Способ очистки водного раствора (варианты)
Изобретение относится к реагентным способам очистки сбросовых потоков, содержащих водорастворимые полимеры и радиоактивные примеси. Способ очистки водного раствора включает его нагревание до температуры, по меньшей мере, 82,2°С (180°F), введение, по меньшей мере, одного окислителя в водный раствор и выдерживание водного раствора при температуре реакции, по меньшей мере, 82,2°С (180°F) в течение периода времени, достаточного для взаимодействия, деструкции или разрушения, по меньшей мере, части полимера с получением, по меньшей мере, одного продукта деструкции. В качестве окислителя может быть использован пероксид водорода. Способ обеспечивает полную солюбилизацию поливинилового спирта, деструкцию полимерного материала гидроксильными радикалами, стерилизацию, фильтрацию и деструкцию одежды, питания, оборудования и других изделий, выполненных из поливинилового спирта и загрязненных радиоактивным материалом. Способ включает также биоразложение образующихся органических кислот с получением безопасного и экологически благоприятного очищенного потока, пригодного для сброса в систему коллекторов канализации. 2 н. и 37 з.п. ф-лы, 12 ил., 2 табл.
Предпосылки создания изобретения
Настоящая заявка имеет приоритет по одновременно рассматриваемым заявкам на патент США рег. № 09/515982 от 25 февраля 2000 г. и заявки на патент США рег. № 60/166680 от 19 ноября 1999 г. Полный текст описания каждой вышеуказанной заявки включен сюда путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в общем случае к способу и устройству для очистки сбросовых потоков, содержащих водорастворимые полимерные материалы. В частности, изобретение содержит способ и устройство, которые комбинируют генерирование свободных радикалов, окисление и микробиологическое разрушение для обеспечения солюбилизации, стерилизации и постоянной деструкции водорастворимых полимерных материалов, достаточных для облегчения утилизации потока жидкости.
Предпосылки создания изобретения
В двадцатом столетии ряд экологических катастроф привел к расширенным глобальным познаниям по экологической тематике. Международные соглашения, акты конгрессов и правительственные распоряжения в результате дали ряд правил, регулирующих все аспекты по экологии, здоровью и технике безопасности в производственных помещениях. В частности утилизация промышленных отходов строго регулируется. Общенациональное захоронение отходов закрыто, и промышленность форсирует поворот к использованию таких альтернатив, как консервация, регенерирование, смешение с топливом, закачивание в глубокие скважины и сжигание.
В последние годы усилия в области промышленной очистки сточных вод включают различные способы окисления-восстановления, включая фотолиз, выполняемый при введении окислителей, таких как перекись водорода или реактив Фентона, с последующим облучением ультрафиолетовым излучением. Смотри Bolton et al., "Homogeneous Photodegradation of Contaminated Water on Introduction" rewiew paper, CRC Press, Boca Raton, FL (1993). Однако Bolton et al. не описывают переработку материалов на основе поливинилового спирта окислением с использованием перекиси водорода с последующим облучением по любому механизму.
Медицинская промышленность производит миллионы фунтов отходов каждый год. Значительная часть отходов относится к использованию материалов одноразового пользования, таких как индивидуальная защитная одежда, оборудование и принадлежности, необходимые для ухода за больным, которые становятся загрязненными переносимыми с кровью болезнетворными микробами и являются опасными для повторного использования. Для предотвращения распространения заболевания является обязательным и требуется по закону, чтобы указанные материалы были выброшены и повторно не использовались.
Ядерная промышленность также производит миллионы фунтов отходов ежегодно. В ядерной промышленности значительная часть отходов относится к использованию материалов одноразового пользования, таких как индивидуальная защитная одежда, мешки, головки швабр, тряпки и другие принадлежности, которые становятся загрязненными радиоактивным материалом и являются опасными и непригодными для повторного использования. Практика утилизации и захоронения отходов ядерной промышленности является высоко регламентированной, и пространство захоронения ядерных отходов является ограниченным.
Другие отрасли промышленности также производят сбросовые потоки с подобными характеристиками. В поисках альтернатив захоронению и сжиганию были разработаны продукты, которые являются водорастворимыми. Указанные продукты представляют подходящую и экономически эффективную альтернативу традиционным средствам утилизации отходов.
Наиболее легко доступным водорастворимым полимером является поливиниловый спирт ((PVA)(ПВС)). ПВС-продукт является жестким беловатым полимером, который может быть формован в прочные пленки, трубы и волокна, которые являются высоко устойчивыми к углеводородным растворителям. ПВС является по своей природе водорастворимым. Он может быть сделан нерастворимым при использовании сшивающих агентов. ПВС обычно используется в виде белого тканого материала для получения одноразового индивидуального средства, такого как одежда, снаряжение, белье, простыни, полотенца, тампоны, марля, принадлежности, тряпки, швабры и другие используемые изделия. Указанные изделия получают из нетканых, тканых, трикотажных или иным способом формованных пленок или тканей и их комбинаций, из тканей и волокон из термопластичного полимера поливинилового спирта, которые являются водорастворимыми.
Патент США 5208104, выданный Ueda et al., рассматривает водорастворимое волокно из поливинилового спирта, имеющее температуру водорастворимости 100°С или ниже, и способ получения волокна.
Значимость одноразового оборудования и одноразовых товаров, изготовленных из ПВС, зависит от способности пользователя безопасно, постоянно экономично утилизировать материал. После внедрения ПВС-материалов в промышленности существовало мнение, что водорастворимый ПВС может быть просто солюбилизирован в горячей воде и сброшен в коллекторы системы канализации. В результате историческая практика заключается в помещении одежды, принадлежностей и других аксессуаров одежды и оборудования, выполненных из ПВС-пленки, ткани или волокна, в большой промывочный чан с горячей водой, в котором материал солюбилизируется и затем сбрасывается в коллекторы системы канализации или резервуарные станции для дополнительной очистки других загрязнений.
Патент США 5181967, выданный Honeycutt, рассматривает способ утилизации принадлежностей после использования. Принадлежности предусматриваются в виде литьевых, формованных или экструдированных изделий, которые являются водорастворимыми только при температуре выше 37°С. После использования принадлежности обрабатываются в воде при температуре, достаточной для фактического растворения их в воде, и растворенные изделия подвергаются утилизации в коллекторе.
Патент США 5650219, выданный Honeycutt, рассматривает способ утилизации индивидуальной защитной одежды и других использованных изделий, формованных из термопластичного полимерного волокна из поливинилового спирта, причем волокно является водорастворимым только при температуре выше приблизительно 37°С и, предпочтительно, выше 50°С. После использования ткань обрабатывается в воде при температуре, достаточной для фактического растворения ткани в воде, и растворенная ткань подвергается утилизации.
В дополнение к разработке ПВС недавно были разработаны другие водорастворимые полимерные продукты. Указанные материалы имеют физические свойства и характеристики, очень близкие характеристикам ПВС. Подобно ПВС указанные материалы могут быть использованы для изготовления одноразового индивидуального снаряжения, такого как одежда, предметы одежды, белье, простыни, полотенца, тампоны, марля, принадлежности, тряпки, швабры и другие используемые изделия.
Определяющим недостатком существующей практики утилизации ПВС является то, что ПВС-материал не остается в растворе, как в свое время считалось. Напротив, введение воздуха или кислорода, присутствующего в турбулентном потоке жидкости, инициирует повторное затвердевание ПВС-материала. ПВС-материал высаждается из раствора в виде затвердевшего вещества гелеобразного типа. Гелеобразное вещество дегидратируется с образованием нерастворимых пластиковых пробок, которые агрегируются в трубах и дренажных системах в непосредственной близости к месту, где сбрасываются растворы. В результате проводятся затратные восстановительные работы, и будет требоваться ремонт поврежденных трубопроводов, канализационных линий, рвов и других средств транспортировки. Кроме того, известно, насколько много осажденный ПВС-материал, доставленный для санитарной обработки, облегчает захоронение в масштабе всей страны. Явление повторного затвердевания наносит катастрофический удар по многим отраслям промышленности, которые основаны на использовании водорастворимых ПВС-продуктов, а также по поставщикам ПВС-материала. Проблема является результатом того, что существующая практика солюбилизации ПВС для утилизации заключается в солюбилизации твердого материала без разрушения лежащей в основе структуры этого твердого материала. Устранение выбора жизнеспособной очистки заставляет многочисленные отрасли промышленности полагаться на альтернативы захоронения и сжигания отходов. В результате создаются безотлагательные и вредные экологические условия.
Другим недостатком существующей практики утилизации ПВС является несостоятельность существующего способа полной стерилизации и разрушения всех опасных переносимых с кровью болезнетворных микробов, что приводит к возможности перекрестной инфекции и выделения болезнетворных микробов в коллекторную систему. Это имеет место в результате разработок материалов, которые позволяют проводить солюбилизацию ПВС при температурах ниже температур, необходимых для разрушения всех биологических агентов, и отсутствия стадии способа вторичной стерилизации.
Другим недостатком существующей практики утилизации ПВС является несостоятельность существующего способа снижения объема радиоактивного материала в загрязненном обработанном потоке ПВС. В ядерной промышленности ПВС-материал часто загрязняется опасным радиоактивным материалом. Выдержка в воде при температуре, достаточной для солюбилизации ПВС-материала, не является достаточной для очистки водного сбросового потока ПВС, чтобы обеспечить экологически безопасный или легально соответствующий сброс в станции резервуаров или коллекторы системы канализации.
Поэтому желательно разработать способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих ПВС или другие водорастворимые полимерные материалы, которые исключают последующее ниже по потоку осаждение полимерного материала из сбросового потока жидкости. Кроме того, желательно разработать устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которое разрушает или нейтрализует опасные переносимые с кровью болезнетворные микробы. Кроме того, желательно разработать устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которое снижает объем радиоактивного загрязнения в сбросовом потоке жидкости таким образом, что сбросовый поток является подходящим для вторичной обработки остаточного радиоактивного загрязнения, сброса, повторного использования или рециклирования. Кроме того, желательно разработать устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которое дает в результате сбросовый поток, который соответствует или превосходит регламентирующие ограничения для сброса в коллекторы системы канализации.
Недавно исследование другой группы ученых, не связанных с заявителями, привело к начальному поиску очистки растворов, содержащих поливиниловый спирт, по различным вариантам, включая использование ультрафиолетового излучения и перекиси водорода. Заметка Lawrence Oji, "Oxidative Mineralization and Characterization of Polyvinyl Alcohol for Compatibility With Tank Farm Processing Chemistry", Extended Abstract of Report № RP-99-00524, Rev. 0, записка и последующий полный доклад под тем же названием от 30 июня 1999 г, оба не являются уровнем техники по отношению к данному изобретению. Реферат Oji представляет собой краткое содержание экспериментальных данных, полученных от стендового испытания, которое способствует вариантам потенциальной очистки и основным параметрам для дальнейшей разработки способа и натурных исследований. Краткое содержание выглядит ограниченным в объеме, адресуясь только к превращению раствора ПВС в простые органические соединения. Способ, предложенный в статье Oji (фотолиз перекиси водорода с генерированием гидроксильных радикалов), отличается значительно в деталях и применении от рассмотренного здесь. Длины волн ультрафиолетового излучения, предусмотренные для использования в указанной статье, дают такую высокую остаточную концентрацию перекиси водорода, что делает неизбежной стадию обработки ультразвуком способа для снижения ее концентрации до сброса обработанного раствора. 48-я страница доклада дает некоторое предварительное исследование, имеющее отношение к колбам, и требование дальнейшей разработки и испытаний промышленного раствора.
Краткое описание изобретения
Главным преимуществом настоящего изобретения является то, что оно предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые исключают последующее вниз по потоку осаждение полимерного материала из сбросового потока жидкости. Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые способны разрушить полимерный материал в продукты независимо от того, являются ли они растворимыми в горячей или в холодной воде.
Способ настоящего изобретения может быть использован с такими полимерами, как ПВС, полиакрилат натрия, полимер малеиновой кислоты или полиакрилат аммония. Установлено, что настоящее изобретение является особенно эффективным в очистке водных растворов, содержащих ПВС. Указанный способ был подвергнут промышленным испытаниям со специальным акцентом на полученные характеристики, улучшенные при использовании и максимальном удалении данного материала, включая:
- солюбилизацию ПВС и удаление нерастворимых несовместимых материалов;
- эффектное/экономически эффективное превращение раствора ПВС в простые органические кислоты;
- удаление солюбилизированного радиоактивного материала;
- регулирование, при необходимости, рН раствора; и
- биохимическое окисление остаточного суммарного органического углерода.
Заявителями установлен оптимальный интервал концентрации ПВС 0,5-1,0% масс. при температуре окружающей среды для эффективного обращения с раствором в процессе ранних стадий фазы фотохимической очистки. Концентрации до 30% масс. могут быть очищены. Хотя при более высоких концентрациях ПВС температурный интервал, предпочтительно, увеличивается до между примерно 180°F (82,2°C) и примерно 230°F (110°C).
Промышленные испытания заявителей показали, что в всесторонней программе испытаний ПВС эффективность и сохранность устройства в сочетании с чрезвычайно высоким содержанием органических соединений, происходящим от высоких начальных концентраций раствора ПВС, не делает преимуществом превышение 30%, хотя более высокие концентрации могут быть использованы и входят в объем изобретения. Заявители полагают, что они в первую очередь идентифицируют физические/механические проблемы, связанные с обращением с 4,0-5,0% концентрациями, и в первую очередь принимают во внимание чрезвычайно высокое суммарное содержание органического углерода, генерированного в выходящем потоке такого способа.
Конкретным преимуществом настоящего изобретения является то, что оно в некоторых вариантах предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые эффективно разрушают по существу весь полимерный материал в сбросовом потоке, хотя для некоторых применений может быть желательно разрушать меньше полимерного материала с использованием способов, рассмотренных здесь. Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно в некоторых вариантах предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые разрушают опасные переносимые с кровью болезнетворные микробы. Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно в некоторых вариантах предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые дают в результате сбросовый поток жидкости, имеющий сниженный объем радиоактивного загрязнения. С настоящим изобретением могут быть достигнуты показатели снижения объема отходов более чем в 1000 раз. Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно в некоторых вариантах предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые дают в результате сбросовый поток жидкости, пригодный для очистки в резервуарных станциях остаточного радиоактивного загрязнения. Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно в некоторых вариантах предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые дают в результате сбросовый поток жидкости, имеющий сниженное суммарное содержание органических соединений. Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно в некоторых вариантах предусматривает способ и устройство для очистки твердых отходов, содержащих водорастворимый полимерный материал, которые дают в результате сбросовый поток жидкости, подходящий для сброса в канализацию.
Другие преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания, взятого в сочетании с прилагающимися чертежами, в котором путем иллюстрации и примера рассмотрен вариант настоящего изобретения.
Водорастворимый полимерный материал может поступить из ряда источников, некоторые из которых включают материалы, изготовленные из волокна (тканого), нетканых тканей, полимерных пленок, или материалы, формованные литьем или экструзией. Указанные материалы включают такие объекты, как одежда и другая защитная одежда, белье, простыни, полотенца, тампоны, пластиковые мешки, тряпки, марля, принадлежности, швабры и другие используемые изделия. Новые продукты, которые могут быть солюбилизированы с помощью настоящего изобретения, усовершенствуются каждый месяц.
В соответствии со способом изобретения для очистки солюбилизированного водорастворимого полимерного материала в водном растворе солюбилизированный полимерный материал разрушают окислительно-восстановительной реакцией, которая превращает полимерный материал в новые и единственные различные органические соединения, которые не имеют одинаковых физических или химических характеристик исходного соединения. Может быть желательно солюбилизировать водорастворимый полимер в водном растворе под давлением при температуре между примерно 220°F (104,4°С) и примерно 250°F (121,1°С). Может быть желательно отфильтровать несолюбилизированный материал из водного раствора. Предпочтительно поддерживать температуру раствора при температуре примерно 150°F (65,6°C), или выше, в процессе фильтрации. Желательно генерировать свободные радикалы посредством фотохимических взаимодействий или при нагревании раствора для окисления-восстановления полимерного материала в растворе.
Для фотохимического генерирования свободных радикалов предпочтительно вводить окислитель в раствор и затем облучать раствор электромагнитным излучением.
Также желательно генерировать свободные радикалы нагреванием раствора, в который был введен окислитель.
В альтернативном варианте очистки отходов, генерированных ядерными установками, способ фильтрации и ионного обмена может быть использован для утилизации радиоактивного материала из раствора. Предпочтительно, стадия утилизации радиоактивного материала осуществляется фильтрацией раствора через микронный фильтр, который имеет номинальный размер пор между 10 и 100 мкм, с удалением радиоактивного элемента. Факультативно, также могут использоваться второй порошковый фильтр, имеющий номинальный размер пор между 0,1 и 1,0 мкм, установка обратного осмоса или ионообменная установка, состоящая из анионного слоя, катионного слоя или анионного/катионного комбинированного слоя, который снижает истощенные радиоизотопы на элементарном уровне. Предпочтительно, сбросовый поток может также корректироваться до более высокого рН. Более предпочтительно, сбросовый поток с корректированным рН может также биохимически разлагаться с исключением органических кислот. Если сбросовый поток должен быть биохимически разложен, предпочтительно нейтрализовать сбросовый поток добавлением гидроксида натрия до тех пор, пока рН не корректируется в приблизительном интервале примерно 6,0-10,0 или, более предпочтительно, от примерно 6,0 до 8,0.
В предпочтительном варианте органические кислоты, полученные окислением водного сбросового потока, истощаются посредством биоразложения органических кислот. Наиболее предпочтительно, если сбросовый поток должен биоразлагаться, рН корректируется в приблизительном интервале примерно 6,0-7,0. Желательно пропустить водный сбросовый поток через обратноосмотическую установку после биоразложения. Биоразложение может содержать засевание водного сбросового потока такими микроорганизмами, как аэробные, гетеротропные бактерии или анаэробные бактерии. Засеянный водный сбросовый поток может быть обработан в аэрированном псевдоожиженном слое в биореакторе, который содержит материалы подложек, такие как измельченный активированный уголь или пластиковые биошарики. Засеянный водный сбросовый поток также может быть обработан в реакторе с неподвижной средой или способом с активированным отстоем. Традиционная расширенная аэрация, ступенчатая аэрация, последовательные периодические реакции и контактная стабилизация также могут использоваться для снижения содержания органического углерода в засеянном водном сбросовом потоке.
Предпочтительно, биологическая активность микроорганизмов увеличивается при введении питательного вещества, содержащего азот, фосфор, калий или следы минерала, в биореактор. Получающийся конечный сбросовый поток содержит нейтрализованную воду, обедненную органическим углеродом, которая является подходящей для подачи на станцию очистки отходов или для повторного использования или рециркулирования.
рН водного сбросового потока может быть нейтрализован после получения органических кислот добавлением щелочного реагента до тех пор, пока рН не будет находиться между 6,0 и 10,0 и, более предпочтительно, между 6,0 и 8,0.
Неожиданно заявителями было установлено, что окисление-восстановление ПВС новым способом изобретения может быть достигнуто намного быстрей, чем ожидалось (за менее чем 20 часов), в больших концентрациях ПВС, чем ожидалось, и при использовании фактически менее концентрированной перекиси водорода, чем будет ожидать специалист в данной области.
В частности, вариант изобретения содержит химический способ очистки водных сбросовых потоков, содержащих поливиниловый спирт, включающий: (а) введение окислителя в водный сбросовый поток, содержащий поливиниловый спирт; (b) генерирование гидроксильных радикалов из окислителя; и (с) получение, по меньшей мере, одной органической кислоты из поливинилового спирта.
Водный сбросовый поток может быть нагрет до температуры, достаточной для растворения поливинилового спирта в растворе, предпочтительно, выше примерно 180°F (82,2°C) или выше примерно 190°F (87,8°C). Наиболее предпочтительно, чтобы температура была не ниже 212°F (100°С). Предпочтительно, чтобы раствор нагревался не менее 30 мин с тем, чтобы растворить полимер.
В одном варианте гидроксильные радикалы генерируются при облучении водного сбросового потока электромагнитным излучением. Электромагнитное излучение должно быть достаточной длины волны и достаточной интенсивности для фотолитического превращения окислителя в гидроксильные свободные радикалы. Специалист в данной области отметит, что в зависимости от длины волны коммерчески доступных ультрафиолетовых ламп и выбранной конструкции реактора длительность облучения, требуемая для осуществления по существу полной деструкции поливинилового спирта, будет различной, и может быть необходимо некоторое рутинное экспериментирование. Специалист также отметит, что в дополнение к разбросу в характеристиках используемого электромагнитного излучения изменения концентрации поливинилового спирта и концентрации окислителя будут давать изменения длительности облучения, требуемой для осуществления по существу полной деструкции поливинилового спирта, и некоторое экспериментирование является необходимым. Предпочтительно, чтобы излучение было ультрафиолетовым (УФ) и осуществлялось в интервале длин волн от примерно 4 до 400 нм, более предпочтительно, от примерно 180 нм до примерно 310 нм или, наиболее предпочтительно, между 180 и 190 нм.
В другом варианте изобретения гидроксильные радикалы генерируются при нагревании водного сбросового потока до температуры не ниже 180°F (82,2°C). В данном варианте солюбилизация ПВС может быть выполнена в одно время с генерированием ОН-радикалов или до него.
Для солюбилизированного ПВС с перекисью водорода в качестве окислителя рН получаемого раствора будет снижаться до некоторой степени в процессе окисления ПВС. Получаемый раствор будет содержать воду и уксусную кислоту. Предпочтительно вводить концентрированную перекись водорода до тех пор, пока общий раствор не достигнет интервала концентрации приблизительно между примерно 0,05% и примерно 0,5% по объему. Обрабатываемый ПВС должен составлять менее примерно 5% масс. раствора. Степень полноты реакции может быть определена по снижению рН раствора. На полную реакцию (деструкция ПВС в растворе) указывает значение рН ниже, по меньшей мере, примерно 6,0 и соответствующее снижение рН на между примерно 2,7 единиц до примерно 3,9 единиц ниже рН солюбилизированного раствора.
Предпочтительным окислителем является перекись водорода, предпочтительно, промышленный объемный 30% раствор перекиси водорода с общим раствором, содержащим от примерно 0,05 до 20% об., или, более предпочтительно, 0,05-0,5% об. перекиси водорода, хотя другие окислители также могут использоваться. Концентрация перекиси водорода составляет, предпочтительно, 1000-2000 мг/л на 10000 мг/л раствора ПВС.
Показано, что способ является особенно эффективным, когда раствор солюбилизированного ПВС содержит между примерно 0,5% и примерно 2,0% ПВС, имеет исходный рН в приблизительном интервале примерно 6,8-9,6 при использовании ультрафиолетового излучения при примерно 189 нм, и когда конечный рН после окисления-восстановления находится в приблизительном интервале на примерно 2,7-3,9 единиц ниже исходного рН. В данный момент способ является фактически завершенным. Эффективное ультрафиолетовое излучение имеет место от примерно 0,9 ч до примерно 4,5 ч. Среднее падение рН, при котором способ является фактически осуществленным, составляет 2,9-3,7 единиц со средним значением 3,3 единиц.
Может быть желательно определить показатель параметра концентрации водорастворимого полимерного материала в растворе после окисления-восстановления раствора. В указанных вариантах предпочтительно рециркулировать раствор в емкость. Это обеспечивает повторное электромагнитное излучение для вариантов, использующих электромагнитное излучение.
Степень деструкции поливинилового спирта может быть определена измерением падения рН в водном сбросовом потоке после генерирования гидроксильных радикалов или колориметрическим анализом после генерирования гидроксильных радикалов. Колориметрический йодный раствор может быть использован для колориметрического анализа и подтверждение колориметрии может быть выполнено спектрофотометрическим измерением, которое, предпочтительно, имеет максимум поглощения при примерно 690 нм. Превосходный колориметрический раствор содержит на литр 12,0 г борной кислоты, 0,76 г иода и 1,5 г иодида калия.
Вариантом изобретения является химический способ очистки водных сбросовых потоков, содержащих водорастворимый полимерный материал, включающий: (а) введение окислителя в водный сбросовый поток; (b) генерирование гидроксильных радикалов из окислителя; (с) получение органических кислот из водорастворимого полимерного материала. Предпочтительным окислителем является перекись водорода и предпочтительным водорастворимым полимерным материалом является поливиниловый спирт.
Порядок стадий может изменяться, например водорастворимый полимерный материал может быть растворен до введения окислителя, водорастворимый полимерный материал может быть растворен одновременно с введением окислителя и водорастворимый полимерный материал может быть растворен после введения окислителя.
В варианте очистки материалов, которые поступают из источника, который мог быть подвергнут радиоактивному загрязнению, потенциально радиоактивные материалы могут быть отфильтрованы. Фильтрация может иметь место до введения окислителя в водный сбросовый поток, после получения органических кислот из водорастворимого полимерного материала или после биоразложения органических кислот. Фильтры для утилизации потенциально радиоактивного материала включают порошковый фильтр, имеющий номинальный размер пор 10-100 мкм, и, факультативно, второй порошковый фильтр, имеющий номинальный размер пор от 0,1 до 1,0 мкм, через который циркулирует сбросовый поток. Фильтрация также может включать циркулирование водного сбросового потока через ионообменный слой. Другой вариант предпочтительного изобретения содержит: (а) фильтрацию потенциально радиоактивного материала из водного сбросового потока; (b) нейтрализацию рН водного сбросового потока после получения органических кислот; и (с) истощение органических кислот в водном сбросовом потоке после нейтрализации рН.
Другим вариантом настоящего изобретения является химический способ солюбилизации поливинилового спирта в водном сбросовом потоке, включающий: (а) введение сбросового потока в растворный реактор; и (b) нагревание сбросового потока до температуры не ниже 212°F (100°C) при постоянном объеме, тем самым увеличивая давление в реакторе до величины выше атмосферного давления. Сбросовый поток может содержать от 0,5 до 30% об. поливинилового спирта или, более предпочтительно, от 0,5 до 5% об. поливинилового спирта.
Конкретный вариант данного изобретения содержит устройство для деструкции водорастворимых полимеров в водном сбросовом потоке, содержащее: реактор; устройство введения окислителя; и емкость нейтрализации. Аспектом данного изобретения является то, что устройство предназначено для утилизации биомедицинских отходов и дополнительно содержит фильтр. Стадия фильтрации, предпочтительно, осуществляется с помощью одного или более сетчатых фильтров, причем каждый сетчатый фильтр имеет размер ячейки от примерно 20 меш до примерно 50 меш и, более предпочтительно, с использованием дополнительного сетчатого фильтра примерно 30 меш. Биомедицинские отходы могут содержать радиоактивные материалы и биоопасные материалы.
Термин "биомедицинские отходы" предназначается для обозначения любых отходов, которые представляют опасность инфекции для людей, включая нежидкую ткань, части тела, кровь, кровьсодержащие продукты и общую жидкость организма человека и других приматов; лабораторные и ветеринарные отходы, которые содержат агенты, вызывающие заболевания людей; выброшенные загрязненные вырезки; и использованные резиновые перчатки, абсорбирующие материалы или одноразовые устройства, загрязненные регулированными отходами.
Для устройства, в котором гидроксильные радикалы создаются посредством ультрафиолетового излучения, устройство может быть одним из нескольких конфигураций, оно может содержать растворную емкость и фотохимический реактор, две растворных емкости/два реактора и три или более растворных емкости/реактора. Для устройства, в котором гидроксильные радикалы генерируются посредством нагрева, устройство содержит, по меньшей мере, одну растворную емкость/один реактор. В любом устройстве растворной емкостью может быть автоклав. Растворные емкости и фотохимический реактор могут быть выполнены из коррозионностойкого материала, такого как нержавеющая сталь.
Фотохимический реактор может представлять множество труб, имеющих смонтированные в них соосно внутренние элементы и, предпочтительно, содержащие ряд расположенных с интервалами ультрафиолетовых элементов, причем каждый имеет кварцевую оболочку, окружающую внутренний ультрафиолетовый элемент, и механическую мешалку. Устройство введения окислителя подает окислитель в водный сбросовый поток, циркулирующий в фотохимическом реакторе, и, предпочтительно, имеет автоматический ротаметр, который, предпочтительно, имеет рН-метр, программируемый логический контроллер, датчик, регистратор и распределительный механизм. Минимальная скорость впрыска для устройства введения составляет 100 мл окислителя на 10 галлонов водного сбросового потока. Насос может быть использован для циркулирования содержимого фотохимического реактора обратно в фотохимический реактор, и мешалка может быть использована для циркулирования содержимого фотохимического реактора.
В варианте изобретения растворная емкость может дополнительно содержать погружные нагреватели или насосы, которые прокачивают содержимое растворной емкости через теплообменник и обратно в растворную емкость. Теплообменник может быть воздушно-охлаждаемым.
Насос может быть использован для циркулирования содержимого емкости нейтрализации обратно в емкость нейтрализации. Емкость нейтрализации содержит автоматический контроллер рН, который обеспечивает желаемое значение рН при введении гидроксида натрия в емкость нейтрализации и поэтому регулирует нейтрализацию водного сбросового потока в емкости нейтрализации.
В одном аспекте изобретения устройство содержит биореактор. Биореактор обычно содержит: 1, 2, 3, 4, 5, 6 или более биоячеек; насосы введения питательного вещества/ микробов; и подачу воздуха, которая обеспечивает постоянный поток воздуха через среду; и насосы или головки гравитационной подачи, которые обеспечивают перенос между биоячейками. Может использоваться рециркуляционный насос, который рециркулирует содержимое каждой биоячейки. Предпочтительно, каждый рециркуляционный насос рециркулирует очищенную воду с соотношением рецикл:питание примерно 5:1. Вход в биоячейки, предпочтительно, приспособлен для направления воздуха, микробов и питательных веществ в биоячейки. Биоячейки, предпочтительно, соединены последовательно. Биоячейки состоят из аэробных биореакторов, засеянных микроорганизмами, состоящими в основном из аэробных, гетеротропных бактерий или анаэробных бактерий. Предпочтительно, биореактор содержит комбинацию биоячеек как с неподвижной средой, так и с псевдоожиженным слоем.
Таким же образом, как описано выше, когда раствор содержит обрабатываемый ПВС, промышленная 30% концентрации перекись водорода вводится до тех пор, пока общий водный раствор до облучения не имеет от примерно 0,05% до примерно 0,5% перекиси водорода. Процесс облучения продолжается до тех пор, пока не имеет место значительное падение рН, указывающее на то, что ПВС превратился в уксусную кислоту, причем обычно снижение составляет примерно 2,5-4,0 единиц, предпочтительно, примерно 3,0-3,5 единиц, со средним значением примерно 3,3 единиц рН. Предпочтительно, используется либо нагрев, либо ультрафиолетовое излучение с длиной волны излучения в интервале от примерно 4 нм до примерно 400 нм, наиболее предпочтительно, примерно 180-310 нм или наиболее предпочтительно, примерно 180-190 нм. Снова подтверждение фактической полноты реакции осуществляется колориметрическим анализом, предпочтительно, с использованием колориметрического йодного раствора, указанного выше.
Краткое описание чертежей
Чертежи составляют часть данного изобретения и включают типичные варианты изобретения, которые могут быть представлены в различных видах. Должно быть понятно, что в некоторых случаях различные аспекты изобретения могут быть показаны увеличенными или расширенными для облегчения понимания изобретения.
На фиг.1 представлена схема технологического процесса, как он применен к предпочтительному варианту для деструкции и очистки сбросовых потоков, содержащих водорастворимые полимеры.
На фиг.2 представлена схема предполагаемых реакций, которые имеют место в процессе фазы фотохимической реакции способа.
На фиг.3 представлен график, показывающий результаты испытаний изменения рН раствора в процессе фотохимического превращения ПВС в уксусную кислоту.
На фиг.4 представлена схема предполагаемых реакций, которые имеют место в процессе фазы биоразложения способа.
На фиг.5 представлен график, показывающий результаты испытаний определения общего органического углерода, удаленного из раствора, на различных стадиях способа предпочтительного варианта.
На фиг.6 схематически показано устройство предпочтительного варианта, как предназначено для осуществления стадий способа, детализированных на фиг.1.
На фиг.7 схематически показано подробно прототипное устройство предпочтительного варианта, как предназначено для осуществления стадий способа, детализированных на фиг.1.
На фиг.8 представлена схема технологического процесса биореактора с неподвижной средой.
На фиг.9 представлена схема технологического процесса для способа с активированным отстоем традиционной расширенной аэрации.
На фиг.10 представлена схема технологического процесса для способа с активированным отстоем ступенчатой аэрации.
На фиг.11 представлена схема технологического процесса для способа с активированным отстоем контактной стабилизации.
На фиг.12 представлена схема технологического процесса для способа с активированным отстоем последовательной периодической реакции.
Подробное описание иллюстративных вариантов
Последующее описание представлено для того, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники осуществить и использовать изобретение, и дано в контексте конкретного применения и его требований. Различные модификации рассмотренных вариантов будут легко видны для специалистов и основные принципы, определенные здесь, могут быть применены для других вариантов и применений без отхода от сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, данное описание не предназначено для ограничения показанных вариантов, но должно соответствовать наиболее широкому объему в соответствии с принципами и характеристиками, рассмотренными выше.
А. Способ предпочтительных вариантов
Следующее описание содержит описание стадий способа и не должно истолковываться или интерпретироваться как язык формулы устройство-плюс-функция. По отношению к фиг.1 ссылка на отходы ПВС означает отходы водорастворимого полимерного материала. На фиг.1 показаны комбинированные стадии способа предпочтительного варианта настоящего изобретения с включением стадий:
1) если требуется, солюбилизации водорастворимого полимерного материала в водном растворе;
2) фильтрации несолюбилизированного материала из водного раствора;
3) введения окислителя в отфильтрованный раствор;
4) создания свободных радикалов в растворе для разрушения водорастворимого полимерного материала и образования органических кислот;
5) если необходимо, определения показателя параметра концентрации полимерного материала в растворе.
6) если необходимо, фильтрации радиоактивного материала из раствора;
7) если необходимо, нейтрализации рН раствора; и
8) если необходимо, биоразложения органических кислот в растворе с образованием СО2, Н2О и биомассы.
Первая стадия способа в данном предпочтительном варианте содержит солюбилизацию водорастворимого полимерного материала в водном растворе. В более предпочтительном варианте указанная стадия осуществляется варкой под давлением отходов водорастворимого полимерного материала в ванне высокотемпературной воды при постоянном объеме, также как при обработке в автоклаве. В еще более предпочтительном варианте емкость содержит отходы водорастворимого полимерного материала и может быть нагрета до температуры в интервале между примерно 220°F и примерно 250°F (104,4-121,1°С) при давлении насыщенного пара. Установлено, что при варке под давлением твердого полимерного материала условия повышенного давления позволяют достигнуть более высоких температур раствора, чем можно достигнуть в окружающем воздухе без кипения. Более высокая температура раствора передает больше тепловой энергии твердому полимерному материалу, и увеличенная тепловая энергия более эффективно проникает в твердые массы полимерного материала с их полным растворением. Кроме того, более высокие температуры автоклава обеспечивают стерилизацию сбросового потока, что не может быть достигнуто при более низких температурах.
В альтернативном варианте солюбилизированный сбросовый поток водорастворимого полимерного материала в водном растворе предусматривается иначе, как, например, существующей практикой, описанной в предпосылках создания изобретения. В данном случае преимущества стадий способа изобретения могут начинаться со второй стадии способа.
Вторая стадия способа в указанном предпочтительном варианте содержит фильтрацию. После получения раствора солюбилизированного полимерного материала или альтернативно после солюбилизации твердого полимерного материала, как описано выше, раствор, предпочтительно, фильтруют через сетчатые фильтры с удалением любого нерастворенного полимерного материала и водонерастворимых полимерных составляющих в растворе. В предпочтительном варианте сетчатые фильтры имеют размер ячейки в приблизительном интервале между примерно 20 и примерно 50 меш. В более предпочтительном варианте сетчатые фильтры имеют размер ячейки приблизительно около 30 меш. Нерастворенный полимерный материал, уловленный в сетчатых фильтрах, может быть рециркулирован для конечной солюбилизации. В предпочтительном варианте полимерный материал составляет приблизительный интервал между 0,5 и 5,0% масс. раствора. В более предпочтительном варианте полимерный материал составляет приблизительный интервал между примерно 0,5 и 2,5% масс. раствора. В наиболее предпочтительном варианте температура раствора в процессе стадии фильтрации способа поддерживается при температуре или выше примерно 150°F (65,6°С) для предотвращения осаждения ПВС из раствора до его деструкции.
Третья стадия способа в указанном предпочтительном варианте содержит введение окислителя в раствор. В предпочтительном варианте перекись водорода является вводимым окислителем. Например, коммерчески доступная 30% перекись водорода может быть удобно введена с образованием концентрации общего раствора способа приблизительно около 0,2% об. Перекись водорода, подходящая для применения, является коммерчески доступной как CAS # 7722-84-1 и может быть приобретена из ряда источников, включая VWR Scientic Products, West Chester, PA. 19380, Catalog # VW 9742-1. В более предпочтительном варианте концентрация перекиси водорода в растворе находится в приблизительном интервале между примерно 0,05 и 0,5% об.
Четвертая стадия способа генерирования гидроксильных радикалов в растворе имеет два предпочтительных варианта. Один предпочтительный вариант данной стадии содержит облучение раствора электромагнитным излучением. Данная стадия способа дает фотохимическую реакцию, определенную как фотолиз. Фотолиз является химическим разложением под действием лучистой электромагнитной энергии. Ультрафиолетовое излучение является электромагнитным излучением с длиной волн от примерно 4 нм до примерно 400 нм. В предпочтительном варианте используют ультрафиолетовое излучение с длиной волн между примерно 180 нм и примерно 250 нм. На данной стадии способа выдержка перекиси водорода в растворе при электромагнитной энергии с длиной волн ультрафиолетового излучения приводит в результате к фотолизу перекиси водорода до свободных гидроксильных радикалов (ОН*), как показано в следующем уравнении:
2Н2О+hν⇒2ОН*,
где h представляет постоянную Планка (6, 6261×10-34 Дж. с); ν представляет частоту ультрафиолетового излучения; ОН* представляет свободный гидроксильный радикал.
Гидроксильные радикалы представляют очень агрессивную окислительную среду, в которой свободные гидроксильные радикалы воздействуют на органические составляющие потока жидкости, инициируя в результате окислительный каскад реакций, включая полную деструкцию полимерного материала в растворе. Компоненты полимерного материала преимущественно образуют простые органические кислоты.
На фиг.2 представлена схема предполагаемых реакций, которые имеют место в процессе главной фазы фотохимической реакции способа. На фиг.2 можно видеть, что посредством реакции окисления поливиниловый спирт разрушается с получением в результате сбросового потока органической кислоты, содержащего воду и уксусную кислоту. Уровень техники показывает, что возможно все органические соединения будут окислены примерно в 106-109 раз быстрей при взаимодействии с гидроксильными радикалами (ОН*), чем в реакциях окисления, использующих перекись водорода или ультрафиолетовое излучение отдельно. Специалист в данной области техники заметит, что третья стадия способа, содержащая введение окислителя в раствор, и четвертая стадия, содержащая облучение раствора, могут быть легко объединены с осуществлением одновременно и в едином реакторе.
В другом варианте четвертой стадии способа используют нагрев для превращения перекиси водорода в растворе в свободные гидроксильные радикалы (ОН*). Гидроксильные радикалы представляют очень агрессивную окислительную среду, в которой свободные гидроксильные радикалы воздействуют на органические составляющие потока жидкости, инициируя в результате окислительный каскад реакций, включая частичную или полную деструкцию полимерного материала в растворе. Температура, необходимая для превращения перекиси водорода в гидроксильные радикалы, составляет не ниже 190°F (87,8°C). В вариантах, использующих указанный нагрев для генерирования свободных гидроксильных радикалов на четвертой стадии способа, предпочтительно, чтобы вторая стадия способа, включающая фильтрацию раствора, осуществлялась после превращения перекиси водорода в свободные гидроксильные радикалы.
Пятая стадия способа в указанном предпочтительном варианте содержит определение показателя параметра концентрации полимерного материала в растворе. Данная стадия является необходимой, только когда необходимо определить прогресс или полноту деструкции полимерного материала в растворе. На основании результатов определения стадии введения окислителя в раствор и облучения раствора ультрафиолетовым излучением или нагревания для генерирования свободных радикалов могут быть повторены до тех пор, пока по существу весь полимерный материал не будет разрушен, если такой уровень деструкции является желательным. При рассмотрении фиг.2 видно, что реакция окисления-восстановления ПВС приводит в результате к образованию двух эквивалентных форм резонансно стабилизированного ацетатного иона и увеличению ионов свободного водорода. Увеличение концентрации ионов водорода в растворе увеличивает кислотность раствора. Так, в более предпочтительном варианте концентрация ПВС, остающегося в растворе после стадии генерирования свободных радикалов, определяется увеличенным снижением рН раствора.
На фиг.3 представлен график, показывающий результаты определения изменения рН раствора в процессе фотохимического превращения ПВС в уксусную кислоту. Благодаря однородной природе реакции окисления-восстановления ПВС до органических кислот можно прогнозировать конечную точку реакции (деструкции ПВС) определением снижения рН рециркулирующего облученного раствора. Значение рН, указывающее конечную точку реакции, является функцией начального рН раствора. Например, когда рН раствора солюбилизированного ПВС находится в приблизительном интервале примерно 6,8-9,6, установлено, что окисление (деструкция) ПВС в растворе является по существу полным, когда рН раствора достигает приблизительно 4,6. В предпочтительном варианте облучение раствора, описанное на четвертой стадии способа, продолжается до тех пор, пока рН облученного раствора не станет на между примерно 2,7 и примерно 4,0 единиц меньше, чем рН раствора, солюбилизированного ПВС до облучения. В более предпочтительном варианте облучение раствора продолжается до тех пор, пока рН облученного раствора не станет на между примерно 2,9 и примерно 3,7 единиц меньше, чем рН раствора, солюбилизированного ПВС до облучения.
Альтернативно деструкция ПВС может быть подтверждена колориметрическим анализом концентрации ПВС в растворе. Измерения колориметрическим анализом также могут быть выполнены в сочетании с измерениями рН. Отметим улучшенный анализ Joseph H. Finley, "Spectrophotometric Determination of Polyvinyl Alcohol in Paper Coatings", Analytical Chemistry, 33(13) (December 1961) и колориметрические йодные растворы, изученные здесь, включая предпочтительный раствор, использующий 12,0 г борной кислоты, 0,76 г иода и 1,5 г иодида калия на литр. Предпочтительно, спектрофотометрическое измерение поливинилового спирта имеет место при максимуме поглощения 690 нм. Анализ может быть выполнен при: помещении 20,0 мл колориметрического йодного раствора в кювету; введении 0,5 мл образца; выдержке раствора при 25°С в течение 5 минут. Спектрофотометрическое измерение выполняют при максимуме поглощения 690 нм с использованием спектрофотометра Hach DR2010. Могут быть получены эталонные растворы поливинилового спирта и эталонная кривая, полученная с использованием до 2,5% концентраций ПВС в растворе. Калибровочная кривая может быть получена из значений поглощения при 690 нм (при 25°С), отложенных на графике по отношению к количеству ПВС на анализ.
Шестая стадия способа содержит фильтрацию и снижение радиоактивности в растворе. Данная стадия является факультативной и используется только, когда водорастворимый полимерный материал содержит потенциально радиоактивные отходы. Указанная стадия может требоваться или не требоваться, например, на ядерной установке. Если полимерный материал подвергается воздействию радиоактивности, которая влияет на удаляемость раствора, тогда указанная стадия должна быть введена. При введении указанной стадии способа создается система регулирования отходов с низким уровнем радиоактивности. Указанная система регулирования отходов может быть использована в качестве альтернативного приближения к существующим способам сухой обработки радиоактивных отходов.
Стадия способа утилизации радиоактивности обычно осуществляется между стадиями способа фотохимической реакции и биоразложения. Более детальный предпочтительный вариант данной стадии способа включает основные стадии:
a) фильтрации раствора и
b) ионного обмена раствора.
На ядерных установках радиоактивность может присутствовать в технологических жидкостях как в элементной форме, так и в форме частиц. Фильтрация раствора удаляет радиоактивные частицы. В предпочтительном варианте раствор пропускают через порошковый фильтр, имеющий номинальный размер пор в интервале приблизительно между примерно 10 мкм и примерно 100 мкм. В более предпочтительном варианте раствор затем пропускают через второй порошковый фильтр, имеющий номинальный размер пор в интервале приблизительно между примерно 0,1 мкм и примерно 1,0 мкм.
Стадия ионного обмена истощает растворимые радиоактивные частицы или радиоизотопы элементов, которые остаются после микрофильтрации, делая раствор пригодным для утилизации или дополнительной очистки. В предпочтительном варианте раствор направляют через ионообменную емкость, которая содержит ионообменную смолу в виде анионного, катионного слоя или их комбинации. В процессе указанной стадии способа радиоактивные ионы в растворе будут меняться местами с нерадиоактивными ионами, присоединенными к смоле в твердой форме. Радиоактивный материал собирается на смоле, оставляя раствор, подходящий для сброса или повторного использования по желанию.
Седьмой стадией способа в указанном предпочтительном варианте является нейтрализация рН раствора. В предпочтительном варианте рН получаемого раствора органических кислот нейтрализуют добавлением щелочного реагента. В более предпочтительном варианте гидроксид натрия является щелочным реагентом, используемым для повышения рН до приблизительного интервала между примерно 6,0 и примерно 10,0. В другом более предпочтительном варианте, когда раствор будет обрабатываться биологически так, как описано на восьмой стадии способа (ниже), гидроксид натрия является щелочным реагентом, используемым для увеличения рН в приблизительном интервале между примерно 6,0 и примерно 8,0. Как можно видеть в верхней части фиг.4, гидроксид натрия комбинируют с ацетатом уксусной кислоты в растворе с образованием натрийацетатного буфера, который является важным для стадии процесса биоразложения. В наиболее предпочтительном варианте рН полученного сбросового потока органических кислот нейтрализуется в приблизительном интервале между примерно 6,0 и примерно 7,0.
Для всех целей изобретения термин "нейтрализация" предназначен для обозначения корректирования в сторону увеличения рН кислотного раствора до более основного щелочного раствора, имеющего рН приблизительно между примерно 6,0 и 10,0.
Восьмая стадия способа в указанном предпочтительном варианте содержит удаление растворенных и коллоидальных органических углеродных соединений, которые остаются в водном потоке после окисления.
Нейтрализованный раствор разрушенного полимерного материала имеет высокое содержание углеродных соединений, что может превратить его в непригодный для сброса в коллекторы системы канализации. Суммарный органический углерод ((ТОС)(СОУ)) является прямым измерением концентрации органического материала в растворе. Биологическая потребность в кислороде ((BOD)(ВПК)) является мерой кислорода, требуемого для полного разрушения органического материала, и/или кислорода, требуемого для окисления восстановленных азотных соединений. Химическая потребность в кислороде ((COD)(ХПК)) используется как мера кислородного эквивалента содержания органического вещества образца, которое является восприимчивым к окислению сильным химическим окислителем. Один или более из этих параметров обычно используются общедоступно работающими очистными установками для регулирования выходящих сбросовых потоков.
Биоразложение органических кислот в растворе используется для утилизации органических углеродных соединений. На данной стадии способа нейтрализованный раствор засевают микроорганизмами. Микроорганизмы используют органические кислоты, полученные окислением-восстановлением водорастворимого полимерного материала как источник углерода и энергии. В предпочтительном варианте микроорганизмы содержат фактически аэробные, гетеротропные бактерии. Указанные виды бактерий являются известными специалистам в данной области техники и являются легко доступными. Микроорганизмы для разрушения обрабатываемого ПВС могут включать:
Arthrobacter ilicis
Bacillus amyloliquefaciens
Bacillus pumilus GC subgroup В
Bacillus subtilis
Brevibacterium mcbrellneri
Comamonas testosteroni
Flavobacterium resinovorum
Kocuria kristinae
Microbacterium liquefaciens
Micrococcus luteus GC subgroup С
Pseudomonas balearica
Pseudomonas chlororaphis
Pseudomonas putida biotype A
Pseudomonas pseudoalcaligenes
Rhodococcus equi GC subgroup В
Все микроорганизмы могут быть приобретены от Advanced Microbial Solutions, 801 Highway 377 South, Pilot Point, TX 76258. Следующие микроорганизмы могут быть приобретены от American Type Culture Collection, 12301 Parklawn Drive, Rickville, MD 20852 (http://www.atcc/org):
Arthrobacter ilicis
Bacillus amyloliquefaciens
Bacillus pumilus GC subgroup В
Bacillus subtilis
Brevibacterium mcbrellneri
Comamonas testosteroni
Flavobacterium resinovorum
Kocuria kristinae
Microbacterium liquefaciens
Micrococcus luteus GC subgroup С
Pseudomonas chlororaphis
Pseudomonas putida biotype A
Pseudomonas pseudoalcaligenes
Rhodococcus equi GC subgroup В
Аэробные, гетеротропные бактерии метаболизируют органические кислоты в растворе, таким образом снижая ХПК раствора и превращая его в сбрасываемый в системы коллекторов раздельной системы канализации. Предпочтительная экспериментальная среда для выращивания, используемая в экспериментах по обработке ПВС, для здоровой и устойчивой популяции бактерий, на литр H2O содержит:
| Уксусная кислота | 0,5% |
| Меласса | 0,002% |
| (NH4)2SO4 | 1,0 Г |
| КН2PO4 | 1,0 Г |
| К2HPO4 | 0,8 г |
| MgSO4.7H2O | 0,2 г |
| NaCl | 0,1 г |
| CaCl2.2Н2O | 0,2 г |
| FeSO4 | 0,01 г |
| Na2MoO4.2H2O | 0,5 мг |
| MnSO4 | 0,5 мг |
| Дрожжевой экстракт | 10,0 г |
Заявители рекомендуют корректирование рН до примерно 7,5 и выращивание микроорганизмов при 25°С.
В более предпочтительном варианте раствор направляют в камеру порошкообразного активированного угля ((РАС)(ПАУ)), содержащую аэрированный псевдоожиженный слой ПАУ. Порошкообразный уголь становится суспендированной подложкой для выращивания бактерий. Когда СОУ снижается до желаемого уровня ниже местных регламентированных ограничений, биохимически очищенный раствор может быть декантирован и высвобожден для сброса.
На фиг.4 представлена схема предполагаемых реакций, которые имеют место в процессе фазы биоразложения способа, но они являются только мнениями заявителей и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Как можно видеть на фиг.4, ацетат уксусной кислоты взаимодействует с гидроксидом натрия с образованием ацетата натрия. Ацетат натрия превращается в ацетил СоА, кофермент, обычно используемый для превращения соединений углерода в диоксид углерода и воду. В частности, ацетил СоА входит в глиоксилатный путь обмена (найдено только в бактериях) и в путь обмена трикарбоновой кислоты. Другие наиболее важные процессы зависят от указанных двух путей обмена для молекул предшественника и включают биосинтез аминокислот и биосинтез пиримидина (предшественники ДНК). Процесс глюконеогенеза является необходимым и должен быть инициирован для того, чтобы бактерии пополняли подачу глюкозы в микроорганизмы. Глюкоза требуется для синтеза стенок и мембран бактериальных клеток и также служит в качестве подложки для гликолиза, клеточный процесс которого генерирует энергию соединений для биосинтеза.
На фиг.5 представлен график, показывающий результаты испытаний определения общего органического углерода, удаленного из раствора, на различных стадиях способа предпочтительного варианта.
Имеются различные способы, которые могут быть использованы для осуществления вторичной биологической очистки для утилизации органического углерода из обрабатываемой ПВС водной фазы. Указанные способы включают использование реактора с неподвижной средой и способа с активированным отстоем, такого как традиционная расширенная аэрация, ступенчатая аэрация, последовательные периодические реакции, контактная стабилизация, или реакторов с псевдоожиженным слоем. Обратный осмос может быть использован в дополнение к вышеуказанным способам, когда обрабатываемая вода с ПВС должна сохраняться в замкнутой системе с циркуляцией.
В. Второй способ предпочтительного изобретения
Второй предпочтительный вариант настоящего изобретения включает стадии:
1) Введения окислителя в водный раствор, содержащий водорастворимый полимерный материал;
2) Солюбилизации водорастворимого полимерного материала в водном растворе при одновременном создании свободных радикалов для разрушения водорастворимого полимерного материала и образования органических кислот;
3) Фильтрации несолюбилизированного материала из водного раствора;
4) Если необходимо, измерения показателя параметра концентрации полимерного материала в растворе;
5) Если необходимо, фильтрации радиоактивного материала из раствора;
6) Если необходимо, нейтрализации рН раствора; и
7) Если необходимо, биоразложения органических кислот в растворе с образованием CO2, Н2О и биомассы.
Первая стадия способа в данном предпочтительном варианте содержит введение окислителя в раствор, содержащий водорастворимый полимер. В предпочтительном варианте перекись водорода является вводимым окислителем. Например, коммерчески доступная 30% перекись водорода может быть удобно введена в виде концентрации общего раствора способа приблизительно между примерно 0,05% об. и примерно 20% об. и, более предпочтительно, примерно 3,0% об.
Вторая стадия в данном предпочтительном варианте содержит нагревание раствора, содержащего водорастворимый полимер и окислитель, при температуре и в течение периода времени, достаточных для растворения полимера и образования радикальных частиц из окислителя. Это, предпочтительно, осуществляется варкой под давлением раствора водорастворимого полимера в ванне высокотемпературной воды при постоянном объеме так, как при обработке в автоклаве. В еще более предпочтительном варианте емкость содержит раствор водорастворимого полимера и может быть нагрета до температуры в интервале между примерно 212 и примерно 250°F (100-121,1°С) при давлении насыщенного пара. Установлено, что при варке под давлением твердого полимерного материала в водном растворе условия повышенного давления позволяют достигнуть более высоких температур раствора, чем можно достигнуть в окружающем воздухе без кипения. Более высокая температура раствора передает больше тепловой энергии твердому полимерному материалу, и увеличенная тепловая энергия более эффективно проникает в твердые массы полимерного материала с их полным растворением. Кроме того, более высокие температуры автоклава обеспечивают стерилизацию сбросового потока, что не может быть достигнуто при более низких температурах. Высокая температура, используемая в варке под давлением раствора водорастворимого полимера, является достаточной, чтобы вызвать химическое разложение перекиси водорода и образование свободных гидроксильных радикалов (*ОН). Свободные гидроксильные радикалы воздействуют на органические составляющие сбросового раствора, т.к. полимер растворяется, инициируя в результате окислительный каскад реакций, включая полную деструкцию полимерного материала в растворе.
Стадии способа с третьей по седьмую данного варианта являются идентичными стадиям способа второй и с пятой по восьмую, соответственно, предыдущего варианта изобретения.
С. Устройство для осуществления способа предпочтительных вариантов
Рассматривается устройство для деструкции ПВС в соответствии со способом, рассмотренным выше. Относительно фиг.6 ссылочная цифра 100 относится обычно к растворному реактору. В предпочтительном варианте растворный реактор 100 является автоклавом. Растворный реактор 100, предпочтительно, выполнен из нержавеющей стали или подобного коррозионностойкого материала. Растворный реактор 100 соединен водопроводно-канализационной линией 102 с фильтрационным устройством 104. Фильтрационное устройство 104 соединено водопроводно-канализационной линией 106 с насосом 106. В предпочтительном варианте водопроводно-канализационная линия 112 пересекает и соединяет водопроводно-канализационную линию 110 с теплообменником 114. Теплообменник 114 соединен водопроводно-канализационной линией 116 снова с растворным реактором 100 с образованием коммуникации рециркулирования.
Насос 108 соединен водопроводно-канализационной линией 110 с фотохимическим реактором 200. Реактор 200, предпочтительно, выполнен из нержавеющей стали или подобного коррозионностойкого материала. В предпочтительном варианте фотохимический реактор 200 состоит из группы отдельных фотохимических реакторов (не показано), расположенных по порядку в реакторе. В данном варианте механическая мешалка (не показано) расположена в реакторе 200 для обеспечения циркуляции содержимого. Каждый из реакторов содержит, по меньшей мере, один элемент ультрафиолетового излучения высокой интенсивности. В более предпочтительном варианте фотохимические элементы в реакторе 200 генерируют ультрафиолетовое излучение с длиной волн между примерно 185 и примерно 250 нм.
Устройство введения окислителя 300 соединено водопроводно-канализационной линией 302 с реактором 200. В предпочтительном варианте устройство введения окислителя 300 содержит программируемый логический контроллер, датчик, регистратор и распределительный механизм, такие как хорошо известные в химической промышленности. Фотохимический реактор 200 соединен водопроводно-канализационной линией 202 с насосом 204. Насос 204 соединен водопроводно-канализационной линией 206 с емкостью нейтрализации 400. В факультативном варианте водопроводно-канализационная линия 208 пересекает водопроводно-канализационную линию 206 и соединяется с реактором 200, что позволяет насосу осуществлять фотохимическую обработку раствора с циркуляцией.
Устройство нейтрализации рН 402 соединено водопроводно-канализационной линией 404 с емкостью нейтрализации 400. В более предпочтительном варианте устройство нейтрализации рН 402 содержит автоматический контроллер рН. Емкость нейтрализации 400 соединена водопроводно-канализационной линией 406 с насосом 408. Насос 408 соединен водопроводно-канализационной линией 410 снова с емкостью нейтрализации 400 с образованием коммуникации рециркулирования. Емкость нейтрализации 400 соединена водопроводно-канализационной линией 412 с биоячейками 500. Биоячейки 500 являются, предпочтительно, ячейками с неподвижной средой аэробного типа или с активированным отстоем. Входные приспособления выполнены для направления воздуха, микробов и питательных веществ в биоячейки любым способом, хорошо известным в промышленности. Биоячейки 500 соединены водопроводно-канализационной линией 502 с насосом 504. Насос 504 соединен водопроводно-канализационной линией 506 снова с биоячейками 500 с образованием коммуникации рециркулирования. Биоячейки 500 соединены водопроводно-канализационной линией 508 для сброса.
В альтернативном предпочтительном варианте водопроводно-канализационная линия 602 пересекает и соединяет водопроводно-канализационную линию 206 с устройством фильтрации радиоактивного материала 600. Устройство фильтрации радиоактивного материала 600 соединено водопроводно-канализационной линией 604 снова с водопроводно-канализационной линией 206 с образованием коммуникации рециркулирования. Факультативно устройство фильтрации радиоактивного материала 600 соединено водопроводно-канализационной линией 606 снова с реактором 200 с образованием коммуникации рециркулирования, по которой истощение радиоактивности в растворе может быть осуществлено совместно с окислением-восстановлением раствора. Альтернативно устройство фильтрации радиоактивного материала 600 может быть соединено с рассмотренным устройством в любом положении между растворным реактором 100 и емкостью нейтрализации 400.
Вторичная биохимическая очистка используется для утилизации органического углерода из обрабатываемой ПВС водной фазы. Предпочтительные способы включают использование реактора с неподвижной средой и способа с активированным отстоем, такого как традиционная расширенная аэрация, ступенчатая аэрация, последовательные периодические реакции, контактная стабилизация, или реакторов с псевдоожиженным слоем. Когда обрабатываемая вода с ПВС должна сохраняться в замкнутой системе с циркуляцией, может быть использован обратный осмос в дополнение к вышеуказанным способам.
Реактор с неподвижной средой
Способ аэробной очистки, который состоит из однородного распределения сточных вод поверх неподвижной (т.е. стационарной) среды с помощью распределителя потока 706 в одной или более вертикальных ячеек (фиг.8). Среда состоит из материала, который обеспечивает наибольшие удельную площадь поверхности и процент свободного объема. Большая площадь поверхности обеспечивает большую массу бактериальной биопленки на единицу объема, тогда как увеличенный свободный объем обеспечивает более высокие гидравлические нагрузки и увеличенный перенос кислорода.
Большая часть сточной воды, наложенной на неподвижную среду, проходит быстро через нее во второй осветлитель 704, тогда как остаток медленно струится поверх поверхности бактериальной биопленки, растущей на неподвижной среде 702. Удаление суммарного органического углерода ((ТОС)(СОУ) ) осуществляется биосорбцией и коагулированием от быстрого движения части потока и при постепенном удалении растворимых органических составляющих из части потока с более медленным движением посредством биохимического окисления.
Количество полученной бактериальной биопленки регулируется доступным питанием, и рост будет увеличиваться, т.к. содержание органики увеличивается, до достижения максимальной толщины, или когда содержание органики превысит проектную площадь поверхности неподвижной среды, необходимую для обмена растворенного кислорода. Указанный максимальный рост регулируется гидравлическим напором, типом неподвижной среды, органическими составляющими, количеством присутствующих основных питательных веществ и природой конкретного биологического роста. Время удерживания в устройстве является функцией поступающей гидравлической нагрузки и скорости рецикла ячейки. В реакторе с неподвижной средой рециркуляционное соотношение составляет от 3:1 до 5:1 (рецикл:гидравлическая нагрузка).
Главное применение реакторов с неподвижной средой в очистке обрабатываемого водного ПВС будет для высокопрочных нерадиоактивных сбросовых потоков. Реакторы с неподвижной средой могут работать с объемным содержанием СОУ 50-100 фунт на 1000 кв.фут площади поверхности среды и гидравлическими нагрузками 0,5-1,5 галлон/мин/кв. фут при достижении степени утилизации СОУ до 90% (U.S. EPA, Technology Transfer, 1974).
Способ с активированным отстоем
Способ с активированным отстоем применен во многих разработках по очистке сточных вод и является одним из лучших установленных и широко распространенных способов биохимической очистки сточных вод в мире для промышленных сточных вод, и его приспособляемость для соответствия новым требованиям к качеству выходящего потока является значительной (Burgess et al., 2000). Способ с активированным отстоем использует микроорганизмы в суспензии для химического окисления растворимых и коллоидальных органических веществ, таких как обрабатываемый водный ПВС, до диоксида углерода и воды в присутствии молекулярного кислорода. В процессе окисления часть органического материала синтезируется в новые клетки. Часть синтезированных клеток затем подвергается самоокислению в аэрационной камере; остаток образует новые клетки (биомассу) или избыточный отстой. В способе требуется кислород для поддержания реакций окисления и синтеза. Для осуществления любого применения способа с активированным отстоем на непрерывной основе генерированные твердые биовещества должны быть отделены до сброса декантируемой части с рециркулированием главной фракции в аэрационную камеру, и избыточный отстой выводится для дальнейшей обработки и утилизации.
Примеры применений разработки способа с активированным отстоем, которые могут быть использованы для вторичной биохимической очистки в контексте данного изобретения, включают: традиционную расширенную аэрацию, последовательные периодические реакции, контактную стабилизацию и реакторы с псевдоожиженным слоем.
Традиционная расширенная аэрация
В устройстве традиционной расширенной аэрации, использованном для вторичной биологической очистки обрабатываемого ПВС, сточные воды подаются насосом с первичной переработки 700 и регулирования рН в аэробно перемешиваемую аэрационную камеру 708, за которой установлен последовательно вторичный осветлитель 704 (фиг.9). В головной части аэрационной камеры входящий поток (сточные воды) смешивается с расщепленным потоком возвратного активированного отстоя 716. Конструкция воздухораспределительной системы в камере предотвращает проскакивание сбросового потока через установку и увеличивает время удерживания нагнетанием воды, чтобы сделать наиболее длинный путь через камеру. Поступление сточных вод в аэрационную камеру смещает смешанные жидкости (смешанные воду и биомассу) во вторичный осветлитель 704, где флокулированная биомасса осаждается в отстой 716 и осветляет конечный выходящий поток 718. Часть очищенной воды выгружается через поверхностный выходящий слой.
Конструкция традиционного устройства расширенной аэрации для очистки обрабатываемого ПВС основана на объемных нагрузках 20-40 фунт СОУ/24 ч/1000 куб.фут объема аэрационной камеры и содержании органических веществ (питание для микроорганизмов, F/M (П/М)) 0,2-0,4 фунт СОУ/24 ч/фунт смешанного потока суспендированных твердых веществ ((MLSS)(СПСТВ)). Время удерживания отстоя ((SRT)(ВУО)) можно варьировать благодаря содержанию питательного вещества, но должно обычно находиться в интервале между 5 и 15 суток для данного способа, который может достигать 85-90% утилизации СОУ с надлежащей операции (U.S. EPA, Technology Transfer, 1974).
Ступенчатая аэрация
В устройстве ступенчатой аэрации обрабатываемый сбросовый поток ПВС вводится в нескольких точках 710 на всем протяжении аэрационной камеры (фиг.10). Однако, возвратный активированный отстой 716, который обычно находится в интервале от 25 до 75% расчетного потока, вводится в головной части первой аэрационной камеры 712, как в устройстве традиционной расширенной аэрации. Это позволяет более эффективно использовать биомассу активированного отстоя и даже распределять требуемый кислород по камере.
Устройства ступенчатой аэрации предназначены для объемных нагрузок 40-60 фунт СОУ/24 ч/1000 куб.фут объема аэрационной камеры при содержании органических веществ (питание для микроорганизмов, П/М) 0,2-0,4 фунт СОУ/24 ч/фунт СПСТВ. Время удерживания отстоя (ВУО) может варьироваться в зависимости от введения питательного вещества, но обычно должно быть близким времени для устройств традиционной расширенной аэрации (U.S. EPA, Technology Transfer, 1974).
Последовательные периодические реакции
Система последовательных периодических реакций является способом с активированным отстоем, где два или более аэробных биореактора 720 последовательно заполняются, органическое содержание биохимически окисляется и декантируемый слой разгружается из каждой отдельной установки 722 (фиг.11). Данная конструкция исключает необходимость в отдельной камере осветлителя, поэтому снижая общую зону обслуживания установки очистки. Обычно в системе последовательных периодических реакций аэробные биореакторы будут чередоваться между накоплением/освоением и осаждением/выгрузкой декантируемого слоя. Для очистки обрабатываемых сбросовых потоков ПВС последовательные периодические реакторы могут работать последовательно с целью снизить содержание органического углерода шаг за шагом вдоль цепи очистки. Кроме того, очистка, использующая указанный способ работы, осуществляется в отдельных ваннах в противоположность другим конструкциям, которые используют некоторый вид проточной системы. В результате очистка в последовательных периодических реакторах обрабатываемых сбросовых потоков ПВС позволяет регулировать рабочие параметры, такие как время удерживания, для каждой отдельной ванны сточной воды, т.к. она удаляется через систему.
В системах последовательных периодических реакторов расчетные объемные нагрузки являются подобными нагрузкам устройства традиционной расширенной аэрации, где обрабатываемый ПВС может быть очищен со скоростью 20-40 фунт СОУ/24 ч/1000 куб.фут объема аэрационной камеры и при содержании органических веществ 0,2-0,4 фунт СОУ/24 ч/фунт СПСТВ.
Контактная стабилизация
Контактная стабилизация является аналогичной ступенчатой аэрации, различие между ними включает изменение в расположении подачи входящего потока обрабатываемого ПВС и возврата отстоя 712 в аэрационную камеру (фиг.12). Объемные нагрузки СОУ, П/М, ВУО и эффективность утилизации органических веществ являются подобными устройству ступенчатой аэрации. Отношения возврата отстоя варьируются от 25 до 100% среднего расчетного потока.
Конструкция устройства контактной стабилизации состоит из реакционной аэрационной камеры 730, контактной аэрационной камеры 732 и вторичного осветлителя 704. В данной конструкции СОУ в коллоидальном или нерастворимом состоянии, содержащийся в сточных водах обрабатываемого ПВС, быстро удаляется из сбросового потока в относительно короткое контактное время по комбинированному механизму биологической сорбции, синтеза и флокуляции. Это может дать возможность снизить размер установки на единицу очищенных сточных вод обрабатываемого ПВС в такой степени, пока сбросовый поток имеет указанные характеристики. В конструкции устройства контактной стабилизации после того, как биологический отстой 716 отделяется от сточных вод 718 в осветлителе 704, концентрированный отстой транспортируется и отдельно аэрируется в реакционной аэрационной камере 730. Здесь флокулированный и абсорбированный СОУ стабилизируется. Способ контактной стабилизации имеет преимущество способности обрабатывать более импульсные органические и токсичные вещества благодаря способности к биологическому буферному действию реакционной аэрационной камеры 730 и тому, что при любом данном времени главная часть активированного отстоя 716 отделяется от главного потока сточных вод установки.
Реакторы с псевдоожиженным слоем
Способ реакции в псевдоожиженном слое является способом, где суспендированная среда, такая как активированный уголь или пластиковые биошарики, вводится в биореактор, аэрационную и или реакционную/контактную камеры с обеспечением дополнительной площади поверхности с целью выращивания бактериальной биопленки. Указанная модификация может быть приспособлена к любому из способов с активированным отстоем, описанных ранее (фиг.9-12). Преимуществом реакторов с псевдоожиженным слоем по сравнению с традиционными конструкциями с активированным отстоем является их способность выращивать более широкий, более разветвленный консорциум бактерий, скрепленных с суспендированной средой, а также бактерий, диспергированных в хлопьях через водную фазу аэрационной камеры. Когда в качестве псевдоожиженной среды используется активированный уголь, он обеспечивает поглощающие свойства, которые могут оказывать буферное воздействие на отрицательное действие импульсного содержания органических и токсичных веществ. Из-за ограничений механического прокачивания и осаждения биошарики в качестве псевдоожиженного слоя среды являются наиболее подходящими в применении последовательных периодических реакторов, где все фазы очистки осуществляются в одном реакторе.
Благодаря своей способности буферного воздействия на высокое содержание органических веществ системы реакторов с псевдоожиженным слоем предназначены для объемных нагрузок 40-60 фунт СОУ/24 ч/1000 куб. фут объема аэрационной камеры и отношений П/М 0,2-0,5 фунт СОУ/24 ч/фунт СПСТВ. ВУО снова может варьироваться в зависимости от введения питательного вещества, но обычно должно быть подобным ВУО устройств традиционной расширенной аэрации.
Обратный осмос
Теперь снова целью способов вторичной и третичной очистки в контексте данного изобретения является удаление шаг за шагом органического углерода, остающегося в растворе после первичной обработки ПВС. Посредством соответствующего приспособления вторичной биологической очистки можно эффективно удалять 80-95% указанного органического углерода из раствора. Однако, в случаях, когда обрабатываемая вода с ПВС должна сохраняться в замкнутой системе с циркуляцией, весь оставшийся органический углерод должен быть удален. Когда требуется полное удаление органического углерода, вода 718, выходящая с вторичной биологической очистки, будет очищаться в третичной установке обратного осмоса 740.
Осмос является термином, который описывает явление течения воды через полупроницаемую мембрану, которая блокирует перенос через нее солей и других растворенных веществ. Когда полупроницаемая мембрана разделяет два водных объема, вода будет течь со стороны низкой концентрации растворенных веществ к стороне высокой концентрации растворенных веществ. Поток может быть остановлен или направлен обратно приложением давления на стороне более высокой концентрации. Когда указанный процесс осуществляется, он называется обратным осмосом (Lachish, 2000). Концепция обратного осмоса будет введена в цепочку очистки изобретения при проведении сначала предварительной фильтрации вторичной выходящей воды 718 через порошковый фильтр (0,65-10 мкм) с удалением любых суспендированных твердых веществ. После предварительной фильтрации вода транспортируется в обратноосмотическую ((RO)(OO)) емкость концентрата. На данной стадии насос высокого давления используется для прокачивания воды из емкости концентрата к OO-фильтру, где она движется тангенциально через поверхность OO-мембраны. Приложенное давление насоса служит для нагнетания части воды через мембрану к проницаемой стороне. Соли и органические растворенные вещества, слишком крупные для прохождения через поры мембраны, остаются в виде концентрата и смываются через верхнюю сторону мембраны тангенциальным потоком давления (Millipore, Pellicon и Proflux-Millipore Corp., 1999). Указанное действие предотвращает их нарастание на поверхность мембраны и снижает возможную закупорку. При типичной работе 10-20% веды фильтруется через OO-мембрану как фильтрат при каждом пропускании, тогда как остальные 80-90% отсекаются и возвращаются в емкость концентрата. При каждом пропускании или цикле объем емкости концентрата снижается до тех пор, пока он не достигнет примерно 10% начального объема загрузки.
Профильтрованную воду, свободную от солей, радиоизотопов и СОУ, подают насосом в резервуар или емкость чистой воды для использования в будущей обработке ПВС. Водный концентрат транспортируют в камеру выдерживания отработанного отстоя. Здесь его смешивают и аэрируют с отработанными твердыми биовеществами. В результате дополнительное биохимическое окисление-восстановление СОУ будет иметь место до конечного обезвоживания и утилизации твердого радиоактивного остатка и отработанных сухих твердых биовеществ.
D. Функционирование изобретения
Приведенное далее является иллюстрирующими примерами изобретения и не предназначено для ограничения объема или функционирования изобретения. Другие цели, характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего подробного описания. Должно быть понятно, однако, что подробное описание и отдельные примеры, хотя указывают предпочтительные варианты изобретения, приводятся только путем иллюстрации, так как различные изменения и модификации в сути и объеме изобретения становятся очевидными для специалистов в данной области техники из указанного подробного описания.
Пример 1
В предпочтительном варианте настоящего изобретения (см. фиг.6) растворный реактор 100 является, предпочтительно, автоклавом, выполненным из нержавеющей стали или подобного коррозионностойкого материала. Отработанный твердый водорастворимый полимерный материал помещают в растворный реактор 100 в водном растворе. Предпочтительно, отработанный твердый водорастворимый полимерный материал вводят в воду с образованием раствора, содержащего полимерный материал в приблизительном интервале между примерно 0,5% масс. и примерно, но менее 5% масс. В более предпочтительном варианте отработанный твердый водорастворимый полимерный материал вводят в раствор в приблизительном интервале между примерно 0,5% масс. и примерно 2,5% масс. Предпочтительно, растворный реактор 100 поддерживает достаточное давление для обеспечения нагрева водного раствора до температуры выше 212°F (100°С). Более предпочтительно, растворный реактор 100 поддерживает достаточное давление для обеспечения нагрева водного раствора при температуре в приблизительном интервале между примерно 220°F (104,4°С) и примерно 250°F (121,1°С). Указанные параметры обычно автоматически контролируются и регулируются. Раствор выдерживают при заданной температуре в течение определенного периода времени, чтобы позволить одежде и другим изделиям из полимерного материала раствориться и обеспечить полную стерилизацию раствора.
После солюбилизации водный раствор затем транспортируют в фильтрационное устройство 104. Предпочтительно, фильтрационное устройство 104 содержит множество сетчатых фильтров для отфильтровывания любого нерастворенного полимерного материала, который в конечном счете будет растворен в результате истирания и турбулентности, созданной рециркуляцией раствора полимерного материала. Фильтрационное устройство 104 также отфильтровывает любой нерастворимый материал, который является несовместимым со способом.
После фильтрации водный раствор затем транспортируют в теплообменник 114, который является, предпочтительно, воздухоохлаждаемым, для ускорения снижения температуры раствора. После рециркуляции в растворный реактор 100 холодный раствор возвращается к давлению окружающей среды. В предпочтительном варианте, когда раствор транспортируется в фотохимический реактор 200, температура раствора поддерживается в приблизительном интервале между примерно 150°F (65,6°C) и примерно 200°F (93,3°C).
После того, как водорастворимый полимерный материал солюбилизируется, и водный раствор фильтруется и охлаждается, его транспортируют в фотохимический реактор 200. Устройство введения окислителя 300 подает перекись водорода в водный раствор, циркулирующий в фотохимическом реакторе 200. Перекись водорода смешивается с водным раствором в фотохимическом реакторе 200. Предпочтительно, устройство введения окислителя 300 содержит автоматический ротаметр и регистратор рН. В предпочтительном варианте концентрированная перекись водорода вводится с минимальной скоростью приблизительно 100 мл на 10 галлонов раствора.
Предпочтительно, фотохимический реактор 200 содержит множество труб, имеющих внутренние элементы, смонтированные соосно в них, для генерирования электромагнитного излучения. Предпочтительно, элементы генерируют ультрафиолетовое излучение с длиной волн в приблизительном интервале между примерно 185 и примерно 310 нм. Более предпочтительно, элементы генерируют ультрафиолетовое излучение с длиной волн в приблизительном интервале между примерно 185 и примерно 250 нм. В наиболее предпочтительном интервале водный раствор циркулирует в фотохимическом реакторе 200, который содержит ряд расположенных с интервалом ультрафиолетовых элементов, причем каждый имеет кварцевую оболочку, окружающую внутренний ультрафиолетовый элемент. Раствор, таким образом, непрерывно облучается ультрафиолетовым излучением при механическом перемешивании или рециркулируется. Выдержка перекиси водорода в растворе с подведением электромагнитной энергии с длиной волн ультрафиолетового излучения дает в результате фотолиз перекиси водорода в свободные гидроксильные радикалы (ОН*). Свободные гидроксильные радикалы воздействуют на органические составляющие раствора, инициируя окислительный каскад реакций, которые включают полную деструкцию полимерного материала в растворе и дают в результате сбросовый поток органических кислот, содержащий воду и уксусную кислоту. Увеличение концентрации водородных ионов в результате окислительной реакции вызывает снижение рН раствора. Предпочтительно, рН раствора измеряется как индикатор параметра концентрации полимерного материала, остающегося в растворе. Измерение рН раствора, предпочтительно, осуществляется устройством введения окислителя 300. Таким образом, устройство введения окислителя 300 может контролировать продолжение фотохимического процесса до тех пор, пока рН постепенно не снизится до уровня, который указывает на то, что весь полимерный материал в растворе разрушен.
Пример 2. Радиоактивные материалы
Альтернативный вариант предусматривает факультативное истощение радиоактивного материала в растворе. Снова см. фиг.6. Это осуществляется циркуляцией раствора через устройство фильтрации радиоактивного материала 600 до транспортирования раствора в емкость нейтрализации 400. Предпочтительно, устройство фильтрации радиоактивного материала 600 содержит микронный фильтр, который удаляет порошкообразный радиоактивный материал, и установку ионного обмена, которая снижает истощенные радиоизотопы до элементарного уровня. В более предпочтительном варианте микронный фильтр состоит из <1,0 микронного патронного фильтра. Результаты испытаний, относящиеся к данному варианту, приведены в таблице 2-1.
Пример 3. Нейтрализация рН
Еще один альтернативный вариант предусматривает факультативную нейтрализацию рН водного раствора. Снова см. фиг.6. Когда снижение рН раствора указывает на то, что по существу весь полимерный материал в растворе разрушен, раствор транспортируют в емкость нейтрализации 400. Устройство нейтрализации рН 402 вводит гидроксид натрия в емкость нейтрализации 400 в качестве агента для перевода рН в более щелочное состояние. Предпочтительно, устройство нейтрализации рН 402 содержит автоматический контроллер рН, который пропорционально вводит гидроксид натрия с увеличением рН до тех пор, пока не достигается желаемый рН, и контролирует рециркуляцию раствора через емкость нейтрализации 400. В предпочтительном варианте рН нейтрализуется в приблизительном интервале между примерно 6,0 и примерно 8,0.
Пример 4. Биоразложение
Другой альтернативный вариант предусматривает факультативное разложение отходов органических кислот, остающихся в водном растворе. После того, как раствор достигнет приемлемо нейтральный рН, его транспортируют в биоячейки 500 (см. фиг.6), где органические соединения, остающиеся в водном растворе, метаболизируются. Биоячейки 500 являются, предпочтительно, аэробными биореакторами с неподвижной средой, засеянными микроорганизмами, состоящими фактически из аэробных, гетеротропных бактерий. Предпочтительно, для максимальной эффективности биологического способа очищенная вода рециркулируется перед перемещением к следующей ячейке. Более предпочтительно, соотношение рециркуляционной смеси составляет примерно 5:1, так что на каждый галлон, введенный в ячейку, пять галлонов циркулируется и распыляется поверх неподвижной среды для создания времени удерживания в ячейке. Перенос от ячейки к ячейке и выгрузка могут выполняться при объемном замещении водоприемного колодца и самотеком. Бактерии метаболизируют избыточный углерод в растворе до тех пор, пока раствор не станет пригодным для сброса, как определено регламентирующими требованиями местной системы канализации или другой системы конечного сброса.
На фиг.7 подробно представлено схематически прототипное устройство предпочтительного варианта, как рассмотрено здесь и на фиг.6, и оно предназначено для осуществления стадий способа, рассмотренных здесь и на фиг.1.
Пример 5. Различные растворы
Может использоваться оборудование, эквивалентное оборудованию на фиг.6-7, и способ на фиг.1, и установлено заявителями, что переработка загрязненных растворов, содержащих различные количества ПВС в различных кислотных или щелочных растворах, дает значительное снижение рН при завершении (около 2,8-5,2 ч в зависимости от длины волны, используемой для облучения раствора, и концентрации Н2О2 и других переменных - см. таблицы 6-1 и 6-2) с изменением рН в приблизительном интервале между примерно 2,5 и примерно 4,0.
Пример 6. Способ обработки ПВС: растворение ПВС и введение гидроксильных радикалов в две стадии
Способы обработки разработаны для деструкции поливинилового спирта. Указанные способы разработаны на основе необходимости превращения и последующей деструкции отходов, изготовленных из ПВС. ПВС может быть изготовлен в различных видах, включая пленку, нетканые и тканые ткани и т.д. Указанные ПВС-материалы могут быть переработаны во многие продукты потребления. Продукты могут быть использованы как продукты-заменители во многих отраслях промышленности. Указанные потребительские товары прекращаются как отходы и являются дорогими для обработки и утилизации традиционным способом. ПВС является паспортизованным биоразлагающимся полимером. Однако, испытания показывают, что скорость биоразложения является ограниченной и неподходящей для того, чтобы быть коммерчески жизнеспособной.
Признавая полезность указанного продукта и возможных применений на различных промышленных рынках сбыта, т.е. включая опасные отходы, авторы изобретения пытаются разработать экономически эффективный способ очистки ПВС-содержащих материалов с последующим сроком службы, что дало бы экономическую выгоду производителю отходов и обеспечило лучшее экологическое решение по сравнению со способами массового захоронения отходов и даже сжигания. Испытания и исследования дают несколько конкурентноспособных технологий очистки ПВС-содержащих отходов. Один способ деструкции водорастворимых полимеров включает стадии:
- Помещения сбросового потока, содержащего водорастворимый полимер, в растворную емкость;
- Добавления воды;
- Нагревания содержимого емкости до температуры >180°F (82,2°C);
- Выдерживания при повышенной температуре не менее 30 мин;
- Охлаждения содержимого емкости до температуры <180°F ;
- Транспортирования содержимого в реакционную емкость (предполагается, что полимер поступает в раствор при концентрации от > 0% до < 5%);
- Введения соответствующего количества перекиси водорода;
- Облучения раствора ультрафиолетовым излучением в течение определенного периода времени; и
- Оценки результатов, если желательно.
Для указанного способа концентрированные растворы ПВС (>5% ПВС) являются гидравлически нестабильными, и ПВС имеет тенденцию высаждаться из раствора при перемешивании или движении. ПВС-материалы сначала солюбилизируются при 180°F и образуют истинные растворы, когда температура достигает 230°F (110°С). 1000-2000 мг/л перекиси водорода на 10000 мг/л раствора ПВС требуется в качестве катализатора окисления для эффективной деструкции ПВС в растворе, где эффективная деструкция определяется как >90% деструкция полимера. Установлено, что ультрафиолетовое излучение в сочетании с перекисноводородным катализатором является наиболее эффективным средством деструкции ПВС в растворе. УФ-излучение с длиной волны 180-190 нм является наиболее эффективным, хотя длины волн от 180 до 310 нм дают положительные результаты. Уксусная и муравьиная кислоты являются двумя главными фотолитическими продуктами, однако, в процессе фотолиза также образуется большое число органических промежуточных соединений.
Пример 7. Способ обработки ПВС: растворение ПВС и введение гидроксильных радикалов в одну стадию
Другой способ обработки, разработанный для деструкции поливинилового спирта, предусматривает одновременное растворение ПВС и получение гидроксильных радикалов и включает стадии:
- Помещения водорастворимого полимера в растворную емкость;
- Введения перекиси водорода в растворную емкость;
- Добавления воды;
- Нагревания содержимого емкости до температуры >180°F (82,2°С);
- Выдерживания при повышенной температуре не менее 30 мин; и
- Охлаждения содержимого емкости до температуры <180°F.
Растворы ПВС концентрации, предпочтительно, от 0 до 30% масс. могут быть эффективно обработаны указанным способом. Стадии введения водорастворимого полимера, перекиси водорода и воды в растворную емкость могут осуществляться в любом порядке. Концентрация 1000-2000 мг/л перекиси водорода на 10000 мг/л ПВС требуется для эффективной деструкции, где эффективная деструкция определяется как >90 % деструкция полимера. Температура > 190°F (87,8°C) требуется в сочетании с перекисью водорода для эффективной деструкции ПВС. Для данного способа ультрафиолетовое излучение не требуется; нагревание раствора, содержащего перекись водорода, является достаточным для создания гидроксильных радикалов, необходимых для деструкции ПВС. Уксусная кислота, муравьиная кислота и большое число органических промежуточных соединений являются побочными продуктами указанной реакции.
Пример 8. Обработка раствора ПВС
Хотя ПВС является растворимым в воде, при концентрациях более 1% и сопутствующих температурах менее 150°F (65,6°C) любое движение или смешение жидкости будет вызывать переход ПВС в твердое состояние из раствора. Это свойство создает значительные трудности для утилизации сбросовых потоков ПВС. Для преодоления указанного физического/химического свойства был разработан следующий способ разрушения ПВС в растворе, как показано данными реакции, представленными в таблицах 6-1 и 6-2. Принципы настоящего изобретения подтверждены успешными испытаниями как в лаборатории, так и крупномасштабными прямыми испытаниями на ядерной установке с результатами, показанными в приложенной таблице.
Стадия 1
Растворная фаза
Определенное количество загрязненного ПВС-материала добавляют к определенному объему воды так, чтобы можно было создать раствор определенной процентной концентрации. С целью получения указанных данных указанная концентрация равна либо 0,5% масс. в опытных прогонах, указанных ниже (1101)-(1111-D) и (1001С)-(1113С), либо 2,0% масс. в опытных прогонах (1112-D)-(1117-D). После введения ПВС и воды растворную емкость герметизируют и нагревают при температуре 230°F (110°C) и давлении 5-7 фунт/кв. дюйм в течение 30 мин. В предыдущих испытаниях было установлено, что весь ПВС должен быть переведен в раствор в указанных условиях, оставляя только радиоактивные загрязнения и не-ПВС твердые вещества.
Стадия 2
Фаза охлаждения
После нагревания раствору позволяют охладиться до температурного интервала между примерно 130°F (54,4°C) и примерно 180°F (82,2°C). Для безопасности давление регулируют, и реактор вентилируют до перекачивания.
Стадия 3
Фаза перекачивания
Когда достигают безопасных температуры и давления, ПВС-раствор прокачивают насосом через 30 меш сетчатые фильтры в растворный реактор. В данной фазе не-ПВС твердые вещества удаляют из раствора. Указанная стадия является необходимой до реакционной фазы для снижения перемещения суспендированных твердых веществ, которые будут снижать проницаемость ультрафиолетового излучения в реакционной фазе. Определенное внимание должно быть уделено в процессе фазы перекачивания легкому перемешиванию раствора так, чтобы весь нерастворенный материал остался в суспензии. Это необходимо для предотвращения нарастания радиоактивных загрязнений в растворной емкости от загрузки к загрузке. Сетчатые фильтры устройства должны очищаться между загрузками, когда разность давления между входом и выходом сетчатого фильтра превышает 75% максимального расчетного выходного гидравлического напора перекачивающего насоса.
Стадия 4
Реакционная фаза
Реакционная фаза включает рециркуляцию отфильтрованного раствора ПВС через фотохимический реактор после первого впрыска в него перекиси водорода. Устройство, использованное для получения данных, показанных в таблице 6-1, включает:
- 15-галлонный растворный реактор с коническим дном;
- рециркуляционный насос с производительностью 2 галлон/мин;
- 2-галлонный УФ-реактор, содержащий 189 нм элемент с общей ультрафиолетовой мощностью 19,3 Вт;
- насос-дозатор реагентов с максимальной производительностью 2 галлон/24 ч для введения перекиси водорода;
- регистрирующий рН-метр для измерения и регистрации реакции подкисления;
- пробоотборники для контроля образцов ПВС, температуры и проводимости раствора.
Как только растворный реактор и УФ-камера заполняются до рабочего уровня, включают УФ-реактор, чтобы дать ему нагреться. Вслед за этим пускают насос-дозатор перекиси водорода. Насос-дозатор откачивает из сосуда, содержащего определенный объем 30% перекиси водорода, в течение 4 часов, так что раствор ПВС вводится с точной дозой. После начала введения перекиси водорода запускают рециркуляционный насос растворного реактора, и раствор ПВС, смешанный с дозированными количествами перекиси водорода, будет циркулировать из растворного реактора через УФ реакторную камеру и обратно в растворный реактор. УФ-облучение раствора приводит к фотолизу перекиси водорода, растворенной в растворе, с образованием свободных гидроксильных радикалов. Свободные гидроксильные радикалы являются очень агрессивным окислителем, который воздействует и превращает ПВС через окислительный каскад реакций с получением в результате полного превращения поливинилового спирта в растворе в органические кислоты. (См. фотохимический реакционный процесс, как изображено на фиг.2). Указанная реакция дает подкисленке раствора, что фиксируется регистрирующим рН-метром. Это является указанием на то, что ПВС в растворе разрушен. В этот момент отбирают пробу и проводят анализ на контроль остаточного ПВС. В данном анализе пробирку индикаторного раствора вводят с определенным количеством пробы и затем после смешения сравнивают с эталоном. Если не наблюдается изменение цвета между пробиркой пробы и эталоном, реакция является полной, и ПВС не остается в растворе. Фактическое время УФ-контакта в процессе общего реакционного периода рассчитывают на основе относительных объемов каждой отдельной прореагировавшей загрузки и объема УФ-реактора. На основании указанного отношения было определено, что среднее время контакта для загрузок 1101-1111-D равно 2,48 ч, и среднее время контакта для загрузок 1112-D-1117-D равно 3,48 ч. Различие в среднем времени контакта между пробами двух групп загрузок относится к различиям в концентрации ПВС в исходных растворах. Поскольку анализ не подтверждает определяемое количество ПВС, оставшегося в растворе, загрузка является готовой к микронной фильтрации и ионному обмену для утилизации как суспендированного, так и растворенного радиоактивного изотопного загрязнения.
Стадия 5
Фаза радиоизотопной фильтрации
Другой важной фазой крупномасштабного испытания является изучение способности данного способа удалять радиоактивное загрязнение из обработанного сбросового потока ПВС. На данной стадии прореагировавший сбросовый поток, содержащий радиоактивные загрязнения, прокачивают насосом из растворного реактора через ряд микронных фильтров и слои ионообменной смолы, затем рециркулируют обратно в растворный реактор. Между каждой стадией указанного способа отбирают пробы для определения, когда и в какой степени удалены радиоактивные изотопы. Результаты анализа приведены в таблице 2-1. Стандартными единицами измерения концентрации радиоактивности являются микрокюри на кубический сантиметр (мкКи/см3). Коэффициент очистки (Decon-фактор) является общеиспользуемым термином для выражения эффективности утилизации фильтрационной среды. Он определяется делением входной концентрации на выходную концентрацию. Например, если входная концентрация равна 100 мкКи/см3, а выходная концентрация равна 10 мкКи/см3, тогда Decon-фактор равен 10. Буквенно-цифровые символы в шапке таблицы 2-1 являются стандартной химической номенклатурой для различных химических изотопов, присутствующих и рассматриваемых в данном случае. Цифра представляет число атомной массы для элемента. Decon-фактор равен активности реактора, деленной на активность выходящего потока IX. "LLD" (ННП) представляет активность уровня ниже нижнего предела определения.
Самая левая колонка таблицы 2-1 представляет номера загрузок. Загрузки PV06D-PV09D фильтруют и прогоняют через ионообменную установку, содержащую ионообменную смолу с соотношением катион:анион 2:1. Загрузки PV13D-PV15DR фильтруют и прогоняют через ионообменную установку, содержащую ионообменную смолу с соотношением катион:анион 2:1. Во второй колонке слева заголовки Decon-фактор и система DF представляют общую очистку каждого из изотопов, указанных отдельно и вместе. Изотопами, наиболее превалирующими в проанализированных загрузках, являются кобальт-58 и кобальт-60. Эти два изотопа наиболее эффективно удаляются в фильтре и ионообменной смоле, где используется соотношение анион:катион 2:1.
Установлено, что текущий контроль проводимости раствора и рН является непрямым, но превосходным средством прогнозирования эффективности изотопного истощения. Проводимость сточных вод, возвращающихся в растворный реактор, дает указание степени, с которой удаляются изотопы тяжелых металлов, и рН оборотной воды указывает на срок службы слоя смолы. Когда проводимость и рН воды растворного реактора и рециркуляционной воды уравниваются, реакционная и первично очищенная вода готова к транспортированию на коррекцию рН и вторичную биохимическую очистку для утилизации остаточных растворенных органических веществ.
Стадия 6
Фаза коррекции рН
После завершения фазы фильтрации радиоизотопов реакционную и первично очищенную воду транспортируют из растворного реактора в камеру коррекции рН. Здесь пропорциональный автоматический контроллер рН корректирует рН поступающих сточных вод, чтобы он попал в пределы из двух заданных значений. До начала данного исследования установлено, что конечным продуктом фотохимического окисления-восстановления поливинилового спирта является уксусная кислота и, кроме того, что уксусная кислота является не ионной. То, что уксусная кислота является не ионной, обеспечивает ионный обмен и удаление радиоактивных изотопов в фильтрационной фазе без содержания в смоле растворенных органических веществ. Для коррекции рН контроллер вводит гидроксид натрия в раствор, содержащий ацетат уксусной кислоты. Это дает в результате образование раствора ацетата натрия, который затем является готовым к введению на вторичную биохимическую очистку.
Стадия 7
Фаза биологической очистки
Будучи нейтрализованным, раствор еще содержит значительное количество органических веществ. Раствор дозируют через ряд аэробных биореакторных ячеек с неподвижной средой. Каждя ячейка состоит из вертикальной колонны с внутренней рециркуляцией через неподвижную среду, засеянную микроорганизмами, которые, в свою очередь, биохимически разлагают остаточный ацетат натрия, растворенный в растворе. (Относительно подробных путей биоразложения см. фиг.4). Скорость подачи ацетатного раствора в биореакторные ячейки основана на соотношении следующих динамик:
- Концентрация ацетата натрия в растворе.
- Площадь поверхности неподвижной среды, доступной для микробиологического засевания.
- Концентрация растворенного кислорода в растворе.
- Концентрация питательных макровеществ в растворе.
- Время удерживания в биоячеечных реакторах.
- Сбросовые ограничения для концентрации суммарного органического углерода.
Степень утилизации 80-90% общих фунтов СОУ считается нормальной для системы, где перечисленные динамики контролируются и уравновешиваются. Если содержание УОС на входе является слишком высоким, или ограничение сбросового потока является слишком жестким, введение улучшенной биохимической очистки может быть необходимым. Очистка в биореакторе с псевдоожиженным слоем, использующим порошкообразный активированный уголь ((РАС)(ПАУ)), является улучшенной биохимической очисткой, хорошо подходящей для данного применения. ПАУ-камера является камерой, в которой сухой порошкообразный активированный уголь загружается в аэрационную камеру с образованием биореактора с псевдоожиженным слоем. Порошкообразный уголь становится суспендированной подложкой для бактериального роста и присоединения, таким образом, удаляя бактерии из среды роста. Наблюдение 25-30% смешанных жидкостей и суспендированных твердых веществ представляет оптимальную концентрацию для обеспечения максимальной площади поверхности для бактериального роста. При использовании в комбинации с другими видами вторичной очистки, такими как (но не ограничиваясь этим) биореакторы с неподвижной средой, общее объединенное удаление СОУ может улучшиться до 95-99%.
1: Загрузку 991026С исп. с 1 см3 Н2O2/202 см3 воды.
2: Примеч.: Отриц. контроль, загрузку 991029С исп. только с УФ без перекиси. После 4,0 (рад. ч) снижение концентрации ПВС не наблюдается, как определено колориметрическим анализом.
Несмотря на то, что данное изобретение описано в сочетании с предпочтительными вариантами, оно не предназначено для ограничения объема изобретения в приведенном частном виде, но напротив оно предназначено охватить все альтернативы, модификации и эквиваленты, какие могут быть включены в суть и объем изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Например, имеются многочисленные вариации и комбинации насосов, водопроводно-канализационных линий, водопроводно-канализационных соединений и значительных компоновок, которые могут быть сделаны для установления соединений между основными компонентами описанного устройства. Также специалисту в данной области техники будет понятно, что при осуществлении на практике способа данного изобретения будет требоваться целесообразное экспериментирование для оптимизации условий способа как функции ПВС в очищаемом растворе и оборудования, выбранного или доступного для осуществления изобретения.
Ссылочные материалы.
Следующие ссылочные материалы в той степени, в которой они предусматривают типичные технологические или другие детали дополнительно к представленным здесь, приводятся здесь специально для сравнения:
Burges, Quarmby & Stephenson, "Vitamin addition: an option for sustainable activated sludge process effluent quality". Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 24: 267-274 (2000).
Bolton et al., "Homogeneous Photodegradation of Contaminated Water on Introduction" review paper, CRC Press, Boca Raton, FL(1993).
Finley, Amended Assay, "Spectrophotometric Determination of Polyvinyl Aicohol in Paper Coatings", Analytical Chemistry, 33 (13) (December 1961).
Uri Lachish, "Osmosis and Reverse Osmosis and Osmotic Pressure: What They Are", Guma Science, urila@internet-zahav.net (2000).
Oji, "Oxidative Mineralization and Characterization of Polyvinyl Aicohol for Compatibility With Tank Farm Processing Chemistry", Extended Abstract of Report № RP-99-00524, Rev. 0, сообщение и последующий полный доклад под тем же названием, датированный 30 июня 1999 г.
Millipore, Pellicon, and Proflux - Millupore Corp, "Protein Concentration and Diafiltration by Tangential Flow Filtration", pages 1-25 (1999).
U.S. Environmental Protection Agency, Technology Transfer, "Process Design Manual For Upgrading Wastewater Treatment Plants", Chapters 4-5 (1974).
Патент США 5208104.
Патент США 5181967.
Патент США 5650219.
1. Способ очистки водного раствора, содержащего (i) водорастворимый полимер и (ii) радиоактивный материал, включающий
нагревание водного раствора до температуры, по меньшей мере, 82,2°C (180°F);
введение, по меньшей мере, одного окислителя в водный раствор и
выдерживание водного раствора при температуре реакции, по меньшей мере, 82,2°С (180°F) в течение периода времени, достаточного для взаимодействия, деструкции или разрушения, по меньшей мере, части полимера с получением, по меньшей мере, одного продукта деструкции.
2. Способ по п.1, в котором водный раствор нагревают до температуры реакции от примерно 82,2°С (180°F) до примерно 121,1°C (250°F).
3. Способ по п.1, в котором водный раствор нагревают до температуры реакции от примерно 104,4°С (220°F) до примерно 121,1°C (250°F).
4. Способ по п.1, в котором водный раствор нагревают в устройстве под давлением до температуры от примерно 100°С (212°F) до примерно 121,1°С (250°F).
5. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, один окислитель содержит перекись водорода.
6. Способ по п.5, в котором перекись водорода присутствует в водном растворе в количестве в интервале от 0,05 до 20 об.%.
7. Способ по п.6, в котором перекись водорода присутствует в водном растворе в количестве от 0,05 до 0,5 об.%.
8. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, один продукт деструкции содержит, по меньшей мере, одну органическую кислоту.
9. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию помещения (i) водорастворимого полимера и (ii) радиоактивного материала в сосуд под давлением.
10. Способ по п.9, дополнительно включающий стадию введения воды в сосуд под давлением с образованием водного раствора.
11. Способ по п.10, дополнительно включающий стадию инжектирования перекиси водорода в сосуд под давлением до или в процессе стадии нагревания.
12. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию рециркуляции водного раствора до или в процессе стадии нагревания.
13. Способ по п.12, дополнительно включающий стадию дренирования водного раствора в процессе стадии рециркуляции.
14. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию циркуляции водного раствора через теплообменник с охлаждением водного раствора до второй температуры.
15. Способ по п.9, дополнительно включающий стадию выгрузки водного раствора из сосуда под давлением.
16. Способ по любому из пп.1-15, дополнительно включающий стадию фильтрации водного раствора с удалением, по меньшей мере, части радиоактивного материала из водного раствора.
17. Способ по п.16, в котором фильтрацию осуществляют порошковым фильтром, имеющим номинальный размер пор от примерно 10 до примерно 100 мкм.
18. Способ по п.17, дополнительно включающий стадию циркуляции водного раствора через второй порошковый фильтр, имеющий номинальный размер пор от примерно 0,1 до примерно 1,0 мкм.
19. Способ по п.16, дополнительно включающий стадию удаления, по меньшей мере, части радиоактивного материала из водного раствора пропусканием водного раствора через ионообменную установку.
20. Способ по п.16, дополнительно включающий стадию удаления, по меньшей мере, части радиоактивного материала из водного раствора пропусканием водного раствора через обратноосмотическую установку.
21. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию определения концентрации водорастворимого полимера в водном растворе.
22. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию нейтрализации рН водного раствора.
23. Способ по п.22, в котором стадия нейтрализации рН включает введение гидроксида натрия в водный раствор.
24. Способ по п.22, в котором стадия нейтрализации включает введение эффективного количества, по меньшей мере, одного щелочного реагента с получением водного раствора, имеющего рН от примерно 6,0 до примерно 10,0.
25. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию определения снижения рН водного раствора.
26. Способ по п.25, в котором снижение рН водного раствора ниже, по меньшей мере, 6,0 свидетельствует о полной деструкции водорастворимого полимера.
27. Способ по п.1, в котором подтверждение фактического завершения окисления водорастворимого полимера выполняют колориметрическим анализом.
28. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию биоразложения, по меньшей мере, части, по меньшей мере, одного продукта деструкции.
29. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, один продукт деструкции содержит, по меньшей мере, одну органическую кислоту и способ дополнительно включает стадию, по меньшей мере, частичного истощения, по меньшей мере, одной органической кислоты введением аэробных, гетеротропных бактерий в водный раствор.
30. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию введения водного раствора в псевдоожиженный слой активированного угля.
31. Способ по п.1, в котором полимер происходит от одного или более изделий, выполненных из волокон, нетканых тканей, тканых тканей, полимерных пленок, формованных изделий или их комбинации.
32. Способ по п.31, в котором одно или более изделий представляет собой предмет одежды, защитную спецодежду, швейные изделия, белье, обойный материал, полотенце, тампон, пластиковый мешок, тряпку, марлю, носовой платок, посуду, швабру или их комбинацию.
33. Способ по п.1, в котором (i) водорастворимый полимер и (ii) радиоактивный материал вместе образуют радиоактивнозараженные отходы и способ снижает объем радиоактивнозараженных отходов более чем в 1000 раз.
34. Способ по п.1, в котором водный раствор поддерживают при температуре реакции, по меньшей мере, 82,2°С (180°F) в течение периода времени не менее 30 мин.
35. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию фильтрации водного раствора с удалением нерастворенного материала из водного раствора.
36. Способ по любому из пп.1-35, в котором водорастворимый полимер содержит поливиниловый спирт, натрийполиакрилат, полимер малеиновой кислоты, аммонийполиакрилат или их комбинацию.
37. Способ по любому из пп.1-35, в котором водорастворимым полимером является поливиниловый спирт.
38. Способ по п.37, в котором водный раствор содержит от 0,5 до 30 об.% поливинилового спирта.
39. Способ очистки водного раствора, содержащего (i) водорастворимый поливиниловый спирт и (ii) радиоактивный материал, включающий
нагревание водного раствора до температуры, по меньшей мере, 82,2°C (180°F);
введение, по меньшей мере, одного окислителя в водный раствор;
выдерживание водного раствора при температуре реакции, по меньшей мере, 82,2°С (180°F) в течение периода времени, достаточного для взаимодействия, деструкции или разрушения, по меньшей мере, части водорастворимого поливинилового спирта с получением, по меньшей мере, одного продукта деструкции, и
фильтрацию водного раствора с удалением, по меньшей мере, части радиоактивного материала из водного раствора.
Приоритет установлен по пп.1, 2, 6, 11, 20, 33, 34, 36, 39 от 25.09.2000, по пп.3, 7, 17, 18, 24, 26, 30, 31, 32, 38 от 25.02.2000, по пп.4, 5, 8-10, 12-16, 19, 21-23, 25, 27-29, 32, 35-37 от 19.11.1999.
