CN106219738B - 用于流化床生物滤器的填料及其生物膜培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.5‑1.6g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣60‑65份，碳酸钙15‑18份，吸附剂2‑3份，滑石粉3‑4份，碳酸氢钠3‑4份，活性炭10‑12份、偶联剂2‑3份和其它添加剂8‑9份，能有效降低装置的运行能耗，提升装置的水处理性能。还提供了该填料的生物膜培养方法，通过采用接种原滤料的方式进行生物膜培养，在生物膜培养过程中，开启自清洗装置，可实现流化床生物滤器的快速挂膜。

Description

用于流化床生物滤器的填料及其生物膜培养方法
技术领域
本发明属于净化循环水处理技术领域，具体涉及一种用于流化床生物滤器的填料及其生物膜培养方法。
背景技术
流化床生物滤器是指借助流体使表面生长着微生物的固体颗粒呈流态化，而填料仍停留在容器内不被流体带出，并与流体的不断接触中将其营养盐等污染物去除，是一种极具开发潜力和竞争力的生物过滤器。流化床生物滤器因选用高比表面积的滤料，内部流态合理，载体表面基质和水体中氧及营养盐的传递速度显著提高，故其硝化性能显著优于传统生物滤，已逐渐应用于循环水养殖领域(Recirculating aquaculture systems，RAS)中。
流化床生物滤器一般选用高比表面积的石英砂作为滤料，其密度为2.5g/cm3，该滤器在实际运行时床层压降较高，进而增加了装置的运行能耗。另一方面，由于石英砂的成分相对单一，主要为SiO2，无法为大量的微生物提供充足的营养盐，特别是碳源，若处理低碳高氨氮的养殖废水，就必须增加额外的碳源，使处理成本增加。石英砂的亲水性和生物亲和性一般，导致生物量富集不够，若在低温或海水寡营养条件等工况下，该生物滤器的水处理效率一般，未能最大化地发挥该生物滤器的性能。
因此，需开发出一种适合流化床生物滤器的填料，以进一步降低装置的运行能耗，并提升装置的水处理效果，以期为流化床生物滤器在循环水养殖领域的应用推广奠定基础，进而推动整个水产养殖水的健康可持续发展。
发明内容
随着非可再生能源危机的日益加剧,可再生的生物质发电技术近些年在我国得到大力推广,生物质发电厂燃烧后产生了大量的生物质灰渣,如不进行有效利用会变成新的污染源,并造成极大浪费。若对该灰渣进行一定的生物改性，制成特定规格的生物填料，不仅实现了废弃资源的重复利用，也可作为生物滤器中的滤料作用于养殖水体营养盐的去除，具有良好的生态效益与经济效益。
本发明为了解决石英砂作为流化床生物滤器存在的上述缺点，提供了一种用于流化床生物滤器的填料及其生物膜培养方法，能有效降低装置的运行能耗，提升装置的水处理性能。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.5-1.6g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣60-65份，碳酸钙15-18份，吸附剂2-3份，滑石粉3-4份，碳酸氢钠3-4份，活性炭10-12份、偶联剂2-3份和其它添加剂8-9份。
生物质灰渣指秸秆类生物质经高温燃烧后产物，通常含有3％-5％的灰渣，这种灰以锅炉飞灰和炉底渣的形式被收集，含有丰富的营养成分。生物质灰渣含有丰富的碳、氧、钾、磷、钙、镁、硅等矿物质营养元素，尤其碳和氧元素的占比分别是44.47％和22.11％，为大量的微生物提供充足的碳源和利于微生物生长与繁殖的氧源；另外，该生物质灰渣具有巨大的比表面积，能达到10000m2/m3以上，是制作生物填料的优质原料。
本发明填料的改性原理：加入适量的碳酸钙，调节填料的密度为1.5-1.6g/cm3，显著低于石英砂的密度，故可减少流化床生物滤器运行时的压降损失，进而降低了滤器的运行能耗；碳酸氢钠的加入是为了增加填料中的碳和钠元素含量；滑石粉(Mg3[Si4O10](OH)2)的加入是为了增加密度，增加填料强度，同时补充Mg等微量元素；活性炭的加入是为了增加填料的吸附能力，能使微生物和养殖水体中的有机物吸附于载体表面。
优选地，按重量计，由以下原料组成：生物质灰渣60份，碳酸钙15份，吸附剂2份，碳酸氢钠3份，活性炭10份，偶联剂2份和其它添加剂8份，能达到最优效果。
本发明所述的填料为粒径0.4-0.5mm的球形颗粒物。保证填料的密度为1.5-1.6g/cm3，且相同体积下获得更大的表面积，减少碰撞压力，在碰撞中生物膜不易变的过厚导致传质效果不佳。
优选地，所述生物质灰渣的粒径为0.3-0.4mm，方便加工成0.4-0.5mm的填料。
本发明所述的吸附剂为沸石粉或硅藻土，便于混合，以利于制作填料。
本发明所述的偶联剂含硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂和钛酸酯偶联剂。采用表面改性剂，可增加官能团，一个是亲无机物的基团，另一个是亲有机物的基团，用以改善无机物与有机物之间的界面作用。
本发明所述的其它添加剂为聚乙烯醇、硬脂酸和氯化钙的混合物。硬脂酸为表面活性剂，增加亲水的极性基团，通过在固液两相界面吸附降低水的表面张力；聚乙烯醇用于制造水溶性胶粘剂；氯化钙对氨具有突出的吸附能力，增加填料的硝化性能。
本发明填料的制作过程如下：将各种原料按配方比例在混合器中混匀，通过造粒机直接加工成粒径为0.4-0.5mm的球形颗粒物。
本发明填料的生物膜培养方法，将未挂膜成熟的填料置于流化床生物滤器中，再添加5％体积的已挂膜成熟的填料，挂膜时设置流化床生物滤器的床层膨胀率为30％，定期开启自清洗装置，生物膜成熟后，设置流化床生物滤器的床层膨胀率为50％，并定期开启自清洗装置。
优选地，所述已挂膜成熟的填料密度为1.4-1.5g/cm3，小于未挂膜成熟的填料密度。使流化床生物滤器运行时已挂膜成熟的滤料处于表层。
优选地，所述定期开启自清洗装置，是指开启频率为每隔一天开启一次。使表层已挂膜成熟的填料不断地与滤器底部未成熟的填料碰触，增加微生物在填料表面附着与生长的机会，进而缩短滤器挂膜的时间，提升微生物在各填料表面的生长速度。
本发明的有益效果在于：
1、采用生物质灰渣作为填料的主要原料，含有丰富的碳、氧、钾、磷、钙、镁、硅等矿物质营养元素，尤其碳和氧元素的占比分别是44.47％和22.11％，为大量的微生物提供充足的碳源和利于微生物生长与繁殖的氧源，填料成分中含有丰富的矿物质，可为吸附在表面的微生物提供足够的营养，特别是无需从外源添加碳元素，降低了滤器的运形成本。另外，该生物质灰渣具有巨大的比表面积，能达到10000m2/m3以上，是制作生物填料的优质原料。
2、填料中加入适量的碳酸钙，调节填料的密度为1.5-1.6g/cm3，显著低于石英砂的密度，故可减少流化床生物滤器运行时的压降损失，进而降低了滤器的运行能耗；碳酸氢钠的加入是为了增加填料中的碳和钠元素含量；滑石粉(Mg3[Si4O10](OH)2)的加入是为了增加密度，增加填料强度，同时补充Mg等微量元素；活性炭的加入是为了增加填料的吸附能力，能使微生物和养殖水体中的有机物吸附于载体表面。改性后的填料密度增加，同时增加吸附能力和硬度，统一粒径。
3、本发明填料本身的径结构发达，孔径大小在2-50nm之间，比表面积高达10000m2/m3以上，可为微生物提供足够的场所生长；另一方面，填料经过改性后，具有较强的亲水性及生物亲和性，高通量测序表明，载体表面的微生物多样性指数较高，鉴定出的微生物属超过500个，优势种群为硝化螺菌属，占比超过15％，故该填料对氨氮的单次去除率达到80％以上，氨氮去除负荷超过1000g/m3·d，氨氮处理能力是常规生物滤器的5倍多。
4、该填料的主要成份为生物质灰渣，是经过800度以上的高温烧制而成，故性能较为稳定，填料经改性后，在使用过程中不易被分解与破坏；另一方面，生物质灰渣是生物质电厂的废弃物，经过改性后，变废为宝，既不污染环境，又使物质循环利用，符合国家的环境友好可持续发展战略。
5、通过采用接种原滤料的方式进行生物膜培养，在生物膜培养过程中，开启自清洗装置，使表层已挂膜成熟的填料不断地与滤器底部未成熟的填料碰触，增加微生物在填料表面附着与生长的机会，进而缩短滤器挂膜的时间，可实现流化床生物滤器的快速挂膜，只需8-13天即挂膜成熟，其挂膜时间显著短于常规生物滤器挂膜时间。
具体实施例
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.5g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣60份，碳酸钙15份，吸附剂2份，滑石粉3份，碳酸氢钠3份，活性炭10份、偶联剂2份和其它添加剂8份。
实施例2
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.6g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣65份，碳酸钙18份，沸石粉3份，滑石粉4份，碳酸氢钠4份，活性炭12份、偶联剂3份和其它添加剂9份。
所述的填料为粒径0.4mm的球形颗粒物。
实施例3
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.52g/cm3，按重量计，由以下原料组成：生物质灰渣60份，碳酸钙15份，沸石粉2份，碳酸氢钠3份，活性炭10份，偶联剂2份和其它添加剂8份。
所述的偶联剂含硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂和钛酸酯偶联剂。
所述的填料为粒径0.45mm的球形颗粒物。
所述生物质灰渣的粒径为0.35mm。
实施例4
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.53g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣62份，碳酸钙16份，硅藻土2.5份，滑石粉3.5份，碳酸氢钠3.5份，活性炭11份、偶联剂2.5份和其它添加剂8.5份。
所述的填料为粒径0.5mm的球形颗粒物。
所述生物质灰渣的粒径为0.4mm。
所述的偶联剂含硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂和钛酸酯偶联剂。
所述的其它添加剂为聚乙烯醇、硬脂酸和氯化钙的混合物。
实施例5
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.55g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣63份，碳酸钙17份，硅藻土2.6份，滑石粉3.2份，碳酸氢钠3.2份，活性炭10.5份、偶联剂2.6份和其它添加剂8.2份。
所述的填料为粒径0.46mm的球形颗粒物。
所述生物质灰渣的粒径为0.4mm。
所述的偶联剂含硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂和钛酸酯偶联剂。
所述的其它添加剂为聚乙烯醇、硬脂酸和氯化钙的混合物。
实施例6
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.56g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣64份，碳酸钙16份，硅藻土2.5份，滑石粉3.5份，碳酸氢钠3.4份，活性炭11.5份、偶联剂2.6份和其它添加剂8.2份。
所述的填料为粒径0.42mm的球形颗粒物。
所述生物质灰渣的粒径为0.3mm。
所述的偶联剂含硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂和钛酸酯偶联剂。
所述的其它添加剂为聚乙烯醇、硬脂酸和氯化钙的混合物。
实施例7
一种用于流化床生物滤器的填料，填料密度为1.6g/cm3，按重量计，包括以下原料：生物质灰渣62份，碳酸钙16份，硅藻土2份，滑石粉3份，碳酸氢钠3.2份，活性炭10.5份、偶联剂2.5份和其它添加剂8.5份。
所述的填料为粒径0.45mm的球形颗粒物。
所述生物质灰渣的粒径为0.35mm。
所述的偶联剂含硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂和钛酸酯偶联剂。
所述的其它添加剂为聚乙烯醇、硬脂酸和氯化钙的混合物。
实施例8
本发明填料的生物膜培养方法：
将未挂膜成熟的填料置于流化床生物滤器中，再添加5％体积的已挂膜成熟的填料，挂膜时设置流化床生物滤器的床层膨胀率为30％，定期开启自清洗装置，生物膜成熟后，设置流化床生物滤器的床层膨胀率为50％，并定期开启自清洗装置。
实施例9
本实施例在实施例8的基础上：
所述已挂膜成熟的填料密度为1.4-1.5g/cm3，小于未挂膜成熟的填料密度。实施例10
本实施例在实施例8的基础上：
所述已挂膜成熟的填料密度为1.4-1.5g/cm3，小于未挂膜成熟的填料密度。
所述定期开启自清洗装置，是指开启频率为每隔一天开启一次。
本发明填料的具体制备如下：
将电厂的生物质灰渣用机器进行删分，挑选粒径0.3-0.4mm的灰渣120kg,另外，取碳酸钙30kg，吸附剂4kg，碳酸氢钠6kg，活性炭20kg，偶联剂4kg，其它添加剂16kg，将这些放入混合器，混合均匀后送入造粒机中，高温加工成粒径为0.4-0.5mm的近似球形填料，密度为1.5g/cm3。
以斑石鲷循环水养殖系统的养殖废水处理为例，养殖水质水温为24℃，氨氮0.68mg/L，亚硝酸盐0.15mg/L，COD14mg/L，溶解氧6.77mg/L。以本发明填料作为流化床生物滤器的滤料，以流量为10m3/h进入本装置，运行该装置10天后，通过描扫电镜观察，填料表面有丰富的微生物附着，此时出水亚硝氮浓度显著低于进水，说明装置挂膜成功。而后连续监测2个月的试验表明，在开启自清洗装置工况下，生物滤器的床层高度一直较稳定，内部流态良好。通过扫描电镜观察，填料的平均生物膜厚度为0.04mm，该厚度滤料表面的微生物与水中的基质传质效应较佳，微生物生长良好。出水平均氨氮浓度0.12mg/L，平均去除率81.2％；平均亚硝酸盐浓度0.007mg/L，平均去除率95％；平均COD浓度6mg/L，平均去除率62.3％。
本发明填料具有较强的生物亲和性，不仅能实现快速挂膜，滤料长期运行时床层稳定，硝化能力强，特别是在低温或海水工况等恶劣条件下其水处理性能显著优于常规生物滤器；解决了传统流化床受制于高密度的填料而导致装置能耗高，挂膜时间长，处理效果不稳定等问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于流化床生物滤器的填料，其特征在于，填料密度为1.5-1.6g/cm3，按重量计，由以下原料组成：生物质灰渣60-65份，碳酸钙15-18份，吸附剂2-3份，滑石粉3-4份，碳酸氢钠3-4份，活性炭10-12份、偶联剂2-3份和其它添加剂8-9份；
所述的生物质灰渣指秸秆类生物质经高温燃烧后的锅炉飞灰和炉底渣；
所述的填料为粒径0.4-0.5mm的球形颗粒物。
2.根据权利要求1所述的用于流化床生物滤器的填料，其特征在于，按重量计，由以下原料组成：生物质灰渣60份，碳酸钙15份，吸附剂2份，碳酸氢钠3份，活性炭10份，偶联剂2份和其它添加剂8份。
3.根据权利要求1所述的用于流化床生物滤器的填料，其特征在于，生物质灰渣的粒径为0.3-0.4mm。
4.根据权利要求1或者2所述的用于流化床生物滤器的填料，其特征在于，所述的吸附剂为沸石粉或硅藻土。
5.根据权利要求1或者2所述的用于流化床生物滤器的填料，其特征在于，所述的偶联剂含硅烷偶联剂、铬络合物偶联剂和钛酸酯偶联剂。
6.根据权利要求1或者2所述的用于流化床生物滤器的填料，其特征在于，所述的其它添加剂为聚乙烯醇、硬脂酸和氯化钙的混合物。
7.根据权利要求1或者2所述填料的生物膜培养方法，其特征在于，将未挂膜成熟的填料置于流化床生物滤器中，再添加5％体积的已挂膜成熟的填料，挂膜时设置流化床生物滤器的床层膨胀率为30％，定期开启自清洗装置，生物膜成熟后，设置流化床生物滤器的床层膨胀率为50％，并定期开启自清洗装置。
8.根据权利要求7所述填料的生物膜培养方法，其特征在于，所述已挂膜成熟的填料密度为1.4-1.5g/cm3，小于未挂膜成熟的填料密度。
9.根据权利要求7所述填料的生物膜培养方法，其特征在于，所述定期开启自清洗装置，是指开启频率为每隔一天开启一次。
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