CN106082441A - 一种复合生物填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合生物填料及其制备方法,复合生物填料包括填料主体和造孔剂,造孔剂的用量按质量百分比计,为所述填料主体的20%~67%;所述填料主体为凹土,所述造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸秆、锯木屑、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。按质量百分比,取60%~80%的凹土、20%~40%的烟煤混合,并制备成粒径为6~8mm的小球样品,将小球样品晾干后,进行加热、干燥、烧结处理,冷却至室温即制成所述复合生物填料。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生活污水处理的陶瓷填料,尤其涉及一种复合生物填料及其制备方法。
背景技术
随着工业化、城市化进程的加快,水污染已成为制约我国经济发展的一个重要因素。在当今对城市污水处理水质要求日益严格,尤其是对氮严格控制的形势下,氮的有效去除必然会受到越来越多的重视。
生物脱氮法是在微生物的作用下将氨氮经过硝化、反硝化过程转化成氮气,最终实现氮从水中去除,是氮去除的最有效途径。在生物处理工艺中,由于好氧颗粒污泥或生物膜具有一定的厚度,可以由内至外形成好氧-缺氧-厌氧的环境,因而可通过培养颗粒污泥或者生物膜,利用其独特的结构来实现同步硝化反硝化。然而,好氧颗粒污泥存在培养时间较长,且容易受外界环境影响的缺陷,限制了其应用。而对于生物膜法来说,填料是生物膜形成的核心和关键,是生物膜附着生长的基石。其影响着生物膜的形态、结构和性能;并且承担拦截悬浮物的作用。
填料根据原料的不同,分成无机填料和有机高分子填料。比较常见的无机填料包括陶粒、石英砂、活性炭、沸石和陶瓷材料等,有机高分子填料包括聚氯乙稀、聚苯乙稀、聚丙稀和塑料等。无机填料存在比重较大、比表面积小、挂膜慢、不耐磨、形成流态困难、价钱偏高、不易取材等缺点。
目前,填料的研究主要围绕以下几个方面:
(1)开发以天然材料和工业固体废物为主要成分的高效价廉的无机填料,寻求改善填料性能的工艺和方法;
(2)优化填料的各项理化指标与性能参数,研究填料性质对污染物去除的影响;
(3)制定填料标准,使得填料生产规范化。
制备新填料的原材料要求化学性能稳定、无有毒物质;且制备得的填料比表面积大、气孔率高、机械强度好、密度适中、表面粗糙、耐腐蚀性强、耐摩擦、表面电性良好、吸附能力强。
烧制陶粒时,原料的化学成分是致使陶粒膨胀的关键因素。原料的成分按其作用可分为3类:其一是成陶成分,有SiO2、Al2O3及Fe2O3;其二是起助熔作用的熔剂氧化物,有Na2O、K2O、FeO、MgO等;其三是气体生成物,在物料高温时产生气体,如H2O、O2、CO2、CO、H2等。
形成适宜粘度的原料化学成分范围:SiO2:48%~79%,Al2O3:10%~25%,Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等熔剂之和13%~26%。
而凹土是一种富镁的硅酸盐黏土矿物,针状,具有独特的三维空间结构和较大比表面积,有很高的吸附活性,且成本低廉,资源丰富。有“千土之王”、“万用之土”等美誉。
常用的陶瓷填料制备原材料组成有:
(1)粉煤灰+黏土+煤粉;
(2)粉煤灰+凹土+煤粉;
(3)凹土+锯末+水玻璃;
(4)水渣+黏土+淀粉;
(5)煤矸石+黏土+长石粉;
(6)凹土+炭粉+聚乙烯泡沫;
(7)凹土+漂珠+炭粉+玻璃粉;
(8)粉煤灰+黏土+煤粉+长石粉;
(9)硅藻土+碳酸钙、碳酸镁+碳酸氢钠+水玻璃;
(10)粉煤灰+凹土+膨润土+煤粉/炭粉+玻璃粉。
相较于有机填料,陶瓷填料挂膜更容易,更易形成立体结构的生物膜,通过对工艺的控制,在污水处理的应用方面,更容易强化其处理效果。此外,现有粉煤灰陶粒、粘土陶粒等在配比方面多为三种以上物质混合,本发明利用凹土的特性,考察两种物质配比下,不同比例形成陶粒的物化性能和处理污水的效能。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种配比简单、易制作、强度高、易挂膜且兼吸附与强化脱氮功能的复合生物填料及其制备方法。
本发明的复合生物填料,包括填料主体和造孔剂,造孔剂的用量按质量百分比计,为所述填料主体的20%~67%;所述填料主体为凹土,所述造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸秆、锯木屑、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。
本发明的复合生物填料的制备方法,按质量百分比,取60%~80%的凹土、20%~40%的烟煤混合,并制备成粒径为6~8mm的小球样品,将小球样品晾干后,进行加热、干燥、烧结处理,冷却至室温即制成所述复合生物填料。
进一步的,所述凹土、烟煤均为200目。
进一步的,混合后的凹土与烟煤通过圆盘造粒机制备所述小球样品。
进一步的,所述小球样品自然晾干的时间为24h。
进一步的,晾干后的所述小球样品在恒温鼓风干燥箱中加热的温度为120℃。
进一步的,所述小球样品的干燥时间为2h。
进一步的,所述小球样品在箱式电阻炉中烧结的时间为2h。
进一步的,烧结处理的温度为1000℃。
进一步的,所述小球样品在烧结处理后保温20min后进行冷却。
借由上述方案,本发明至少具有以下优点:
1、以凹土为主要原料、烟煤为造孔剂,两种材料配比简单、制成填料的方法简单;
2、制备的填料强度、耐磨损率远高于陶粒标准GB2389-81,有助于扩大其在污水处理中的应用范围;
3、利用烟煤成分中所含的焦油在燃烧过程中起粘结架桥作用,从而大大提高了填料的强度;
4、利用凹土增加填料的比表面积及显气孔率,产生吸附作用,能够较好地去除污水中氨氮及总磷;
5、所制备的填料便于微生物膜的生长,易挂膜,通过在所制备的填料内部及外部挂膜,形成类似于好氧颗粒污泥的多层厌氧-好氧交替的环境,实现污染物的去除,强化脱氮除磷功能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明制备的填料物化特性结果。
具体实施方式
下面结合实施例和附图,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明的复合生物填料,包括填料主体和造孔剂,造孔剂的用量按质量百分比计,为填料主体的20%~67%;填料主体为凹土,造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸秆、锯木屑、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。
实施例1:
凹土、烟煤均为200目。将凹土60%与烟煤40%(质量比)混合,用圆盘造粒机制备粒径为6-8mm的小球。将样品放到托盘中自然晾干24h后,放到陶瓷坩埚中,在恒温鼓风干燥箱中升温到120℃,干燥2h后取出,直接放到箱式电阻炉中烧结2h,烧结温度为1000℃,保温20min后自然冷却至室温即制成所需填料。
实施例2:
凹土、烟煤均为200目。将凹土70%与烟煤30%(质量比)混合,用圆盘造粒机制备粒径为6-8mm的小球。将样品放到托盘中自然晾干24h后,放到陶瓷坩埚中,在恒温鼓风干燥箱中升温到120℃,干燥2h后取出,直接放到箱式电阻炉中烧结2h,烧结温度为1000℃,保温20min后自然冷却至室温即制成所需填料。
实施例3:
凹土、烟煤均为200目。将凹土80%与烟煤20%(质量比)混合,用圆盘造粒机制备粒径为6-8mm的小球。将样品放到托盘中自然晾干24h后,放到陶瓷坩埚中,在恒温鼓风干燥箱中升温到120℃,干燥2h后取出,直接放到箱式电阻炉中烧结2h,烧结温度为1000℃,保温20min后自然冷却至室温即制成所需填料。
填料物化性能检测
体积密度采用体积密度测试仪,堆积密度采用堆积密度测试仪,显气孔率用BET比表面测定与孔径分布仪,比表面积采用GB/T3810.3-2006,压碎度采用电脑式拉/压强度测试仪,耐磨损采用GB/T3810.3-2006。
填料去除污染物效能检测
将制备的填料置于曝气池中,填料填充高度为有效体积的一半,温度为18-25℃。注入化粪池污水,再加入活性污泥,加泥量装置有效体积的1/2,接种污泥质量浓度控制在20000mg·L-1左右。开启气泵,进行闷曝24h至载体填料上附着有少许微生物。为了考虑到填料的物理磨损性能,同时突出其与常规活性污泥法相比可以截留更多污泥,将曝气量控制在过量阶段,即2.5L/min。为保证微生物生长所需营养,采取间歇进水的方式,每天运行2周期,每次曝气3h,为微生物的生长繁殖提供优良环境,使得填料上的生物膜不断生长。
挂膜期间及效能检测期间,隔天对出水水质进行检测,主要检测指标为COD、NH4 +-N、TN、pH、DO。
填料物化性能检测结果
由图1可知:
(1)体积密度与堆积密度成反比,且三个配比下,填料两种密度相差不大;
(2)填料比表面积、显气孔率随着凹土含量的增加而增加;
(3)填料的耐磨损性能及压碎度特性则表现为实施例2最优,实施例1次
之,实施例3最差,三个实施例所得填料强度、耐磨损率远高于陶粒标准
GB2389-81,这些特性有助于扩大其在污水处理中的应用范围。
分析认为,凹土的存在有利于填料比表面积及显气孔率增加,这一结论与烟煤可以作为造孔剂相悖,这表明,凹土中的某成分在填料空隙形成过程中有更重要的作用,而烟煤成分中所含的焦油在燃烧过程中也起到了粘结架桥作用;而实施例2所制备的填料强度最高,凹土含量增加到80%则出现强度急剧下降,这表明,在烧结过程中,烟煤中存在某种成分会对填料强度起决定性作用。以上研究亦表明,填料烧结是一个复杂的过程,较单一的原料难以发挥各种功效,需要至少两种原料复配(并在适当的配比下,如较极端的配比难以实现填料的功能),在烧结过程中发挥其各自的作用。
填料去除污染物效能检测结果
接种污泥取自城市生活污水厂活性污泥池,装置进水为化粪池出水,因而氨氮、总磷浓度较高。由于接种新鲜活性污泥池污泥,挂膜过程中,污泥适应期较短,仅3天;随后,陶粒发挥其吸附作用,4天后装置氨氮及总磷的去除效果很高,出水氨氮和总磷分别在2mg/L及0.2mg/L以下。根据氨氮及总磷的去除效果,判断接种后15日期间为系统微生物挂膜阶段。随着陶瓷填料上微生物膜的生长,COD及氨氮的去除率逐渐趋于稳定。氨氮的去除效果更优,氨氮出水在10mg/L以下。而由于装置曝气量较大,总磷的去除效果不高,这是因为总磷的去除需要厌氧-好氧的交替环境,但过高曝气量使得装置中生物膜多处于缺氧-好氧交替的环境,导致氨氮、总氮的去除率较高。为了验证陶瓷填料的脱氮效果,运行50天对总氮进行了检测。结果显示在进水总氮浓度135mg/L时,应用实例1-3的填料,出水浓度分别为40mg/L、42.7mg/L和46.2mg/L。这一结果不仅与填料去除COD、氨氮、总磷的效能一致,而且说明了由于生物膜的出现及其形成的立体结构,大大强化了整个系统的脱氮效能。
此外,挂膜后实例2所制得的陶瓷填料性能略优,这一结果与填料物化性能中耐磨损和压碎度的结果相一致,表明了较高的强度利于获得更有的去除污染物效能,并且延长填料在曝气池中的使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,并不用于限制本发明,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种复合生物填料,其特征在于:包括填料主体和造孔剂,造孔剂的用量按质量百分比计,为所述填料主体的20%~67%;所述填料主体为凹土,所述造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸秆、锯木屑、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。
2.一种根据权利要求1所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:按质量百分比,取60%~80%的凹土、20%~40%的烟煤混合,并制备成粒径为6~8mm的小球样品,将小球样品晾干后,进行加热、干燥、烧结处理,冷却至室温即制成所述复合生物填料。
3.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:所述凹土、烟煤均为200目。
4.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:混合后的凹土与烟煤通过圆盘造粒机制备所述小球样品。
5.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:所述小球样品自然晾干的时间为24h。
6.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:晾干后的所述小球样品在恒温鼓风干燥箱中加热的温度为120℃。
7.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:所述小球样品的干燥时间为2h。
8.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:所述小球样品在箱式电阻炉中烧结的时间为2h。
9.根据权利要求8所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:烧结处理的温度为1000℃。
10.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法,其特征在于:所述小球样品在烧结处理后保温20min后进行冷却。
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