CN113004054A - 一种强化高效除磷人工湿地基质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化高效除磷人工湿地基质及其制备方法。通过破碎、混合、改性、注模和发泡等工序加工成型，将废轻质砖建材，油页岩，明矾石，赤铁矿混合均匀后加入胶凝剂水泥，放入特制的长方体模具中发泡、养护成型，模具中预埋吊绳及硬质塑料棒，形成起吊结构和多孔结构，经过本发明方法制备的人工湿地基质具有除磷效率高，孔隙率高，密度小，可以通过与吊绳相连的吊环实现基质的快速更换等优点。

Description

一种强化高效除磷人工湿地基质及其制备方法
技术领域
本发明涉及人工湿地污水处理技术领域，尤其涉及一种强化高效除磷人工湿地基质及其制备方法。
背景技术
人工湿地作为污水生态处理的主要工艺之一，具有成本低、运营维护方便、环境效益好、处理效率高等优点，广泛应用于城镇工农业生产废水、农村生活污水处理等领域。
人工湿地的净化原理包括植物吸收、微生物代谢、基质吸附等。现有研究结果显示，在成熟稳定的人工湿地系统中植物吸收和微生物代谢仅占人工湿地污染物去除的10％和20％左右，且受地域、气候、温度等环境条件影响，湿地中微生物数量及种群难以控制，因此其去除效果也难以控制。
人工湿地基质的吸附除磷，是通过基质中的有效组分通过物理和化学的作用将总磷吸附在基质表面和内部孔隙结构的一种方法，其吸附效果多受到基质的种类和材料物理特性的影响。常见的湿地基质有鹅卵石、碎石等天然基质，也有陶粒、粉煤灰、煤矸石等人工基质。这些基质在应用与强化除磷的人工湿地系统中时，经常表现出比表面积小、吸附位点少、存在二次污染等问题，急需一种成熟稳定的改性制备方法。
此外由于传统湿地基质的比重往往远大于水，反洗过程中无法被气流和水流松动，反洗效果差；亦或者呈现粉末状在反洗过程极易流失，因此在对基质进行改性的同时，还应进一步优化基质的密度和粒径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化高效除磷人工湿地基质及其制备方法。根据本发明除磷效果好，资源能回收利用，成本低，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种强化高效除磷人工湿地基质，该人工湿地基质包括废轻质砖建材、油页岩、明矾石、赤铁矿、改性剂和胶凝剂水泥，所述湿地基质按以下体积份计：废轻质砖建材10-40份，油页岩1-20份，明矾石10-60份，赤铁矿1-30份，改性剂1-2份，胶凝剂水泥1-3份。
优选的，所述改性剂为硅酸、羧酸、酮酸、羟基酸、氯化铝和氯化铁中的一种或几种。
优选的，一种强化高效除磷人工湿地基质的制备方法，包括以下步骤：
(1)破碎、混合：将废轻质砖建材、油页岩、明矾石、赤铁矿进行破碎，形成碎粒，碎粒的粒径为0.5-5mm，将各材料的碎粒按一定的体积比混合，得到混合物；
(2)改性：在混合物中加入改性剂浸泡并搅拌，浸泡时间为10-240min，搅拌时间为5-60min，排掉水后进行滴干，滴干时间为10-1440min，滴干后形成基质料；
(3)注模：在10-30℃条件下，向基质料中加入胶凝剂水泥和发泡剂，再装入预埋了吊绳和硬质塑料棒的特制模具中，形成预制基质；
(4)发泡：向特制模具中的混合料中通入非酸性无毒压缩气体促进混合料发泡成孔，成孔后抹平特制模具顶面；
(5)养护：发泡后的混合料在特制模具中养护至强度为C10等级，形成基质块。
优选的，所述特制模具为硬质长方体凹槽，在所述凹槽上设有盖子，所述盖子周缘设有密封圈，所述凹槽的长×宽×高为(5-100)×(5-00)×(2-40)cm。
优选的，所述预埋吊绳设为两根，两根所述预埋吊绳对称设置在预制基质的两端，每根所述预埋吊绳距离预制基质的端部距离为1-20cm，所述预埋吊绳贯穿预制基质，所述预埋吊绳的上端设有吊环，所述预埋吊绳的下端设有防脱钉，所述预埋吊绳的上端距离预制基质的上表面为1-20cm，所述防脱钉的长度为1-5cm，所述吊环的直径大小为1-5cm。
优选的，所述硬质塑料棒的直径为(0.1-1)cm，所述硬质塑料棒贯穿预制基质上下表面，所述硬质塑料棒与水平面的夹角为45°。
优选的，所述非酸性无毒压缩气体为压缩氮气、压缩氩气、压缩氧气、压缩氦气、压缩氖气、压缩氪气和压缩氙气中的一种或几种。
本发明采用的上述技术方案，具有如下显著效果：
(1)本发明除磷效果好；Al、Ca、Mg能够与磷酸盐结合，是除磷的主要有效成分，轻质砖、赤铁矿、油页岩、明矾石都含有大量含铝化合物或含铁化合物、或含钙化合物，能够大量去除污水中的磷。同时，基质经过改性处理后孔隙率增加，增大了比表面积
(2)本发明资源回收利用，成本低；轻质砖是常见的建筑废材，数量巨大。对废弃轻质砖进行破碎处理后用于人工湿地处理，实现变废为宝的环境理念，同时节约成本
(3)湿地基质通过发泡处理后，基质密度降低，在反冲洗过程中，发泡处理后的基质可以实现床层膨胀悬浮，基质之间的相互摩擦可以促进污泥颗粒剥离，提高反洗效果，降低反洗能耗，可显著降低维护成本。
附图说明
图1是本发明的基质制备流程图；
图2是本发明的预制基质的结构示意图；
图3是本发明的预制基质的俯视图。
1-预制基质，2-孔，3-吊环，4-吊绳，5-防脱钉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
如图1所示，根据本发明的一种强化高效除磷人工湿地基质及其制备方法，该人工湿地基质包括废轻质砖建材、油页岩、明矾石、赤铁矿、改性剂和胶凝剂水泥，所述湿地基质按以下体积份计：废轻质砖建材25份，油页岩15份，明矾石52份，赤铁矿5份，改性剂1份，胶凝剂水泥2份。
强化高效除磷人工湿地基质的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合、破碎：将废轻质砖建材25份，油页岩15份，明矾石52份，赤铁矿5份混合均匀，形成混合物，用破碎机将混合物破碎使其粒径不大于2mm，形成基质料。
(2)在经破碎后的基质料中加入10mg/L丙酮酸、10mg/L H2SiO3混合溶液，浸泡240min，搅拌30min进行改性处理，排掉水后，滴干240min，改性后基质料浸出液pH为7.8，磷吸附容量增加200％。
(3)向改性后的基质料中加入1％粘结剂水泥，混合均匀后放入聚氯乙烯的特制模具中。模具尺寸为20×10×5cm。模具模中预埋吊绳和硬质塑料棒，吊绳为尼龙绳，直径为2mm，长度为20cm。在吊绳的上端安装吊环，吊环与吊绳的上端相连，吊环的材质为金属铝制品，外径为5cm，厚度为1cm。吊绳的下端安装防脱钉，吊绳的下端与防脱钉相连，防脱钉的材质为聚氯乙烯塑料，其端部为圆锥形，底面直径为1cm，长度为2cm。硬质塑料棒材质为聚氯乙烯塑料，圆柱形，直径为5mm，长度为10cm，与模具底部焊接牢固。
(4)25℃下，向模具中的基质料通入压缩氮气对基质进行发泡处理。发泡处理后基质的密度为0.95g/mL，孔隙率增加150％。
(5)发泡后的基质料在模具中养护至强度为C10，形成基质块，备用。
(6)通过预制的吊环将基质逐块放入垂直流人工湿地中，并注意调整上下层基质多孔结构，使其相互垂直。向湿地中通水运行，湿地运行水力负荷为1.0m3/m2.d，运行方式为连续流。每周取样检测一次。
表1为采用实施例1所述基质处理某城镇生活污水进出水水质比较：
pH C(TP)
进水水质 7.32 4.21mg/L
出水水质 8.45 0.35mg/L
实施例2
一种强化高效除磷人工湿地基质，质量百分比为轻质砖30份，油页岩15份，明矾石48份，赤铁矿5份，改性剂1份，胶凝剂水泥1份。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述材料混合均匀，用破碎机破碎使其粒径不大于2mm，得到基质料。
(2)在经破碎后的基质料中加入10mg/LAlCl3、10mg/LFeCl3混合溶液，浸泡240min，搅拌30min进行改性处理。排掉水后，滴干240min。改性后基质料浸出液pH为7.8，磷吸附容量增加200％。
(3)向改性后的基质料中加入1％粘结剂水泥，混合均匀后放入特制聚氯乙烯模具中。模具尺寸为20×10×5cm。模具中预埋吊绳和硬质塑料棒，吊绳为尼龙绳，直径为2mm，长度为20cm。吊环与吊绳相连，材质为金属铝制品，外径为5cm，环厚度为1cm。防脱钉与吊绳底端相连，材质为聚氯乙烯塑料，圆锥形，底面直径为1cm，长度为2cm。硬质塑料棒材质为聚氯乙烯塑料，圆柱形，直径为5mm，长度为10cm，与模具底部焊接牢固。
(4)25℃下，向模具中的基质料通入压缩氧气对基质进行发泡处理。发泡处理后基质的密度为0.80g/mL，孔隙率增加200％。
(5)发泡后的基质料在模具中养护至强度为C10，形成基质块。备用。
(6)通过预制的吊环将基质逐块放入垂直流人工湿地中，并注入调整上下层基质预留孔相互垂直。向湿地中通水运行，湿地运行水力负荷为1.0m3/m2.d，运行方式为连续流。每周取样检测一次。
表2为实施例2所述基质处理某城镇生活污水进出水水质比较：
pH C(TP)
进水水质 7.50 4.50mg/L
出水水质 8.65 0.40mg/L
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种强化高效除磷人工湿地基质，其特征在于：包括废轻质砖建材、油页岩、明矾石、赤铁矿、改性剂和胶凝剂水泥，所述湿地基质按以下体积份计：废轻质砖建材10-40份，油页岩1-20份，明矾石10-60份，赤铁矿1-30份，改性剂1-2份，胶凝剂水泥1-3份。
2.根据权利要求1所述的一种强化高效除磷人工湿地基质，其特征在于：所述改性剂为硅酸、羧酸、酮酸、羟基酸、氯化铝和氯化铁中的一种或几种。
3.一种强化高效除磷人工湿地基质的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)破碎、混合：将废轻质砖建材、油页岩、明矾石、赤铁矿进行破碎，形成碎粒，碎粒的粒径为0.5-5mm，将各材料的碎粒按一定的体积比混合，得到混合物；
(2)改性：在混合物中加入改性剂浸泡并搅拌，浸泡时间为10-240min，搅拌时间为5-60min，排掉水后进行滴干，滴干时间为10-1440min，滴干后形成基质料；
(3)注模：在10-30℃条件下，向基质料中加入胶凝剂水泥和发泡剂，再装入预埋了吊绳和硬质塑料棒的特制模具中，形成预制基质；
(4)发泡：向特制模具中的混合料中通入非酸性无毒压缩气体促进混合料发泡成孔，成孔后抹平特制模具顶面；
(5)养护：发泡后的混合料在特制模具中养护至强度为C10等级，形成基质块。
4.根据权利要求3所述的一种强化高效除磷人工湿地基质，其特征在于：所述特制模具为硬质长方体凹槽，在所述凹槽上设有盖子，所述盖子周缘设有密封圈，所述凹槽的长×宽×高为(5-100)×(5-00)×(2-40)cm。
5.根据权利要求3所述的一种强化高效除磷人工湿地基质，其特征在于：所述预埋吊绳设为两根，两根所述预埋吊绳对称设置在预制基质的两端，每根所述预埋吊绳距离预制基质的端部距离为1-20cm，所述预埋吊绳贯穿预制基质，所述预埋吊绳的上端设有吊环，所述预埋吊绳的下端设有防脱钉，所述预埋吊绳的上端距离预制基质的上表面为1-20cm，所述防脱钉的长度为1-5cm，所述吊环的直径大小为1-5cm。
6.根据权利要求3所述的一种强化高效除磷人工湿地基质，其特征在于：所述硬质塑料棒的直径为(0.1-1)cm，所述硬质塑料棒贯穿预制基质上下表面，所述硬质塑料棒与水平面的夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的一种强化高效除磷人工湿地基质，其特征在于：所述非酸性无毒压缩气体为压缩氮气、压缩氩气、压缩氧气、压缩氦气、压缩氖气、压缩氪气和压缩氙气中的一种或几种。
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