CN107804915A - 一种人工湿地除磷多孔复合基质填料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种人工湿地除磷用多孔复合基质填料，由以下重量百分比的原料制得：钢渣40～50%，碳酸钙粉体15～25%，农作物秸秆和树叶10～25%，粘结剂10～20%。本发明不仅提高了人工湿地复合基质对总磷处理效率，而且实现了废弃物资源循环，降低了生产成本；碳酸钙和钢渣高效除磷，秸秆和树叶粉末增加了基质孔隙，降低基质堵塞，并且中和钢渣带来的碱度，缓冲出水pH；秸秆和树叶还为微生物提供有机营养，提高了湿地净化效率，最终达到优化除磷的目的。

Description

一种人工湿地除磷多孔复合基质填料及其制备方法
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除磷用多孔复合基质填料及其制备方法。
背景技术
人工湿地对磷的去除是通过湿地填料基质的理化反应、植物根系的吸收以及微生物的积累等几方面共同作用完成的。但是植物的吸收与微生物的积累作用对磷的去除只占很少一部分。研究发现，磷的主要去除机制是基质的吸附作用，水体中的正磷酸盐在水流流经湿地介质表面时，受到介质的吸附，此吸附能力的好坏将取决于湿地是否有良好的水力传导性和较高的比表面积。此外，如果土壤中含有较多的铁、铝氧化物，则有利于生成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铅，使土壤固磷能力大大増加；若以砾石为基质时，砾石中的钙可与磷生成不溶性磷酸钙而从湿地系统中去除。但对于人工湿地采用砂土、砾石等除磷的效果并不好，虽然具有高孔隙度和吸附性的页岩、蛭石、方解石、多孔介质(LECA)等处理效果较好，但因成本较高等问题较难进行推广应用。因此，选择有效且廉价的湿地基质填料对水体中磷的去除意义重大。
钢渣是冶金、电力等行业排放的固体废弃物。目前我国钢渣的年排放量达1600万吨以上，但其循环利用率仅为10％左右。钢渣不仅具有巨大的比表面积，且含有大量的Ca、Al、Fe等金属氧化物，对水体中的磷具有较强的吸附与反应能力。钢渣溶于水后的金属离子、金属氢氧化物与磷酸根离子的沉淀反应、物理化学吸附、吸持反应(表面络合配位反应)表面络合配位反应)是钢渣高效除磷的主要机理。钢渣对磷的去除性能很好，添加加入石灰石等含钙物质后，钙可与磷生成不溶性磷酸钙进一步提高磷的去除率，但研究发现钢渣基质会带来堵塞、pH升高等问题。因此，探索发现新型湿地基质填料，利用环境危害小的废弃物，合理利用废弃物资源，不仅可以高效除磷，而且克服单独使用钢渣除磷的缺陷，解决人工湿地堵塞、碳源不足等问题，达到湿地优化除磷的目的，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种人工湿地除磷用多孔复合基质填料，同时提供其制备方法是本发明的又一发明目的。
基于上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种人工湿地除磷用多孔复合基质填料，由以下重量百分比的原料加水制得：钢渣40～50％，碳酸钙粉体15～25％，农作物秸秆和树叶10～25％，粘结剂10～20％。
农作物秸秆和树叶的重量比为(1～2)：1。
所述钢渣的粒径不大于1mm。
所述碳酸钙粉体的粒径为5～10μm。
所述农作物秸秆为小麦、玉米和水稻中的一种或两种以上的混合物。
所述粘结剂为Na2SiO3和聚丙烯酰胺的混合物，其中Na2SiO3为主粘合剂，聚丙烯酰胺为辅粘合剂，起增稠和增加粘性的作用，二者重量比为(5～10):1，若二者比例过高(即Na2SiO3：聚丙烯酰胺大于10:1)，粘合剂增粘效果不明显，最终导致降低基质的机械强度；若二者比例过低(即Na2SiO3：聚丙烯酰胺小于5:1)，此时聚丙烯酰胺含量过高，其增稠效果过于明显，使混合物与粘合液无法充分混合，最终导致混合物之间粘合不均匀，基质机械强度差。
所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料的制备方法，包括以下步骤：
1)将秸秆和树叶自然风干后粉碎，过1mm的筛，取筛下物得到秸秆和树叶粉末；
2)将钢渣、碳酸钙粉体、秸秆和树叶粉末搅拌混合，加入粘结剂和水继续搅拌混合得混合浆料；
3)所得混合浆料经模具挤压成粒径为5～10mm的颗粒，在50～100℃下干燥2～6h后自然冷却即得。
步骤2)中，各原料之和与所加水的质量比为(2～5)：1。
本发明中，秸秆和树叶可增加基质填料的孔隙率，比表面积大，可有效防止湿地堵塞；同时，秸秆和树叶的酸性可中和钢渣和碳酸钙粉体的碱性，稳定体系pH值；秸秆和树叶中还含有丰富的有机质，可为微生物提供碳源营养，可很好地保护湿地生态。
本发明不仅提高了人工湿地复合基质对总磷处理效率，而且实现了废弃物资源循环，降低了生产成本；碳酸钙和钢渣高效除磷，秸秆和树叶粉末增加了基质孔隙，降低基质堵塞，并且中和钢渣带来的碱度，缓冲出水pH；秸秆和树叶还为微生物提供有机营养，提高了湿地净化效率，最终达到优化除磷的目的。具体地，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)环境效益好，成本低。原材料为工业副产物(钢渣)、矿物(碳酸钙)和植物残体(秸秆和树叶)，应用中不会对水体生态环境造成危害。同时，将工业排放的钢渣，农作物秸秆和树叶进行废物回收利用，以废治废，节省原料成本；
2)优化除磷。钢渣不仅具有巨大的比表面积，还含有大量的Ca、Al、Fe等金属氧化物，对水体中的磷具有较强的吸附与反应能力。添加碳酸钙后，钙可与磷生成不溶性磷酸钙进一步提高磷的去除率。秸秆和树叶的弱酸性则可中和钢渣的强碱性，保证出水pH稳定达标。因此，该基质不仅可高效除磷，还可避免对水质造成不利影响；
3)具有发达的孔隙结构，不易堵塞。原料中秸秆和树叶具有造孔作用，使基质孔隙率增大，不易堵塞。此外，秸秆和树叶的加入为微生物提供了丰富的营养，进一步提高了人工湿地对污染物的去除效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种人工湿地除磷用多孔复合基质填料，由以下重量百分比的原料加水制得：钢渣40％，碳酸钙粉体25％，农作物秸秆和树叶25％，粘结剂10％。所述钢渣的粒径不大于1mm。所述碳酸钙粉体的粒径为5～10μm。秸秆采用的是玉米和大豆植物秸秆，树叶是街道落叶，且秸秆：树叶重量比为3:2。所述粘结剂为Na2SiO3和聚丙烯酰胺的混合物，二者重量比为5:1。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将秸秆和树叶自然风干后粉碎，过1mm的筛，取筛下物得到秸秆和树叶粉末；
2)将钢渣、碳酸钙粉体、秸秆和树叶粉末搅拌混合，加入粘结剂和水继续搅拌混合得混合浆料；步骤2)中，各原料之和与所加水的质量比为4：1；
3)所得混合浆料经模具挤压成粒径为5～10mm的颗粒，在50℃下干燥6h后自然冷却即得。
实施例2
一种人工湿地除磷用多孔复合基质填料，由以下重量百分比的原料加水制得：钢渣45％，碳酸钙粉体15％，农作物秸秆和树叶20％，粘结剂20％。所述钢渣的粒径不大于1mm。所述碳酸钙粉体的粒径为5～10μm。秸秆采用的是小麦植物秸秆，树叶是林场树叶，且秸秆：树叶重量比为1:1。所述粘结剂为Na2SiO3和聚丙烯酰胺的混合物，二者重量比为7:1。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将秸秆和树叶自然风干后粉碎，过1mm的筛，取筛下物得到秸秆和树叶粉末；
2)将钢渣、碳酸钙粉体、秸秆和树叶粉末搅拌混合，加入粘结剂和水继续搅拌混合得混合浆料；步骤2)中，各原料之和与所加水的质量比为3：1；
3)所得混合浆料经模具挤压成粒径为5～10mm的颗粒，在100℃下干燥2h后自然冷却即得。
实施例3
一种人工湿地除磷用多孔复合基质填料，由以下重量百分比的原料加水制得：钢渣50％，碳酸钙粉体20％，农作物秸秆和树叶10％，粘结剂20％。所述钢渣的粒径不大于1mm。所述碳酸钙粉体的粒径为5～10μm。秸秆采用的是水稻植物秸秆，树叶是街道落叶，且秸秆：树叶重量比为2:1。所述粘结剂为Na2SiO3和聚丙烯酰胺的混合物，二者重量比为9:1。
其制备方法，包括以下步骤：
1)将秸秆和树叶自然风干后粉碎，过1mm的筛，取筛下物得到秸秆和树叶粉末；
2)将钢渣、碳酸钙粉体、秸秆和树叶粉末搅拌混合，加入粘结剂和水继续搅拌混合得混合浆料；步骤2)中，各原料之和与所加水的质量比为2：1；
3)所得混合浆料经模具挤压成粒径为5～10mm的颗粒，在80℃下干燥4h后自然冷却即得。
效果实验
将实施例1-3所得的人工湿地用多孔复合基质填料用于人工湿地污水处理系统，应用时，只需将其铺设在防渗层与天然土壤层之间，无需压实。天然土壤层与人工湿地用多孔复合基质填料层的填充高度分别为25cm和50cm。天然土壤层上种植芦苇等湿地植物，并进行城镇污水厂尾水深度净化实验，同时并以钢渣、沸石为对比。结果如表1所示。
表1效果实验对比数据
上述实验结果表明，本发明人工湿地用多孔复合基质填料，相比单一基质钢渣和沸石，不仅除磷效果好，COD去除率高，而且不堵塞，并解决了钢渣出水pH高的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种人工湿地除磷用多孔复合基质填料，其特征在于，由以下重量百分比的原料制得：钢渣40～50%，碳酸钙粉体15～25%，农作物秸秆和树叶10～25%，粘结剂10～20%。
2.如权利要求书1所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料，其特征在于，农作物秸秆和树叶的重量比为（1～2）：1。
3.如权利要求书1所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料，其特征在于，所述钢渣的粒径不大于1mm。
4.如权利要求书1所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料，其特征在于，所述碳酸钙粉体的粒径为5～10μm。
5.如权利要求书1所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料，其特征在于，所述农作物秸秆为小麦、玉米和水稻中的一种或两种以上的混合物。
6.如权利要求书1所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料，其特征在于，所述粘结剂为Na2SiO3和聚丙烯酰胺的混合物，其中Na2SiO3为主粘合剂，聚丙烯酰胺为辅粘合剂，二者重量比为（5～10）:1。
7.权利要求1-6任一所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将秸秆和树叶自然风干后粉碎，过1mm的筛，取筛下物得到秸秆和树叶粉末；
2）将钢渣、碳酸钙粉体、秸秆和树叶粉末搅拌混合，加入粘结剂和水继续搅拌混合得混合浆料；
3）所得混合浆料经模具挤压成粒径为5～10mm的颗粒，在50～100℃下干燥2～6h后自然冷却即得。
8.如权利要求7所述的人工湿地除磷用多孔复合基质填料的制备方法，其特征在于，步骤2）中，各原料之和与所加水的质量比为（2～5）：1。
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