CN105036302A - 一种强化吸附磷的生物填料及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化吸附磷的生物填料及其制备方法和用途。本发明用硅藻土和玻璃制备填料的方法，先将硅藻土和玻璃混合，经球磨得到粉体配合料，再经发泡、退火处理得到新型的生物填料；所用的硅藻土为普通的硅质岩石，玻璃可以是废弃的平板玻璃。本发明的主要效果和优点为：制备工艺简单、制成的生物填料对磷具有良好的吸附效果，同时形成的多孔结构有利于生物膜的负载，在解决环保问题的同时获得较高的经济效益。此外，本发明在人工湿地、生物滤池都可以起到良好的效果，具有使用成本低、使用周期长等优点。

Description

一种强化吸附磷的生物填料及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于环保领域，尤其涉及一种强化吸附磷的生物填料及其制备方法和用途。

背景技术

污水处理方式较多，生物膜法的应用优势，膜技术的出现减轻了水污染的现象。随着城市的不断发展，新兴行业不断的出现，环境污染的现象也加速的恶化。因此我国的水处理行业也在根据大环境的发展需要，加速更新技术。污水处理中运用了生物膜技术来缓解企业的水处理压力及污水对人们生活环境的污染。生物填料在污水处理领域，主要用于生物膜工艺，微生物会在填料的表面进行累积，以增大与污水的表面接触，对污水进行降解处理。而在生物膜法中生物填料直接影响到处理效果、投资成本及运作费用。目前国内所使用的填料当中，基本分为以下几大类：活性炭，石英砂，天然沸石，离子交换树脂，蜂房线绕式滤芯，熔喷式滤芯，折叠式滤芯，多面空心球等。

泡沫玻璃是由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等，经过细粉碎和均匀混合后，再经过高温熔化，发泡、退火而制成的无机非金属玻璃材料。由于这种新材料具有防潮、防火、防腐的作用，加之玻璃材料具有长期使用性能不劣化的优点，使其在绝热、深冷、地下、露天、易燃、易潮以及有化学侵蚀等苛刻环境下倍受用户青睐。泡沫玻璃还可以运用于烟道、窑炉和冷库的保温工程，各种气、液、油输送管道的隔热、防水、防火工程，地铁、图书馆、写字楼、歌剧院、影院等各种需要隔音、隔热设备的场所，基础设施建设的隔离、隔音工程，河渠、护栏、堤坝的防漏、防蛀工程等多种领域,被用户称之为绿色环保型绝热材料。现在，泡沫玻璃在国内应用很少，是一种新型的材料，可以作为节能窗玻璃或是建筑围护结构的保温隔热材料。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种强化吸附磷的生物填料，其具体技术方案为：

强化吸附磷的生物填料由粉体配合料经发泡、退火处理制得，生物填料含有发泡的孔隙，体积密度为0.5-0.8g/cm³，比表面积为4.2m²/g以上，孔隙率为50%-70%；粉体配合料的成分和质量份数为：

玻璃粉末：30~40份；

大理石粉末：2~6份；

其中玻璃粉末和大理石粉末均为200目以上的粉末。

作为优选，所述的粉体配合料中还含有硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末，其质量份数为：

硼砂粉末：0.5~1.5份；

十二水磷酸钠粉末：0.5~1.5份；

其中硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末均为200目以上的粉末。

作为进一步的优选，所述的粉体配合料中还含有硅藻土粉末，其质量份数为：

硅藻土粉末：4~8份；

其中硅藻土粉末为200目以上的粉末。

本发明的目的在于提供一种所述生物填料的制备方法，步骤为：将粉体配合料装入模具中，按照以下烧制步骤烧成：以10-15℃/min的升温速率升温至400-500℃，保温20-30min；再以10-15℃/min的升温速率升温至1000-1100℃，保温10-20min；然后以20-30℃/min的降温速率降温至800-900℃，最后自然冷却到常温，得到该生物填料；

其中所述的粉体配合料的成分和质量份数为：

玻璃粉末：30~40份；

大理石粉末：2~6份；

玻璃粉末和大理石粉末均为200目以上的粉末。

作为该制备方法的优选，所述的粉体配合料中还含有硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末，其质量份数为：

硼砂粉末：0.5~1.5份；

十二水磷酸钠粉末：0.5~1.5份；

其中硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末均为200目以上的粉末。

作为该制备方法的进一步优选，，所述的粉体配合料中还含有硅藻土粉末，其质量份数为：

硅藻土粉末：4~8份；

其中硅藻土粉末为200目以上的粉末。

本发明的第三个目的在于提供一种使用所述强化吸附磷的生物填料在处理含磷废水中的用途。

作为上述用途的优选，其具体方法为：将生物填料以每毫克磷投加6g以上生物填料的比例投加在含磷废水中，停留时间为12h以上，使废水中的磷被生物填料所吸附。

作为上述用途的另一种优选，其具体方法为：将生物填料填充于人工湿地中，使待处理废水通过该生物填料，通过生物填料自身的吸附性能对废水中的磷进行处理；继续将生物填料置于湿地中待其挂膜，挂膜后通过微生物进一步对废水中的氮、磷及有机物进行处理。

本发明的第四个目的在于提供另一种所述强化吸附磷的生物填料的用途，即将上述填充于人工湿地中，处理完废水且失效的生物填料磨成粉末，作为土壤改良剂抛洒或翻耕于土壤中。

本发明的有益效果为：

（1）本发明利用硅藻土具有一定的吸附性，配合大理石分解发泡，以硅藻土和玻璃为主要成分制得的多孔材料，可应用于水处理中的生物填料。其中，生物填料的生产过程不产生二次污染物，环境友好；制备工艺简单、生产成本不高，在解决环保问题的同时获得较高的经济效益，达到一个变废为宝的效果。

（2）制备的生物填料含有发泡的孔隙，填料密度小于水，具有和常用空心悬浮球填料一样的悬浮特性,流化性好，费用低。且填料的比表面积大、孔隙率高，使填料的吸水率在30%-65%之间，化学稳定性强，耐酸度在99.5%以上；具有强度较高耐冲击、导热率低、比表面积大，不易老化、耐腐蚀、无放射性、尺寸稳定性好等特点。

（3）该填料相比于其它填料，对磷有良好的吸附效果。该填料应用于人工湿地、生态滤池等工艺中，适合微生物生长，挂膜时间短的优点。

（4）该填料在进行人工湿地处理失效后，还能用于制备土壤改良剂，实现多重利用。

具体实施方式

本发明的制备方法中创新性的利用硅藻土具有的吸附性，配合玻璃在大理石发泡的情况下，制作成的生物填料除了具有填料本身的特性外，还对水中的磷具有良好的吸附此效果。这是对生物填料的一种改进，并且提供了新的泡沫玻璃的应用领域。吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面的固体物质对水中磷酸根离子的吸附亲和力，来实现对废水的除磷过程。

本发明中所用的硅藻土为普通的硅质矿石；所用的玻璃可以是废弃的平板玻璃、压花玻璃、瓶罐玻璃或阴极射线管玻璃等进行回收利用。硼砂用作助熔剂，能增大发泡温度范围，使样品在更大的温度区间内发泡;改善气孔结构，使孔径均匀、细小，提高成品的强度;改善制品光泽，使泡沫玻璃的外观性状更为美观。十二水磷酸钠是稳泡剂，能增大发泡温度范围，减少连通孔，提高制品的热学性能、机械强度和成品率。硅藻土具有一定的吸附性，配合大理石分解发泡，以硅藻土和玻璃为主要成分制得的对孔材料，可应用于水处理中的生物填料。

实施例1：

将废玻璃和大理石磨至200目以上，取18g玻璃粉末和2g大理石粉末混合后得到粉体配合料，用于经发泡、退火处理制备生物填料。废玻璃可以是废弃的平板玻璃、压花玻璃、瓶罐玻璃或阴极射线管玻璃等。生物填料的具体制备方法为：

将上述制得的粉体配合料堆积到箱式电阻炉中的模具中，粉体配合料在箱式电阻炉中经预热、升温加热和发泡加热后进行快速冷却制得烧结发泡加热物，然后将烧结发泡加热物从电阻炉中取出后自然冷却至室温即可以得到具有吸附效果的生物填料，具体温度控制情况为：自室温以15℃/min的升温速率升温至500℃，保温30min；再以10℃/min的升温速率升温至1000℃，保温20min；然后以20℃/min的降温速率降温至900℃，最后自然冷却到常温25℃，得到该生物填料。该填料的形态为：填料的表面和内部充满微小、连通或封闭的气孔。填料整体机械强度较强。填料含有发泡的孔隙，在多次烧结过程中，由于电阻炉本身热量散布不均匀，因此烧结得到的填料性质略微存在差异，但总体上：填料的体积密度在0.5-0.8g/cm³之间，比表面在4.2m²/g以上，孔隙率在50%-70%之间。烧结得到的填料吸水率在30%-65%之间，耐酸度在99.5%以上，具有优异的化学稳定性。而且填料密度小于水，具有和常用空心悬浮球填料一样的悬浮特性,流化性好,不易堵塞,设备简单,造价低,运行费用低。

通过以下试验验证其对废水中磷的吸附效果：

含磷废水的制备：取2个烧杯中配制100ml的含磷废水，其中磷酸氢钾的浓度为10mg/L混合均匀后，静置。

2个烧杯中一个放入6g生物填料、剩余一个为对照组，2个烧杯用保鲜膜密封。每隔12小时，对两组的废水中的磷浓度进行测量，试验共进行36小时，测定采用钠氏试剂分光光度法。试验结果如下表所示：

实施例1的废水在不同时段的磷浓度单位mg/L

由此表明，填料对废水中的磷具有明显且快速的吸收能力。因此该强化吸附磷的生物填料可用于处理含磷废水。处理方法有两种：

第一种方法为：将生物填料以每毫克磷投加6g以上生物填料的比例直接投加在含磷废水中（根据其吸附饱和量进行计算得到），停留时间为12h以上，通过生物填料自身的吸附性能对废水中的磷进行处理，使废水中的磷被生物填料所吸附。

第二种方法为：将生物填料填充于人工湿地的填料层中，使待处理废水通过该生物填料，首先通过生物填料自身的吸附性能对废水中的磷进行初步处理，降低其初始浓度；然后继续将生物填料置于湿地中，使微生物在填料表面生长，待其挂膜后通过微生物进一步对废水中的氮、磷及有机物进行处理。

基于上述第二种方法，该强化吸附磷的生物填料可以实现另外一种用途，即将上述填充于人工湿地中处理完废水且失效的生物填料，即填料对废水的处理能力无法满足人工湿地要求后，将其取出，并将其磨成粉末，作为土壤改良剂抛洒或翻耕于土壤中。

实施例2

将废玻璃、大理石、硼砂和十二水磷酸钠磨至200目以上，取18g玻璃粉末、2g大理石粉末、0.5g硼砂粉末和0.5g十二水磷酸钠粉末混合后得到粉体配合料，用于经发泡、退火处理制备生物填料。生物填料的具体制备方法与实施例1相同，但具体温度控制情况存在差异。

本实施例中温度控制为：自室温以10℃/min的升温速率升温至400℃，保温20min；再以15℃/min的升温速率升温至1100℃，保温10min；然后以30℃/min的降温速率降温至800℃，最后自然冷却到常温，得到该生物填料。烧结得到的填料基本理化性质与实施例1大致相同。

同样按照实施例1试验方法对本例中制备的生物填料的吸附效果进行验证，结果如下：

实施例2的废水在不同时段的磷浓度单位mg/L

本实施例的处理效果要高于实施例1，由此可见硼砂和十二水磷酸钠的加入改善了填料对磷的吸附性能。

同样的，该强化吸附磷的生物填料可用于处理含磷废水。处理方法也与实施例1相同，可以直接投加或者作为人工湿地填料。处理完废水且失效的生物填料可以磨成粉末，作为土壤改良剂抛洒或翻耕于土壤中。

实施例3

将废玻璃、大理石、硼砂、十二水磷酸钠和硅藻土磨至200目以上，取18g玻璃粉末、2g大理石粉末、0.5g硼砂粉末、0.5g十二水磷酸钠粉末和3g硅藻土粉末混合后得到粉体配合料。具体制备方法与实施例1相同。同样按照实施例1试验方法对本例中制备的生物填料的吸附效果进行验证，结果如下：

实施例3的废水在不同时段的磷浓度单位mg/L

本实施例的处理效率明显高于前两个实施例。同样的，该强化吸附磷的生物填料可用于处理含磷废水。处理方法也与实施例1相同，可以直接投加或者作为人工湿地填料。处理完废水且失效的生物填料可以磨成粉末，作为土壤改良剂抛洒或翻耕于土壤中。

对比例1

本实施例利用市场上买到的江苏晶瑞特环保新材料有限公司生成的玻璃轻石（与本发明的填料相似），按照实施例1的试验方案验证其对废水中磷的吸附效果，得到的实验结果：

对比例1的废水在不同时段的磷浓度单位mg/L

由此表明市售的泡沫玻璃几乎没有对废水中磷的吸附能力。本发明的相对于现有的发泡玻璃对废水中磷具有较好的吸附能力，是一种环保、低成本的新型吸附材料。

Claims (10)

1.一种强化吸附磷的生物填料，其特征在于，它由粉体配合料经发泡、退火处理制得，生物填料含有发泡的孔隙，体积密度为0.5-0.8g/cm³，比表面积为4.2m²/g以上，孔隙率为50%-70%；粉体配合料的成分和质量份数为：

玻璃粉末：30~40份；

大理石粉末：2~6份；

其中玻璃粉末和大理石粉末均为200目以上的粉末。

2.如权利要求1所述的强化吸附磷的生物填料，其特征在于，所述的粉体配合料中还含有硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末，其质量份数为：

硼砂粉末：0.5~1.5份；

十二水磷酸钠粉末：0.5~1.5份；

其中硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末均为200目以上的粉末。

3.如权利要求2所述的强化吸附磷的生物填料,其特征在于，所述的粉体配合料中还含有硅藻土粉末，其质量份数为：

硅藻土粉末：4~8份；

其中硅藻土粉末为200目以上的粉末。

4.一种如权利要求1所述生物填料的制备方法，其特征在于，将粉体配合料装入模具中，按照以下烧制步骤烧成：以10-15℃/min的升温速率升温至400-500℃，保温20-30min；再以10-15℃/min的升温速率升温至1000-1100℃，保温10-20min；然后以20-30℃/min的降温速率降温至800-900℃，最后自然冷却到常温，得到该生物填料；

其中所述的粉体配合料的成分和质量份数为：

玻璃粉末：30~40份；

大理石粉末：2~6份；

玻璃粉末和大理石粉末均为200目以上的粉末。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的粉体配合料中还含有硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末，其质量份数为：

硼砂粉末：0.5~1.5份；

十二水磷酸钠粉末：0.5~1.5份；

其中硼砂粉末和十二水磷酸钠粉末均为200目以上的粉末。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的粉体配合料中还含有硅藻土粉末，其质量份数为：

硅藻土粉末：4~8份；

其中硅藻土粉末为200目以上的粉末。

7.一种使用如权利要求1-3中任一权利要求所述强化吸附磷的生物填料在处理含磷废水中的用途。

8.一种如权利要求7所述的用途，其特征在于，其方法为：将生物填料以每毫克磷投加6g以上生物填料的比例投加在含磷废水中，停留时间为12h以上，使废水中的磷被生物填料所吸附。

9.一种如权利要求7所述的用途，其特征在于，其方法为：将生物填料填充于人工湿地中，使待处理废水通过该生物填料，通过生物填料自身的吸附性能对废水中的磷进行处理；继续将生物填料置于湿地中待其挂膜，挂膜后通过微生物进一步对废水中的氮、磷及有机物进行处理。

10.一种如权利要求1-3中任一权利要求所述强化吸附磷的生物填料的用途，其特征在于，将权利要求9中处理完废水且失效的生物填料磨成粉末，作为土壤改良剂抛洒或翻耕于土壤中。