CN111362416A - 一种缓释碳源填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种缓释碳源填料，包括如下重量份的成分：微碳化纤维20‑50份，聚对苯二甲酸乙二醇酯40‑60份，铁矿粉10‑15份，碳纳米管5‑10份，硅藻土5‑10份，相容剂1‑10份，润滑剂1‑10份。按计量比称取各原料后，加入到混料机中混合均匀，然后将混合料加入到双螺旋挤压机中，经加热熔融后挤出，挤出端吹气5‑15L/L·min，挤出模孔直径为1‑5cm，将挤出料冷却后切割成长度1‑10cm，即得。本发明的缓释碳源填料能很好地解决湿地碳源不足问题，能持续、持久地供给碳源，同时为微生物提供巨大比表面积的载体，硝化、反硝化细菌数量比传统生物膜提高很多,并且能完全降解，安全环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种缓释碳源填料及其制备方法，特别是一种适用于污水处理和湿地建设的缓释碳源填料及其制备方法，属于水处理技术领域。
背景技术
目前，随着我国城镇污水厂出水提标，黑臭河道治理，农村生活污水处理，养殖废水净化和景观建设等均需要建设配套的湿地。湿地净化系统是在植物-土壤(填料)-微生物的共同作用下，通过植物吸收、微生物降解、物理吸附、化学沉淀等过程使水得到净化。但是由于传统的湿地技术多采用以土和砂为主的填料层，存在处理负荷低、TN、TP去除率低、易堵塞的问题。目前虽然可以通过采取强制曝气和分阶段进水等措施提高系统的处理负荷，但对总氮去除效率依然难以提高，主要因为反硝化作用受到抑制，有以下几个方面的原因：(1)碳源不足；(2)易堵塞，微生物载体的比表面积小；(3)反硝化菌数量不足。因此，在污水处理及湿地建设中，通常需要补充碳源。
现有技术中，污水处理和湿地建设中通常采用补充乙酸钠、甲醇、葡萄糖等水溶性碳源来解决碳源不足的问题，但这些水溶性的碳源易随水流失，不能持续、持久供给缓释性碳源。申请号为201910292746.7的中国发明专利申请公开了一种新型碳源，该碳源包含以下原料多元醇、碳酸钠、甘油、葡萄糖、醋酸钠、防冻剂、去离子水；申请号为201711214377.7的中国发明专利申请公开了固体碳源、生物反应器及以该固体碳源处理废水的方法，固体碳源为聚己内酯、聚乳酸、对苯二甲酸-己二酸-丁二醇共聚物、聚丁二酸丁二醇酯及聚丁烯琥珀酸己二酸共聚合物所组成群组的至少一种；申请号为201810677116.7的中国发明专利申请介绍了一种复合缓释碳源的制备方法，该碳源为玉米芯颗粒或花生壳颗粒，人工合成高分子有机碳源为聚已内酯固体颗粒或聚丁二酸丁二醇酯固体颗粒；申请号为200810246308.9的中国发明专利公开了一种补充复合垂直流人工湿地碳源的方法及装置，采用葡萄糖溶液补充碳源；申请号为201910145191.3的中国发明专利介绍了一种阶梯式人工湿地，在人工湿地填料上部填充秸秆、玉米芯等易得和可就地取用的农作废弃物用于补充碳源；申请号为201910551774.6的中国发明专利介绍了一种湿地反硝化填料，所述湿地反硝化填料的材质为蓝藻和聚己酸内酯。
上述现有技术报道的补充湿地碳源的材料都存在如下缺点：易腐烂，造成湿地堵塞；不能持续、持久供给缓释性碳源。
发明内容
本发明的目的在于解决上述不足，提供一种缓释碳源填料，其能很好地解决湿地碳源不足问题，能持续、持久地供给碳源，同时为微生物提供巨大比表面积的载体，硝化、反硝化细菌数量比传统生物膜多很多,并且能完全降解，安全环保。
本发明的另一目的在于提供上述缓释碳源填料的制备方法。
技术方案
一种缓释碳源填料，包括如下重量份的成分：微碳化纤维20-50份，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)40-60份，铁矿粉10-15份，碳纳米管5-10份，硅藻土5-10份，相容剂1-10份，润滑剂1-10份。
所述微碳化纤维的制备方法：将生物质材料粉碎后，再将其投入螺旋挤压机，在140～250℃下挤出，制得直径大于10目的颗粒即为微碳化纤维；所述生物质材料为木屑、秸秆或芦苇中的一种或两种以上任意比例的混合物。
所述相容剂由重量比为2：1的接枝PET和丙烯酸酯类共聚物组成，所述接枝PET为醋酸乙烯接枝PET或丙烯酸接枝PET。
所述润滑剂由重量比为20：1：1的碳酸钙、硬脂酸和单甘脂组成。
上述缓释碳源填料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按计量比称取微碳化纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、铁矿粉、碳纳米管、硅藻土、相容剂和润滑剂，加入到混料机中混合均匀，得到混合料；
(2)将混合料加入到双螺旋挤压机中，经加热熔融后挤出，挤出端吹气5-15L/L·min，挤出模孔直径为1-5cm，将挤出料冷却后切割成长度1-10cm，即得缓释碳源填料。
步骤(1)中，混合温度为60～100℃，混料机的转速为50-200r/min，混合10～20min。
步骤(2)中，双螺旋挤出机机头温度为110～120℃，中段温度设置为150～220℃，挤出温度设置为140～170℃。
本发明的有益效果:本发明提供了一种缓释碳源填料，其具有良好的缓释性能，能在5年之内持续释放碳源，碳释放速率是生物质(小麦秸秆)的5倍以上，脱氮速率、除磷速率分别是其40倍、30倍以上，能很好地解决湿地碳源不足问题，同时为微生物提供巨大比表面积的载体，湿地中微生物多样性指数是传统填料的2倍以上，硝化细菌+反硝化细菌数是传统填料的4倍以上,并且能完全降解，安全环保。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。下述实施例中，相容剂由重量比为2：1的丙烯酸接枝PET和丙烯酸酯类共聚物(丙烯酸甲酯与苯乙烯、丙烯腈的聚合物)组成；润滑剂由重量比为20：1：1的碳酸钙、硬脂酸和单甘脂组成。
实施例1
一种缓释碳源填料，包括如下重量份的成分：微碳化纤维25份，聚对苯二甲酸乙二醇酯60份，铁矿粉9份，碳纳米管6份，硅藻土9份，相容剂5份，润滑剂5份。
所述微碳化纤维的制备方法：将木屑、秸秆和芦苇按1：1：1的重量比粉碎后，再将其投入螺旋挤压机，在200℃下挤出，制得直径大于10目的颗粒即为微碳化纤维。
上述缓释碳源填料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按计量比称取微碳化纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、铁矿粉、碳纳米管、硅藻土、相容剂和润滑剂，加入到混料机中混合均匀(混合温度为70℃，混料机的转速为100r/min，混合20min)，得到混合料；
(2)将混合料加入到双螺旋挤压机中，经加热熔融后挤出(双螺旋挤出机机头温度为115℃，中段温度设置为200℃，挤出温度设置为160℃)，挤出端吹气10L/L·min，挤出模孔直径为3cm，将挤出料冷却后切割为长度5cm，即得缓释碳源填料。
实施例2
一种缓释碳源填料，包括如下重量份的成分：微碳化纤维35份，聚对苯二甲酸乙二醇酯50份，铁矿粉7份，碳纳米管8份，硅藻土10份，相容剂9份，润滑剂6份。
所述微碳化纤维的制备方法：将秸秆粉碎后，将其投入螺旋挤压机，在160℃下挤出，制得直径大于10目的颗粒即为微碳化纤维。
上述缓释碳源填料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按计量比称取微碳化纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、铁矿粉、碳纳米管、硅藻土、相容剂和润滑剂，加入到混料机中混合均匀(混合温度为80℃，混料机的转速为150r/min，混合15min)，得到混合料；
(2)将混合料加入到双螺旋挤压机中，经加热熔融后挤出成型(双螺旋挤出机机头温度为115℃，中段温度设置为210℃，挤出温度设置为155℃)，挤出端吹气15L/L·min，挤出模孔直径为2cm，将挤出料冷却后切割为长度3cm，即得缓释碳源填料。
实施例3
一种缓释碳源填料，包括如下重量份的成分：微碳化纤维50份，聚对苯二甲酸乙二醇酯40份，铁矿粉6份，碳纳米管5份，硅藻土5份，相容剂8份，润滑剂5份。
所述微碳化纤维的制备方法：将秸秆和芦苇按1：1的重量比粉碎后，再将其投入螺旋挤压机，在220℃下挤出，制得直径大于10目的颗粒即为微碳化纤维。
上述缓释碳源填料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按计量比称取微碳化纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、铁矿粉、碳纳米管、硅藻土、相容剂和润滑剂，加入到混料机中混合均匀(混合温度为70℃，混料机的转速为100r/min，混合20min)，得到混合料；
(2)将混合料加入到双螺旋挤压机中，经加热熔融后挤出成型(双螺旋挤出机机头温度为115℃，中段温度设置为170℃，挤出温度设置为150℃)，挤出端吹气10L/L·min，挤出模孔直径为3cm，将挤出料冷却后切割为长度5cm，即得缓释碳源填料。
应用测试一：
将实施例1-3的碳源材料与传统碳源乙酸钠和秸秆进行降解速率、碳释放速率、脱氮除磷速率的测试，具体测试方法为：比表面积采用比表面积及微孔分析仪测定。材料的降解速率采用试验前后差值法；碳释放速率采用燃烧氧化-红外吸收法的自动在线TOC监测仪测定；总氮采用过硫酸钾消解-分光光度法；总磷采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法。
测试结果见表1：
表1 降解速率、碳释放速率、脱氮除磷速率
由表1的测试结果可以看出，本发明实施例的产品的比表面积是小麦秸秆生物质的20倍以上；可以保证在5年之内持续释放碳源，碳释放速率是生物质(小麦秸秆)的5倍以上，脱氮速率、除磷速率分别是其40倍、30倍以上，脱氮速率接近乙酸钠，除磷速率是其10倍左右。
应用测试二：
湿地出水水质试验。实验方法：采用20L有机玻璃管(高1.1m)。试验设置(1)本产品(实施例2)，添加量1.5g/L；(2)传统填料(砾石、活性炭)。2个处理设置3个重复，每天内循环2h，试验周期15天。总氮、总磷和COD，初始值分别为25.11㎎/L、2.15mg/L、150mg/L。采用常规水质测定方法；采用高通量法测定细菌群落；采用MPN法测定硝化细菌数量；采用Shannon指数法计算微生物多样性指数。
实验结果见表2：
表2 湿地出水水质比较
由表2可以看出，在湿地试验中，添加本发明产品，湿地中微生物多样性指数(Shannon指数)是传统填料的2倍以上。硝化细菌+反硝化细菌数是传统填料的4倍以上。出水总氮、总磷分别是填料的34.24％、35.18％。本产品的氮磷、去除率率分别是91.99％和91.16％，传统填料的氮磷去除率分别为64.67％和74.88％。
Claims (6)
1.一种缓释碳源填料，其特征在于，包括如下重量份的成分：微碳化纤维20-50份，聚对苯二甲酸乙二醇酯40-60份，铁矿粉10-15份，碳纳米管5-10份，硅藻土5-10份，相容剂1-10份，润滑剂1-10份；
所述微碳化纤维的制备方法：将生物质材料粉碎后，再将其投入螺旋挤压机，在140～250℃下挤出，制得直径大于10目的颗粒即为微碳化纤维；所述生物质材料为木屑、秸秆或芦苇中的一种或两种以上任意比例的混合物。
2.如权利要求1所述缓释碳源填料，其特征在于，所述相容剂由重量比为2：1的接枝PET和丙烯酸酯类共聚物组成，所述接枝PET为醋酸乙烯接枝PET或丙烯酸接枝PET。
3.如权利要求1或2所述缓释碳源填料，其特征在于，所述润滑剂由重量比为20：1：1的碳酸钙、硬脂酸和单甘脂组成。
4.权利要求1或2或3所述缓释碳源填料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按计量比称取微碳化纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯、铁矿粉、碳纳米管、硅藻土、相容剂和润滑剂，加入到混料机中混合均匀，得到混合料；
(2)将混合料加入到双螺旋挤压机中，经加热熔融后挤出，挤出端吹气5-15L/L·min，挤出模孔直径为1-5cm，将挤出料冷却后切割成长度1-10cm，即得缓释碳源填料。
5.如权利要求4所述缓释碳源填料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，混合温度为60～100℃，混料机的转速为50-200r/min，混合10～20min。
6.如权利要求4或5所述缓释碳源填料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，双螺旋挤出机机头温度为110～120℃，中段温度设置为150～220℃，挤出温度设置为140～170℃。
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