CN1699214A - 污水处理复合填料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种污水处理复合填料，其主要包括下列重量份数的组分：麦饭石3～12、生石灰2～18、工业粘合剂1～3，也可以包括造孔剂1～3。本发明还公开了这种污水处理复合填料的制备方法。本发明复合填料由于容重小、比表面积大、孔隙度大，而且机械强度高和耐冲击负荷，尤其在进行污水处理时，对氮磷吸附具有专一性，不会造成二次污染，具有重要的实际应用价值。

Description

污水处理复合填料
技术领域
本发明涉及环保领域有关污水处理的填料，尤其涉及一种污水处理的复合填料。
背景技术
我国属于世界上13个贫水国家之一，水资源人均占有量仅为世界人均占有量的1/4。水资源总量上的不足以及空间分布上的不均匀，严重制约了我国经济的高速发展。随着城市化的不断发展，我国境内出现了水资源开发过度、且疏于保护的局面，使得水资源环境日趋恶化。每年有数亿吨未经任何处理或经过简单处理但未达到国家排放标准的污水排放到河湖中，河湖水质迅速下降，淡水资源严重短缺。仅2002年全国污水排放总量高达439.5亿吨，COD排放总量为1366.9万吨，氨氮排放总量为128.8万吨，其中城镇生活污水排放总量为232.3万吨，而城镇生活污水处理率仅为排放总量的22.3％。“有水皆污”、“有河皆干”成了部分地区水资源环境的真实写照。
环保产业是21世纪新的经济增长点，是未来社会一个全球性的产业。我国环保产业起步较晚，与发达国家相比有较大差距，目前对于环保技术的开发和应用还不是很重视。尽管我国环保企业加大重要环保产品的生产，但环保产品的性质、功能和结构等关键技术不够成熟。我国对于污水处理技术的研究与广泛应用始于建国以后，目前多数城镇污水处理厂采用传统的活性污泥法，但是随着人民生活水平的不断提高，传统的活性污泥法已不能满足人们对污水中脱氮除磷的要求。
曝气生物滤池是一种新型高效的污水处理技术。在国外，该技术被认为是最先进的污水处理技术之一，已被广泛应用到各类污水的处理中。而曝气生物滤池处理效果的好坏关键在于填料的选择和使用，它要求填料具有多孔性(即具有较大的比表面积)、较强吸附性等优点，当污水通过填料层时，通过物理吸附对污水起到一定的净化作用。曝气生物滤池将给水中普通快滤池与污水中生物膜的优点集于一身，运行过程中填料表面生长有生物膜，污水流过滤床时，滤料吸附大量悬浮杂质与部分有机污染物，同时通过曝气装置供氧使有机污染物在生物膜表面进行好氧氧化。
生物膜载体(生物填料)是该污水处理技术的核心，它直接影响着处理效果、充氧能力、基建投资、运行周期和费用。目前主要有组合生物填料、立体弹性填料、纤维填料、多面空心球、悬浮球等。但由于各种填料材质和结构单一，在实际应用中对脱氮除磷效果较差，很难达到排放标准。
现有污水处理填料中对氮的去除比较成功的例子有沸石填料，其孔隙率高、比表面积大，对氨氮具有较强的离子交换能力，但是，沸石填料对磷的去除效果甚微。因此，提供一种可以同时去除污水中的氮、磷，且去除效果良好、出水水质稳定的填料，具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种用于污水处理的复合填料，它是本发明人综合考虑各种填料特性而进行研制开发的，对氮、磷吸附具有专一性，去除率高，无二次污染，原料来源丰富，价格低廉。
本发明污水处理复合填料的技术方案如下：
本发明填料主要含有下列重量份数的组分：麦饭石3～12、生石灰2～18，工业粘合剂1～3。
本发明污水处理复合填料的另一种技术方案如下：
本发明填料主要含有下列重量份数的组分：麦饭石3～12，生石灰2～18，工业粘合剂1～3，造孔剂1～3。
麦饭石所含主要矿物包括钾长石和斜长石，次要矿物包括白云母、黑云母和角闪石等。其中钾长石占40～50％、斜长石占30％左右。钾长石中主要是正长石和微长石，呈半自形粒状，可分为两种粒级，大者在1.5～5mm范围，小者在0.1mm左右，钾长石大部分包围着比其自形程度好的斜长石；斜长石中大多是更长石，少量为中长石，呈半自形板状或粒状，一般0.13～0.6mm。
麦饭石岩石主要成份及其平均含量值为：SiO272.12％、Al2O313.93％、Fe2O31.29％、TiO20.24％、CaO1.03％、K2O4.89％、Na2O3.33％，属于铝过饱和类型。麦饭石还含有多种天然的微量元素，可以作为人类营养源，其中大部分微量元素能溶于水，而且各种粒度的麦饭石可以溶出的少量有害元素含量微乎其微，远远低于国家生活饮用水质标准。
麦饭石中的长石矿物由于风化和蚀变作用发生绢云母化和高岭土化，使其晶体面呈现多孔状，长石矿物一般也沿着解理面劈或剥离成多层锯齿状外形，增大了与水的接触面积，而高岭石本身就具有很强的附和离子交换性能。麦饭石以硅—氧四面体构造为基础，四面体顶端的氧与相邻四面体中的硅共键，并且与K、Na、Ca等离子以离子键形式结合。当麦饭石置于水中时，大量离解[SiO]-基团，这种带电荷的[SiO]-基团与水中离子发生交换反应。
该种填料中的生石灰可以提高pH值以及Ca2+浓度，使得PO4 3-与Ca2+结合生成Ca3(PO4)2达到去除磷的目的。所需生石灰来源广泛，可以直接从市场获得，也可以采用石灰石煅烧的方法得到。
常用的造孔剂有石蜡、粗食盐等，也可以采用加入炉灰等本身孔隙率大的材料作为造孔剂。
常用的工业粘合剂有水泥、水玻璃等。本发明中优选采用水泥作为工业粘合剂，不仅价格低廉，而且水泥在加工后的机械强度大，抗负荷能力强。
本发明污水处理复合填料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将所述重量份数比的麦饭石简单加工成颗粒状，粘合剂加工成粒状或粉状，同时将生石灰在水中混匀浸泡一段时间(一般为1～10天)；
(2)将上述麦饭石、生石灰和粘合剂混匀，加少量水并不断搅拌，通过手工或机械加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为水处理复合填料。
本发明污水处理复合填料包括造孔剂时，其制备方法包括以下步骤：
(1)将所述重量份数比的麦饭石、造孔剂简单加工成颗粒状，粘合剂加工成粒状或粉状，同时将生石灰在水中混匀浸泡一段时间(一般为1～10天)；
(2)将麦饭石、生石灰、造孔剂和粘合剂混匀，加少量水并不断搅拌，通过手工或机械加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为水处理复合填料。
上述过程中，生石灰在水中充分浸泡并达到饱和后可以使得造粒过程容易。生石灰也可以在碳酸钠溶液中浸泡。
为了达到更好的效果，可以将麦饭石和造孔剂的粒径控制在0.1～1cm之间，一般为0.5cm。
按照上述制备方法可以得到一种粗糙多孔的粒状载体，本发明载体粒径为0.5～5cm、粒重为10～100g。
本发明复合填料由于加入了造孔剂，与现有的填料相比，其容重小、比表面积大、孔隙度大，而且粘结剂的使用，增强了复合填料整体的机械强度和耐冲击负荷，尤其在进行污水处理时，本发明填料对氮磷吸附具有专一性。采用麦饭石作为填料的主要成分，具有成本低廉的优点，而且不会造成二次污染。采用本发明填料，使整个操作流程简化，可长期使用，管理方便，具有重要的实际应用价值。
通过以下实施例、对比例和试验例来进一步描述本发明污水处理复合填料及其制备方法，但并不以此来限制本发明的保护范围。
具体实施方式
实施例1、本发明污水处理复合填料I的制备
原料：天然麦饭石、普通型号生石灰、普通型号粉状水泥，其重量比为6∶9∶2。
将麦饭石简单加工成颗粒，平均粒径为0.5cm左右。将生石灰事先加水混匀，使其呈完全饱和状态，持续浸泡3天；然后将麦饭石、生石灰和水泥混合，加少量水并搅拌混匀后，迅速通过手工(或机械)加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为本发明污水处理复合填料。经检测，其平均粒径大约为3cm、粒重为30g。
实施例2、本发明污水处理复合填料II的制备
原料：天然麦饭石、普通型号生石灰、普通型号粉状水泥、炉灰，其重量份数比为6∶9∶2∶1。
将麦饭石和炉灰处理成粒径为0.2cm左右的颗粒，生石灰事先加水混匀使其呈完全饱和状态后持续浸泡4天；然后将麦饭石、炉灰、生石灰和水泥混合，加少量水并搅拌混匀后，通过手工或机械加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为本发明污水处理复合填料。经检测，其平均粒径大约为3cm、粒重为35g。
实施例3、本发明污水处理复合填料III的制备
原料：天然麦饭石、普通型号生石灰、普通型号粉状水泥、石蜡，其重量份数比为5∶8∶2∶2。
将麦饭石简单处理成颗粒，平均粒径为0.5cm左右，生石灰加入水混匀使其呈完全饱和状态后持续浸泡7天，加热石蜡使其溶解呈液态；然后将麦饭石、石蜡、生石灰和水泥混合，加少量水并搅拌混匀后，迅速通过手工或机械加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为本发明污水处理复合填料。经检测，其平均粒径大约为3cm、粒重为35g。
实施例4、本发明污水处理复合填料IV的制备
原料：天然麦饭石、普通型号生石灰、普通型号粉状水泥、粗食盐，其重量份数比为7∶10∶3∶3。
将麦饭石和粗食盐简单处理成颗粒，粒径在0.2cm之间，生石灰事先加水混匀使其完全饱和状态后持续浸泡5天；然后将麦饭石、粗食盐、生石灰和水泥混合，加少量水并搅拌混匀后，通过手工或机械加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为本发明污水处理复合填料。经检测，其平均粒径大约为1.5cm、粒重为20g。
对比例1：石灰石填料的制备
原料：天然石灰石
加工前石灰石在水中浸泡2天，通过机械粉碎，加工成粒，粒径0.5cm，直接作为污水处理填料。
对比例2：麦饭石填料的制备
原料：天然麦饭石
加工前麦饭石在水中浸泡2天，通过机械粉碎，加工成粒，粒径0.5cm，直接作为填料。
对比例3：沸石填料的制备
原料：天然沸石
加工前沸石在水中浸泡2天，通过机械粉碎，加工成粒，粒径0.5cm，直接作为填料。
试验例1、本发明污水处理复合填料污水处理的效果
将实施例1中制备的填料I和实施例2中制备的填料II在模拟污水中进行污水处理后，检测其对氮磷元素的吸收效果。
模拟污水的准备：
为模拟污水中氮浓度的变化，将氯化铵(NH4Cl))、磷酸二氢钠(NaH2PO4)和蒸馏水，配置成不同浓度梯度的NH4 +-N和PO4 3+-P平衡水溶液。模拟污水中NH4 +-N浓度范围在5～100mg/L之间，PO4 3+-P的浓度范围在1.0～40mg/L之间。
污水处理过程：
将实施例1制备的填料I平铺在60×40×50m3的水槽底部，模拟污水可以按水与填料重量比为1∶0.05～1∶0.6向水槽中装入模拟污水，在室内静态条件下进行该实验。实验开始后的第0、6、12、24、36、48、72小时采集水样，分别用纳氏比色法和钼锑抗比色法测定水中NH4 +-N和PO4 3+-P浓度。同样，对填料II也进行相同的试验。本发明填料I和填料II对模拟污水中氮、磷的去除效果的实验数据，分别见表1和表2。
                           表1、填料I对模拟污水中氮、磷的动态去除效果
  采样时间(h)   N吸附容量(mg/Kg)   N去除率(％)   P吸附容量(mg/Kg)   P去除率(％)
2 153.20 11.83 0.97 4.98
6 160.33 15.49 18.71 37.29
  12   229.10   50.75   30.78   59.28
24 281.59 77.66 42.44 80.50
  48   301.02   87.62   44.64   84.51
  72   -   -   48.63   91.78
                            表2、填料II对模拟污水中氮、磷的动态去除效果
  采样时间(h) N吸附容量(mg/Kg) N去除率(％) P吸附容量(mg/Kg)   P去除率(％)
  2   29.84   9.18   2.77   5.21
  6   58.50   17.99   3.59   6.76
  12   147.53   45.37   13.54   25.48
  24   193.09   59.38   30.85   58.04
  48   233.20   71.72   46.62   87.73
  72   -   -   47.27   88.94
数据表明：本发明填料I和II对污水中的氨氮和磷酸盐同时具有显著的处理效果。填料I对氨氮和磷酸盐的去除率分别高达87.6％和91.78％，填料II对氨氮和磷酸盐的去除率分别高达77.7％和88.9％。
试验例2、对比例1～3制备的填料与本发明填料对氮磷去除效果
将上述对比例1～3中所得到的填料与实施例3中得到的填料III按照试验例1中的方法对模拟污水进行处理，在室内静态条件下进行实验。实验开始后的第0、6、12、24、36、48、72小时采集水样，分别用纳氏比色法和钼锑抗比色法测定水中NH4 +-N和PO4 3+-P的浓度。所得的结果如表3。
                                    表3、不同填料对模拟污水中氮、磷的去除效果
填料   氮吸附容量(mg/kg)   磷吸附容量(mg/kg)   氨态氮去除率(％)   磷酸盐去除率(％)
  对比例1   15.65   34.85   16.3   20.5
  对比例2   23.91   10.78   21.3   16.8
  对比例3   74.99   12.62   59.0   34.9
  实施例3   70.06   176.32   56.8   94.5
数据表明：单一的填料，不论是石灰石、麦饭石或沸石，对污水中的氨氮和磷酸盐处理效果远远不及本发明复合填料。三种单一填料对氨氮的去除率分别为石灰石16.3％、麦饭石21.3％和沸石59.0％，对磷酸盐的去除率分别是石灰石20.3％、麦饭石16.3％和沸石34.9％。而本发明复合填料对氨氮的去除率是56.8％％，对磷酸盐的去除率为94.5％。

Claims (8)

1.一种污水处理复合填料，其特征在于，主要含有下列重量份数的组分：麦饭石3～12、生石灰6～18、工业粘合剂1～3。
2.一种污水处理复合填料，其特征在于，主要含有下列重量份数的组分：麦饭石3～12、生石灰6～18、工业粘合剂1～3、造孔剂1～3。
3.根据权利要求1或2所述的污水处理复合填料，其特征在于，所述粘合剂为水泥。
4.权利要求1所述的污水处理复合填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述重量份数比的麦饭石简单加工成颗粒状，粘合剂加工成粒状或粉状，同时将生石灰在水中混和均匀达饱和，浸泡；
(2)将上述麦饭石、生石灰和粘合剂混匀，加少量水并不断搅拌，通过手工或机械加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为水处理复合填料。
5.权利要求2所述的污水处理复合填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述重量份数比的麦饭石、造孔剂简单加工成颗粒状，粘合剂加工成粒状或粉状，同时将生石灰在水中混和均匀，浸泡；
(2)将麦饭石、生石灰、造孔剂和粘合剂混匀，加少量水并不断搅拌，通过手工或机械加工造粒，形成粗糙的粒状载体，即为水处理复合填料。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述麦饭石的颗粒粒径为0.1～5mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述麦饭石和造孔剂的颗粒粒径为0.1～5mm。
8.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，生石灰浸泡时间为1～10天。
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