一种复合生物填料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种复合生物填料及其制备方法，复合生物填料包括填料主体和造孔剂，造孔剂的用量按质量百分比计，为所述填料主体的20％～67％；所述填料主体为凹土，所述造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸秆、锯木屑、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。按质量百分比，取60％～80％的凹土、20％～40％的烟煤混合，并制备成粒径为6～8mm的小球样品，将小球样品晾干后，进行加热、干燥、烧结处理，冷却至室温即制成所述复合生物填料。
【专利说明】
一种复合生物填料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于生活污水处理的陶瓷填料，尤其涉及一种复合生物填料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着工业化、城市化进程的加快，水污染已成为制约我国经济发展的一个重要因素。在当今对城市污水处理水质要求日益严格，尤其是对氮严格控制的形势下，氮的有效去除必然会受到越来越多的重视。
[0003]生物脱氮法是在微生物的作用下将氨氮经过硝化、反硝化过程转化成氮气，最终实现氮从水中去除，是氮去除的最有效途径。在生物处理工艺中，由于好氧颗粒污泥或生物膜具有一定的厚度，可以由内至外形成好氧-缺氧-厌氧的环境，因而可通过培养颗粒污泥或者生物膜，利用其独特的结构来实现同步硝化反硝化。然而，好氧颗粒污泥存在培养时间较长，且容易受外界环境影响的缺陷，限制了其应用。而对于生物膜法来说，填料是生物膜形成的核心和关键，是生物膜附着生长的基石。其影响着生物膜的形态、结构和性能;并且承担拦截悬浮物的作用。
[0004]填料根据原料的不同，分成无机填料和有机高分子填料。比较常见的无机填料包括陶粒、石英砂、活性炭、沸石和陶瓷材料等，有机高分子填料包括聚氯乙稀、聚苯乙稀、聚丙稀和塑料等。无机填料存在比重较大、比表面积小、挂膜慢、不耐磨、形成流态困难、价钱偏尚、不易取材等缺点。
[0005]目前，填料的研究主要围绕以下几个方面:
[0006](I)开发以天然材料和工业固体废物为主要成分的高效价廉的无机填料，寻求改善填料性能的工艺和方法；
[0007](2)优化填料的各项理化指标与性能参数，研究填料性质对污染物去除的影响；
[0008](3)制定填料标准，使得填料生产规范化。
[0009]制备新填料的原材料要求化学性能稳定、无有毒物质；且制备得的填料比表面积大、气孔率高、机械强度好、密度适中、表面粗糙、耐腐蚀性强、耐摩擦、表面电性良好、吸附能力强。
[0010]烧制陶粒时，原料的化学成分是致使陶粒膨胀的关键因素。原料的成分按其作用可分为3类:其一是成陶成分，有Si02、Al203及Fe2O3;其二是起助熔作用的熔剂氧化物，有Na20、K20、Fe0、Mg0等;其三是气体生成物，在物料高温时产生气体，如H20、02、C02、C0、H2等。
[0011]形成适宜粘度的原料化学成分范围:Si02:48%?79%，Al203:10%?25%，Fe2〇3、1(20、恥20丄30、]\%0等熔剂之和13%?26%。
[0012]而凹土是一种富镁的硅酸盐黏土矿物，针状，具有独特的三维空间结构和较大比表面积，有很高的吸附活性，且成本低廉，资源丰富。有“千土之王”、“万用之土”等美誉。
[0013]常用的陶瓷填料制备原材料组成有:
[0014](D粉煤灰+黏土+煤粉；
[0015](2)粉煤灰+凹土+煤粉；
[0016](3)凹土+锯末+水玻璃；
[0017](4)水渣+黏土+淀粉；
[0018](5)煤矸石+黏土+长石粉；
[0019](6)凹土+炭粉+聚乙烯泡沫；
[0020](7)凹土+漂珠+炭粉+玻璃粉；
[0021](8)粉煤灰+黏土+煤粉+长石粉；
[0022 ] (9)硅藻土+碳酸钙、碳酸镁+碳酸氢钠+水玻璃；
[0023 ] (10)粉煤灰+凹土+膨润土+煤粉/炭粉+玻璃粉。
[0024]相较于有机填料，陶瓷填料挂膜更容易，更易形成立体结构的生物膜，通过对工艺的控制，在污水处理的应用方面，更容易强化其处理效果。此外，现有粉煤灰陶粒、粘土陶粒等在配比方面多为三种以上物质混合，本发明利用凹土的特性，考察两种物质配比下，不同比例形成陶粒的物化性能和处理污水的效能。
【发明内容】
[0025]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种配比简单、易制作、强度高、易挂膜且兼吸附与强化脱氮功能的复合生物填料及其制备方法。
[0026]本发明的复合生物填料，包括填料主体和造孔剂，造孔剂的用量按质量百分比计，为所述填料主体的20%?67%;所述填料主体为凹土，所述造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸杆、锯木肩、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。
[0027]本发明的复合生物填料的制备方法，按质量百分比，取60%?80%的凹土、20 %?40%的烟煤混合，并制备成粒径为6?8_的小球样品，将小球样品晾干后，进行加热、干燥、烧结处理，冷却至室温即制成所述复合生物填料。
[0028]进一步的，所述凹土、烟煤均为200目。
[0029]进一步的，混合后的凹土与烟煤通过圆盘造粒机制备所述小球样品。
[0030]进一步的，所述小球样品自然晾干的时间为24h。
[0031 ]进一步的，晾干后的所述小球样品在恒温鼓风干燥箱中加热的温度为120°C。
[0032]进一步的，所述小球样品的干燥时间为2h。
[0033]进一步的，所述小球样品在箱式电阻炉中烧结的时间为2h。
[0034]进一步的，烧结处理的温度为1000°C。
[0035]进一步的，所述小球样品在烧结处理后保温20min后进行冷却。
[0036]借由上述方案，本发明至少具有以下优点:
[0037]1、以凹土为主要原料、烟煤为造孔剂，两种材料配比简单、制成填料的方法简单；
[0038]2、制备的填料强度、耐磨损率远高于陶粒标准GB2389-81，有助于扩大其在污水处理中的应用范围；
[0039]3、利用烟煤成分中所含的焦油在燃烧过程中起粘结架桥作用，从而大大提高了填料的强度；
[0040]4、利用凹土增加填料的比表面积及显气孔率，产生吸附作用，能够较好地去除污水中氨氮及总磷；
[0041]5、所制备的填料便于微生物膜的生长，易挂膜，通过在所制备的填料内部及外部挂膜，形成类似于好氧颗粒污泥的多层厌氧-好氧交替的环境，实现污染物的去除，强化脱氮除磷功能。
[0042]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0043]图1是本发明制备的填料物化特性结果。
【具体实施方式】
[0044]下面结合实施例和附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0045]本发明的复合生物填料，包括填料主体和造孔剂，造孔剂的用量按质量百分比计，为填料主体的20%?67%;填料主体为凹土，造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸杆、锯木肩、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。
[0046]实施例1:
[0047]凹土、烟煤均为200目。将凹土60%与烟煤40%(质量比)混合，用圆盘造粒机制备粒径为6-8_的小球。将样品放到托盘中自然晾干24h后，放到陶瓷坩祸中，在恒温鼓风干燥箱中升温到120°C，干燥2h后取出，直接放到箱式电阻炉中烧结2h，烧结温度为1000°C，保温20min后自然冷却至室温即制成所需填料。
[0048]实施例2:
[0049]凹土、烟煤均为200目。将凹土70%与烟煤30%(质量比)混合，用圆盘造粒机制备粒径为6-8_的小球。将样品放到托盘中自然晾干24h后，放到陶瓷坩祸中，在恒温鼓风干燥箱中升温到120°C，干燥2h后取出，直接放到箱式电阻炉中烧结2h，烧结温度为1000°C，保温20min后自然冷却至室温即制成所需填料。
[0050]实施例3:
[0051 ]凹土、烟煤均为200目。将凹土80%与烟煤20% (质量比)混合，用圆盘造粒机制备粒径为6-8_的小球。将样品放到托盘中自然晾干24h后，放到陶瓷坩祸中，在恒温鼓风干燥箱中升温到120°C，干燥2h后取出，直接放到箱式电阻炉中烧结2h，烧结温度为1000°C，保温20min后自然冷却至室温即制成所需填料。
[0052]填料物化性能检测
[0053]体积密度采用体积密度测试仪，堆积密度采用堆积密度测试仪，显气孔率用BET比表面测定与孔径分布仪，比表面积采用GB/T3810.3-2006，压碎度采用电脑式拉/压强度测试仪，耐磨损采用GB/T3810.3-2006。
[0054]填料去除污染物效能检测
[0055]将制备的填料置于曝气池中，填料填充高度为有效体积的一半，温度为18_25°C。注入化粪池污水，再加入活性污泥，加泥量装置有效体积的1/2，接种污泥质量浓度控制在20000mg.L—1左右。开启气栗，进行闷曝24h至载体填料上附着有少许微生物。为了考虑到填料的物理磨损性能，同时突出其与常规活性污泥法相比可以截留更多污泥，将曝气量控制在过量阶段，即2.5L/min。为保证微生物生长所需营养，采取间歇进水的方式，每天运行2周期，每次曝气3h，为微生物的生长繁殖提供优良环境，使得填料上的生物膜不断生长。
[0056]挂膜期间及效能检测期间，隔天对出水水质进行检测，主要检测指标为C0D、NH4+-N、TN、pH、D0o
[0057]填料物化性能检测结果
[0058]由图1可知:
[0059](I)体积密度与堆积密度成反比，且三个配比下，填料两种密度相差不大；
[0060](2)填料比表面积、显气孔率随着凹土含量的增加而增加；
[0061 ] (3)填料的耐磨损性能及压碎度特性则表现为实施例2最优，实施例1次
[0062]之，实施例3最差，三个实施例所得填料强度、耐磨损率远高于陶粒标准
[0063]GB2389-81，这些特性有助于扩大其在污水处理中的应用范围。
[0064]分析认为，凹土的存在有利于填料比表面积及显气孔率增加，这一结论与烟煤可以作为造孔剂相悖，这表明，凹土中的某成分在填料空隙形成过程中有更重要的作用，而烟煤成分中所含的焦油在燃烧过程中也起到了粘结架桥作用；而实施例2所制备的填料强度最高，凹土含量增加到80%则出现强度急剧下降，这表明，在烧结过程中，烟煤中存在某种成分会对填料强度起决定性作用。以上研究亦表明，填料烧结是一个复杂的过程，较单一的原料难以发挥各种功效，需要至少两种原料复配(并在适当的配比下，如较极端的配比难以实现填料的功能)，在烧结过程中发挥其各自的作用。
[0065]填料去除污染物效能检测结果
[0066]接种污泥取自城市生活污水厂活性污泥池，装置进水为化粪池出水，因而氨氮、总磷浓度较高。由于接种新鲜活性污泥池污泥，挂膜过程中，污泥适应期较短，仅3天;随后，陶粒发挥其吸附作用，4天后装置氨氮及总磷的去除效果很高，出水氨氮和总磷分别在2mg/L及0.2mg/L以下。根据氨氮及总磷的去除效果，判断接种后15日期间为系统微生物挂膜阶段。随着陶瓷填料上微生物膜的生长，COD及氨氮的去除率逐渐趋于稳定。氨氮的去除效果更优，氨氮出水在10mg/L以下。而由于装置曝气量较大，总磷的去除效果不高，这是因为总磷的去除需要厌氧-好氧的交替环境，但过高曝气量使得装置中生物膜多处于缺氧-好氧交替的环境，导致氨氮、总氮的去除率较高。为了验证陶瓷填料的脱氮效果，运行50天对总氮进行了检测。结果显示在进水总氮浓度135mg/L时，应用实例1-3的填料，出水浓度分别为40mg/L、4 2.7mg/L和46.2mg/L。这一结果不仅与填料去除⑶D、氨氮、总磷的效能一致，而且说明了由于生物膜的出现及其形成的立体结构，大大强化了整个系统的脱氮效能。
[0067]此外，挂膜后实例2所制得的陶瓷填料性能略优，这一结果与填料物化性能中耐磨损和压碎度的结果相一致，表明了较高的强度利于获得更有的去除污染物效能，并且延长填料在曝气池中的使用寿命。
[0068]以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种复合生物填料，其特征在于:包括填料主体和造孔剂，造孔剂的用量按质量百分比计，为所述填料主体的20%?67%;所述填料主体为凹土，所述造孔剂为烟煤、无烟煤、活性炭、玉米秸杆、锯木肩、氯化铵、草酸铵、碳酸钠、碳酸氢钠中的一种或多种。2.—种根据权利要求1所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:按质量百分比，取60 %?80 %的凹土、20 %?40 %的烟煤混合，并制备成粒径为6?8mm的小球样品，将小球样品晾干后，进行加热、干燥、烧结处理，冷却至室温即制成所述复合生物填料。3.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:所述凹土、烟煤均为200 目。4.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:混合后的凹土与烟煤通过圆盘造粒机制备所述小球样品。5.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:所述小球样品自然晾干的时间为24h。6.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:晾干后的所述小球样品在恒温鼓风干燥箱中加热的温度为120 0C。7.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:所述小球样品的干燥时间为2h。8.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:所述小球样品在箱式电阻炉中烧结的时间为2h。9.根据权利要求8所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:烧结处理的温度为100tCo10.根据权利要求2所述的复合生物填料的制备方法，其特征在于:所述小球样品在烧结处理后保温20min后进行冷却。
【文档编号】C02F3/30GK106082441SQ201610681103
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月18日 公开号201610681103.8, CN 106082441 A, CN 106082441A, CN 201610681103, CN-A-106082441, CN106082441 A, CN106082441A, CN201610681103, CN201610681103.8
【发明人】李媛, 郭召海
【申请人】苏州首创嘉净环保科技股份有限公司