CN101229945A - 一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种曝气生物滤池填料及其制备方法，由30－40％污泥、17－32％炼铁炉渣、18％－20％粘土、18％－20％页岩为原料，在1100－1180℃下焙烧15－30分钟制成。本发明大量使用污水处理厂污泥，粘土使用比例低，既解决了污泥的处理问题，使污泥资源化，又节约粘土资源，有利于环境保护。本发明的总磷(TP)平均去除率比德国火山灰填料高20％，化学需氧量(COD)和氨氮(NH₃－N)去除效果与德国火山灰填料基本相同。

Description

一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料及其制备方法

技术领域

本发明属于环境应用材料领域和污水处理技术领域，涉及一种曝气生物滤池填料及其制备方法。

背景技术

曝气生物滤池是将生物接触氧化法与给水过滤相结合的一种好氧生物膜法废水处理工艺，属于生物过滤技术，它主要是利用填料的拦截和填料上生物膜的生物降解双重作用将污染物加以去除。

理想的生物滤池填料一般应当具备较大比表面积、粗糙的表面、适当密度等良好物理性能，以及生物亲和性和较强的稳定性。目前，德国的火山灰填料以其密度小、硬度大、生物附着能力强、磨损率小等优点，在我国占据了较大的市场，但是其价格昂贵，并且除磷效果不好。国产填料主要以粘土为主要原料，需要消耗大量粘土资源，不利于生态平衡和环境保护，而且使得填料的成本较高。

利用城市污水处理厂的污泥代替部分粘土烧制填料，是一种经济有效的污泥无害化和资源化途径，污泥中含有的有机物在高温下矿化产生的CO₂气体可以充当造孔剂，能够增大填料的比表面积。申请号为CN200510010577.1的专利文件公开了一种以粘土、污泥和粘结剂为原料制成的填料及其制备方法。该填料具有强度高，不易破损，滤料表面粗糙使得微生物容易挂膜等优点，但是粘土使用比例高(占干污泥质量的80-150％)，而且吸水率低(只有19.6％)，相应使得比表面积小，不利于更多的微生物附着生长。

发明内容

本发明的目的是提供一种以污泥等废料为主要原料的曝气生物滤池填料及其制备方法，该填料具有较好的吸水性和强度，并能明显提高曝气生物滤池工艺除磷效果，还可节约粘土资源。

本发明的一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料，是通过高温焙烧制成的表面粗糙的颗粒，其特征在于是由污泥、炼铁炉渣、粘土、页岩为原料，各原料的重量百分比为：污泥30-40％、炼铁炉渣17-32％、粘土18％-20％、页岩13-35％。

炼铁炉渣中的铁元素能有效促进硝化菌、反硝化菌、反硝化聚磷菌的酶的活性，使得这些细菌在曝气生物滤池中大量共生，因此加入炼铁炉渣能提高填料除磷效果。原料中加入页岩，即可增加填料的强度，又能降低填料成本(页岩成本较低)。

根据曝气生物滤池对填料物化性能的要求，本发明以体积密度、堆积密度、吸水率和酸溶率等参数作为评价指标，研究填料组分和制备工艺。填料的体积密度一般在1.4左右、堆积密度一般在0.7-0.8左右为宜，吸水率大有利于更多微生物附着生长，酸溶率低有利于提高填料寿命。

原料中污泥掺加量太高会影响填料的性能，掺加量太低烧制成的填料膨胀不好，内部会出现黑芯，微孔结构大小不一，甚至出现开裂，因此选择污泥的重量百分比为30-40％，最佳百分比为35％-37％。

当污泥比例固定时，随着炼铁炉渣比例的增加，填料的堆积密度和体积密度逐渐减小，而吸水率和酸溶率呈升高趋势，这是由于炼铁炉渣中含有很多碳酸盐，如CaCO₃，当温度高于800℃时，它受热分解成CaO和CO₂，随着它的比例增加，产生气体的量有所增加，因此使得密度减小，而吸水率和酸溶率增大。综合考虑密度、吸水率和酸溶率等各种性能指标，本发明选择炼铁炉渣重量比为17-32％，优选比例为27％-30％。

本发明以粘土为粘结剂，为了达到即节约土地资源，又使粘土起到粘结剂的作用的目的，选择粘土比例为18％-20％，当粘土比例少于18％时，烧制前造粒困难，并且容易散粒，粘土比例高则浪费粘土资源，并会增加填料成本。综合考虑密度、吸水率和酸溶率等各种性能指标，得出粘土优选比例为19-20％。

根据其它原料的最佳重量百分比，则页岩的最佳百分比为15-17％。

本发明填料的制备方法，包括原料干燥、球磨、混合并造粒、焙烧等过程，其特征在于将原料按上述重量百分比混合，在1100-1180℃下焙烧15-30分钟。

焙烧温度和恒温时间对填料的密度、吸水率和酸溶率均有影响。随着温度升高，填料的堆积密度和体积密度逐渐增大，酸溶率和吸水率呈下降趋势，这是由于随着焙烧温度的升高，先是产生大量的气相和液相而粒子膨胀，当温度再升高时内部的气体冲破液相逸出，填料收缩。如果焙烧时间过短，填料还没有完全膨胀；焙烧时间过长，填料容重反而增加，这是由于玻璃相比例增大，填充了填料在烧胀过程中产生的孔隙，使填料收缩，容重增加，吸水率下降。综合各项指标，选择焙烧温度为1100-1180℃，恒温15-30分钟；最佳焙烧温度为1150-1165℃，最佳恒温时间为20-25分钟。

在焙烧前进行原材料常规处理和造粒，步骤包括：a、将污水处理厂污泥脱水，再干燥及除臭处理，然后用球磨机球磨，最后过筛；b、将炼铁炉渣、粘土和页岩烘干，然后用球磨机球磨，磨细后过筛；c、将已按各组分重量百分比配制好的原料放在搅拌机里混合均匀；d.将混合均匀的原料放在圆盘造粒机中造粒，其粒径可控制在2-6mm，造粒时喷淋水量可为原材料重量的12％-15％，将造好的填料晾8小时后送入高温炉内焙烧。为保证原料充分混合，过筛时可控制各原料粒径大于100目。

由于污泥的主要化学成份为Si、Al、Fe、Ca和S等化合物和有机物，会产生恶臭气体，所以要进行除臭处理，即在污泥干燥过程中对产生的尾气进行处理。

本发明的优点在于：1)大量使用污水处理厂污泥，解决了部分污泥的处理问题，使污泥资源化，避免污泥的二次污染；粘土使用比例低，节约了粘土资源，有利于生态环境；2)原料中使用了炼铁炉渣和污泥，不仅实现了废物再利用，而且降低了填料成本，原料中页岩的成本也较低，与纯粘土填料相比，本发明填料成本降低了至少40％；3)原料炼铁炉渣中的铁元素提高了填料除磷效果；4)原料中加入页岩，增加了填料的强度；5)吸水率即开口空隙率大于30％，有利于微生物生长；6)本发明填料的总磷(TP)平均去除率比德国火山灰填料高20％，化学需氧量(COD)和氨氮(NH₃-N)去除效果与德国填料火山灰基本相同。

附图说明

图1为本发明填料与德国火山灰填料化学需氧量(COD)去除效果对比曲线图

横坐标为曝气生物滤池稳定运行的天数，纵坐标为COD的去除率。其中四条曲线分别是水力停留时间(HRT)为6小时和3小时的本发明填料和德国填料的COD去除率曲线。

图2为本发明填料与德国火山灰填料氨氮(NH₃-N)去除效果对比曲线图

横坐标为曝气生物滤池稳定运行的天数，纵坐标为NH₃-N的去除率。其中四条曲线分别是HRT为6小时和3小时的本发明填料和德国填料的NH₃-N去除率曲线。

图3为本发明填料与德国火山灰填料总磷(TP)去除效果对比曲线图

横坐标为曝气生物滤池稳定运行的天数，纵坐标为TP的去除率。其中四条曲线分别是HRT为6小时和3小时的本发明填料和德国填料的TP去除率曲线。

具体实施例

实施例1：

用污水厂污泥、炼铁炉渣、粘土、页岩为原料制备曝气生物滤池填料，原料重量百分比为污泥30％、炼铁炉渣17％、粘土18％、页岩35％。具体制作步骤如下：

第一步：污水处理厂污泥脱水，干燥及除臭处理，球磨，过筛

将污水处理厂污泥脱水，再干燥及除臭处理，干燥烘泥时间为1小时，用氢氧化钠溶液吸收尾气，然后用球磨机球磨，最后过筛；

第二步：其它原料烘干、球磨、过筛

将炼铁炉渣、粘土和页岩烘干，然后用球磨机球磨，磨细后过筛；

将原料球磨并过筛时，控制各原料粒径均大于100目。

第三步：混合原料

按各组分重量百分比配制原料，放在搅拌机里混合均匀；

第四步：造粒

将混合均匀的原料放在圆盘造粒机中造粒，其粒径控制在6mm，造粒时喷淋水量为原材料重量的12％，将造好的填料晾8小时；

第五步：高温焙烧填料

将晾好的填料送入温度为1100℃的高温炉内焙烧，恒温30分钟，冷却，出炉；

填料的性能指标为：松散堆积密度为0.741g/cm³，压实堆积密度为0.829g/cm³，体积密度为1.547g/cm³，吸水率为14.06％，酸溶率为7.80％，烧失量为28.95％。

实施例2：

原料及具体制作步骤与实施例1相同。

原料重量百分比为污泥40％、炼铁炉渣27％、粘土20％、页岩13％。

造粒时喷淋水量为原材料重量的15％，其粒径控制在2mm。焙烧温度为1100℃，焙烧时间为30分钟。

填料性能指标为：松散堆积密度为0.664g/cm³，压实堆积密度为0.796g/cm³，体积密度为1.346g/cm³，吸水率为16.24％，酸溶率为16.90％，烧失量为28.50％。

实施例3：

原料及具体制作步骤与实施例1相同。

原料重量百分比为污泥37％、炼铁炉渣32％、粘土18％、页岩13％。

造粒时喷淋水量为原材料重量的14％，其粒径控制在3mm，焙烧温度为1180℃，焙烧时间为15分钟。

填料性能指标为：松散堆积密度为0.819g/cm³，压实堆积密度为0.867g/cm³，体积密度为1.509g/cm³，吸水率为25.34％，酸溶率为11.01％，烧失量为28.50％。

实施例4：

原料及具体制作步骤与实施例1相同。

原料重量百分比为污泥35％、炼铁炉渣30％、粘土20％、页岩15％。

造粒时喷淋水量为原材料重量的13％，其粒径控制在4mm，焙烧温度为1165℃，焙烧时间为20分钟。

填料性能指标为：松散堆积密度为0.735g/cm³，压实堆积密度为0.774g/cm³，体积密度为1.400g/cm³，吸水率为34.75％，酸溶率为15.17％，烧失量为27.44％。

实施例5：

原料及具体制作步骤与实施例1相同。

原料重量百分比为污泥37％、炼铁炉渣27％、粘土19％、页岩17％。

造粒时喷淋水量为原材料重量的14％，其粒径控制在5mm。焙烧温度为1150℃，焙烧时间为25分钟。

填料性能指标为：松散堆积密度为0.715g/cm³，压实堆积密度为0.773g/cm³，体积密度为1.363g/cm³，吸水率为32.74％，酸溶率为15.43％，烧失量为27.39％。

实施例6：

将本发明填料(根据实施例4制备的填料)与德国火山灰填料进行处理生活污水效果对比实验。

反应器由有机玻璃制成，其内径为40cm，高28cm，有效容积为0.33L。填料装填高度为18cm，底部砾石承托层高2cm，曝气由气泵供给，用蠕动泵从底部进水，实验采用大连马栏河污水厂生活污水。

研究采用自然挂膜的方式，运行两周后，肉眼可见反应器的内壁出现大量的丝状絮体，填料表面生物膜颜色加深，由灰白色绒状变为浅黄色生物膜，且附着的生物膜的数量明显增加。同时出水水质较为稳定，至此确定挂膜基本完成。在挂膜成功后，测试处理效果。

选择HRT为3小时，稳定运行8天。使用德国火山灰填料，COD平均去除率为47.8％，NH₃-N的平均去除率为74.9％，TP的平均去除率为7.4％；使用本发明填料，COD平均去除率为51.5％，NH₃-N的平均去除率为74.4％，TP的平均去除率为25.9％。

选择HRT为6小时，稳定运行8天。使用德国火山灰填料，COD平均去除率为50.7％，NH₃-N的平均去除率为98.2％，TP的平均去除率为7.7％；使用本发明填料，COD平均去除率为55.8％，NH₃-N的平均去除率为98.2％，TP的平均去除率为29.8％。

化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)去除效果对比曲线图见附图1、附图2和附图3。

由图1可以看出，当HRT为3h和6h时，两种填料的COD去除效果变化不大，平均都在50-55％之间，但是本发明填料COD去除率比德国火山灰填料分别提高了5.1％(HRT6h)和3.7％(HRT3h)。

由图2可以看出，当HRT为6h时，本发明填料和德国火山灰填料去除率都很高，平均都在98％左右(测得出水NH₃-N浓度都小于1mg/L，达到了污水出水指标)；当HRT为3h时，NH₃-N去除率急剧下降，几乎都在75％左右，但是两种填料的NH₃-N去除效果仍然几乎相同。

由图3可以看出，在两个水力停留时间下，本发明填料对于废水中总磷的平均去除率比德国火山灰填料分别提高了22.1％(HRT6h)和18.5％(HRT3h)。

结果表明，在进水的COD负荷、氨氮负荷和磷酸盐负荷都相同的条件下，本发明填料COD和NH₃-N的平均去除率和德国火山灰填料几乎相同，但是本发明填料的总磷平均去除率较德国火山灰填料有显著提高。

Claims (6)

1.一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料，是通过高温焙烧制成的表面粗糙的颗粒，其特征在于是由污泥、炼铁炉渣、粘土、页岩为原料，各原料的重量百分比为：污泥30-40％、炼铁炉渣17-32％、粘土18％-20％、页岩13-35％。

2.根据权利要求1所述的一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料，其特征在于各原料的重量百分比为：污泥35-37％，炼铁炉渣27-30％，粘土19％-20％，页岩15-17％。

3.一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料的制备方法，包括原料干燥、球磨、混合并造粒、焙烧等过程，其特征在于各原料及重量百分比为：污泥30-40％、炼铁炉渣17-32％、粘土18％-20％、页岩13-35％，焙烧温度为1100-1180℃，焙烧时间为15-30分钟。

4.根据权利要求3所述的一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料的制备方法，其特征在于各原料及重量百分比为：污泥35-37％，炼铁炉渣27-30％，粘土19％-20％，页岩15-17％。

5.根据权利要求3或4所述的一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料的制备方法，其特征在于焙烧温度为1150-1165℃，焙烧时间为20-25分钟。

6.根据权利要求5所述的一种以废料为主要原料的曝气生物滤池填料的制备方法，其特征在于，在球磨前对污泥进行除臭处理，原料混合时各原料的粒径大于100目，造粒时喷淋水量为原材料重量的12％-15％，填料粒径为2-6mm。

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