CN102211807A - 用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体及其制备方法，属于污水处理技术。由粉煤灰、粘土、煤矸石、造孔剂、粘结剂、水按质量百分比配制而成，通过混合、压片成型、干燥、煅烧、研磨粉碎后，经无机酸或碱扩孔、烘干、在20~35%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍、阴干制得。其制备方法：1）将10~20%的粉煤灰、40~50%的粘土、5~20%的煤矸石和2~10%的造孔剂混合搅拌均匀，再加入15~20%水、2~10%粘结剂进行二次搅拌，陈化3~5天。2）将混合物压片，于80~100℃下干燥4~5h后移入马弗炉高温煅烧，1000~1100℃，煅烧2~4h。冷却后研磨粉碎，并用20~40目筛网筛分。3）将筛分到的颗粒放入无机酸或碱中扩孔，烘干后在20~35%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍，阴干，即得高密度多孔载体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体及其制备方法，属于污水处理技术。高密度多孔载体GM-1以粉煤灰、煤矸石等废弃物为原料，通过简单的工艺制备得到，适用于各种废水生物处理。
背景技术
废水生物处理是19世纪末出现的治理污水的技术，发展至今已成为世界各国处理污水的重要手段。废水生物处理是利用微生物的新陈代谢作用，去除废水中有机污染物和某些无机有毒物（如氰化物、硫化物等），使之转化为无毒无害的无机物（如二氧化碳和水）的过程。常用的废水生物处理法包括：活性污泥法、生物滤池法、生物接触氧化法、生物流化床等。其中，生物流化床是活性污泥法和生物膜法优点的有机复合。它具有处理效率高、容积负荷高、操作稳定性好、抗冲击负荷能力强、设备紧凑、占地少等优点。在生物流化反应器中,载体处于流化状态 ,这不仅增加了污废水与生长于载体上的生物膜的接触面积，而且载体在流化过程中具有切割、分散气泡的作用,使布气趋于均匀,由此产生的固、液 、气三相的充分接触、混合和碰撞,增大了传质面积，提高了传质速率,强化了传质过程。此外,载体上老化的生物膜在气流 、水流的冲刷作用下将自动脱落,从而有效地保证了生物膜的活性。因此，生物流化床运行的好坏很大程度取决于载体。
一般认为优良的载体应具备以下的性质：载体形状以球形或近似球形为最佳；粒径较小，一般载体的粒径介于0.2～0.8 mm；密度适宜，孔径分布合理，空隙率高，比表面积大；具有良好的亲水性，生物亲和力强；化学稳定性，机械性能好，价格便宜等。
杨平等.多孔聚合物载体与活性炭载体用于厌氧流化床处理有机废水的比较[J].环境科学,2001,22(1):45-48 中比较了多孔聚合物载体与颗粒活性炭载体厌氧流化床处理合成废水与造纸废水时的性能，研究表明，多孔聚合物载体在微生物固定化效果、废水处理效率、综合经济性等方面明显优于活性炭载体。但多孔聚合物载体机械强度较差，易磨损，且密度接近于水，在升流区载体与液相的相间相对流动速度差小，固液接触面摩擦较弱使得载体与液相的动态紊流性较差，易造成载体生物膜细胞传质浓度边界层趋向稳定而制约传质效率。此种状况在降流区更突出，在无动力顺重力场下，载体颗粒与液相的相间相对速度差很小，相间传质效率更低，同时在流化时易造成分布不均匀，影响微生物传质，从而降低流化床的处理效率。
李磊等.亲水性聚合物多孔载体的制备及其性能研究[J].中国给水排水,2006,22(19):82-86 中报道了利用发泡法制得亲水性聚合物多孔载体，其中聚醚三元醇用量为63.2%，甲苯二异氰酸酯25.3%，葡萄糖8.8%，辛酸亚锡0.25%，三亚乙基二胺0.5%，水1.95%。在这种组分下制备的载体具有丰富的孔隙结构，孔隙率达到91.8%，且由于在合成过程中引入葡萄糖，生物亲和性和亲水性得到提高。但是，其制备过程属于有机高分子合成，步骤繁琐，反应要求严格，且成本较高，同时高分子易被生物降解，这些都限制了其广泛应用。与此同时，高分子聚合物载体密度较轻，沉降速率慢，易聚集在流化床反应器顶部，造成代谢降解主要发生在床层上端，而底端载体较少，造成载体在整个反应器内分布不均匀，从而大大降低了生物流化床的有效体积利用率。
董业斌等.内循环三相生物流化床处理油脂废水[J].化学工程,2008,36(8):57-61 中报道了采用内循环三相流化床处理油脂废水，考察了活性炭、沸石和陶粒对处理效果的影响。在投加相同质量分数的情况下，从处理效率和经济角度考虑，陶粒的优势比较明显。活性炭具有比表面积大、孔隙率高、生物易附着、传质效率高等优点，但是易磨损、且成本高；沸石虽密度适宜，不易磨损，价格便宜，但生物亲和性差，不易挂膜；陶粒比表面积大、机械强度高、但表面致密，挂膜启动时间较长。
申请号为200910167878.3的发明专利公开了一种生物流化床用磁性聚氨酯发泡载体材料及其制备方法。所述的载体是由芳香族二异氰酸酯、聚酯二元醇、磁粉、三亚乙二胺、水溶性硅油等物质经共混发泡而成。其强度高、韧性好、耐冲击，对微生物有良好的亲和性及附着能力；同时，磁粉提供的弱磁场刺激微生物生长，缩短其生长周期，加快生物膜的新老更新，使得废水处理效率得以明显提高，但由于其比重小，在流化床运行时存在降流区流化载体与液相相对流化速度差小而造成效能没有充分发挥、降流区颗粒会堵塞而影响流化稳定性等问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处，提供一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体及其制备方法，以粉煤灰、煤矸石等废弃物为原料，通过简单的工艺，制备出高密度、高孔隙率、高生物亲和性的多孔载体GM-1，从而使得载体在升流区与液相接触面间摩擦相对剧烈，具有一定的相间流速差；在降流区因载体密度重于废水密度，易于沉降，大大提高了系统的对流传质性能及范围。
本发明用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体及其制备方法是采取以下技术方案实现：
用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体，其特征在于由粉煤灰、粘土、煤矸石、造孔剂、粘结剂、水按质量百分比配制而成，通过混合、压片成型、干燥、煅烧、研磨粉碎后，经无机酸或碱扩孔、烘干、在20~35%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍、阴干制得，其中物料质量百分比为：
粉煤灰 10~20%
粘土 40~50%
煤矸石 5~20%
造孔剂 2~10%
粘结剂 2~10%
水 15~20% 。
用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体的制备方法包括以下步骤：
1）将10~20%的粉煤灰、40~50%的粘土、5~20%的煤矸石和2~10%的造孔剂混合搅拌均匀，再加入15~20%水、2~10%粘结剂进行二次搅拌，陈化3~5天；
2）将混合物压片，于80~100 ℃下干燥4~5 h后移入马弗炉高温煅烧，煅烧温度为1000~1100 ℃，煅烧 2~ 4 h，冷却后研磨粉碎，并用20~40目筛网筛分；
3）将筛分到的颗粒放入无机酸或碱中扩孔，烘干后在20~35%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍30 min，阴干，即得高密度多孔载体GM-1。
以上物料的添加量均为重量百分比。
所述的粘土为高岭土、膨润土、凹凸棒土、蒙脱土、水云母粘土中的任一种或几种。造孔剂为尼龙、腈纶、丙纶、棉线、涤纶中的一种或几种。
所述的粘结剂为聚乙二醇-400、聚乙烯醇、磷酸中的一种。
所述的无机酸为5~10 mol/L的盐酸或5~10 mol/L的硝酸。
所述的碱为7~10 mol/L的氢氧化钠。
所述拟胞外聚多糖水溶液为葡萄糖、鼠李糖、甘露糖的混合溶液，葡萄糖、鼠李糖、甘露糖质量比为5:3:2、4:4:2或3:4:3。
所述的高密度多孔载体的平均孔隙直径在20~100 μm之间。
所述的高密度多孔载体的密度为1.3 ~1.8g/cm3。
所述的一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体用于多种废水处理领域，如生活污水、石油化工废水、造纸废水、焦化废水。
与现有文献和专利报道的载体相比，本发明所述的一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体GM-1具有以下积极效果：
（1）本发明高密度多孔载体粒径为0.83~0.38 mm，密度范围为1.3 ~1.8g/cm3，属于高密度载体。其克服了现有低密度载体在生物流化床流化性能差的缺点，从而使得载体与液相间的动态紊流性好，具有一定的相间相对速度，且载体在床内均匀分布，提高了整个床层的传质速度与效率。
（2）本发明高密度多孔载体是以粉煤灰、煤矸石等废弃物为主要原料，其不仅具有足够高的机械强度，能抵抗水流剪切力与载体间相互摩擦力的作用，且成本较低，变废为宝，实现资源的循环利用。
（3）本发明高密度多孔载体孔隙率达60~80%，贯通性高且平均孔隙直径在20~100 μm之间。高孔隙率载体，大大提升了废水与附着的微生物间的相间接触机会，从而提高了系统的传质效果；且水流阻力较小，能耗也相对较低。同时在快速传质条件下，上述孔道更易截留微生物，利于微生物附着，繁殖，提高污水处理效率。
（4）一般来说，厌氧流化床比好氧流化床启动时间长，这是由于厌氧细菌增殖慢，且厌氧细菌分泌的胞外多聚物少，不易与载体粘连而造成。本发明的GM-1载体表面浸渍修饰了拟胞外聚多糖，不仅提高了载体生物亲和性，而且在厌氧流化床启动初期，利于微生物凝聚挂膜，不易被冲刷，从而大大缩短启动时间，提高生物降解效率。
附图说明
图1是将本发明用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体的横截面放大到5000倍的扫描电镜图。
图2是为厌氧型生物流化床反应器的示意图。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。本发明的范围并不以具体实
施方式为限，而是由权利要求的范围加以限定。
具体实施方式
本发明所述的高密度多孔载体GM-1适用于各类内循环流化床。厌氧型生物流化床反应器包括废水箱1、进液泵2、混合器3、回流泵4、三相流化床5。
下面结合具体实施例对本发明进一步描述：
实施例1：
将1Kg的粉煤灰、4.8Kg的高岭土、2Kg的煤矸石和0.2Kg的尼龙混合物搅拌均匀，再加入1.7Kg的水、0.3Kg的聚乙二醇-400进行二次搅拌，陈化3天，将混合物压片，于80℃下干燥4h后移入马弗炉煅烧，1000℃煅烧2h。冷却后研磨粉碎，并用20~40目筛网筛分。然后将载体放入10mol/L的盐酸中扩孔，烘干后在35%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍30 min，阴干，即得高密度多孔载体GM-1，其中拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖2.625Kg、鼠李糖1.575Kg、甘露糖1.05Kg、水9.75Kg。
以上添加物料量重量百分比为：粉煤灰10%、高岭土48%、煤矸石20%、尼龙2%、水17%、聚乙二醇-400 3%。拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖、鼠李糖、甘露糖的质量比为5:3:2。
在厌氧流化床中投加高密度多孔载体GM-1用以处理某石化废水，并与火山岩处理效果做比较，其中装填量30%（V/V），停留时间3h，流速为2.15h/L，水温32℃。原水COD 5771mg/L、TA 1719 mg/L。实验结果如下：
实施例2：
将1.2Kg的粉煤灰、5Kg的膨润土、1Kg的煤矸石和0.2Kg的腈纶混合物搅拌均匀，再加入2Kg的水、0.6Kg的聚乙烯醇进行二次搅拌，陈化4天，将混合物压片，于100℃下干燥5h后移入马弗炉煅烧，1050℃煅烧2h。冷却后研磨粉碎，并用20~40目筛网筛分。然后将载体放入10mol/L的硝酸中扩孔，烘干后在30%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍30 min，阴干，即得高密度多孔载体GM-1，其中拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖1.8Kg，鼠李糖1.8Kg、甘露糖0.9Kg，水10.5Kg。
以上添加物料量重量百分比为：粉煤灰12%、膨润土50%、煤矸石10%、腈纶2%、水20%、聚乙烯醇 6%。拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖、鼠李糖、甘露糖的质量比为4:4:2。
在好氧流化床中投加高密度多孔载体GM-1用以处理某城市污水处理厂废水，装填量35%（V/V），停留时间1.6h，流速4.6h/L，DO值3.2mg/L,水温28℃，。原水COD为450 mg/L、NH3-N为43 mg/L。实验结果如下：
| 原水COD（mg/L） | 出水COD（mg/L） | COD去除率 | 原水NH3-N（mg/L） | 出水NH3-N（mg/L） | NH3-N去除率 |
| 450 | 21 | 95.3% | 53 | 1.2 | 97.7% |
实施例3：
将1.8Kg的粉煤灰、4.7Kg的凹凸棒土、0.7Kg的煤矸石和0.4Kg的丙纶混合物搅拌均匀，再加入1.9Kg的水、0.5Kg的磷酸进行二次搅拌，陈化5天，将混合物压片，于90℃下干燥4.5h后移入马弗炉煅烧，1000℃煅烧3h。冷却后研磨粉碎，并用20~40目筛网筛分。然后将载体放入10mol/L的氢氧化钠中扩孔，烘干后在25%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍30 min，阴干，即得高密度多孔载体GM-1，其中拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖1.125Kg，鼠李糖1.5Kg、甘露糖1.125Kg，水11.25Kg。
以上添加物料量重量百分比为：粉煤灰18%、凹凸棒土47%、煤矸石7%、丙纶4%、水19%、聚乙烯醇 5%。拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖、鼠李糖、甘露糖的质量比为3:4:3。
在缺氧流化床中投加高密度多孔载体GM-1用以处理某印染厂废水，装填量30%（V/V），停留时间为2.5h，流速为2.58 h/L，水温为30℃。原水COD为1360 mg/L、，色度为282倍。实验结果如下：
| 原水COD（mg/L） | 出水COD（mg/L） | COD去除率 | 原水色度 | 出水色度 |
| 1360 | 402 | 70.4% | 282 | 40 |
实施例4：
将2Kg的粉煤灰、4.2Kg的蒙脱土、0.9Kg的煤矸石和0.5Kg的棉线混合物搅拌均匀，再加入2Kg的水、0.4Kg的聚乙烯醇进行二次搅拌，陈化3天，将混合物压片，于100℃下干燥5h后移入马弗炉煅烧，1050℃煅烧3h。冷却后研磨粉碎，并用20~40目筛网筛分。然后将载体放入10mol/L的氢氧化钠中扩孔，烘干后在20%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍30 min，阴干，即得高密度多孔载体GM-1，其中拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖1.5Kg，鼠李糖0.9Kg、甘露糖0.6Kg，水12Kg。
以上添加物料量重量百分比为：粉煤灰20%、蒙脱土42%、煤矸石9%、棉线5%、水20%、聚乙烯醇 4%。拟胞外聚多糖水溶液中葡萄糖、鼠李糖、甘露糖的质量比为5:3:2。
在A/O内循环生物流化床中投加高密度多孔载体GM-1用以处理某焦化废水，装填量35%（V/V），停留时间2.7h，流速2.39 h/L。水温26℃。原水COD为2443 mg/L，NH3-N为198mg/L。实验结果如下：
| 原水COD（mg/L） | 出水COD（mg/L） | COD去除率 | 原水NH3-N（mg/L） | 出水NH3-N（mg/L） | NH3-N去除率 |
| 2443 | 199 | 91.8% | 318 | 14 | 95.6% |
与现有的技术相比，本发明的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体生产原料易得、工艺简洁、成本较低。所得的高密度多孔载体GM-1高密度、高孔隙率，高生物亲和性，孔道贯通性好，机械强度高，在生物流化床中易流化、易挂膜、分布均匀、大大缩短流化床启动时间，且适用于生活污水、石油化工废水、造纸废水、焦化废水等废水处理领域。
Claims (10)
1.一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体，其特征在于由粉煤灰、粘土、煤矸石、造孔剂、粘结剂、水按质量百分比配制而成，通过混合、压片成型、干燥、煅烧、研磨粉碎后，经无机酸或碱扩孔、烘干、在20~35%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍、阴干制得，其中物料质量百分比为：
粉煤灰 10~20%
粘土 40~50%
煤矸石 5~20%
造孔剂 2~10%
粘结剂 2~10%
水 15~20% 。
2.根据权利要求1所述的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体，其特征在于所述的粘土为高岭土、膨润土、凹凸棒土、蒙脱土、水云母粘土中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体，其特征在于所述的造孔剂为尼龙、腈纶、丙纶、棉线、涤纶、碳纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体，其特征在于所述的粘结剂为聚乙二醇-400、聚乙烯醇、磷酸中的一种。
5.权利要求1所述的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体的制备方法，其特征在于具体制备方法如下：
1）将10~20%的粉煤灰、40~50%的粘土、5~20%的煤矸石和2~10%的造孔剂混合搅拌均匀，再加入15~20%水、2~10%粘结剂进行二次搅拌，陈化3~5天；
2）将混合物压片成型，于80~100 ℃下干燥4~5 h后移入马弗炉高温煅烧，煅烧温度为1000~1100 ℃，煅烧 2~ 4 h，冷却后研磨粉碎，并用20~40目筛网筛分；
3）将筛分到的颗粒放入无机酸或碱中扩孔，烘干后在20~35%浓度的拟胞外聚多糖水溶液中浸渍30 min，阴干，即得高密度多孔载体；
以上物料的添加量均为质量百分比。
6.根据权利要求5所述的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体的制备方法，其特征在于所述的无机酸为5~10 mol/L的盐酸或5~10 mol/L的硝酸，碱为7~10 mol/L的氢氧化钠。
7.根据权利要求5所述的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体的制备方法，其特征在于所述的拟胞外聚多糖水溶液为葡萄糖、鼠李糖、甘露糖的混合溶液，葡萄糖、鼠李糖、甘露糖质量比为5:3:2、4:4:2或3:4:3。
8.根据权利要求5所述的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体的制备方法，其特征在于高密度多孔载体的平均孔隙直径在20~100 μm之间。
9.权利要求5所述的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体的制备方法，其特征在于高密度多孔载体的密度为1.3 ~1.8g/cm3。
10.权利要求1所述的用于生物流化床废水处理的高密度多孔载体用于多种废水处理领域，如生活污水、石油化工废水、造纸废水、焦化废水。
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