一種用于人工濕地水處理的填料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于人工濕地水處理的填料及其制備方法，目的在于提供一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的人工濕地新型填料及其制備方法。一種用于人工濕地水處理的填料，所述填料為負(fù)載稀土氮磷吸附劑和緩釋氧材料、粒徑為5-15mm的火山渣顆粒。本發(fā)明能提高人工濕地的污水凈化能力，該方法具有工藝簡(jiǎn)單、原料充足、成本低廉等特點(diǎn)。
【專利說明】一種用于人工濕地水處理的填料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)?！炯夹g(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種可以同步緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的人工 濕地新型填料，適用于村鎮(zhèn)或旅游景區(qū)的生活污水、受污染地表水、面源污水、污水處理廠 尾水以及濃度較高氨氮廢水的處理。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國(guó)水環(huán)境狀況日趨惡化，出現(xiàn)了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化、近岸海域赤潮、河流和水庫(kù) 的有機(jī)污染等問題，威脅到居民的引水安全和人民群眾的健康。人工濕地污水處理工藝由 于其具有水質(zhì)凈化效果好、基建運(yùn)行費(fèi)用低、能耗低、維護(hù)管理簡(jiǎn)單、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等 特點(diǎn)，而且能夠?yàn)橐吧鷦?dòng)物提供棲息地、提高生態(tài)景觀的美學(xué)價(jià)值，所以在生活污水、工業(yè) 廢水、農(nóng)業(yè)面源污水、城市暴雨徑流和富營(yíng)養(yǎng)化水體等方面均得到了廣泛的應(yīng)用。但是，從 已有的工程實(shí)踐來看，人工濕地尚存在一些問題和困難，其一是供氧不足。人工濕地系統(tǒng)中 進(jìn)水?dāng)y氧數(shù)量較低、大氣復(fù)氧和植物根系釋氧能力有限，特別是水平潛流型濕地，無法滿足 大量污染物降解的需要。溶解氧不足將使許多生物不能進(jìn)行正常的有氧呼吸，限制硝化反 應(yīng)，影響磷的吸附和過量積累，因?yàn)槲鬯杏袡C(jī)物的好氧降解和脫氮的硝化過程均需要充 足的氧，否則反應(yīng)無法進(jìn)行；其二是脫氮能力有限。在歐洲，長(zhǎng)期運(yùn)行的濕地氨氮去除率僅 為35%或50%。潛流人工濕地很難保證硝化反硝化所需的好氧/缺氧交替的環(huán)境及反硝化 所需碳源；其三是磷去除率隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而下降的局限性。現(xiàn)行廣泛采用的礫石基質(zhì)對(duì) 磷的吸附飽和壽命較短，一般為2-3年。而且，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行濕地的植物枯死后將吸收的磷重 新釋放至濕地。以上限制因素成為人工濕地技術(shù)進(jìn)一步推廣和應(yīng)用的瓶頸問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的人工濕地新型 填料及其制備方法，以解決上述人工濕地技術(shù)存在的問題，提高其污水凈化能力，該方法具 有工藝簡(jiǎn)單、原料充足、成本低廉等特點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的一個(gè)技術(shù)方案為：一種用于人工濕地水處理的填料，所述填料為負(fù) 載稀土氮磷吸附劑和緩釋氧材料、粒徑為5-15mm的火山渣顆粒。
[0004] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述稀土氮磷吸附劑為含有鑭離子的吸附劑，所述緩 釋氧材料為過氧化鈣。
[0005] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述火山渣顆粒上的負(fù)載物還包括硬脂酸和聚乙二醇 4000混合物、石英砂和粉煤灰，石英砂和粉煤灰有助于填料的沉降。
[0006] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述火山渣顆粒上負(fù)載物的重量百分比例為：稀土氮 磷吸附劑40-45%、緩釋氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、 粉煤灰5-10%。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種用于人工濕地水處理的填料的 制備方法，包括以下步驟： 步驟1 火山渣與活化劑混合均勻，常壓高溫焙燒一段時(shí)間，冷卻至室溫后，將其研磨 后加入水，調(diào)節(jié)硅鋁比，室溫條件下，放置在磁力攪拌器上，溫度升至90°c加熱2小時(shí)，再升 溫到95°C加熱2小時(shí)，過濾、洗滌至pH值為7,放入烘箱中80°C烘干4小時(shí)，得到氮吸附劑； 步驟2將鑭離子濃度為0. 5%的溶液pH值逐漸調(diào)節(jié)為10,按照固液質(zhì)量比l:50g/ml， 投加步驟1制備的氮吸附劑，浸漬16小時(shí)以上，過濾后濾餅于110°C烘干，并焙燒、研磨篩分 得到氮磷吸附劑；篩分后的120目粒徑火山渣顆粒為最佳氮磷吸附劑； 步驟3 石灰石在常壓高溫條件下焙燒，冷卻后加水反應(yīng)，烘干去結(jié)晶水，投入過氧化 氫中浸泡，得到釋氧材料； 步驟4 將一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，水浴加熱使其完全溶解， 然后將步驟2制備的氮磷吸附劑和步驟3中制備的釋氧材料，以及石英砂(增大材料密度， 有利于成型材料沉降)、粉煤灰(緩沖作用）按比例投加，其氮磷吸附劑40-45%、緩釋氧材料 30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、粉煤灰5-10%。充分?jǐn)嚢韬筠D(zhuǎn)移 至成型設(shè)備，壓制成不同形狀后進(jìn)行鼓風(fēng)干燥并回收四氯化碳，最終獲得同步緩釋氧、強(qiáng)化 脫氮除磷的人工濕地填料。
[0008] 所述的步驟1中，活化劑是指NaOH，堿和火山渣的質(zhì)量比為1.0-1. 5 ;焙燒溫度 500-900°C，時(shí)間為1-2小時(shí)；硅鋁比調(diào)整至5-8。
[0009] 所述的步驟2中，焙燒溫度為450-500°C，時(shí)間為1小時(shí)。
[0010] 所述的步驟3中，焙燒溫度為800-1200°C，時(shí)間為1小時(shí)；烘干溫度為105°C，時(shí)間 為1小時(shí)。
[0011] 所述的步驟4中，硬脂酸和聚乙二醇的比例為1:1，該混合物在四氯化碳中的比例 為0. 5%-1. 5%，在最終產(chǎn)物中的比例為5% ;水浴溫度40-50°C。投加至四氯化碳溶液中的材 料組分及各組分的重量百分比例為氮磷吸附劑40-45%、緩釋氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙 二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、粉煤灰5-10%。
[0012] 有益效果 本發(fā)明通過同步緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的新型填料作為人工濕地的基質(zhì)，提高了對(duì)污 水中有機(jī)物、氮和磷的去除能力，提高出水水質(zhì)，其具體的優(yōu)點(diǎn)包括： (1)提供充足的氧量。填料遇污水可長(zhǎng)期緩慢地釋放氧，保證濕地內(nèi)部維持充足的氧含 量，供給微生物進(jìn)行有機(jī)物降解和硝化反應(yīng)，促進(jìn)污染物去除。
[0013] (2)大大提高磷吸附能力。本發(fā)明的新型填料中含有鑭元素，對(duì)陰離子正磷有很強(qiáng) 的吸附特性，同時(shí)鑭可與正磷酸鹽生成磷酸鑭沉淀，將磷鎖入其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。
[0014] (3)由于本發(fā)明新型填料中采用火山渣作為基體，其選擇性吸附和陽(yáng)離子交換作 用可大大增強(qiáng)脫氮能力。本發(fā)明的填料內(nèi)部存在很多內(nèi)表面很大的孔穴和孔道，而且孔穴 中分布有陽(yáng)離子，同時(shí)部分骨架氧也具有負(fù)電荷，當(dāng)內(nèi)部的孔道或孔穴一旦有空缺時(shí)，就會(huì) 表現(xiàn)出對(duì)氣體和液體的強(qiáng)烈吸引力。特別對(duì)極性較大的氨態(tài)氮具有很強(qiáng)的選擇性吸附作 用。另外，所述的方法中，火山渣的硅與添加的鋁形成鋁硅酸鹽格架，與其結(jié)合的陽(yáng)離子很 容易和氨離子進(jìn)行離子交換。
[0015] (4)本發(fā)明的新型填料也可以去除廢水中的鉻、錳、鋅、銅等重金屬離子，廢水中的 重金屬離子與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物和氫氧化物沉淀，從而達(dá)到去除目的。
[0016] (5)硬脂酸是一種飽和脂肪酸，在常溫下是一種難溶于水的蠟狀固體，無毒，易生 物降解，可以降低新型填料的釋氧速率。
[0017] (6)本發(fā)明運(yùn)行效果穩(wěn)定，受環(huán)境影響程度小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明與常規(guī)填料對(duì)氮吸附能力的對(duì)比曲線； 圖2為本發(fā)明材料與常規(guī)填料對(duì)磷吸附能力的對(duì)比曲線； 圖3為本發(fā)明材料釋氧濃度隨時(shí)間的變化。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做具體說明。
[0020] 實(shí)施例1 一種用于人工濕地水處理的填料的制備方法，包括下列步驟： (1)火山渣與氫氧化鈉混合均勻，堿灰質(zhì)量比為1.0,將混合物放入馬弗爐中500°C條 件下焙燒2小時(shí)，隨后冷卻至室溫后，將其研磨后加入水，硅鋁比調(diào)節(jié)到5,室溫條件下，放 置在磁力攪拌器上，溫度升至90°C加熱2小時(shí)，再升溫到95°C加熱2小時(shí)，過濾、洗滌至pH 值為7,放入烘箱中80°C烘干4小時(shí)，得到最佳氮吸附劑。
[0021] (2)將鑭離子濃度為0. 5%的溶液pH值逐漸調(diào)節(jié)為10,按照1:50 (固液比）投加 步驟1制備的最佳氮吸附劑，浸漬16小時(shí)以上，過濾后濾餅于110°C烘干，放置于馬弗爐中 450°C條件下焙燒1小時(shí)，研磨篩分后120目為最佳氮磷吸附劑。
[0022] (3)石灰石投入馬弗爐中800°C條件下焙燒1小時(shí)，冷卻后加水反應(yīng)，然后于烘箱 中105°C條件下烘干1小時(shí)去結(jié)晶水，投入過氧化氫中浸泡，得到釋氧材料。
[0023] (4)將一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，硬脂酸添加比例為0. 5%， 水浴加熱到40°C使其完全溶解。然后將步驟2制備的最佳氮磷吸附劑和步驟3中制備的 釋氧材料，以及石英砂(增大材料密度，有利于成型材料沉降)、粉煤灰(緩沖作用）按比例投 力口，其中氮磷吸附劑45%、緩釋氧材料35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂10%、 粉煤灰5%。充分?jǐn)嚢韬筠D(zhuǎn)移至成型設(shè)備，壓制成不同形狀后進(jìn)行鼓風(fēng)干燥并回收四氯化碳， 最終獲得同步緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的人工濕地新型填料。
[0024] 本實(shí)施例制備出的人工濕地填料為含有鑭離子和過氧化鈣的粒徑為5mm的火山 渣顆粒，火山渣顆粒上負(fù)載物的組分為：氮磷吸附劑45%、緩釋氧材料35%、硬脂酸和聚乙二 醇4000混合物5%、石英砂10%、粉煤灰5%。
[0025] 實(shí)施例2 (1)火山渣與氫氧化鈉混合均勻，堿灰質(zhì)量比為1. 2,將混合物放入馬弗爐中700°C條 件下焙燒2小時(shí)，隨后冷卻至室溫后，將其研磨后加入水，硅鋁比調(diào)節(jié)到6,室溫條件下，放 置在磁力攪拌器上，溫度升至90°C加熱2小時(shí)，再升溫到95°C加熱2小時(shí)，過濾、洗滌至pH 值為7,放入烘箱中80°C烘干4小時(shí)，得到最佳氮吸附劑。
[0026] (2)將鑭離子濃度為0. 5%的溶液pH值逐漸調(diào)節(jié)為10,按照1:50 (固液比）投加 步驟1制備的最佳氮吸附劑，浸漬16小時(shí)以上，過濾后濾餅于110°C烘干，放置于馬弗爐中 470°C條件下焙燒1小時(shí)，研磨篩分后120目為最佳氮磷吸附劑。
[0027] (3)石灰石投入馬弗爐中1000°C條件下焙燒1小時(shí)，冷卻后加水反應(yīng)，然后于烘箱 中105°C條件下烘干1小時(shí)去結(jié)晶水，投入過氧化氫中浸泡，得到釋氧材料。
[0028] (4)將一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，硬脂酸添加比例為1. 0%， 水浴加熱到45°C使其完全溶解。然后將步驟2制備的最佳氮磷吸附劑和步驟3中制備的 釋氧材料，以及石英砂(增大材料密度，有利于成型材料沉降)、粉煤灰(緩沖作用）按比例投 力口，其中氮磷吸附劑40%、緩釋氧材料30%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂15%、 粉煤灰10%。充分?jǐn)嚢韬筠D(zhuǎn)移至成型設(shè)備，壓制成不同形狀后進(jìn)行鼓風(fēng)干燥并回收四氯化 碳，最終獲得同步緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的人工濕地新型填料。
[0029] 本實(shí)施例制備出的人工濕地填料為含有鑭離子和過氧化鈣的粒徑為10mm的火山 渣顆粒，火山渣顆粒上負(fù)載物的組分為：氮磷吸附劑40%、緩釋氧材料30%、硬脂酸和聚乙二 醇4000混合物5%、石英砂15%、粉煤灰10%。
[0030] 實(shí)施例3 (1)火山渣與氫氧化鈉混合均勻，堿灰質(zhì)量比為1. 5,將混合物放入馬弗爐中900°C條 件下焙燒2小時(shí)，隨后冷卻至室溫后，將其研磨后加入水，硅鋁比調(diào)節(jié)到8,室溫條件下，放 置在磁力攪拌器上，溫度升至90°C加熱2小時(shí)，再升溫到95°C加熱2小時(shí)，過濾、洗滌至pH 值為7,放入烘箱中80°C烘干4小時(shí)，得到最佳氮吸附劑。
[0031] (2)將鑭離子濃度為0. 5%的溶液pH值逐漸調(diào)節(jié)為10,按照1:50 (固液比）投加 步驟1制備的最佳氮吸附劑，浸漬16小時(shí)以上，過濾后濾餅于110°C烘干，放置于馬弗爐中 500°C條件下焙燒1小時(shí)，研磨篩分后120目為最佳氮磷吸附劑。
[0032] (3)石灰石投入馬弗爐中1200°C條件下焙燒1小時(shí)，冷卻后加水反應(yīng)，然后于烘箱 中105°C條件下烘干1小時(shí)去結(jié)晶水，投入過氧化氫中浸泡，得到釋氧材料。
[0033] (4)將一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，硬脂酸添加比例為1. 5%， 水浴加熱到50°C使其完全溶解。然后將步驟2制備的最佳氮磷吸附劑和步驟3中制備的 釋氧材料，以及石英砂(增大材料密度，有利于成型材料沉降)、粉煤灰(緩沖作用）按比例投 力口，其中氮磷吸附劑43%、緩釋氧材料32%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂12%、 粉煤灰8%。充分?jǐn)嚢韬筠D(zhuǎn)移至成型設(shè)備，壓制成不同形狀后進(jìn)行鼓風(fēng)干燥并回收四氯化碳， 最終獲得同步緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的人工濕地新型填料。
[0034] 本實(shí)施例制備出的人工濕地填料為含有鑭離子和過氧化鈣的粒徑為15mm的火山 渣顆粒，負(fù)載物的各組分為：氮磷吸附劑43%、緩釋氧材料32%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合 物5%、石英砂12%、粉煤灰8%。
[0035] 如圖所示，圖1為本發(fā)明材料與火山渣、砂子對(duì)氮吸附能力的對(duì)比曲線，火山渣、 砂子和本發(fā)明材料分別稱取8份(每份10g)放入錐形瓶，注入不同濃度的含氮(磷)污水，pH 值為7-8條件下，于25°C恒溫水浴振蕩器中震蕩24小時(shí)，取出后測(cè)定其吸附情況。吸附劑 的吸附能力以吸附量q表示：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于人工濕地水處理的填料，其特征是，所述填料為負(fù)載稀土氮磷吸附劑和緩 釋氧材料、粒徑為5-15mm的火山漁顆粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的填料，其特征是，所述稀土氮磷吸附劑為含有鑭離子的吸附 齊U，所述緩釋氧材料為過氧化鈣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的填料，其特征是，所述火山渣顆粒上的負(fù)載物還包括硬脂酸 和聚乙二醇4000混合物、石英砂和粉煤灰。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的填料，其特征是，所述火山渣顆粒上負(fù)載物的重量百分比例 為：稀土氮磷吸附劑40-45%、緩釋氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英 砂 10-15%、粉煤灰 5-10%。
5. -種用于人工濕地水處理的填料的制備方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟1 火山渣與活化劑混合均勻，常壓高溫焙燒一段時(shí)間，冷卻至室溫后，將其研磨 后加入水，調(diào)節(jié)硅鋁比，室溫條件下，放置在磁力攪拌器上，溫度升至90°C加熱2小時(shí)，再升 溫到95°C加熱2小時(shí)，過濾、洗滌至pH值為7,放入烘箱中80°C烘干4小時(shí)，得到氮吸附劑； 步驟2將鑭離子濃度為0. 5%的溶液pH值逐漸調(diào)節(jié)為10,按照固液質(zhì)量比l:50g/ml， 投加步驟1制備的氮吸附劑，浸漬16小時(shí)以上，過濾后濾餅于110°C烘干，并焙燒、研磨篩分 得到氮磷吸附劑；篩分后的120目粒徑火山渣顆粒為最佳氮磷吸附劑； 步驟3 石灰石在常壓高溫條件下焙燒，冷卻后加水反應(yīng)，烘干去結(jié)晶水，投入過氧化 氫中浸泡，得到釋氧材料； 步驟4 將一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，水浴加熱使其完全溶解， 然后將步驟2制備的氮磷吸附劑和步驟3中制備的釋氧材料，以及石英砂、粉煤灰按比例投 力口，其氮磷吸附劑40-45%、緩釋氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂 10-15%、粉煤灰5-10%，充分?jǐn)嚢韬筠D(zhuǎn)移至成型設(shè)備，壓制成不同形狀后進(jìn)行鼓風(fēng)干燥并回 收四氯化碳，最終獲得同步緩釋氧、強(qiáng)化脫氮除磷的人工濕地填料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的步驟1中，活化劑是指NaOH，堿和火 山渣的質(zhì)量比為1. 0-1. 5 ;焙燒溫度500-900°C，時(shí)間為1-2小時(shí)；硅鋁比調(diào)整至5-8。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的步驟2中，焙燒溫度為450-500°C，時(shí) 間為1小時(shí)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的步驟3中，焙燒溫度為800-1200°C， 時(shí)間為1小時(shí)；烘干溫度為l〇5°C，時(shí)間為1小時(shí)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的步驟4中，硬脂酸和聚乙二醇的比例 為1:1，該混合物在四氯化碳中的比例為0. 5%-1. 5%，在最終產(chǎn)物中的比例為5% ;水浴溫度 40-50。。。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的步驟4中，投加至四氯化碳溶液中的 材料組分及各組分的重量百分比例為氮磷吸附劑40-45%、緩釋氧材料30-35%、硬脂酸和聚 乙二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、粉煤灰5-10%。
【文檔編號(hào)】C02F3/32GK104229999SQ201410467337
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】董嬋, 彭波, 王鑫華, 高奔, 馬慧, 韓迪, 倉(cāng)理, 胡虹, 陸新華 申請(qǐng)人:南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 山東省魯南工程技術(shù)研究院, 濟(jì)寧市南四湖人工濕地管理處