CN111762894B - 一种水体净化材料制备方法及其应用 - Google Patents

一种水体净化材料制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水体净化材料制备方法，将短切玄武岩纤维加入到陶瓷的胚体中，并在胚体表面涂抹特殊釉料，经高温处理后，浸泡在高碳氮比的植物发酵液中制得水体净化材料。将其放入河流当中后，陶瓷内部孔隙中因短切玄武岩纤维存在形成微生物(优质乳酸菌活菌和环保菌株等)培养器，同时被短切玄武岩纤维捕获，并逐步向陶瓷外部河道水体中释放；陶瓷外部，微生物和植物发酵液缓释至陶瓷表面，随水流不断释放，调节陶瓷附近水体碳氮比，促进陶瓷表面附近优质藻相、菌相的繁殖以及水体中优质藻相、菌相的繁殖和占比，釉面中短切玄武岩纤维捕获微生物，微生物局部含量高且缓释进入水体，保证净化的长久性，促进水体生态系统的恢复、稳定。

Description

一种水体净化材料制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种水体净化材料制备方法及其应用，具体涉及城市河道水体净化材料制备方法及其应用，尤其是含有短切玄武岩纤维的水体净化材料的制备，属于河道净化领域。
背景技术
城市河流通常指流经人类居住的城市段，受到城市化和人类活动的干扰。随着城市化和工业化的飞速发展，作为城市血脉的河流却肆意的被当作城市的排污渠道，遭受日益严重的污染。河流具有天然自净功能，在自然环境下，通过微生物氧化、物理化学作用，以及植物吸收等途径除去各类污染物。然而当城市河流受纳的污染物总量远远超出河流自身的环境容量，致使河流的纳污能力骤降，出现严重的富营养化问题，破坏了河流原有的生态平衡，部分河流完全沦为臭水沟。
治理城市河流污染是一项复杂的系统工程，目前治理技术主要包括物理、化学和生物-生态3类方法：物理方法主要有人工增氧、机械除藻和底泥疏浚等，但这些方法往往治标不治本,污染物只得到了转移而并没有消除；化学方法主要是采用向河流投入大量化学药剂，如加入化学药剂杀藻、加入铁盐等促进磷的沉淀等方法，但这些方法往往因为化学药剂的投入而对环境造成污染；生物-生态法主要包括水生植物、生物膜、浮岛技术、河流专门化或修建净水湖等方法，这些方法虽然具有处理效果好、耗能低、运行成本低等优点，但前期工程量较大，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种水体净化材料，以达到城市河道逐渐恢复天然自净功能的目的。
第一个目的是提供一种水体净化材料制备方法，包括如下步骤：
S1：植物发酵液制备：按重量份数计，将50～100份植物料粉碎后，加入10～20份糖、1～5份磷酸钙、1～3份磷酸镁、10～20份发酵剂和 300～800份水，混合搅拌均匀，发酵至pH＝4～5；
S2：釉料制备：按重量份数计，1～5份硫酸铁、1～5份氧化铁、1～10 份纳米二氧化钛、1～5份纳米造孔剂、1～5份负离子粉、0.5～2份混合菌种、50～100份低熔点二氧化硅、2～5份短切玄武岩纤维和30～50份水；
S3：胚体制备：按重量份数计，30～50份造孔剂、0.1～5份短切玄武岩纤维、50～100份二氧化硅，通过将二氧化硅、造孔剂破碎混合，湿法球磨，加入短切玄武岩纤维搅拌成型干燥，采用无压坯烧结；
S4：水体净化材料制备：包括如下步骤：
S41：釉料处理：将釉料喷涂或涂抹在胚体表面，自然干燥；
S42：高温处理：用高温加热处理S31的胚体，冷却形成陶瓷；
S43：将S42的陶瓷浸泡在所述植物发酵液中10～48h，干燥形成水体净化材料。
进一步的，所述胚体为球体、椭圆体或圆柱体；更进一步的，所述胚体体积不小于0.25m3。
更进一步的，所述陶瓷的孔隙率在15％以上，优选为25～50％。
进一步的，所述植物发酵液为高碳氮比发酵液。
进一步的，所述植物料为玉米、红薯或木薯中至少一种。
进一步的，所述植物料为植物胚芽和植物新芽相混合。
进一步的，所述植物胚芽与植物新芽的重量份比为1：5～10。
进一步的，所述发酵剂组分包括纤维素酶、木聚糖酶、蛋白酶、酿酒酵母、高效破壁酶、粪肠球菌、屎肠球菌、酵母菌。
更进一步的，所述发酵剂组分按重量份数计，1～5份纤维素酶、1～5 份木聚糖酶、1～5份蛋白酶、1～3份酿酒酵母、1～2份高效破壁酶、 0.1～0.5份粪肠球菌、0.2～0.5份屎肠球菌、1～10份酵母菌。
进一步的，所述短切玄武岩纤维为改性短切玄武岩纤维。
更进一步的，所述短切玄武岩纤维的纤维长度为1～30mm，纤维直径为10～30um。
玄武岩纤维是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成，具有一定的微生物负载性能，胚体中短切玄武岩纤维的加入，孔隙内短切玄武岩纤维形成了微生物负载空间，给微生物提供繁殖培养空间。
改性短切玄武岩纤维，表面改性包括；在其表面增加纳米SiO2粒子，有效地提高纤维表面粗糙度，增加了微生物与载体间的有效接触面积；表面增加阳离子，载体表面电位升高，载体表面带正电荷，利用静电吸力促进微生物固定，有利于微生物固定化；表面增加了表面能的活性官能团，所含有羟基、羰基或羧基等，对微生物在载体表面粘附生长有积极的作用。通过表面改性，使其具有良好的亲水性和微生物负载性能，使之能够负载更多的生物量，且长时间保持较高的微生物活性，保证水体净化处理时，处理区域内微生物含量高，处理效果好；也保证了微生物的缓释进入水体，保证处理长久性。
进一步的，所述植物发酵液中还包括光合细菌；更优的，按质量份数计为0.5～10份。光合细菌繁殖释放能吸收降低氨氮和亚硝酸盐，能处理硫化氢等，可分解有机碎屑，清爽水质，间接增加溶解氧。
更进一步的，所述植物发酵液中还添加有芽孢杆菌：包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌中的一种或多种。
光合细菌与芽孢杆菌的质量比为1：1～2。
光合细菌和/或芽孢杆菌的加入能将污染水体中的有毒有害的有机物迅速转化为可被水生生物吸收的营养物，加快物质循环。
进一步的，所述混合菌种按重量份数计，1～2份芽孢杆菌和1～2份大肠杆菌。
更进一步的，所述高温处理的条件为1000～1300℃，处理0.5～2h。
本发明另一个目的是提供一种上述制备方法所获得的水体净化材料。所述水体净化材料包含植物发酵液，尤其是高碳氮比的植物发酵液。植物发酵液的好处在于，在本发明发酵剂的作用下，蛋白质彻底分解成小肽和氨基酸，不但避免了大分子蛋白质成为残饵或腐败因子，滋生有害细菌，而且成为藻类和水体培育有益细菌的优质氮源；发酵过程产生的多种碳源、有机酸和小分子糖类：碳源为反硝化细菌提供了优先和优质的碳源，可显著促进反硝化细菌的活性，助推氮循环进程；有机酸不仅是碳源，而且还是络合重金属的有机络合剂或叫解毒剂，辅助降低城市河流中的重金属含量；小分子糖类包括短链多糖、低糖和寡糖：短链多糖、低糖由淀粉发酵分解获得，它们是缓释碳源，使得微生物利用效率和时间更长；非淀粉多糖经发酵后产生寡糖，成为城市河流中益生菌的伴侣，如乳酸菌等；同时，发酵后产生海量的乳酸菌活菌和环保菌株，如脱氮菌等，维护生态平衡的能力。
磷酸钙和磷酸镁的加入，发酵后，将生成各种优质的调节钙镁含量的产品，如乳酸钙，有机酸镁等，可以通过其极微量的含量及比例对多种矿物质进行最适合的分配，并改变水的性质(从群体中使水分子游离出来)，还具有促进特殊菌增殖的环境。
釉料配方中含有硫酸铁和混合菌种，其中硫酸铁中铁离子带有正电荷和混合菌种表面带负电荷，铁离子以团簇形式分布在陶瓷表面，在高温条件下，体系中有机质和纳米造孔剂碳化形成孔隙，体系中熔点二氧化硅保证孔隙完整，同时铁离子氧化生成氧化铁分布在陶瓷表面。釉料处理后形成釉面层与陶瓷孔隙形成相互连通的网状微通道。
当处理后的陶瓷浸泡在植物发酵液中，植物发酵液吸附于具有网状微通道的陶瓷内形成水体净化材料。磷酸盐的存在，改善陶瓷表面短切玄武岩纤维，捕获微生物保证微生物局部浓度，提高处理效果。
本发明第三个目的是提供水体净化材料制备方法制得的水体净化材料在城市河道中的应用。
将水体净化材料投入到城市河道浅水区或缓流区，就能够简单实现水体净化功能。更优的，可以通过工程设置实现水体净化功能。
将水体净化材料放入河流当中后，陶瓷内部孔隙提供微生物(优质乳酸菌活菌和环保菌株等)培养器，被短切玄武岩纤维捕获，并逐步向陶瓷外部河道水体中释放；陶瓷外部，微生物和植物发酵液缓释至陶瓷表面，随水流不断释放，调节陶瓷附近水体碳氮比，促进陶瓷表面附近优质藻相、菌相的繁殖以及水体中优质藻相、菌相的繁殖和占比，促进水体生态系统的恢复、稳定。
附图说明
图1本发明水体净化材料在城市河道中的应用示例1；
图2本发明应用示例A-A’剖面图；
图3本发明应用示例B-B’剖面图；
1、城市河道水体；11、河道河面；12、河道河底；2、水体净化区； 21、水体净化材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种水体净化材料，采用如下步骤制的：
S1：植物发酵液制备：按重量份数计，将50份玉米粉碎后，加入10 份糖、1份磷酸钙、1份磷酸镁、10份发酵剂和300份水，混合搅拌均匀，发酵至pH＝4～5；
S2：釉料制备：按重量份数计，1份硫酸铁、1份氧化铁、1份纳米二氧化钛、1份纳米造孔剂、1份负离子粉、0.5份混合菌种、50份低熔点二氧化硅、2份短切玄武岩纤维和30份水；
S3：胚体制备：按重量份数计，30份造孔剂、0.1份短切玄武岩纤维、100份二氧化硅，通过将二氧化硅、造孔剂破碎混合，湿法球磨，加入短切玄武岩纤维搅拌成型干燥，采用无压坯烧结；
S4：水体净化材料制备：包括如下步骤：
S41：釉料处理：将釉料喷涂或涂抹在胚体表面，自然干燥；
S42：高温处理：用高温加热处理S31的胚体，冷却形成陶瓷；
S43：将S42的陶瓷浸泡在所述植物发酵液中48h，干燥形成新型水体净化材料。
具体的，所述胚体为球体；所述胚体体积不小于0.5m3。
具体的，所述陶瓷的孔隙率为25％。
具体的，所述发酵剂组分按重量份数计，1份纤维素酶、1份木聚糖酶、1份蛋白酶、1份酿酒酵母、1份高效破壁酶、0.1份粪肠球菌、0.2 份屎肠球菌、1份酵母菌。
具体的，所述短切玄武岩纤维为改性短切玄武岩纤维，其表面增加纳米SiO2粒子，有效地提高纤维表面粗糙度，增加了微生物与载体间的有效接触面积，纤维长度为5mm，纤维直径为10um。
具体的，所述植物发酵液中还包括光合细菌与芽孢杆菌的质量比为 1：1～2。其中，芽孢杆菌：包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌中的一种或多种。
具体的，所述混合菌种按重量份数计，1～2份芽孢杆菌和1～2份大肠杆菌。
具体的，所述高温处理的条件为1000℃，处理2h。
实施例2
一种水体净化材料，采用如下步骤制的：
S1：植物发酵液制备：按重量份数计，将100份植物料粉碎后，加入 20份糖、5份磷酸钙、1份磷酸镁、20份发酵剂和800份水，混合搅拌均匀，发酵至pH＝4～5；
S2：釉料制备：按重量份数计，5份硫酸铁、5份氧化铁、10份纳米二氧化钛、5份纳米造孔剂、5份负离子粉、2份混合菌种、100份低熔点二氧化硅、5份短切玄武岩纤维和30份水；
S3：胚体制备：按重量份数计，50份造孔剂、5份短切玄武岩纤维、50份二氧化硅，通过将二氧化硅、造孔剂破碎混合，湿法球磨，加入短切玄武岩纤维搅拌成型干燥，采用无压坯烧结；
S4：水体净化材料制备：包括如下步骤：
S41：釉料处理：将釉料喷涂或涂抹在胚体表面，自然干燥；
S42：高温处理：用高温加热处理S31的胚体，冷却形成陶瓷；
S43：将S42的陶瓷浸泡在所述植物发酵液中24h，干燥形成新型水体净化材料。
具体的，所述胚体为圆柱体；所述胚体体积为0.5m3。
具体的，所述陶瓷的孔隙率为50％。
具体的，所述植物发酵液为高碳氮比发酵液。所述植物料为玉米的胚芽和新芽相混合，重量份比为1：10。
具体的，所述发酵剂组分按重量份数计，5份纤维素酶、5份木聚糖酶、5份蛋白酶、3份酿酒酵母、2份高效破壁酶、0.5份粪肠球菌、0.5 份屎肠球菌、10份酵母菌。
具体的，所述短切玄武岩纤维的纤维长度为30mm，纤维直径为 30um。
具体的，所述植物发酵液中还包括光合细菌；按质量份数计为0.5～10 份。
具体的，所述混合菌种按重量份数计，1份芽孢杆菌和2份大肠杆菌。
具体的，所述高温处理的条件为1300℃，处理0.5h。
实施例3
如图1～3所示，将实施例1和实施例2所制备的水体净化材料设置于城市河道浅水水体中，城市河道水体流经水体净化区2内的水体净化材料21。
具体的，水体净化区2内水体净化材料21之间留有空隙；
具体的，水体净化材料21可全部处于河道河面之下，也可部分处于河道河面之下。
具体的，水体净化材料21设置在城市河道水体1中，应能够吸收到太阳光光线。
将水体净化材料放入河流当中后，陶瓷内部孔隙提供微生物(优质乳酸菌活菌和环保菌株等)培养器，被短切玄武岩纤维捕获，并逐步向陶瓷外部河道水体中释放；陶瓷外部，微生物和植物发酵液缓释至陶瓷表面，随水流不断释放，调节陶瓷附近水体碳氮比，促进陶瓷表面附近优质藻相、菌相的繁殖以及水体中优质藻相、菌相的繁殖和占比，促进水体生态系统的恢复、稳定。
经水体净化材料21净化后，水体处理效果见表1：
监测项目 处理前 处理1天后 处理1个月后
BOD(mg/L) 20 16 7
COD(mg/L) 24 19 12
SS(mg/L) 17 19 7
通过表1所见，在水体净化材料的净化作用1天后，水体的 COD和BOD均有所下降，一个月后，达到较为低且稳定水平，起到了较好的净化作用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种水体净化材料制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
S1：植物发酵液制备：按重量份数计，将50～100份植物料粉碎后，加入10～20份糖、1～5份磷酸钙、1～3份磷酸镁、10～20份发酵剂和300～800份水，混合搅拌均匀，发酵至pH＝4～5；
S2：釉料制备：按重量份数计，1～5份硫酸铁、1～5份氧化铁、1～10份纳米二氧化钛、1～5份纳米造孔剂、1～5份负离子粉、0.5～2份混合菌种、50～100份低熔点二氧化硅、2～5份短切玄武岩纤维和30～50份水；
S3：胚体制备：按重量份数计，30～50份造孔剂、0.1～5份短切玄武岩纤维、50～100份二氧化硅，通过将二氧化硅、造孔剂破碎混合，湿法球磨，加入短切玄武岩纤维搅拌成型干燥，采用无压坯烧结；
S4：水体净化材料制备：包括如下步骤：
S41：釉料处理：将釉料喷涂或涂抹在胚体表面，自然干燥；
S42：高温处理：用高温加热处理S31的胚体，冷却形成陶瓷；
S43：将S42的陶瓷浸泡在所述植物发酵液中10～48h，干燥形成水体净化材料。
2.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述植物发酵液为高碳氮比发酵液。
3.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述植物料为玉米、红薯或木薯中至少一种。
4.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述植物料为植物胚芽和植物新芽相混合。
5.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述发酵剂组分包括纤维素酶、木聚糖酶、蛋白酶、酿酒酵母、高效破壁酶、粪肠球菌、屎肠球菌、酵母菌。
6.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述短切玄武岩纤维为改性短切玄武岩纤维。
7.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述短切玄武岩纤维的纤维长度为1～30mm，纤维直径为10～30um。
8.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述混合菌种按重量份数计，1～2份芽孢杆菌和1～2份大肠杆菌。
9.根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法，其特征在于：所述高温处理的条件为1000～1300℃，处理0.5～2h。
10.一种根据权利要求1所述的水体净化材料制备方法制得的水体净化材料在城市河道中的应用。
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