CN110813249A - 一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料及其制备方法和应用，该材料包括基质垫层和基质填料，基质垫层设置为上、中和下三层，基质填料填充在相邻基质垫层之间构成三明治结构预成品，所述基质垫层和基质填料均是由稻草秸秆和粘合剂复合而成的，在所述三明治结构预成品的外层用基质垫层进行封皮处理，使其一体成型。本发明制备的由稻草膨化基质材料构成的三明治式框架增加了膨化生物基质的孔隙率和比表面积，对污水中COD、氮磷等污染物具有很好的吸附性，还增加了膨化生物基质的稳定性和机械强度，避免其在水中膨胀、分散悬浮等问题，易回收。制备方法简单，能耗低，原料简单易得，污水处理后的材料还可二次利用，具有良好的应用前景。

Description

一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别的涉及一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料 及其制备方法和应用。
背景技术
中国水稻生产和畜牧养殖规模均居世界前列。水稻种植为中国粮食安全提供了保障，也 带来稻草秸秆处理问题。传统上稻草秸秆处理途径主要有造纸、生物质发电、秸秆发泡板材 等。这些处理途径依赖于规模化工业生产。不过，中国独有的一家一户为主体的农业模式， 限制了水稻种植的集约化经营，增加了上述稻草秸秆处理成本和应用规模。稻草秸秆就地还 田，有利于维持农田土壤肥力。不过，由于野外条件下稻草腐解慢，还田的稻草秸秆增加了 二茬作物种植的不便利。同时，稻草秸秆携带的植物病原菌及害虫虫卵会随稻草还田增加二 茬作物的病虫害加重的风险。故，如何生态处理稻草秸秆依旧是目前中国南方稻作区的技术 难题。
随着人们生活水平大幅提高，环境建设与经济发展不同步越发严重，其中水环境污染问 题尤为严重。畜禽养殖和生活污水中主要含有氮、磷及COD等，特别是农村地区，未经处理 的生活污水随意排放，导致沟渠、池塘的水质发黑变臭，蚊虫滋生，影响农村人居环境及威 胁居民的身体健康，同时会造成饮用水水源污染以及湖泊、水库的富营养化。我国目前对生 活污水中氮、磷及COD等污染物质的处理技术及工艺主要有A/A/O工艺、SBR(序批式活 性污泥法)等技术及工艺。但A/A/O能耗大，耐冲击能力不强；SBR法自动化要求高，后处 理设备要求大。
近几年，利用植物茎秆作为原材料制备吸附材料处理污水成为研究的热点。如发明专利 CN201710743317.8公开了一种改性的水稻秸秆吸附剂，先将水稻秸秆经粉碎化预处理，再将 预处理后的秸秆与改性剂在高温下进行胺基改性反应，得到的吸附材料仅是对废水中的重金 属铬和镍有吸附作用；发明专利CN201610216789.3公开了一种去除溶液中氨氮的吸附材料， 以棉花杆为原料，经碱性溶液改性后，再将其在290℃～350℃下缺氧烧制1～3h进行炭化，得 到的吸附材料对废水中的氨氮有吸附作用。发明专利CN201910773358.0公开了一种重金属废 水吸附剂，先将高岭土、凹凸棒土、六偏磷酸钠，氢氧化钠、聚丙烯酰胺、木质素磺酸盐、 水混合煅烧；再将秸秆、赤泥混合后烘干，粉碎后与聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸和聚丙烯酰胺 混合；最后将所得混合物与三乙醇胺混合，研磨。发明专利CN201910773359.5公开了一种生 物炭质复合吸附剂的制备方法，先将秸秆烘干、粉碎，进行碱解，然后与海藻酸钠、聚乙烯 醇一起碳化得到生物炭颗粒；然后将氧化石墨烯、柠檬酸加至氯化铁的乙二醇溶液中，加入 氨水、聚乙烯吡咯烷酮、微粉硅胶和表面活性剂，制成磁性氧化石墨烯复合物；最后将生物 炭和磁性氧化石墨烯复合物混合，加入卵磷脂和偶联剂，研磨。虽然上述方法吸附效果较好， 但存在能耗高、操作复杂、在材料制备过程中需加入化学改性剂，加大了投资，成本高，且 在环境中易造成二次污染，回收困难，更重要的是对稻草生物质废弃物的资源化利用率低。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种三明治式框架的稻草膨化生物 基质材料及其制备方法，解决现有吸附剂存在制备工艺复杂，成本高，需加入化学改性剂易 造成二次污染，后期维护和回收困难等问题，同时还解决了稻草生物质废弃物的资源化利用 率低和环境污染的问题。
本发明还提供了一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料在污水处理方面的应用。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种三明治式框架的稻草膨化 生物基质材料，包括基质垫层和基质填料，所述基质垫层设置为上、中和下三层，所述基质 填料填充在相邻基质垫层之间构成三明治结构预成品，所述基质垫层和基质填料均是由稻草 秸秆和粘合剂复合而成的，在所述三明治结构预成品的外层用基质垫层进行封皮处理，使其 一体成型。
作为优选的，所述粘合剂为瓜尔豆和/或淀粉胶液。
本发明还提供了上述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，包括以下步骤：
1)预处理：取含水量为8～10％的稻草将其切割成小段，得到碎化的稻草秸秆；水分含量 较高的新收割稻草秸秆不适合直接用于稻草膨化处理，稻草秸秆含水量过高，影响后期塑性 处理；稻草秸秆水分含量过低，会造成秸秆过脆，不利于后期碎花处理。野外条件下夏季收 获的早/中稻草秸秆，自然风干2～3天后水分含量可满足要求；秋季收获的晚稻秸秆，通常自 然风干1周左右后可用。
2)基质垫层和基质填料的加工：将步骤1)制备得到碎化的稻草秸秆加入粘合剂混合搅 拌均匀后得到混合材料，将所述混合材料压制成饼状，然后将其在50～60℃干燥处理30～60min硬化成型，即得到基质垫层；将所述混合材料在40～50℃干燥处理15～20min后，放入搅拌机搅拌，形成大量保有一定粘稠性的小块状，即为基质填料；
3)组装：在组装模具中依次加入基质垫层和基质填料，使基质垫层分为上、中和下三层， 所述基质垫层之间填充基质填料，得到三明治结构预成品；
4)封皮：在封皮模具内置垫纸，并于垫纸上均匀铺设一薄层步骤2)所述混合材料，然 后将步骤3)组装好的三明治结构预成品放于封皮模具中进行封皮处理，得到一体成型的三 明治结构体材料；所述封皮模具和组装模具的内腔的横截面相同；
5)热膨化处理：将步骤4)形成的三明治结构体材料置于80～90℃进行高温热干燥处理， 促使三明治结构体材料中粘合剂热膨化，待干燥后，即得到所述三明治框架的稻草膨化基质 材料。这样，热膨化处理后，使粘合剂与秸秆的粘合性增强，增加了材料的牢固性。同时基 质颗粒中稻草秸秆受热后膨胀，极大提高材料的比表面积和孔隙率。
作为优选的，步骤1)所述碎化的稻草秸秆的粒径长20～50mm、宽8～10mm。
作为优选的，所述碎化的稻草秸秆和粘合剂的体积比为5:1～3.5:1；所述粘合剂的浓度为 15～20％。
作为优选的，步骤4)所述混合材料的铺设厚度为5mm；所述横截面为圆形。
作为优选的，所述基质垫片与基质填料体积比为1:6～1:5。
本发明还提供了上述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料在污水处理方面的应用。
作为优选的，将所述稻草膨化生物基质材料放入污水中停留6～7天即可；所述污水为富 营养化水体或黑臭水体。
作为优选的，当污水为富营养化水体时，所述生物基质材料与污水的体积比为1:5～1:4； 当污水为黑臭水体时，所述生物基质材料与污水的体积比为1:2～1:1。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明制备的三明治式框架的稻草膨化生物基质材料，以基质垫层作为三明治结构的 骨架，起支撑和一体成型的作用，增加了膨化生物基质的牢固性和机械强度，避免其在水中 膨胀、分散悬浮等问题，产品结构稳定、易固液分离及回收；以膨化的基质填料为有效吸附 部位，显著增加了稻草秸秆的孔隙率和比表面积，对污水中COD、氮磷等污染物具有很好的 吸附性，去除率高。本发明适合规模化操作，易工业化生产和应用。
2、本发明以稻草秸秆为原材料，与瓜尔豆/淀粉胶液按照一定比例混合，通过不同工艺 处理制备成基质垫片和基质填料，进一步通过组装、封皮及热膨化处理制备出以基质垫片为 骨架、基质垫片间充填基质填料的三明治式框架的稻草膨化生物基质材料。制备方法简单， 能耗低，纯天然安全环保，原料来源广泛、价格低廉，无化学添加剂，不会造成二次污染， 降低成本，可按市场需求生产符合需求的外观产品，适合大规模推广使用，拓展了水稻秸秆 处理和应用途径，提升了稻草的市场应用价值，还解决了稻草生物质废弃物的资源化利用率 低和环境污染的问题。
3、本发明制备的稻草膨化生物基质材料对污水中COD、氮磷等污染物去除率较高，可 作为目前污水处理中无机吸收基质材料的替代产品；处理污水后的稻草膨化基质材料中富含 氮、磷等营养元素，可回收作为有机肥，实现稻草秸秆和污水中氮磷污染物二次的资源化利 用，节省资源，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，包括以下步骤：
1)预处理：将稻草秸秆自然干燥至含水量为10％，然后将其切割成小段，得到平均粒径 长18mm、宽7.5mm碎化的稻草秸秆。
2)基质垫层和基质填料加工：取100g步骤1)制备得到碎化的稻草秸秆与20g瓜尔豆 胶液均匀混合得到混合材料，用于制备基质垫层和基质填料；
取所述混合材料放入模具(内置中空圆柱体高2mm、半径10cm)中，将混合材料压制成饼状，成型后将其在60℃干燥处理30min硬化成型，即得到基质垫层；取所述混合材料在50℃干燥处理20min后，放入搅拌机搅拌，形成大量保有一定粘稠性的小块状，即为基质填料。
3)组装：在组装模具(一端开口模具，内置中空圆柱体高10mm、半径10cm)中依次加入基质垫层和基质填料，使基质垫层分为上、中和下三层，所述基质垫层之间填充基质填料，通过加盖模具盖压实基质垫层和基质填料堆叠材料，得到三明治结构预成品。
4)封皮：首先取两个相同的封皮模具(内置空心半圆柱体，圆柱体高10cm、直径20cm) 并且内置垫纸，然后在垫纸上均匀铺设一薄层步骤2)所述混合材料；然后将组装好的三明 治结构预成品分别放入两个封皮模具中，并将两个封皮模具在竖直方向上将封皮模具的开口 对接，实现对三明治结构预成品的物理封皮，得到一体成型的三明治结构体材料。
5)热膨化处理：将步骤4)形成的三明治结构体材料置于90℃进行高温烘烤4h，即得 到所述三明治式框架的稻草膨化基质材料。
实施例2
一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，包括以下步骤：
1)预处理：将稻草秸秆自然干燥至含水量8％，然后将其切割成小段，得到平均粒径长 18mm、宽8mm碎化的稻草秸秆。
2)基质垫层和基质填料加工：取118g步骤1)制备得到碎化的稻草秸秆与25g瓜尔豆 胶液均匀混合得到混合材料，用于制备基质垫层和基质填料；
取所述混合材料放入模具(内置中空圆柱体高2mm、半径10cm)中，将混合材料压制成饼状，成型后将其在60℃干燥处理30min硬化成型，即得到基质垫层；取所述混合材料在48℃干燥处理20min后，放入搅拌机搅拌，形成大量保有一定粘稠性的小块状，即为基质填料。
3)组装：在组装模具(一端开口模具，内置中空圆柱体高10mm、半径10cm)中依次加入基质垫层和基质填料，使基质垫层分为上、中和下三层，所述基质垫层之间填充基质填料，通过加盖模具盖压实基质垫层和基质填料堆叠材料，得到三明治结构预成品。
4)封皮：首先取两个相同的封皮模具(内置空心半圆柱体，圆柱体高10cm、直径20cm) 并且内置垫纸，然后在垫纸上均匀铺设一薄层步骤2)所述混合材料；然后将组装好的三明 治结构预成品分别放入两个封皮模具中，并将两个封皮模具在竖直方向上将封皮模具的开口 对接，实现对三明治结构预成品的物理封皮，得到一体成型的三明治结构体材料。
5)热膨化处理：将步骤4)形成的三明治结构体材料置于85℃进行高温烘烤4h，即得 到所述三明治式框架的稻草膨化基质材料。
二、稻草膨化生物基质材料处理污水的应用
1、室内模式试验测试本发明制备的三明治式框架的稻草膨化基质材料对溶液中NH4 +和 NO3 -的吸附性能。
试验中NH4 ++NO3 -混合溶液由硫酸铵+硝酸钾与蒸馏水配置而成，取500ml混合溶液。按 三明治式框架的稻草膨化基质材料与混合溶液体积比1:5进行称取，用稻草膨化基质材料作 为过滤介质进行过滤吸附试验。取过滤后的滤液100ml水样，测试样品中NH4 +/NO3 -含量。 每组试验设置三个重复，测试结果如表1所示。
表1稻草膨化生物基质材料对NH4 +/NO3 -的吸附吸能
Figure BDA0002278122800000051
由表1可知，本发明制备的三明治式框架的稻草膨化生物基质材料对混合溶液中NH4 +吸附性能非常好，过滤处理后标液中NH4 +含量由原有的1.84mg/L，下降到0.13～0.24mg/L， 平均吸附率达90.8％。稻草膨化生物基质材料对溶液中NO3 -吸附性能相对弱，过滤处理后溶 液中NO3 -含量由原有的0.42mg/L，下降到0.18～0.30mg/L，平均吸附率达39.7％。
2、野外中试试验评估本发明三明治式框架的稻草膨化基质材料对高COD及氮磷污染负 荷养殖废水的处理效果。
污水处理池由农田改建，规格40cm*40cm*40cm。污水处理池充填10cm厚的稻草基质材 料(体积10cm*40cm*40cm)后，注入养殖废水(体积30cm*40cm*40cm)。养殖废水注入7天后采集废水样品，测定样品中COD、总氮和总磷含量，以评估稻草基质材料处理污水中COD和氮磷污染物的去除效果。野外评估试验共开展了4期。
表2
由表2可知，三明治式框架的稻草膨化生物基质材料添加对养殖废水中COD、总氮(TN) 和总磷(TP)具有较好的除去效果。处理前废水中COD含量为1184.4～2262.3mg/L，处理 后为560.7～1310.8mg/L，除去率为42.1～52.7％；处理前TN含量为283.3～488.6mg/L，处 理后为158.9～314.1mg/L，除去率为32.1～43.9％；处理前废水中TP含量为49.7～89.7mg/L， 处理后为35.2～49.1mg/L，除去率为31.9～53.6％。
综上，本发明三明治式框架的稻草膨化生物基质材料用作生物基质去污材料，对污水中 COD、总氮、氨氮和总磷具有较好的吸附/去除效果，可作为目前市场上常用的污水去除无机 吸附材料的替代品，在降低污水治理成本的同时，消除大量无机吸附材料因难降解所引发的 后期处理成本高的难题；并且基质垫层作为三明治结构的骨架，起支撑作用，使产品结构稳 定、使用和回收简单，无需装袋，适合规模化操作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三明治式框架的稻草膨化生物基质材料，其特征在于，包括基质垫层和基质填料，所述基质垫层设置为上、中和下三层，所述基质填料填充在相邻基质垫层之间构成三明治结构预成品，所述基质垫层和基质填料均是由稻草秸秆和粘合剂复合而成的，在所述三明治结构预成品的外层用基质垫层进行封皮处理，使其一体成型。
2.根据权利要求1所述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料，其特征在于，所述粘合剂为瓜尔豆和/或淀粉胶液。
3.一种如权利要求1或2所述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预处理：取含水量为8～10％的稻草将其切割成小段，得到碎化的稻草秸秆；
2)基质垫层和基质填料的加工：将步骤1)制备得到碎化的稻草秸秆加入粘合剂混合搅拌均匀后得到混合材料，将所述混合材料压制成饼状，然后将其在50～60℃干燥处理30～60min硬化成型，即得到基质垫层；将所述混合材料在40～50℃干燥处理15～20min后，放入搅拌机搅拌，形成大量保有一定粘稠性的小块状，即为基质填料；
3)组装：在组装模具中依次加入基质垫层和基质填料，使基质垫层分为上、中和下三层，所述基质垫层之间填充基质填料，得到三明治结构预成品；
4)封皮：在封皮模具内置垫纸，并于垫纸上均匀铺设一薄层步骤2)所述混合材料，然后将步骤3)组装好的三明治结构预成品放于封皮模具中进行封皮处理，得到一体成型的三明治结构体材料；所述封皮模具和组装模具的内腔的横截面相同；
5)热膨化处理：将步骤4)形成的三明治结构体材料置于80～90℃进行高温热干燥处理，促使三明治结构体材料中粘合剂热膨化，待干燥后，即得到所述三明治式框架的稻草膨化基质材料。
4.根据权利要求3所述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述碎化的稻草秸秆的粒径长20～50mm、宽8～10mm。
5.根据权利要求3所述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，其特征在于，所述碎化的稻草秸秆和粘合剂的体积比为5:1～3.5:1；所述粘合剂的浓度为15～20％。
6.根据权利要求3所述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，其特征在于，步骤4)所述混合材料的铺设厚度为5mm；所述横截面为圆形。
7.根据权利要求3所述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料的制备方法，其特征在于，所述基质垫片与基质填料体积比为1:6～1:5。
8.如权利要求1或2所述三明治式框架的稻草膨化生物基质材料在污水处理方面的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，将所述稻草膨化生物基质材料放入污水中停留6～7天即可；所述污水为富营养化水体或黑臭水体。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，当污水为富营养化水体时，所述生物基质材料与污水的体积比为1:5～1:4；当污水为黑臭水体时，所述生物基质材料与污水的体积比为1:2～1:1。
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