CN112479402A - 一种用于废水处理的生物炭渗滤装置 - Google Patents

一种用于废水处理的生物炭渗滤装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种用于废水处理的生物炭渗滤装置包括床体，所述床体的上部设置有废水进口，所述床体的底部设置有废水出口，所述床体内从上至下依次铺设有表土层、渗滤层、过渡层及排水层，其中，所述渗滤层由改性生物活性炭渗滤料铺设而成。该用于废水处理的生物炭渗滤装置具有以下优势：①具有良好的机械强度，耐废水冲刷；②渗透性能好，且不易产生堵塞现象；③有利于微生物和植物生长，渗透层具有极好的吸附性能，废水处理效果好。

Description

一种用于废水处理的生物炭渗滤装置
技术领域
本发明涉及环保设备技术领域，特别涉及一种用于废水处理的生物炭渗滤装置。
背景技术
生活废水中富含大量的氮磷等营养元素，直接排放不仅造成危害，也造成了资源浪费。人工渗滤装置对废水进行处理的原理是：有控制地将废水注入人工构筑的填料基质的表面，使其向下渗透的过程中经历不同的物理、化学和生物的作用，最终达到净化污水的目的。目前，这种装置中的填料基质大多为土壤、砂、砾石、碎石、沸石、石英砂、煤灰渣、高炉渣、活性炭等，每种填料基质各有其优缺点，但是，目前对填料基质的选择上仍然比较单一，传统的填料基质的孔隙率较低，吸附能力有限，微生物附着能力差，出现废水中污染物去除率较低的缺点。
因此，提供一种吸附能力强且污染物去除效果好的生物炭渗滤装置，有利于实现废水的无害化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于废水处理的生物炭渗滤装置，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种用于废水处理的生物炭渗滤装置包括床体，所述床体的上部设置有废水进口，所述床体的底部设置有废水出口，所述床体内从上至下依次铺设有表土层、渗滤层、过渡层及排水层，其中，所述渗滤层由改性生物活性炭渗滤料铺设而成。
优选的，所述表土层为天然土壤，所述表土层的高度为10～25cm。
优选的，所述过渡层由砂和碎石铺设而成，所述砂和碎石的粒径均为3～8mm，所述砂和碎石重量比为1～2:1，所述过渡层的高度为10～20cm。
优选的，所述排水层的高度为20～45cm，所述排水层由砾石铺设而成，所述砾石的粒径为5～10mm。
优选的，所述渗滤层的高度为10～20cm。
优选的，所述改性生物活性炭渗滤料的粒径为2～5mm。
优选的，所述改性深恶活性炭渗滤料的制备方法，包括如下步骤：
将秸秆干燥后粉碎制成秸秆粉，将二氧化硅悬浮液和秸秆粉混合均匀后放入炭化炉中，在惰性气体的保护下升温至300～700℃，恒温炭化2～6h，经冷却、粉碎得到二氧化硅改性生物炭，再将二氧化硅改性生物炭加入壳聚糖溶液中，调节pH值至9～11，在功率为400～500W、80～90℃的条件下超声处理60～90min，待冷却后离心分离、冲洗、干燥，得到改性生物炭渗滤料。
进一步优选的，所述二氧化硅悬浮液为将二氧化硅和水按照0.1～2:10的重量比例混合均匀制成的。
进一步优选的，所述二氧化硅悬浮液和秸秆粉的重量比为0.1～1:10。
进一步优选的，所述壳聚糖溶液为将壳聚糖粉末溶解于醋酸溶液中，其中，所述壳聚糖粉末的重量与醋酸溶液的体积比0.1～0.5:50g/mL。
更进一步优选的，所述醋酸溶液的质量浓度为1～5％。
进一步优选的，所述惰性气体选自氮气、氩气、氦气中的任意一种或多种。
进一步优选的，所述升温的速率为5～20℃/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的生物炭渗滤装置包括表土层、渗滤层、过渡层及排水层，具有以下优势：①具有良好的机械强度，耐废水冲刷；②渗透性能好，且不易产生堵塞现象；③有利于微生物和植物生长，渗透层具有极好的吸附性能，废水处理效果好。
本发明采用二氧化硅和壳聚糖对生物炭进行二次改性后而获得改性生物炭渗滤料，以这种改性渗滤料为渗滤层的填充料具有如下优势：①改性生物炭渗滤料具有极大的比表面积，孔隙率高，吸附性能好，能很好的吸附微生物，可以提高渗滤装置对废水中氨氮成分的吸附，强化脱氮效果；②改性生物炭渗滤料具有丰富的表面官能团，便于与废水中的重金属等杂质发生络合反应，形成稳定的结构，从而达到去除废水中重金属离子的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于废水处理的生物炭渗滤装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本实施例提供的改性生物炭渗滤料的制备方法，包括如下步骤：
将秸秆干燥后粉碎制成秸秆粉，将二氧化硅和水按照1:10的重量比例混合均匀制成二氧化硅悬浮液，将二氧化硅悬浮液和秸秆粉按照0.7:10的重量比例混合均匀后放入炭化炉中，在惰性气体(氮气)的保护下以15℃/min的速率升温至400℃，恒温炭化4h，经冷却后，粉碎至粒径为3～5mm得到二氧化硅改性生物炭，按照壳聚糖粉末的重量与醋酸溶液的体积比0.3:50(g/mL)的比例，将壳聚糖粉末溶解于质量浓度为2％的醋酸溶液中，再将二氧化硅改性生物炭加入壳聚糖溶液中，调节pH值至10，在功率为450W、80℃的条件下超声处理75min，待冷却后离心分离、冲洗，置于烘箱中80℃下干燥24h，得到改性生物炭渗滤料。
为了进一步探讨升温速率对改性生物炭渗滤料的孔隙率及比表面积的影响，本实施例改变升温速率(5℃/min、10℃/min、20℃/min)，按照上述的制备步骤制得不同产物。经测试，制得的改性生物炭渗滤料的粒径、孔隙率及比表面积如下表所示：
序号 1 2 3 4
升温速率(℃/min) 5 10 15 20
孔隙率(％) 73 87 86 83
比表面积(m<sup>2</sup>/g) 512 592 572 548
实施例2
为了进一步探讨炭化温度对改性生物炭渗滤料的孔隙率及比表面积的影响，本实施例改炭化温度(300℃、500℃、600℃、700℃)，按照上述实施例1的制备步骤制得不同产物。经测试，制得的改性生物炭渗滤料的粒径、孔隙率及比表面积如下表所示：
序号 1 2 3 4 5
炭化温度(℃) 300 400 500 600 700
孔隙率(％) 69 87 86 83 79
比表面积(m<sup>2</sup>/g) 423 592 581 552 523
实施例3
为了进一步探讨超声温度对改性生物炭渗滤料的孔隙率及比表面积的影响，本实施例改变超声温度(60℃、70℃、90℃、100℃)，按照上述实施例1的制备步骤制得不同产物。经测试，制得的改性生物炭渗滤料的孔隙率及比表面积如下表所示：
序号 1 2 3 4 5
超声温度(℃) 60 70 80 90 100
孔隙率(％) 74 81 87 85 80
比表面积(m<sup>2</sup>/g) 512 541 592 562 523
实施例4
为了进一步探讨超声时间对改性生物炭渗滤料的孔隙率及比表面积的影响，本实施例改变超声时间(30min、60min、90min、120min)，按照上述实施例1的制备步骤制得不同产物。经测试，制得的改性生物炭渗滤料的粒径、孔隙率及比表面积如下表所示：
序号 1 2 3 4 5
超声时间(min) 30 60 75 90 120
孔隙率(％) 76 79 87 86 85
比表面积(m<sup>2</sup>/g) 524 547 592 582 569
实施例6
为了进一步探讨炭化时间对改性生物炭渗滤料的孔隙率及比表面积的影响，本实施例改变炭化时间(2h、6h、9h、12h)，按照上述实施例1的制备步骤制得不同产物。经测试，制得的改性生物炭渗滤料的粒径、孔隙率及比表面积如下表所示：
序号 1 2 3 4 5
炭化时间(h) 2 4 6 9 12
孔隙率(％) 75 87 86 81 83
比表面积(m<sup>2</sup>/g) 521 592 584 551 560
参考图1，以下实施例6～8所提供的用于废水处理的生物炭渗滤装置包括床体1，所述床体1的上部设置有废水进口2，所述床体1的底部设置有废水出口3，所述床体1内从上至下依次铺设有表土层4、渗滤层5、过渡层6及排水层7。
实施例6
本实施例先选取粒径为5～10mm的砾石，将砾石填充于床体1的底层，填充高度为35cm，作为排水层7；选取粒径为3～8mm的砂和碎石，将砂和碎石按照1.5:1的重量比混合均匀后铺设在排水层7上，铺设高度为15cm，作为过渡层6；在过渡层6上铺设实施例1所制得的改性生物炭渗滤料，作为渗滤层5，铺设高度为15cm；最后在渗滤5上铺设天然土壤，作为表土层4，铺设高度为15cm。
将本实施例提供的渗滤装置用于某地废水渗滤处理，其废水进出水质情况如下：
Figure BDA0002769334470000041
实施例7
将秸秆干燥后粉碎制成秸秆粉，将二氧化硅和水按照1:10的重量比例混合均匀制成二氧化硅悬浮液，将二氧化硅悬浮液和秸秆粉按照0.1:10的重量比例混合均匀后放入炭化炉中，在惰性气体(氮气)的保护下以15℃/min的速率升温至400℃，恒温炭化5h，经冷却后，粉碎至粒径为3～5mm得到二氧化硅改性生物炭，按照壳聚糖粉末的重量与醋酸溶液的体积比0.1:50(g/mL)的比例，将壳聚糖粉末溶解于质量浓度为2％的醋酸溶液中，再将二氧化硅改性生物炭加入壳聚糖溶液中，调节pH值至10，在功率为500W、80℃的条件下超声处理75min，待冷却后离心分离、冲洗，置于烘箱中70℃下干燥24h，得到改性生物炭渗滤料。
本实施例先选取粒径为5～10mm的砾石，将砾石填充于床体1的底层，填充高度为20cm，作为排水层7；选取粒径为3～8mm的砂和碎石，将砂和碎石按照1:1的重量比混合均匀后铺设在排水层7上，铺设高度为10cm，作为过渡层6，在过渡层6上铺设本实施例所制得的改性生物炭渗滤料，作为渗滤层，铺设高度为10cm；最后在渗滤5上铺设天然土壤，作为表土层4，铺设高度为10cm。
将本实施例提供的渗滤装置用于某地废水(与实施例6相同的废水)渗滤处理，其废水进出水质情况如下：
Figure BDA0002769334470000051
实施例8
将秸秆干燥后粉碎制成秸秆粉，将二氧化硅和水按照1:10的重量比例混合均匀制成二氧化硅悬浮液，将二氧化硅悬浮液和秸秆粉按照1:10的重量比例混合均匀后放入炭化炉中，在惰性气体(氮气)的保护下以15℃/min的速率升温至400℃，恒温炭化4h，经冷却后，粉碎至粒径为3～5mm得到二氧化硅改性生物炭，按照壳聚糖粉末的重量与醋酸溶液的体积比0.5:50(g/mL)的比例，将壳聚糖粉末溶解于质量浓度为2％的醋酸溶液中，再将二氧化硅改性生物炭加入壳聚糖溶液中，调节pH值至10，在功率为400W、80℃的条件下超声处理75min，待冷却后离心分离、冲洗，置于烘箱中80℃下干燥24h，得到改性生物炭渗滤料。
本实施例先选取粒径为5～10mm的砾石，将砾石填充于床体1的底层，填充高度为45cm，作为排水层7；选取粒径为3～8mm的砂和碎石，将砂和碎石按照2:1的重量比混合均匀后铺设在排水层7上，铺设高度为20cm，作为过渡层6，在过渡层6上铺设本实施例所制得的改性生物炭渗滤料，作为渗滤层，铺设高度为20cm；最后在渗滤5上铺设天然土壤，作为表土层4，铺设高度为25cm。
将本实施例提供的渗滤装置用于某地废水(与实施例6相同的废水)渗滤处理，其废水进出水质情况如下：
Figure BDA0002769334470000061
对比例
为了进一步说明本发明的有益效果，本发明对比例按照实施例6的类似方法制作渗滤装置，本对比例与实施例6的区别仅在于：本对比例以生物炭铺设于过渡层6上，作为渗滤层。本对比例采用的生物炭的制备方法，包括如下步骤：
将秸秆干燥后粉碎制成秸秆粉，将所获得的秸秆粉放入炭化炉中，在惰性气体(氮气)的保护下以15℃/min的速率升温至400℃，恒温炭化4h，经冷却后，粉碎至粒径为3～5mm得到生物炭。
将本实施例提供的渗滤装置用于某地废水(与实施例6相同的废水)渗滤处理，其废水进出水质情况如下：
Figure BDA0002769334470000062
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，包括床体，所述床体的上部设置有废水进口，所述床体的底部设置有废水出口，所述床体内从上至下依次铺设有表土层、渗滤层、过渡层及排水层，其中，所述渗滤层由改性生物活性炭渗滤料铺设而成。
2.根据权利要求1所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述表土层为天然土壤，所述表土层的高度为10～25cm。
3.根据权利要求1所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述过渡层由砂和碎石铺设而成，所述砂和碎石的粒径均为3～8mm，所述砂和碎石重量比为1～2:1，所述过渡层的高度为10～20cm。
4.根据权利要求1所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述排水层的高度为20～45cm，所述排水层由砾石铺设而成，所述砾石的粒径为5～10mm。
5.根据权利要求1所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述渗滤层的高度为10～20cm。
6.根据权利要求1所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述改性生物活性炭渗滤料的粒径为2～5mm。
7.根据权利要求1所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述改性深恶活性炭渗滤料的制备方法，包括如下步骤：
将秸秆干燥后粉碎制成秸秆粉，将二氧化硅悬浮液和秸秆粉混合均匀后放入炭化炉中，在惰性气体的保护下升温至300～700℃，恒温炭化2～6h，经冷却、粉碎得到二氧化硅改性生物炭，再将二氧化硅改性生物炭加入壳聚糖溶液中，调节pH值至9～11，在功率为400～500W、80～90℃的条件下超声处理60～90min，待冷却后离心分离、冲洗、干燥，得到改性生物炭渗滤料。
8.根据权利要求7所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述二氧化硅悬浮液为将二氧化硅和水按照0.1～2:10的重量比例混合均匀制成的。
9.根据权利要求7所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述二氧化硅悬浮液和秸秆粉的重量比为0.1～1:10。
10.根据权利要求1所述的用于废水处理的生物炭渗滤装置，其特征在于，所述升温的速率为5～20℃/min。
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