CN111233134A - 一种固体碳源复合水处理滤料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体碳源复合水处理滤料及其制备方法和应用，采用对不同方式负载碳源，制备获得的固体碳源复合水处理滤料具备孔道较大、比表面积较高、吸附性能强等特点，且在污水处理中作为生物膜载体功能的同时还能为生化过程提供碳源，解决了传统滤料功能单一、需要重复投加碳源、容易堵塞等问题，能够应用于曝气生物滤池、反硝化滤池等进行污水净化处理。

Description

一种固体碳源复合水处理滤料及其制备方法和应用
技术领域
本公开涉及污水处理领域，尤其涉及一种水处理滤料。
背景技术
随着经济社会发展迅猛以及城市化进程加快，工业、农业的快速发展，相应地，生活、生产产生的污水与日俱增。水处理滤料是污水生物膜处理法的核心部分之一，直接影响污水处理的效果、投资成本及运作费用。在目前国内所使用的滤料中，包括活性炭、石英砂、天然沸石、离子交换树脂、蜂房绕线式滤芯、PP熔喷式滤芯、折叠式滤芯、多面空心球等。沸石是铝硅酸盐类矿物，具有孔隙发达、吸附力强等特点，是水处理中常用的滤料之一。此外，在污水处理过程中，为了达到污水处理后较低的碳/氮比的出水要求，通常需要进行脱氮，而在脱氮过程中，往往需要外加碳源。碳源是指含有碳元素且能被微生物生长繁殖所利用的一类营养物质，包括液体碳源和固体缓释碳源。
然而，随着水污染的日益严重，仅采用天然沸石作为水处理滤料，功能较为单一，污水处理能力已无法满足要求。同时，由于在脱氮过程中需要大量的外加碳源，重复投加碳源还会容易堵塞滤料。
发明内容
为解决现有技术中滤料功能单一，需重复投加碳源，容易堵塞等诸多问题，本发明通过通过合理的滤料选择、成型及碳源负载方式，制备出一种新型的、性能优异的复合水处理滤料。
本发明是通过如下技术方案实现的。
根据本公开的一个方面，一种固体碳源复合水处理滤料的制备方法，包括以下步骤：
S1：取一定量沸石粉，水洗并干燥后，加入1.5-2.5mol/L氯化钠溶液，沸石粉与氯化钠溶液的体积比为1:1.1-1.5，振荡反应12-24小时后用水多次淋洗至中性，烘干，研磨，制成改性沸石粉；
S2：将改性沸石粉、硅酸钠、活性炭按照重量比例100：4.5-13.5：1-3混合，加8％％-12％重量比的水搅拌均匀后加压成型，干燥后于400℃-550℃下烧制2-3小时，制成改性沸石滤料；
S3：将改性沸石滤料置于碳源溶液中浸泡24小时，风干，制成固体碳源复合水处理滤料。
根据公开的至少一个实施方式，在S2步骤中，所述改性沸石粉、硅酸钠、活性炭的重量比例为100：9：2。
根据本公开的至少一个实施方式，在S2步骤中，所述改性沸石滤料被制成为半径0.25mm，高10mm的圆柱体或边长15mm的正方体。
根据本公开的至少一个实施方式，所述碳源溶液选用乙酸钠、葡萄糖、面粉、淀粉中的一种或多种所形成的溶液。
根据本公开的一个方面，一种固体碳源复合水处理滤料的制备方法，包括以下步骤：
S1：取一定量沸石粉，水洗后于80℃-120℃下干燥4小时；
S2：将干燥后的沸石粉、硅酸钠、活性炭、固体碳源按照重量比例100：7.5-22.5：2-6：2.5-7.5混合，加8％-12％重量比的水搅拌均匀后加压成型，干燥后于80℃-120℃下烧制1-3小时，制成固体碳源复合水处理滤料。
根据本公开的至少一个实施方式，在S2步骤中，沸石粉、硅酸钠、活性炭、固体碳源的重量比例为100：15：4：5。
根据本公开的至少一个实施方式，在S2步骤中，所述固体碳源复合水处理滤料被压制成为半径0.25mm，高10mm的圆柱体或边长15cm的正方体。
根据本公开的至少一个实施方式，所述固体碳源选用乙酸钠、葡萄糖、面粉、淀粉中的一种或多种。
根据本公开的另一方面，一种固体碳源复合水处理滤料，采用前述任一种制备方法制备而成。
根据本公开的另一方面，一种固体碳源复合水处理滤料的应用，在曝气生物滤料或反硝化滤池中净化污水。
根据本公开实施例提供的技术方案，具有如下技术效果：1)可作为生物膜降解微生物，最大限度的吸附污染物；2)除了具备传统滤料作为生物膜载体的功能，还能为生化过程提供碳源；3)提供碳源的过程也是不断增加比表面积的过程，减轻滤料清洗压力，解决容易堵塞的问题。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1为天然沸石滤料的扫描电镜图。
图2是改性沸石滤料的扫描电镜图。
图3是天然沸石与改性沸石滤料的X射线衍射分析图。
图4是天然沸石与改性沸石滤料的热重分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
实施例1
一种固体碳源复合水处理滤料的制备方法，包括如下步骤：
S1：取一定量天然沸石粉，用水冲洗数次，80℃-120℃下干燥4-6小时，然后将冲洗干净的天然沸石粉，加入1.5-2.5mol/L氯化钠溶液，沸石粉与氯化钠溶液的体积比为1:1.1-1.5，振荡反应12-24小时后用水多次淋洗至中性，在80℃-120℃条件下烘干，再研磨至粉末状，制成改性沸石粉；
S2：将改性沸石粉、硅酸钠和粉末活性炭按照重量比例100：4.5-13.5：1-3混合，加8-12％重量比的水搅拌均匀后加压成型，80-120℃干燥2-4小时，然后放入马弗炉于400℃-550℃烧制2-3小时，制成改性沸石滤料；
S3：将改性沸石滤料置于碳源溶液中浸泡12-96小时，风干，制成固体碳源复合水处理滤料。
碳源溶液可选用乙酸钠、葡萄糖、面粉、淀粉中的一种或几种所形成的的溶液。
优选地，在S1步骤中，天然沸石水洗后置于100℃下干燥4小时。
优选地，在S1步骤中，氯化钠溶液为2.0mol/L。
优选地，在S1步骤中，沸石粉与氯化钠溶液的体系比为1:1.2。
优选地，在S1步骤中，振荡反应时间为12小时。
优选地，在S1步骤中，烘干温度为100℃。
优选地，在S2步骤中，改性沸石、硅酸钠、粉末活性炭的重量比例为100：9：2。
优选地，在S2步骤中，加10％重量比的水搅拌均匀后加压成型。
优选地，在S2步骤中，干燥温度为100℃，干燥时间为2小时。
优选地，在S2步骤中，放入马弗炉于500℃烧制2小时。
优选地，在S2步骤中，滤料造粒采用压制造粒，制备获得半径0.25mm，高10mm的圆柱体或变成为15mm的正方体。
优选地，在S3步骤中，改性沸石滤料在碳源溶液中的浸泡时间为24小时。
采用上述制备方法制备获得一种固体碳源复合水处理滤料，该滤料具备有较大且较多的孔道、较大的比表面积等特点，具体分析如下。
图1为天然沸石滤料的扫描电镜图，图2为改性沸石滤料的扫描电镜图。可以看出，相比改性前的天然沸石，改性沸石滤料的表面粗糙，孔道较大。改性过程中，对沸石进行高温煅烧可以分解沸石孔道结构中的有机物质和水，从而扩大和疏通沸石的孔道，这有利于提高沸石的交换吸附能力。另外，作为造孔剂的活性炭在高温(400℃-550℃)条件下氧化为CO2，CO2在脱离滤料的过程中形成细小的孔径。与天然沸石滤料相比，改性沸石滤料的形貌结构发生了明显的变化，形成了内比表面积更大的多孔物质。根据表面物理化学的理论，固体表面的分子或原子受到不对称的力，自由能过剩，由表面积(A)与表面自由能(W)的关系W＝σ×2A(σ为界面张力)可知，物体表面积増大，其所具有的表面自由能也随之増大，即其色散力更大。
图3为改性前后的沸石滤料的X射线衍射分析。改性沸石滤料在杂质金属氧化物峰值17°,22.7°,30.1°and 31.9°2θ处有明显的下降，这说明与天然沸石相比改性沸石在成分上更有利于交换过程的进行。高温可能引起沸石结构的脱铝和脱羟基，并改变沸石表面的功能团，从而导致其晶体结构的改变。本实验改性前后沸石的特征峰个数和位置没有改变，这说明沸石的晶体结构在改性前后没有改变。改性过程中的高温煅烧没有改变沸石的晶体结构，制备的改性沸石滤料具有一定耐热性。
对改性前后的沸石滤料进行了比表面积测定。由表1可以看出，天然沸石经过改性，其BET比表面积明显增加。这验证了扫描电镜(SEM)表征的分析结果：改性过程中，高温煅烧分解了沸沸石石孔道结构中的有机物质和水，同时活性炭在高温(400℃-550℃)条件下氧化为CO2，从而增加了滤料的孔径。另外，NaCl改性也有利于比表面积的增加。天然沸石通过改性，扩大和疏通了的其孔道结构，这有利于提高沸石的交换吸附能力。
表1沸石的比表面积
Figure BDA0002370648370000051
Figure BDA0002370648370000061
图4为改性前后的沸石滤料的热重分析。由图可以看出，天然沸石和改性沸石的TG曲线均呈下降趋势，且在320-340℃趋于稳定。
天然沸石滤料和改性沸石滤料均具有微孔结构，微孔内含有一定量的附着水，这部分水分随温度的升高逐渐气化，脱离沸石，造成重量的下降。不同的是，改性沸石340℃时失重率为6.1％，而天然沸石失重率为4.09％，相差2％左右，该差值稳定维持到800℃升温程序结束。
采用上述方法制备获得的固体碳源复合水处理滤料同时具备生物膜载体和碳源的功能，能够应用于曝气生物滤池、反硝化滤池等净化污水。
实施例2
一种固体碳源复合水处理滤料的制备方法，包括如下步骤：
S1：取一定量天然沸石粉，用水冲洗数次，100℃下干燥4小时；
S2：将干燥后的沸石粉、硅酸钠、活性炭、固体碳源按照重量比例100：7.5-22.5：2-6：2.5-7.5混合，加8％-12％重量比的水搅拌均匀后加压成型，40℃-80℃干燥1-3小时，然后放入马弗炉于80℃-120℃下烧制1-3小时，制成固体碳源复合水处理滤料。
固体碳源可选用乙酸钠、葡萄糖、面粉、淀粉中的一种或几种。
优选地，在S2步骤中，沸石粉、硅酸钠、活性炭、固体碳源的重量比例为100：15：4：5。
优选地，在S2步骤中，水的重量比为10％。
优选地，在S2步骤中，干燥温度为60℃，干燥时间为2小时。
优选地，在S2步骤中，放入马弗炉于100℃烧制2小时。
优选地，在S2步骤中，滤料造粒采用压制造粒，制备获得半径0.25mm，高10mm的圆柱体或滤料边长为15mm的正方体。
该实施例中制备获得的固体碳源复合水处理滤料，同样具备与实施1中的改性沸石滤料类似的性能。相比天然沸石滤料，采用实施例2的方法获得的滤料，孔道增加，比表面积增大。
采用上述方法制备获得的固体碳源复合水处理滤料同时具备生物膜载体和碳源的功能，能够应用于曝气生物滤池、反硝化滤池等净化污水。
本公开采用不同方式负载碳源，制备获得一种固体碳源复合水处理滤料，碳源和生物膜均附着在滤料表面、内部的孔道中。水处理过程中，生物膜不断地消耗碳源，微生物量先是增加，然后趋于稳定；碳源不断被消耗，其占用的孔道空间也逐渐减少。
主要的生化过程如下：
硝化作用：亚硝化过程和硝化过程通常合并在一起统称为硝化作用。硝化作用是在有氧存在的条件下，氨氮在亚硝酸菌和硝酸菌的作用下转化为N03-的过程。反应方程式如下：
Figure BDA0002370648370000071
Figure BDA0002370648370000072
反硝化作用：微生物将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮还原为气态氮的过程。反应方程式如下：
Figure BDA0002370648370000073
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种固体碳源复合水处理滤料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取一定量沸石粉，水洗并干燥后，加入1.5-2.5mol/L氯化钠溶液，沸石粉与氯化钠溶液的体积比为1:1.1-1.5，振荡反应12-24小时后用水多次淋洗至中性，烘干，研磨，制成改性沸石粉；
S2：将所述改性沸石粉、硅酸钠、活性炭按照重量比例100：4.5-13.5：1-3混合，加8％-12％重量比的水搅拌均匀后加压成型，干燥后于400℃-550℃下烧制2-3小时，制成改性沸石滤料；
S3：将改性沸石滤料置于碳源溶液中浸泡12-96小时，风干，制成固体碳源复合水处理滤料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，所述改性沸石粉、硅酸钠、活性炭的重量比例为100：9：2。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，所述改性沸石滤料被制成为半径0.25mm、高10mm的圆柱体或边长15mm的正方体。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳源溶液选用乙酸钠、葡萄糖、面粉、淀粉中的一种或多种所形成的溶液。
5.一种固体碳源复合水处理滤料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取一定量沸石粉，水洗后于80℃-120℃下干燥4小时；
S2：将干燥后的沸石粉、硅酸钠、活性炭、固体碳源按照重量比例100：7.5-22.5：2-6：2.5-7.5混合，加8％-12％重量比的水搅拌均匀后加压成型，干燥后于80℃-120℃下烧制1-3小时，制成固体碳源复合水处理滤料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，沸石粉、硅酸钠、活性炭、固体碳源的重量比例为100：15：4：5。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，所述固体碳源复合水处理滤料被压制成为半径0.25mm、高10mm的圆柱体或边长15mm的正方体。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述固体碳源选用乙酸钠、葡萄糖、面粉、淀粉中的一种或多种。
9.一种固体碳源复合水处理滤料，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的制备方法制备而成。
10.一种固体碳源复合水处理滤料的应用，其特征在于，选用如权利要求9所述的固体碳源复合水处理滤料，在曝气生物滤池或反硝化滤池中净化污水。
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