Способ применения водорастворимых полимеров в мембранном биологическом реакторе

Способ применения водорастворимых полимеров в мембранном биологическом реакторе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Данное изобретение относится к применению водорастворимых катионных, амфотерных либо цвиттерионных полимеров для кондиционирования иловой смеси в мембранных биологических реакторах, что в результате приводит к уменьшению засорения мембраны и увеличению потока воды через нее. Данное изобретение также представляет собой способ применения полимеров для уменьшения илообразования в биореакторе.

Уровень техники

Биологическая очистка сточных вод с целью удаления растворенной органики хорошо известна и широко практикуется как на муниципальных, так и на промышленных установках. Данный аэробный биологический способ в общем случае называется способом очистки сточных вод с использованием «активированного ила», в котором микроорганизмы в ходе своего роста потребляют органические соединения. Способ обязательно включает осаждение микроорганизмов либо «биомассы» для отделения их от воды и завершения процесса уменьшения биологического потребления кислорода (БПК) и полного содержания взвешенных твердых частиц (TSS) в полностью очищенных сточных водах. Стадию осаждения обычно проводят в установке осветлителя. Таким образом, биологический способ ограничен необходимостью производства биомассы, которая обладает хорошей способностью к осаждению. Данные условия в особенности трудно выдержать во время от времени возникающих периодов высокой концентрации органики и появления загрязняющих примесей, которые являются токсичными для биомассы.

Обычно данная очистка сточных вод с использованием активированного ила характеризуется степенью превращения органических материалов в ил, приблизительно равной 0,5 кг ила/кг ХПК (химическое потребление кислорода), тем самым приводя в результате к получению значительного количества избыточного ила, который необходимо будет утилизировать. Затраты на переработку избыточного ила по оценкам составляют 40-60 процентов от всех расходов на установке по очистке сточных вод. Более того, обычно используемый способ утилизации в виде ссыпания на свалке может стать причиной возникновения проблем с вторичным загрязнением окружающей среды. Поэтому все более быстрыми темпами растет интерес к способам уменьшения объема и массы избыточного ила.

Хорошо известны мембраны в сочетании с биологическими реакторами для очистки сточных вод, но они широко не практикуются. В данных системах мембраны для ультрафильтрации (УФ), микрофильтрации (МФ) либо нанофильтрации (НФ) заменяют осаждение биомассы для разделения твердой и жидкой фаз. Мембрану можно установить в резервуаре биореактора либо в соседнем резервуаре, в который производят непрерывную подачу насосом иловой смеси из резервуара биореактора, и затем обратно, с получением очищенных сточных вод с намного более низким уровнем полного содержания взвешенных твердых частиц (TSS), обычно меньше 5 мг/л, в сравнении с величиной в диапазоне от 20 до 50 мг/л для осветлителя. Что более существенно, MBR (мембранные биологические реакторы) освобождают биологический способ от необходимости осаждения биомассы, поскольку мембрана отфильтровывает биомассу из воды. Это делает возможной реализацию биологического способа в условиях, которые были бы непригодными для обычно используемой системы, в том числе: 1) высокий уровень содержания MLSS (взвешенных веществ в смеси сточных вод с активным илом) (концентрация бактерий) в диапазоне 10-30 г/л, 2) продолжительное время пребывания ила в очистной установке и 3) короткое время гидравлического удерживания сточных вод в очистной установке. В обычно используемой системе такие условия могли бы привести к вспуханию ила и к плохой осаждаемости.

Преимущества эксплуатации MBR включают низкое илообразование, полное удаление твердых частиц из очищенных сточных вод, дезинфекцию очищенных сточных вод, комбинированное удаление ХПК, твердой фазы и биогенных элементов в одной установке, способность воспринимать высокие величины нагрузок, отсутствие проблем с вспуханием ила и небольшая занимаемая площадь. Недостатки включают ограничения по аэрации, засорение мембраны и стоимость мембраны.

Стоимость мембраны напрямую связана с площадью мембраны, необходимой для данного объемного расхода через мембрану, либо «потока». Поток выражают в литрах/час/м² (LMH) либо в галлонах/сутки/фут² (GFD). Обычные расходы варьируются в диапазоне от приблизительно 10 LMH до приблизительно 50 LMH. Данные относительно низкие расходы, обусловленные в основном засорением мембран, замедляют рост использования систем MBR для очистки сточных вод.

Мембрана MBR на своей поверхности контактирует с так называемой иловой смесью, которая состоит из воды, растворенных твердых веществ, таких как белки, полисахариды, суспендированных твердых веществ, таких как коллоидный материал и материал в виде частиц, агрегатов бактерий, или «хлопьев», свободных бактерий, простейших и различных растворенных метаболитов и элементов клеток. При эксплуатации коллоидные твердые вещества в коллоидном виде и в виде твердых частиц и растворенная органика образуют отложения на поверхности мембраны. Коллоидные частицы из слоя на поверхности мембраны называют «слоем осадка». Образование слоя осадка представляет собой особенную проблему при эксплуатации MBR в режиме «тупика», при котором отсутствует поперечный поток; то есть поток, тангенциальный по отношению к мембране. В зависимости от пористости слоя осадка гидравлическое сопротивление увеличивается, а поток уменьшается.

В дополнение к образованию на мембране осадка мелкие частицы могут закупоривать поры в мембране, что представляет собой состояние засорения, которое может оказаться необратимым. В сравнении с обычным способом очистки сточных вод с использованием активированного ила в обычных установках MBR размер хлопьев (частиц), как сообщается, намного меньше. Поскольку размер пор мембраны в MBR варьируется в диапазоне от приблизительно 0,04 до приблизительно 0,4 микрометра, частицы, меньшие данных величин, могут стать причиной закупоривания пор. Закупоривание пор приводит к увеличению сопротивления и уменьшению потока.

Поэтому существует постоянная потребность в разработке улучшенных способов кондиционирования иловой смеси в установках MBR для увеличения потока и уменьшения засорения мембран.

Краткое изложение изобретения

В установках MBR не использовали полимерные водорастворимые коагулянты и флокулянты, поскольку в общем случае понятно, что избыточное количество полимера приведет к засорению поверхностей мембран, что в результате приведет к резкому уменьшению потока через мембрану.

Однако заявители обнаружили, что использование в MBR определенных водорастворимых катионных, амфотерных и цвиттерионных полимеров для коагуляции и флокуляции биомассы в иловой смеси и для осаждения растворимого биополимера, по существу, приводит к уменьшению засорения мембраны и в результате может стать причиной увеличения потока через мембрану на величину вплоть до 500 процентов, и при этом не останется практически никакого избыточного полимера в подвергнутых очистке эффективной дозой сточных водах. Данное увеличение потока через мембрану делает возможным использование менее крупных систем при одновременном уменьшении капитальных затрат либо в альтернативном случае приводит к увеличению объемного потока подвергнутых очистке сточных вод из существующей системы при соответствующем уменьшении эксплуатационных расходов.

В соответствии с этим данное изобретение представляет собой способ кондиционирования иловой смеси в мембранном биологическом реакторе, включающий добавление к иловой смеси эффективного коагулирующего и флокулирующего количества одного либо нескольких водорастворимых катионных, амфотерных либо цвиттерионных полимеров или же их комбинации.

В еще одном аспекте данное изобретение представляет собой способ осветления сточных вод в мембранном биологическом реакторе, где микроорганизмы потребляют органический материал в сточных водах с получением иловой смеси, содержащей воду, микроорганизмы и растворенные и суспендированные твердые вещества, включающий

(i) добавление к иловой смеси эффективного коагулирующего и флокулирующего количества одного либо нескольких катионных, амфотерных либо цвиттерионных полимеров, или же их смеси с получением смеси, содержащей воду, микроорганизмы и скоагулированные и флокулированные твердые вещества; и

(ii) отделение осветленной воды от микроорганизмов и скоагулированных и флокулированных твердых веществ в результате фильтрования через мембрану.

В еще одном аспекте данное изобретение представляет собой способ предотвращения засорения фильтрационной мембраны в мембранном биологическом реакторе, где микроорганизмы потребляют органический материал сточных вод, в иловой смеси, содержащей воду, микроорганизмы и растворенные, коллоидальные и суспендированные твердые вещества, и где осветленную воду отделяют от иловой смеси в результате фильтрования через фильтрационную мембрану, включающий добавление к иловой смеси определенного количества одного либо нескольких катионных, амфотерных либо цвиттерионных полимеров, или же их комбинации, достаточного для предотвращения засорения мембраны.

В еще одном аспекте данное изобретение представляет собой способ увеличения потока через фильтрационную мембрану в мембранном биологическом реакторе, где микроорганизмы потребляют органический материал сточных вод, в иловой смеси, содержащей воду, микроорганизмы и растворенные, коллоидальные и суспендированные твердые вещества, и где осветленную воду отделяют от иловой смеси в результате фильтрования через фильтрационную мембрану, включающий добавление к иловой смеси эффективного увеличивающего поток количества одного либо нескольких катионных, амфотерных, либо цвиттерионных полимеров или же их комбинации.

В еще одном аспекте данное изобретение представляет собой способ уменьшения илообразования в мембранном биологическом реакторе, где микроорганизмы потребляют органический материал в сточных водах с получением иловой смеси, содержащей воду, микроорганизмы и ил, содержащий растворенные, коллоидальные и суспендированные твердые вещества, и где осветленную воду отделяют от иловой смеси в результате фильтрования через мембрану, включающий

1) добавление к иловой смеси эффективного коагулирующего и флокулирующего количества одного либо нескольких катионных, амфотерных либо цвиттерионных полимеров или же их комбинации; и

2) увеличение концентрации микроорганизмов в иловой смеси.

В еще одном аспекте данное изобретение представляет собой способ уменьшения илообразования в мембранном биологическом реакторе, где микроорганизмы потребляют органический материал в сточных водах с получением иловой смеси, содержащей воду, микроорганизмы и ил, содержащий растворенные, коллоидальные и суспендированные твердые вещества, и где осветленную воду отделяют от иловой смеси в результате фильтрования через мембрану, включающий

1) добавление к иловой смеси эффективного коагулирующего и флокулирующего количества одного либо нескольких катионных, амфотерных либо цвиттерионных полимеров или же их комбинации; и

2) увеличение продолжительности времени, в течение которого микроорганизмы остаются в контакте со сточными водами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематичную диаграмму обычной системы мембранного биореактора для биологической очистки сточных вод, включающей резервуар для аэрации 1, модуль погруженной мембраны 2, всасывающий насос 3, средства аэрации 4 для очищения мембраны, средства аэрации 5 для биореакции и необязательный измельчитель ила 6.

Фиг.2 демонстрирует кривые илообразования, рассчитанные в результате одновременного решения приведенных ниже уравнений 1 и 2. Параметры и константы, использованные в данном вычислении, обобщенно приведены в таблицах 1 и 2. Из величины наклона касательной можно получить скорость илообразования при конкретном значении содержания взвешенных веществ в смеси сточных вод с активным илом (MLSS) (например, 18000 мг-л^-1). Поэтому «нулевой наклон» соответствует «отсутствию илообразования».

На фиг.2 наклон касательной линии 1) уменьшается при более продолжительных временах гидравлического удерживания сточных вод в очистной установке (HRT) при постоянном содержании MLSS и 2) уменьшается при более высоком содержании MLSS при постоянной величине HRT. В первом случае, при котором содержание MLSS постоянно, например 14000 мг/л, никакого избыточного ила образовываться не будет при увеличении HRT до 12 часов. Во втором случае, при котором фиксировано значение HRT, например 10 часов, никакого илообразования не будет происходить при увеличении содержания MLSS до 17000 мг/л.

Продолжительность времени удерживания ила в очистной установке (SRT) рассчитывают в результате деления полного количества ила в биореакторе (кг) на скорость удаления ила (кг/сутки). Поэтому SRT будет увеличиваться при уменьшении избыточного илообразования до тех пор, пока, в конце концов, оно не станет «бесконечным» при отсутствии избыточного илообразования.

В способе биологической очистки сточных вод микроорганизмы в биореакторе растут при потреблении органического субстрата, содержащегося в сточных водах. В дополнение к этому микроорганизмам присуща эндогенная стадия развития, когда они потребляют самих себя. Данные явления описываются уравнением (1), где рост микроорганизмов выражается через уравнение типа Монода минус эндогенная фаза развития с кинетикой, описываемой уравнением первого порядка (k_dх), как выражено членом в крайней правой позиции в уравнении.

Здесь μ_m представляет собой максимальную удельную скорость роста (сутки^-1), K_s представляет собой константу полунасыщения (мг-л^-1), k_dпредставляет собой константу эндогенного распада (сутки^-1), S_e представляет собой концентрацию субстрата в иловой смеси (мг-л^-1), х представляет собой содержание MLSS (мг-л^-1), а t представляет собой время (сутки).

В то время, когда микроорганизмы растут, основная часть субстрата (органических загрязнителей окружающей среды в сточных водах, поступающих на очистку) потребляется, а некоторая часть уходит вместе с очищенными сточными водами. Данный баланс можно описать при помощи уравнения (2), где первый член справа выражает баланс по органической массе между сточными водами, поступающими на очистку, и очищенными сточными водами, а второй член обозначает потребление субстрата микроорганизмами.

где Q представляет собой расход сточных вод, поступающих на очистку, (м³-сутки^-1), а Y представляет собой коэффициент выхода (кг MLSS·кг ХПК^-1), V представляет собой объем реактора (м³), а S_iпредставляет собой ХПК в сточных водах, поступающих на очистку, (мг-л^-1). Все константы и параметры, использованные в предшествующих вычислениях, обобщенно приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1Значения кинетических и стехиометрических параметров, использованных в вычислении
Параметр	Единица измерения	Значение
kd 1	сутки-1	0,028
Ks 2,3	мг-л-1	100
Y3	кг MLSS-кг ХПК-1	0,5
β3	кг ХПК-кг MLSS-1	1,2
μm2,3	сутки-1	3
Таблица 2Значения эксплуатационных параметров, использованных в вычислении3
Параметр	Единица измерения	Значение
Q	м3-сутки-1	1·103
Se (t=0)	мг-л-1	30
Si	мг-л-1	400
x t(=0)	мг-л-1	5000
* Grady et al. (1999).

¹ Nagaoka H., Yamanishi S. and Miya A. (1998) Modeling of biofouling of extracellular polymers in a membrane separation activated sludge system, Water Science and Technology 38(4-5) 497-504.

² Henze M., Grady C. P. L., Gujer W., Marais G. V. R. and Matsuo T. (1987) A general model for single-sludge wastewater treatment systems, Water Research 21(5) 505-515.

³ Grady C. P. L., Daigger G. T. and Lim H. C. (1999) Biological Wastewater Treatment, pp.61-125, Marcel Dekker, N.Y.

Подробное описание изобретения

Определения терминов

Следующие далее сокращения и термины, как они используются в настоящем документе, имеют следующие значения:

AcAm означает акриламид; DMAEA·BCQ означает четвертичную соль диметиламиноэтилакрилатбензилхлорид; DMAEA·MCQ означает четвертичную соль диметиламиноэтилакрилатметилхлорид; Epi-DMA означает эпихлоргидрин-диметиламин; DADMAC означает диаллилдиметиламмонийхлорид; pDADMAC означает поли(диаллилдиметиламмонийхлорид); а PEI означает полиэтиленимин.

«Амфотерный полимер» означает полимер, полученный как из катионных мономеров, так и из анионных мономеров и, возможно, из других неионных мономеров (мономера). Амфотерные полимеры могут иметь результирующий положительный либо отрицательный заряд. Представительные амфотерные полимеры включают сополимер акриловой кислоты/DMAEA·MCQ, сополимер DADMAC/акриловой кислоты, тройной сополимер DADMAC/акриловой кислоты/акриламида и тому подобное.

Амфотерные полимеры также могут быть получены из цвиттерионных мономеров и катионных либо анионных мономеров и, возможно, неоионных мономеров. Представительные амфотерные полимеры, содержащие цвиттерионные мономеры, включают сополимер DMAEA·MCQ/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина, сополимер акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина, терполимер DMAEA·MCQ/акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина и тому подобное.

«Анионный мономер» в соответствии с определением в настоящем документе означает мономер, который имеет отрицательный заряд выше определенного диапазона рН. Представительные анионные мономеры включают акриловую кислоту и ее соли, в том числе следующее, но не ограничиваясь только им: акрилат натрия и акрилат аммония, метакриловую кислоту и ее соли, в том числе следующее, но, не ограничиваясь только им: метакрилат натрия и метакрилат аммония, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновую кислоту (AMPS), натриевую соль AMPS, винилсульфонат натрия, стиролсульфонат натрия, малеиновую кислоту и ее соли, в том числе следующее, но не ограничиваясь только им: натриевая соль и аммониевая соль, сульфонат, итаконат, сульфопропилакрилат либо -метакрилат или же другие водорастворимые формы данных либо других полимеризуемых карбоновых либо сульфоновых кислот, сульфометилированный акриламид, аллилсульфонат, винилсульфонат натрия, итаконовую кислоту, акриламидометилбутановую кислоту, фумаровую кислоту, винилфосфоновую кислоту, винилсульфоновую кислоту, аллилфосфоновую кислоту, сульфометилированный акриламид, фосфонометилированный акриламид и тому подобное.

«Катионный полимер» означает полимер, имеющий общий положительный заряд. Катионные полимеры данного изобретения включают полимеры, полностью образованные из катионных мономеров, и полимеры, образованные из катионных и неионных мономеров. Катионные полимеры также включают конденсационные полимеры эпихлоргидрина и диалкилмоноамина либо -полиамина и конденсационные полимеры этилендихлорида и аммиака либо формальдегида и аминной соли. Катионные полимеры данного изобретения включают полимеры в растворе, полимеры в эмульсии, полимеры в дисперсии и структурно модифицированные полимеры, описанные в РСТ US01/10867.

«Катионный мономер» означает мономер, который имеет результирующий положительный заряд. Представительные катионные мономеры включают диалкиламиноалкилакрилаты и -метакрилаты и их четвертичные либо кислые соли, в том числе следующее, но не ограничиваясь только им: четвертичная соль диметиламиноэтилакрилатметилхлорид, четвертичная соль диметиламиноэтилакрилатметилсульфат, четвертичная соль диметиламиноэтилакрилатбензилхлорид, соль диметиламиноэтилакрилатсерной кислоты, соль диметиламиноэтилакрилатхлористоводородной кислоты, четвертичная соль диметиламиноэтилметакрилатметилхлорид, четвертичная соль диметиламиноэтилметакрилатметилсульфат, четвертичная соль диметиламиноэтилметакрилатбензилхлорид, соль диметиламиноэтилметакрилатсерной кислоты, соль диметиламиноэтилметакрилатхлористоводородной кислоты, диалкиламиноалкилакриламиды либо -метакриламиды и их четвертичные либо кислые соли, такие как акриламидопропилтриметиламмонийхлорид, четвертичная соль диметиламинопропилакриламидметилсульфат, соль диметиламинопропилакриламидсерной кислоты, соль диметиламинопропилакриламидхлористоводородной кислоты, метакриламидопропилтриметиламмонийхлорид, четвертичная соль диметиламинопропилметакриламидметилсульфат, соль диметиламинопропилметакриламидсерной кислоты, соль диметиламинопропилметакриламидхлористоводородной кислоты, диэтиламиноэтилакрилат, диэтиламиноэтилметакрилат, диаллилдиэтиламмонийхлорид и диаллилдиметиламмонийхлорид. Алкильные группы в общем случае представляют собой С_1-4 алкил.

«Кондиционирование» означает осаждение растворимого биополимера и коагулирование и флокулирование органического материала в виде частиц и коллоидного органического материала в иловой смеси с получением более крупных агрегатов частиц, что в результате приведет к увеличению потока через фильтрационную мембрану мембранного биореактора и к уменьшению засорения мембраны.

«Время гидравлического удерживания сточных вод в очистной установке» (HRT) означает то время, в течение которого сточные воды остаются в биореакторе. Его получают в результате деления полного объема биореактора на расход сточных вод, поступающих на очистку.

«Иловая смесь» либо «ил» означает смесь сточных вод, микроорганизмов, используемых для разложения органических материалов в сточных водах, содержащего органику материала, образованного из разновидностей клеток, побочных продуктов деятельности и/или продуктов жизнедеятельности клеток или же продуктов распада клеток. Иловая смесь может также содержать коллоидный материал и материал в виде частиц (то есть биомассу/биологические твердые вещества) и/или растворимые молекулы либо биополимеры (то есть полисахариды, белки и тому подобное).

«Взвешенные вещества в смеси сточных вод с активным илом» (MLSS) означают концентрацию биомассы, которая подвергает органический материал переработке, в иловой смеси.

«Мономер» означает полимеризуемое аллильное, винильное либо акриловое соединение. Мономер может быть анионным, катионным либо неионным. Предпочтительны винильные мономеры, более предпочтительны акриловые мономеры.

«Неионный мономер» означает мономер, который электрически нейтрален. Представительные неионные мономеры включают акриламид, метакриламид, N-метилакриламид, N,N-диметил(мет)акриламид, N,N-диэтил(мет)акриламид, N-изопропил(мет)акриламид, N-трет-бутил(мет)акриламид, N-(2-гидроксипропил)метакриламид, N-метилолакриламид, N-винилформамид, N-винилацетамид, N-винил-N-метилацетамид, поли(этиленгликоль)(мет)акрилат, поли(этиленгликоль)монометилэфирмоно(мет)акрилат на основе простого эфира, N-винил-2-пирролидон, глицеринмоно((мет)акрилат), 2-гидроксиэтил(мет)акрилат. 2-гидроксипропил(мет)акрилат, винилметилсульфон, винилацетат, глицидил(мет)акрилат и тому подобное.

«Предотвращение» включает как предотвращение, так и подавление.

«Время удерживания ила в очистной установке» (SRT) означает продолжительность времени, в течение которого микроорганизмы, которые в первом приближении составляют ил, остаются внутри биореактора. SRT рассчитывают в результате деления полного количества ила в биореакторе на скорость удаления ила.

«Цвиттерионный мономер» означает полимеризуемую молекулу, содержащую катионную и анионную (заряженную) функциональность в равных количествах, так что вся молекула в целом является нейтральной. Представительные цвиттерионные мономеры включают N,N-диметил-N-акрилоилоксиэтил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаин, N,N-диметил-N-акриламидопропил-N-(2-карбоксиметил)аммонийбетаин, N,N-диметил-N-акриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаин, N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаин (DMMAPSB), N,N-диметил-N-акриламидопропил-N-(2-карбоксиметил)аммонийбетаин, 2-(метилтио)этилметакрилоил-S-(сульфопропил)сульфонийбетаин, 2-[(2-акрилоилэтил)диметиламмонио]этил-2-метилфосфат, 2-(акрилоилоксиэтил)-2'-(триметиламмоний)этилфосфат, [(2-акрилоилэтил)диметиламмонио]метилфосфоновую кислоту, 2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолин (МРС), 2-[(3-акриламидопропил)диметиламмонио]этил-2'-изопропилфосфат (AAPI), 1-винил-3-(3-сульфопропил)имидазолийгидроксид, (2 -акрилоксиэтил)карбоксиметилметилсульфонийхлорид, 1-(3-сульфопропил)-2-винилпиридинийбетаин, N-(4-сульфобутил)-N-метил-N,N-диаллиламинаммонийбетаин (MDABS), N,N-диаллил-N-метил-N-(2-сульфоэтил)аммонийбетаин и тому подобное. Предпочтительным цвиттерионным мономером является N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаин.

«Цвиттерионный полимер» означает полимер, образованный из цвиттерионных мономеров и, возможно, других неионных мономеров (мономера). Представительные цвиттерионные полимеры включают гомополимеры, такие как гомополимер N,N-диметил-N-(2-акрилоилоксиэтил)-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина, сополимеры, такие как сополимер акриламида и N,N-диметил-N-(2-акрилоилоксиэтил)-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина, и тройные сополимеры, такие как тройной сополимер акриламида, N-винил-2-пирролидона и 1-(3-сульфопропил)-2-винилпиридинийбетаина. В цвиттерионных полимерах все полимерные цепи и сегменты внутри данных цепей являются электрически строго нейтральными. Поэтому цвиттерионные полимеры представляют собой подгруппу амфотерных полимеров, обязательно сохраняющую нейтральность заряда по всем полимерным цепям и сегментам вследствие включения как анионного заряда, так и катионного заряда в один и тот же цвиттерионный мономер.

«Приведенная удельная вязкость» (RSV) представляет собой индикатор длины цепи полимера и средней молекулярной массы. RSV измеряют при данных концентрации полимера и температуре и рассчитывают следующим образом:

где η = вязкость раствора полимера;

η_о = вязкость растворителя при той же самой температуре; и

с = концентрация полимера в растворе.

В соответствии с тем, как это используется в настоящем документе, единицами измерения концентрации «с» являются (граммы/100 мл либо г/децилитр). Поэтому единицами измерения RSV являются дл/г. RSV измеряют при 30°С. Вязкости η и η_о измеряют при помощи вискозиметра с полумикроразбавлением Каннона-Уббелоде, размер 75. Вискозиметр устанавливают в совершенно вертикальном положении в бане с постоянной температурой, выведенной на уровень 30±0,02°С. Погрешность способа вычисления RSV составляет приблизительно 2 дл/г. Сходные величины RSV, измеренные для двух линейных полимеров с идентичным либо очень близким составом, представляет собой одно из указаний на то, что полимеры характеризуются сходными молекулярными массами при том условии, что образцы полимеров подвергали идентичной обработке и что величины RSV измеряли в идентичных условиях.

IV означает характеристическую вязкость, которая представляет собой RSV в пределе бесконечного разбавления полимера (то есть при концентрации полимера равной нулю). В соответствии с тем, как это используется в настоящем документе, IV получают из пересечения с осью y на графике, изображающем зависимость RSV от концентрации полимера в диапазоне 0,015-0,045% (масс.) полимера.

Предпочтительные варианты реализации

Водорастворимые катионные, амфотерные либо цвиттерионные полимеры данного изобретения добавляют в установку MBR для стимулирования включения коллоидных частиц, таких как фрагменты клеток и одиночные бактерии, в структуры агрегатов либо хлопьев и/или для увеличения пористости слоя осадка. Водорастворимые полимеры могут быть полимерами в растворе, полимерами в латексе, сухими полимерами либо полимерами в дисперсии.

«Полимер в латексе» означает обращаемую эмульсию полимера «вода в масле», содержащую катионный, амфотерный либо цвиттерионный полимер, соответствующий данному изобретению, в водной фазе, углеводородное масло в масляной фазе, эмульгатор для эмульсии «вода в масле» и, возможно, поверхностно-активное вещество, вызывающее обращение эмульсии. Полимеры обращенных эмульсий имеют непрерывную углеводородную фазу, при этом водорастворимые полимеры диспергированы в виде частиц микронного размера в углеводородной матрице. Полимеры в латексе после этого «обращают» либо активируют для использования, проводя высвобождение полимера из частиц при использовании усилия сдвига, разбавления и в общем случае еще одного поверхностно-активного вещества, которое может быть, а может и не быть компонентом обращенной эмульсии.

Получение полимеров в эмульсии «вода в масле» было описано, например, в патентах США №№ 2982749; 3284393; и 3734873. См. также работы Hunkeler et al., "Mechanism, Kinetics and Modeling of the Inverse-Microsuspension Homopolymerization of Acrylamide", Polymer (1989), 30(1), 127-42; и Hunkeler et al., "Mechanism, Kinetics and Modeling of Inverse-Microsuspension Polymerization: 2. Copolymerization of Acrylamide with Quaternary Ammonium Cationic Monomers", Polymer (1991), 32(14), 2626-40.

Полимеры в латексе получают в результате растворения желательных мономеров в водной фазе, растворения эмульгатора (эмульгаторов) в масляной фазе, эмульгирования водной фазы в масляной фазе для получения эмульсии «вода в масле», в некоторых случаях гомогенизации эмульсии «вода в масле», полимеризации мономеров, растворенных в водной фазе эмульсии «вода в масле», с получением полимера в виде эмульсии «вода в масле». При желании для того, чтобы получить самообращающуюся эмульсию «вода в масле», после завершения полимеризации можно добавить поверхностно-активное вещество, вызывающее самообращение эмульсии.

«Полимер в дисперсии» означает водорастворимый полимер, диспергированный в непрерывной водной фазе, содержащей одну либо несколько неорганических/органических солей. Представительные примеры полимеров, получаемых по способу дисперсионной полимеризации водорастворимых мономеров в непрерывной водной фазе, можно обнаружить, например, в патентах США №№ 4929655; 5006590; 5597859; и 5597858, в европейских патентах №№ 657478; и 630909 и в РСТ/US01/09060.

Общая методика получения полимеров в дисперсии выглядит следующим образом. Типы и количества конкретных компонентов в рецептуре (солей и полимерных стабилизаторов, например) будут варьироваться в зависимости от конкретного полимера, который синтезируют.

В реактор, оснащенный мешалкой, термопарой, трубкой для продувания азота и водяным холодильником, загружают водный раствор, содержащий одну либо несколько неорганических солей, один либо несколько мономеров и любые дополнительные водорастворимые мономеры, любые добавки для полимеризации, такие как хелатообразующие вещества, буферы рН, переносчики кинетической цепи, добавки, вызывающие разветвление цепи либо сшивание, и один либо несколько водорастворимых полимерных стабилизаторов.

Раствор мономеров интенсивно перемешивают, нагревают до желательной температуры, а после этого добавляют водорастворимый инициатор. Через раствор продувают азот при выдерживании температуры и сохранении перемешивания в течение нескольких часов. По истечении данного времени продукты охлаждают до комнатной температуры и в реактор загружают любые добавки, вводимые после полимеризации. Дисперсии водорастворимых полимеров с непрерывной водной фазой являются свободно-текучими жидкостями при вязкостях продукта, в общем случае находящихся в диапазоне 100-10000 сП при измерении при низком усилии сдвига.

«Полимер в растворе» означает водорастворимый полимер в растворе с непрерывной водной фазой.

В способе полимеризации в растворе в емкость вводят один либо несколько мономеров, после чего проводят нейтрализацию под действием подходящего основания. После этого в реакционную емкость добавляют воду, которую затем нагревают и подвергают продувке. В емкость в начале также можно ввести катализаторы полимеризации либо их можно добавлять постепенно в ходе реакции. В течение такого же промежутка времени вместе с раствором мономера в реакционную смесь в виде отдельно подаваемых компонентов подают водорастворимые инициаторы полимеризации, такие как любой азо- либо окислительно-восстановительный инициатор или же их комбинация. Для регулирования скорости реакции по мере необходимости возможно использование нагревания либо охлаждения. Для понижения уровней содержания остаточного мономера после завершения добавления возможно использование дополнительного инициатора.

«Сухой полимер» означает полимер, полученный по способу гель-полимеризации. В способе гель-полимеризации в теплоизолированную реакционную емкость, оснащенную трубкой для продувания азота, помещают водный раствор водорастворимых мономеров, в общем случае с концентрацией 20-60 массовых процентов, вместе с любыми добавками для полимеризации либо технологическими добавками, такими как передатчики кинетической цепи, хелатообразующие вещества, буферы рН либо поверхностно-активные вещества. Добавляют инициатор полимеризации, раствор продувают азотом, а температуре реакции дают возможность неконтролируемо увеличиваться. Когда заполимеризованная масса остынет, получающийся в результате гель из реактора вынимают, разрезают, высушивают и измельчают до желательного размера частиц.

В предпочтительном аспекте данного изобретения водорастворимые катионные, амфотерные либо цвиттерионные полимеры характеризуются молекулярной массой в диапазоне от приблизительно 2000 до приблизительно 10000000 дальтонов.

В еще одном предпочтительном аспекте катионный полимер представляет собой сополимер акриламида и одного либо нескольких катионных мономеров, выбираемых из диаллилдиметиламмонийхлорида, четвертичной соли диметиламиноэтилакрилатметилхлорида, четвертичной соли диметиламиноэтилметакрилатметилхлорида и четвертичной соли диметиламиноэтилакрилатбензилхлорида.

В еще одном предпочтительном аспекте катионный полимер имеет катионный заряд, по меньшей мере, приблизительно на 5 мольных процентов.

В еще одном предпочтительном аспекте катионный полимер представляет собой сополимер диаллилдиметиламмонийхлорида/акриламида.

В еще одном предпочтительном аспекте амфотерный полимер выбирают из сополимера четвертичной соли диметиламиноэтилакрилатметилхлорида/акриловой кислоты, сополимера диаллилдиметиламмонийхлорида/акриловой кислоты, сополимера соли диметиламиноэтилакрилатметилхлорида/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина, сополимера акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина и терполимера DMAEAMCQ/акриловой кислоты/N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммонийбетаина.

В еще одном предпочтительном аспекте амфотерный полимер характеризуется молекулярной массой в диапазоне от приблизительно 5000 до приблизительно 2000000 дальтонов.

В еще одном предпочтительном аспекте амфотерный полимер характеризуется соотношением эквивалента катионного заряда и эквивалента анионного заряда в диапазоне от приблизительно 0,2:9,8 до приблизительно 9,8:0,2.

В еще одном предпочтительном аспекте катионный полимер имеет катионный заряд на 100 мольных процентов.

В еще одном предпочтительном аспекте катионный полимер характеризуется молекулярной массой в диапазоне от приблизительно 2000 до приблизительно 500000 дальтонов.

В еще одном предпочтительном аспекте катионный полимер выбирают из группы, состоящей из полидиаллилдиметиламмонийхлорида, полиэтиленимина, полиэпиамина, полиэпиамина, сшитого под действием аммиака либо этилендиамина, конденсационного полимера этилендихлорида и аммиака, конденсационного полимера триэтаноламина и жирной кислоты таллового масла, соли поли(диметиламиноэтилметакрилатсерной кислоты) и четвертичной соли поли(диметиламиноэтилакри