CN1524063A - 远程监控炭吸附过程的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

在一种用于处理被污染的流体流的方法中，检测流向炭吸附区(12)的组合物流的特征。该检测被远程监控以决定对被污染的流体流的处理方法。然后根据监控结果处理该被污染流体流。用于处理被污染流体流的系统(10)包括一个传感器(36)，其在处理之前检测被污染的流体流的特征；和一个监控器(24)，其用于接收来自传感器(36)的有关特征的信息并随后控制炭吸附区(12)实现对被污染的流体流进行处理。监控器(24)位于远离炭吸附区(12)的位置。

Description

远程监控炭吸附过程的方法和系统
本发明涉及一种用于远程监控炭吸附工艺的方法和系统，所述炭吸附工艺用于处理被污染的流体流。
1990年的净化空气法案修订案(CAAA)需要用于挥发性有机化合物(VOCs)处理的有效和经济的控制策略。VOCs是在阳光照射下与氮氧化物和其它空气中的化学物质反应形成臭氧(烟雾的主要成分)的炭化合物。在CAAA的要求下，成千上万未限制排放的污染源被要求减少或消除VOC排放。另外，目前已经限制排放的污染源将被要求达到更严格的限制规定，例如在CAAA的标题III中的可达到的最大控制技术(MACT)规定。
炭吸附是一种用于控制VOC排放的处理工艺。在化工工业中，活性炭颗粒被用于水和废水处理。等温吸附评价能够提供用于炭床单元设计的有用信息。该评价能够提供下列信息：特定VOCs的吸附能力、相对于VOC浓度的平衡容量估计和吸附容量的变化。动力学吸附测试可以提供其他必要的设计数据，包括所需的接触时间和穿透曲线。穿透曲线是随着针对VOC的炭吸附容量减少，流出炭床的VOC浓度随时间的变化曲线。在工业和地下水处理中，尽管事实上双阶段系统能够使第一炭吸附床接近饱和而获得炭的充分利用，通常遇到的是单阶段吸附。
在含有几个处理模块的整体处理方案中炭吸附常常是一个单元操作。如果将要处理的水含有悬浮固体，或者上流单元操作包括用于去除金属的沉淀或沉降步骤，那么需要一个单独的过滤步骤。空气汽提是另一个单元操作，其可以作为用于去除VOCs的炭吸附过程的预处理应用。空气汽提在炭吸附之前能够去除大多数VOCs，从而延长了炭床的寿命。炭吸附可用于处理从空气汽提器释放出的废气。
在一些应用中，向炭床进料的VOC含量在短时期中会发生显著的变化。在这些应用中，频繁或实时监控对于为用于重新定向炭床进料工艺提供不同设计的依据很有价值-该设计对于进料变化的处理更有效或更有效率。实时监控也为优化相关处理模块以使VOC排放量最小并降低工艺变化提供了依据。
因而，需要一种方法和系统来提供频繁或实时监控来满足法规要求并且用于调节处理工艺或相关处理模块以提高炭吸附工艺的整体有效性和效率。
发明简述
本发明提供了一种方法，该方法用于实时监控炭床吸附工艺并且将通过该监控获得的信息用于优化和控制。
在第一个实施方案中，本发明是一种对被污染的流体流的处理方法，在该方法中检测流向炭吸附区的被污染流体流的特征。这种检测被远程监控以决定污染流体流的处理方法。然后根据监控信息对被污染的流体流进行处理。
在另一个实施方案中，本发明是一种对被污染的流体流的处理系统。该系统含有一个传感器，用于在处理之前检测被污染流体流的特征；和一个监视器，用于接受来自传感器的有关所述特征的信息并且随后控制炭吸附区来处理被污染的流体流。该监视器处在远离炭吸附区的一个位置上。
附图简述
图1是一个远程监控的炭吸附处理工艺的示意图；
图2是一个检测和监控系统的示意图；
图3是一个在线鼓泡和检测系统的局部剖视示意图；
图4是另一种远程监控的炭吸附处理工艺的示意图；和
图5是传感器信号随时间的变化图。
发明详述
本发明提供了一种方法和系统，用于监控炭床从被污染的流体流中吸附污染物例如VOCs的操作。这里，术语“流体流”包括水环境例如工业加工废水。该术语特别包括天然水环境例如蓄水层、特别是地下水和其它表面水环境。该术语包括处于任何气态、蒸气态或液态的环境。该系统的特别元件包括一个检测模块，该模决用于检测在蒸汽或水流中的污染物或者检测在炭床中积累的压力。检测模块可以是一个带有一个传感器并且使传感器与在流体流中的污染物相接触的流通池。检测模块可以含有一个收发器或一套收发器，用于将传感器的数据信号传递至数据收集器，同时还含有数据传送系统和远程控制器。
监控系统能够提供实时监控，其使得现场操作员对炭床处理操作进行微调，以更有效的利用这些炭床并且优化上流工艺使得VOC排放最小并减少工艺的变化。
检测模块的多少和位置取决于床设计和预期的炭床寿命。检测模块可以位于流入液管线上和流出液管线上。图5给出了由MOS监控的炭床流入液和流出液随时间的变化曲线。流出液监控由在零信号时的水平线表示。显示了两个批次。另外，两段之间的检测和监控可用于提供测定穿透曲线的信息。所得的曲线表明什么时候第一个炭单元被完全利用。通过实时监控炭床压力控制的操作包括回洗，在该过程中通过一个暗沟引入清洁水来达到床层膨胀的目的。
监控流向炭床的流入液中污染物浓度和其它参数能够用于决定处理的正确顺序。图1显示了带有可选用连接的处理单元的吸附区。例如单元34可以是过滤器或沉淀单元。在炭床处理之前，可以使用一个浊度检测单元来引导VOC水流通向在单元34中的过滤或沉淀处理过程。VOC流被送往的不同处理过程或联动装置的实例包括离子交换床、空气汽提柱、过滤器和沉淀器。如果VOC流入液浓度低而且符合排放标准，则处理过程可被认为是不必要的并且流入液可以同处理后的流出液一起直接排放或进行其他处理。含有高度可吸附的VOCs例如苯乙烯和丙烯腈的污染流体流有时可以包含难以吸附的丁二烯。如在图4中所示，当检测到丁二烯含量时，可以将流入液导向特别为吸附丁二烯设计的第二炭床。
本发明的实时监控能够预计现场条件下的炭床寿命。“预兆监控”能够提供可以用在具有类似操作条件的其他场合的信息。目前使用加速柱测试来预计柱床寿命。但是，仍然需要特定的测试来评价含有背景有机化合物或特殊特征的水。
本发明的这些及其他特征通过附图和下面的详细讨论(其通过描述优选实施方案的非限制性实施例进行)将变得显而易见。
图1是本发明的一个平行方法和系统10。图1显示了一个含有许多平行联接的炭床14和16的炭吸附区12、连接在床14和16进料端的污染水流入液检测模块18和连接在床14和16排放端的流出液检测模块20。虽然该系统只显示出两个床14和16，但吸附区12可以包括用于完成处理污染流体流所需的任何数目的床。系统10还包括收集器22和位于远处的控制器24。
污染流体流102首先被运送通过流入液检测模块18，而处理后的液流104从炭吸附区12通过流出液检测模块20被排放。图2是检测和监控系统的示意图，该系统包括一个检测模块18或20，其能够与本发明包括显示在图1和图4中的实施方案的方法和系统协同使用。在图2中，相同的图标号视为与在图1和图4中相同的组件。
对于图2，模块18(或20)能够产生相应于一个或多个流入液或流出液流特征的信号(数据)。模块18或20包含一个收发器单元26和一个电子耦合检测单元28。收发路26包含一个接收器30和一个发射器32，其能够将数据传送至收集器22，该收集器是数据收集中心。信号106可以通过下列方式从收发器26传送：通过任一有线通信连接例如电导体；通过无线通信连接例如无线电信号；通过卫星通信或通过无线和有线连接的组合使用。
检测单元28能够检测在流入液流102中所研究的污染物或污染物浓度。检测单元28可以包括如图2中所示的传感器34。传感器34的适合类型包括化学传感器、声波传感器、光学纤维传感器、固态传感器例如金属氧化物半导体(MOS)、电化学传感器和这些传感器的组合应用。
一个优选的检测单元如图3所示。图3是鼓泡检测单元38的图解说明，其与图2所示的单元28不同。单元38用作一个在线取样和检测系统，其位于流入液流102或流出液流104中。在线单元38包含一个鼓泡管状构件40、一个底部连通管状构件42、一个侧管构件44、一个P-贮水弯管构件46和排放管构件48。在在线检测单元38中的管状构件和连接能够按足以减少或消除由沉积物或微粒产生的污垢和阻塞的尺寸构成。
鼓泡管状构件40在与连通管状构件42相反的一端上有一个盖50。盖50包含许多用于各组分的孔。盖排气孔52可以向一个排气处理系统或一个冷凝系统排气，或与之相连。在图3中，盖50含有一个盖排气孔52，用于将鼓泡管状构件40中的压力排放至大气中。盖50还含有一个气相色谱孔54，其允许进行顶空气相层析。例如，鼓泡管状构件可以含有一个微型气相色谱仪(micro-gc)。另外，盖50含有一个传感器孔56，其包括一个从传感器60，例如金属氧化物半导体(MOS)传感器延伸出来的传感器引线，并且可以与分析仪器62相连接。
鼓泡管状构件40也包括一个用于进料流入液的入口64。入口64配置在管状构件中，位于盖50和一个接头之间，该接头位于鼓泡管状构件40和底部连接管状构件42之间。入口64能够为一个正被监控的过程提供废料和副产品通道，或者入口64可以通过一个流体连接与废料和副产品通道相连用于抽出废料或副产品的代表性样品。流向检测单元38的流入液确定了一个液面高度66。自由空间68定义为液面高度66上面的部分。鼓泡材料，例如VOCs，可以在自由空间66中监控。
另外，鼓泡管状构件40含有一个气体入口72，其位于入口64上面，在入口64和盖50之间。气体入口72允许惰性气体例如大气进入鼓泡管状构件40中。这种配置均衡了流动过程中的压力，没有反压或真空。惰性气体入口72可以配置在液面高度66之上。这种配置有利于从自由空间68除去VOCs。鼓泡管状构件40还含有一个鼓泡器74，其配置在接近鼓泡管状构件40与底部连接管状构件42的接头处。鼓泡器74允许惰性非反应性气体78连续流经水溶液部分70。经鼓泡器74引入的气体是惰性的，以避免与水溶液部分70中的VOCs或其它材料反应。能够经鼓泡器74引入的气体实例包括空气和氮气。
检测单元38的管状构件可以含有任何用于流体流动的适合材料，其中所述材料不会被流入液、流出液或鼓泡的污染物降解、腐蚀或其他不利的影响。例如，管状构件可以含有能够进行目测的聚氯乙烯(PVC)或厚壁玻璃、聚丙烯酸酯、聚炭酸酯或其他透明的聚合物树脂。
检测单元38的液面高度66可以通过P-存水弯管构件46和排放管状构件48控制。排放管状构件48含有一个通向大气的排气孔，其一般图解为76，位于沿检测单元38的某一点上，在水流程之上。排气孔76给检测单元38提供了大气压力和排泄通道。
与检测单元38连接的分析设备62和64可以选自各种市售的过程分析仪。例如，传感器60可以是连接在自由空间68和分析仪器62和64之间的MOS传感器和微型气相色谱取样器。该配置能够提供接近实时的监控和分析。术语“实时”的意思是控制一个正在进行的过程并根据检测结果随后立即产生其输出量或者控制它的输入量的处理系统。例如，一个标记为60的MOS传感器能够以约1秒的响应时间传送总烃浓度数据。另外，标记为64的微型气相色谱系统能够约6秒的响应时间提供VOC数据。
检测单元38还可以包括一个通信连接例如收发器单元26来向收集器22提供分析后的数据，后者包括一个天线36用来接受来自检测单元38或如图1和2中所示的18和20的任何数据。收集器22经过线106从检测单元18和20接收污染物信息。收集器22可以是一个数据收集中心，其从下列单元接受污染物信息：检测单元18和20或者其他检测单元(未显示出)，这些其他检测单元可以包括在炭床14和16中或者可以位于其他监控位置上。
收集器22可以含有一个天线36用来接受来自检测单元18和20的数据。收集器22可以如所述的使用这些数据或者进一步经通信线108将这些数据传送至控制器24。收集器22和控制器24可以含有各种配置。在一个实施方案中，收集器22和控制器24是位于单一位置的连续单元，或者在所监控的炭床14和16的附近或者远离所监控的炭床14和16。在另一个实施方案中，收集器22位于所监控的炭床14和16的附近而控制器24远离所监控的炭床14和16。
收集器22可以包括一个处理器80，该处理器能够分析经连接108传送的信号并且产生有关流入液或流出液的特征的信息。数据收集中心处理器80可以包括一个“用户友好的”数据获取软件包。该软件包可以将信息转变成易于读取的实格式或虚格式或者转变成命令直接控制炭床14和16的操作。在一个实施方案中，信息可以收集并存储在由用户访问的数据收集中心22中，或者信息被传送到由用户访问的控制器24中，或者在控制器24中被处理并经连接到阀门82的传送线来提供对流入液管道102的自动控制，或者经连接到阀门84的传送线112来提供对流出液管道104的自动控制。
控制器24，其可以是控制中心，可以含有任何适合的固态设备，例如标记为86的计算机。控制中心24可以包括数据获取能力，例如数据获取软件。控制中心24可以含有中央处理器用于整体的系统级别上的控制，以及单独的部分以便在中央处理器部分的控制下来执行各种不同的特定组合功能和其它处理。控制中心24可以使用各种单独专用的可程序积分的和其它电子电路或设备来实行。这些设备包括有线电子逻辑电路，包括离散单元电路和可编程逻辑设备。可编程逻辑设备包括可编程逻辑设备(PLD)、可编程阵列逻辑电路(PAL)、可编程逻辑阵列(PLA)等。控制中心24也可以使用合适的可程序化通用计算机(例如微处理器、微控制器或其它处理器设备例如控制处理单元(CPU)或微处理单元(MPU))与一个或多个外围数据和信号处理设备结合使用来实行。
控制器24可以产生报告的硬拷贝并且提供计算机可读的电子信号输出，其可以由用户访问或者远离炭吸附区12甚至远离控制中心24的控制设备访问。控制中心24能够处理来自各种吸附位置或者全球其他处理位置的信息。取决于通信连接108的范围，控制中心24可以与数据收集中心22放置在一起或者位于远离数据收集中心22的位置上。通信连接108可以是电话调制解调器、网络连接、无线通信、蜂窝式通信、卫星通信、网络连接通信或者因特网访问通信或者它们的组合。通信连接108的特殊构造依赖于在数据收集中心22处能够访问吸附区12或控制中心24的通信连接类型。
图1和4代表了本发明方法和系统的实施方案。在图1中，根据由控制中心24控制的阀门82的活化状态，流入液可以导入到吸附床14或者16中。另外，根据由控制中心24控制的阀门84的活化状态可以控制该方法使得流入液只在床14中处理或者在床14和16两者中处理。在图4中，其中和在图1中相同的数字表示的元件是相同的，炭吸附床14和16与炭吸附床88并行连接。在这个实施方案中，根据三通阀门90的活化状态，流入液流可以任选的导入到吸附区12的这三个床任一个中。在该实施方案中，这些吸附床可以具有不同的吸附特征。用于处理流入液的适合吸附床根据在传感器18或在传感器18和20处积累的数据来选择。
虽然对本发明的优选实施方案已经进行了描述，但是本发明能够进行变化和改进，因此本发明不受限于实施例的详细细节。例如，在图1或图4中体现的方法和系统可以和一个真空抽提系统结合使用。真空抽提涉及使用一个空气循环系统使大量的空气通过或接近污染的溢流或蓄水层。有机化合物或部分有机化合物混合物挥发或蒸发入空气中并且被输送到表面。
在真空抽提方法中，通常由槽型塑料管组成的抽提井和注入井被放置在污染的土壤中。注入井将空气压入地中来促进朝着抽提井方向的水平空气流。泵或鼓风机降低抽提井中的气压来进一步诱发注入井和抽提井之间的气流。气流通过污染源并将VOCs形式的污染物吹除，传送到抽提井中。然后抽提井将气相污染物传送到处理设备中，例如一个炭床处理系统。
在这个实施方案中，在图1或图2中举例说明的方法和系统是一种气相炭吸附方法和系统。气相炭吸附是一种补救技术，其中污染物通过物理吸附在活性炭颗粒上来从空气中除去。为了这个目的的炭是“活化的”，是通过处理炭来产生具有大的内比表面积(每克炭为300-2500平方米或3200-27000平方英尺)的多孔结构，该大的内比表面积吸引并吸附有机分子以及某些金属和无机分子。
特别用在气相应用中的商品级活性炭可以购买到。活性炭的颗粒形式一般用在填充床中，被污染的空气流经该床直至在炭床流出液中的污染物浓度达到一可接受的浓度。颗粒状活性炭(GAG)系统一般由一个或多个充满炭的容器构成，所述容器以串联和/或并联方式连接，在大气压力、负压或正压下操作。然后这些活性炭可以就地再生，在一个装置外的再生设备上再生，或者被处理掉，这取决于经济方面的考虑。
活性炭可以和蒸汽转化结合使用。蒸汽转化是一种设计用来破坏吸附在活性炭上的卤代溶剂(例如四氯化炭，CCl4和氯仿，CHCl3)的技术，其通过在一个市售反应器中与过热蒸汽反应来进行。
本发明包括落在下列权利要求的范围中的变化和改进。

Claims (45)

1.一种处理被污染的流体流的方法(10)，包括：
检测流向炭吸附区(12)的被污染流体流的特征；
远程监控所述检测以决定用于所述被污染流体流的处理方法；
根据所述监控处理被污染的流体流。
2.权利要求1的方法(10)，包括根据所述监控在所述炭吸附区(12)中处理所述被污染的流体流。
3.权利要求1的方法(10)，还包括监控从该处理流出的处理后的含水流出液。
4.权利要求3的方法(10)，还包括根据所述对处理后的含水流出液的监控调整对所述被污染的流体流的处理。
5.权利要求1的方法(10)，其中所述处理包括在过滤区过滤所述被污染的流体流和在所述炭吸附区(12)吸附污染物。
6.权利要求1的方法(10)，其中所述处理包括在汽提区从所述被污染的流体流中汽提除去挥发性污染物并且在所述炭吸附区(12)吸附污染物。
7.权利要求6的方法(10)，其中所述处理包括在过滤区过滤所述被污染的流体流和在所述炭吸附区(12)吸附来自过滤后的挥发性污染物的污染物。
8.权利要求1的方法(10)，还包括：
将一种非反应性气体鼓泡吹入所述被污染的流体流中，分离挥发性污染物；并且
监控来自所述流体流的挥发性污染物。
9.权利要求1的方法(10)，还包括：
将所述被污染流体流扩散通过一个膜以从所述组合物中分离所述污染物；并且
监控所述分离的污染物。
10.权利要求1的方法(10)，其中所述流体流包括地下水，并且所述方法(10)还包括：
在地下捕获区截取所述地下水，将地下水从捕获区泵吸至地表，并且通过在所述炭吸附区(12)除去污染物来处理所述地下水。
11.权利要求10的方法(10)，还包括重新将处理后的地下水充回地下，向表面水体排放所述处理后的地下水或者向市政污水处理厂收集器排放所述处理后的地下水。
12.权利要求1的方法(10)，其中所述监控包含从所述流体流中取样。
13.权利要求12的方法(10)，所述取样包含从所述流体流中鼓泡出挥发性有机化合物并且检测所述挥发性有机化合物。
14.权利要求12的方法(10)，其中所述取样包括
提供一个内部彼此相连的管状构件网来限定流体通道和一个配置在所述通道中的鼓泡器(74)；
使流体流溢过所述鼓泡器(74)的附近；
使来自所述鼓泡器(74)的气体流经所述流体流以汽提挥发性有机化合物并且运送所述挥发性有机化合物以形成自由空间；
检测在所述自由空间中的挥发性有机化合物以测定所述被污染的流体流中的挥发性有机化合物浓度。
15.权利要求1的方法(10)，其中所述监控包括使用探针和传感器(36)监控。
16.权利要求1的方法(10)，其中所述监控包括检测污染物并且将有关所述污染物的信号传送至数据收集器(22)。
17.权利要求16的方法(10)，其中所述数据收集器(22)收集所述信号并且传送从所述信号导出的有关污染物的信息。
18.权利要求17的方法(10)，其中所述收集器(22)将所述信息传送至远程监控器。
19.权利要求18的方法(10)，其中所述信息通过网络连接、电话调制解调器连接、无线电连接、网络连接、无线连接、蜂窝式电路连接、卫星连接、因特网连接或他们的组合进行传送。
20.权利要求18的方法(10)，还包括从所述远程监控器输出一个污染物报告。
21.权利要求1的方法(10)，包括通过从被污染的地面源的真空抽提形成所述被污染流体流。
22.权利要求1的方法(10)，包括通过气相炭吸附方法处理所述被污染的流体流。
23.权利要求1的方法(10)，包括通过气相炭吸附方法结合蒸汽转化处理所述被污染的流体流。
24.系统(10)，包含：
用于处理被污染的流体流的炭吸附区(12)；
在进行处理之前检测所述被污染流体流的特征的传感器(18)；
一个监控器，用于接收来自所述传感器(36)关于所述特征的信息，并且随后控制所述炭吸附区(12)来处理所述被污染的流体流；
其中所述监控器位于远离所述炭吸附区(12)的位置上。
25.权利要求24的系统(10)，另外包含其他的传感器(20)来监控从所述炭吸附区(12)流出的处理后的含水流出液。
26.权利要求25系统(10)，其中所述监控器接收来自所述其他传感器(20)的信息，并且随后控制所述炭吸附区(12)来处理所述被污染的含水组合物。
27.权利要求24的系统(10)，其中所述炭吸附区(12)还包含一个过滤区以过滤所述被污染的流体流。
28.权利要求24的系统(10)，其中所述炭吸附区(12)还包含一个汽提区以从所述被污染的流体流中汽提挥发性污染物。
29.权利要求24的系统(10)，还包含一个鼓泡器(74)向所述被污染的流体流中鼓泡吹入非反应性气体。
30.权利要求29的系统(10)，还包含扩散器以使所述被污染的流体流扩散通过一个膜来分离挥发性污染物，其中所述挥发性污染物通过所述传感器(60)检测。
31.权利要求24的系统(10)，还包含一个与所述传感器(36)相连的发射机以传送有关所述污染物的信号。
32.权利要求31的系统(10)，还包含一个收集器(22)以接收来自所述发射机的所述信号。
33.权利要求32的系统(10)，其中所述收集器(22)能够向所述监控器传送有关污染物的信号。
34.权利要求33的系统(10)，还包含一个通信连接(108)，其连接收集器(22)和监控器，通信连接(108)能够传送所述信号以使得在监控器端的用户能够获得有关污染物的信息。
35.权利要求34的系统(10)，其中通信连接(108)包含一个网络连接。
36.权利要求34的系统(10)，其中通信连接(108)包含一个网络。
37.权利要求34的系统(10)，其中通信连接(108)包含电话调制解调器连接、无线电通信连接、网络通信连接、无线通信系统连接、蜂窝式通信连接、卫星通信连接、网络连接、因特网连接或他们的组合。
38.权利要求34的系统(10)，还包含一个在所述收集器(22)和所述传感器(36)之间的双向通信以允许对所述探针进行选择、激活、去激活、改进、微调、操纵或复位。
39.权利要求34的系统(10)，还包含一个在所述监控器和所述炭吸附区(12)之间的通信装置以根据来自监控器的信号控制该区的操作。
40.权利要求32的系统(10)，其中收集器(22)包含一个控制器(24)。
41.权利要求40的系统(10)，其中控制器(24)包含一个计算机。
42.权利要求32的系统(10)，其中收集器(22)包含一个收发器(26)。
43.权利要求42的系统(10)，其中收发器(26)包含一个集成天线(32)或独立的天线(32)。
44.权利要求24的系统(10)，其中传感器(36)包括一个原位传感器、蒸汽传感器、化学传感器、光纤传感器、声波传感器、固态传感器、金属氧化物传感器、电化学传感器或他们的组合。
45.权利要求24的系统(10)，其含有许多传感器(36)以检测污染物。
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