CN101475362A - 一种生化陶瓷及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生化陶瓷及其制备方法与应用。生化陶瓷是以废水污泥为主料，配加碳酸钙或石膏、粘土、二水氢氧化钙、液体蜡、铁粉或氧化铁粉等辅料缺氧烧制而成。该生化陶瓷用作生物滤池、滴滤池或厌氧处理中的颗粒污泥床的生物介质，还可在湖泊中用于减少水体富营养化或建造过滤坝以减少废水的污染。本发明可收缩生化陶瓷可自动固定细菌，避免生物质被冲走；因而无需人工固定；将污泥中重金属元素固定化，在应用过程中不会释放。可选择的不同形状和尺寸成坯使本发明的生化陶瓷拥有更加广泛的应用前景。

Description

一种生化陶瓷及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种利用废水污泥配制的用作生物介质的生化陶瓷及其制备方法，属于废水处理技术领域。
背景技术
污水处理厂、造纸业废水处理设施和其它废水生物处理设施产生大量的废气污泥。因为污泥中含有大量的病原菌、重金属等有害物质，使污泥的无害化处理和再利用成为世界性的技术难题。如污泥中的病原菌、重金属等有害物质使其难以作为肥料应用，传统的处理方法是脱水、干燥，进行垃圾场填埋，但是垃圾场填埋占用大量的场地。另外一种处理方式是采取有氧焚烧的方式以减少污泥体积，但是焚烧过程中产生二恶英等有害物质污染空气。
现有的多空介质一般有多孔岩石，炉渣或塑料介质，多孔岩石，炉渣或塑料介质被广泛用作过滤介质或细菌附着生长介质。这些介质的孔隙量少且无法固定细菌。高速水流导致这些介质上附着的细菌被分离和冲走。
CN101148346(200710017127.4)提供一种用城市污水厂污泥制备陶粒的方法，是以脱水污泥、粉煤灰、粘土为原料按比例混合，逐步升温烧结即制得陶粒。该陶粒为黄色或褐色的球状固体，松散容重为650-750kg/m3，颗粒容重为1050-1150kg/m3，吸水率为5.80-10.8％，比表面积为2.29-5.56m2/g。该技术中对于污泥的加热或烧制是在好氧环境中进行，烧结过程中碳源损失，缺乏微生物需要的碳源且无脱色功能。其获得的陶粒产品为黄色或褐色的球状固体。
现有技术中对于污泥的加热或烧制多是在好氧环境中进行，烧制过程中碳源损失，使烧制的陶瓷缺乏微生物需要的碳源，并且无脱色功能。另外，现有技术尚没有发现在配方中添加固定污泥中重金属的材料，对含有重金属的污泥缺乏利用能力或利用效率低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种生化陶瓷及其制备方法。本发明还提供该生化陶瓷的应用。
发明概述
本发明采取用污水处理厂的剩余污泥和粘土并添加了铁粉等配方，进行无氧加热烧制多孔陶瓷，所得陶瓷材料具有收缩固定细菌的功能，形成一种生化陶瓷，用于废水处理的生物媒介滤料或者富营养化河流湖泊的净化。本发明的核心理念是以废治废，就地固定微生物，用于废水处理。
发明详述
一种生化陶瓷，是由以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥30-40份，碳酸钙或石膏8-15份，粘土12-42份，木屑0-10份，二水氢氧化钙2-4份，高岭土0-10份，液体蜡1-15份，铁粉或氧化铁粉0-10份，活性炭0-5份，煤粉0-10份。以上的所述的污泥是污水处理厂的剩余污泥。
本发明的生化陶瓷的制备方法，步骤如下：
(1)按上述生化陶瓷的配方将各种原材料混合，调制成泥浆状或颗粒状泥粒，利用模板制作成形，晾干成坯；
(2)将步骤(1)制得的成坯置于高温烘炉中烧制，烘炉温度的升温速率每小时不大于100℃，在烘炉温度达到550℃时，保持1.5小时，接着以每小时100℃的速率升温，当烘炉温度达到1050℃时，保持2.5个小时，停止加热，使烘炉以每小时150-200℃的速率降温至室温，得多孔陶瓷。
(3)将步骤(2)制得的多孔陶瓷，放入水中1-1.5小时，细菌在陶瓷中自动生长，细菌新陈代谢时产生二氧化碳，二氧化碳和陶瓷中的活性氧化钙反应，生成碳酸钙从而将细菌原位固定化，生成带有活性细菌的生化陶瓷。
优选的，上述步骤(1)成坯的形状是：0.1-0.5厘米的颗粒坯、0.5-5厘米的球状坯、砖状坯或外径5-20厘米蜂窝状圆柱坯。
本发明的生化陶瓷可以用作生物滤池、滴滤池或厌氧处理中的颗粒污泥床的生物介质。还可以用在湖泊中以减少水体富营养化，或建造过滤坝以减少废水的污染。根据具体应用的情况，本发明特别优选以下几种配方：
一、在污水处理厂作为过滤器用的生化陶瓷，是有以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥30-35份，碳酸钙8-10份，粘土30-35份，木屑5-8份，石灰3-4份，高岭土8-10份，液体蜡1-2份，氧化铁粉5-6份。成坯的形状是颗粒、砖状坯或者蜂窝状圆柱坯。
二、用于好氧反应器的小球状生化陶瓷，是有以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥40-45份，碳酸钙8-10份，粘土25-30份，木屑6-8份，石灰3-4份，高岭土3-5份，液体蜡1-2份，铁粉1-3份，煤粉1-3份。成坯的形状是0.5-5厘米的球状坯。
三、用于转基因菌或自然菌筛选的固定生化陶瓷，是有以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥40-45份，碳酸钙或石膏10-15份，粘土15-18份，石灰2-3份，液体蜡13-15份，活性炭1-3份，煤粉2-4份。成坯的形状是0.4-0.7厘米的颗粒坯。
本发明的生化陶瓷具有可收缩的孔隙和固定微生物的功能。技术特点如下：
1、高孔隙率
生化陶瓷烧制过程中，有机物分解产生的气体创造了大量的微孔，可达到大于80％的孔隙率，提供了足够的空间以诱获活性菌；孔隙率＝(实物的体积-孔隙的体积)/实物的体积×100％。
2、良好的收缩性和固定性
化学反应使孔隙和陶瓷收缩2％～5％有助于固定长在上面的细菌；收缩机制：
Ca(OH)2+CO2-->CaCO3+H2O
固定化率＝(总重量-生化陶瓷自重)/总重量
3、烧制工艺采用缺氧环境加热，使污泥中的有机物碳化，不仅保留了下一代微生物生长的碳源，矿物元素可以作为细菌生长的营养，陶瓷中的剩余无机元素为所诱获的新一代细菌生长提供了生长元素；该烧制工艺同时具备脱色功能使烧制出的陶瓷脱色。
4、根据不同的pH值和环境，选择不同的微生物群体，用于固定特定细菌。
5、多孔隙陶瓷固定好氧菌也有助于在厌氧反应器里颗粒污泥的形成。
6、添加了铁粉使污泥中的重金属得以固定，使陶瓷不仅具有固定微生物的能力而且能使污泥中的重金属不释放。
与现有技术相比本发明的有益效果在于：
本发明可收缩生化陶瓷可以解决现有技术中存在的许多技术问题：i.多孔材料固定细菌的同时可避免生物质被冲走；ii.可收缩陶器自动固定细菌，因而无需人工固定；iii.本发明的生化陶瓷新配方和烧制工艺将污泥中重金属元素固定化，在应用过程中不会释放。iv.可选择的不同形状和尺寸成坯使本发明的生化陶瓷拥有更加广泛的应用前景。
此外，利用剩余污泥制作生化陶瓷是一种新的废弃物利用方式，节约垃圾填埋场土地并可用这种陶瓷处理污水或废水。生化陶瓷的原材料是由污泥，粘土和其他低成本材料组成，成本低，易于工业化规模生产。
本发明的生化陶瓷的应用，可供选择的用途包括以下任何一种：
1.作为生化介质用于污水处理，例如污水处理厂用的生物滤池滤料。由于生化陶瓷在烧制过程中施行缺氧烧制，微生物中的有机质被直接碳化。存留的碳素可以被微生物作为碳源利用，所以用生化陶瓷作为过滤材料，在消化和反硝化工程中不需要添加碳源。现有污水处理脱氮过程中，都需要添加甲醇或葡萄糖等作为碳源维持微生物的生长和新陈代谢。
2.用作城市雨水的生物过滤介质以处理水中有机的污染物，以及农业面源污染的控制材料。
3.用作清理湖泊的富营养化。生化华陶瓷可以直接以吊装在网箱或网桶中以吸附兼性微生物以处理水中的有机污染物。
4.用作风车池塘清理系统(见图2应用图片)。
5.用作为空气污染控制的生物过滤。
6.细菌筛选的生物介质。
7.陶瓷颗粒表面粗糙有助于改善厌氧处理的过程。
8.用作转基因细菌固定化的生化陶瓷。
9.用于沼气废液的处理。
附图说明
图1是本发明实施例1生化陶瓷烧制的温度曲线，横坐标是时间(小时)，纵坐标是烘炉温度(℃)，温度升高速度小于每小时100℃。
图2是本发明实施例1生化陶瓷在废水处理试验的应用情况。图中R2是生化陶瓷处理前的废水，R3生化陶瓷处理后的同一种废水，应用的反应器体积5.7L，生化陶瓷785克。孔隙体积占86％，负荷率3.9g/l/d～17g/l/d，TCOD去除达到47％～79％。
图3是本发明实施例2生化陶瓷用作风车池塘清理系统，生化陶瓷处理夏威夷一个农场废水。
图4是厌氧生物巢反应器和生化陶瓷反应器系统性能曲线分析，纵坐标是COD浓度，横坐标是运转天数。图中曲线从上往下依此是：生物巢进水TCOD，生物巢进水SCOD，生物巢出水TCOD，生物巢出水SCOD，生化陶瓷反应器出水TCOD，生化陶瓷出水SCOD。
图5是利用风力和生化陶瓷一体化脱氨氮的数据曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：在污水处理厂作为过滤器用的生化陶瓷，原料成分干重百分比如下：
污泥33％，碳酸钙9.3％，粘土30.8％，木屑7％，石灰3.5％，高岭土9.3％，液体蜡1.1％份，氧化铁粉6％。
制备方法，步骤如下：
(1)按上述生化陶瓷的配方将各种原材料混合，调制成颗粒状泥粒，利用模板制作成0.1-0.5厘米的颗粒坯，晾干成坯；
(2)将步骤(1)制得的成坯置于高温烘炉中烧制，按图1所示的温度曲线进行温度控制，烘炉温度的升温速率每小时不大于100℃，在烘炉温度达到550℃时，保持1.5小时，接着以每小时100℃的速率升温，当烘炉温度达到1050℃时，保持2.5个小时，停止加热，使烘炉以每小时150-200℃的速率降温至室温，得多孔陶瓷。
(3)将步骤(2)制得的多孔陶瓷，放入水中1-1.5小时，细菌在陶瓷中自动生长，细菌新陈代谢时产生二氧化碳，二氧化碳和陶瓷中的活性氧化钙反应，生成碳酸钙从而将细菌原位固定化，生成带有活性细菌的生化陶瓷。
实施例2：用于好氧反应器的小球状生化陶瓷，原料成分干重百分比如下：
污泥42％，碳酸钙9％，粘土29％，木屑7％，石灰3.5％，高岭土4％，液体蜡1.6％，铁粉2％，煤粉1.9％。
制备方法如实施例1所述，所不同的是成坯的形状是0.5-5厘米的球状坯。
实施例3：用于转基因菌或自然菌筛选的固定化陶瓷(筛选pH 7.5～9的细菌)，原料成分干重百分比如下：
污泥43％份，碳酸钙13％，粘土16％，石灰3％，活性炭(粉末)3％，液体蜡14％，煤粉8％。制备方法如实施例1所述，所不同的是成坯的形状是16-40目颗粒。
实施例4：用于转基因菌或自然菌筛选的固定化陶瓷(筛选pH 4～6的细菌)，原料成分干重百分比如下：
污泥44％份，石膏12％，粘土16％，石灰3％，活性炭(粉末)3％，液体蜡14％，煤粉8％。
实施例5：实施例1制备的生化陶瓷在废水处理试验的应用情况
如图2所示，R2生化陶瓷处理前的废水，R3生化陶瓷处理后的废水，应用的反应器体积5.7L，生化陶瓷785克。孔隙体积占86％，负荷率3.9g/l/d～17g/l/d，TCOD去除达到47％～79％。操作：废水在不间断曝气条件下，进行氧化曝气；如进行脱氮反硝化，可以采取一小时给氧气，一小时间歇法；空气分散气装在反应器底部。
实施例6：实施例2制备的生化陶瓷用作风车池塘清理
如图3所示，生化陶瓷用于处理夏威夷一个农场废水。
生化陶瓷好氧反应器能去除49.3％的TCOD和生物巢出水60.8％的氨。此外，生化陶瓷反应器是一个重要的工序通过去除氧化氨和硫化氢来控制气味的问题。完成稳定运转后，抽取生化陶瓷样本分析。数据显示，它可以固定自身湿重的25-30％和干燥重量的4.5％-5％的微生物。详见表1。
表1：好氧生化反应器与池塘处理
 
样品 pH TSSmg/l TCODmg/l SCODmg/l NH4-N(mg/l) NO3-Nmg/l
生化陶瓷反应器进水 5.8 130 453 380 32.0 0
生化陶瓷反应器出水 6.5 120 230 170 24.3 7.0
系统安装之前池塘出水 6.8 260 310 150 62.1 3.7
系统安装后池塘出水 6.8 120 210 110 15.9 3.8
。

Claims (8)

1.一种生化陶瓷，其特征是由以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥30-40份，碳酸钙或石膏8-15份，粘土12-42份，木屑0-10份，二水氢氧化钙2-4份，高岭土0-10份，液体蜡1-15份，铁粉或氧化铁粉0-10份，活性炭0-5份，煤粉0-10份。
2.如权利要求1所述的生化陶瓷，其特征是在污水处理厂作为过滤器用的生化陶瓷，是有以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥30-35份，碳酸钙8-10份，粘土30-35份，木屑5-8份，石灰3-4份，高岭土8-10份，液体蜡1-2份，氧化铁粉5-6份。成坯的形状是颗粒、砖状坯或者蜂窝状圆柱坯。
3.如权利要求1所述的生化陶瓷，其特征是用于好氧反应器的小球状生化陶瓷，是有以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥40-45份，碳酸钙8-10份，粘土25-30份，木屑6-8份，石灰3-4份，高岭土3-5份，液体蜡1-2份，铁粉1-3份，煤粉1-3份。成坯的形状是0.5-5厘米的球状坯。
4.如权利要求1所述的生化陶瓷，其特征是用于转基因菌或自然菌筛选的固定生化陶瓷，是有以下原料烧制而成，各成分的用量均为重量份：
污泥40-45份，碳酸钙或石膏10-15份，粘土15-18份，石灰2-3份，液体蜡13-15份，活性炭1-3份，煤粉2-4份。
5.权利要求1所述的的生化陶瓷的制备方法，步骤如下：
(1)按上述生化陶瓷的配方将各种原材料混合，调制成泥浆状或颗粒状泥粒，利用模板制作成形，晾干成坯；
(2)将步骤(1)制得的成坯置于高温烘炉中烧制，烘炉温度的升温速率每小时不大于100℃，在烘炉温度达到550℃时，保持1.5小时，接着以每小时100℃的速率升温，当烘炉温度达到1050℃时，保持2.5个小时，停止加热，使烘炉以每小时150-200℃的速率降温至室温，得多孔陶瓷；
(3)将步骤(2)制得的多孔陶瓷，放入水中1-1.5小时，细菌在陶瓷中自动生长，细菌新陈代谢时产生二氧化碳，二氧化碳和陶瓷中的活性氧化钙反应，生成碳酸钙从而将细菌原位固定化，生成带有活性细菌的生化陶瓷。
6.如权利要求5所述的的生化陶瓷的制备方法，其特征是步骤(1)成坯的形状是：0.1-0.5厘米的颗粒坯、0.5-5厘米的球状坯、砖状坯或外径5-20厘米蜂窝状圆柱坯。
7.权利要求1所述的的生化陶瓷用作生物滤池、滴滤池或厌氧处理中的颗粒污泥床的生物介质。
8.权利要求1所述的的生化陶瓷在湖泊中用于减少水体富营养化或建造过滤坝以减少废水的污染。
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