CN112608130B - 一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，本发明公开了一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料及其制备方法。以粉煤灰漂珠、煤矸石、硅藻土为骨料，以羟甲基纤维素为粘结剂并辅以白云石粉、造孔剂、石灰石制备陶瓷滤料，并在陶瓷滤料表面附着碳纳米纤维。该滤料纳污能力强，滤料利用率高，水头损失增加缓慢，在同样条件下滤速可达16m/h,工作周期24h以上，周期产水量达800‑1000m3/m3，是石英砂滤料的1.5‑2倍。

Description

一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料及其制备方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料及其制备方法。
背景技术
曝气生物滤池是近年来受到广泛关注的污水处理技术，是集生物降解、固液分离于一体的污水处理设施，具有占地面积小、处理效率高、运行管理方便等特点，主要是依靠滤料上固定生长的微生物来分解有机物，并对氨氮进行硝化。因此，凡影响微生物生长代谢活性的因素都会影响到生物处理的净化效果，如进水水质、水温、pH、滤料类型、结构特点和滤料比表面积等。
但众多影响因素中，其核心是滤料性能，滤料的特性如何在一定程度上决定了曝气生物滤池的处理成效，因此滤料的性能至关重要。陶粒作为滤料的一种，具有材料低廉易得、比表面积大、孔隙率大、化学和物理稳定性好等优点，适合在我国推广。但是，就目前我国陶瓷滤料使用情况看，存在以下问题：陶粒磨损破碎率较高、易掉沫，堵塞滤池，影响过滤周期和出水水质；颗粒不规则，水流阻力较大，影响水力停留时间；现有陶粒大部分为粘土和页岩等，性能不稳定；表面结构缺乏合理的粗糙度，陶粒表面容易结釉，不利于增加比表面积。
因此，如何提供一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料及其制备方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料，该陶瓷滤料比重轻，具有较大的粒径，利于曝气生物滤池反冲洗，并且烧结温度较低。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料，包括以下重量份数的原料：粉煤灰漂珠30-40份、煤矸石20-30份、硅藻土15-25份、羟甲基纤维素20-30份、白云石粉6-9份、造孔剂2-3份、石灰石8-10份、碳纳米纤维6-8份。
优选的，所述造孔剂为米糠。
优选的，所述碳纳米纤维的长度为50-100μm，直径为30-50nm。
本发明的另一目的在于提供一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料的制备方法。本发明采用如下技术方案：
一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)按比例称取上述各原料；
(2)将步骤(1)称取的原料进行混合后进行球磨，球磨后过200目筛；
(3)将步骤(2)过筛后的混合料在研钵中加水制成具有可塑性的泥料，再制备成粒径为5-8mm的小球；
(4)将步骤(3)制备的小球放置在干燥箱中以50-60℃恒温干燥1-2h；
(5)将步骤(4)干燥后的样品进行分解、烧结；
(6)将步骤(5)烧结完成后的样品表面附着一层碳纳米纤维。
优选的，所述步骤(5)中的烧结，在530-850℃分解1-2h，在1170-1200℃烧结3-4h。
优选的，所述步骤(6)采用高压静电技术进行碳纳米纤维的种植。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料及其制备方法，有益效果如下：
1、本发明使用的粉煤灰漂珠和煤矸石都是固体废弃物，减少天然矿物质和和黏土的开采，并且粉煤灰漂珠呈碱性，能够缓解煤矸石呈酸性的缺陷。制备得到的陶瓷滤料表面微孔丰富，比表面积大，易挂膜，生物量大，对NH3-N、COD的去除效果好，截污能力强，处理出水水质高，实现了以废治废的效果。
2、本发明使用米糠作为造孔剂，并辅以石灰石，制备的滤料孔隙分布均匀，表面孔径为适宜微生物生长的中孔和大孔，克服了因滤料层孔隙分布不均匀而造成的水头损失大，易堵塞、板结的问题，并且密度适中，比重均匀，反冲洗所需时间短，使用周期长，能耗低，克服了难控制和易跑料的缺陷，省电省工。
3、本发明在使用粉煤灰漂珠和煤矸石作为主料外，还是用了一定量的硅藻土，硅藻土中含有无定型的SiO2，利用其分子连接松散、不连续即无规则的特点，以及较大的活性和反应能力，可以有效降低烧结时的温度以及烧结时间，并且在此烧结温度下制得的滤料表面粗糙易于碳纳米纤维的附着，样品的颗粒内部有大量固相物生成，米糠和石灰石烧失留下的孔同粉煤灰漂珠和硅藻土固有的孔相互连通，构成了错综复杂的孔隙结构；然而当烧结温度超过1200℃时，会导致滤料表面光滑，不利于碳纳米纤维以及微生物的附着。比现有技术中普通烧结时间明显缩短，温度也有所降低，能够降低能源，节约能源成本。
4、本发明在样品烧结结束后，通过高压静电技术种植碳纳米纤维，由于碳纤维是未经改性纤维材料中唯一带正电荷材料，因此形成的滤料表面固着的基层整体带正电荷，该结构特性有利于带负电荷的微生物附着，附着所形成的生物膜稳定性好。因此，本发明的陶瓷滤料利于曝气生物滤池反冲洗，并可以基本恢复原有的过滤能力，从而具有较长的使用寿命。
5、采用很好的粒径级配，纳污能力强，滤料利用率高，水头损失增加缓慢，在同样条件下滤速可达16m/h,工作周期24h以上，周期产水量达800-1000m3/m3，是石英砂滤料的1.5-2倍；不含任何对人体和环境有害的物质，生物、化学稳定性及热力学稳定性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明新型轻质陶瓷滤料实物。
具体实施方式
下面将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
(1)按粉煤灰漂珠30份、煤矸石20份、硅藻土15份、羟甲基纤维素20份白云石粉6份、米糠2份、石灰石8份的比例称取上述原料；
(2)将步骤(1)称取的原料进行混合后进行球磨，球磨后过200目筛；
(3)将步骤(2)混合好的坯料在研钵中用水做粘结剂制成一定可塑性的泥料，再制备成粒径为5-8mm的小球；
(4)将步骤(3)成型的样品放置在干燥箱中以50℃恒温干燥1h；
(5)将步骤(4)干燥后的样品进行烧结，在烧结前先在530℃分解1，在1170℃烧结3h。
(6)将步骤(5)烧结完成后的样品表面附着一层碳纳米纤维。
实施例2
(1)按粉煤灰漂珠35份、煤矸石25份、硅藻土20份、羟甲基纤维素25份白云石粉8份、米糠3份、石灰石9份的比例称取上述原料；
(2)将步骤(1)称取的原料进行混合后进行球磨，球磨后过200目筛；
(3)将步骤(2)混合好的坯料在研钵中用水做粘结剂制成一定可塑性的泥料，再制备成粒径为5-8mm的小球；
(4)将步骤(3)成型的样品放置在干燥箱中以55℃恒温干燥2h；
(5)将步骤(4)干燥后的样品进行烧结，在烧结前先在700℃分解2h，在1180℃烧结4h。
(6)将步骤(5)烧结完成后的样品表面附着一层碳纳米纤维。
实施例3
(1)按粉煤灰漂珠40份、煤矸石30份、硅藻土25份、羟甲基纤维素30份白云石粉9份、米糠3份、石灰石10份的比例称取上述原料；
(2)将步骤(1)称取的原料进行混合后进行球磨，球磨后过200目筛；
(3)将步骤(2)混合好的坯料在研钵中用水做粘结剂制成一定可塑性的泥料，再制备成粒径为5-8mm的小球；
(4)将步骤(3)成型的样品放置在干燥箱中以60℃恒温干燥2h；
(5)将步骤(4)干燥后的样品进行烧结，在烧结前先在850℃分解2h，在1200℃烧结4h。
(6)将步骤(5)烧结完成后的样品表面附着一层碳纳米纤维。
实施例4
1)实施例1-3制得的新型轻质高孔隙率陶瓷滤料的物理指标见表1
表1
Figure BDA0002845653650000071
Figure BDA0002845653650000081
2)新型轻质高孔率陶瓷滤料污水处理效果分析
实施例1-3制得的新型轻质高孔率陶瓷滤料都具有较好的性能，现以实施例2制得的新型轻质高孔隙率陶瓷滤料做详细说明，新型轻质高孔隙率陶瓷滤料挂膜后的运行期间,通过重点监测COD、BOD、浊度、表面活性剂、氨氮、磷酸盐等主要污染物指标,对滤池的生化降解及过滤截流能力进行了试验研究,结果如下：
挂膜试验：
对上向流曝气生物滤池进行启动挂膜,采用接种活性污泥法，滤池启动挂膜的主要运行参数见表2。
表2 UBAF启动的主要运行参数
Figure BDA0002845653650000091
挂膜期间对主要污染物COD、NH3-N、浊度进行监测。滤池闷曝后连续进水第2天时,COD、浊度的去除率就达到80％左右,第4天后NH3-N的去除率也达到75％,第6天后COD、浊度、NH3-N的去除率均趋于稳定,分别约为88％、93％、75％,可认为滤池的挂膜启动成功,较快的挂膜速度充分反映出新型轻质高孔隙率生物陶粒非常有利于生物膜的附着生长。
表3挂膜期间COD的去除效果
日期 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
进水(mg/L) 250 251 235 243 252 241
出水(mg/L) 110 50 40 30 30 27
去除率 56.00％ 80.08％ 82.98％ 87.65％ 88.10％ 88.80％
表4挂膜期间NH3-N的去除效果
日期 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
进水(mg/L) 24 20 22 20 21 19
出水(mg/L) 16 12 7 5 5 4
去除率 33.33％ 40.00％ 68.18％ 75.00％ 76.19％ 78.95％
表5挂膜期间SS的去除效果
Figure BDA0002845653650000092
Figure BDA0002845653650000101
实施例5
新型轻质高孔隙率陶瓷滤料对污染物的去除效果：
滤池挂膜后的处理运行期间,通过监测COD、SS、氨氮主要污染物指标,对滤池的生化降解及过滤截流能力进行了试验研究,运行的工况参数与挂膜期相同,具体试验结果如下：
(1)对COD的去除效果
表6滤池挂膜后的处理运行期间对COD的去除效果
日期 2.7 2.12 2.17 2.22 2.27 3.3
进水(mg/L) 252 241 242 244 254 265
出水(mg/L) 30 27 28 27 30 40
去除率 88.10％ 88.80％ 88.43％ 88.93％ 88.19％ 84.90％
从表6中可以看出,稳定运行期间COD的去除率为85％左右,出水浓度基本低于40mg/L,即使在3月1号滤池反冲洗后重新启动运行,去除率也能基本保持在80％以上。
(2)对NH3-N的去除效果
表7滤池挂膜后的处理运行期间对NH3-N的去除效果
日期 2.7 2.12 2.17 2.22 2.27 3.3
进水(mg/L) 20 20 21 22 21 22
出水(mg/L) 4 4 4 4 4 5.5
去除率 80.00％ 80.00％ 80.95％ 81.82％ 80.95％ 75.00％
从表7中可看出,滤池稳定运行期间的氨氮去除率可达到80％左右,出水浓度基本低于5mg/L，即使在3月1号滤池反冲洗后重新启动运行,去除率也能基本保持在75％以上。
(6)对SS的去除效果
表8滤池挂膜后的处理运行期间对SS的去除效果
日期 2.7 2.12 2.17 2.22 2.27 3.3
进水(mg/L) 60 65 66 63 70 60
出水(mg/L) 4 5 5 4 5.1 5.5
去除率 93.33％ 92.31％ 92.42％ 93.65％ 92.71％ 90.83％
如表8所示,滤池稳定运行期间SS去除率可达90％以上,出水SS可始终低于10mg/L，即使在3月1号滤池反冲洗后重新启动运行,去除率也能基本保持在90％左右。分析原因,主要是由于该陶粒具有优良的过滤截留能力,表面粗糙度大且滤料间的孔隙率较小,因此对的截流效果非常好,即使在滤池停修后重新运行、有较多生物膜脱落的情况下,SS的去除率也能达到70％。
综上，试验结果证明,新型轻质高孔隙率陶粒确实是一种挂膜、处理性能良好的滤料,其粗糙多孔的表面非常适于微生物的附着生长,且生物膜稳定,即使在大强度的反冲洗下也不易脱落,从而使曝气生物滤池具有较强的生化降解能力,在稳定运行期间,COD、氨氮、SS的出水浓度分别可达到88％、80％、93％,出水浓度可分别在40mg/L、5.5mg/L、5.5mg/L以下。即使在滤池反冲洗后重新启动,各项指标的去除率也能在短时间内迅速恢复。
实验证明，该新型轻质高孔隙率陶瓷滤料在各项性能上同目前国内外市场对比，处于领先地位，完全达到了污水处理的要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种轻质高孔隙率陶瓷滤料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
(1)按重量份数称取粉煤灰漂珠30-40份、煤矸石20-30份、硅藻土15-25份、羟甲基纤维素20-30份、白云石粉6-9份、造孔剂2-3份、石灰石8-10份、碳纳米纤维6-8份；
(2)将步骤(1)称取的粉煤灰漂珠、煤矸石、硅藻土、羟甲基纤维素、白云石粉、造孔剂、石灰石进行混合后球磨，球磨后过200目筛；
(3)将步骤(2)过筛后的混合料在研钵中加水制成具有可塑性的泥料，再制备成粒径为5-8mm的小球；
(4)将步骤(3)制备的小球放置在干燥箱中以50-60℃恒温干燥1-2h；
(5)将步骤(4)干燥后的样品进行分解、烧结；
(6)将步骤(5)烧结完成后的样品表面附着一层碳纳米纤维；
所述造孔剂为米糠；
所述步骤(5)在530-850℃分解1-2h，在1170-1200℃烧结3-4h；
所述步骤(6)采用高压静电技术进行碳纳米纤维的附着。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高孔隙率陶瓷滤料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米纤维的长度为50-100μm，直径为30-50nm。
3.如权利要求1-2任一项所述的方法制备得到的一种轻质高孔隙率陶瓷滤料。
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