CN101838043B - 一种生物碳质填料及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种生物碳质填料及其制备方法，其特点在于包括依次执行的以下步骤：a、将生物质固体洗净风干并加工成颗粒状；b、将上述颗粒状生物质固体在缺氧或无氧氛围中热解，热解温度为300-700℃，热解时间为1-3小时；c、将热解后的物质冷却后进行酸洗去灰；d、用清水清洗并烘干即得到颗粒状生物碳质填料。本发明提供了一种工艺简单、成本低廉的生物碳质填料制备方法；同时按照本方法制得的填料具备性质稳定、挂膜效果好、水处理效果高且不会对环境产生后期污染的特点。

Description

一种生物碳质填料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理领域，尤其是一种应用于生物膜法水处理的生物碳质填料制备方法。
背景技术
生物膜法是一种污水处理方法，该方法是使生物反应器内微生物固着在填料表面，形成一层生物膜，通过生物膜微生物的代谢与液相中污染物和气体的交换作用，达到处理废水的目的。其中，填料是生物膜法水处理工艺的核心。它为水处理微生物提供生化代谢场所并可截留水中悬浮物，其性能直接影响着水处理工艺效率和工程投资。生物膜填料的应用在国内外已有近百年历史，从最初的无机填料到现在的有机高分子填料，其无论在材质上还是形状上均有了长足的发展。尤其是近十多年，国内外各种新型填料相继涌现，人们不仅注重填料与生物的相容性和对工艺处理效果的影响，同时考虑对环境的后期污染以及经济合理性。
然而，目前市场上广泛使用的无机和有机填料除了在物理化学特性及生物膜附着特性方面仍存在不同的缺陷外，均未达到对环境友好的要求。比如无机填料中的陶粒制备中需要大量粘土，从而与农业生产用地产生冲突，且烧结过程需要高温消耗大量能源；而大部分高分子有机填料的原料来自石油衍生产品，是一种不可再生资源；另外，这些填料废弃后在环境中均难以被生物降解，甚至对生物具有一定的毒性。
现有技术中，也存在一些以生物质为原料制备环境友好填料技术。如专利号200710118941.5所公布的“一种新型生物膜载体的制备及其在工业废水处理中的应用”；专利号200510014992.4所公布的一种“水处理用可控降解的纤维素基微生物载体填料及制备方法”；专利号200510019894.X所公布的“一种天然植物丝瓜中空纤维材料的应用”；专利号200410019067.6所公布的一种“废水处理用可控降解的大孔纤维素微生物载体填料及制备”等等技术。但是，上述技术制得的填料中有机物性质不稳定，在使用时容易被水中微生物迅速降解，不仅使填料添加更换频繁，而且增加了水中有机物的负荷，特别是使用初期，有时会影响出水水质。另外，有的填料制备过程复杂，操作要求高，对其工业化过程产生限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种工艺简单、成本低廉的生物碳质填料制备方法；同时使得该方法制得的填料具备性质稳定、处理效果好且不会对环境产生后期污染的特点。
为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案.
一种生物碳质填料制备方法，其特点在于包括依次执行的以下步骤：a、将生物质固体洗净风干并加工成颗粒状；b、将上述颗粒状生物质固体在缺氧或无氧氛围中加热热解，热解温度为300-700℃，热解时间为1-3小时；c、将热解后的物质冷却后进行酸洗去灰；d、用清水清洗并烘干即得到颗粒状生物碳质填料。
作为优化，本方法中采用的生物质固体可为秸秆、谷壳、豆壳、竹子和木材中的一种或几种，其中对于谷壳、豆壳可直接洗净即可，对于秸秆、竹子和木材可加工切割为长(1cm～10cm)、宽(1cm～10cm)或直径(1cm～10cm)大小形状；这些生物质固体均为农业和林业生产中的常见物质，来源广泛，有的甚至是废弃物，因此成本低廉。
所述b步骤中，所述热解温度选为300-700℃，因为该温度可使大多数生物质中有机化合物热分解，形成固定碳，但同时避免温度过高而消耗更多能量；所述热解时间为1-3小时，因为该时间内可使生物质充分炭化并形成多孔表面。生物质固体经b步骤热解，可使生物质分解，产生生物油气，而固相残渣即为初始填料。如果热解后的生物质固体颗粒仍然过大，可将其破碎至所需颗粒大小，颗粒直径大小以方便挂膜为宜，一般可破碎为0.5-5.0cm。更进一步地，经实验验证，当热解温度优选700℃，热解时间优选3小时的情况下，可使制得的生物碳质填料使用效果最好。
所述c步骤中，所用酸洗溶液优选采用强酸性的如0.1mol/L浓度的HCl、HNO3或H2SO4溶液，酸洗浸泡时间12h，这样可使绝大部分附着于载体及其孔隙中的灰分和溶解性盐完全洗脱。热解后的生物质固体经c步骤酸洗去灰，使其性质更加稳定。
所述d步骤中，可优选采用烘箱内105℃加热干燥。
本发明还提供了一种生物碳质填料，该填料即为采用上述方法制成。该填料可作为各种生物膜法水处理工艺中悬浮式载体填料，能有效促进微生物代谢活性，提高挂膜量和对水中污染物的去除能力。使用后或更换下来的废弃填料可作为土壤肥料或土壤改良剂；同时，由于填料中碳含量高达50％-90％，且研究已证明其具有高度的环境稳定性，使得废弃填料采用填埋处理，可以成为一种碳的有效贮存形式，有利于二氧化碳减排。综上所述，该填料是一种低成本的环境友好材料。
相比于现有技术，本发明具备以下优点：
1、本发明采用的原料均为农林业生产中常见产物，是天然可再生资源，来源广泛，价格便宜。2、本发明制备方法简单，所需设备少，实际生产中主要设备为热解装置和干燥设备，具有易于实施，制备成本低廉的优点。3、本发明制得的填料，由于经过了热解、酸洗等步骤，故自身性质较稳定，在水中不易分解。4、本发明的填料制备原料来自光合作用产生的生物质，对生物膜微生物亲和性好，不会对环境产生后期污染，而且使用后的废弃填料还可作为土壤肥料或土壤改良剂；或直接埋入地下，成为一种碳的有效贮存形式，有利于二氧化碳减排。
附图说明
图1是实施例6所制的生物碳质填料6挂膜前的填料表面电镜微相照片。
图2是实施例6所制的生物碳质填料6挂膜后的填料表面电镜微相照片。
图3是实施例1至6制得的六种填料和普通陶粒水处理填料挂膜试验的挂膜量曲线图。
图4是实施例1至6制得的六种填料和普通陶粒水处理填料挂膜试验的COD去除率曲线图。
图5是实施例1至6制得的六种填料和普通陶粒水处理填料挂膜试验的NH3-N去除率曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施实例和实验数据对本发明作进一步的详细说明。本制备方法中对生物质固体进行加工时，各步骤中利用的均是各种生物质固体的共性，故实施例中只列举了一种生物质固体材料进行说明，本领域技术人员应该可以推知本实施实例效果对于其他生物质固体同样成立，同时本方法中采用的酸洗溶液是利用溶液的酸性，故实施例中只列举了HCl作为酸性溶液进行说明，应推知对于HNO3或H2SO4溶液同样成立。实验数据采用曲线对比的模式，可将实施例制得的填料和现有商品陶粒填料作性能比较。
实施例1：
将花生壳洗净、自然风干，装入带盖的坩埚内，送至马弗炉中，封闭后慢速热解，热解终温300℃，热解时间1h。热解固体产物先在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡12h，然后用蒸馏水反复冲洗3遍，在105℃烘箱内干燥12h。取出后破碎成0.5～1.5cm大小的颗粒，即制成生物碳质填料1。
实施例2：
将花生壳洗净、自然风干，装入带盖的坩埚内，送至马弗炉中，封闭后慢速热解，热解终温500℃，热解时间1h。热解固体产物先在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡12h，然后用蒸馏水反复冲洗3遍，在105℃烘箱内干燥12h。取出后破碎成0.5～1.5cm大小的颗粒，即制成生物碳质填料2。
实施例3：
将花生壳洗净、自然风干，装入带盖的坩埚内，送至马弗炉中，封闭后慢速热解，热解终温700℃，热解时间1h。热解固体产物先在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡12h，然后用蒸馏水反复冲洗3遍，在105℃烘箱内干燥12h。取出后破碎成0.5～1.5cm大小的颗粒，即制成生物碳质填料3。
实施例4：
将花生壳洗净、自然风干，装入带盖的坩埚内，送至马弗炉中，封闭后慢速热解，热解终温300℃，热解时间3h。热解固体产物先在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡12h，然后用蒸馏水反复冲洗3遍，在105℃烘箱内干燥12h。取出后破碎成0.5～1.5cm大小的颗粒，即制成生物碳质填料4。
实施例5：
将花生壳洗净、自然风干，装入带盖的坩埚内，送至马弗炉中，封闭后慢速热解，热解终温500℃，热解时间3h。热解固体产物先在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡12h，然后用蒸馏水反复冲洗3遍，在105℃烘箱内干燥12h。取出后破碎成0.5～1.5cm大小的颗粒，即制成生物碳质填料5。
实施例6：
将花生壳洗净、自然风干，装入带盖的坩埚内，送至马弗炉中，封闭后慢速热解，热解终温700℃，热解时间3h。热解固体产物先在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡12h，然后用蒸馏水反复冲洗3遍，在105℃烘箱内干燥12h。取出后破碎成0.5～1.5cm大小的颗粒，即制成生物碳质填料6。
将上述六个实施例中制得的生物碳质填料和普通陶粒水处理填料分别采用快速排泥法进行挂膜试验。一次性接种污泥(污泥取自重庆市唐家沱污水处理厂二沉池)，污泥与载体混匀后静置一小时，撇去上清液，加入试验污水，淹没填料并静态接触24h后排掉悬浮污泥，然后进行间歇式进水挂膜。试验用水取自重庆大学学生生活区的生活污水，水质指标：CODCr为300～800mg/L，NH4-N为15～50mg/L，pH为6-8。整个挂膜试验在水浴恒温振荡箱中进行，控制水温为27℃，振荡速度100rpm。采用序批式方式运行，一个反应周期为24h，每次振荡结束后静置30min，排出上清液，并补充相同体积的新鲜试验污水。每2天测定补充污水和排出上清液的CODCr和NH4-N浓度。每3天测定各载体的挂膜量。挂膜试验采用自制的生物碳质填料(图中标记″填料XX″)，并用市售普通陶粒(购自重庆金大物资有限公司，粒径0.5-1.0cm，图中标记″陶粒″)进行对比。试验结果见图3～图5。
从试验结果可以看出，实施例6所制的生物碳质填料6的挂膜效果为最优，其各方面性能均高于普通陶粒性能。同时，六种制得的生物碳质填料整体和普通陶粒相比，生物碳质填料25天后的终期挂膜量高出普通陶粒的1.4倍以上，COD去除率两者基本一样；对NH3-N去除率，25天挂膜结束后实施例3和6高于陶粒，且前者更耐氨氮负荷的冲击，实施例1，2，4和5比陶粒略低，但都在68％以上。故经所述实验数据可证明，本发明制得的填料与生物膜微生物具有极强的亲和性，易于生物挂膜；载体上的活性基团有助于提高生物膜的代谢活性，可促进对污水中有机污染物的去除。同时，由于本方法制得的生物碳质填料成本远低于普通陶粒，故可较好地显示本方法相对于现有技术的显著进步性。
附图中，图1为实施例6所制的生物碳质填料6挂膜前的填料表面电镜微相照片，图2为实施例6所制的生物碳质填料6挂膜后的填料表面电镜微相照片，两者对比，可直观地看出生物碳质填料6的挂膜效果良好。

Claims (2)

1.一种生物碳质填料制备方法，其特征在于包括依次执行的以下步骤：a、将生物质固体洗净风干加工成颗粒状，所述生物质固体为秸秆、谷壳、豆壳、竹子和木材中的一种或几种；b、将上述生物质固体在缺氧或无氧氛围中热解，热解温度为700℃，热解时间为3小时；c、将热解后的物质冷却后进行酸洗去灰，所用酸洗溶液为0.1mol/L浓度的HCl、HNO3或H2SO4溶液，酸洗浸泡时间为12h；d、用清水清洗并烘干即得到颗粒状生物碳质填料。
2.一种生物碳质填料，其特征在采用权利要求1所述方法制成。
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