一种活性生物滤料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种活性生物滤料及其制备方法和应用。

背景技术

污水处理过程中经常采用比表面积大、孔隙率高、化学性质稳定、机械强度高和吸附能力强的固体颗粒状物体作为活性生物滤料，可以起到物理过滤和化学吸附的作用，同时滤料表面可以附着大量微生物，有利于微生物的生长和生物膜的形成，实现高效的生物降解和转化，达到对污水中各类污染物的高效去除。比如：火山岩、陶粒、沸石等在生物滤池和人工湿地中常常作为滤料使用。

由于天然过滤材料数量有限，以及地理分布不均匀造成运输距离长的限制，而活性生物陶粒烧制过程能耗高、工艺过程复杂且生产成本高，从而造成无法大量并普遍使用这些材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活性生物滤料及其制备方法和应用，所述活性生物滤料造价便宜，制备简单，污水处理效果好。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种活性生物滤料，包括以下质量百分含量的制备原料：

粉煤灰55～65％，生石灰18～20％，沸石粉10～20％，水泥4.0～7.5％，石膏2～5％，铝粉0.04～0.05％，水0.5～1.0％。

优选的，所述粉煤灰、生石灰和石膏的粒径独立≥100目。

优选的，所述活性生物滤料的粒径为0.5～5.0cm。

优选的，所述活性生物滤料的孔隙率为45～55％，容重为0.9～0.95g/cm

本发明提供了上述技术方案所述活性生物滤料的制备方法，包括以下步骤：

将粉煤灰、水、水泥、生石灰、沸石粉、石膏和铝粉混合，将所得料浆进行浇注，得到浇注料；

将所述浇注料依次进行预养和切割，得到坯体；

将所述坯体依次进行蒸压、干燥和粉碎，得到活性生物滤料。

优选的，进行所述浇注前，所述料浆的温度为40～50℃，进行浇注过程中，所述料浆的温度≤90℃。

优选的，所述预养的温度为50℃，所述预养的时间为1～1.5h。

优选的，所述坯体的中心部位的强度为0.05～0.07Mpa。

优选的，所述蒸压的过程包括依次进行的升温阶段、恒温恒压阶段和降温降压阶段；所述升温阶段的过程为在1.5～2h内自室温升温至175℃；所述恒温恒压阶段的时间为5～7h，压力为0.8～1.2Mpa；所述降温降压的时间为100min。

本发明提供了上述技术方案所述活性生物滤料或上述技术方案所述制备方法制备得到的活性生物滤料在生物滤池或人工湿地中的应用。

本发明提供了一种活性生物滤料，包括以下质量百分含量的制备原料：粉煤灰55～65％，生石灰18～20％，沸石粉10～20％，水泥4.0～7.5％，石膏2～5％，铝粉0.04～0.05％，水0.5～1.0％。本发明以易取材的粉煤灰为主要原料，配比沸石粉、生石灰、石膏和水泥原料，其中，生石灰具有除磷效果，沸石粉内部具有很多微孔，具有高效吸附氨氮的能力，还具有独特的吸附、筛分、离子交换以及催化性能，而且能够调节pH值、吸附重金属离子和多种有害物质，增加水中溶解氧并去除臭味，同时使得活性生物滤料具有强度高、孔隙率高、比表面积大以及具有良好的吸附氨氮、吸附磷元素能力的特性，同时，还能够使得活性生物滤料的表面可以附着大量的微生物(孔隙率高、比表面积大)，有利于微生物的生长并形成生物膜。

本发明提供的活性生物滤料除具有常规滤料的性能外(多孔、比表面积大)，利用所述活性生物滤料中的除磷成分、除氮成分以及调节pH值、去除重金属离子和除臭等功能，使滤料具有污水处理过程所需求的多种功能，可用于各类型的生物滤池，也可以作为人工湿地基质滤料使用，提高了滤料的使用性能以及整体污水处理系统的处理效果，尤其为村镇级的中小污水处理系统处理水质的全面达标创造了必要条件。

本发明提供的活性生物滤料造价低，制作过程简单，通过简单的预养和加气成孔工艺(蒸压)制作成型，成型干燥后，经过破碎成适宜粒径的颗粒，可以做到一次性投放使用，达到长期持续作用的功效，在能够满足污水处理的技术要求的前提下，易于大范围推广使用。此外，粉煤灰的大比例使用，可以起到工业废弃物资源化利用的目的，具有节能环保的效果。

附图说明

图1为应用例1中生物滤池的剖面图；

图2为应用例1中生物滤池中滤料筐的结构示意图；

图3为应用例2中人工湿地的平面结构图；

图4为应用例2中人工湿地的剖面图；

图5为应用例3中曝气生物滤池的剖面图。

具体实施方式

本发明提供了一种活性生物滤料，包括以下质量百分含量的制备原料：

粉煤灰55～65％，生石灰18～20％，沸石粉10～20％，水泥4.0～7.5％，石膏2～5％，铝粉0.04～0.05％，水0.5～1.0％。

在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

以质量百分含量计，本发明提供的活性生物滤料的制备原料包括粉煤灰55～65％，优选为56～62％，更优选为58～60％。在本发明中，所述粉煤灰的粒径优选≥100目；本发明优选通过破碎和研磨得到上述粒径范围的粉煤灰，本发明对所述粉碎和研磨的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够达到上述粒径范围即可。本发明所用粉煤灰易取材且价格便宜，而且具有良好的化学稳定性和吸附性能，能够与生石灰、沸石粉、水泥和石膏配合成型并能够提高滤料的机械强度。

以质量百分含量计，本发明提供的活性生物滤料的制备原料包括生石灰18～20％，优选为18.5～19.5％。在本发明中，所述生石灰的粒径优选≥100目；本发明优选通过破碎和研磨得到上述粒径范围的生石灰，本发明对所述粉碎和研磨的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够达到上述粒径范围即可。在本发明中，所述生石灰在制成活性生物滤料的过程中会逐步转变为熟石灰直到石灰石(碳酸钙)，当活性生物滤料用于处理污水时，钙离子接触到污水中的磷酸根离子时，发生沉析反应，生成不溶于水的颗粒状固态物质Ca(PO

以质量百分含量计，本发明提供的活性生物滤料的制备原料包括沸石粉10～20％，优选为12～18％，更优选为13～16％，进一步优选为15％。本发明对所述沸石粉的规格没有特殊的限定，本领域熟知的市售沸石粉即可。本发明利用沸石具有高效吸附氨氮的能力，在滤料体内及表面形成高浓度氨氮环境，为微生物硝化过程和厌氧氨氧化过程提供物质供应的保证，提高了微生物降解氨氮过程的效率。另外，由于沸石粉内部具有很多微孔，因而具有独特的吸附、筛分、离子交换以及催化性能，具有调节pH值、吸附重金属离子和多种有害物质，增加水中溶解氧以及去除臭味等多种作用。

以质量百分含量计，本发明提供的活性生物滤料的制备原料包括水泥4.0～7.5％，优选为4.5～7.0％，更优选为5.0～6.5％，进一步优选为6.0％。本发明对所述水泥的规格没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可。本发明利用水泥将其他组分进行强力粘接，使滤料具有一定的机械强度并长时间保持固定的物理形态。

以质量百分含量计，本发明提供的活性生物滤料包括石膏2～5％，优选为2.5～4.5％，更优选为3.0～4.0％。在本发明中，所述石膏的粒径优选≥100目；本发明优选通过破碎和研磨得到上述粒径范围的石膏，本发明对所述粉碎和研磨的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够达到上述粒径范围即可。本发明利用石膏作为缓凝剂，控制活性生物滤料在制备过程中的凝固速度，从而得到强度合适的活性生物滤料。

以质量百分含量计，本发明提供的活性生物滤料的制备原料包括铝粉0.04～0.05％，优选为0.045％。本发明对所述铝粉的规格没有特殊的限定，本领域熟知的市售铝粉即可。本发明利用铝粉与原料中二氧化硅以及生石灰发生反应，释放出气体，使滤料产生空隙。

以质量百分含量计，本发明提供的活性生物滤料的制备原料包括水0.5～1.0％，优选为0.6～0.8％。本发明利用水促进滤料制备过程顺利进行。

在本发明中，所述活性生物滤料的粒径优选为0.5～5.0cm，更优选为2～4cm。

在本发明中，所述活性生物滤料的孔隙率优选为45～55％，容重优选为0.9～0.95g/cm

本发明提供了上述技术方案所述活性生物滤料的制备方法，包括以下步骤：

将粉煤灰、水、水泥、生石灰、沸石粉、石膏和铝粉混合，将所得料浆进行浇注，得到浇注料；

将所述浇注料依次进行预养和切割，得到坯体；

将所述坯体依次进行蒸压、干燥和粉碎，得到活性生物滤料。

本发明将粉煤灰、水、水泥、生石灰、沸石粉、石膏和铝粉混合，将所得料浆进行浇注，得到浇注料。在本发明中，所述粉煤灰、水、水泥、生石灰、沸石粉、石膏和铝粉混合的过程优选为向搅拌罐中依次加入粉煤灰、水、水泥、石灰、沸石粉和石膏，搅拌3min后，加入铝粉，搅拌30s，得到料浆。本发明对所述搅拌罐及搅拌的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行搅拌即可。本发明对所述铝粉没有特殊的限定，本领域熟知的铝粉即可。

在本发明中，进行所述浇注前，所述料浆的温度优选为40～50℃，进行浇注过程中，所述料浆的温度优选≤90℃。

得到浇注料后，本发明将所述浇注料依次进行预养和切割，得到坯体。在本发明中，所述预养的温度优选为50℃，所述预养的时间优选为1～1.5h，更优选为1.2～1.3h。本发明优选进行所述预养至浇注料的中心部位的强度为0.05～0.07Mpa(即所得坯体的中心部位强度)。本发明对所述切割的具体过程没有特殊的限定，根据实际需求进行横、纵和铣面包头切割即可。在本发明中，切割时所产生的坯体边角料优选经灰浆搅拌机加工，泵送到搅拌罐内，待与其他制备原料配料后二次搅拌使用。本发明对所述灰浆搅拌机及其搅拌速率没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。

得到坯体后，本发明将所述坯体依次进行蒸压、干燥和粉碎，得到活性生物滤料。本发明优选在蒸压釜中进行所述蒸压，所述蒸压的过程优选包括依次进行的升温阶段、恒温恒压阶段和降温降压阶段。本发明优选先将蒸压釜进行抽真空30min，使釜内压力达到-0.04～0.06Mpa，开始向蒸压釜中通入高温水蒸气(温度优选为195～210℃)，使所述坯体达到养护要求的温度(175℃)(即升温阶段)，所述升温的时间优选为1.5～2h。在升温阶段会排出大量的凝结水，本发明优选将所述凝结水进行回收，本发明对所述回收的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。

升温阶段完成后，本发明优选在175℃进行恒温恒压，所述恒温恒压阶段的时间优选为5～7h，更优选为5.5～6.5h，压力优选为0.8～1.2Mpa，更优选为0.9～1.1Mpa。本发明优选按照本领域熟知的过程在恒温恒压阶段补充蒸压釜漏气及散热损失。

在本发明中，所述降温降压的时间优选为100min，本发明优选降压至蒸压釜内压力为0。本发明通过控制降温时间保证活性生物滤料的结构、强度和产量。为了节约能源，本发明在降温阶段进行釜间转汽，低压蒸汽用来加热料浆，或者利用蒸汽引射器将蒸压釜内降温的低压蒸汽引射到开始升温的蒸压釜内。本发明对所述釜间转汽的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。

本发明对所述干燥的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行干燥即可。

在本发明中，所述粉碎优选在锤式或颚式破碎机中进行，完成所述粉碎后，本发明优选将所得破碎粒料通过振动筛进行分选，使得活性生物滤料的粒径为0.5～5.0cm。本发明对所述粉碎和分选的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。

本发明提供了上述技术方案所述活性生物滤料或上述技术方案所述制备方法制备得到的活性生物滤料在生物滤池或人工湿地中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊的限定，按照本领域熟知的方法应用即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将粉煤灰、生石灰和石膏依次进行破碎和研磨后，得到粒径均为100目的粉煤灰、生石灰和石膏；

将所述粉煤灰55％，水0.6％，水泥7.4％，生石灰18％，沸石粉14.95％，石膏4％依次加入搅拌罐中，搅拌3min后，加入0.05％铝粉，搅拌30s，得到浆料(温度为40℃)，将所述料浆进行浇注，浇注过程中控制所述料浆的温度≤90℃，得到浇注料；

将所述浇注料在50℃进行预养1h，将所得浇注料进行切割，得到坯体(中心部位的强度为0.05Mpa)；

将所述坯体置于蒸压釜中，将蒸压釜进行抽真空30min，使釜内压力达到0.04Mpa，开始向蒸压釜中通入高温水蒸气(温度200℃)，使所述坯体在1.5h内达到175℃，恒温5h，恒压0.8Mpa，然后在100min内降压至0，降温至室温，将所得坯料干燥后，在颚式破碎机中进行粉碎，分选后，得到活性生物滤料(粒径为0.5～5cm)；所述活性生物滤料的孔隙率为51％，容重为0.91g/cm

实施例2

将粉煤灰、生石灰和石膏依次进行破碎和研磨后，得到粒径均为100目的粉煤灰、生石灰和石膏；

将所述粉煤灰50.45％，水0.6％，水泥7.5％，生石灰17.4％，沸石粉20％，石膏4％依次加入搅拌罐中，搅拌3min后，加入0.05％铝粉，搅拌30s，得到浆料(温度为45℃)，将所述料浆进行浇注，浇注过程中控制所述料浆的温度≤90℃，得到浇注料；

将所述浇注料在50℃进行预养1.2h，将所得浇注料进行切割，得到坯体(中心部位的强度为0.06Mpa)；

将所述坯体置于蒸压釜中，将蒸压釜进行抽真空30min，使釜内压力达到0.05Mpa，开始向蒸压釜中通入高温水蒸气(温度200℃)，使所述坯体在1.8h内达到175℃，恒温6h，恒压1.0Mpa，然后在100min内降压至0，降温至室温，将所得坯料干燥后，在颚式破碎机中进行粉碎，分选后，得到活性生物滤料(粒径为1.5～3.0cm)；所述活性生物滤料的孔隙率为53％，容重为0.94g/cm

实施例3

将粉煤灰、生石灰和石膏依次进行破碎和研磨后，得到粒径均为100目的粉煤灰、生石灰和石膏；

将所述粉煤灰55％，水0.6％，水泥7.4％，生石灰17.95％，沸石粉15％，石膏4％依次加入搅拌罐中，搅拌3min后，加入0.05％铝粉，搅拌30s，得到浆料(温度为50℃)，将所述料浆进行浇注，浇注过程中控制所述料浆的温度≤90℃，得到浇注料；

将所述浇注料在50℃进行预养1.5h，将所得浇注料进行切割，得到坯体(中心部位的强度为0.07Mpa)；

将所述坯体置于蒸压釜中，将蒸压釜进行抽真空30min，使釜内压力达到0.06Mpa，开始向蒸压釜中通入高温水蒸气(温度200℃)，使所述坯体在2h内达到175℃，恒温7h，恒压1.2Mpa，然后在100min内降压至0，降温至室温，将所得坯料干燥后，在颚式破碎机中进行粉碎，分选后，得到活性生物滤料(粒径为0.5～5cm)；所述活性生物滤料的孔隙率为52％，容重为0.9g/cm

应用例1

将实施例1制备的活性生物滤料用于生物滤池(如图1所示生物滤池)，采用专用塑料滤料装填筐装填活性生物滤料，所述滤料装填筐的平面图和剖面图以及尺寸如图2所示，所述滤料装填筐的尺寸为长646mm×宽446mm×高mm，活性生物滤料装填高度为250mm，每6个装填筐为一组进行叠放，共55组排列摆放整齐，在滤料装填筐的顶部安装有脉冲多孔布水器；该生物滤池的处理水量体积：活性生物滤料体积＝0.3:1。

将装填有实施例1的活性生物滤料的生物滤池用于生活污水处理，污水进入生物滤池通过滤料层时，大的污染有机物分子被滤料层拦截过滤；小的有机物分子和氨氮分子被活性生物滤料和微生物膜吸附并被微生物菌膜捕食并降解；另外，通过活性生物滤料的脱磷、吸附并转化氨氮、杀菌和吸附重金属离子作用，实现污水净化；计算生活污水处理后所得氨氮、总磷去除率，具体结果见表1。

应用例2

将实施例2制备的活性生物滤料用于图3～4所示结构的人工湿地系统，所述人工湿地系统的污水处理能力为100t/d，该人工湿地系统分为6个湿地单元，每个湿地单元体积：长×宽×高＝5.3×3.8×2.7m

如图4所示，在每个湿地单元池体的内部，按人工湿地规程要求，活性生物滤料的铺设厚度为2.3m，所用活性生物滤料粒径为1.5～3.0cm，滤料上部水体高度10cm。

将铺设有实施例2所制备的活性生物滤料的人工湿地系统用于处理污水，该处污水为应用例1中经过生物滤池处理后的污水，本应用例将其采用人工湿地系统进一步进行净化处理，计算污水处理后所得氨氮、总磷去除率，具体结果见表1。

表1应用例1～2中生活污水的氨氮、总磷去除率数据(％)

由表1可知，本发明提供的活性生物滤料具有较高的氨氮去除效果和磷去除率。

应用例3

将实施例3制备的活性生物滤料用于图5所示结构的曝气生物滤池，该曝气生物滤池的池体为钢砼结构，池体体积(净空)：长×宽×高＝8.0×4.0×2.4m

图5所示曝气生物滤池的处理水量体积:活性生物滤料体积＝0.7:1，水力停留时间＞8h；气水比为10:1。

按照上述条件，将装填有实施例3制备的活性生物滤池的曝气生物滤池用于处理生活污水，并计算磷和氨氮去除率：

结果表明，总磷指标：入口污水总磷指标：5.60mg/L，处理出水总磷指标：3.86mg/L，去除率为31.0％，入口污水氨氮指标：55.4mg/L，处理出水氨氮指标：7.5mg/L，去除率为86.4％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。