CN114455711A - 一种填料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种填料及其应用。本发明提供了一种填料，所述填料为层叠设置的层状结构；所述层状结构中每层的材料为活性炭、沸石、空心砖颗粒或生物页岩陶粒；且相邻两层的材料不同；所述层状结构的层数≥2。本发明提供的填料，能够有效的去除酸性污水中的重金属。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种填料及其应用。
背景技术
近年来，人工湿地作为一种新型污水处理技术，已被广泛用于处理城市污水、工业废水、农村生活污水等方面。人工湿地利用基质-微生物-植物这一复杂生态系统的物理、化学和生物作用来去除不同类型的污染物。人工湿地的基质又被称为填料或滤料，为微生物和植物提供生长的介质的同时还能通过吸附、过滤和沉淀等物理化学作用直接去除污染物。
目前常用的填料主要包括火山岩、石灰石、炉渣、矿渣、石英砂、碳纤维或多孔陶瓷填料等，上述填料虽然对污水中的氮磷污染物具有很好的去除效果，但是对于酸性污水中的重金属的去除效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种填料，本发明提供的填料能够有效去除酸性污水中的重金属。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种填料，所述填料为层叠设置的层状结构；
所述层状结构中每层的材料为活性炭、沸石、空心砖颗粒或生物页岩陶粒；且相邻两层的材料不同；
所述层状结构的层数≥2。
优选的，所述相邻两层的体积比为1：1～4。
优选的，所述活性炭为柱状活性炭，所述柱状活性炭的直径为0.5～2mm。
优选的，所述沸石包括活化沸石和/或天然沸石。
优选的，所述沸石的粒径为0.5～8mm。
优选的，所述空心砖颗粒的粒径为0.5～2mm。
优选的，所述生物页岩陶粒的粒径为1～20mm。
本发明还提供了上述技术方案所述的填料在污水处理中的应用。
优选的，所述应用包括以下步骤：
将污水通过所述填料，回收出水。
优选的，所述填料和污水的体积比为0.1～50：1。
本发明提供了一种填料，所述填料为层叠设置的层状结构；所述层状结构中每层的材料为活性炭、沸石、空心砖颗粒或生物页岩陶粒；且相邻两层的材料不同；所述层状结构的层数≥2。本发明提供的填料具有多孔结构，在各层材料的协同作用下，能够有效的去除酸性污水中的重金属。
附图说明
图1为本发明中污水处理装置的示意图，其中1-进水箱，2-蠕动泵，3-填料柱，4-出水箱。
具体实施方式
本发明提供了一种填料，所述填料为层叠设置的层状结构；
所述层状结构中每层的材料为活性炭、沸石、空心砖颗粒或生物页岩陶粒；且相邻两层的材料不同；
所述层状结构的层数≥2。
在本发明中，若无特殊说明，所有组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
在本发明中，所述层状结构的厚度优选为5～100cm，进一步优选为10～90cm，更优选为20～80cm。
在本发明中，所述活性炭优选为柱状活性炭。在本发明中，所述柱状活性炭的直径优选为0.5～2mm，进一步优选为0.8～1.8mm，更优选为1.0～1.5mm。在本发明中，所述活性炭优选为木材经400～800℃高温烧制而成。本发明对所述烧制的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述沸石优选包括活化沸石和/天然沸石；当所述沸石为活化沸石和天然沸石时，本发明对两者的添加比例没有特殊的限定，按照任意比例混合均可。在本发明中，所述沸石的粒径优选为0.5～8mm，进一步优选为1.0～7.5mm，更优选为1.5～7.0mm。
在本发明中，所述活化沸石的吸铵值优选为190～200mmol/100g，进一步优选为195mmol/100g。在本发明中，所述活化沸石的孔隙率优选为≥56％，进一步优选为57～60％；所述活化沸石的比表面积优选为30～350m2/g，进一步优选为40～340m2/g，更优选为50～320m2/g。在本发明中，所述活化沸石优选采用天然斜发沸石经高温煅烧制得。在本发明中，所述高温煅烧的温度优选为900～1300℃，进一步优选为950～1250℃，更优选为1000～1200℃。本发明对所述高温煅烧的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述天然沸石优选采用天然沸石矿经清洗和破碎得到。本发明对所述清洗和破碎的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述空心砖颗粒的粒径优选为0.5～2mm，进一步优选为0.8～1.8mm，更优选为1.0～1.5mm。在本发明中，所述空心砖颗粒优选采用空心砖经清洗和破碎得到。本发明对所述清洗和破碎的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中，所述空心砖优选为新制空心砖或废弃空心砖。在本发明中，所述新制空心砖优选为经800～1300℃高温烧制的粘土红砖。
在本发明中，所述生物页岩陶粒的粒径优选为1～20mm，进一步优选为2～18mm，更优选为3～17mm。在本发明中，所述生物页岩陶粒的比表面积优选为＞980m2/g，进一步优选为990～1000m2/g；孔隙率优选为≥60％，进一步优选为65～70％。在本发明中，所述生物页岩陶粒的滤速优选为中10～40m/h，进一步优选为15～35m/h，更优选为20～30m/h。
在本发明中，所述生物页岩陶粒的制备方法优选包括以下步骤：将页岩、粘土和添加剂混合后经煅烧得到。
在本发明中，所述添加剂优选包括粉煤灰、铝矾土、腐植酸、硅藻土、磷石膏或如熟石灰。在本发明中，所述页岩、粘土和添加剂的质量比优选为(10～20)：(0～8)：(5～20)，进一步优选为(12～18)：(1～7)：(8～18)，更优选为(14～16)：(2～6)：(10～15)。在本发明中，所述煅烧的温度优选为900～1300℃，进一步优选为950～1250℃，更优选为1000～1200℃；时间优选为2～12h。本发明对所述煅烧的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程即可。所述煅烧完成后，本发明还优选包括将得到物料进行精加工处理。本发明对所述精加工处理的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明的具体实施例中，所述填料具体为由下到上依次设置的体积比为1：1的活性炭和活化沸石；体积比为1：1的活性炭和生物页岩陶粒；体积比为1：1的活化沸石和生物页岩陶粒；体积比为1：1的空心砖颗粒和活性炭；体积比为1：1的空心砖颗粒和活化沸石和体积比为1：1的空心砖颗粒和生物页岩陶粒。
本发明还提供了上述技术方案所述的填料在污水处理中的应用。
在本发明中，所述应用优选包括以下步骤：将污水通过所述填料，回收出水。
在本发明中，所述填料和污水的体积比优选为0.1～50：1，进一步优选为5～45：1，更优选为10～40：1。
在本发明的具体实施例中，所述应用优选在污水处理装置中进行；所述污水处理装置优选包括依次连通的进水箱1、蠕动泵2、填料柱3和出水箱4；所述填料柱3中从下到上依次层叠设置白砂和填料。
在本发明的具体实施例中，所述填料柱3的内径优选为10～100cm，进一步优选为20～90cm，更优选为30～80cm；所述填料柱3的高度优选为100cm。
在本发明的具体实施例中，所述污水从进水箱1经蠕动泵2进入填料柱3后，依次经过白砂和填料的过滤，所得到的出水进入出水箱4中。
在本发明的具体实施例中，所述污水的流速为10～50mL/min，进一步优选为15～45mL/min，更优选为20～40mL/min；所述白砂的粒径优选为2～4mm；所述白砂能够使进入填料柱3的污水均匀分配、便于垫层防堵和便于后期维护清洗。
在本发明的具体实施例中，所述污水优选包括0～30mg/L的氨氮、0～6mg/L的磷、0～150mg/L的有机污染物、0～5.0mg/L的铅和0～0.5mg/L的镉；各组分的含量不同时为零。
在本发明的具体实施例中，所述污水的pH值优选为中性或酸性；所述酸性污水的pH值优选为2.5～4.0。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种填料及其应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的活性炭和30cm的活化沸石，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物，pH值为中性。
实施例2
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的活性炭和30cm的生物页岩陶粒，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物，pH值为中性。
实施例3
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的活化沸石和30cm的生物页岩陶粒，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物，pH值为中性。
实施例4
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的空心砖颗粒和30cm的活性炭，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物，pH值为中性。
实施例5
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的空心砖颗粒和30cm的活化沸石，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物，pH值为中性。
实施例6
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的空心砖颗粒和30cm的生物页岩陶粒，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物，pH值为中性。
实施例7
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的活性炭和30cm的活化沸石，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物、1.0mg/L的铅和0.1mg/L的镉，pH值为2.67。
实施例8
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的活性炭和30cm的生物页岩陶粒，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物、1.0mg/L的铅和0.1mg/L的镉，pH值为2.67。
实施例9
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的活性炭和30cm的空心砖颗粒，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物、1.0mg/L的铅和0.1mg/L的镉，pH值为2.67。
对比例1
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、30cm的活性炭和30cm的活化沸石，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂、活性炭和活化沸石的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物、1.0mg/L的铅和0.1mg/L的镉，pH值为中性。
对比例2
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、60cm的多孔陶瓷填料，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂和多孔陶瓷填料的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物、1.0mg/L的铅和0.1mg/L的镉，pH值为2.67。
对比例3
污水处理在图1所示的装置中进行，在内径为14cm的填料柱3(高100cm)中由下到上依次填充10cm的白砂、60cm的碳纤维，将70L污水从进水箱1经蠕动泵2以20mL/min的流速进入填料柱3后，依次经过白砂和碳纤维的过滤，所得到的出水进入出水箱4中；
在本实施例中，所述污水中包括25mg/L的氨氮、3mg/L的磷、100mg/L的有机污染物、1.0mg/L的铅和0.1mg/L的镉，pH值为2.67。
性能测试
测试例1
对实施例1～6中的得到的出水中的污染物的去除效果进行测试，记录1～58天的测试结果，其中氨氮的去除效果如表1所示；磷的去除效果如表2所示；有机污染物的去除效果如表3所示。
表1实施例1～6得到的出水中氨氮的去除效果
| 天数/天 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 1 | 98.73％ | 91.44％ | 73.35％ | 97.07％ | 87.33％ | 73.09％ |
| 5 | 95.30％ | 89.72％ | 69.57％ | 89.99％ | 84.86％ | 76.77％ |
| 13 | 89.70％ | 84.32％ | 46.69％ | 80.63％ | 71.26％ | 71.80％ |
| 28 | 93.07％ | 85.97％ | 59.78％ | 99.17％ | 86.99％ | 83.22％ |
| 58 | 99.76％ | 99.85％ | 98.62％ | 99.82％ | 99.69％ | 99.06％ |
| 平均值 | 95.31％ | 90.26％ | 69.60％ | 93.33％ | 86.03％ | 80.79％ |
表2实施例1～6得到的出水中磷的去除效果
表3实施例1～6得到的出水中有机污染物的去除效果
| 天数/天 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 1 | 83.36％ | 50.39％ | 81.32％ | 92.92％ | 72.86％ | 67.85％ |
| 5 | 93.87％ | 94.45％ | 97.82％ | 92.50％ | 96.70％ | 88.58％ |
| 13 | 95.06％ | 93.74％ | 92.12％ | 94.77％ | 94.18％ | 93.59％ |
| 28 | 95.92％ | 97.55％ | 97.01％ | 94.10％ | 92.55％ | 95.35％ |
| 58 | 97.45％ | 95.77％ | 88.98％ | 98.40％ | 90.89％ | 94.81％ |
| 平均值 | 93.13％ | 86.38％ | 91.45％ | 94.54％ | 89.44％ | 88.04％ |
从表1～3可以看出本发明提供的填料对污水中的氨氮、磷和有机污染物具有很好的去除效果。
测试例2
对实施例7～9和对比例1～3的得到的出水中的污染物的去除效果进行测试，记录1～20天的测试结果，其中氨氮的去除效果如表4所示；磷的去除效果如表5所示；有机污染物的去除效果如表6所示；铅的去除效果如表7所示；镉的去除效果如表8所示。
表4实施例7～9和对比例1～3得到的出水中氨氮的去除效果
| 天数/天 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 1 | 77.00 | 76.02 | 78.06 | 38.26 | 0.00 | 4.78 |
| 2 | 75.74 | 72.12 | 74.82 | 43.09 | 5.83 | 9.55 |
| 4 | 81.48 | 77.44 | 77.69 | 39.18 | 13.18 | 13.79 |
| 8 | 81.32 | 77.26 | 80.20 | 62.30 | 5.59 | 8.22 |
| 20 | 83.74 | 77.89 | 80.59 | 69.57 | -3.90 | -3.51 |
表5实施例7～9和对比例1～3得到的出水中磷的去除效果
表6实施例7～9和对比例1～3得到的出水中有机污染物的去除效果
| 天数/天 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 1 | 5.54 | 0.00 | 0.00 | 7.81 | 3.69 | 1.85 |
| 2 | 11.07 | 23.99 | 7.38 | 1.95 | 0.00 | 3.69 |
| 4 | 44.25 | 47.63 | 49.50 | 38.56 | -7.15 | 1.43 |
| 8 | 50.10 | 53.03 | 54.00 | 83.33 | -12.20 | 0.00 |
表7实施例7～9和对比例1～3得到的出水中铅的去除效果
| 天数/天 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 1 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 0.00 | 0.00 |
| 2 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 11.53 | 3.04 |
| 4 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 11.49 | -2.72 |
| 8 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 13.62 | 1.10 |
| 20 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 15.86 | 2.13 |
表8实施例7～9和对比例1～3得到的出水中镉的去除效果
| 天数/天 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 1 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 80.07 | 4.59 | 3.97 |
| 2 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 74.89 | -0.29 | 0.00 |
| 4 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 75.43 | -0.45 | -0.98 |
| 8 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 84.12 | 0.81 | 6.03 |
| 20 | 99.84 | 99.91 | 100.00 | 94.20 | 0.20 | -0.13 |
从表4～8可以看出本发明提供的填料不仅对于酸性污水中的氨氮、磷和有机污染物污染物具有很好的去除效果，同时对于酸性污水中的铅和镉重金属离子同样具有很好的去除效果；且成本低，适合工业化应用。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种填料，其特征在于，所述填料为层叠设置的层状结构；
所述层状结构中每层的材料为活性炭、沸石、空心砖颗粒或生物页岩陶粒；且相邻两层的材料不同；
所述层状结构的层数≥2。
2.根据权利要求1所述的填料，其特征在于，所述相邻两层的体积比为1：1～4。
3.根据权利要求1或2所述的填料，其特征在于，所述活性炭为柱状活性炭，所述柱状活性炭的直径为0.5～2mm。
4.根据权利要求1或2所述的填料，其特征在于，所述沸石包括活化沸石和/或天然沸石。
5.根据权利要求4所述的填料，其特征在于，所述沸石的粒径为0.5～8mm。
6.根据权利要求1或2所述的填料，其特征在于，所述空心砖颗粒的粒径为0.5～2mm。
7.根据权利要求1或2所述的填料，其特征在于，所述生物页岩陶粒的粒径为1～20mm。
8.权利要求1～7任一项所述的填料在污水处理中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：
将污水通过所述填料，回收出水。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述填料和污水的体积比为0.1～50：1。
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