CN105597696B - 一种核壳结构生物填料及其制备方法 - Google Patents

一种核壳结构生物填料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核壳结构生物填料及其制备方法。原料：按质量分数计，包括活性污泥20％～30％、除臭菌剂0.2～1％、竹炭粉15％～25％、铁红2％～5％、氧化钙8％～15％和硅酸盐类无机凝胶35％～50％；将活性污泥、除臭菌剂和总量15～35％的硅酸盐类无机凝胶混合后进行挤压造粒，然后风干，得骨料；将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀后得粉料；将骨料放入成球盘中，在随成球盘转动的过程中边撒入粉料边喷水，喷水量为原料总质量的5～20％，使得粉料逐渐包裹在骨料表面得初养核壳填料，经过养护后，得到核壳结构生物填料。其具有生物启动周期短、酸碱缓冲能力强、生化反应速率快的优点。

Description

一种核壳结构生物填料及其制备方法
技术领域
本发明属于大气污染控制领域，具体涉及一种用于恶臭气体降解的核壳结构生物填料及其制备方法。
背景技术
新的恶臭排放标准发布在即，受控指标增加，排放限值收严，如何确保将来恶臭及臭气浓度达标，亟需对现有除臭技术进行升级改造，使之适应新的排放标准要求。生物过滤技术作为应用最广的除臭方法首当其冲，而生物填料在整个技术中起着关键作用，其既是微生物生长的支撑载体，又是气液两相的传质介质，其性能直接影响到废气的净化效果，因此针对新型生物填料的开发十分必要。
目前生物填料按照组成特征可以分为无机填料、有机填料和混合填料。常见的无机填料包括陶粒、火山岩、竹炭、煤渣、珍珠岩等；有机填料包括木屑、泥炭、有机肥、土壤、树皮等；混合填料就是由几种不同无机和有机填料，按一定比例和排布方式，经过简单的物理混合而成。由于无机填料自身不含微生物生长所需的养分，在运行过程中需要定期额外补充营养物质和pH调节剂；有机填料则存在机械强度不高，容易引起床体压实，导致运行阻力增大；而混合填料可以弥补单一组分填料的缺陷，充分发挥各填料的优势，是目前应用较多的填充方式。但在实际工程应用中仍存在比例难以控制、混合难以均匀等问题，增加了填料装填的复杂性。
近年来，将多种基本材料按一定比例复合成为新型填料开发的一种新趋势，该填料具有比表面积大、孔隙率高、机械强度高、富含营养成分、自动调节PH、固定除臭菌等特性。复合填料的研发正处于刚起步阶段，距离工业实践应用还有一定距离，需要进一步研究。
发明内容
针对现有混合填料不足，本发明的目的在于提供一种具有生物启动周期短、酸碱缓冲能力强、生化反应速率快的核壳结构生物填料及其制备方法。
本发明的核壳结构生物填料是通过以下方法制备的，该方法包括以下步骤：
原料：按质量分数计，包括活性污泥20％～30％、除臭菌剂0.2～1％、竹炭粉15％～25％、铁红2％～5％、氧化钙8％～15％和硅酸盐类无机凝胶35％～50％；
a、将活性污泥、除臭菌剂和总量15～35％的硅酸盐类无机凝胶混合后进行挤压造粒，然后风干，得骨料；
b、将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀后得粉料；
c、将骨料放入成球盘中，在随成球盘转动的过程中边撒入粉料边喷水，喷水量为原料总质量的5～20％，使得粉料逐渐包裹在骨料表面得初养核壳填料，经过养护后，得到核壳结构生物填料。其粒径为15～20mm，堆积密度：1000～1200kg/m3，孔隙率为50％～60％。
所述的活性污泥为城市污水处理厂活性污泥，优选为含水量约80％的活性污泥。
所述的除臭菌剂是指含有除臭菌的菌剂，为干粉状，如包含有硫氧化菌、氨氧化菌、VOCs降解菌中的一种或几种的组合菌的菌剂。
所述的将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀后得粉料优选是将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀后经200目筛子筛分后得粉料。
所述的养护优选其自然养护15～20天。
本发明的核壳结构生物填料其包裹外壳除具备吸附和催化生化功能外，还具备相应的强度和耐候性，达到工程应用的要求。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用城市污水处理厂活性污泥作为骨料制备的原料，取材容易，成本低，实现了固体废弃物资源化利用。
2、将活性污泥与除臭菌种混合，可以为除臭菌种的保存和生长提供所必须的水分和营养物质，大大缩短除臭菌种的启动时间，从而提高臭气处理效率。
3、本发明在制备工艺上采用了免烧结工艺，可以防止污泥中有机质在高温下燃烧丢失以及除臭菌种在高温下失活，相对与烧结工艺，具有设备投资少、工艺路线简单、耗能低及环境污染小等优点。
4、本发明采用氧化钙、竹炭粉、铁红及硅酸盐类无机凝胶作为包裹原料，其中氧化钙与水反应生成碱性氢氧化钙，可以增强填料的pH调节能力，延缓填料的酸化时间；竹炭粉具有较大的比表面积，可以大大提高填料对恶臭气体的吸附能力；铁红主要成分为三氧化二铁，在水中电离出的Fe3+可以加快硫杆菌的生化反应速率，促进含硫恶臭气体的去除速率；将氧化钙、竹炭粉、铁红和硅酸盐类无机凝胶混合包裹在骨料污泥表面形成壳，使得这层壳集吸附、催化及pH调控功能于一体。
5、本发明的核壳结构生物填料，将除臭菌剂固定在核中的活性污泥里，壳层含有吸附剂、催化剂、pH调节剂等，根据“双膜理论”，恶臭物质首先被壳层的吸附剂竹炭粉吸附，然后在催化剂铁红的催化作用下，恶臭物质被核内的除臭菌剂快速降解，通过核壳的内外协同作用，可以大大提高臭气净化速率。
附图说明：
图1为不同填料挂膜过程中启动时间与H2S去除率变化曲线；其中，■为核壳生物填料挂膜过程中H2S去除率变化曲线；●为竹炭填料挂膜过程中H2S去除率变化曲线；★为陶粒生物填料挂膜过程中H2S去除率变化曲线。
图2为不同填料挂膜过程中pH值随时间的变化曲线；其中，■为核壳结构生物填料挂膜过程中H2S去除率变化曲线；▲为竹炭挂膜过程中H2S去除率变化曲线；●为陶粒挂膜过程中H2S去除率变化曲线。
图3为不同填料挂膜15天后的扫描电镜照片；其中(a)为核壳结构生物填料；(b)为竹炭；(c)为陶粒。
图4为不同填料挂膜过程中(a)甲苯、(b)乙苯及(c)二甲苯去除率随时间的变化曲线；其中，■为核壳结构生物填料挂膜过程中(a)甲苯、(b)乙苯及(c)二甲苯去除率变化曲线；▲为竹炭挂膜过程中(a)甲苯、(b)乙苯及(c)二甲苯去除率变化曲线；●为陶粒挂膜过程中(a)甲苯、(b)乙苯及(c)二甲苯去除率变化曲线。
图5为本发明的核壳生物填料的结构示意图，其中1、核；2、壳。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
原料：按质量分数计，包括含水率80％的城市污水处理厂的活性污泥25％、除臭菌剂1％、竹炭粉20％、铁红4％、氧化钙10％和硅酸盐类无机凝胶(华润水泥，P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥)40％，所述的除臭菌剂可以为硫氧化菌、氨氧化菌、VOCs降解菌中的一种或几种的组合菌，本实施例中采用的是硫氧化菌菌剂，成粉末状；
a、将活性污泥、除臭菌剂和总量25％的硅酸盐类无机凝胶混合后进行挤压造粒，颗粒粒径为10～15mm，然后放在通风环境下风干6天，得骨料；
b、将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀经200目筛子筛分后得粉料；
c、将骨料放入成球盘中，在随成球盘转动的过程中边撒入粉料边喷水，喷水量为原料总质量的10％，使得粉料逐渐包裹在骨料表面得初养核壳填料，然后经过15～20天的自然养护后，填料强度和耐候性达到工程应用的要求，得到核壳结构生物填料，其结构如图5所示，包括外层的壳2和内部的核1。其粒径为15～20mm，堆积密度：1000～1200kg/m3，孔隙率为50％～60％。
将制备的核壳结构生物填料与传统填料竹炭和陶粒分别装在生物滤池反应器中，用于处理恶臭气体硫化氢，反应器高400mm，内径140mm，填料高度250mm，控制三个反应柱中硫化氢的进气浓度在80～200mg/m3，气体在各填料柱的空床停留时间为10s。图1是三种填料挂膜启动时间与H2S去除率变化曲线；图2是三组填料挂膜过程中pH值随时间的变化曲线；图3是三组填料挂膜15天后的扫描电镜照片。
从图1可以看出，三组填料挂膜启动期刚开始时，竹炭对硫化氢的去除率达到85％，核壳结构生物填料(图中的核壳结构生物填料)为80％，陶粒为65％，表明三组填料都具有一定吸附性，核壳结构生物填料和竹炭具有更大的比表面积。随着挂膜启动期延长，三组填料对硫化氢的去除率都出现先降后升的趋势，这是由于开始由于被吸附的硫化氢未能及时被分解，导致填料吸附能力降低，因此三种填料对硫化氢的去除率出现下降；随着填料表面微生物的增加，吸附孔道中的硫化氢分子被降解，因而硫化氢的去除率不断升高。
核壳结构生物填料挂膜启动后的10～22d内，对硫化氢的去除率趋于稳定，接近98％，竹炭在接种菌种后的17～20d内，对硫化氢的去除率趋于稳定，接近97％；陶粒在接种菌种后的25～30d内，对硫化氢的去除率趋于稳定，接近98％。由此表明本发明的核壳结构生物填料在快速启动性能上要明显优于竹炭和陶粒。
当反应运行到第32d，硫化氢的浓度突然从99mg/m3增加到189mg/m3后，核壳结构生物填料、竹炭及陶粒对硫化氢的去除率分别从99％、99％和100％下降到90％、85％和74％；当反应运行到第46d时，硫化氢的浓度突然从98mg/m3增加到193mg/m3后，核壳结构生物填料、竹炭及陶粒对硫化氢的去除率分别从99％、98％和98％下降到90％、90％和81％，由此表明核壳结构生物填料耐负荷冲击能力更强。
从图2可以看出，随着时间的推移，三种填料中循环喷淋液的pH值都不断下降，相比于竹炭和陶粒，本发明的核壳结构生物填料可在较长的时间内实现系统pH稳定。
从图3可以看出，本发明的核壳结构生物填料可观察到的微生物数量明显多于竹炭和陶粒，表明已经在核壳结构生物填料表面形成了较好的生物膜，由此可以看出核壳结构生物填料更有利于除臭微生物的生长繁殖。
实施例2：
原料：按质量分数计，包括含水率80％的城市污水处理厂的活性污泥20％、除臭菌剂0.2％、竹炭粉25％、铁红2％、氧化钙15％和硅酸盐类无机凝胶37.8％，所述的除臭菌剂可以为硫氧化菌、氨氧化菌、VOCs降解菌中的一种或几种的组合菌，本实施例中采用的是硫化细菌菌剂，成粉末状；
a、将活性污泥、除臭菌剂和总量15％的硅酸盐类无机凝胶混合后进行挤压造粒，颗粒粒径为10～15mm，然后放在通风环境下风干5天，得骨料；
b、将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀经200目筛子筛分后得粉料；
c、将骨料放入成球盘中，在随成球盘转动的过程中边撒入粉料边喷水，喷水量为原料总质量的5％，使得粉料逐渐包裹在骨料表面得初养核壳填料，然后经过15～20天的自然养护后，填料强度和耐候性达到工程应用的要求，得到核壳结构生物填料。其粒径为15～20mm，堆积密度：1000～1200kg/m3，孔隙率为50％～60％。
本实施例的核壳结构生物填料按照实施例1的方法测试其对硫化氢的去除效果，结果发现，本发明的核壳结构生物填料在快速启动性能上要明显优于竹炭和陶粒、耐负荷冲击能力强、在较长时间内系统pH值稳定，其更有利于除臭微生物的生长繁殖。
实施例3：
原料：按质量分数计，包括含水率80％的城市污水处理厂的活性污泥21％、除臭菌剂1％、竹炭粉15％、铁红5％、氧化钙8％和硅酸盐类无机凝胶50％，所述的除臭菌剂可以为硫氧化菌、氨氧化菌、VOCs降解菌中的一种或几种的组合菌，本实施例中采用的是硫氧化菌、氨氧化菌、VOCs降解菌三种菌的混合菌剂，成粉末状；
a、将活性污泥、除臭菌剂和总量35％的硅酸盐类无机凝胶混合后进行挤压造粒，颗粒粒径为10～15mm，然后放在通风环境下风干7天，得骨料；
b、将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀经200目筛子筛分后得粉料；
c、将骨料放入成球盘中，在随成球盘转动的过程中边撒入粉料边喷水，喷水量为原料总质量的20％，使得粉料逐渐包裹在骨料表面得初养核壳填料，然后经过15～20天的自然养护后，填料强度和耐候性达到工程应用的要求，得到核壳结构生物填料。其粒径为15～20mm，堆积密度：1000～1200kg/m3，孔隙率为50％～60％。
本实施例的核壳结构生物填料按照实施例1的方法测试其对氨气的去除效果，结果发现，本发明的核壳结构生物填料在快速启动性能上要明显优于竹炭和陶粒、耐负荷冲击能力强、在较长时间内系统pH值稳定，其更有利于除臭微生物的生长繁殖。
实施例4：
原料：按质量分数计，包括含水率80％的城市污水处理厂的活性污泥30％、除臭菌剂1％、竹炭粉20％、铁红5％、氧化钙9％和硅酸盐类无机凝胶35％，所述的除臭菌剂可以为硫氧化菌、氨氧化菌、VOCs降解菌中的一种或几种的组合菌，本实施例中采用的VOCS降解菌是假单胞杆菌属、芽孢杆菌；
a、将活性污泥、除臭菌剂和总量30％的硅酸盐类无机凝胶混合后进行挤压造粒，颗粒粒径为10～15mm，然后放在通风环境下风干6天，得骨料；
b、将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀经200目筛子筛分后得粉料；
c、将骨料放入成球盘中，在随成球盘转动的过程中边撒入粉料边喷水，喷水量为原料总质量的10％，使得粉料逐渐包裹在骨料表面得初养核壳填料，然后经过15～20天的自然养护后，填料强度和耐候性达到工程应用的要求，得到核壳结构生物填料。其粒径为15～20mm，堆积密度：1000～1200kg/m3，孔隙率为50％～60％。
将制备的核壳结构生物填料与传统填料竹炭和陶粒分别装在生物滤池反应器中，用于处理恶臭气体硫化氢，反应器高700mm，内径100mm，填料高度500mm，填料有效容积为4L，挥发性有机废气由甲苯、乙苯及二甲苯这三种物质人工合成，3种苯系物的液体预先按照一定比例均匀混合，用微量注射泵注入风管，由空气吹脱。空气由空压机产生，污染物浓度通过调节气体流速和微量注射泵的注射速率实现。三种苯系物进气浓度在200-300mg/m3，气体停留时间大约为80s。
具体结果如图4所示。
根据本实施例的核壳结构生物填料(图4中的核壳填料)对挥发性有机物甲苯、乙苯及二甲苯的去除效果测试发现，本发明的核壳结构生物填料在快速启动性能及VOCs的去除效率方面要明显优于竹炭和陶粒，其更有利于除臭微生物的生长繁殖。

Claims (7)

1.一种核壳结构生物填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
原料：按质量分数计，包括活性污泥20％～30％、除臭菌剂0.2～1％、竹炭粉15％～25％、铁红2％～5％、氧化钙8％～15％和硅酸盐类无机凝胶35％～50％；
a、将活性污泥、除臭菌剂和总量15～35％的硅酸盐类无机凝胶混合后进行挤压造粒，然后风干，得骨料；
b、将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀后得粉料；
c、将骨料放入成球盘中，在随成球盘转动的过程中边撒入粉料边喷水，喷水量为原料总质量的5～20％，使得粉料逐渐包裹在骨料表面得初养核壳填料，经过养护后，得到核壳结构生物填料。
2.根据权利要求1所述的核壳结构生物填料的制备方法，其特征在于，所述的活性污泥为城市污水处理厂活性污泥。
3.根据权利要求2所述的核壳结构生物填料的制备方法，其特征在于，所述的活性污泥为含水量80％的活性污泥。
4.根据权利要求1所述的核壳结构生物填料的制备方法，其特征在于，所述的除臭菌剂为含有硫氧化菌、氨氧化菌、VOCs降解菌中的一种或几种的组合菌的菌剂。
5.根据权利要求1所述的核壳结构生物填料的制备方法，其特征在于，所述的将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀后得粉料是将竹炭粉、铁红、氧化钙和剩下的硅酸盐类无机凝胶混合均匀后经200目筛子筛分后得粉料。
6.根据权利要求1所述的核壳结构生物填料的制备方法，其特征在于，所述的养护是自然养护15～20天。
7.一种按照权利要求1、2、3、4、5或6所述的制备方法制备得到的核壳结构生物填料。
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