CN113200607A - 一种脱氮除磷效果稳定的基质填料、基质和人工湿地 - Google Patents

一种脱氮除磷效果稳定的基质填料、基质和人工湿地 Download PDF

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Abstract

本发明属于环保工程领域，具体涉及一种脱氮除磷效果稳定的基质填料、基质和人工湿地。该基质填料为生物质电厂中生物质燃料燃烧后得到的灰渣的筛选物；选择的灰渣的粒径范围为1‑4cm；按照质量百分数计，选择出的基质填料的成分中SiO2的含量不低于50％；且灰渣的元素组分中含有Mg、Ca、Al、Fe元素中的一种或任意多种，四种元素的含量按照氧化物计，质量百分数总和不低于20％。基质呈多层结构，按照从底向上的顺序包括砾石层、大颗粒填料层和小颗粒填料层；大颗粒填料层和小颗粒填料层分别为从灰渣中筛选出的不同粒径的颗粒物。该型基质填料可以解决现有现有技术中人工湿地基质填料的氮磷去除效果不稳定，易堵塞等缺点。

Description

一种脱氮除磷效果稳定的基质填料、基质和人工湿地
技术领域
本发明属于环保工程领域，具体涉及一种脱氮除磷效果稳定的基质填料、基质和人工湿地。
背景技术
人工湿地是一种人工建造和管理控制的、工程化的生态系统，其功能部分由水、滤料及水生生物组成，其具有生产力较高和较天然湿地相比去除污染物效果更好等特点。同时，因其基建投资费用低，可小型化、分散化建设，能耗及运行费用低，运行操作简便以及既能净化污水、又能美观景观等优点，被视为我国处理农村污水、小城镇污水的最佳工艺。
人工湿地中的填料又称基质，不仅为植物和微生物提供生长介质，也是它们发挥作用的基础以及湿地发挥良好水力传导性的重要条件。通过沉淀、过滤、吸附等方法，也可以达到直接去除污染物的目的。基质填料一般由土壤、细沙、粗砂、砾石等组成，考虑实际建设材料来源及处理需要等情况，也可以选择废砖瓦、生物质炭、钢渣、生石灰、沸石等作为填料。不同的填料处理效果及针对的目标污染物不同。如钢渣、石灰石除磷效果较好，而沸石去除氨氮能力较强。此外，不同的填料由于粒径、比表面积、化学成分组成、机械强度等不同，在不同成分的污水净化过程，处理效果也均有差异。
生活污水和农业污水的主要特点是氮、磷、钾等营养元素丰富，这些污水排入到自然水体中的容易导致水体富营养化，进而导致水体中的蓝藻等微生物爆发，引发水华、赤潮等污染现象，对水体中的生态环境造成破坏。传统的人工湿地主要通过水生生物的生长吸收作用来去除水体中丰富的营养元素，这种方式的氮磷去除率和去除效率较低，而且人工湿地的脱氮除磷效果受到水生生物生长周期和污染物成分影响较大，脱氮除磷效果并不稳定。同时，传统的人工湿地中的填料在进水流量大时容易发生团聚现象，导致堵塞，进而造成污水短路或出现死水区现象。
发明内容
为了解决现有现有技术中人工湿地基质填料的氮磷去除效果不稳定，易堵塞等缺点，本发明提供一种采用生物质燃料燃烧灰渣的脱氮除磷效果稳定的基质填料和基质，并以此构建人工湿地。
本发明采用以下技术方案实现：
一种脱氮除磷效果稳定的基质填料，该基质填料为生物质电厂中生物质燃料燃烧后得到的灰渣的筛选物；选择的灰渣的粒径范围为1-4cm；按照质量百分数计，选择出的基质填料的成分中SiO2的含量不低于50％；且灰渣的元素组分中含有Mg、Ca、Al、Fe元素中的一种或任意多种，四种元素的含量按照氧化物计，质量百分数总和不低于20％。
进一步的，基质填料的平均比表面积不小于12m2/g；或孔隙率不小于32％。
进一步的，基质填料在扫描电镜下呈层状多孔结构；灰渣成分的晶型为硅氧四面体，晶体中存在被Al3+阳离子取代的Si4+离子，呈负电荷过剩状态。
进一步的，基质填料分为大颗粒填料和小颗粒填料，大颗粒填料的粒径为3-4cm，小颗粒填料的粒径为1-2cm。
本发明提供的基质填料由生物质电厂中生物质燃料燃烧后的灰渣经经粗筛、清洗、烘干和细筛后获得；粗筛过程去除粒径小于1cm的细颗粒物粉料和粒径大于4cm的大颗粒物；清洗过程采用清水进行冲洗，洗去颗粒表面的浮尘和孔隙中的杂质；烘干过程的烘干温度不高于60℃；细筛过程将烘干物分类为粒径范围在3-4cm的大颗粒填料和粒径范围在1-2cm的小颗粒填料。
本发明还包括一种人工湿地的基质，该基质呈多层结构，按照从底向上的顺序包括砾石层、大颗粒填料层和小颗粒填料层；大颗粒填料层和小颗粒填料层分别采用前述的由生物质电厂燃烧灰渣处理后得到的大颗粒填料和小颗粒填料；砾石层的颗粒粒径不小于大颗粒填料层。
进一步的，人工湿度的基质中，砾石层的厚度为100-120mm；大颗粒填料层的厚度为120-150mm；小颗粒填料层的厚度为150-180mm。
进一步的，砾石层的颗粒粒径不小于8-10cm。
进一步的，砾石层的颗粒还可以选择粗砂、沸石、碎砖瓦颗粒、石灰石或钢渣。
本发明还包括一种人工湿地，该人工湿地用于净化高氮高磷的污水；人工湿地包括净水池、种植基质和水生生物；种植基质为前述的人工湿地基质；水生生物包括种植在种植基质上的水生植物，生活在净水池内的具有污水净化功能的微生物，以及生活在人工湿地环境中的动物。
本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
1、本发明中的基质填料由生物质电厂的燃料燃烧后的产生的灰渣进行预处理得到，这种基质填料具有层状多孔结构，结构孔隙率高，且Mg、Ca、Al、Fe等金属离子含量丰富，因此可以具有高吸附性和超强的脱氮除磷效果。同时，该产品是一种从灰渣中分离出来的颗粒烧结物，具有较高的结构强度，因此在使用过程中不易粉化，可以保持较强的结构稳定性，在净水使用时既可以直接作为滤料，也可以作为种植基质的成分，且在使用过程中不容易发生堵塞问题，可以保持更加稳定的脱氮除磷效果。
2、本发明提供的基质填料的孔隙率及比表面积、机械强度、空间体积及形态、生物、化学及热力学稳定性都较粗砾石、沸石等填料优势明显；且原料灰渣的来源易得，价格低廉，具有很好的市场应用前景。
3、利用本发明的基质填料构建的人工湿地，既具有较强的水质净化能力，同时具有更低的成本，实用价值高。同时，因为实现了废弃资源的有效利用，解决了电厂灰渣的处理问题，环保意义也更加最突出。
附图说明
图1为本发明实施例1中基质填料的实物图；
图2为本发明实施例1中基质填料在电子显微镜(SEM)下的扫描图；
图3为本发明实施例1中图2的放大图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例采用如下方法预处理生物电厂的燃料灰渣获得基质填料，得到的基质填料如图1所示：
(1)收集生物质电厂燃烧过程中的产生的灰渣，将灰渣过筛去除粒径小于1cm的粉料和粒径大于4cm的块状大颗粒物；
(2)使用清水冲洗上步骤筛分后灰渣表面的灰尘，并利用流动的清水浸泡，除去灰渣孔隙中的杂质；
(3)将灰渣沥干后，在60℃的温度下烘干；
(4)对烘干后的灰渣进行筛分，分别得到粒径在1-2cm的小颗粒填料和粒径在3-4cm的大颗粒填料。
其中，通过扫描电子显微镜(SEM)对本实施例中的基质填料进行观察，扫描电镜图如图2和图3所示，通过图像可以发现：该基质填料中存在明显层状结构，结构中的孔隙率高。同时经过测量得到，该基质填料的平均比表面积达12m2/g；孔隙率达32％；
该基质填料中的层状结构和微孔有利于植物盘根生长，可以为水生植物的生长提供载体。同时，基质填料中的可溶物在水体中溶解，可以为其生长提供营养物质。该基质填料还可以为微生物的生长提供稳定的依附表面，吸附位点多，满足作为生物膜载体的条件；该基质填料的气、液通过能力强，有利于增强对污染物氨氮、总磷的吸附去除率。
本实施例中，进一步对得到的基质填料进行X射线荧光光谱分析(XRF)，根据分析结果可以发现，该基质填料中的SiO2含量最高，达到58.6％；该灰渣晶型主要由硅氧四面体组成，晶体中的中部分Si4+被Al3+等阳离子取代，导致负电荷过剩。考虑到市政生活废水大部分有机氮会被微生物降解为无机氮，即以NH4 +形式存在，因此该类型的基质填料对氨氮选择性吸附能力很强，且吸附后形成的化合物稳定性较高。经过大量的重复实验对基质填料的样本进行抽样检测和验证可以发现：基质填料能够发挥较佳的选择吸附性能时，SiO2含量通常不低于50％。
同时，通过XRF分析结果可以得知，该基质填料中还含有大量的金属元素如Mg、Ca、Al、Fe等。其中XRF分析结果的元素含量和化学成分组成分别如表1和表2所示。
表1：基质填料在X射线荧光光谱分析(XRF)中的元素含量D的分析结果
Figure BDA0003069260530000041
表2：基质填料在X射线荧光光谱分析(XRF)中的化学组成成分的分析结果
Figure BDA0003069260530000051
通过表1和表2结果分析中的数据可知：该基质填料中Al2O2含量达到10.77％；CaO含量达到8.68％；Fe2O3含量达到5.42％；MgO的含量达到1.36％；四者的总和超过26％。
理论研究表明，Mg、Ca、Al等元素容易与磷酸盐离子发生化学反应，生成磷酸盐沉淀物，从而去除污水中的磷。Al、Fe、Si等元素有利于增强氨氮的吸附效果。填料基质的孔隙率和比表面积也是影响填料基质吸收重要因素。该灰渣孔隙率较大，有利于增大污水容纳量，延长去除时间；同时，由于该灰渣的比表面积较粗砂、砾石填料相比大10％左右，Mg、Ca、Al、Fe等金属元素的含量也比常规的砾石、石灰石填料高6％-8％，因而更有利于氨氮总磷等污染物的吸附去除。
进一步在重复实验中对基质填料的样本进行抽样检测可以发现：为了保证基质填料可以发挥较佳的氨氮和总磷的去除效果，Mg、Ca、Al、Fe四种元素的含量按照氧化物计，总含量通常要高于20％。
通过以上检测数据和理论分析结果均可以表明本实施例提供而基质填料，具有较高的净化效率，尤其对于氮、磷元素的去除率较高，因此可以作为净化高氮富磷污水的基质填料。本实施例中的基质填料既可以直接作为滤料使用，用于进行水质净化处理。也可以作为人工湿地的中种植基质的成分，一方面发挥过滤、吸附、净化水质的作用，另一方面还可以为人工湿地中的水生植物提供生长基质。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例通过搭建小型人工湿地装置实验池，对实施例1中提供的基质填料的脱氮除磷效果进行进一步的验证。
在本实施例中，采用的人工湿地复合填料中，最底层为砾石层，粒径为8-10cm，厚度为100-120mm；下层为大粒径灰渣，约3-4cm，厚度为120-150mm；上层为小粒径灰渣，约1-2cm，厚度为150-180mm。并在最上层种植车前草和芦苇，密度为10-12株/m2。
实验过程中，进水水质为：COD：135-170mg/L，BOD：15mg/L，总磷：2.5mg/L。水力负荷：0.5m3·m-2·d-1，水力停留时间为24h。进水管均匀布水，在重力作用下，垂直向下流入人工湿地填料单元，最后通过垂直流湿地出水口流出。经检测，出水水质均达到GB18918-城镇污水处理厂污染物排放标准－2002中规定的A类水质或以上(COD：50mg/L，BOD5：6.2mg/L，总磷：0.5mg/L)。
利用该人工湿地，进行高氮富磷污水净化时，去除效果较好且稳定，COD指标可降低28％-37％，BOD可降低约60％，总磷指标可降低约80％。
常规的净水基质填料如沸石，其结构强度低，透水性较差，在人工湿地中使用时，当人工湿地的进水流量大时容易发生团聚现象，导致堵塞，进而造成污水短路或出现死水区现象。而细砾石虽然结构强度等物理性质优越，但在实验中去除氨氮总磷能力很差，不满足人工湿地长期运行和提升净化污水能力的要求。粗砾石、矿渣颗粒较粗同样对氮磷元素的去除率很低，达不到要求。
本实施例中提供的人工湿地使用的基质填料，当以本实施例的粒径进行选择时，脱氮除磷效果优异。而且这类烧结后的颗粒物本身具有较高的结构强度，不容易粉化破碎，同时还具有高孔隙率，透水性腔，因此在较长时间的连续运行情况下，依然可以保持较高的净化性能，避免了出现死水区的情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脱氮除磷效果稳定的基质填料，其特征在于：所述基质填料为生物质电厂中生物质燃料燃烧后得到的灰渣的筛选物；筛选出来的所述灰渣的粒径范围为1-4cm；按照质量百分数计，筛选出的所述基质填料的成分中SiO2的含量不低于50％；且所述基质填料的元素组分中含有Mg、Ca、Al、Fe元素中的一种或任意多种，四种元素的含量按照氧化物计，质量百分数总和不低于20％。
2.如权利要求1所述的脱氮除磷效果稳定的基质填料，其特征在于：所述基质填料的平均比表面积不小于12m2/g；或孔隙率不小于32％。
3.如权利要求1所述的脱氮除磷效果稳定的基质填料，其特征在于：所述基质填料在扫描电镜下呈层状多孔结构；所述灰渣成分的晶型为硅氧四面体，晶体中存在被Al3+阳离子取代的Si4+离子，呈负电荷过剩状态。
4.如权利要求1所述的脱氮除磷效果稳定的基质填料，其特征在于：所述基质填料分为大颗粒填料和小颗粒填料，所述大颗粒填料的粒径范围为3-4cm，所述小颗粒填料的粒径范围为1-2cm。
5.如权利要求1所述的脱氮除磷效果稳定的基质填料，其特征在于：所述基质填料由生物质电厂中生物质燃料燃烧后的灰渣经粗筛、清洗、烘干和细筛后获得；所述粗筛过程去除粒径小于1cm的细颗粒物粉料和粒径大于4cm的大颗粒物；所述清洗过程采用清水进行冲洗，洗去颗粒表面的浮尘和孔隙中的杂质；所述烘干过程的烘干温度不高于60℃；所述细筛过程将烘干物分类为粒径为3-4cm的大颗粒填料和粒径为1-2cm的小颗粒填料。
6.一种人工湿地的基质，其特征在于：所述基质呈多层结构，按照从底向上的顺序包括砾石层、大颗粒填料层和小颗粒填料层；所述大颗粒填料层和小颗粒填料层分别采用如权利要求4或5中任意一项所述的大颗粒填料和小颗粒填料；所述砾石层的颗粒粒径不小于大颗粒填料层。
7.如权利要求6所述的人工湿地的基质，其特征在于：所述基质中，砾石层的厚度为100-120mm；大颗粒填料层的厚度为120-150mm；小颗粒填料层的厚度为150-180mm。
8.如权利要求7所述的人工湿地的基质，其特征在于：所述砾石层的颗粒粒径不小于8-10cm。
9.如权利要求8所述的人工湿地的基质，其特征在于：所述砾石层的颗粒还可以选择粗砂、沸石、碎砖瓦颗粒、石灰石或钢渣。
10.一种人工湿地，其特征在于：所述人工湿地用于净化高氮高磷的污水；所述人工湿地包括净水池、种植基质和水生生物；所述种植基质为权利要求6-9中任意一项所述的基质；所述水生生物包括种植在种植基质上的水生植物，生活在净水池内的具有污水净化功能的微生物，以及生活在人工湿地环境中的动物。
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