CN111675425B - 一种人工湿地填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工湿地填料及其制备方法,属于环保技术领域。本发明将20%‑30%贝壳粉、40%‑50%玻璃粉、20%‑30%多孔质碳和10%‑20%硫铁矿烧渣混匀成型,在600‑675℃烧结,得到人工湿地填料。本发明能够对尾水中的氮磷进行高效去除,无需外加碳源,并且不容易发生填料堵塞的问题;同时材料来源广泛,废弃物资源化再生利用,成本低;填料强度高、透水性能优异,多年后更换可以作为植物栽培的肥料,同时改良土壤,不存在二次污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工湿地填料及其制备方法,属于环保技术领域。
背景技术
污水处理厂尾水水质的提升在水环境质量改善中起到日益重要的作用,与常规尾水提标工艺相比,人工湿地由于具有污水净化和景观营造的双重作用,且建造运行成本较低、维护管理相对简便,在城镇污水处理厂尾水深度处理中受到了较为广泛的关注,具有良好的应用前景。人工湿地填料是湿地的基质和载体,其去污过程主要包括基质的吸收和过滤等物理化学作用、基质上稳定附着的微生物种群的高效净化作用等,填料的合适选择对于湿地建造和改善湿地净化污水能力起着至关重要的作用。
传统的人工湿地填料主要来源于碎石、砾石、砂子或其他的岩石矿物材料,在人工湿地污水处理过程中,由于对有机污染物有一定的去除效果,并且来源广泛、无需特定的加工程序、价格较低,因此在人工湿地处理系统中有较广泛的应用。
但是,这些材料硅含量较高的情性基质,对营养盐几乎不具吸附性能,氯磷吸附能力低,而且存在目标污染物再释放、易饱和等缺点,严重制约著人工湿地对尾水中氮、磷等污染物质的净化效率。而直接添加粉煤灰、沸石等作为填料,虽氨、磷在启动阶段可以迅速提高,但这些的小粒径材料极易随水流动而流失,从而导致系统的堵塞。同时,有些基质填料的吸附效果较好却存在强度不够等问题导致实际工程应用效果不够理想的问题。
此外由于尾水中COD等营养物质不充足,常规人工湿地填料基质所附着的微生物难以进行深度脱氮除磷,导致出水总氮居高不下,达不到尾水提标改造的标准要求;或者为了提高脱氮效率而外加碳源等,从而使得人工湿地的运行及维护管理费用较高。
同时由于湿地填料的长期使用过程中发生板结,堵塞,运用10年以后,需要清理更换而成为废弃物,还需要花一定的费用进行处置,存在对环境污染的风险。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种高效的尾水湿地填料及其制备方法,能够对尾水中的氮磷进行高效去除,无需外加碳源,并且不容易发生填料堵塞的问题;同时材料来源广泛,废弃物资源化再生利用,成本低;填料强度高、透水性能优异,多年后更换可以作为植物栽培的肥料,同时改良土壤,不存在二次污染问题。
本发明的第一个目的是提供一种人工湿地填料的制备方法,包括如下步骤:
S1、按照质量百分比将20%-30%贝壳粉、40%-50%玻璃粉、20%-30%多孔质碳和10%-20%硫铁矿烧渣混匀,得到混合粉料;
S2、将S1步骤的混合粉料加压成型,得到成型体;
S3、将S2步骤的成型体在600-675℃的温度下烧结,冷却得到所述的人工湿地填料;
其中,所述的玻璃粉中含有锶、钡、钠、钾、锌、铝中的一种或多种。
进一步地,所述的贝壳粉的制备包括将贝壳经过600-675℃烘烤10-20min,研磨成粉末,贝壳粉的粒径为45-200μm。
本发明将贝壳在600-675℃高温烘烤,充分去除覆盖在其表面的有机物质,从而充分发挥其吸附磷酸的作用;并且本发明选择600-675℃烘烤,不会由于加热温度高(高于700℃或更高),导致贝壳粉主成分的碳酸钙起泡沫,从而影响其强度以及吸附磷酸的钙的量。
碳酸钙(CaCO3)通过加热而生成二氧化碳气体(CO2),如以下反应式(1)所示分解。
CaCO3+热量→CaO+CO2↑反应式(1)
如反应式(2)所示,通过碳酸钙的分解而得到的氧化钙(CaO)通过加热和空气中的水分而生成氢氧化钙(Ca(OH)2)。
CaO+H2O→Ca(OH)2反应式(2)
与碳酸钙不同,氢氧化钙是水溶性的,因此当将颗粒施用至待处理的水中时,它们可能流出到待处理的水中,这可能降低磷酸盐的吸附能力。
所述贝壳粉占填料总质量的20%-30%,可以保证优异的除磷效果。
此外,基于上述相同理由,成型体也只能选择在600-675℃的温度下烧结,并且如果高于这个温度,特定玻璃容易发泡,从而其强度不足,难以满足湿地填料所需要的抵抗外部荷载的强度要求。
进一步地,所述的烧结的时间为10-20min。
进一步地,所述的玻璃粉为CRT平板玻璃或阴极射线管面板玻璃。
进一步地,所述的玻璃粉的粒径为45-150μm。
本发明采用玻璃粉作为粘合剂能够避免有机粘合剂对水质造成二次污染的问题,在600-675℃软化后,粘合到贝壳粉等材料上,保证贝壳粉除磷效率的同时确保填料各组分可以相互结合;并且采用45-150μm粒径,可以充分与各组分接触,提高粘合效果。且采用40%-50%,可以提高填料颗粒的强度,抵抗外部荷载。
进一步地,所述的多孔质碳为植物秸秆经过木质素洗脱、炭化、活化制备得到。
本发明的多孔质炭,比表面积大、微生物附着能力强,具有氨氮吸附去除能力,所占填料质量比重为20%-30%,强生物亲和能力及氨氮吸附能力,并且还能缓慢释放碳源,提高生物脱氮能力。并且由于玻璃粉中含有锶、钡、钠、钾、锌和铝等,硫铁矿烧渣中的成分,含有铁、铜、锌等元素,可以作为多孔质炭的改性剂,促进对氨氮的吸附能力。
进一步地,所述的硫铁矿烧渣为生产硫酸的固体废弃物。
本发明利用硫铁矿烧渣中有价值的铁等元素作为电子供体,促进自养反硝化脱氮作用的进行,既可以解决有及碳源不足的问题,提高尾水脱氮效果,又具有除磷效果。
进一步地,所述的人工湿地填料的粒径为5mm-70mm。
进一步地,所述的冷却为在空气中直接冷却或置于惰性气体中喷雾冷却。
本发明的第二个目的是提供所述方法制备得到的人工湿地填料。
本发明的有益效果:
1、本填料颗粒具有优异的脱氮除磷能力,且无需外加碳源,总磷去除率达到86%以上,氨氮去除率达到91%以上;
2、本填料颗粒机械强度高,制作工艺简单,且制备的填料是多孔的,且具有优异的透水性,可以改善湿地排水性能,填料不易堵塞;
3、材料来源于农业和玻璃等废弃物回收再利用,来源广泛,价格低廉;
4、本填料颗粒由于氮磷吸附能力强,促进湿地植物的快速生长,甚至在数十年使用后,作为植物生长的肥料,改良土壤肥力,不存在废弃填料丢弃的二次污染的问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1:
将贝壳置于650℃的炉子中烘烤15min,然后取出冷却,粉碎,过300目筛备用;然后将含氧化锌含量8%,氧化钠含量为8.1%,氧化钛含量0.5%的CRT玻璃压碎,过300目筛分备用;再将植物与等量的乙酸与过氧化氢混合,在60℃下搅拌12h,过滤干燥,而后在675℃的氮气环境中加热4h,最后在惰性气体中冷却至室温,从而获得高性能多孔质炭,再将其同样过300目筛备用;取硫铁矿烧渣过300目筛备用。
将上述预处理筛分所得的贝壳粉、玻璃粉、多孔质炭粉以及硫铁矿烧渣按照质量份数20:45:20:15混合,得到混合料。
然后将所得到的混合料加到直径为5cm的具有半球形凹部的一对模具中,使凹部和凹部彼此相对以挤压模具,通过加压条件控制为辊旋转速度为12rpm,辊压力为14N至22N,从而获得球形成型体。
然后将获得的球形成形体置于电炉中,将温度控制在650℃的烧结,烧结时间分别控制在15min,而后在空气自然冷却至,获得高效尾水湿地填料颗粒。
将上述制得的基质填料进行装柱处理,柱子的横截面直径为0.2m,填料高度1m,控制水流速度5mL/min;利用制成的填料柱对含氮磷废水进行吸附去除,含磷废水初始磷浓度为1.5mg/L、氨氮浓度为4.2mg/L;在25℃的条件下,含氮磷废水经填料柱处理后,出水含磷浓度为0.12mg/L,出水含氨氮浓度为0.35mg/L,出水达到地表水环境质量Ⅲ类标准,总磷去除率为92%,氨氮去除率为91.7%。
实施例2
将贝壳置于600℃的炉子中烘烤20min,然后取出冷却,粉碎,过100目筛备用;然后将含氧化钾含量7.1%,氧化钠含量为2.7%,氧化镁含量2.5%,氧化钙含量1.5%的CRT玻璃压碎,过100目筛分备用;再将植物与等量的乙酸与过氧化氢混合,在50℃下搅拌24h,过滤干燥,而后在650℃的氮气环境中加热6h,最后在惰性气体中冷却至室温,从而获得高性能多孔质炭,再将其同样过100目筛备用;取硫铁矿烧渣过100目筛备用。
将上述预处理筛分所得的贝壳粉、玻璃粉、多孔质炭粉以及硫铁矿烧渣按照质量份数25:40:25:10混合,得到混合料。
然后将所得到的混合料加到直径为3cm的具有半球形凹部的一对模具中,使凹部和凹部彼此相对以挤压模具,通过加压条件控制为辊旋转速度为12rpm,辊压力为14N至22N,从而获得球形成型体。
然后将获得的球形成形体置于电炉中,将温度控制在600℃的烧结,烧结时间分别控制在20min,而后在空气自然冷却至,获得高效尾水湿地填料颗粒。
将上述制得的基质填料进行装柱处理,柱子的横截面直径为0.2m,填料高度1m,控制水流速度5mL/min;利用制成的填料柱对含氮磷废水进行吸附去除,含磷废水初始磷浓度为1.5mg/L、氨氮浓度为4.2mg/L;在25℃的条件下,含氮磷废水经填料柱处理后,出水含磷浓度为0.08mg/L,出水含氨氮浓度为0.21mg/L,出水达到地表水环境质量Ⅲ类标准,总磷去除率为94.6%,氨氮去除率为95%。
实施例3
将贝壳置于675℃的炉子中烘烤10min,然后取出冷却,粉碎,过200目筛备用;然后将含氧化钾含量8.8%,氧化钠含量为5.75%,氧化镁含量0.4%,氧化钙含量3.75%,氧化钡含量5.7%的CRT玻璃压碎,过200目筛分备用;再将植物与等量的乙酸与过氧化氢混合,在55℃下搅拌18h,过滤干燥,而后在675℃的氮气环境中加热3h,最后在惰性气体中冷却至室温,从而获得高性能多孔质炭,再将其同样过200目筛备用;取硫铁矿烧渣过200目筛备用。
将上述预处理筛分所得的贝壳粉、玻璃粉、多孔质炭粉以及硫铁矿烧渣按照质量份数20:50:20:10混合,得到混合料。
然后将所得到的混合料加到直径为7cm的具有半球形凹部的一对模具中,使凹部和凹部彼此相对以挤压模具,通过加压条件控制为辊旋转速度为12rpm,辊压力为14N至22N,从而获得球形成型体。
然后将获得的球形成形体置于电炉中,将温度控制在675℃的烧结,烧结时间分别控制在10min,而后在空气自然冷却至,获得高效尾水湿地填料颗粒。
将上述制得的基质填料进行装柱处理,柱子的横截面直径为0.2m,填料高度1m,控制水流速度5mL/min;利用制成的填料柱对含氮磷废水进行吸附去除,含磷废水初始磷浓度为1.5mg/L、氨氮浓度为4.2mg/L;在25℃的条件下,含氮磷废水经填料柱处理后,出水含磷浓度为0.2mg/L,出水含氨氮浓度为0.32mg/L,出水达到地表水环境质量Ⅲ类标准,总磷去除率为86.7%,氨氮去除率为92.4%。
对比例1
将贝壳置于650℃的炉子中烘烤15min,然后取出冷却,粉碎,过300目筛备用;然后将含氧化锶20%,氧化钡含量为8%的CRT玻璃压碎,过300目筛分备用;再将植物与等量的乙酸与过氧化氢混合,在60℃下搅拌12h,过滤干燥,而后在700℃的氮气环境中加热4h,最后在惰性气体中冷却至室温,从而获得高性能多孔质炭,再将其同样过300目筛备用;取硫铁矿烧渣过300目筛备用。
将上述预处理筛分所得的贝壳粉、玻璃粉、多孔质炭粉以及硫铁矿烧渣按照质量份数20:45:20:15混合,得到混合料。
然后将所得到的混合料加到直径为3cm的具有半球形凹部的一对模具中,使凹部和凹部彼此相对以挤压模具,通过加压条件控制为辊旋转速度为12rpm,辊压力为14N至22N,从而获得球形成型体。
然后将获得的球形成形体置于电炉中,将温度控制在700℃的烧结,烧结时间分别控制在20min,而后在空气自然冷却至发现,烧结产物的表面玻璃形成如大理石般的玻璃珠,最终没有获得烧结颗粒,这是因为CRT玻璃的熔点低于烧结温度(700℃)而导致烧结物内部吸水收到阻碍而不能顺利粘结成颗粒,同时由于高温使得贝壳粉热分解而使晶体结构变脆,也不能顺利形成具有足够强度的烧结颗粒。
同样将上述获得的球形成形体置于电炉中,将温度控制在575℃烧结,发现制备颗粒崩解率为100%,因CRT玻璃的软化温度高于烧结温度(575℃)而CRT玻璃无法软化而未能与贝壳粉等材料之间发生熔融,起不到材料粘结剂的作用,最终未能获得烧结颗粒。
对比例2
将贝壳置于650℃的炉子中烘烤15min,然后取出冷却,粉碎,过300目筛备用;然后将含氧化锌含量8%,氧化钠含量为8.1%,氧化钛含量0.5%的CRT玻璃压碎,过300目筛分备用;再将植物与等量的乙酸与过氧化氢混合,在60℃下搅拌12h,过滤干燥,而后在675℃的氮气环境中加热4h,最后在惰性气体中冷却至室温,从而获得高性能多孔质炭,再将其同样过300目筛备用;取硫铁矿烧渣过300目筛备用。
将上述预处理筛分所得的贝壳粉、玻璃粉、多孔质炭粉以及硫铁矿烧渣按照质量份数15:60:15:10混合,得到混合料。
然后将所得到的混合料加到直径为5cm的具有半球形凹部的一对模具中,使凹部和凹部彼此相对以挤压模具,通过加压条件控制为辊旋转速度为12rpm,辊压力为14N至22N,从而获得球形成型体。
然后将获得的球形成形体置于电炉中,将温度控制在650℃的烧结,烧结时间分别控制在15min,而后在空气自然冷却至,获得高效尾水湿地填料颗粒。
将上述制得的基质填料进行装柱处理,柱子的横截面直径为0.2m,填料高度1m,控制水流速度5mL/min;利用制成的填料柱对含氮磷废水进行吸附去除,含磷废水初始磷浓度为1.5mg/L、氨氮浓度为4.2mg/L;在25℃的条件下,含氮磷废水经填料柱处理后,出水含磷浓度为0.52mg/L,出水含氨氮浓度为1.1mg/L,出水仅达到地表水环境质量劣Ⅴ类标准,总磷去除率为65.3%,氨氮去除率为73.8%,处理效果降低了20-30%。
对比例3
将贝壳置于650℃的炉子中烘烤15min,然后取出冷却,粉碎,过300目筛备用;然后将含氧化锌含量8%,氧化钠含量为8.1%,氧化钛含量0.5%的CRT玻璃压碎,过300目筛分备用;再将植物与等量的乙酸与过氧化氢混合,在60℃下搅拌12h,过滤干燥,而后在675℃的氮气环境中加热4h,最后在惰性气体中冷却至室温,从而获得高性能多孔质炭,再将其同样过300目筛备用;取硫铁矿烧渣过300目筛备用。
将上述预处理筛分所得的贝壳粉、玻璃粉、多孔质炭粉以及硫铁矿烧渣按照质量份数30:30:30:10混合,得到混合料。
然后将所得到的混合料加到直径为5cm的具有半球形凹部的一对模具中,使凹部和凹部彼此相对以挤压模具,通过加压条件控制为辊旋转速度为12rpm,辊压力为14N至22N,从而获得球形成型体。
然后将获得的球形成形体置于电炉中,将温度控制在650℃的烧结,烧结时间分别控制在15min,而后在空气自然冷却至,获得高效尾水湿地填料颗粒。
通过用食指按压上述所得的每个颗粒并检查颗粒的塌陷发现,手指触摸使得烧结颗粒呈塌陷状态,表明颗粒中的贝壳粉等含量越高,颗粒强度越低,这是因为,颗粒中的贝壳粉等的含量多时,特定玻璃的量相对减少,并且特定玻璃与壳粉以及其他材料之间不易发生熔融而强度降低。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例,本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种人工湿地填料在尾水处理中的应用,其特征在于,所述人工湿地填料由以下步骤制备得到:
S1、按照质量百分比将20%-30%贝壳粉、40%-50%玻璃粉、20%-30%多孔质碳和10%-20%硫铁矿烧渣混匀,得到混合粉料;所述的贝壳粉的制备包括将贝壳经过600-675℃烘烤10-20min,研磨成粉末;所述的多孔质碳为植物秸秆经过木质素洗脱、炭化、活化制备得到;所述的玻璃粉为CRT平板玻璃或阴极射线管面板玻璃;
S2、将S1步骤的混合粉料加压成型,得到成型体;
S3、将S2步骤的成型体在600-675℃的温度下烧结,冷却得到所述的人工湿地填料;
其中,所述的玻璃粉中含有锶、钡、钠、钾、锌、铝中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的贝壳粉的粒径为45-200μm。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的烧结的时间为10-20min。
4.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的玻璃粉的粒径为 45-150μm。
5.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的硫铁矿烧渣为生产硫酸的固体废弃物。
6.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的人工湿地填料的粒径为5mm-70mm。
7.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的冷却为在空气中直接冷却或置于惰性气体中喷雾冷却。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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