CN112723531A - 一种用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水体氨氮吸附的生物滤池填料及其制备方法和应用。所述的方法包括下述步骤：1、安琪酵母和葡萄糖溶于水后置于培养箱中培养；所得溶液加入沸石和小麦面粉的混合物中揉至均匀置于培养箱中发酵，然后高温固化；4、固化成型后将材料置于真空干燥至恒重，然后氩气环境下高温煅烧即得。该材料中的沸石和面粉经发酵、高温处理后形成多孔的生物质炭和沸石的复合材料，提高氨氮吸附效率，且此复合材料成块状硬度较大，做生物滤池填料不易被水流冲刷且可抗一定的水压；同时所形成的多孔结构不仅提高了材料与氨的接触面积大大提高的氨氮的吸附能力，且可为微生物提供生存场所，提高挂膜效果，可望大规模推广使用。

Description

一种用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明属于吸附材料领域，具体涉及一种用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料的制备方法及其应用。
背景技术
氨氮作为水体中的一种有害污染物备受国内外关注，其主要以两种形态存在：NH4 +和NH3(Fu et al.,2012)。其中，分子态NH3由于呈中性且溶于脂质，可以直接通过生物膜，因而毒性更大；离子态的NH4 +则在浓度达2mg/L时开始危害人体健康。天然水体具有自净能力，然而当氨氮浓度富集超过50mg/L时，水体硝化作用受到抑制，富营养化趋势凸显，很多水生动植物会因此损伤严重。因此有效控制水体中氨氮含量具有重要意义。
氨氮废水的治理也受到国家的重视，相关技术得到快速发展，沸石、生物质炭等吸附剂作为环境友好型材料应用于氨氮的处理净化具备有一定优势，近年来受到特别青睐。生物炭是一种良好的吸附剂，原料来源十分丰富，孔隙结构发达，比表面积巨大，具有高度的稳定性和较强的吸附性能，已用于土壤改良、缓解气候变化、降低环境污染等方面，其对氨氮也有较好的吸附性能。天然沸石来源广泛，种类丰富，制备和操作简单易行，主要成分是由碱金属或碱土金属阳离子组成的结晶型水合硅铝酸盐。天然沸石净化氨氮废水处理机理包括两方面：一是物理吸附，主要因其形态结构特殊，空隙、通道众多，具有的比表面积大，可以将NH4 +吸附在各位点上；二是离子交换，天然沸石对NH4+具有选择吸附性，其位点上的碱金属或碱土金属离子容易和NH4 +置换，从而去除氨氮。沸石不仅是良好的氨氮吸附剂，而且其微孔结构和巨大的比表面积，很适合微生物的生长繁殖。因此，将沸石作为生物载体用于水体脱氮，具有广阔的应用前景。目前，沸石与生物联用主要用于沸石生物滤池，其中以天然沸石曝气生物滤池(ZBAF)应用最广。
生物滤池载体的天然沸石对氨氮的吸附性能不够高。滤料表面粗糙度、比表面积、孔径、相对密度等因素，都影响生物滤池的处理效果。有研究表面天然沸石的表面和内部孔道中吸附了大量的杂质(如Na+,K+,Ca2+,Mg2+等)，且内部孔道相互贯通程度也低，导致其吸附性能和离子交换性能不能得到充分发挥。因此，有必要对天然沸石进行改性或改型活化。而一定温度下焙烧天然沸石能够去除沸石孔道和空穴中的沸石水、有机物和碳酸盐，使沸石孔道被疏通，比表面积增大，达到提高沸石氨氮吸附速率和交换容量的目的。王黎瑾研究发现在200～500℃范围内，随着温度的升高，沸石氨氮吸附性能逐渐提高，但超过500℃，沸石氨氮去除效果反而下降。沸石滤料，其表面粗糙度越高，也越有利于微生物的附着生长，能减少水力剪切对微生物带来的冲击，减少微生物的流失；比表面积和孔径越大，则单位体积滤料能够附载的微生物量就越多。另外沸石的粒径对氨氮去除影响很大，粒径越小，去除率越高。但颗粒小在生物滤池中容易被冲走，因此滤池中通常用较大颗粒如粒径为3-5mm的沸石，但随着粒径的增大，沸石对氨氮的吸附效率大大降低，且生物挂膜效果也有下降，易脱膜，不能满足生物滤池对填料的需求，因此开发新的生物滤池填料具有非常重要的意义。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供一种用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料，所述材料为生物炭改性沸石复合材料，是由沸石和面粉经发酵、高温处理后形成多孔的生物质炭和沸石的复合材料，具有氨氮吸附和生物挂膜的双重功能。
本发明的另一目的是提供所述水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料的制备方法，所述的方法包括下述步骤：
步骤一、安琪酵母和葡萄糖溶于水后置于培养箱中培养得到酵母菌液；
步骤二、之后加入沸石和面粉的混合物中揉至均匀置于培养箱中发酵，然后高温固化；
步骤三、固化成型后将材料置于真空干燥至恒重，然后氩气环境下高温煅烧即得。
进一步的，步骤一具体步骤为：2g安琪酵母、0.4g葡萄糖溶于50g水置于35℃培养箱中培养30min。
进一步的，步骤二具体为：将90g 200目斜发沸石粉末和10g小麦面粉混合均匀，将所得发酵溶液加入沸石面粉的混合物中揉至均匀，所得材料置于35℃培养箱中发酵1小时，之后置于180℃30min用于材料固化。
进一步的，步骤三具体为：固化成型后将材料置于80℃真空干燥至恒重，然后500℃氩气环境下煅烧6小时即得。
本发明的第三目的是提供上述材料对水体中氨氮去除的应用，将此材料用于水体中氨氮的去除实验，结果证明这种材料可以高效的吸附氨氮，并可快速挂膜，
与已有技术相比，本发明的优势在于：
本发明制备的生物炭沸石复合材料结构稳定，生物质炭和改性沸石均匀的混合在一起。在水体氨氮去除净化实验中，可同时发挥生物炭和改性沸石的吸附性能，提高氨氮的吸附效率；此材料成块状硬度较大，做生物滤池填料不易被水流冲刷且可抗一定的水压；同时所形成的多孔结构不仅提高了材料与氨的接触面积大大提高的氨氮的吸附能力，且可为微生物提供生存场所，为生物挂膜提供有利条件，提高了挂膜效果；该材料合成简便、原料廉价易得、性能好、稳定性好、材料容易与水体分离、便于回收利用等优点，从而具有良好的应用前景，可望大规模推广使用。
附图说明
图1沸石粉和小麦面粉混合发酵图。
图2沸石粉和小麦面粉混合发酵固化成型图。
图3生物炭改性沸石复合材料。
图4生物炭改性沸石复合材料对模拟水样的氨氮吸附曲线。
具体实施方式
实施例1：
(1)酵母菌液的制备
2g安琪酵母+0.4g葡萄糖溶于50g水置于35℃培养箱中培养30min，如图1所示。
(2)材料发酵及固化的步骤为：
将90g 200目斜发沸石粉末和10g小麦面粉混合均匀，将所得发酵溶液加入沸石面粉的混合物中揉至均匀，所得材料置于35℃培养箱中发酵500小时，之后置于180℃30min用于材料固化，固化后材料如图2所示。
(3)材料的高温处理：
固化成型后将材料置于80℃真空干燥至恒重，然后500℃氩气环境下煅烧6小时，所得材料如图3所示。
实施例2：
(1)酵母菌液的制备
2g安琪酵母+0.4g葡萄糖溶于50g水置于35℃培养箱中培养30min。
(2)材料发酵及固化的步骤为：
将80g 200目斜发沸石粉末和20g小麦面粉混合均匀，将所得发酵溶液加入沸石面粉的混合物中揉至均匀，所得材料置于35℃培养箱中发酵1小时，之后置于180℃30min用于材料固化。
(3)材料的高温处理：
固化成型后将材料置于80℃真空干燥至恒重，然后500℃氩气环境下煅烧6小时即得。
实施例3：
(1)酵母菌液的制备
2g安琪酵母+0.4g葡萄糖溶于50g水置于35℃培养箱中培养30min。
(2)材料发酵及固化的步骤为：
将70g 200目斜发沸石粉末和30g小麦面粉混合均匀，将所得发酵溶液加入沸石面粉的混合物中揉至均匀，所得材料置于35℃培养箱中发酵1小时，之后置于180℃30min用于材料固化。
(3)材料的高温处理：
固化成型后将材料置于80℃真空干燥至恒重，然后500℃氩气环境下煅烧6小时即得。
实施例4
将上述实施例制备所得材料用于氨氮吸附。每100ml初始浓度为50mg/L的模拟水样(NH4Cl溶液)分别加入5g天然沸石颗粒(3-5mm)和生物炭改性沸石复合材料(沸石：小麦面粉＝9：1)至吸附平衡，分别在0、0.5、1、2、4、6、24小时时测定溶液的氨氮含量，并计算氨氮吸附平衡时氨氮的去除率和吸附量。图4是生物炭改性沸石复合材料对模拟水样的氨氮吸附曲线图。表1是生物炭改性沸石复合材料对模拟水样氨氮吸附平衡时的氨氮吸附效果。
表1 生物炭改性沸石复合材料对模拟水样的氨氮吸附效果
Figure BDA0002827804780000051

Claims (6)

1.一种用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料，其特征在于，所述材料为生物炭改性沸石复合材料，利用生物发酵和高温煅烧方法将生物质炭和沸石结合起来制得。
2.权利要求1所述用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括下述步骤：
步骤一、安琪酵母和葡萄糖溶于水后置于培养箱中培养得到酵母菌液；
步骤二、将所述酵母菌液加入沸石和面粉的混合物中揉至均匀置于培养箱中发酵，然后高温固化；
步骤三、固化成型后将材料置于真空干燥至恒重，然后氩气环境下高温煅烧即得。
3.如权利要求2所述的用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一具体为：2g安琪酵母和0.4g葡萄糖溶于50g水置于35℃培养箱中培养30min。
4.如权利要求2所述的用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
将90g 200目斜发沸石粉末和10g小麦面粉混合均匀，将所得酵母菌液加入沸石面粉的混合物中揉至均匀，所得材料置于35℃培养箱中发酵1小时，之后置于180℃条件下30min。
5.如权利要求2所述的用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三具体为：固化成型后将材料置于80℃真空干燥至恒重，然后500℃氩气环境下煅烧6小时即得。
6.一种用于水体氨氮吸附生物滤池填料的功能材料在对水体中氨氮的吸附和生物挂膜的应用。
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