CN112500189A - 一种人工湿地填料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种人工湿地填料及其制备方法和用途，所述人工湿地填料包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿；其制备方法包括：通过将200～600目成孔剂粉、600～800目粘合剂粉和400～800目非金属矿粉混合，依次经造粒、干燥和焙烧，所述制备方法简单易操作，能够优化人工湿地填料的孔道结构，提高人工湿地填料的抗压强度，增加人工湿地中微生物着床面积，提高人工湿地的水处理效率。

Description

一种人工湿地填料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及人工湿地技术领域，尤其涉及一种人工湿地填料及其制备方法和用途。
背景技术
在人工湿地处理系统中，填料是人工湿地的基质与载体。填料通过对污染物的物理过滤、离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉降反应等对污染物进行截留，为后续微生物和植物对污染物的进一步分解和吸收创造了良好的条件，同时填料为微生物的生长提供了稳定的依附表面。在填料的设计和选择上，为满足其作为生物膜载体等功能，一般需考虑材料的物理及化学组成、孔隙率及比表面积、机械强度、空间体积及形态、生物、化学及热力学稳定性和价格等因素。
碎石、煤灰渣、高炉渣、沸石、火山岩、砾石等是传统的人工湿地中经常采用的基质填料，目前，国内外正在研发具有良好污染物吸附性能和微生物附着性能的新型的高效的材料作为湿地的基质填料。每种人工湿地基质填料都有各自性能的优缺点，在对人工湿地填料进行选择时，应该根据人工湿地所要处理污水的性质和经济条件进行选择，充分发挥人工湿地基质填料的作用。目前，人工湿地床通常由多种基质填料组成，以充分发挥基质填料的作用。典型非金属矿(沸石、火山岩、凹凸棒土、海泡石、硅藻土)是指孔道结构丰富，具有较好吸附性能的矿物，因而，该类矿物在水处理、化工、医药等诸多领域得到应用。
CN104229999B公开了一种用于人工湿地水处理的填料及其制备方法，所述填料为负载稀土氮磷吸附剂和缓释氧材料、粒径为5-15mm的火山渣颗粒，但选用有机粘合剂压制成型，强度低，粒径较大，所形成的人工湿地孔隙体积大，净水效率较低。
CN109319932A公开了一种用于尾水深度处理的人工湿地填料及人工湿地敷设方法，所述的人工湿地填料由以下体积百分比组成：沸石80％～85％、牡蛎壳5～10％、活性炭5～15％，但原材料中牡蛎壳和沸石存在5～8mm的颗粒，所制备的湿地填料仅为不同颗粒混合，未充分发挥材料空洞结构优势，粒径大，所形成的人工湿地孔隙体积大，净水效率较低。
CN101508481B公开了一种利用人工湿地进行污水处理方法中使用的湿地填料，所述湿地填料采用30～40份5～15mm的牡蛎壳、45～55份6～10mm的火山灰加膨化剂烧结块和10～20份活性炭构成，所制备的湿地填料粒径大，强度低，易产生堵塞，净水效率较低。
因此，开发出一种能够提高人工湿地水处理效率的人工湿地填料，应用前景大。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿；其制备方法包括：通过将200～600目成孔剂粉、600～800目粘合剂粉和400～800目非金属矿粉混合，依次经造粒、干燥和焙烧，所述制备方法简单易操作，能够优化人工湿地填料的孔道结构，提高人工湿地填料的抗压强度，增加人工湿地中微生物着床面积，提高人工湿地的水处理效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿。
本发明中非金属矿孔道结构丰富，具有较好吸附性能，成孔剂能够改善人工湿地填料的孔道结构，粘合剂能够将颗粒间相互粘接形成稳定的结构，成孔剂、粘合剂和非金属矿的质量比为1:(1～3):(10～20)，即能够使填料内形成贯通开放的空洞结构，充分发挥非金属矿的吸附性能，为微生物提供更多的着床面积，又可使球形填料具有足够的抗压强度，保证人工湿地平稳运行。
优选地，所述人工湿地填料的平均粒径为3～5mm，例如可以是3mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm、4mm、4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm或5mm等。
优选地，所述人工湿地填料的堆积密度为650～750kg/m3，例如可以是650kg/m3、660kg/m3、670kg/m3、680kg/m3、690kg/m3、700kg/m3、710kg/m3、720kg/m3、730kg/m3、740kg/m3或750kg/m3等。
优选地，所述人工湿地填料的抗压强度为0.8～1MPa，例如可以是0.8MPa、0.MPa82MPa、0.84MPa、0.86MPa、0.88MPa、0.9MPa、0.92MPa、0.94MPa、0.96MPa、0.98MPa或1MPa等。
优选地，所述成孔剂包括碳、碳酸钙或白云石中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：碳和碳酸钙的组合，碳酸钙和白云石的组合，碳、碳酸钙和白云石的组合等。
优选地，所述粘合剂包括高岭土、膨润土、淀粉或水玻璃中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：高岭土和膨润土的组合，高岭土和水玻璃的组合，膨润土和淀粉的组合，高岭土、膨润土和水玻璃的组合等。
优选地，所述非金属矿包括沸石、火山岩、凹凸棒土、海泡石或硅藻土中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：沸石和火山岩的组合，火山岩和凹凸棒土的组合，凹凸棒土、海泡石和硅藻土的组合等。
第二方面，本发明提供了第一方面所述人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂粉、粘合剂粉和400～800目非金属矿粉按照质量比1:(1～3):(10～20)混合，进行造粒，制备成球状颗粒；
(2)对所述球状颗粒依次进行干燥和焙烧，得到人工湿地填料。
本发明使用质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂粉、粘合剂粉和400～800目非金属矿粉进行混合，成孔剂、粘合剂和非金属矿的质量比为1:(1～3):(10～20)，既能够使粉体颗粒间合理堆积形成孔道，又能避免孔道堵塞或造粒后强度过低；原料为粉末，使矿物空洞结构得到充分外露，从而充分利用孔道结构；400～800目非金属矿粉既能够使其多孔结构充分外露，又能避免粉体过细引起的颗粒团聚；制备成球状颗粒，颗粒形状规则，在实际应用中颗粒间的空隙大小均匀，使得局部水流稳定，使用过程中不会产生碎屑造成系统堵塞，延长人工湿地运行周期，降低维护成本；通过干燥除水、焙烧提高强度，优化孔道结构，充分发挥原材料的多孔洞结构优势，应用在人工湿地中，可增加人工湿地中微生物着床面积，提高人工湿地的水处理效率。
优选地，步骤(1)所述成孔剂粉的粒径为200～600目，例如可以是200目、240目、280目、320目、360目、400目、420目、480目、520目、560目或600目等。
本发明中成孔剂粉粒径为200～600目，既能够保证形成合适尺寸的孔道，又能够避免球体强度过低。
优选地，所述粘合剂粉的粒径为600～800目，例如可以是600目、620目、640目、660目、680目、700目、720目、740目、760目、780目或800目等。
本发明中粘合剂粉粒径为600～800目，既能够保证粘合剂与其它粉体混合均匀，保证球体强度，又能够避免孔道封闭堵塞。
优选地，所述球状颗粒的平均粒径为3～5mm，例如可以是3mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm、4mm、4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm或5mm等。
优选地，所述混合在搅拌或翻滚下进行。
优选地，所述搅拌的转速为400～600r/min，例如可以是400r/min、420r/min、440r/min、460r/min、480r/min、500r/min、520r/min、540r/min、560r/min、580r/min或600r/min等。
优选地，所述翻滚的转速为80～150r/min，例如可以是80r/min、85r/min、90r/min、95r/min、100r/min、105r/min、110r/min、115r/min、120r/min、125r/min、130r/min、135r/min、140r/min、145r/min或150r/min等。
优选地，所述混合的温度为60～80℃，例如可以是60℃、62℃、64℃、66℃、68℃、70℃、72℃、74℃、76℃、78℃或80℃等。
优选地，所述造粒在喷水中进行。
本发明在喷水下进行造粒，使用造粒机旋转造粒，其中倾角为30～40°，转速为15～25r/min，制备成球状颗粒，颗粒形状规则。
优选地，所述喷水的速率为80～100mL/(min·kg干料)，例如可以是80mL/(min·kg干料)、82mL/(min·kg干料)、84mL/(min·kg干料)、86mL/(min·kg干料)、88mL/(min·kg干料)、90mL/(min·kg干料)、92mL/(min·kg干料)、94mL/(min·kg干料)、96mL/(min·kg干料)、98mL/(min·kg干料)或100mL/(min·kg干料)等。
本发明喷水速率为80～100mL/(min·kg干料)，既能够保证粉体成球并随着滚动逐渐密实，又能避免水分过多造成粉体泥化。
优选地，所述球状颗粒的含水量为15～25wt％，例如可以是5wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％或25wt％等。
本发明中球状颗粒的含水量为15～25wt％，既能够保证球体内粉体密实，抗压强度高，便于干燥，又能够避免水分过多，球体过于疏松，抗压强度低，成品率低。
优选地，步骤(2)所述干燥的温度为140～170℃，例如可以是140℃、143℃、146℃、149℃、152℃、155℃、158℃、161℃、164℃、167℃或170℃等。
优选地，所述干燥的时间为30～60min，例如可以是30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min。
优选地，所述焙烧的温度为1000～1100℃，例如可以是1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃或1100℃等。
优选地，所述焙烧的时间为0.5～1h，例如可以是0.5h、0.55h、0.6h、0.65h、0.7h、0.75h、0.8h、0.85h、0.9h、0.95h或1h等。
优选地，所述焙烧在保护气氛下进行。
优选地，所述保护气氛包括氮气和/或空气。
本发明中球状颗粒经干燥和焙烧后，所含水分被除去，粉体颗粒间相互搭接互连，形成孔洞结构，制得人工湿地填料。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将200～600目成孔剂粉、600～800目粘合剂和400～800目非金属矿粉粉按照质量比为1:(1～3):(10～20)在60～80℃下进行搅拌或翻滚混合，搅拌转速为400～600r/min，翻滚转速为80～150r/min；在喷水速率为80～100mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为3～5mm的球状颗粒，含水量为15～25wt％；
(2)对所述球状颗粒在140～170℃下干燥30～60min，氮气和/或空气的气氛下焙烧0.5～1h，焙烧温度为1000～1100℃，得到人工湿地填料。
第三方面，本发明提供第一方面所述人工湿地填料在水处理中的用途。
本发明中人工湿地填料用于水处理中，将污水投配到人工湿地中，污水在沿一定方向流动的过程中，主要利用人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行处理。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的人工湿地填料，包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿，为球状颗粒，强度高，使用过程中破碎率低，可有效缓解人工湿地系统堵塞问题，延长人工湿地运行周期，降低维护成本，抗压强度≥0.81MPa；
(2)本发明提供的人工湿地填料的制备方法，通过将200～600目成孔剂粉、600～800目粘合剂粉和400～800目非金属矿粉混合，在喷水下制备球状颗粒，经干燥和焙烧的制备方法，能够优化人工湿地填料的孔道结构，堆积密度≤741kg/m3，孔隙率≥49.3％，在优选条件下，堆积密度≤715kg/m3，抗压强度≥0.89MPa，孔隙率≥58.4％，增加人工湿地填料中微生物着床面积，从而提高人工湿地的水处理效率；
(3)本发明提供的人工湿地填料的制备方法，制备方法简单易操作，原材料为天然矿物，具有环保意义。
附图说明
图1是本发明实施例1中人工湿地填料的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
本发明提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿，其中成孔剂包括碳、碳酸钙或白云石中的任意一种或至少两种，粘合剂包括高岭土、膨润土、淀粉或水玻璃中的任意一种或至少两种，非金属矿包括沸石、火山岩、凹凸棒土、海泡石或硅藻土中的任意一种或至少两种，平均粒径为3～5mm。
本发明还提供一种人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将200～600目成孔剂粉、600～800目粘合剂粉和400～800目非金属矿粉按照质量比为1:(1～3):(10～20)在60～80℃下进行搅拌或翻滚混合，其中成孔剂包括碳、碳酸钙或白云石中的任意一种或至少两种，粘合剂包括高岭土、膨润土、淀粉或水玻璃中的任意一种或至少两种，非金属矿包括沸石、火山岩、凹凸棒土、海泡石或硅藻土中的任意一种或至少两种，搅拌转速为400～600r/min，翻滚转速为80～150r/min；在喷水速率为80～100mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为3～5mm的球状颗粒，含水量为15～25wt％；
(2)对所述球状颗粒在140～170℃下干燥30～60min，氮气和/或空气的气氛下焙烧0.5～1h，焙烧温度为1000～1100℃，得到人工湿地填料。
一、实施例
实施例1
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料为质量比为1:1:10的成孔剂、粘合剂和非金属矿，平均粒径为4mm。
本实施例还提供所述人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂、粘合剂和非金属矿按照质量比为1:1:10在70℃下进行搅拌混合，搅拌转速为600r/min，其中成孔剂选用600目碳酸钙粉200g，粘合剂选用800目高岭土粉200g，非金属矿选用600目沸石粉2000g；在喷水速率为90mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为4mm的球状颗粒，含水量为15wt％；
(2)对所述球状颗粒在150℃下干燥40min，空气的气氛下焙烧1h，焙烧温度为1000℃，得到人工湿地填料。
图1是本实施例中人工湿地填料的示意图，图中白色部分为人工湿地填料，可以看出人工湿地填料的大小均匀。
实施例2
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料为质量比为1:1:10的成孔剂、粘合剂和非金属矿，平均粒径为3mm。
本实施例还提供所述人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂、粘合剂和非金属矿按照质量比为1:1:10在60℃下进行搅拌混合，搅拌转速为400r/min，其中成孔剂选用600目白云石粉200g，粘合剂选用800目高岭土粉200g，非金属矿选用600目沸石粉1000g和400目硅藻土粉1000g；在喷水速率为80mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为3mm的球状颗粒，含水量为20wt％；
(2)对所述球状颗粒在140℃下干燥60min，空气的气氛下焙烧1h，焙烧温度为1000℃，得到人工湿地填料。
实施例3
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料为质量比为1:2:20的成孔剂、粘合剂和非金属矿，平均粒径为5mm。
本实施例还提供所述人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂、粘合剂和非金属矿按照质量比为1:2:20在80℃下进行翻滚混合，翻滚转速为150r/min，其中成孔剂选用500目碳酸钙粉100g，粘合剂选用800目高岭土粉200g，非金属矿选用600目沸石粉1000g、400目硅藻土粉500g和400目凹凸棒土粉500g；在喷水速率为100mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为5mm的球状颗粒，含水量为25wt％；
(2)对所述球状颗粒在170℃下干燥30min，空气的气氛下焙烧0.5h，焙烧温度为1100℃，得到人工湿地填料。
实施例4
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料为质量比为1:3:20的成孔剂、粘合剂和非金属矿，平均粒径为4mm。
本实施例还提供所述人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂、粘合剂和非金属矿按照质量比为1:3:20在70℃下进行翻滚混合，翻滚转速为80r/min，其中成孔剂选用200目碳粉50g和600目碳酸钙粉50g，粘合剂选用800目高岭土粉150g和800目水玻璃粉150g，非金属矿选用600目沸石粉1500g和400目硅藻土粉500g；在喷水速率为90mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为4mm的球状颗粒，含水量为20wt％；
(2)对所述球状颗粒在150℃下干燥40min，氮气的气氛下焙烧0.5h，焙烧温度为1000℃，得到人工湿地填料。
实施例5
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料为质量比为1:3:20的成孔剂、粘合剂和非金属矿，平均粒径为4mm。
本实施例还提供所述人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂、粘合剂和非金属矿按照质量比为1:3:20在70℃下进行搅拌混合，搅拌转速为500r/min，其中成孔剂选用200目碳粉50g和600目碳酸钙粉50g，粘合剂选用800目高岭土粉150g和700目淀粉150g，非金属矿选用600目沸石粉1200g和400目硅藻土粉600g；在喷水速率为90mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为4mm的球状颗粒，含水量为20wt％；
(2)对所述球状颗粒在150℃下干燥60min，氮气的气氛下焙烧1h，焙烧温度为1000℃，得到人工湿地填料。
实施例6
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料为质量比为1:2:15的成孔剂、粘合剂和非金属矿，平均粒径为4mm。
本实施例还提供所述人工湿地填料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂、粘合剂和非金属矿按照质量比为1:3:15在70℃下进行翻滚混合，翻滚转速为100r/min，其中成孔剂选用200目碳粉50g和600目碳酸钙50g，粘合剂选用600目膨润土粉100g和800目高岭土粉200g，非金属矿选用400目火山岩粉1000g和800目海泡石粉500g；在喷水速率为90mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为4mm的球状颗粒，含水量为20wt％；
(2)对所述球状颗粒在150℃下干燥50min，氮气的气氛下焙烧1h，焙烧温度为1000℃，得到人工湿地填料。
实施例7
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于喷水速率控制为70mL/(min·kg干料)，球状颗粒含水量为10wt％，其余均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于喷水速率控制为110mL/(min·kg干料)，球状颗粒含水量为30wt％，其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于成孔剂粉选用100目碳酸钙粉，其余均与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于成孔剂粉选用1250目碳酸钙粉，其余均与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于粘合剂粉选用200目高岭土粉，其余均与实施例1相同。
实施例12
本实施例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于粘合剂粉选用1250目高岭土粉，其余均与实施例1相同。
二、对比例
对比例1
本对比例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料与实施例1的区别仅在于成孔剂、粘合剂和非金属矿质量比控制为1:1:5的，其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料与实施例1的区别仅在于成孔剂、粘合剂和非金属矿质量比控制为1:1:25的，其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料与实施例1的区别仅在于成孔剂、粘合剂和非金属矿质量比控制为1:4:10的，其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料与实施例1的区别仅在于成孔剂、粘合剂和非金属矿质量比控制为1:0.5:10的，其余均与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于非金属矿粉选用200目沸石粉，其余均与实施例1相同。
对比例6
本对比例提供一种人工湿地填料，所述人工湿地填料的制备方法与实施例1的区别仅在于非金属矿粉选用1250目沸石粉，其余均与实施例1相同。
三、测试及结果
人工湿地填料堆积密度的测试方法：将填料置于105±3℃烘干2h，取出后放在干燥器中冷却至室温，称量冷却后的填料1000g～1500g，移入量筒中，轻微振动，使填料堆积上沿与刻度平齐，读取其所占体积，计算填料堆积密度，计算公式如式(1)所示，重复三次，取平均值。
Figure BDA0002848908850000141
式(1)中，ρ：堆积密度，kg/m3；
m：填料质量，g；
V：填料在量筒中所占体积，mL。
人工湿地填料抗压强度的测试方法：取球形填料50粒，逐个放置于抗压强度仪的圆盘上，依次检测单个球体的抗压强度值，计算公式如式(2)所示，取平均值即为填料的抗压强度值。
Figure BDA0002848908850000142
式(2)中，P：抗压强度，MPa；
Pi：单个球体的抗压强度，MPa。
人工湿地填料孔隙率的测试方法：将填料置于105±3℃烘干2h，取出后放在干燥器中冷却至室温，取球形填料50粒，用游标卡尺测量球体直径；在量筒中加入适量的水，并记录水面刻度，将填料移入量筒中，并确保量筒内的水将填料全部淹没，轻微振动使空气排出，直至无气泡冒出，静置30min，读取水面刻度，计算填料孔隙率，计算公式如式(3)所示。
Figure BDA0002848908850000143
式(3)中，n：孔隙率，％；
a2：放入填料后量筒中水面刻度，mL；
a1：放入填料前量筒中水面刻度，mL；
Di：单个球体直径，mm。
以上实施例和对比例的测试结果如表1所示。
表1
堆积密度kg/m<sup>3</sup> 抗压强度MPa 孔隙率％
实施例1 710 0.95 58.4
实施例2 713 0.98 59.3
实施例3 712 0.92 59.3
实施例4 705 0.99 59.7
实施例5 702 0.98 59.9
实施例6 715 0.89 59.1
实施例7 728 0.83 52.1
实施例8 720 0.81 50.2
实施例9 725 0.82 55.7
实施例10 741 0.86 49.4
实施例11 719 0.82 52.7
实施例12 737 0.92 49.3
对比例1 725 0.77 56.6
对比例2 756 0.71 50.4
对比例3 783 0.99 46.5
对比例4 724 0.67 47.3
对比例5 725 0.88 51.2
对比例6 759 0.76 49.3
从表1可以看出以下几点：
(1)本发明提供人工湿地填料及其制备方法，所述人工湿地填料包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿，通过将200～600目成孔剂粉、600～800目粘合剂粉和400～800目非金属矿粉混合，在喷水下制备球状颗粒，经干燥和焙烧，得到人工湿地填料，具体而言，实施例1～12中人工湿地填料的堆积密度≤741kg/m3，抗压强度≥0.81MPa，孔隙率≥49.3％，在优选条件下，堆积密度≤715kg/m3，抗压强度≥0.89MPa，孔隙率≥58.4％；
(2)结合实施例1和实施例7～8可知，实施例1中喷水速率控制为90mL/(min·kg干料)，含水量为15wt％，相较于实施例7～8中喷水速率分别控制为70mL/(min·kg干料)和110mL/(min·kg干料)，含水量分别控制为10wt％和30wt％而言，实施例1中的人工湿地填料的堆积密度为710kg/m3，抗压强度为0.95MPa，孔隙率为58.4％，而实施例7～8中的人工湿地填料的堆积密度分别为728kg/m3和720kg/m3，抗压强度分别为0.83MPa和0.81MPa，孔隙率分别为52.1％和50.2％，由此表明，本发明将喷水速率控制在一定范围内，能够进一步提高人工湿地填料中微生物的着床面积与抗压强度，从而提高人工湿地的水处理效率；
(3)结合实施例1和实施例9～10可知，实施例1中碳酸钙粉粒度控制为600目，相较于实施例9～10中碳酸钙粉粒度分别控制为100目和1250目而言，实施例1中的人工湿地填料的堆积密度为710kg/m3，抗压强度为0.95MPa，孔隙率为58.4％，而实施例9～10中的人工湿地填料的堆积密度分别为725kg/m3和741kg/m3，抗压强度分别为0.82MPa和0.86MPa，孔隙率分别为55.7％和49.4％，由此表明，本发明将成孔剂粒度控制在一定范围内，能够进一步提高人工湿地填料中微生物的着床面积与抗压强度，从而提高人工湿地的水处理效率；
(4)结合实施例1和实施例11～12可知，实施例1中高岭土粉粒度控制为800目，相较于实施例11～12中高岭土粉粒度分别控制为200目和1250目而言，实施例1中的人工湿地填料的堆积密度为710kg/m3，抗压强度为0.95MPa，孔隙率为58.4％，而实施例11～12中的人工湿地填料的堆积密度分别为719kg/m3和737kg/m3，抗压强度分别为0.82MPa和0.92MPa，孔隙率分别为52.7％和49.3％，由此表明，本发明将粘合剂粒度控制在一定范围内，能够进一步提高人工湿地填料中微生物的着床面积与抗压强度，从而提高人工湿地的水处理效率；
(5)结合实施例1和对比例1～4可知，实施例1中成孔剂、粘合剂和非金属矿质量比控制为1:1:10，相较于对比例1～4中成孔剂、粘合剂和非金属矿质量比分别控制为1:1:5、1:1:25、1:4:10和1:0.5:10而言，实施例1中的人工湿地填料的堆积密度为710kg/m3，抗压强度为0.95MPa，孔隙率为58.4％，而对比例1～4中的人工湿地填料的堆积密度分别为725kg/m3、756kg/m3、783kg/m3和724kg/m3，抗压强度分别为0.77MPa、0.71MPa、0.99MPa和0.67MPa，孔隙率分别为56.6％、50.4％、46.5％和47.3％，由此表明，本发明将成孔剂、粘合剂和非金属矿质量比控制在一定范围内，能够提高人工湿地填料中微生物的着床面积与抗压强度，从而提高人工湿地的水处理效率；
(6)结合实施例1和对比例5～6可知，实施例1中沸石粉粒度控制为600目，相较于对比例5～6中沸石粉粒度分别控制为200目和1250目而言，实施例1中的人工湿地填料的堆积密度为710kg/m3，抗压强度为0.95MPa，孔隙率为58.4％，而对比例5～6中的人工湿地填料的堆积密度分别为725kg/m3和759kg/m3，抗压强度分别为0.88MPa和0.76MPa，孔隙率分别为51.2％和49.3％，由此表明，本发明将非金属矿粒度控制在一定范围内，能够提高人工湿地填料中微生物的着床面积与抗压强度，从而提高人工湿地的水处理效率。
综上所述，本发明提供的人工湿地填料及其制备方法，所述人工湿地填料包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿；其制备方法包括：将一定粒度范围内的成孔剂、粘合剂和非金属矿混合，依次经造粒、干燥和焙烧，制备方法简单易操作，能够优化孔道结构，人工湿地填料的堆积密度≤741kg/m3，抗压强度≥0.81MPa，孔隙率≥49.3％，在优选条件下，堆积密度≤715kg/m3，抗压强度≥0.89MPa，孔隙率≥58.4％，增加人工湿地中微生物着床面积，提高人工湿地的水处理效率。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种人工湿地填料，其特征在于，所述人工湿地填料包括质量比为1:(1～3):(10～20)的成孔剂、粘合剂和非金属矿。
2.根据权利要求1所述的人工湿地填料，其特征在于，所述人工湿地填料的平均粒径为3～5mm；
优选地，所述人工湿地填料的堆积密度为650～750kg/m3；
优选地，所述人工湿地填料的抗压强度为0.8～1MPa。
3.根据权利要求1或2所述的人工湿地填料，其特征在于，所述成孔剂包括碳、碳酸钙或白云石中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1～3任一项所述的人工湿地填料，其特征在于，所述粘合剂包括高岭土、膨润土、淀粉或水玻璃中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1～4任一项所述的人工湿地填料，其特征在于，所述非金属矿包括沸石、火山岩、凹凸棒土、海泡石或硅藻土中的任意一种或至少两种的组合。
6.一种根据权利要求1～5任一项所述人工湿地填料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将成孔剂粉、粘合剂粉和400～800目非金属矿粉按照质量比1:(1～3):(10～20)混合，进行造粒，制备成球状颗粒；
(2)对所述球状颗粒依次进行干燥和焙烧，得到人工湿地填料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，步骤(1)所述成孔剂粉的粒径为200～600目；
优选地，所述粘合剂粉的粒径为600～800目；
优选地，所述球状颗粒的平均粒径为3～5mm；
优选地，所述混合在搅拌或翻滚下进行；
优选地，所述搅拌的转速为400～600r/min；
优选地，所述翻滚的转速为80～150r/min；
优选地，所述混合的温度为60～80℃；
优选地，所述造粒在喷水中进行；
优选地，所述喷水的速率为80～100mL/(min·kg干料)；
优选地，所述球状颗粒的含水量为15～25wt％。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述干燥的温度为140～170℃；
优选地，所述干燥的时间为30～60min；
优选地，所述焙烧的温度为1000～1100℃；
优选地，所述焙烧的时间为0.5～1h；
优选地，所述焙烧在保护气氛下进行；
优选地，所述保护气氛包括氮气和/或空气。
9.根据权利要求6～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将200～600目成孔剂粉、600～800目粘合剂粉和400～800目非金属矿粉按照质量比为1:(1～3):(10～20)在60～80℃下进行搅拌或翻滚混合，搅拌转速为400～600r/min，翻滚转速为80～150r/min；在喷水速率为80～100mL/(min·kg干料)下进行造粒，制备平均粒径为3～5mm的球状颗粒，含水量为15～25wt％；
(2)对所述球状颗粒在140～170℃下干燥30～60min，氮气和/或空气的气氛下焙烧0.5～1h，焙烧温度为1000～1100℃，得到人工湿地填料。
10.一种根据权利要求1～5任一项所述人工湿地填料在水处理中的用途。
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