CN106082443A - 一种人工湿地多孔复合基质及其制备方法 - Google Patents

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车晓玲
邢传宏
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used

Abstract

本发明公开了一种人工湿地多孔复合基质，属于人工湿地材料领域，主要由下述重量百分比的原料制备而成：城市污泥20%~25%、高钙粉煤灰15%~20%、废弃城市建筑混凝土30%~35%、粘结剂10%~15%和造孔剂10%~15%。本发明不仅提高了人工湿地复合基质对污染物（CODcr、氮、总磷）处理效率，而且实现了废弃物资源循环，降低了生产成本；人工湿地复合基质可以烧结成不同形状规格，可以作为人工湿地底层和中层填料，铺设时不需要压实，简化了人工湿地的施工复杂度。

Description

一种人工湿地多孔复合基质及其制备方法
技术领域
本发明属于人工湿地材料领域，具体涉及一种人工湿地多孔复合基质及其制备方法。
背景技术
人工湿地是基于自然湿地生态系统中物理、化学、生化反应的协同作用处理废水的新型工艺，目前广泛用在污水深度处理和防止湖泊富营养化方面。人工湿地对污水的净化作用主要是通过人工湿地基质的物理化学作用、植物根系的吸收和微生物的代谢作用等方面共同完成的。人工湿地基质是人工湿地净化污水的关键，为水生植物、微生物赖以生存的场所。
传统的人工湿地基质大多是将不同粒径的天然基质分层铺设，例如石灰石、页岩、土壤等天然基质，铺设过程中每层都要压实，天然基质对污染物的处理效果较差并且容易堵塞，成本高。因此，寻求一种新型复合人工湿地基质来代替天然基质，对简化人工湿地的施工建设，削减成本，保证污水的处理效果具有重要意义。
高钙粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等，是我国当前排量较大的工业废渣之一，大量的粉煤灰处理不当，会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。
城市污泥作为一种污水处理的副产物含有氮、磷和重金属等，是一类危害性极大的废弃物，若处理不当会对环境造成二次污染。传统的污泥处理方法包括污泥填埋、焚烧和堆肥，但污泥填埋会占用大量的土地资源、渗滤液泄漏将造成地下水污染，污泥焚烧成本高、污染大气，污泥堆肥易造成重金属污染、病原菌扩散。
随着我国城市公用与民用建筑及市政设施的更新、改造和建设，在建设过程中，大量旧建筑物被拆除，产生大量的废弃城市建筑混凝土。目前处理废弃城市建筑混凝土的方法包括运往郊外掩埋或运往河道倾倒，不仅会占用和大量农业耕地而且会影响汛期行洪，均产生一定的不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济环保的人工湿地多孔复合基质及其制备方法。
基于上述目的，本发明采用以下技术方案：一种人工湿地多孔复合基质，主要由下述原料制备而成：城市污泥、高钙粉煤灰、废弃城市建筑混凝土、粘结剂和造孔剂。
优选地，各原料的重量百分比为：城市污泥20%~25%、高钙粉煤灰15%~20%、废弃城市建筑混凝土30%~35%、粘结剂10%~15%和造孔剂10%~15%。
优选地，所述废弃城市建筑混凝土的强度为C20～C25，粒径不大于5mm。
优选地，所述城市污泥的含水率为97%。
优选地，所述粘结剂为精细聚苯乙烯。
优选地，所述造孔剂为秸秆碎末。
优选地，所述秸秆碎末为玉米秸秆和玉米芯粉碎后，再过2mm筛得到的碎末。
上述人工湿地多孔复合基质的制备方法，包括制浆、制胚、烧结和冷却步骤；所述烧结步骤包括：在氩气气氛中，将初胚以5℃/min的升温速率从室温升温至600℃；然后以10℃/min的升温速率升温至1000℃；再以50℃/min升温至1050℃后保温1h，最后以10℃/min的降温速率降至60℃。
进一步地，所述制胚步骤为：将各原料混合制浆后注入模具，105℃下干燥50min，脱模后形成初胚。
采用上述原料和方法制备出人工湿地多孔复合基质的孔隙率为30%~40%，体积密度为400~500kg/m3，具有污水处理效果好、成本低、便于施工建设的优点，可以代替传统的人工湿地基质以简化人工湿地的建设工作，保证污水处理的效果。
因此，寻求一种经济环保的人工湿地复合基质制备方法是大势所趋，而高钙粉煤灰、城市污泥和废弃城市建筑混凝土的化学成分与粘土较为相似，将其作为人工湿地复合基质主要原材料变废为宝，具有广阔的应用前景和重大的环保意义。本发明不仅提高了人工湿地复合基质对污染物（CODcr、氮、总磷）处理效率，而且实现了废弃物资源循环，降低了生产成本；人工湿地复合基质可以烧结成不同形状规格，可以作为人工湿地底层和中层填料，铺设时不需要压实，简化了人工湿地的施工复杂度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种人工湿地多孔复合基质，主要由以下重量百分比原料制备而成：
含水率为97%城市污泥20%、高钙粉煤灰15%、强度为C20～C25且粒径不大于5mm的废弃城市建筑混凝土35%、细聚苯乙烯15%和秸秆碎末15%。所述秸秆碎末为玉米秸秆和玉米芯粉碎后，再过2mm筛得到的碎末。
上述人工湿地多孔复合基质的制备方法，包括以下步骤：
（1）制浆、制胚：将上述原料经过高速搅拌均匀形成混合料浆，根据半径为3cm的球形模具采用料浆浇注成型工艺制成初胚，将初胚置于烘箱中进行加热，加热温度为105℃，时间为50min；
（2）烧结和冷却：在氩气气氛中，将初胚以5℃/min的慢速升温速率从室温升温至600℃；然后以10℃/min的升温速率升温至1000℃；再以50℃/min升温至1050℃后保温1h，最后以10℃/min的降温速率降至60℃，即得成品，记为产品1。
采用上述原料和方法制备出的产品1的孔隙率为40%，体积密度为440kg/m3。
将产品1作为底层基质材料应用于人工湿地污水处理系统，只需把人工湿地多孔复合基质堆积在防渗层上，无需压实。采用内径30cm 的 PVC 管，高度为100cm，基质层由上至下依次为天然土壤、人工湿地多孔复合基质，其填充高度分别为 30cm和40cm，基质层总填充高度为70cm，种植芦苇等湿地植物，进行低浓度生活污水净化实验，CODcr的去除率为70%，氮的去除率为65%，总磷的去除率为70%。
实施例2
一种人工湿地多孔复合基质，主要由以下重量百分比原料制备而成：含水率为97%城市污泥25%、高钙粉煤灰20%、强度为C20～C25且粒径不大于5mm的废弃城市建筑混凝土35%、细聚苯乙烯10%和秸秆碎末10%。所述秸秆碎末为玉米秸秆和玉米芯粉碎后，再过2mm筛得到的碎末。其制备方法参考实施例1，制得的成品记为产品2。
产品2的孔隙率为34%，体积密度为480kg/m3。
将产品2作为底层基质材料应用于人工湿地污水处理系统，只需把人工湿地多孔复合基质堆积在防渗层上，无需压实。采用内径30cm 的 PVC 管，高度为100cm，基质层由上至下依次为天然土壤、人工湿地多孔复合基质，其填充高度分别为 30cm和40cm，基质层总填充高度为70cm。种植芦苇等湿地植物，进行低浓度生活污水净化实验，CODcr的去除率为68%，氮的去除率为65%，总磷的去除率为75%。
实施例3
一种人工湿地多孔复合基质，主要由以下重量百分比原料制备而成：含水率为97%城市污泥22%、高钙粉煤灰18%、强度为C20～C25且粒径不大于5mm的废弃城市建筑混凝土30%、细聚苯乙烯15%和秸秆碎末15%。所述秸秆碎末为玉米秸秆和玉米芯粉碎后，再过2mm筛得到的碎末。其制备方法参考实施例1，制得的成品记为产品3。
产品3的孔隙率为44%，体积密度为410kg/m3。
将产品3作为底层基质材料应用于人工湿地污水处理系统，只需把人工湿地多孔复合基质堆积在防渗层上，无需压实。采用内径30cm 的 PVC 管，高度为100cm，基质层由上至下依次为天然土壤、人工湿地多孔复合基质，其填充高度分别为 30cm和40cm，基质层总填充高度为70cm。种植芦苇等湿地植物，进行低浓度生活污水净化实验，CODcr的去除率为69%，氮的去除率为68%，总磷的去除率为72%。
实施例4
一种人工湿地多孔复合基质，主要由以下重量百分比原料制备而成：含水率为97%城市污泥23%、高钙粉煤灰20%、强度为C20～C25且粒径不大于5mm的废弃城市建筑混凝土33%、细聚苯乙烯12%和秸秆碎末12%。所述秸秆碎末为玉米秸秆和玉米芯粉碎后，再过2mm筛得到的碎末。其制备方法参考实施例1，制得的成品记为产品4。
产品4的孔隙率为38%，体积密度为450kg/m3。
将产品4作为底层基质材料应用于人工湿地污水处理系统，只需把人工湿地多孔复合基质堆积在防渗层上，无需压实。采用内径30cm 的 PVC 管，高度为100cm，基质层由上至下依次为天然土壤、人工湿地多孔复合基质，其填充高度分别为 30cm和40cm，基质层总填充高度为70cm。种植芦苇等湿地植物，进行低浓度生活污水净化实验，CODcr的去除率为72%，氮的去除率为70%，总磷的去除率为69%。

Claims (9)

1.一种人工湿地多孔复合基质，其特征在于，主要由下述原料制备而成：城市污泥、高钙粉煤灰、废弃城市建筑混凝土、粘结剂和造孔剂。
2.根据权利要求1所述的人工湿地多孔复合基质，其特征在于，各原料的重量百分比为：城市污泥20%~25%、高钙粉煤灰15%~20%、废弃城市建筑混凝土30%~35%、粘结剂10%~15%和造孔剂10%~15%。
3.根据权利要求1或2所述的人工湿地多孔复合基质，其特征在于，所述废弃城市建筑混凝土的强度为C20～C25，粒径不大于5mm。
4.根据权利要求1或2所述的人工湿地多孔复合基质，其特征在于，所述城市污泥的含水率为97%。
5.根据权利要求1或2所述的人工湿地多孔复合基质，其特征在于，所述粘结剂为精细聚苯乙烯。
6.根据权利要求1或2所述的人工湿地多孔复合基质，其特征在于，所述造孔剂为秸秆碎末。
7.根据权利要求6所述的人工湿地多孔复合基质，其特征在于，所述秸秆碎末为玉米秸秆和玉米芯粉碎后，再过2mm筛得到的碎末。
8.权利要求1或2所述的人工湿地多孔复合基质的制备方法，包括制浆、制胚、烧结和冷却步骤，其特征在于，所述烧结步骤包括：在氩气气氛中，将初胚以5℃/min的升温速率从室温升温至600℃；然后以10℃/min的升温速率升温至1000℃；再以50℃/min升温至1050℃后保温1h，最后以10℃/min的降温速率降至60℃。
9.根据权利要求8所述的人工湿地多孔复合基质的制备方法，其特征在于，所述制胚步骤为：将各原料混合制浆后注入模具，105℃下干燥50min，脱模后形成初胚。
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