CN111233145B - 一种无机-有机材料协同速分生化球及其制备方法 - Google Patents

一种无机-有机材料协同速分生化球及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无机‑有机材料协同速分生化球，由镂空球壳和其内部的复合填料组成，其制备方法为：取聚氨酯加热熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度不高于110℃后，在模具中放入丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到复合填料；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料的中心；将所述复合填料放入镂空球壳中，即得。本发明的速分生化球耐冲击负荷大，无需活性污泥培菌化阶段，可自行挂膜，产生的污泥量少，简化了处理流程，同时又将污泥的二次污染减少到了最低程度，处理效果好。

Description

一种无机-有机材料协同速分生化球及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物水处理设备技术领域，更具体的涉及一种无机-有机材料协同速分生化球及其制备方法。
背景技术
对于淡水资源缺乏和城市供水严重不足的地区，利用生活污水、废水和部分工业废水作为中水来源，经过净化之后，达到生活杂用水的水质标准，可以缓解水资源紧缺的状况，同时可以起到防止水污染和保护环境的目的。而起源于日本的速分球技术作为一种新的生物处理技术，目前在国内中水处理中已得到应用，效果很好。在实际应用中常用聚氨酯、火山岩、陶土、植物纤维等做球体填料。聚氨酯具有性能可调范围宽、适应性强、耐磨性能好、机械强度大、粘接性能好、弹性好、耐候性好、耐油性好、耐生物老化等优点，价格适中。但由于其密度比水小，当其单独作为速分球填料时易浮在水面上，挂膜时间长，需用额外工序将其固定在水中。火山岩质地坚硬如天然石材，涂层表面蜂窝多孔，比表面积大，浸泡水中无异常变化，防水性极佳，防火、耐侯性好，可防止因紫外线而引发的劣化，具有无毒、无味、强度高、隔热、耐酸碱、耐沾污性、耐腐蚀、耐霉变，且无污染、无放射性等优点，作为吸附剂材料具有很好的应用前景。但在实际应用中发现单独用其做填料时湍流效果不好，影响处理效果。
常规的厌氧好氧生物系统能产出难闻的气味，严重影响周围的空气环境，其原因在于厌氧分解时产出大量的沼气及硫化氢气体，封闭不严时会从水中溢出。而速分系统厌氧层处于好氧层内部，厌氧分解产生的气体在通过好氧生物层时，被好氧菌吸收利用。硫化物被固定在好氧菌体内，甲烷等有机气体被进一步分解为无味的无机气体和水，无不良气味产生。
过氧化钙是一种相对稳定的过氧化物，常温下干燥的过氧化钙不易分解，只有较强的漂白、杀菌、消毒作用且对环境无污染，在水中缓慢分解释放出活性氧，供给速分生化球中的好氧菌使用，减少氨和氮在水体中的含量，去除二氧化碳、硫化氢等有毒有害气体。目前市场上销售的绝大多数过氧化钙是粉状的，若将分钟装过氧化钙投入到水体中，粉末容易随风飘起，同时粉状的过氧化钙比重较小，不易快速诚如池塘的底部，而粉体与水接触的比表面积大，放养迅速，容易在水体的表面或沉入底部前就放氧结束，氧气因释放过快而不能立即被水体吸收，造成氧气的浪费，过氧化钙的功效不能得到充分发挥。
聚乳酸纤维是一种可完全生物降解的合成纤维，它可从谷物中取得。其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可分解为二氧化碳和水，燃烧时，不会散发毒气，不会造成污染，是一种可持续发展的生态纤维。聚乳酸纤维改性后可作为人工水草，给水体中的微生物提供挂膜载体，运用生物膜原理吸收和处理水中富营养物质，固定其他有害物质，达到净化水质的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种无机-有机材料协同速分生化球及其制备方法，该生化球能缓慢放氧，向生物膜上的好氧菌提供氧气，而生物球内部的聚乳酸纤维可为厌氧菌挂膜，增加其生物量，还可缓慢自然降解，为微生物提供碳源，加强水质净化效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，包括如下步骤：
(1)取火山岩磨碎，得到粒径为1-3.35mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为0.5-1mm的过氧化钙粉末；
(3)取聚氨酯加热到170-190℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度不高于110℃后，在模具中放入丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到复合填料；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料的中心；
(4)将所述复合填料放入塑料材质的镂空球壳中，得到无机-有机材料协同速分生化球。
优选地，所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为50-60:10-20:40-50:10-20。
优选地，步骤(4)所述镂空球壳的直径为100-500mm。
优选地，步骤(4)所述镂空球壳采用聚乙烯材料或聚丙烯材料制成。
优选地，步骤(3)所述复合填料的形状为球形、椭球型、多面体型的任意一种。
优选地，步骤(3)所述聚氨酯的密度为0.06-0.10g/cm3。
优选地，步骤(1)所述火山岩颗粒的密度为1-2g/cm3，磨损率为0.25，孔隙率为40-60％。
优选地，步骤(3)所述复合填料的粒径为25-50mm，孔隙率为30-50％。
优选地，步骤(3)所述丝状聚乳酸纤维的直径为50-100μm，长度为0.8-2mm。
本发明所述生化球的镂空球壳由均为半球形、网格状的上网罩和下网罩组成，所述上网罩底部间隔均匀设有多个倒钩，下网罩顶部设有对应倒钩的卡接槽，上网罩和下网罩可拆卸地扣合。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明利用聚氨酯和火山岩作为主要原材料来制作填料，控制原料的质量比，目的是使复合填料比重接近1，可在水中悬浮流动，湍流效果好，能更好的吸附微生物、更快的成功挂膜；由于球体内外供养条件差异利用微生物生化处理，可极大的改善出水水质、降低污泥产生量，聚氨酯和火山岩价格适中，材料易得，节约污水处理成本，且对环境无污染，省却了粘结剂，制作过程简单。
2、本发明的复合填料中还含有过氧化钙，过氧化钙缓慢释放氧气，为生物球内的好氧菌提供了充足的氧气，促进好氧菌对有机物、氨、氮的降解。微生物挂膜时间最快可达82.2h，COD的去除率最高可达90.8％，BOD去除率最高可达92.7％，氨氮去除率最高可达96.7％，总氮去除率最高可达88.4％，污水净化处理效果明显。
3、本发明的复合填料中心还包裹有丝状的聚乳酸纤维，聚乳酸纤维为可降解材料，其巨大的比表面积为微生物提供了巨大的附着面积，大大提高了填料内层厌氧菌的生物量，另一方面，在使用过程中逐渐降解，使用期限在2年以上，可以保证水体得到净化，同时不产生二次污染。此外，本发明利用“速分系统厌氧层处于好氧层内部，厌氧分解产生的气体在通过好氧生物层时，被好氧菌吸收利用”的特点，在每一个复合填料内再创造“微环境”，复合填料外层过氧化钙在水中缓慢释放氧气，供给外层的好氧菌，内层的丝状聚乳酸纤维向厌氧菌提供附着场所和碳源，同时缓慢降解产生二氧化碳，降低氧气在复合填料内层的浓度，更适宜厌氧菌生长，提高微生物对污水的厌氧-好氧处理效率。
4、本发明的速分生化球的网罩通过倒钩和卡接槽扣合在一起，可打开更换其中的复合填料，使用寿命长，采用聚乙烯或聚丙烯材料制成，耐冲击负荷大，无需活性污泥培菌化阶段，可自行挂膜，微生物生长快，污水在速分生化球中一个接一个的复合填料的“微环境”中多次发生厌氧、好氧、硝化、反硝化的作用，产生的污泥量少，简化了处理流程，同时又将污泥的二次污染减少到了最低程度，处理效果好。
附图说明
图1为本发明实施例1无机-有机材料协同速分生化球的结构示意图。
附图中，1-复合填料，2-上网罩，3-下网罩，4-倒钩，5-卡接槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
实施例1
一种无机-有机材料协同速分生化球，如图所示，包括填料1、镂空的上网罩2、镂空的下网罩3，所述上网罩2底部间隔均匀设有4个倒钩4，下网罩3顶部设有对应倒钩4的卡接槽5，上网罩2和下网罩3，通过倒钩4和卡接槽5，可拆卸地扣合在一起，形成直径为100mm镂空的圆球壳，圆球壳内装有复合填料1，所述圆球壳采用聚乙烯材料制成。
所述无机-有机材料协同速分生化球的制备方法如下：
(1)取吸附率为1％，密度为1g/cm3，磨损率为0.25，孔隙率为40％，抗压力为1000kgf，机械强度为5.08MPa的火山岩磨碎，得到粒径为1mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为0.5mm的过氧化钙粉末；
(3)取密度为0.06g/cm3的聚氨酯加热到170℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度为110℃后，在模具中放入直径为50μm，长度为0.8mm丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到粒径为25mm、孔隙率为30％的球形的复合填料1；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料1的中心；
(4)将所述复合填料1在下网罩3内堆叠，扣上上网罩2，得到无机-有机材料协同速分生化球。
所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为50:10:40:10。
实施例2
一种无机-有机材料协同速分生化球，如图所示，包括填料1、镂空的上网罩2、镂空的下网罩3，所述上网罩2底部间隔均匀设有4个倒钩4，下网罩3顶部设有对应倒钩4的卡接槽5，上网罩2和下网罩3，通过倒钩4和卡接槽5，可拆卸地扣合在一起，形成直径为200mm镂空的圆球壳，圆球壳内装有复合填料1，所述圆球壳采用聚乙烯材料制成。
所述无机-有机材料协同速分生化球的制备方法如下：
(1)取吸附率为1.2％，密度为1.2g/cm3，磨损率为0.24，孔隙率为43％，抗压力为1080kgf，机械强度为5.10MPa的火山岩磨碎，得到粒径为1.47mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为0.6mm的过氧化钙粉末；
(3)取密度为0.07g/cm3的聚氨酯加热到174℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度为108℃后，在模具中放入直径为60μm，长度为1.0mm丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到粒径为30mm、孔隙率为34％的球形的复合填料1；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料1的中心；
(4)将所述复合填料1在下网罩3内堆叠，扣上上网罩2，得到无机-有机材料协同速分生化球。
所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为52:20:50:18。
实施例3
一种无机-有机材料协同速分生化球，如图所示，包括填料1、镂空的上网罩2、镂空的下网罩3，所述上网罩2底部间隔均匀设有4个倒钩4，下网罩3顶部设有对应倒钩4的卡接槽5，上网罩2和下网罩3，通过倒钩4和卡接槽5，可拆卸地扣合在一起，形成直径为300mm镂空的圆球壳，圆球壳内装有复合填料1，所述圆球壳采用聚乙烯材料制成。
所述无机-有机材料协同速分生化球的制备方法如下：
(1)取吸附率为1.3％，密度为1.4g/cm3，磨损率为0.23，孔隙率为48％，抗压力为1100kgf，机械强度为5.12MPa的火山岩磨碎，得到粒径为1.94mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为0.7mm的过氧化钙粉末；
(3)取密度为0.08g/cm3的聚氨酯加热到178℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度为109℃后，在模具中放入直径为70μm，长度为1.2mm丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到粒径为35mm、孔隙率为38％的椭球形的复合填料1；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料1的中心；
(4)将所述复合填料1在下网罩3内堆叠，扣上上网罩2，得到无机-有机材料协同速分生化球。
所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为60:15:43:12。
实施例4
一种无机-有机材料协同速分生化球，如图所示，包括填料1、镂空的上网罩2、镂空的下网罩3，所述上网罩2底部间隔均匀设有4个倒钩4，下网罩3顶部设有对应倒钩4的卡接槽5，上网罩2和下网罩3，通过倒钩4和卡接槽5，可拆卸地扣合在一起，形成直径为400mm镂空的圆球壳，圆球壳内装有复合填料1，所述圆球壳采用聚丙烯材料制成。
所述无机-有机材料协同速分生化球的制备方法如下：
(1)取吸附率为0.9％，密度为1.6g/cm3，磨损率为0.22，孔隙率为52％，抗压力为1050kgf，机械强度为5.09MPa的火山岩磨碎，得到粒径为2.40mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为0.8mm的过氧化钙粉末；
(3)取密度为0.09g/cm3的聚氨酯加热到182℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度为107℃后，在模具中放入直径为80μm，长度为1.5mm丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到粒径为40mm、孔隙率为42％的椭球形的复合填料1；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料1的中心；
(4)将所述复合填料1在下网罩3内堆叠，扣上上网罩2，得到无机-有机材料协同速分生化球。
所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为55:17:48:15。
实施例5
一种无机-有机材料协同速分生化球，如图所示，包括填料1、镂空的上网罩2、镂空的下网罩3，所述上网罩2底部间隔均匀设有4个倒钩4，下网罩3顶部设有对应倒钩4的卡接槽5，上网罩2和下网罩3，通过倒钩4和卡接槽5，可拆卸地扣合在一起，形成直径为500mm镂空的圆球壳，圆球壳内装有复合填料1，所述圆球壳采用聚丙烯材料制成。
所述无机-有机材料协同速分生化球的制备方法如下：
(1)取吸附率为1.1％，密度为1.8g/cm3，磨损率为0.25，孔隙率为56％，抗压力为1000kgf，机械强度为5.05MPa的火山岩磨碎，得到粒径为3.00mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为0.9mm的过氧化钙粉末；
(3)取密度为0.10g/cm3的聚氨酯加热到186℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度为105℃后，在模具中放入直径为90μm，长度为1.8mm丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到粒径为45mm、孔隙率为46％的五棱锥形的复合填料1；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料1的中心；
(4)将所述复合填料1在下网罩3内堆叠，扣上上网罩2，得到无机-有机材料协同速分生化球。
所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为57:14:50:10。
实施例6
一种无机-有机材料协同速分生化球，如图所示，包括填料1、镂空的上网罩2、镂空的下网罩3，所述上网罩2底部间隔均匀设有4个倒钩4，下网罩3顶部设有对应倒钩4的卡接槽5，上网罩2和下网罩3，通过倒钩4和卡接槽5，可拆卸地扣合在一起，形成直径为500mm镂空的圆球壳，圆球壳内装有复合填料1，所述圆球壳采用聚丙烯材料制成。
所述无机-有机材料协同速分生化球的制备方法如下：
(1)取吸附率为1.2％，密度为2.0g/cm3，磨损率为0.25，孔隙率为60％，抗压力为1000kgf，机械强度为5.06MPa的火山岩磨碎，得到粒径为3.35mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为1mm的过氧化钙粉末；
(3)取密度为0.10g/cm3的聚氨酯加热到190℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度为108℃后，在模具中放入直径为100μm，长度为2.0mm丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到粒径为50mm、孔隙率为50％的五棱锥形的复合填料1；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料1的中心；
(4)将所述复合填料1在下网罩3内堆叠，扣上上网罩2，得到无机-有机材料协同速分生化球。
所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为60:20:45:17。
上述实施例1-6的速分生化球，需要更换球内的填料时，利用塑料材质具有弹性的特制，直接将上网罩2的倒钩4从下网罩3的卡接槽4拔出即可
使用实施例1-6的速分生化球进行污水处理试验，结果见表1。
微生物挂膜时间/h COD去除率/％ BOD去除率/％ NH3-N去除率/％ 总氮去除率/％
82.2-96.5 85.1-90.8 85.4-92.7 95.0-96.7 84.2-88.4
表1
如表1所示，本发明实施例制得的一种无机-有机材料协同速分生化球在污废水中快速形成生物膜反应，能对水中的污染物进行有效降解；且经观察发现污泥的产生量少，减少了处理成本。

Claims (8)

1.一种无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取火山岩磨碎，得到粒径为1-3.35mm的火山岩颗粒；
(2)取过氧化钙粉碎得到粒径为0.5-1mm的过氧化钙粉末；
(3)取聚氨酯加热到170-190℃至聚氨酯熔融，加入火山岩颗粒和过氧化钙粉末，充分混合后倒入模具中，冷却至中心温度不高于110℃后，在模具中放入丝状聚乳酸纤维，使火山岩颗粒、过氧化钙粉末和聚氨酯的混合物作为外层包裹住丝状聚乳酸纤维，充分塑形后进行脱膜处理，得到粒径为25-50mm，孔隙率为30-50％的复合填料；所述丝状聚乳酸纤维位于复合填料的中心；
(4)将所述复合填料放入塑料材质的镂空球壳中，得到无机-有机材料协同速分生化球；
所述火山岩、过氧化钙粉末、聚氨酯、丝状聚乳酸纤维的质量比为50-60:10-20:40-50:10-20。
2.根据权利要求1所述的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述镂空球壳的直径为100-500mm。
3.根据权利要求1所述的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述镂空球壳采用聚乙烯材料或聚丙烯材料制成。
4.根据权利要求1所述的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述复合填料的形状为球形、椭球型、多面体型的任意一种。
5.根据权利要求1所述的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述聚氨酯的密度为0.06-0.10g/cm3。
6.根据权利要求1所述的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述火山岩颗粒的密度为1-2g/cm3，磨损率为0.25，孔隙率为40-60％。
7.根据权利要求1所述的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述丝状聚乳酸纤维的直径为50-100μm，长度为0.8-2mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的无机-有机材料协同速分生化球的制备方法，其特征在于，所述镂空球壳由均为半球形、网格状的上网罩和下网罩组成，所述上网罩底部间隔均匀设有多个倒钩，下网罩顶部设有对应倒钩的卡接槽，上网罩和下网罩可拆卸地扣合。
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