的方法的另一實施例包括通過氯代烴的還原脫氯來補救水。可以通過生物 途徑(例如發酵或呼吸作用)或者非生物途徑(例如氫解作用或親核取代作用)進行還原脫 氯。本發明的方法的優選實施例包括還原脫氯的生物途徑和非生物途徑之間的協同作用。在本發明的方法中，殘渣可用于原位處理水，例如在處理墻、可滲透反應障礙物 (PRB)或者在利用鉆孔可展開輸送系統的井孔內處理水。作為替代，殘渣也可用于異位處理 水，例如在生物反應器、流化床反應器或沉淀箱中處理水。可被動地處理水，例如通過啟動 和/或增加自然的和可持續的凈化和衰減機制。例如，可以將殘渣放置在地下水通過的土 壤里，例如，通過鉆出鉆孔，并沿著鉆孔向下放置鉆孔可展開輸送系統，例如含有殘渣的濾 毒罐或連接的濾毒罐鏈。作為替代，可以挖掘溝渠，并在溝渠里放置殘渣。作為替代，可以 主動地處理水，例如通過將待處理的地下水捕獲或集中到含有殘渣的處理區域。殘渣可單 獨地使用或與非活性物質如沙子或木屑混合在一起。例如，在溝渠或者鉆孔可配置傳輸系 統中，殘渣可被夾在沙層、木屑層或其他非活性物質層之間。根據本發明，還提供在補救污染水的方法中使用的設備，該方法包括用殘渣處理 水，該設備包括含有殘渣的容器和允許水在通過該容器時接觸殘渣的裝置。該容器可包括細長的濾毒罐，且可由在預期使用環境中基本惰性和抗蝕性的材料 例如不銹鋼制成。該容器可包含網孔，該網孔的尺寸足夠小以便充分阻止殘渣從容器中流出，同時 允許地下水穿過網孔和容器中的殘渣。該設備可包括連接成鏈的多個容器。該設備可沿井孔向下使用，即該設備是鉆孔可展開的。
本發明現在將參考附圖進行詳細描述，其中圖1是穿過用于測試殘渣的水補救效果的系統的水流的處理系列示意圖；圖2是穿過包括圖2所示的四個處理系列的系統的水流示意圖；圖3顯示使用殘渣補救水庫中受TCE污染的人工地下水的結果；圖4顯示使用殘渣補救直接將TCE注入處理系列的人工地下水的結果；圖5顯示使用殘渣補救水庫中受六種不同污染物污染的人工地下水的結果；以及圖6a和圖6b分別顯示適用于本發明的方法中的鉆孔可展開輸送系統以及正在使 用中的鉆孔可展開輸送系統。
具體實施例方式實施例1
按照圖1示意性所示設計通過系統的水流的處理系列。含有熱壓處理過的蒸餾水 的20L儲水池10通過PTFE管連接到蠕動泵12，蠕動泵12連接到三個串聯的不銹鋼柱體 14a、14b和14c。柱體14a、14b和14c包括直徑為76mm、高為300mm的不銹鋼核和不銹鋼 蓋。進口 16a、16b和16c以及出口 18a、18b和18c安置在距離每個柱體14a、14b和14c的 頂部和底部20mm處，并配備細鋼絲網(圖1中未顯示)以防止顆粒堵塞。另外的泵20安 置在出口 18b和進口 16c之間。在每個試驗中，同時運行三個處理系列(標示為A、B和C) 和一個控制系列(沒有處理，標示為系列Z)，如圖2示意性所示。每個系列A、B、C的第一和第三柱體(分別為14a和14c)和系列Z中只包含酸洗 砂。柱體 A、B 和 C 中含有威士忌殘漁(來自于 Strathisla distillery, Scotland,Moray, Keith)的第二柱體14b位于中間柱體位置(圖1中的箭頭X)，該威士忌殘渣構成柱體14b 內部的5% v/v(67. 5g的殘渣)。系列Z的柱體14b不包含殘渣。處理系列A、B、C和Z被用于處理TCE濃度為100mL/L的人工地下水，該人工地下 水是通過在儲水箱10中注入純TCE來制備的。該人工地下水以0. 74mL/min的速率被泵送 通過處理系列A、B、C和Z 24小時以給出24小時的靜置時間。在選定的采樣點處抽取10mL人工地下水樣品，采樣點(i)在水進入柱體14a之 前，(ii)在出口 18a和進口 16b之間，(iii)在出口 18b和泵20之間，以及(iv)在出口 18c 之后。圖3中顯示了提取的樣品的TCE濃度。在采樣點(i)處提取的水的分析顯示，該 水與儲水箱中的水的化學組成相同。在采樣點(ii)處提取的水的分析顯示，系列A、B、C和 Z中每一個的柱體14a吸收了大約20-25%的TCE。在采樣點(iii)處提取的水的分析顯 示，系列A、B和C(即柱體14b含有殘渣的那些系列)的TCE濃度有顯著的減少(P<0.05) (小于最初濃度的5%)，但是系列Z的TCE濃度和在采樣點(ii)處提取的樣品相比沒有進 一步的減少。在采樣點(iv)處提取的水的分析顯示，系列A、B和C(即柱體14b含有殘渣 的那些系列)的TCE濃度低于檢測下限(L0D)，但是系列Z的TCE濃度與在采樣點(ii)處 提取的樣品相比沒有進一步的減少。實施例2如圖2所示，按照上文實施例1所述建立處理系列A、B、C和Z。按照上文實施例 1所述進行實驗，但其中儲水箱10不含污染物，僅有蒸餾水。相反，TCE是通過在進口 16b 注入來直接引入的，且只進行上文所述的點(iii)和(iv)處的樣品分析。用這種方式傳輸 TCE的目的是描述“源頭” TCE，例如來自直接溢出或儲存器泄漏。提取的樣品的TCE濃度顯示在圖4中。指定來自系列Z的流出液的濃度為100%， 即該流出液沒有經過殘渣處理，并且僅僅穿過三個裝滿沙子的柱體。最終流出液的TCE濃 度為1460mg/L，且系列A、B和C中被殘渣處理去除的TCE的量表達為這個值的百分數。圖4顯示出，在穿過系列A、B和C的殘渣處理柱體14b后，TCE平均損失了 78%， 而穿過系列A、B和C的柱體14c后，TCE平均損失了 90%。實施例3如上文針對實施例1所述建立處理系列A、B、C和Z。按照上文實施例1所述進 行實驗，但其中儲水箱10含有6種不同的CAH污染物，每一種的濃度為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))。如實施例1所述在點
7(i)、(iii)和(iv)處提取人工地下水樣品。提取的樣品的CAH濃度顯示在圖5中(每個樣品組中從左到右分別為PCE、TCE、 DCE、TCA、CT和CF的顯示結果)。結果顯示，與系列Z相比，系列A、B和C中的所有六種污 染物的濃度出現了顯著的減少(P<0. 05)。濃度減少最大的是含有CT和TCA的樣品，其中 在所有采樣點處都記錄大于90%的減少。TCE的濃度減少了 70-80%，并且DCE的濃度減 少大于80%。受殘渣處理影響最小的污染物是PCE和CF，但即使這樣這些污染物在采樣點 (iv)的濃度也分別減少了 78%和82%。如上所述，本發明提供了在補救污染水的方法中使用的設備，該方法包括用殘渣 處理水，該設備包括含有殘渣的容器和允許水在穿過容器時接觸殘渣的裝置。圖6a和圖6b分別示出適用于本發明的方法的鉆孔可展開輸送系統和正在使用中 的鉆孔可展開輸送系統。參考圖6a，該圖示出適用于本發明的方法的鉆孔可展開輸送系統。在圖6a所示的 實施例中，該系統包括含有殘渣的細長的濾毒罐100。該殘渣可以單獨使用，或者和非活性 物質如沙子或木屑一起使用。例如，殘渣可以被夾在或者嵌在濾毒罐100中的沙子或木屑 中。濾毒罐100優選由在預期應用環境中基本為惰性和抗腐蝕性的材料例如不銹鋼制成。 濾毒罐100包括網孔110，該網孔的尺寸足夠小以充分阻止殘渣從筒100中流出，同時允許 水穿過網孔110和濾毒罐100中的殘渣。濾毒罐100可單獨使用，或者多個濾毒罐100可 以通過濾毒罐100每一端的接頭120連接成鏈。盡管對濾毒罐100的尺寸沒有理論限制， 但出于實際目的，長為10-20cm(例如大約15cm)、直徑為l-5cm(例如大約3cm)和網孔尺寸 為0. 25-0. 75mm (例如大約0. 5mm)是合適的。濾毒罐100適合于沿鉆孔向下展開，以便被動地補救地下水。圖6b示出通過與鉆 孔150 —起設置的接頭120相連的濾毒罐100的鏈140。箭頭A指示地下水流動的方向。應該理解這里所述的實施例僅以舉例的方式示出本發明的應用。實際上，本發明 可適用于許多不同的配置，具體實施例的實施對本領域技術人員來說是顯而易見的。
權利要求
一種補救污染水的方法，所述方法包括用殘渣處理水。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述水是被氯代烴、溶解的和游離的子相烴、金 屬、BTEX、鉻、鈾、高氯酸鹽和/或RDX污染的水。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述殘渣包括玉米、小麥、大米、大麥、高粱、小 米、燕麥、黑麥、黑小麥或蕎麥的發酵過程中的固體廢產物。
4.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述殘渣包括大麥的發酵過程中的固體廢 產物。
5.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述殘渣包括威士忌生產中大麥的發酵過 程中的固體廢產物。 5.根據前述任一權利要求所述的方法，其包括通過加強自然衰減來補救地下水。
6.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述水是被氯代烴污染的地下水，并且所 述方法包括通過所述氯代烴的還原脫氯來補救地下水。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述還原脫氯是通過生物途徑和/或非生物途徑 進行的。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述還原脫氯是通過生物途徑和非生物途徑的結 合進行的。
9.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述水是經原位處理的地下水。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述原位處理包括使用處理墻、滲透反應障礙物 或利用鉆孔可展開傳輸系統的鉆孔。
11.根據權利要求1至9中任一權利要求所述的方法，其中所述水是經異位處理的地下水。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述異位處理包括使用生物反應器、流化床反 應器或者沉淀箱。
13.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述水是被被動處理的。
14.根據權利要求1至12中任一權利要求所述的方法，其中所述水是被主動處理的。
15.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述殘渣是作為活性材料單獨使用的。
16.根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述殘渣是與非活性材料混合在一起的。
17.一種在補救污染水的方法中使用的設備，所述方法包括用殘渣處理水，所述設備包 括含有殘渣的容器以及允許水穿過所述容器接觸所述殘渣的裝置。
18.根據權利要求17所述的設備，其中所述容器包括細長的濾毒罐。
19.根據權利要求17或18所述的設備，其中所述容器是由在預期使用環境中基本惰性 和抗腐蝕性的材料制成的。
20.根據權利要求17至19中任一權利要求所述的設備，其中所述容器是由不銹鋼制成的。
21.根據權利要求17至20中任一權利要求所述的設備，其中所述容器包括網孔，所述 網孔的尺寸足夠小，以便充分阻止殘渣從所述容器中流出，同時允許水穿過所述網孔和所 述容器中的殘渣。
22.根據權利要求17至21中任一權利要求所述的設備，其包括連接成鏈的多個容器。
23.根據權利要求17至22中任一權利要求所述的設備，其用于沿鉆孔向下展開。
24.一種補救污染水的方法，其基本如本說明書所述。
25.一種補救污染水的設備，其基本如參考圖5a和圖5b所述。
全文摘要
本發明公開了補救污染水的方法，該污染水例如為地下水、地表水和廢水，例如被下列物質污染的地下水溶解的和游離的子相烴、金屬如鉻和其他過渡金屬、鈾、石油烴(BTEX)的可溶性成分、高氯酸鹽和六氫-1，3，5-三硝基-1，3，5-三嗪(RDX)，特別是氯代烴。該方法包括用殘渣例如威士忌生產中大麥發酵過程的固體廢產物來處理水。本發明也公開了補救污染水的設備。
文檔編號B09C1/00GK101878074SQ200880117956
公開日2010年11月3日 申請日期2008年9月29日 優先權日2007年9月27日
發明者K·S·奇爾哈姆 申請人:阿伯丁大學大學評議會