CN109912295A - 硅酸盐基生物滤料及其制备方法与应用 - Google Patents

硅酸盐基生物滤料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种硅酸盐基生物滤料及其制备方法与应用，属于废水处理技术领域，该制备方法包括：以石料尾料和粘土为主原料，以水玻璃为粘合剂，将主原料、粘合剂和水搅拌混匀；将混匀后的混合物造粒，制得陶粒生坯；将陶粒生坯进行干燥、烧结以及冷却后，制得硅酸盐生物滤料。本发明制得的硅酸盐基生物滤料具有比表面积大、菌群存活率高和机械强度高的优点。

Description

硅酸盐基生物滤料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种硅酸盐基生物滤料及其制备方法与应用。
背景技术
中国是一个水资源匮乏的国家，人均占有量仅为世界人均占有量的四分之一，而且分布极为不均匀——华北地区和西北地区严重缺水。与此不相适应的是每年排放的废水量350亿立方米，经过集中处理的城市污水量不到10％。伴随着社会发展，水资源的污染情况愈发严重，据不完全统计，超过70％的地下水遭受严重污染，污水的净化处理成为亟待解决的问题。曝气生物滤池作为一种新型污水处理技术：在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜量的强氧化降解能力对污水进行快速净化，同时，因污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，运行一定时间后，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜。因此合理的选用滤料是生物滤池设计过程中的重要环节。
目前，曝气生物滤池所用的粒状滤料主要为陶粒、石英砂、焦炭和活性炭。陶粒滤料来源广泛，可针对不同水质，逐渐成曝气生物滤料的主体。有研究报道以页岩、铝矾土和铁矿石为原料制备滤料陶粒的方法，该方法生产的滤料陶粒强度大，吸附能力强，但有不足之处：(1)原料为天然矿物，对自然资源消耗巨大；(2)表观密度偏大，对滤池的负荷偏大；(3)比表面积小，可供菌群的生长空间小。还有研究报道以改性蒙脱石、活性炭、镁电气石为主要原料来，经成球工艺，于700℃烧成后即可制备出多介质生物滤料，但该技术存在以下缺点：(1)先须经过处理得到活性蒙脱石，工艺复杂；(2)所制得的生物滤料强度不高，在曝气生物滤池的反冲洗过程中容易破碎。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种硅酸盐基生物滤料及其制备方法与应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
作为本发明的一个方面，提供了一种硅酸盐基生物滤料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以石料尾料和粘土为主原料，以水玻璃为粘合剂，将所述主原料、粘合剂和水搅拌混匀；
(2)将混匀后的混合物造粒，制得陶粒生坯；
(3)将所述陶粒生坯进行干燥、烧结以及冷却后，制得所述硅酸盐生物滤料。
作为本发明的另一个方面，提供了一种利用如上所述的硅酸盐基生物滤料的制备方法制得的硅酸盐基生物滤料。
作为本发明的再一个方面，提供了一种如上所述的硅酸盐基生物滤料在污水处理中的应用。
基于上述技术方案，本发明的硅酸盐基生物滤料及其制备方法与应用具有以下积极效果：
1、本发明制备硅酸盐基生物滤料过程中，经造粒工艺后在颗粒上布满微孔，烧结后具有较高的显气孔率和比表面积，制得的生物滤料基于硅酸盐基，具有较高的机械强度以及耐磨性；
2、本发明所用主原料为目前大量堆积且没有得到充分利用的石料尾料，不仅减缓了环境压力，还节约了处理大量石料尾料的费用，具有节约资源和环境友好的特点；
3、本发明制备工艺相对简单、原料价格低廉，且原料利用率高，具有很大的产业化前景；
4、制得的生物滤料呈近似球形，对滤料造粒要求较低，造粒设备和费用相对较低，滤料成本较低；
5、制得的生物滤料可用于污水处理，菌群存活率较高。
附图说明
图1是本发明实施例1硅酸盐基生物滤料的扫描电镜(SEM)图；
图2是本发明实施例1硅酸盐基生物滤料等温吸附曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的一些实施例，提供了一种硅酸盐基生物滤料的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：以石料尾料和粘土为主原料，以水玻璃为粘合剂，将主原料、粘合剂和水搅拌混匀。
本步骤中，以主原料的总质量为100wt％，石料尾料用量为60wt％～70wt％，粘土的用量为30wt％～40wt％，在每吨主原料中水玻璃的用量为100～150L，水的用量为主原料的90wt％～100wt％。
其中石料尾料的主要化学成分是：SiO2含量≥70.0wt％，Na2O含量≤15.0wt％，Fe2O3含量≤7.0wt％，CaO含量≤3.0wt％，MgO含量≥2.0wt％。
其中，搅拌混匀的步骤在搅拌机中进行；作为优选，水以喷雾形式加入，以易于成型，操作可控。
步骤B：将混匀后的混合物造粒，制得陶粒生坯。本步骤中，造粒的步骤是在常规的造粒机中进行的。
步骤C：然后将陶粒生坯进行干燥、烧结以及冷却后，制得硅酸盐基生物滤料。
其中烧结以及冷却的步骤包括：将陶粒生坯以10～12℃/min的速率升温至350℃～450℃，预热保温30～40分钟；再以10～12℃/min的速率升温至800℃～900℃，保温5～6小时；最后以5℃/min的速率降温至室温。
根据本发明的一些实施例，还提供了一种通过如上所述的硅酸盐基生物滤料的制备方法所制得的硅酸盐基生物滤料。
根据本发明的一些实施例，还提供了一种如上所述的硅酸盐基生物滤料在污水处理中的应用。
以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作进一步说明：
为避免重复，先将以下各实施例所涉及的原料统一描述如下，在各实施例中不再赘述：石料尾料的主要化学成分是：SiO2含量≥70.0wt％，Na2O含量≤15.0wt％，Fe2O3含量≤7.0wt％，CaO含量≤3.0wt％，MgO含量≥2.0wt％。
实施例1
一种硅酸盐基生物滤料的制备方法，包括以下步骤：以65wt％的石料尾料、35wt％的粘土为主原料，在每吨主原料中加入100L的水玻璃作为粘合剂，加入到预混搅拌机中搅拌，同时以喷雾形式加入水，最终水分质量百分比含量为主原料的100％；搅拌均匀后，将混合物送入造粒机造粒；然后将陶粒生坯放入烘箱中充分干燥，以10℃/min的速率升温至350℃～450℃，预热保温30～40分钟；再以10℃/min的速率升温至800℃～900℃，保温5～6小时；最后以5℃/min的速率降温至室温，制得的硅酸盐基生物滤料可用于污水处理。
性能测试：生物滤料的表面特征采用S3000N型扫描电子显微镜进行观察。比表面积采用Brunauer-Emmett-Teller N2吸附方法，平均孔径采用Barrett-Joyner-Halenda方法，根据相对压力(P/P0)为0.99时的氮气吸附量计算，所用仪器为ASAP 2460型比表面积及孔径分析仪。
如图1所示，可以看出制得的硅酸盐基生物滤料具有微孔特征；如图2所示，结果表明，生物滤料的比表面积为25.07m2/g-K，吸附孔径主要分布在3.70-7.49nm。
实施例2
一种硅酸盐基生物滤料的制备方法，包括以下步骤：以60wt％的石料尾料、40wt％的粘土为主原料，在每吨主原料中加入100L的水玻璃作为粘合剂，加入到预混搅拌机中搅拌，同时以喷雾形式加入水，最终水分质量百分比含量为上述主原料的100％；搅拌均匀后，将混合物送入造粒机造粒；然后将陶粒生坯放入烘箱中充分干燥，以12℃/min的速率升温至350℃～450℃，预热保温30～40分钟；再以12℃/min的速率升温至800℃～900℃，保温5～6小时；最后以5℃/min的速率降温至室温，制得的硅酸盐基生物滤料可用于污水处理。
性能测试：采用与实施例1相同的测试方法，测试结果为：比表面积为22.63m2/g-K，吸附孔径主要分布在4.02-7.86nm。
实施例3
一种硅酸盐基生物滤料的制备方法，包括以下步骤：以70wt％的石料尾料、30wt％的粘土为主原料，在每吨主原料中加入120L的水玻璃作为粘合剂，加入到预混搅拌机中搅拌，同时以喷雾形式加入水，最终水分质量百分比含量为上述主原料和水分总质量的95％；搅拌均匀后，将混合物送入造粒机造粒；然后将陶粒生坯放入烘箱中充分干燥，以12℃/min的速率升温至350℃～450℃，预热保温30～40分钟；再以12℃/min的速率升温至：800℃～900℃，保温5～6小时；最后以5℃/min的速率降温至室温，制得的硅酸盐基生物滤料可用于污水处理。
性能测试：采用与实施例1相同的测试方法，测试结果为：比表面积为20.98m2/g-K，吸附孔径主要分布在4.54-8.31nm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅酸盐基生物滤料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以石料尾料和粘土为主原料，以水玻璃为粘合剂，将所述主原料、粘合剂和水搅拌混匀；
(2)将混匀后的混合物造粒，制得陶粒生坯；
(3)将所述陶粒生坯进行干燥、烧结以及冷却后，制得所述硅酸盐生物滤料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，以所述主原料的总质量为100wt％，所述石料尾料用量为60wt％～70wt％，所述粘土的用量为30wt％～40wt％，在每吨所述主原料中水玻璃的用量为100～150L，水的用量为所述主原料的90wt％～100wt％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石料尾料包括以下质量分数的组分：SiO2含量≥70.0wt％，Na2O含量≤15.0wt％，Fe2O3含量≤7.0wt％，CaO含量≤3.0wt％，MgO含量≥2.0wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述搅拌混匀的步骤是在搅拌机中进行；水是以喷雾形式加入。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述造粒的步骤是在造粒机中进行。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述烧结以及冷却的步骤包括：将干燥后的陶粒生坯以10～12℃/min的速率升温至350℃～450℃，预热保温30～40分钟；再以10～12℃/min的速率升温至800℃～900℃，保温5～6小时；最后以5℃/min的速率降温至室温。
7.一种利用如权利要求1至6任意一项所述的硅酸盐基生物滤料的制备方法所制得的硅酸盐基生物滤料。
8.一种如权利要求7所述的硅酸盐基生物滤料在污水处理中的应用。
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