[发明专利]从水中除去磷的多孔复合介质

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张于2011年10月24日提交的美国临时申请61/550,496的权益，其内容特意并入本文供参考。

关于同盟资助人研究的声明

不适用

背景技术

磷是在河流和湖泊中的损害水体的污染物。它以多种方式进入环境，但是主要从农业和废物处理源进入环境。除了生态问题，磷主要来源于磷酸盐岩，在世界上只在有限的位置发现开采的非再生资源。超过80％的磷用于肥料，而世界农业高度依赖肥料。需要更好、更低维护技术以减少水体中磷的积累，并且降低存在于这些水体中的磷。在城市废水处理厂中，可以用化学方法除去磷，但是这些化学方法对于较小系统并不实用或不具有成本效率。虽然存在备选方案，但这些备选方案通常是低效的或成本过高的，并且许多并不足以使磷降低到规定水平。在水体使用化学试剂还能形成对海洋生物有害的酸性条件。

在美国，超过16,000个公共废物处理设备在运转，并且所有家用现场的废物处理装置(腐化系统)中超过20％用于处理废水。日处理大约480亿加仑废水，一般包含超过5ppm的磷。大约207,355英里的河流(约31％)具有“高”浓度的磷，同时108,029英里的河流具有“中等”浓度。超过2.5百万英亩的湖泊、水库和池塘被列为受到损害，其不满足国家水质目标。点源可以包括金属制品制造、畜牧场、现场废物处理系统、肉类加工业排放废水和其它食品加工操作。当降雨/暴雨水携带或收集污染物经过大的表面积(铺设或未铺设的)或从农场排出从许多随机位置流入水体时，形成水污染的非点源。非点源的实例包括：

·动物粪便，尤其大型家畜/猪/家禽作业

·腐化或现场废物处理

·来自市售肥料的农业径流

·形成的地面径流

越来越需要从水中更好地并且更有效地除去磷化合物(如磷酸盐)的水处理系统，尤其是有效用于小到中等规模的现场废水系统的方法，和用于再循环系统如水产养殖、废水处理厂的废水排放和需要限制磷排放的工业或农业应用中出现的水的方法。还需要这种介质以便有效除去水体如湖泊、河流、河口等以较低浓度水平出现的、或从雨水中收集的、或来自农田径流的磷。通过本专利公开内容中提供的整个说明书和实施例显而易见的是，可以通过利用这些独特的多孔复合介质减少其它种类的磷和其它污染物，仅考虑磷的控制。

如果在除去磷后介质可重复利用并且这种有价值的磷可以被经济地回收，则从饱和的介质中回收磷的能力会具有可观的经济价值。

磷能以多种形式出现，如磷酸盐化合物，其经常存在于所有形式的废水中并且存在于许多水源中，无论是工业的、市政的、农业的或水产养殖的应用中。磷是一种可在所有有生命的物质中发现的重要的生物养分，从细菌群体到植物和藻类，以及所有活的动物，并且磷被广泛用于大多数粮食生产中、肥料中、腐蚀控制中和许多工业产品中。磷化合物可以以前述的任何方式进入水中，但主要是通过食品和营养废物的分解(来自施加或存储粪肥的陆地的污水流出量和径流)。虽然磷被认为是植物营养，但是水体如湖泊和河流中较高的浓度(大于约0.2mg/L[以PO₄^-P]计)可导致藻类的过度生长，导致这些水体的加速富营养化，并且产生有毒化合物的污染。

虽然可以获得许多磷吸收介质(一般为铁和铝基材料，例如铁氧化物和活化的氧化铝)，但是这些材料通常不足以吸收大量的磷，因此需要更好的、更有效的、成本更合算的除磷吸附材料。需要控制磷的系统包括工业或生活污水、城市废水、来自工业和食品加工业、农业或水产养殖生产和暴雨径流水的现场处理。过量的磷化合物在许多内陆和沿海生态系统中显著地促使富营养化。例如，在水产养殖系统中维持低磷浓度的普通方法是在新鲜的和海水养殖系统中通过水置换(更换)进行。虽然能维持健康的水产养殖环境，但是废水排放进入生态系统，这仍然是主要的问题，并且这表明，如果不需要置换，则可以避免成本。

已经研究了各种含氧化铝或铁的介质用于捕获磷，从天然铁氧化物到高度生产的产品。除去磷的介质一般包含铁氧化物、零价铁、和/或铝氧化物，但还可以包含镧和钙，这些物质对磷化合物具有亲合力是已知的。已经充分检测了废物。介质的选择性和有效性取决于存在的其它离子、pH、溶解氧水平、接触时间和该组成的相对浓度。在文献中已经报道了具体的研究，比较了各种天然的和制造的介质，包括那些基于石灰石、炉渣、铁屑、活性铝和涂布铁的材料。发现(1)天然土壤吸附小于0.5mg P/gr(每克介质吸附磷的mg数)，天然的含铁材料吸收2-3mg P/gr，并且铁活化的氧化铝吸收16mg P/gr。