CN112939355A - 一种具备脱氮除磷功能的人工填料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备脱氮除磷功能的人工填料及其制备方法，使用低碱硅酸盐水泥、粉煤灰、沸石、凹凸棒土、聚乙烯醇、废钢渣等原料制成复合多孔氮、磷吸附材料，其中固体废弃物占相当比重，不仅实现了固体废物的减量化与资源化，而且大大节省经济成本。再使用亚硝化菌，枯草芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌，铜绿假单胞菌，鲁氏酵母菌，脱氧副球菌，沼泽红假单胞菌，酿酒酵母，黑曲霉复合菌液负载生物膜。应用在水环境治理中，在填料本身吸附氮、磷污染物的同时，缩短水体生物挂膜时间，提高脱氮除磷效率。

Description

一种具备脱氮除磷功能的人工填料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水处理填料，尤其是一种具备脱氮除磷功能的人工填料及其制备方法。
背景技术
随着生态文明建设的推进，人工湿地对于河流水质提升起到日益重要的作用，人工湿地由于具有污水净化和景观营造的双重作用，且建造运行成本低廉、维护管理相对简便，具有良好的应用前景。人工湿地填料是湿地的基质和载体，其净化机理主要包括基质的吸附和过滤等物理化学作用、湿地植物的吸收以及基质上稳定附着的微生物种群的高效净化作用等，填料对于湿地建造和改善湿地净化污水能力起着至关重要的作用。
人工潜流湿地中的填料已经成为提高处理效率的关注点，传统的人工湿地填料主要来源于碎石、砾石、砂子或其他的岩石矿物材料，在人工湿地污水处理过程中，由于对有机污染物有一定的去除效果，并且来源广泛、无需特定的加工程序、价格较低，因此在人工湿地处理系统中有较广泛的应用。这些材料硅含量较高的惰性基质，对营养盐几乎不具吸附性能，制约人工湿地对氮、磷等污染物质的净化效率。相关等温吸附试验表明，普通的石灰石对可溶性磷酸盐的最大吸附率仅为7mg/kg。
含钙、铝、铁等金属成分的填料对磷具有较强的吸附能力，因为污水中的可溶性磷酸盐可与铝、铁、钙等金属离子、金属氧化物和氢氧化物以及黏土矿物通过配位体交换发生吸附和沉淀作用，生成难溶性磷酸盐而固定下来。直接添加粉煤灰、沸石粉等作为填料，虽氨、磷在启动阶段可以迅速提高，但这些的小粒径材料极易随水流动而流失，从而导致系统的堵塞。同时，有些基质填料的吸附效果较好却存在强度不够等问题导致实际工程应用效果不够理想的问题。
此外，人工湿地的填料需要依靠水体中原有微生物自然挂膜，物挂膜需要较长的启动时间，所以湿地运行初期效果往往不稳定，效率较低。因此，需要一种对氮磷具有较好的吸附效果，且能够加快挂膜速度的人工填料。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具备脱氮除磷功能的人工填料及其制备方法，制备具有吸附功能、粒径可控的填料，放置在人工湿地及其他净水装置中，使人工湿地及其他净水装置的脱氮除磷功能大大加强，同时缩短湿地启动调试时间。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具备脱氮除磷功能的人工净水填料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量份数，将低碱硅酸盐水泥16-35份、粉煤灰8-18份、沸石1-5份、凹凸棒土2-8份、聚乙烯醇0.2-0.4份、废钢渣20-45份混合搅拌均匀得到干粉，其中各原料细度小于50目；
(2)再将水18-22份、双氧水0.2-0.4份加入步骤(1)的干粉中，混合均匀，得到浆液，然后将浆液浇筑进预制模具中，常温定型，制得净水填料基材；
(3)将净水填料基材置于营养液中浸泡30-45min后，常温下晾干，得到净水填料，营养液为质量百分比浓度为1％的水溶液，营养液中葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾营养盐的摩尔比为100:4-10:1-2；
(4)取微生物菌粉，使用步骤(3)中营养液稀释后，配置菌粉含量为2-20g/L的菌液；其中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌5-10份，枯草芽孢杆菌15-30份，巨大芽孢杆菌10-20份，铜绿假单胞菌3-10份，鲁氏酵母菌2-10份，脱氧副球菌2-8份，沼泽红假单胞菌5-10份，酿酒酵母5-15份，黑曲霉1-4份；
(5)步骤(3)中营养液浸泡过的净水填料浸入步骤(4)配置的菌液中，净水填料与菌液的质量比不大于1:1.5，进行微生物接种2-5d，在常温下晾干，得到挂膜人工净水填料。
优选，所述步骤(1)中，低碱硅酸盐水泥为24份、粉煤灰为15份、沸石为1.85份、凹凸棒土为2.5份、聚乙烯醇为0.3份、废钢渣为35份，混合搅拌，搅拌2-3分钟；步骤(2)中，再在搅拌好的干粉中加入水21份、双氧水0.35进行搅拌，搅拌1-2分钟。
所述步骤(2)中，预制模具为方形、球形、卵石状或礁石状，制得净水填料基材的粒径范围为1.5-10厘米。
所述预制模具为预制塑料模具或预制金属模具。
所述步骤(2)中，常温定型时间为18-22分钟。
优选，所述步骤(4)中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌10份，枯草芽孢杆菌27份，巨大芽孢杆菌20份，铜绿假单胞菌5份，鲁氏酵母菌8份，脱氧副球菌6份，沼泽红假单胞菌10份，酿酒酵母10份，黑曲霉4份。
上述的制备方法制得的具备脱氮除磷功能的人工填料。
净水填料应用到人工湿地后，生物膜快速恢复活性并增殖，同时因植物根系对氧的传递和释放，使其周围的环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态保证了河水中的氮、磷不仅能够被植物和微生物作为营养成分而直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将其从污水中去除。
本发明有益效果为：
1、填料自身形成的吸附孔道具有吸附氮磷的净水功能，具有高吸附性材料如沸石小孔径分子筛特点，又具有水泥，粉煤灰表面肌理的大孔径的双重吸附特性，其物理结构特点放大了分子筛性能中的过滤域限。可实现大分子物质的吸附功能，並可加快去除氨氮硝化菌膜的快速生成，属于复合型多孔材料。
2、将生物滤料与生物膜法相结合，缩短了填料表面和植物根系表面由微生物组成的生物膜挂膜时间，挂膜时间可减少60％。当河水流经生物膜时，大量悬浮物被填料和植物根系阻挡截留，无机营养盐和有机污染物通过植物根系的吸收和生物膜的代谢作用被去除。
3、本发明制备的净水填料主要以工业副产品(钢渣)为主要原料，将废弃物进行再利用，实现了固体废物的减量化与资源化，不仅节省经济成本，还提高了环境效益、社会效益。制备方法工艺简单，所需其他材料常见易得，成本低廉，实施方便可批量生产。
4、钢渣在处理废水时释放大量的OH-和Ca2+，抑制沸石对氨氮的吸附。鲁氏酵母菌和酿酒酵母代谢产物为酸性，调节水体pH值，可与钢渣的碱性中和从而缓解对吸附氨氮的抑制作用。
5、填料模具可循环利用，填料粒径可调节，根据所种植物的需要，制作不同粒径的填料，避免天然石料作为植生基材的局限性。
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。
本发明的具备脱氮除磷功能的人工净水填料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量份数，将低碱硅酸盐水泥16-35份、粉煤灰8-18份、沸石1-5份、凹凸棒土2-8份、聚乙烯醇0.2-0.4份、废钢渣20-45份混合搅拌均匀得到干粉，其中各原料细度小于50目；
(2)再将水18-22份、双氧水0.2-0.4份加入步骤(1)的干粉中，混合均匀，得到浆液，然后将浆液浇筑进预制模具中，常温定型，制得净水填料基材；
(3)将净水填料基材置于营养液中浸泡30-45min后，常温下晾干，得到净水填料，营养液为质量百分比浓度为1％的水溶液，营养液中葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾营养盐的摩尔比为100:4-10:1-2；
(4)取微生物菌粉，使用步骤(3)中营养液稀释后，配置菌粉含量为2-20g/L的菌液；其中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌5-10份，枯草芽孢杆菌15-30份，巨大芽孢杆菌10-20份，铜绿假单胞菌3-10份，鲁氏酵母菌2-10份，脱氧副球菌2-8份，沼泽红假单胞菌5-10份，酿酒酵母5-15份，黑曲霉1-4份；
(5)步骤(3)中营养液浸泡过的净水填料浸入步骤(4)配置的菌液中，净水填料与菌液的质量比不大于1:1.5，进行微生物接种2-5d，在常温下晾干，得到挂膜人工净水填料。
优选，所述步骤(1)中，低碱硅酸盐水泥为24份、粉煤灰为15份、沸石为1.85份、凹凸棒土为2.5份、聚乙烯醇为0.3份、废钢渣为35份，混合搅拌，搅拌2-3分钟；步骤(2)中，再在搅拌好的干粉中加入水21份、双氧水0.35进行搅拌，搅拌1-2分钟。
所述步骤(2)中，预制模具为方形、球形、卵石状或礁石状，制得净水填料基材的粒径范围为1.5-10厘米。
所述预制模具为预制塑料模具或预制金属模具。
所述步骤(2)中，常温定型时间为18-22分钟。
优选，所述步骤(4)中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌10份，枯草芽孢杆菌27份，巨大芽孢杆菌20份，铜绿假单胞菌5份，鲁氏酵母菌8份，脱氧副球菌6份，沼泽红假单胞菌10份，酿酒酵母10份，黑曲霉4份。
上述的制备方法制得的具备脱氮除磷功能的人工填料。
本发明制备的具备脱氮除磷功能的人工填料的性能见表1-2。
表1填料物理参数表
项目 范围 单位
表观密度 900-1500 kg/m<sup>3</sup>
空隙率 50-60 ％
单点内孔比表面积 7.5-9.5 m<sup>2</sup>/g
T图法外表面积 20-29 m<sup>2</sup>/g
微孔体积 0.004-0.006 cm<sup>2</sup>/g
抗压强度 1.5-3.9 MPa
表2污染物削减率
指标 削减率
氨氮 26％-40％
总磷 19％-34％
以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：
本领域技术人员应当理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
首先进行干粉混合，按照质量份数，将低碱硅酸盐水泥16份；粉煤灰18份；沸石2.5份；凹凸棒土3.5份；聚乙烯醇0.4份；废钢渣45份；混合进行搅拌，搅拌2分钟，各原料细度要求小于50目。
再在搅拌好的干粉中加入水18份；双氧水0.2份进行搅拌，搅拌2分钟。
再将上述浆液倒入预制塑料或金属模具中，模具的形状根据水域景观特点，可以设置为方形、球形、卵石状，礁石状，并可以根据种植植物种类，调节形状及粒径，粒径范围为1.5厘米。静置18分钟，制得净水填料。
将净水填料基材置于营养液中浸泡45min，营养液为质量百分比浓度为1％的水溶液，所述营养液中葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾营养盐的摩尔比为100:4:1。
取微生物菌粉，使用上述营养液稀释后，配置菌粉含量为2g/L的菌液；微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌10份，枯草芽孢杆菌15份，巨大芽孢杆菌20份，铜绿假单胞菌3份，鲁氏酵母菌2份，脱氧副球菌2份，沼泽红假单胞菌10份，酿酒酵母15份，黑曲霉4份。进行微生物接种1d，得到挂膜人工填料。该填料经检测，表观密度1500kg/m3、空隙率50％、单点内孔比表面积7.5m2/g、T图法外表面积20m2/g、微孔体积0.004cm2/g、抗压强度1.5MPa。
将填料放置在形状规则，高度大于1米的容器中，放入人工净水填料1米深，容器壁中部距底边0.5米处开取水口。填料表面种植挺水植物香蒲，种植密度为15株/m2。使用葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾配置COD、氨氮、总磷分别为50mg/L、5mg/L、1mg/L人工污水，并加入容器中，水位1米。静置两天后，从取水口取水检测。氨氮削减率33％，总磷削减率25％。
说明负载的生物膜可在水中快速激活并增殖，同时加速在植物根际表面形成生物膜。从而形成除具备水质净化和景观改善外，还具填料吸附，植物吸收，微生物代谢三重净水功效的人工湿地。
实施例2
首先进行干粉混合，按照质量份数，将低碱硅酸盐水泥24份；粉煤灰15份；沸石1.85份；凹凸棒土2.5份；聚乙烯醇0.3份；废钢渣35份；混合进行搅拌，搅拌3分钟，各原料细度要求小于50目。
再在搅拌好的干粉中加入水21份；双氧水0.35份，进行搅拌，搅拌1.5分钟。
再将上述浆液倒入预制塑料或金属模具中，模具的形状根据水域景观特点，可以设置为方形、球形、卵石状，礁石状，并可以根据种植植物种类，调节形状及粒径，粒径范围为2厘米。静置20分钟，制得净水填料。
将净水填料基材置于营养液中浸泡45min，营养液为质量百分比浓度为1％的水溶液，所述营养液中葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾营养盐的摩尔比为100:10:2。
取微生物菌粉，使用步骤上述营养液稀释后，配置菌粉含量为20g/L的菌液；其中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌10份，枯草芽孢杆菌27份，巨大芽孢杆菌20份，铜绿假单胞菌5份，鲁氏酵母菌8份，脱氧副球菌6份，沼泽红假单胞菌10份，酿酒酵母10份，黑曲霉4份。进行微生物接种5d，得到挂膜人工净水填料。该填料经检测，表观密度1400kg/m3、空隙率57％、单点内孔比表面积8.2m2/g、T图法外表面积28m2/g、微孔体积0.006cm2/g、抗压强度3.8MPa。
将填料放置在形状规则，高度大于1米的容器中，放入人工净水填料1米深，容器壁中部距底边0.5米处开取水口。填料表面种植挺水植物香蒲，种植密度为15株/m2。使用葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾配置COD、氨氮、总磷分别为50mg/L、5mg/L、1mg/L人工污水，并加入容器中，水位1米。静置两天后，从取水口取水检测。氨氮削减率40％，总磷削减率34％。
说明负载的生物膜水中快速激活并增殖，同时加速在植物根际表面形成生物膜。从而形成除具备水质净化和景观改善外，还具填料吸附，植物吸收，微生物代谢三重净水功效的人工湿地。
实施例3
首先进行干粉混合，按照质量份数，将低碱硅酸盐水泥35份；粉煤灰8份；沸石0.5份；凹凸棒土1.5份；聚乙烯醇0.2份；废钢渣20份；混合进行搅拌，搅拌3分钟，得到干粉，各原料细度要求小于50目。
再在搅拌好的干粉中加入水22份；双氧水0.45份，搅拌2分钟。
再将上述浆液倒入预制塑料或金属模具中，模具的形状根据水域景观特点，可以设置为方形、球形、卵石状，礁石状，并可以根据种植植物种类，调节形状及粒径，粒径范围为10厘米。静置180分钟，制得填料。
将净水填料基材置于营养液中浸泡45min，营养液为质量百分比浓度为1％的水溶液，所述营养液中葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾营养盐的摩尔比为100:7:1。5。
取微生物菌粉，使用步骤上述营养液稀释后，配置菌粉含量为11g/L的菌液；其中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌5份，枯草芽孢杆菌30份，巨大芽孢杆菌10份，铜绿假单胞菌10份，鲁氏酵母菌10份，脱氧副球菌8份，沼泽红假单胞菌5份，酿酒酵母5份，黑曲霉1份。进行微生物接种3d，得到挂膜人工净水填料。该填料经检测，表观密度900kg/m3、空隙率60％、单点内孔比表面积9.5m2/g、T图法外表面积29m2/g、微孔体积0.006cm2/g、抗压强度3.9MPa。
将填料放置在形状规则，高度大于1米的容器中，放入人工净水填料1米深，容器壁中部距底边0.5米处开取水口。填料表面种植挺水植物香蒲，种植密度为15株/m2。使用葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾配置COD、氨氮、总磷分别为50mg/L、5mg/L、1mg/L人工污水，并加入容器中，水位1米。静置两天后，从取水口取水检测。氨氮削减率26％，总磷削减率19％。
说明负载的生物膜在水中快速激活并增殖，同时加速在植物根际表面形成生物膜。从而形成除具备水质净化和景观改善外，还具填料吸附，植物吸收，微生物代谢三重净水功效的人工湿地。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种具备脱氮除磷功能的人工净水填料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照质量份数，将低碱硅酸盐水泥16-35份、粉煤灰8-18份、沸石1-5份、凹凸棒土2-8份、聚乙烯醇0.2-0.4份、废钢渣20-45份混合搅拌均匀得到干粉，其中各原料细度小于50目；
(2)再将水18-22份、双氧水0.2-0.4份加入步骤(1)的干粉中，混合均匀，得到浆液，然后将浆液浇筑进预制模具中，常温定型，制得净水填料基材；
(3)将净水填料基材置于营养液中浸泡30-45min后，常温下晾干，得到净水填料，营养液为质量百分比浓度为1％的水溶液，营养液中葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾营养盐的摩尔比为100:4-10:1-2；
(4)取微生物菌粉，使用步骤(3)中营养液稀释后，配置菌粉含量为2-20g/L的菌液；其中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌5-10份，枯草芽孢杆菌15-30份，巨大芽孢杆菌10-20份，铜绿假单胞菌3-10份，鲁氏酵母菌2-10份，脱氧副球菌2-8份，沼泽红假单胞菌5-10份，酿酒酵母5-15份，黑曲霉1-4份；
(5)步骤(3)中营养液浸泡过的净水填料浸入步骤(4)配置的菌液中，净水填料与菌液的质量比不大于1:1.5，进行微生物接种2-5d，在常温下晾干，得到挂膜人工净水填料。
2.根据权利要求1所述具备脱氮除磷功能的人工净水填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，低碱硅酸盐水泥为24份、粉煤灰为15份、沸石为1.85份、凹凸棒土为2.5份、聚乙烯醇为0.3份、废钢渣为35份，混合搅拌，搅拌2-3分钟；步骤(2)中，再在搅拌好的干粉中加入水21份、双氧水0.35进行搅拌，搅拌1-2分钟。
3.根据权利要求1所述具备脱氮除磷功能的人工填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，预制模具为方形、球形、卵石状或礁石状，制得净水填料基材的粒径范围为1.5-10厘米。
4.根据权利要求3所述具备脱氮除磷功能的人工填料的制备方法，其特征在于，所述预制模具为预制塑料模具或预制金属模具。
5.根据权利要求1所述具备脱氮除磷功能的人工填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，常温定型时间为18-22分钟。
6.根据权利要求1所述具备脱氮除磷功能的人工填料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，微生物菌粉按质量份数的配比为：亚硝化菌10份，枯草芽孢杆菌27份，巨大芽孢杆菌20份，铜绿假单胞菌5份，鲁氏酵母菌8份，脱氧副球菌6份，沼泽红假单胞菌10份，酿酒酵母10份，黑曲霉4份。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得的具备脱氮除磷功能的人工填料。
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