CN109354305A - 一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统及其在城市黑臭水体中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,包括依次串联的活性炭生物转盘和垂直流人工湿地;活性炭生物转盘是以网状聚丙烯盘片为载体,表面负载有片状活性炭;垂直流人工湿地的池体内从左至右依次设置有进水室、水处理室、出水室,水处理室内从下至上依次铺设有碎石层、陶粒层和光催化填料层,并且种植有水生植物,其中,光催化填料层由钛酸铋/氧化铈复合材料负载在粗砂上构成。本发明提出了一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,结合钛酸铋本身很强的光催化特性与氧化铈较强的吸附性和稳定性,可显著增加对水体中污染物的吸附和降解,具有资源化、无害化、较高的净化效率和较大的污水处理量的特点,可适用于城市黑臭水体的净化处理。
Description
技术领域
本发明属于污水处理的技术领域,特别涉及一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统及其在城市黑臭水体中的应用。
背景技术
城市水体是城市生态系统的重要组成部分,城市水体出现季节性或终年黑臭,会严重影响城市生态环境和居民生活健康。
目前,对城市黑臭水体的处理方法大都是单一的物理法、化学法和生物法。但是利用过滤、曝气、气浮和离心等物理法的处理水体成本较高;化学法有絮凝、沉淀、电解和氧化等处理方法,成本高,容易二次污染;生物法有生物塘和人工湿地等处理方法,应用广泛但处理速度较慢。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,通过活性炭生物转盘和光催化填料层协同作用,能有效提高污水的净化效率。
本发明还提供了上述活性炭生物转盘耦合人工湿地系统在城市黑臭水体中的应用,利用该系统可实现对中小城市黑臭水体的净化处理,处理污水量大。
为了达到上述目的,本发明采用了如下的技术方案:
一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,包括串联的活性炭生物转盘和垂直流人工湿地;
所述活性炭生物转盘是以网状聚丙烯盘片为载体,表面负载有片状活性炭;
所述垂直流人工湿地包括池体,池体内从左至右依次设置有第一隔板和第二隔板,所述第一隔板及第二隔板将池体分隔成进水室、水处理室、出水室,水处理室内从下至上依次铺设有碎石层、陶粒层和光催化填料层,光催化填料层铺设有防水灯,水处理室内种植有水生植物;
其中,光催化填料层由钛酸铋/氧化铈复合材料负载在粗砂上构成,钛酸铋/氧化铈复合材料采用以下步骤制备:
将硝酸铋溶于浓度为4~5 mol/L的稀硝酸,得到硝酸铋的硝酸溶液,再加入钛酸四异丙酯,于25~35℃恒温搅拌25~35分钟后,调节pH至12~14后,继续搅拌1.5~2.5小时,于180~220℃水热反应45~55小时,冷却至室温后,取沉淀洗涤、干燥,得到钛酸铋;其中,硝酸铋与钛酸四异丙酯的摩尔比为1∶0.7~0.8;
向去离子水中加入步骤(1)所得钛酸铋、硝酸铈、尿素和十六烷基三甲基溴化铵,搅拌1~3小时,再于150~180℃水热条件下反应18~24小时,冷却至室温后,收集底部生成的沉淀产物,洗涤、干燥;其中,钛酸铋、硝酸铈、尿素和十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1∶1.8~3.2∶0.8~1.6∶1.0~1.5。
优选地,步骤(1)中硝酸铋的硝酸溶液中硝酸铋的摩尔浓度为1.6~2.2 mol/L。
进一步,步骤(1)中调节溶液pH采用浓度为5~6 mol/L的氢氧化钠溶液。
进一步,步骤(1)及步骤(2)中洗涤沉淀时,均采用乙醇和去离子水交替清洗。
进一步,步骤(1)及步骤(2)中所述干燥是于60~90℃真空干燥。
优选地,光催化填料层按照以下步骤制备:将钛酸铋/氧化铈复合材料及多乙烯多胺固化剂以质量比1∶0.2~0.5混匀,再加入乙醇中充分分散,然后将粗砂浸泡于该溶液中,静置4~6小时,取出并干燥即可。
进一步,所述粗砂的粒径为1 mm ~ 5 mm。
优选地,所述片状活性炭按照以下步骤制备:以核桃壳、花生壳等果壳为原料,洗净、烘干、粉碎、过筛后,按照固液比2~3∶1分散于质量分数为55%~60%的磷酸中,室温下密封放置10~14小时,然后于450~550℃真空煅烧3~5小时,冷却至室温,用70~90℃的去离子水洗涤,于80~120℃干燥;再在氮气的保护下,于550~600℃炭化1~2小时,即得片状活性炭。
优选地,所述片状活性炭采用浸渍法固定在网状聚丙烯,具体步骤如下:将片状活性炭及间苯二甲胺以质量比1∶0.2~0.5加入乙醇的水溶液中充分分散,然后将网状聚丙烯浸泡于该溶液中,静置5~6小时,取出并干燥即可;其中,所述乙醇的水溶液是由乙醇与去离子水按照体积比1∶2.5~5混匀而成。
上述活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统在城市黑臭水体治理中的应用,所述黑臭水体的COD为25~40 mg/L、溶解氧为0.1~2 mg/L、NH4 +-N为8~20 mg/L、TP为0.5~15 mg/L、透明度为8~30 cm。
上述系统中所涉及的原料均为普通市售产品。
与传统污水处理工艺相比,本发明的有益效果如下:
1.本发明提供的活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,通过活性炭生物转盘和光催化填料层协同作用对污水进行深度处理,能很大程度的提高污水净化效率,出水的各项指标均可达标;
2.其中,活性炭生物转盘中将片状活性炭并固定在网状聚丙烯盘片上,有效的增大了盘片的比表面积,并且结合活性炭较强的吸附性可有效提高生物转盘的挂膜率,能有效提高污水中COD降解效率,更有利于后续处理;
3.人工湿地中的光催化填料层采用钛酸铋/氧化铈复合材料负载在粗砂层上,钛酸铋本身具有光催化特性,经氧化铈改性后,光催化降解效果进一步提高,可利用自然光及防水灯光进行催化降解污水中的污染物,且氧化铈本身具有较强的吸附性和稳定性,因此,钛酸铋/氧化铈复合材料可显著增加对水体中污染物的吸附和降解;通过进一步将该复合材料负载在粗砂上,使其能稳定存在于填料层,避免被水流冲刷而流失,可循环使用;
4.该系统可适用于中小城市黑臭水体的治理,可实现废水的资源化与无害化,同时具有美化城市的效果。
附图说明
图1是本发明所述活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统的结构示意图;
图2是实施例1中所制备的钛酸铋/氧化铈复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明,所描述实施例仅是示例性的,并且本发明并不限于这些实施方式。
下述实施例中所述网状聚丙烯购于江西龙泰新材料股份有限公司,型号LT,网孔规格为3 mm,其他涉及药品均为常规市售实验药品。
实施例1
如图1所示,一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,包括串联的活性炭生物转盘1和垂直流人工湿地;所述活性炭生物转盘1是以网状聚丙烯盘片为载体,表面负载有片状活性炭;所述垂直流人工湿地包括池体2,池体2内从左至右依次设置有第一隔板3和第二隔板4,第一隔板3的上部设有进水口,所述第一隔板3及第二隔板4将池体2分隔成进水室、水处理室、出水室,[1] [2] 水处理室内从下至上依次铺设有碎石层5、陶粒层6和光催化填料层7,所述碎石层5、陶粒层6和光催化填料层7的高度分别与50 cm、100 cm、20 cm,光催化填料层7的底部均匀间隔铺设有线条状的防水灯8;第一隔板3的上部设有进水口,且进水口与光催化填料层7的上表面相平齐,水处理室的底部设有集水管9,集水管9的另一端穿过第二隔板4并延伸至出水室的上部,出水室的右侧壁设有出水口,且出水口与光催化填料层7的底面相平齐;水处理室内种植有水生植物,所述水生植物选择美人蕉10和再力花11。
其中,片状活性炭负载在网状聚丙烯盘片的制备步骤如下:
(1)以核桃壳、花生壳等果壳为原料,洗净、烘干、粉碎、过筛后,按照固液比2:1分散于质量分数为55%的磷酸中,室温下密封放置12小时,然后于450℃真空煅烧3.5小时,冷却至室温,用70℃的去离子水洗涤至中性,于80℃干燥;再在氮气的保护下,于550℃炭化1.5小时,即得片状活性炭。
(2)然后将片状活性炭采用浸渍法固定在网状聚丙烯盘片,具体步骤如下:将片状活性炭及间苯二甲胺以质量比1∶0.3混合均匀,得到混合物料,将混合物料加入乙醇的水溶液中充分分散,然后将网状聚丙烯盘片浸泡于该溶液中,静置5小时,取出并干燥即可,其中乙醇的水溶液由乙醇与去离子水按照体积比1∶4混匀而成,乙醇的水溶液中混合物料的投加量为15 g/L。
光催化填料层7由钛酸铋/氧化铈复合材料负载在粗砂上构成,具体步骤如下:
1)将硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O )溶于浓度为4 mol/L的稀硝酸,得到硝酸铋的硝酸溶液(硝酸铋的硝酸溶液中硝酸铋的摩尔浓度为2 mol/L),再加入钛酸四异丙酯,于25℃恒温搅拌30分钟后,采用浓度为5 mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液pH至13后,继续搅拌2.5小时,于200℃水热反应45小时,冷却至室温后,取沉淀,用去离子水和无水乙醇交替离心清洗干净,于80℃真空干燥,得到钛酸铋;其中,硝酸铋与钛酸四异丙酯的摩尔比为1:0.7。
2)向去离子水中加入步骤1)所得钛酸铋、硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)、尿素和十六烷基三甲基溴化铵,搅拌分散均匀后,放置于磁力搅拌器搅拌2小时,搅拌均匀后再次倒入反应釜在于160℃水热条件下反应20小时,冷却至室温后,收集底部生成的沉淀产物,用去离子水和无水乙醇交替离心清洗干净,于80℃真空干燥,即可得到钛酸铋/氧化铈复合材料;其中,去离子水中钛酸铋的加入量为5 mol/L,钛酸铋、硝酸铈、尿素和十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1∶1.8∶0.8∶1.2。
3)然后将钛酸铋/氧化铈复合材料及多乙烯多胺固化剂以质量比1∶0.4混匀,然后加入乙醇中充分分散,然后将粒径为3 mm 的粗砂浸泡于该溶液中,静置5小时,取出并干燥即可。
对钛酸铋/氧化铈复合材料进行扫描电镜表征,如图2所示,从图2中可看出所制得的钛酸铋/氧化铈复合材料为1~2μm的条状。
下面以郑州市某个黑臭水体为例进行说明,取样测得该水体中的COD为140 mg/L,DO为0.05 mg/L,NH4 +-N为16 mg/L,TP为9.8 mg/L,以及透明度为10 cm,水体的各项指标均严重超出了国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准。
先将郑州市内某污染河流进行阻断外源固液废物的进入,通过人工或机械打捞等方式初步清理水体中固体废物;然后将初步清理后的黑臭水体送入絮凝沉淀,投入浓度约为25 ppm的聚合硫酸铁(PFS)进行絮凝和沉淀反应。将反应后产生的絮凝物用细格珊过滤去除,水底的污泥用排泥泵清除后可得到预处理后的污水,将预处理后的污水送入活性炭生物转盘耦合人工湿地系统。
预处理后的污水首先进入活性炭生物转盘1的氧化槽内,电动机转动转盘使其转速控制在2.5 min/r,活性炭生物转盘1的生物膜和大气与水体轮替接触,使溶解氧分布均匀,并且生物膜上的微生物循环不断地处于“富氧—缺氧”的状态中,发生硝化和反硝化作用,从而达到生物脱氮的作用。经检测,经过片状活性炭生物转盘1处理后,水力停留时间约为0.8 d,出水的COD含量控制为80 mg/L,DO含量控制在约为2.5 mg/L,NH4 +-N含量降低至约为9 mg/L,总磷含量降低至约为4.2 mg/L,透明度约为30 cm,各项出水水质已得到初步净化。
经活性炭生物转盘处理后的出水经第一隔板3上部的进水口流入人工湿地系统处理,总水力停留时间约为2 d,出水的COD含量控制在约为30 mg/L,DO含量控制在约为4.3mg/L,NH4 +-N含量降低至约为1.8 mg/L,总磷含量降低至约为0.26 mg/L,透明度约为85cm,使郑州市内某河流黑臭水体的处理效果达到国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准,同时具有美化城市的效果。
实施例2
采用实施例1所述的活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,不同之处在于,改变光催化填料层7制备步骤中的部分参数,具体如下:
1)将硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O )溶于浓度为4.5 mol/L的稀硝酸,得到硝酸铋的硝酸溶液(硝酸铋的硝酸溶液中硝酸铋的摩尔浓度为1.8 mol/L),再加入钛酸四异丙酯,于25℃恒温搅拌30分钟后,采用浓度为5.5 mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液pH至13后,继续搅拌2.5小时,于210℃水热反应45小时,冷却至室温后,取沉淀,用去离子水和无水乙醇交替离心清洗干净,于80℃真空干燥,得到钛酸铋;其中,硝酸铋与钛酸四异丙酯的摩尔比为1∶0.8。
2)向去离子水中加入步骤1)所得钛酸铋、硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)、尿素和十六烷基三甲基溴化铵,搅拌分散均匀后,放置于磁力搅拌器搅拌2小时,搅拌均匀后再次倒入反应釜在于165℃水热条件下反应20小时,冷却至室温后,收集底部生成的沉淀产物,用去离子水和无水乙醇交替离心清洗干净,于80℃真空干燥,即可得到钛酸铋/氧化铈复合材料;其中,去离子水中钛酸铋的加入量为5.5 mol/L,钛酸铋、硝酸铈、尿素和十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1∶1.8∶0.8∶1.2。
3)然后将钛酸铋/氧化铈复合材料及多乙烯多胺固化剂以质量比1∶0.3混匀,然后加入乙醇中充分分散,然后将粒径为3 mm 的粗砂浸泡于该溶液中,静置6小时,取出并干燥即可。
以濮阳市某个黑臭水体为例进行说明,取样测得该水体中的COD为180 mg/L,DO为0.04 mg/L,NH4 +-N为18 mg/L,TP为10.3 mg/L,以及透明度为9 cm,水体的各项指标均严重超出了国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准。
先将该污染河流进行阻断外源固液废物的进入,通过人工或机械打捞等方式初步清理水体中固体废物;然后将初步清理后的黑臭水体送入絮凝沉淀,投入浓度约为23 ppm的聚合硫酸铁(PFS)进行絮凝和沉淀反应。将反应后产生的絮凝物用细格珊过滤去除,水底的污泥用排泥泵清除后可得到预处理后的污水,将预处理后的污水送入活性炭生物转盘1耦合人工湿地系统。
预处理后的污水首先进入活性炭生物转盘1的氧化槽内,电动机转动转盘使其转速控制在2.3 min/r,活性炭生物转盘1的生物膜和大气与水体轮替接触,使溶解氧分布均匀,并且生物膜上的微生物循环不断地处于“富氧—缺氧”的状态中,发生硝化和反硝化作用,从而达到生物脱氮的作用。经检测,经过片状活性炭生物转盘1处理后,水力停留时间约为0.9 d,出水的COD含量控制为85 mg/L,DO含量控制在约为1.5 mg/L,NH4 +-N含量降低至约为9.5 mg/L,总磷含量降低至约为4.8 mg/L,透明度约为35 cm,各项出水水质已得到初步净化。
经活性炭生物转盘1处理后的出水经第一隔板3上部的进水口流入人工湿地系统处理,水力停留时间约为2.1 d,经检测,出水口的COD含量控制在约为32 mg/L,DO含量控制在约为4.5 mg/L,NH4 +-N含量降低至约为1.55 mg/L,总磷含量降低至约为0.23 mg/L,透明度约为89 cm,使濮阳市内某河流黑臭水体的处理效果达到国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准,同时具有美化城市的效果。
实施例3
采用实施例所述的活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,以信阳市某个黑臭水体为例进行说明,取样测得该水体中的COD为194 mg/L,DO为0.03 mg/L,NH4 +-N为23 mg/L,TP为11mg/L,以及透明度为10.5 cm,水体的各项指标均严重超出了国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准。
先将该污染河流进行阻断外源固液废物的进入,通过人工或机械打捞等方式初步清理水体中固体废物;然后将初步清理后的黑臭水体送入絮凝沉淀,投入浓度约为26 ppm的聚合硫酸铁(PFS)进行絮凝和沉淀反应。将反应后产生的絮凝物用细格珊过滤去除,水底的污泥用排泥泵清除后可得到预处理后的污水,将预处理后的污水送入活性炭生物转盘1耦合人工湿地系统。
预处理后的污水首先进入活性炭生物转盘1的氧化槽内,电动机转动转盘使其转速控制在3 min/r,活性炭生物转盘1的生物膜和大气与水体轮替接触,使溶解氧分布均匀,并且生物膜上的微生物循环不断地处于“富氧—缺氧”的状态中,发生硝化和反硝化作用,从而达到生物脱氮的作用。经检测,经过片状活性炭生物转盘1处理后,水力停留时间约为1d,出水的COD含量控制为88 mg/L,DO含量控制在约为1.3 mg/L,NH4 +-N含量降低至约为10.5mg/L,总磷含量降低至约为5.2 mg/L,透明度约为38 cm,各项出水水质已得到初步净化。
经活性炭生物转盘1处理后的出水经第一隔板3上部的进水口流入人工湿地系统处理,水力停留时间约为2 d,经检测,出水口的COD含量控制在约为29 mg/L,DO含量控制在约为4.46 mg/L,NH4 +-N含量降低至约为1.52 mg/L,总磷含量降低至约为0.29 mg/L,透明度约为92 cm,使信阳市内某河流黑臭水体的处理效果达到国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准,同时具有美化城市的效果。
以上所述本发明实施例仅是用于帮助阐述本发明,并没有详尽地叙述所有细节,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种活性炭生物转盘耦合人工湿地系统,其特征在于:包括串联的活性炭生物转盘和垂直流人工湿地;
所述活性炭生物转盘是以网状聚丙烯盘片为载体,表面负载有片状活性炭;
所述垂直流人工湿地包括池体,池体内从左至右依次设置有第一隔板和第二隔板,所述第一隔板及第二隔板将池体分隔成进水室、水处理室、出水室,水处理室内从下至上依次铺设有碎石层、陶粒层和光催化填料层,光催化填料层铺设有防水灯,水处理室内种植有水生植物;
其中,光催化填料层由钛酸铋/氧化铈复合材料负载在粗砂上构成,钛酸铋/氧化铈复合材料采用以下步骤制备:
将硝酸铋溶于浓度为4~5 mol/L的稀硝酸,得到硝酸铋的硝酸溶液,再加入钛酸四异丙酯,于25~35℃恒温搅拌25~35分钟后,调节pH至12~14后,继续搅拌1.5~2.5小时,于180~220℃水热反应45~55小时,冷却至室温后,取沉淀洗涤、干燥,得到钛酸铋;其中,硝酸铋与钛酸四异丙酯的摩尔比为1∶0.7~0.8;
向去离子水中加入步骤(1)所得钛酸铋、硝酸铈、尿素和十六烷基三甲基溴化铵,搅拌1~3小时,再于150~180℃水热条件下反应18~24小时,冷却至室温后,收集底部生成的沉淀产物,洗涤、干燥;其中,钛酸铋、硝酸铈、尿素和十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1∶1.8~3.2∶0.8~1.6∶1.0~1.5。
2.根据权利要求1所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于:步骤(1)中所述硝酸铋的硝酸溶液中硝酸铋的摩尔浓度为1.6~2.2 mol/L。
3.根据权利要求2所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于:步骤(1)中调节溶液pH采用浓度为5~6 mol/L的氢氧化钠溶液。
4.根据权利要求2所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于:步骤(1)及步骤(2)中洗涤沉淀时,均采用乙醇和去离子水交替清洗。
5.根据权利要求2所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于:步骤(1)及步骤(2)中所述干燥是于60~90℃真空干燥。
6.根据权利要求1所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于,光催化填料层按照以下步骤制备:
将钛酸铋/氧化铈复合材料及多乙烯多胺固化剂以质量比1∶0.2~0.5混匀,再加入乙醇中充分分散,然后将粗砂浸泡于该溶液中,静置4~6小时,取出并干燥即可。
7.根据权利要求6所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于:所述粗砂的粒径为1 mm~5 mm。
8.根据权利要求1所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于,所述片状活性炭按照以下步骤制备:以核桃壳、花生壳等果壳为原料,洗净、烘干、粉碎、过筛后,按照固液比2~3∶1分散于质量分数为55%~60%的磷酸中,室温下密封放置10~14小时,然后于450~550℃真空煅烧3~5小时,冷却至室温,用70~90℃的去离子水洗涤,于80~120℃干燥;再在氮气的保护下,于550~600℃炭化1~2小时,即得片状活性炭。
9.根据权利要求1所述的活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统,其特征在于,所述片状活性炭采用浸渍法固定在网状聚丙烯,具体步骤如下:将片状活性炭及间苯二甲胺以质量比1∶0.2~0.5混合均匀,再加入乙醇的水溶液中充分分散,然后将网状聚丙烯浸泡于该溶液中,静置5~6小时,取出并干燥即可;其中,所述乙醇的水溶液是由乙醇与去离子水按照体积比1∶2.5~5混匀而成。
10.权利要求1至9任一所述活性炭生物转盘耦合复合人工湿地系统在城市黑臭水体治理中的应用,其特征在于:所述黑臭水体的COD为25~40 mg/L、溶解氧为0.1~2 mg/L、NH4 +-N为8~20 mg/L、TP为0.5~15 mg/L、透明度为8~30 cm。
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