CN111099914B - 用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料及其制备方法和应用，本发明采用污泥、粉煤灰等废弃物，在原料配制过程中添加少量粘土、铁基添加剂、造孔剂、硅酸钠、电气石等原料，搅拌混合均匀后加水捏合成团、挤压造粒、抛光后制成生料球，在马弗炉内烧高温结成为较高强度的污泥基陶粒滤料，该滤料孔隙结构均匀、比表面积大、生物相容性好，其应用于曝气生物滤池有利于提高废水净化效果。与传统的粘土烧结型曝气生物滤池滤料相比，污泥基陶粒滤料在废水处理中具有综合运行成本低的优势，可用于印染、化工等工业废水的生化处理单元，也可用于污水处理厂的深度处理等废水治理领域。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料及其制备方法和应用。
背景技术
曝气生物滤池(biological aerated filter，BAF)是20世纪80年代末在欧美国家兴起的一种新型生物膜法污水处理技术。该技术集滤层的截留过滤效能和生物膜的生物氧化降解能力于一体，既可以有效去除污水中的悬浮物和有机物，也可实现硝化、脱氮、除磷以及有害物质的去除。曝气生物滤池一般设有承托层、布水、曝气、出水及反冲洗系统。曝气生物滤池利用滤料吸附拦截与生物膜降解的作用，实现污染物的去除，并在运行一段时间后，开启反冲洗以恢复滤池除污性能。
随着曝气生物滤池技术在世界范围内不断普及和推广，诸多学者在曝气生物滤池的滤料选择、启动挂膜、处理效能、工艺参数影响以及反冲洗等方面做了大量研究，也取得了较多成果，然而传统的曝气生物滤池工艺也存在技术瓶颈和不足之处，因此需要在深入了解曝气生物滤池的去污机理、特点、运行参数影响以及研究现状的基础上，在实际应用中对曝气生物滤池进行优化设计和工艺改良，不断发展和完善曝气生物滤池技术，强化其处理效能，以拓展曝气生物滤池工艺的应用领域，使其在今后的废水处理中发挥更大的作用。曝气生物滤池装置净化污水主要依靠附着在滤料表面以及滤料之间的微生物的新陈代谢过程，滤料本身的物化性质对生物膜的形状、氧的利用率和水力分布条件等起着重要作用，是影响曝气生物滤池处理效果和运行能耗的关键因素。
曝气生物滤池与传统生物滤池相比，能够耐受较高的有机负荷与水力负荷，能适应不同水质的废水处理。Li Fan等人研究采用曝气生物滤池配合微电解处理溴胺酸废水，研究表明当水力停留时间为43.4h，有机负荷率OLR为0.56kg/(m3·d)时，微电解改善了废水的可生化性，曝气生物滤池最终系统可去除81.2％的COD(化学需氧量)、96.6％的色度；Jun Chen等人通过曝气生物滤池处理养猪废水的研究表明，通过曝气生物滤池处理养猪废水，能够有效去除原废水中含有的9种抗生素，对BOD(生化需氧量)、COD、氨氮等的去除率均大于82％。
曝气生物滤池以滤池内滤料为生物膜载体，在池体内充分曝气的条件下利用滤料及附着生物膜对流经废水进行处理，从而高效去除污染物。滤料是曝气生物滤池的重要组成部分，滤料类型、粗糙度、均匀度和粒径大小都会对系统除污性能、结构形式和运行成本等产生较大影响。曝气生物滤池滤料选取通常需遵循以下原则：(1)耐磨性、化学及生物稳定性；(2)表面粗糙且比表面积和空隙率大；(3)密度适中，不影响反冲洗的进行。目前，在曝气生物滤池系统中应用的滤料主要以天然材料和人工合成的高性能填料为主。He等人研究了以天然沸石为滤料的曝气生物滤池在低温和氨氮负荷冲击下处理城市生活污水的性能，结果表明该系统对低温和氨氮负荷冲击有很好的适应性。当DO(溶解氧含量)浓度为1.5-2.0mg/L、水力负荷为2-3m3/(m2﹒h)、水力停留时间为1.2h时，NH4 +-N和COD去除率均可保持在90％左右。Hu等人用煤矸石和粉煤灰制成陶粒，作为曝气生物滤池的底层滤料，用活性炭颗粒作上层填料，所搭建的曝气生物滤池反应器处理城镇污水，出水可达到一级A标准。
近年来，已有不少国内外学者利用固体废弃物进行滤料的研究，通常将一种或一种以上的固体废弃物混合进行陶粒的制备方法研究和性能评价。由于污泥中含有有机质，高温条件下利于陶粒内部形成孔隙结构，减少发泡剂的使用，因此，利用污泥制备陶粒不仅减轻污水处理厂大量污泥无法妥善处理处置带来的环境压力，还可实现污泥等废弃物的资源化、无害化利用，同时将陶粒作为滤料应用于不同行业进行水处理中，可以达到以废治废的目的，在经济、社会和环境方面都可以取得良好效益。Merino等利用污泥焚烧灰制备陶粒的研究表明，污泥灰中含有的大量铁、钙、硅、铝等元素在高温焙烧下可使得陶粒滤料致密化，增加陶粒的强度。Wu等使用污泥、粘土制备曝气生物滤池的滤料用于处理大豆蛋白废水、制药废水，出水可达到污水综合排放一级标准。
申请公布号为CN106495735A(申请号为201610920265.2)的中国发明专利公开了一种水处理用固废质陶粒滤料及其制备和应用，采用脱水污泥、粉煤灰、河道淤泥等固体废弃物为原料，然后与黏结剂和膨胀剂、水混匀成球，焙烧后制得曝气生物滤池滤料，测试表明陶粒滤料具有发达的孔结构、较大的比表面积、较低的破碎率和磨损率，其各项物理性能指标明显优于我国的行业标准，金属浸出毒性远远小于我国的国家标准阈值。
发明内容
为了克服目前市场上普遍采用的粘土烧制的曝气生物滤池带来的耕地破坏的不利影响，本发明提供了一种用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料及其制备方法和应用，利用污泥、粉煤灰、河道底泥等固体废弃物的主要矿物成分与粘土相近的特点，将污水处理厂污泥和粉末灰等废弃物混合造粒后焙烧为滤料进行资源化利用，可为污水处理厂内污泥的就地处理处置探索高附加值的利用途径。
一种用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料，由以下重量份的原料制成：
上述原料混匀后加入水捏合成团，加入水的量以能够捏合成团为适量。
进一步优选，所述的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料，由以下重量份的原料制成：
添加电气石后，制备的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料对COD、氨氮、总氮和浊度等常规水质指标的去除能力更高。
更进一步优选，所述的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料，由以下重量份的原料制成：
所述铁基添加剂为磁粉、还原铁粉的一种或多种混合物，粒径范围为80～300目。
优选地，所述的粘土是膨润土、河道底泥、页岩土、高岭土或凹凸棒土的一种或多种混合物，粘土的粒径范围为120～200目。
优选地，所述的造孔剂是碳酸氢钠、碳酸氢铵的一种。
一种用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将污泥、粉煤灰、粘土和铁基添加剂投加到双旋搅拌混合设备中，采用机械搅拌将原料混合均匀得到混合料；
(2)将混合料、造孔剂、硅酸钠和电气石混合均匀，得到混匀后的原料；
(3)将混匀后的原料加入水捏合成团，然后经对辊造粒机挤压造粒和抛光后得生料球；
(4)将所得生料球置于高温马弗炉，烧结即得用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料。
本发明的制备方法，首先，将污泥、粉煤灰、粘土和铁基添加剂通过机械搅拌将混合料混合均匀；然后，将混合料、造孔剂、硅酸钠和电气石按一定配比混合均匀；并将混合均匀的原料加入适量的水捏合成团，再经挤压造粒机挤压为椭球型颗粒，抛光后制成生料球；最后，将生料球放入马弗炉内高温烧结得到较高强度的污泥基陶粒滤料。
优选地，步骤(4)中，高温马弗炉的焙烧温度区间为1100～1250℃，焙烧时间为0.2～1h。
本发明用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料在曝气生物滤池中处理工业废水的应用，具体去除工业废水中COD和氨氮，如所述污泥基陶粒滤料的应用评价，包括如下步骤：
本发明的应用领域有纺织、化工等工业废水处理中对COD和氨氮的高效去除，以及污水处理厂三级处理中对COD的深度处理、硝化和反硝化脱除总氮等，在曝气生物滤池反应器中，装填占容积体积70％的污泥基陶粒滤料，自然驯化挂膜启动完成后开始连续进水，在水力停留时间为6h，气水比为5：1条件下，连续运行30d，检测进出水COD、浊度或氨氮等指标变化情况。
所述的应用具体包括：
在曝气生物滤池中，装填用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料，自然驯化挂膜启动完成后开始连续进水，在水力停留时间为4～8h，气水比为4～6：1条件下，连续运行20～40天，最优选的，在水力停留时间为6h，气水比为5：1条件下，连续运行30d。
所述的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料的用量填满曝气生物滤池内的体积60％～80％，进一步优选为65％～75％，最优选为70％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
针对市售粘土烧制的滤料表面光滑、孔隙率低，在曝气生物滤池运行过程中处理效率低的不足，本发明采用污泥、粉煤灰等废弃物，在原料配制过程中添加少量粘土、铁基添加剂、造孔剂、硅酸钠、电气石等原料，搅拌混合均匀后加水捏合成团、挤压造粒、抛光后制成生料球，在马弗炉内烧高温结成为较高强度的污泥基陶粒滤料，该滤料孔隙结构均匀、比表面积大、生物相容性好，其应用于曝气生物滤池有利于提高废水净化效果，而且为污水处理厂污泥和废水深度处理协同处理提供了新的思路。与传统的粘土烧结型曝气生物滤池滤料相比，污泥基陶粒滤料在废水处理中具有综合运行成本低的优势，可用于印染、化工等工业废水的生化处理单元，也可用于污水处理厂的深度处理等废水治理领域。
传统的曝气生物滤池滤料的生产原料主要以开采耕地的粘土为主，破坏自然生态，粘土烧制的滤料表面光滑、孔隙率低，在运行过程中微生物挂膜较慢，生物相不丰富。本发明在原料选择上采用污泥、粉煤灰等废弃物，能够实现废物资源化综合利用，而且在原料配制过程中添加铁基添加剂、造孔剂等改善了滤料烧结后的孔隙结构的均匀性，增加了比表面积，增强了滤料的生物相容性，其应用于曝气生物滤池有利于提高废水净化效果。
本发明应用于工业废水和污水处理厂去除COD或脱氮除磷，对COD、氨氮、总氮和浊度等常规水质指标的去除能力较高，将为污水处理厂污泥和废水深度处理协同处理提供了新的思路。
与传统的曝气生物滤池滤料相比，污泥基陶粒滤料在废水处理中具有生物相容性好和综合运行成本低的优势，可用于印染、化工等工业废水的生化处理单元，也可用于污水处理厂的深度处理等废水治理领域。
附图说明
图1是污泥基陶粒滤料的制备流程图；
图2和图3是污泥基陶粒滤料的SEM图；
图4和图5是污泥基陶粒滤料的XRD图；
图6和图7是污泥基陶粒滤料的EDS谱图，其中，横坐标：能量(kev)，纵坐标：计数量(cps)；
图8是污泥基陶粒滤料BAF挂膜启动期间的COD去除效果图；
图9是污泥基陶粒滤料BAF运行期间的COD去除效果图；
图10是污泥基陶粒滤料BAF运行期间的浊度去除效果图。
具体实施方式
为了克服目前市场上普遍采用的粘土烧制的曝气生物滤池带来的资源环境的不利影响，利用污泥、粉煤灰、河道底泥等固体废弃物的主要矿物成分与粘土相近的特点，采用污水处理厂污泥、粉末灰等废弃物为主要原料，首先，将污泥、粉煤灰、粘土和铁基添加剂通过机械搅拌得到混合料；然后，将混合料、造孔剂、硅酸钠和电气石按照一定配比混合均匀；并将混合均匀的原料加入适量的水捏合成团，再经对辊式挤压造粒机挤压为椭球型颗粒，抛光后制成生料球；最后，将生料球放入高温马弗炉内，烧结成为较高强度的污泥基陶粒滤料，污泥基陶粒滤料的制备流程图见图1。
在废水处理时，向自制曝气生物滤池反应器中装填占容积体积70％的污泥基陶粒滤料，采用纺织行业喷水织机废水作为进水评价曝气生物滤池生化效果，在水力停留时间为6h，气水比为5：1条件下，连续运行30d，检测进出水COD、浊度等指标变化情况。
实施例1:
按照污泥(污泥取自浙江省长兴县夹浦污水处理有限公司)：粉煤灰：河道底泥(150目)：磁粉(200目)：碳酸氢钠：硅酸钠：电气石质量比为5：2：3：1：0.6：0.7：0.15称取所需原料，先将上述污泥、粉煤灰和底泥按5：2：3：1放入双旋搅拌混合设备中搅拌混合10min，再将磁粉、碳酸氢钠、硅酸钠和电气石加入混合搅拌20min；然后加入水搅拌捏合，经对辊式挤压造粒、抛光后制成粒径10mm的生料球；将生料球放入马弗炉，烧结终温为1150℃，停留时间保持在20min条件下，连续烧结成为较高强度的污泥基陶粒滤料(即本发明用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料)。经测定，此污泥基陶粒滤料的堆积密度为660.68kg/m3，空隙率为45.65％，孔隙率为36.5％，总孔容为0.2432cm3/g，最可几孔径为9062nm，24h持水倍率为41％。
以某纺织企业集聚区中水站喷水织造废水为处理对象，废水初始COD为490-650mg/L，浊度为30NTU，在曝气生物滤池反应器中装填占容积体积70％的污泥基陶粒滤料，经驯化培养挂膜，挂膜启动期间运行数据见图8。以COD去除率评判滤池是否启动完成，污泥基陶粒从第5天起COD去除率达85％以上，略快于市售陶粒的11天。此后在HRT为6h，气水比为5：1条件下连续运行30d，运行结果见图9和图10，最终测定出水上清液COD为平均为68.12mg/L，COD平均去除率为86.96％，浊度平均为0.93NTU，去除率平均为96.77％。污染物去除效果优于市售陶粒，并且，本发明的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料成本更低，其中市售陶粒测定出水上清液COD约为76.41mg/L，COD平均去除率为85.31％，浊度约为1.08NTU，平均去除率为96.27％。
实施例2：
按照污泥：粉煤灰：膨润土(180目)：铁粉：碳酸氢钠：硅酸钠质量比为5：2：3：1：0.6：0.7称取所需原料，将上述污泥、粉煤灰和膨润土、铁粉(200目)放入双旋搅拌设备中搅拌混合15min，再将碳酸氢钠、硅酸钠加入后混合搅拌15min；然后加入适量水搅拌均匀，经对辊式挤压造粒、抛光后制成粒径10mm左右的生料球；将生料球放入马弗炉内，烧结终温为1200℃，停留时间保持在15min左右条件下，连续烧结成为较高强度的污泥基陶粒滤料。经测定，此污泥基陶粒滤料的堆积密度为674.23kg/m3，空隙率为44.69％，孔隙率为48.9％，总孔容为0.4074cm3/g，最可几孔径为19108nm，24h持水倍率为39％。
以某纺织企业集聚区中水站喷水织造废水为处理对象，废水初始COD为490-650mg/L，浊度为30NTU，在自行设计的曝气生物滤池反应器中装填占容积体积70％的污泥基陶粒滤料，经驯化培养挂膜，挂膜启动期间运行数据见图8。以COD去除率评判滤池是否启动完成，污泥基陶粒从第7天起COD去除率达85％以上，略快于市售陶粒的11天。此后在HRT为6h，气水比为5：1条件下连续运行30d，运行结果见图9和图10，最终测定出水上清液COD为平均为87.60mg/L mg/L，COD平均去除率为83.48％，浊度平均为1.30NTU，去除率平均为95.31％。
实施例2没有添加电气石，实施例1添加电气石后，制备的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料对COD、氨氮、总氮和浊度等常规水质指标的去除能力更高。
为进一步表征分析和考查污泥基陶粒滤料处理废水的反应机理，对污泥基陶粒滤料采用扫描电镜、X射线衍射仪和能谱仪的表征结果分别见图2～图7(其中实施例1制备得到的污泥基陶粒滤料的测试结果图2、图4和图6，实施例2制备得到的污泥基陶粒滤料的测试结果图3、图5和图7)。通过SEM图谱可以看出，污泥基陶粒表面粗糙多孔，内外表面均分布着大量空穴，便于微生物的附着固定和挂膜；EDS分析结果表明滤料以C、O、Si、Al为主要元素，XRD图谱结果表明滤料的主要晶相为石英、方解石等矿物。综上分析可知，污泥基陶粒滤料孔隙率发达，以污泥等固废制备的陶粒能够满足曝气生物滤池对滤料的微观结构要求，使曝气生物滤池在挂膜阶段更具优势，快速启动，并且可替代市场普遍使用的粘土烧结滤料，污泥基陶粒滤料作为生物膜载体用于废水处理具有广阔的前景。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (3)
1.用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料在曝气生物滤池中处理工业废水的应用，其特征在于，所述的应用具体包括：
在曝气生物滤池中，装填用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料，自然驯化挂膜启动完成后开始连续进水，在水力停留时间为4~8h，气水比为4~6：1条件下，连续运行20~40天；
所述的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料的用量填满曝气生物滤池内的体积60%~80%；
所述的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料，由以下重量份的原料制成：
污泥 45~55份；
粉煤灰 15~25份；
粘土 25~35份；
铁基添加剂 5~15份；
造孔剂 5~7份；
硅酸钠 6~8份；
电气石 1~2份；
水 适量；
所述铁基添加剂为磁粉、还原铁粉的一种或多种混合物，粒径范围为80~300目；
所述的造孔剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵中的一种；
所述的粘土是膨润土、河道底泥、页岩土、高岭土或凹凸棒土的一种或多种混合物，粘土的粒径范围为120~200目。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将污泥、粉煤灰、粘土和铁基添加剂投加到双旋搅拌混合设备中，采用机械搅拌将原料混合均匀得到混合料；
（2）将混合料、造孔剂、硅酸钠和电气石混合均匀，得到混匀后的原料；
（3）将混匀后的原料加入水捏合成团，然后经对辊造粒机挤压造粒和抛光后得生料球；
（4）将所得生料球置于高温马弗炉，烧结即得用于曝气生物滤池的污泥基陶粒滤料。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤（4）中，高温马弗炉的焙烧温度区间为1100~1250℃，焙烧时间为0.2~1h。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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