专利名称：一种低密度沸石曝气生物滤池填料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种水处理中使用的微生物载体及其制备方法，具体地说是一种低密度沸石曝气生物滤池填料及其制备方法。
背景技术：
我国是世界13个水资源不足的国家之一，人均淡水资源占有量不到世界平均水平的1/4，且时空分布不均，在中国600多座城市中，333座城市存在不同程度的缺水，108座城市严重缺水。同时，我国也是水资源浪费最严重的国家之一，污水回用率不足5%。因此， 开辟再生水这种非传统水源，实现污水资源化，对保障城市安全供水具有重要的战略意义。 但经济性和安全性是实现污水回用的前提，再生水的应用还存在造成不同程度的城市景观用水腐化、工业设备管道系统腐蚀等问题。目前，再生水安全问题已成为制约我国二级排水资源化的主要问题。其中，由于再生水中氨氮引起的安全问题最为突出。如何高效、稳定地去除二级排水中的氨氮达到再生水回用水质标准是一个难题，已成为国内外学者共同关注的问题。传统的废水脱氮方法中，吹脱法、化学氧化法、络合沉淀法和活性污泥法生物硝化反硝化技术均不适用于低浓度氨氮的去除。目前，研究较多的是采用生物膜法、离子交换法和反渗透膜分离法。虽然反渗透法能获得优质的出水，但其投资和运行成本太高，难以广泛采用。生物膜法适用于低浓度废水的处理，但其处理效率有限，并且随进水水质的波动和季节的变化，出水水质难以达到安全回用要求。生物膜法即使实现了氨氮完全硝化，但很难实现完全的反硝化，仍然造成水体富营养化。离子交换法，尤其是沸石床过滤吸附，可以高效、 稳定地去除水中低浓度的氨氮，采用沸石吸附去除二级排水中剩余的氨氮在技术上已被证明是可行的，但目前采用NaCl溶液等再生吸附饱和的沸石，产生的含氨NaCl溶液难以处理，再生液处理成本高、难度大，从而使沸石吸附法制水成本难有竞争力。目前，也有使用颗粒沸石曝气生物滤池处理氨氮，但是沸石对氨氮吸附速率与生物硝化速率相差很大。吸附和硝化再生很难速率同步，并且颗粒沸石曝气生物滤池硝化比较完全，反硝化不完全，作为富营养化成分的氮素并没有有效去除，仅仅是状态的转化，仍然不能满足景观用水的要求。曝气生物滤池(BAF，Biological Aerated Filter)也叫淹没式曝气生物滤池 (SBAF, Submerged Biological Aerated Filter)。国外从 20 世纪初开始进行研究，于 80 年代末基本成型，后不断改进，并开发出多种形式。在开发过程中，充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗等特点于一体。 其工艺原理为，在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时，因污水流经时，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水带出，此为截留作用；运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。BAF的主要优点是(1)占地面积小，基建投资省。曝气生物滤池之后不设二次沉淀池，此外，由于采用的滤料粒径较小，比表面积大，生物量高，再加上反冲洗可有效更新生物膜，保持生物膜的高活性，这样就可在短的时间内对污水进行快速净化。曝气生物滤池水力负荷、容积负荷大大高于传统污水处理工艺，停留时间短，因此所需生物处理面积和体积都很小，节约了占地和投资。( 出水水质高。在BAF中，由于填料本身截留及表面生物膜的生物絮凝作用，使得出水SS很低，一般不超过10mg/L ；因周期性的反冲洗，生物膜得以有效更新，表现为生物膜较薄(一般为IlOym左右)，活性很高。高活性的生物膜可吸附、截留一些难降解的物质。( 氧的传输效率很高，曝气量小，供氧动力消耗低。因填料粒径很小，气泡在上升过程中，不断被切割成小气泡，加大了气液接触面积，提高了氧气的利用率；气泡在上升过程中，受到了填料的阻力，延长了停留时间，同样有利于氧气的传质。(4)抗冲击负荷能力强，耐低温。(5)易挂膜，启动快。本世纪初，对BAF有了进一步的研究，通过控制进水负荷和溶解氧浓度，在单一 BAF中实现除C和同步硝化、反硝化，使BAF 的应用更加有效、简便。BAF良好的出水水质和操作稳定性，使其在污水回用领域的应用已成为国内外学者的研究热点。但是如何降低BAF填料的密度和生产成本，提高，从而提高处理效率，是BAF技术未来研究的方向之一。
发明内容
本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种颗粒孔隙率高、微生物负载量大、制备方法简单、成本低的低密度沸石曝气生物滤池填料及其制备方法。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明低密度沸石曝气生物滤池填料的特点在于所述填料是以发泡塑料颗粒为内核，以天然沸石颗粒为外壳形成的低密度沸石曝气生物滤池填料。本发明低密度沸石曝气生物滤池填料的特点是按质量百分比其原料构成为沸石矿石、水泥和发泡塑料颗粒；其中沸石矿石与水泥的质量比为3 1-6 1，沸石矿石与水泥的体积之和与发泡塑料颗粒的体积比为2 1-1 2。本发明低密度沸石曝气生物滤池填料的制备方法的特点在于按以下步骤操作a、将沸石矿石粉碎得到40-100目的沸石粉料，将沸石粉料和水泥混合得混合料；b、向成球盘中撒入发泡塑料颗粒，在发泡塑料颗粒的表面均勻喷水使其表面润湿，然后勻速撒入步骤a得到的混合料并同时向颗粒表面喷水，喷水量与所述混合料的质量比为1 2-2 1，成球盘在水平面内勻速转动使所述混合料逐步包覆在发泡塑料颗粒上，当颗粒直径为4-10mm时停止添加混合料并从成球盘中下料，自然堆存常温静置不少于 5天；所述发泡塑料颗粒粒径为2_4mm。与现有技术相比本发明的有益效果体现在1、本发明低密度沸石曝气生物滤池填料的孔隙率高，有大量开放孔隙存在，孔径 0. 01-0. Imm,表面粗糙，微生物可以深入颗粒内部空隙，与烧结陶粒和颗粒沸石相比，更容易被微生物挂膜。作为曝气生物滤池填料，微生物负载量大，去除氨氮效率高，占地面积小， 处理成本低。2、本发明低密度沸石曝气生物滤池填料含有天然沸石，利用沸石对NH4+的优良吸附性能，缓冲进水氨氮浓度的波动，降低曝气生物滤池启动阶段、反冲洗后出水氨氮浓度。提高曝气生物滤池处理效果的稳定性，并解决低温条件下曝气生物滤池脱氮性能差的难题。3、本发明低密度沸石曝气生物滤池填料密度低，气-水反冲洗容易，填料塔需要承载的重量低，可以降低曝气生物滤池建筑造价，并解决了目前曝气生物滤池填料密度大， 反冲洗困难的问题。4、本发明低密度沸石曝气生物滤池填料具有常温制备的优点，克服了陶粒填料表面结釉、开放孔隙率低的缺点，也不需要陶粒的高温制备过程和设备，节约能源，降低曝气生物滤池填料生产成本。5、本发明低密度沸石曝气生物滤池填料制备使用的骨料颗粒细小00-100目)， 与直接破碎制备的颗粒沸石(3_6mm)相比，大大增加了微米级空隙体积，减少了溶质传质阻力，提高了吸附和生物再生速率。6、本发明低密度曝气生物滤池填料通过富集低浓度的氨氮和有机物，提高硝化菌等微生物代谢所需底质浓度，提高硝化反应速率，利用生物硝化作用，实现沸石的动态再生，解决沸石吸附氨氮后再生成本高、操作难度大的难题。7、本发明原料中的水泥不仅是颗粒材料的粘结剂，而且具有吸附磷的作用，本发明的材料具有同步脱氮除磷作用。
四
图1是本发明制备的低密度沸石曝气生物滤池填料照片。图2是本发明制备的低密度沸石曝气生物滤池填料颗粒断面场发射扫描电镜图像，表明低密度沸石曝气生物滤池填料内部存在大量微米孔，微生物可以进入滤料内部，提高了微生物负载量。图3是本发明制备的低密度沸石曝气生物滤池填料颗粒负载微生物后断面场发射扫描电镜图像，表明低密度沸石曝气生物滤池填料内部孔隙中分布大量微生物。图4是使用本发明制备的低密度沸石曝气生物滤池填料得到的曝气生物滤池处理系统总磷和COD去除率。
五具体实施例方式以发泡塑料颗粒为内核，425号水泥为粘结剂，天然沸石颗粒为外壳制备低密度沸石曝气生物滤池填料，其中发泡塑料颗粒为巩义市超洁净水材料厂生产EPS型发泡聚苯塑料，非限定实施例叙述如下。实施例1 本实施例中低密度沸石曝气生物滤池填料按质量百分比其原料构成为沸石矿石 750g, 425号水泥250g，发泡塑料颗粒直径2_4mm，沸石矿石与水泥的体积之和与发泡塑料颗粒的体积比为2 1。本实施例中低密度沸石曝气生物滤池填料的制备方法是按以下步骤操作a、将沸石矿石粉碎得到40-100目的沸石粉料，将沸石粉料和425号水泥加入到混料机中混合30分钟，使两种原料混合均勻得混合料；b、向成球盘中撒入发泡塑料颗粒，在发泡塑料颗粒的表面均勻喷水，使其表面润湿，然后勻速撒入步骤a得到的混合料并向颗粒表面喷水，喷水量与所述混合料的质量比为1 2-2 1，成球盘在水平面内以5-30r/min的转速勻速转动使混合料逐步包覆在发泡塑料颗粒上，随着颗粒在成球盘中滚动，颗粒直径不断增大，当颗粒直径为4-10mm时停止添加混合料并从成球盘中下料，自然堆存常温静置保湿养护10天即可。本实施例制备的低密度沸石曝气生物滤池填料颗粒表观密度1. 2g/cm3 ；颗粒强度 70N。实施例2 本实施例中低密度沸石曝气生物滤池填料按质量百分比其原料构成为沸石矿石 1200g，425号水泥200g，发泡塑料颗粒，直径2_4mm，沸石矿石与水泥的体积之和与发泡塑料颗粒的体积比为1 2。本实施例中低密度沸石曝气生物滤池填料的制备方法是按以下步骤操作a、将沸石矿石粉碎得到40-100目的沸石粉料，将沸石粉料和425号水泥加入到混料机中混合30分钟，使两种原料混合均勻得混合料；b、向成球盘中撒入发泡塑料颗粒，在发泡塑料颗粒的表面均勻喷水，使其表面润湿，然后勻速撒入步骤a得到的混合料并向颗粒表面喷水，喷水量与所述混合料的质量比为1 2-2 1，成球盘在水平面内以25-60r/min的转速勻速转动使混合料逐步包覆在发泡塑料颗粒上，随着颗粒在成球盘中滚动，颗粒直径不断增大，当颗粒直径为4-10mm时停止添加混合料并从成球盘中下料，自然堆存常温静置保湿养护15天即可。本实施例制备的低密度沸石曝气生物滤池填料颗粒表观密度1. 3g/cm3 ；颗粒强度 55N。实施例3 本实施例中低密度沸石曝气生物滤池填料按质量百分比其原料构成为沸石矿石 800g，425号水泥200g，发泡塑料颗粒，直径2_4mm，沸石矿石与水泥的体积之和与发泡塑料颗粒的体积比为1 1。本实施例中低密度沸石曝气生物滤池填料的制备方法是按以下步骤操作a、将沸石矿石粉碎得到40-100目的沸石粉料，将沸石粉料和425号水泥加入到混料机中混合30分钟，使两种原料混合均勻得混合料；b、向成球盘中撒入发泡塑料颗粒，在发泡塑料颗粒的表面均勻喷水，使其表面润湿，然后勻速撒入步骤a得到的混合料并向颗粒表面喷水，喷水量与所述混合料的质量比为1 2-2 1，成球盘在水平面内以60-100r/min的转速勻速转动使混合料逐步包覆在发泡塑料颗粒上，随着颗粒在成球盘中滚动，颗粒直径不断增大，当颗粒直径为4-10mm时停止添加混合料并从成球盘中下料，自然堆存常温静置保湿养护20天即可。本实施例制备的低密度沸石曝气生物滤池填料颗粒表观密度1. 25g/cm3 ；颗粒强度 65N。水处理将实施例1-3制备得到的低密度沸石曝气生物滤池填料装填入直径150mm、高度 200mm的试验柱，填料有效高度1400mm。配制氨氮浓度10mg/L、C0D50mg/L的模拟含氮微污染水。在试验柱中接种生活污泥，以配制的氨氮水进水，按气水比3 1鼓风曝气。用分光光度法检测出水氨氮浓度，重铬酸钾法检测出水COD浓度。环境温度17°C，运行10天后出水氨氮和COD浓度稳定，表明颗粒表面形成成熟的生物膜，出水氨氮浓度小于lmg/L，COD浓度小于25mg/L，氨氮和COD去除率分别达到90%和50%，出水水质达到III类地面水体水质标准，可以作为景观用水。
权利要求
1.一种低密度沸石曝气生物滤池填料，其特征在于所述填料是以发泡塑料颗粒为内核，以天然沸石颗粒为外壳形成的低密度沸石曝气生物滤池填料。
2.根据权利要求1所述的低密度沸石曝气生物滤池填料，其特征是按质量百分比其原料构成为沸石矿石、水泥和发泡塑料颗粒；其中沸石矿石与水泥的质量比为3 1-6 1， 沸石矿石与水泥的体积之和与发泡塑料颗粒的体积比为2 1-1 2。
3.—种权利要求1或2所述的低密度沸石曝气生物滤池填料的制备方法，其特征在于按以下步骤操作a、将沸石矿石粉碎得到40-100目的沸石粉料，将沸石粉料和水泥混合得混合料；b、向成球盘中撒入发泡塑料颗粒，在发泡塑料颗粒的表面均勻喷水使其表面润湿，然后勻速撒入步骤a得到的混合料并同时向颗粒表面喷水，喷水量与所述混合料的质量比为 1:2-2: 1，成球盘在水平面内勻速转动使所述混合料逐步包覆在发泡塑料颗粒上，当颗粒直径为4-10mm时停止添加混合料并从成球盘中下料，自然堆存常温静置不少于5天；所述发泡塑料颗粒粒径为2-4mm。
全文摘要
本发明公开了一种低密度沸石曝气生物滤池填料及其制备方法，本填料是以发泡塑料颗粒为内核，以天然沸石颗粒为外壳形成的低密度沸石曝气生物滤池填料，其原料为沸石矿石、水泥和发泡塑料颗粒；其制备方法是将沸石矿石粉碎后与水泥混合得到混合料，然后向发泡塑料颗粒中撒入混合料并同时喷水，使混合料包覆在发泡塑料颗粒的表面，即得低密度沸石曝气生物滤池填料。本发明材料孔隙率高，孔径0.01-0.1mm，微生物可以深入颗粒内部空隙，微生物负载量大，去除氨氮效率高，且具有同步吸附除磷作用。
文档编号C02F3/10GK102249402SQ20111010600
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者彭书传, 束松林, 谢巧勤, 谢晶晶, 陈天虎 申请人:合肥工业大学