CN102503368A

CN102503368A - 一种人工湿地球形陶粒基质及其制备方法

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Publication number: CN102503368A
Application number: CN2011103138683A
Authority: CN
Inventors: 王文东; 周礼川; 王洪平; 刘海楠; 卜龙利
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: CN102503368B

Abstract

本发明公开了一种人工湿地陶粒基质的制备方法，包括如下步骤：将给水厂的终端混凝污泥中的杂质和颗粒处理掉使之呈糊状；制作陶粒：将高岭土混入处理后的污泥，每千克干污泥中混入0.60～0.70kg高岭土，均匀混合后，调节污泥含水率为60～65％，用该污泥制作粒径为15～18mm和25～28mm的球形陶粒；烧结：将制作好的陶粒在200℃条件下预热1h，600～700℃温度条件下烧结120～150min，得到粒径为8～10mm和15～18mm的球形陶粒基质成品。经实验证明，该方法制备的基质能高效去除污水中的COD、氨氮和总磷等污染物，无基质堵塞问题出现，污水经处理后能达到《城镇污水处理厂污水排放标准》一级A标准，适用各类生活污水、工农业废水和受污染地表水的处理。

Description

一种人工湿地球形陶粒基质及其制备方法

技术领域

本发明属于水污染控制工程污水处理技术领域，具体涉及一种人工湿地球形陶粒基质及其制备方法。

背景技术

人工湿地是一种高效的生态水质净化技术，具有较强的氮、磷处理能力，并能长期运行，其工艺先进、技术可靠、高效节能、简便易行、投资省、运行费用低，生态环境效益显著，可实现污水资源化。适合于市政污水、工农业废水的处理和受污染水体的修复，处理后的水可直接回用或排入景观水体、水库、河流或湖泊中。基于以上优点，人工湿地技术越来越受到重视，在各国已经得到普遍的推广应用。

基质是人工湿地的重要组成部分，为植物和微生物提供生长介质、为污水渗流提供良好的水力条件的同时，也能通过过滤、吸附和沉淀作用等作用直接去除污染物。其种类、性质和制备方法是人工湿地处理技术的核心。然而，现有的湿地基质普遍存在对氮、磷的去除能力相对较低，堵塞问题严重，难以维持人工湿地处理系统的持久连续运行的缺陷。因此，研究一种对氮、磷的去除能力高、改善堵塞问题的人工湿地基质有着重要的现实意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种人工湿地球形陶粒基质及其制备方法。本发明的方法操作简单方便，经运行实践表明，所制备的陶粒基质能高效去除污水中的COD、氨氮和总磷等污染物，无基质堵塞问题出现，污水经处理后能达到《城镇污水处理厂污水排放标准》一级A标准。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种用于人工湿地的球形陶粒基质，其特征在于，制得的基质采用如下质量比的原料制备而成：高岭土∶污泥＝0.60～0.70∶1。

所述基质粒径为8～10mm和15～18mm。

上述的人工湿地陶粒基质的制备方法，具体包括如下步骤：

1)污泥处理：处理掉给水厂的终端混凝污泥中的杂质，并使该污泥呈糊状，将污泥在105℃下烘干；

2)制作陶粒：将高岭土混入处理后的污泥，每千克污泥中混入0.60～0.70kg高岭土，均匀混合后，调节混合后的污泥含水率至60～65％，用该混合后的污泥制作粒径为15～18mm和25～28mm的球形陶粒；

3)烧结：将制作好的陶粒在200℃条件下预热1h，在600～700℃温度条件下烧结120～150min，得到球形陶粒基质。

所述球形陶粒基质的粒径为8～10mm和15～18mm两种。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)原料之一取自给水厂的终端混凝污泥，在减轻给水厂污泥处理压力，节约经济成本的同时，进行城镇污水的强化处理，真正意义上实现了“以废治废”，具有良好的环境效益和社会效益；给水厂的终端污泥为混凝污泥，混凝污泥经烧制后留下众多微型孔道，对氨氮、磷等污染物有很强的吸附去除能力；同时，混凝污泥中有大量铝、铁等金属元素，可将污水中的磷酸盐沉淀去除。

(2)球形基质比表面积大，有利于各类微生物的附着生长，能够有效去除水中的有机物和总氮。

(3)基质是具有大量孔道结构的球形材料，在增加固-液两相接触面积的同时，为人工湿地处理系统提供了良好的水力条件，可有效的防止基质堵塞。

(4)污染物溶出少，由于基质的取材于给水厂的终端混凝污泥，污泥中含有大量的有机物和重金属，经过高温下的煅烧，有机物被大量燃烧去除，同时经过改变泥的结构实现重金属的固化，仅有少量有机物和重金属的溶出。

附图说明

图1是本发明的方法烧制前后基质的形貌特征，其中，图1(a)为基质烧制前的形貌，图1(b)为烧制后基质的形貌。

图2是处理出水中COD浓度随时间的变化的示意图。

图3是处理出水中TP随运行时间的变化的示意图。

图4是处理出水中氨氮浓度随运行时间的变化的示意图。

图5是处理出水中总氮浓度随运行时间的变化的示意图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步解释说明。

具体实施方式

在人工湿地基质的制备方法研究中，发明人进行了如下的试验过程，从而确定基质制备方法中的较优控制参数。

(1)选择原料和制作陶粒

申请人经研究发现，给水厂的终端混凝污泥经烧制后会形成众多微型孔道，这种结构对污染物有很强的吸附去除能力。同时，终端混凝污泥中存在大量铝、铁等混凝剂残留，对污水中的磷酸盐有着良好的沉淀去除性能；因此，选择给水厂的终端混凝污泥作为基质的原料。本实验的污泥取自西安市曲江水厂的终端污泥，该水厂的混凝沉淀工艺加入的药剂为聚合氯化铝(PAC)，污泥脱水前投加调理药剂阳离子型聚丙烯酰胺(PAM)。

烧制过程中陶粒会大量失水而体积变小，湿度过高易导致成品陶粒出现龟裂，湿度过低则不易制作。实验发现，在原料配比、烧结时间、烧结温度等条件一定的情况下，糊状污泥的湿度为60～65％时便于陶粒制作成型。初始粒径为15～18mm和25～28mm时，制备得到的成品陶粒粒径分别为8～10mm和15～18mm(见图1)。因此，控制烧制前陶粒的湿度为60～65％，初始粒径为15～18mm和25～28mm。

(2)原料配比

高岭土具有一定的黏性，与污泥混合烧结可使成品陶粒易于成型；经发明人试验研究发现，高岭土比例过高时，虽然使得成品陶粒虽具更好的强度，但成品陶粒的球体密实，孔道较少，不利于水处理中增加固-液两相接触面积为人工湿地处理单元提供良好的水力条件和微生物的附着，也不利于对污泥进行大量的处理。在陶粒粒径、烧结时间、烧结温度均一定的情况下，不同的原料质量比得到的成品基质的强度见表1，取成品基质进行静态浸泡溶出试验，溶出结果如表2所示。从表1和表2可见，当高岭土与干污泥的质量比为0.60～0.70∶1时，成品陶粒基质具有良好的强度，且在该金属离子和有机物的溶出量较小，从而确定高岭土与污泥的质量比为0.60～0.70∶1。

表1高岭土/污泥配比对成品基质强度的影响

表2不同原料配比下成品基质溶出情况(静态浸泡溶出试验，单位：mg/L)

注：ND-未检出。

(3)烧结温度

烧结温度对成品基质的污染物溶出有着显著影响。制作温度过低，污泥中碳、氮等难以有效去除，这些物质的溶解析出将影响人工湿地的出水水质。温度过高则不利于基质的制作，能耗较大。

取成品陶粒进行静态浸泡溶出试验。在陶粒粒径，原料配比，烧结时间均一定的情况下，不同的烧结温度得到的成品陶粒基质的溶出结果如表3示。从表3看出，烧结温度为600～700℃时，各类污染物的溶出量最少，烧结温度继续升高对溶出影响则较小。

表3不同烧结温度下成品基质溶出情况(静态浸泡溶出试验，单位：mg/L)

注：ND-未检出。

(4)灼烧时间

如果烧结时间过短，混凝污泥中的碳、氮等难以有效去除，这些物质的溶解析出将影响人工湿地的出水水质，如果烧结时间过长则能耗较大。取成品基质进行静态浸泡溶出试验，在陶粒粒径、原料配比、烧结温度等条件一定的条件下，不同的烧结时间得到的成品陶粒基质的溶出结果如表4所示，烧结时间为120～150min时，基质向水中溶出的污染物最少。

表4不同烧结时间下成品基质溶出情况(静态浸泡溶出试验，单位：mg/L)

注：ND-未检出。

综上，发明人通过上述试验优化控制参数，得到了本发明的人工湿地球形陶粒基质的制备方法，具体包括如下步骤：

将给水厂的终端混凝污泥中的杂质和颗粒处理掉并使污泥呈糊状；将给水厂的终端混凝污泥取回后处理掉杂质后，在105℃下烘干，相邻两次称量间隔时间不小于3h，称量值差小于最小精度0.01g。将高岭土均匀混入干污泥，1.0kg干污泥中混入0.60～0.70kg高岭土，调节混合污泥的含水率为60～65％，用该混合污泥制作粒径为15～18mm和25～28mm的球形陶粒；将制作好的球形陶粒在200℃条件下预热1h，在600～700℃温度条件下烧结120～150min，即得粒径为8～10mm和15-18mm的球形陶粒基质成品。

将制作好的陶粒进行浸泡试验，浸出液的制备：称取20克陶粒试样(以干基计)，置于浸取用的混合容器中，加水200ml；将浸取用的混合容器垂直固定在振荡器上，调节振荡频率为110±10次/min，振幅为40mm，在室温下振荡8h；然后再静置16h。通过过滤装置分离固液相，取水样测其各种污染物的溶出浓度(表5)。结果表明，本发明的人工湿地球形陶粒基质制备方法得到的基质成品仅有微量有机物和重金属的溶出(GB5085.3-1996)，无环境风险。

表5成品基质溶出情况(静态浸泡溶出试验，单位：mg/L)

NH₃-N

TN

TP

COD

Cu

Al

Fe

Cr

Cd

Pb

0.16

0.21

0.02

3.92

ND

0.0800

ND

0.0204

0.0008

ND

注：ND-未检出。

将本发明的陶粒基质用于人工湿地床来处理污水的实验室模型试验：

本实验采用人工配制生活污水，进水水质见表6。将制备得到的不同粒径的陶粒基质在人工湿地床中分层铺放，从下向上分别铺放粒径为8～10mm的基质300mm，粒径为15～18mm的基质300mm，污水在人工湿地处理系统中停留16～24h。实验启动后，按时间全程测量人工湿地的出水水质，运行初期每天取样一次，稳定后每周取样一次，测量指标有COD、NH₃-N、TN和TP。实验运行考察一年内，运行效果良好、稳定，未出现堵塞等问题，并且对各类污染物有高效的去除能力。

表6实验进水和出水水质情况

项目	进水(均值)	出水	去除率(％)
				水温(℃)	19.1	16～25
PH	7	6.2～7.8
				COD(mg/L)	210	＜40	＞80
TP(mg/L)	3.2	＜0.03	＞98
				TN(mg/L)	12.5	＜2	＞80
氨氮(mg/L)	5.0	＜0.5	＞90

如图2所示，试验发现，进水中COD浓度约为210mg/L时，随着运行时间的增加，出水中COD的浓度呈显著下降趋势，40d后达到相对稳定。此时，出水中的COD浓度约为40mg/L，去除率在80％以上。出水效果达到了国家“城镇污水处理厂污水排放标准”(GB18918-2002)一级A标准。

如图3所示，进水TP浓度约为3.2mg/L，运行初期出水中的总磷浓度在0.02mg/L左右。随着时间的增加，出水中的TP浓度略有变化，在1～20d内出水中的TP浓度略有上升；系统稳定后，出水中的TP浓度又降至0.03mg/L左右，去除率约为98％。出水满足国家“城镇污水处理厂污水排放标准”(GB18918-2002)一级A标准。

如图4所示，与总磷的去除规律不同，湿地出水中的氨氮含量呈单调下降趋势。湿地运行初期，出水中的氨氮浓度为4.9mg/L。随着时间的增加，出水中氨氮的浓度逐渐降低。20d后达到相对稳定，此时出水中氨氮浓度约为0.5mg/L。出水效果满足国家“城镇污水处理厂污水排放标准”(GB18918-2002)一级A标准。

如图5所示，总氮的进水浓度约为12.25mg/L，随着湿地系统运行时间的增加，出水总氮的浓度呈显著下降趋势，但受各种因素的影响出水中TN浓度易起伏变化。出水中总氮浓度约为2mg/L，去除率达到80％左右。出水效果满足国家“城镇污水处理厂污水排放标准”(GB18918-2002)一级A标准。

由上述分析可知，本发明的方法制备的基质对污水的处理效果良好，对污水中特征污染物去除能力高，稳定期时的出水效果均达到了国家“城镇污水处理厂污水排放标准”(GB18918-2002)一级A标准。且该球形陶粒基质制作过程简单，处理污水时不宜堵塞，适用各类生活污水、工农业废水和受污染地表水的处理。

Claims

1.一种用于人工湿地的球形陶粒基质，其特征在于，制得的基质采用如下质量比的原料制备而成：高岭土∶污泥＝0.60～0.70∶1。

2.权利要求1所述的基质，其特征在于，所述基质粒径为8～10mm和15～18mm。

3.权利要求1所述的人工湿地陶粒基质的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

3)烧结：将制作好的陶粒在200℃条件下预热1h，然后在600～700℃温度条件下烧结120～150min，得到球形陶粒基质。

4.如权利要求3所述人工湿地陶粒基质的制备方法，其特征在于，所述球形陶粒基质的粒径为8～10mm和15～18mm两种。