CN104628138A

CN104628138A - 一种高效脱氮除磷的人工湿地填料及其制备方法

Info

Publication number: CN104628138A
Application number: CN201510028785.8A
Authority: CN
Inventors: 朱洪涛; 孙德智; 苏靖雅
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-05-20

Abstract

本发明涉及一种高效脱氮除磷的人工湿地填料及其制备方法，属于水处理材料制备领域。用于制备填料的各种原料为：沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土、水泥、发泡剂和水余量。制备方法为：将上述各种原料分别进行特定步骤的预处理，然后按照最优比例混合均匀，并加水搅拌成团；将搅拌好的浆料制成粒径为10mm左右的球型颗粒；成型后一定温度下风干。本发明中钢渣具有对磷高效去除的特性，同时利用椰壳纤维具有弱酸性的特征，中和钢渣释放的碱性，从而大幅降低钢渣对沸石吸附NH₄ ⁺的抑制能力。该人工湿地复合填料可实现钢渣、椰壳纤维等的资源化利用，降低污水的处理成本，实现社会效益、经济效益及环境效益的统一。

Description

一种高效脱氮除磷的人工湿地填料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于人工湿地污水处理的填料，特别是涉及一种高效脱氮除磷的人工湿地填料及其制备方法。

背景技术

人工湿地作为一种污水生态处理工艺，因其建造及运转费用低、维护简单、适用面广、对负荷变化的适应能力强等特点，广泛建立用于处理城市生活污水、工农业生产废水等领域。

基质、植物和微生物是人工湿地去除污染物的三个主要因素。填料是人工湿地的基质与载体，在为植物根系提供物理支撑、为微生物提供生长环境、以及为污染物提供反应界面和区域的同时，也能通过离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用及沉降反应对污染物直接去除。大量研究表明，填料的吸附作用和填料中微生物的作用是去除污水中氮、磷的主要途径。因此，填料的选择和级配对于人工湿地污水处理系统的运行效果具有重要意义。

目前，人工湿地填料主要为无机材料，如沸石、钢渣、粉煤灰等。这些无机材料不能为湿地系统提供一定的碳源，导致在人工湿地运行期间需要使用外加碳源保证微生物反应的进行。另外，不同的无机填料在吸附特性上有不同的优势，若单一运用某种无机填料作为人工湿地基质，则不能有效同时去除污水中不同的污染物。因此，采用复合填料作为人工湿地的基质是提高湿地系统去除效果的重要途径。

针对人工湿地填料已有大量研究。解清杰等人公开了一种六棱柱体的人工湿地填料砖，该发明与传统长方体填料砖相比，可有效解决水流直下、水体短路、填料堵塞等问题(申请号201210426416.0)。王晓等人设计了一种内部开孔的长方体人工湿地填料砖，大大提高了填料的比表面积，增大了微生物的生长空间(申请号201210353706.7)。丁辉等人发明了一种中空球形多孔填料，填料由两个外直径相等的空心半球组成(申请号201010594065.5)。上述专利虽对填料的形态及铺设方式进行了创新和改良，但对氮磷的去除效果没有明显提高。因此，提高氮磷去除效果的关键是优化填料的组成。

郑展望等人将斜发沸石、红壤、腐殖质组成复合填料，利用该复合填料的人工湿地系统具有对氮的去除能力(申请号200810120258.X)。吴振斌等人利用聚乙烯醇凝胶和丝瓜络固化好氧反硝化细菌，制得具有多聚体化合物孔隙的人工湿地填料，达到了提高人工湿地系统脱氮效率的目的(申请号201320576702.5)。上述专利均有效提高了人工湿地系统对污水中氮的去除效果，但并没有同时解决对磷的去除问题。张后虎等人将矿化垃圾材料与Al盐混凝剂应用后脱水污泥配置制成粒径5-50mm的填料，利用填料中Ca、Al和Fe含量高的特征，提升了对污水中磷的吸附能力(中请号201110138826.0)。樊蓓莉等人使用钢渣-糠醛渣组合基质作为复合基质填料，其中钢渣的碱性可通过与糠醛渣的酸性中和得到缓解，而钢渣中所含钙镁氧化物与水反应产生的氢氧化物可使糠醛渣改性而提高吸附力，所用填料可大大提高除磷效率(申请号201320811962.6)。杨立君等人采用牡蛎壳、火山灰加膨化剂烧结块和活性炭制成湿地填料，其中牡蛎壳作为一种天然的生物钙质材料可以释放钙离子与污水中的磷酸根离子进行化学交换，火山灰加膨化剂烧结块和活性炭具有较强的吸附能力(申请号200810141960.4)。李旭东等人将粉煤灰、石膏、磷石膏、水泥及铝粉等混合制成填料，对污水中磷的去除有较好的效果(申请号201410005588.X)。上述专利中虽解决了湿地系统对磷的去除，但却没有同时提高氮的去除效率。吴文伶等人将改性粉煤灰、粉煤灰、水泥等按比例制得长方形人工湿地填料，改性粉煤灰是由粉煤灰与氢氧化钠溶液混合加热后制得，改性后表面呈现多空形态，增加了其比表面积，从而提高吸附能力(申请号201210198180.X)。但该专利中所使用的粉煤灰对磷的吸附效果不如钢渣。朱亮等人利用钢渣、无烟煤、沸石和粘合剂制得复合填料，对氮、磷的去除均有良好的效果(中请号201210100733.3)。王小江等人运用沸石、钢渣、石灰石的组合作为湿地基质，对氮、磷同样有良好的去除效果(中请号201320514991.6)。上述两项专利解决了同时脱氮除磷的问题，但并未提及钢渣的强碱性对沸石吸附能力的影响。中请人实验研究证明钢渣与沸石共存时会严重抑制沸石对氨氮的吸附作用，这是由于钢渣具有强碱性，在对污水进行处理时，会释放大量的OH，游离的OH会与水中的NH₄ ⁺生成NH₃·H₂O，而沸石对NH4+的吸附能力较强，对NH₃·H₂O并无吸附能力，因此污水中的氨氮只能以NH₃·H₂O的形态存在于污水中，无法通过填料的吸附作用去除。故该问题在工程应用上是绝对不能回避的。综上所述，在现有的人工湿地填料中，仍没有一种填料能够达到同时高效脱氮除磷的目的。因此，本发明旨在利用现有填料制备一种可以同时高效脱氮除磷的新型人工湿地填料。椰壳纤维属于弱酸性材料，经过一定预处理后在水中可释放H⁺，与钢渣的释放的OH中和，降低水中的OH浓度，从而使氨氮以NH₄ ⁺的形态存在于水中，沸石便可发挥其对NH₄ ⁺强大的吸附作用，大大缓解了对沸石的抑制作用。同时，椰壳纤维遇水膨胀，还可以起到成孔作用，并在反硝化过程中提供C源。

申请人的前期研究表明，沸石与钢渣分别对氮和磷有较强的吸附能力。沸石是一种天然的、含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物，具有吸附性、离子交换性和耐酸耐热等特性，能够有效吸附水中的氨氮，其理论饱和吸附量为2388.92mg/kg，因而适宜应用于人工湿地中。钢渣不仅具有巨大的比表面积，而且含有大量的Ca、Al、Fe等金属氧化物，对水体中的磷具有较强的吸附与反应能力，其理论饱和吸附量为2863.69mg/kg。目前我国钢渣的年排放量达1600万吨以上，但其循环利用率仅为10％左右，亟待开发更丰富的钢渣循环利用途径。

虽然沸石与钢渣单独处理污水时分别在去除氮、磷方面有较好的效果。然而，中请人的研究表明，沸石与钢渣同时处理污水时，由于钢渣具有较强的碱性，严重抑制沸石对氨氮的吸附。椰壳纤维具有弱酸性，经过预处理后可中和钢渣的强碱性，可与沸石、钢渣进行优化组合，避免对沸石吸附氨氮过程的抑制。同时，椰壳纤维是良好的成孔剂，并可以为人工湿地系统提供碳源。

椰壳纤维主要由纤维素、木质素、半纤维素以及果胶物质等组成，是一种价廉、质轻的天然纤维，资源丰富。由于椰壳纤维具有可降解性，对生态环境不会造成危害。现有的椰壳纤维主要用于生产绳索、坐垫、地毯和编织物等，其余或被当做燃料，或被自然遗弃，不仅浪费资源，还造成了环境污染。本发明利用椰壳纤维的弱酸性特点，有效解决钢渣的强碱性对氨氮去除的抑制问题。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种人工湿地的高效脱氮除磷填料及其制备方法，以解决沸石与钢渣的填料组合对污水中氮的处理效果差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

所述填料的原料为：沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土、水泥和发泡剂。其各组分的重量百分比例为：沸石35％～40％，钢渣15％～20％，椰壳纤维10％～15％，高岭土20％～25％，水泥5％～10％，发泡剂1％。该填料为球型颗粒。

所述水泥为普通硅酸盐水泥。

所述发泡剂为k12-AOS稳定剂。

所述填料的粒径为10mm左右。

所述填料的比表面积为14.0～17.0m²/g。

所述填料的孔隙率为22％～30％。

所述填料的氨氮吸附量为330～360mg/kg，总磷吸附量为80～110mg/kg。

这种高效脱氮除磷的人工湿地填料的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土的块状原料分别经破碎，使其粒径不大于100目；

(2)经破碎后椰壳纤维进一步经弱氧化性溶液(如不超过5mM浓度次氯酸钠、过氧化氢、稀硝酸等)进行预处理。

(3)常温下，将经过预处理后的活化沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土，和发泡剂按照最优比例混合均匀，并加水搅拌成团；

(4)将搅拌好的浆料制成粒径为10mm左右的球型颗粒；

(5)成型后一定温度下风干。

所述水泥粉状原料直接使用。

所述发泡剂制成重量百分比浓度为2％的溶液。

本发明的制备原理如下：

钢渣在处理废水时释放大量的OH和Ca²，抑制沸石对氨氮的吸附。椰壳纤维属于弱酸性材料，可与钢渣的碱性中和从而缓解对吸附氨氮的抑制作用。椰壳纤维同时还可以起到成孔作用，并在反硝化过程中提供C源。

本发明具有以下优点：

1、本发明解决了沸石、钢渣填料组合对氨氮吸附效率低的问题，解决了反硝化碳源的问题，能够同时高效去除污水中氮、磷元素，满足污水处理后的排放要求。

2、本填料含有大量均匀而细小的气孔，大大增加了其孔隙率与比表面积，可进行充分的吸附反应，并有利于微生物生长与污染物的截留。

3、填料生产周期短，生产成本低，机械化程度高，方便人工湿地填料的工程施工。

4、填料具有较高的强度，能够满足人工湿地填料受水流长期冲击的要求。

5、本发明将钢渣和椰壳纤维再利用，为其资源化提供了一条新途径。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述。

本发明的高效脱氮除磷的人工湿地填料的制备方法，其步骤为：

(2)经破碎后椰壳纤维进一步经弱氧化性溶液(如不超过5mM浓度次氯酸钠、过氧化氢、稀硝酸等)进行预处理，时间一般不少于10分钟；

(3)常温下，将经过预处理后的沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土，和发泡剂按照最优比例混合均匀，并加水搅拌成团；

(4)将搅拌好的浆料制成粒径为10mm左右的球型颗粒；

(5)成型后一定温度下风干。

实施例1

制备步骤同上所述。填料的组分及各组分的重量百分比例为：沸石36％，钢渣18％，椰壳纤维15％，高岭土25％，水泥5％，发泡剂1％。

实施例1所述填料的比表面积为14.91m²/g，孔隙率为24.12％。将制得填料模拟人工湿地处理某城市面源污水，进出水水质比较如表1所示。

表1实施例1所述填料处理某城市面源污水进出水水质比较

实施例1所述填料对氨氮的吸附容量为326.4mg/kg，对总磷的吸附容量为82.4mg/kg。

实施例2

制备步骤同上所述。填料的组分及各组分的重量百分比例为：沸石40％，钢渣20％，椰壳纤维12％，高岭土20％，水泥10％，发泡剂1％。

实施例2所述填料的比表面积为17.70m²/g，孔隙率为26.77％。将制得填料模拟人工湿地处理某城市面源污水，进出水水质比较如表2所示。

表2实施例2所述填料处理某城市面源污水进出水水质比较

实施例2所述填料对氨氮的吸附容量为330.2mg/kg，对总磷的吸附容量为90.5mg/kg。

Claims

1.一种高效脱氮除磷的人工湿地填料，其特征在于该填料主要由沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土、水泥和发泡剂按下述重量百分比组成：

沸石约占35％～40％，钢渣约占15％～20％，椰壳纤维约占10％～15％，高岭土约占20％～25％，水泥约占5％～10％，发泡剂约占1％。

2.根据权利要求1所述的一种高效脱氮除磷的人工湿地填料，其特征在于所述活化沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土的块状原料需分别经破碎，使其粒径不大于100目。

3.根据权利要求2所述椰壳纤维，其特征在于经破碎后还需要进一步经过弱氧化性溶液进行预处理。

4.根据权利要求3所述弱氧化性溶液，包括但不限于不超过5mM浓度的下列溶液：次氯酸钠、过氧化氢、稀硝酸等。

5.根据权利要求1所述的一种高效脱氮除磷的人工湿地填料，其特征在于所述水泥为普通硅酸盐水泥。

6.根据权利要求1所述的一种高效脱氮除磷的人工湿地填料，其特征在于所述发泡剂为k12-AOS稳定剂。

7.根据权利要求1所述的一种高效脱氮除磷的人工湿地填料，其特征在于所述填料的孔隙率为22％～30％。

8.一种如权利要求1所述的一种高效脱氮除磷的人工湿地填料的制备方法，其特征在于该制备步骤如下：

(1)常温下，将经过预处理后的沸石、钢渣、椰壳纤维、高岭土，和发泡剂按照最优比例混合均匀，并加水搅拌成团；

(2)将搅拌好的浆料制成粒径为10mm左右的球型颗粒；

(3)成型后一定温度下风干。