一种催化铁内电解生物流化填料及其制备方法

专利名称：一种催化铁内电解生物流化填料及其制备方法
技术领域：
本发明属于废水处理领域，具体涉及ー种催化铁内电解生物流化填料及其制备方法。
背景技术：
为了提高废水生物处理系统中的微生物量和活性，科技和工程人员开发了多种生物载体填料。根据填料的安装方式不同，可以分为固定式和流化式。前者如软性、半软性填料、组合填料、弾性填料等，这些填料虽然价格较低，但是安装需要对应的填料架，不止増加了投资和填料更换的困难，而且也影响填料下的相关水处理设备(如曝气、搅拌、配水等设备)的维护和更换。而流化填料使用、更换方便，可以根据实际需要随时调整投加量，因此目前流化填料成为生物载体的研究和应用热点，也开发了多种不同形式的流化 填料，如“ー种循环式水处理流化填料”(专利申请号200720128864. 7)、“ー种高效脱氮水处理流化填料”(专利申请号200720128865. I)、“空心齿形流化填料”(专利申请号200510116790. O)、“多面流化填料”(专利申请号=200610137088. 7)、“改良的生物流化填料”(专利申请号200520128198. 85)等，开发这些填料的主要目的为了是增加填料的比表面积、減少流化所需动力、提高填料的使用效率等，而其他作用相对较少。为了进一步提高流化载体填料对污染物去除效率，开发出了具有生物催化作用的流化填料，如“用于生物流化床的生物催化组合填料的制备方法”(专利申请号200410018319. 3)，该填料将一定比例的活性炭、超高分子聚こ烯、鉄、锰四种材料通过500-560°C高温焙烧制成。由于铁、锰的存在，一方面増加了电子传递功能，提高了生物的新陈代谢速度；另一方面还可以促使生化过程在无氧条件下高效完成，扩大了填料的使用范围。可以看出，该类填料制作条件要求较高，限制了其推广应用。催化铁内电解技术可以通过还原的方法将废水中的有毒有害的难降解有机污染物转化为低毒或无毒的易生物降解物质，同时产生的铁离子可以将磷酸盐沉淀，刺激微生物的新陈代谢，增强传统生物载体的挂膜性能，促进硝化细菌的増殖，因此既可以作为単独处理单元，也可以与生物处理技术组合使用，如“ー种催化铁内电解污水处理方法及其使用的填料”(专利申请号200510029765. 9)、“催化铁还原与厌氧水解酸化协同处理工业废水的方法”(专利申请号20081019601. O)。该方法对pH等外部条件要求低，应用方便，因此已经在工程中应用，取得了理想的效果。但是在实际应用中，由于催化铁内电解填料较重，在系统中通常以静止状态存在，因此尽管所采用的填料堆积比重较小，填料空隙率达到95%以上，但随着运行时间的延长，不可避免的出现堵塞现象，妨碍了废水与填料的直接接触，降低处理效果。此外，传统催化铁填料安装需要专门的支撑架，安装、更换困难。所以在使用该类催化铁内电解填料的同时，不得不考虑如何減少该类现象的发生而采取种种措施，这在一定程度上影响了该技术的推广应用
发明内容
本发明的目的是提供ー种催化铁内电解生物流化填料。本发明的另ー个目的是提供ー种上述催化铁内电解生物流化填料的制备方法。本发明的技术方案如下本发明提供了一种催化铁内电解生物流化填料，该催化铁内电解生物流化填料包括以下组分和重量百分含量外壳10-15%，
催化铁80-90%，比重调节材料0_5%。所述的外壳为现有悬浮生物载体所能采用的高分子材料，选自聚こ烯或聚丙烯材料。所述的催化铁选自铁刨花或铜刨花中的ー种或两种；其中，铁刨花为铸铁加工后的边角料，铁中含碳量O. 05-0. 5 %，铁刨花厚度I. 0-2. 0mm，具有延展性和抗拉强度，除铁刨花外，其他杂质(如尘土、杂物等)<2% ;铜刨花为紫铜材料，厚度O. 5-1. 0mm，长度5-150mm,平均长度为60mm,宽度为2_20mm。所述的比重调节材料选自泡沫塑料或空心塑料球等表观比重小于水的材料，或者是直接利用聚こ烯或聚丙烯材料加工成网状的半球球冠作为外壳，每个半球球冠制作时非孔隙部分中空，形成气囊，能够产生浮力，得到具有比重调节功能的外売。本发明还提供了ー种上述催化铁内电解生物流化填料的制备方法，该方法包括以下步骤将催化铁压制成一定形状的催化铁内电解材料，将催化铁内电解材料和比重调节材料填充到外壳中，或者将催化铁内电解材料直接填充到具有调节功能的外壳中，从而制成可流化的生物填料。所述的催化铁压制成一定形状的催化铁内电解材料，包括以下步骤将铁刨花和铜刨花按照质量比10 : I 20 : I的比例混合，并压制成堆积比重为O. 15 O. 30、直径为35 145mm的球状或半球冠状催化铁内电解材料；或先将铁刨花压制成同样堆积比重、直径、形状的单元块，然后按照质量比O. 2% I. 0%的比例镀铜、镀钯或镀银等，即可制得催化铁内电解材料。所述的外壳为两个半球冠的球形生物悬浮填料，或将高分子材料加工制作成外直径为40-150mm和内直径为35_145mm的两个网状半球球冠，孔隙率为35-65%，每个半球球冠非孔隙部分中空，形成气囊；其中，高分子材料选自聚こ烯或聚丙烯材料。所述的气囊在水中所形成的浮力等于组合填料产生重力的O. 95-1. 05倍，组合填料产生的重力包括填料外壳本身产生的重力与内部催化铁内电解材料产生的重力，从而使得填料本身能够直接悬浮或者在微小紊动条件下悬浮于水中；以此类方法所得到的催化铁内电解生物流化填料，外壳同时起到了比重调节功能，因此该类催化铁内电解生物流化填料中的催化铁材料部分占总重量的85% _90%，外壳材料占总重量的10% -15%，比重调节材料为0%。所述的比重调节材料加入比例以其在水中形成的浮力等于组合填料产生重力的O. 95-1. 05倍，组合填料产生的重力包括外壳产生的重力、内部催化铁内电解材料产生的重力和比重调节材料本身产生的重力，从而使得填料本身能够直接悬浮或者在微小紊动条件下悬浮于水中。以此类方法制作所得到催化铁内电解生物流化填料其催化铁材料占整个填料重量的85% -90%之间，比重调节材料占1% -5%之间，而外壳材料占10% -15%之间。如上所述，催化铁内电解填料块与外壳材料以及比重调节材料结合必须牢固，且要遵循生物附着材料(作为组合填料外売)在外，而催化铁内电解填料在内的原则，以充分发挥各自的功能。此外，外壳材料必须有足够大的空隙(35% 65%)，即使在生物膜形成后，也能使得废水顺利进入催化铁内电解填料内部。该发明通过巧妙地使用比重调节材料，使得催化铁内电解填料能够悬浮、流化，在保证催化铁内电解处理效果下，有效解决了传统催化铁内电解填料在使用过程中可能出现的堵塞问题。此外和现有生物载体结合，既强化了现有生物附着材料的挂膜性能，从而增加生物量和活性，同时生物的作用也确保了催化铁内电解的还原条件，減少了铁的消耗量。 该发明的关键技术是比重调节材料的控制，即在制作过程中，要求比重调节材料所产生的浮力等于O. 95 I. 05倍的整体组合填料的重力。本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果I.本发明解决了催化铁内电解容易堵塞的缺点，又充分保留了催化铁内电解填料的技术优点，如价廉易得、对环境无害、还原能力强、效果好、适用PH范围广等。2.本发明填料载体制作方法简单，材料易得，既可以利用ー些废料，也可以充分利用现有填料或填料制作技木，而无需特殊设备或技木。3.本发明填料载体使用、更换方便，可以用于不同的池形，也可用于厌氧、缺氧、好氧等不同的环境条件。4.本发明实现了催化铁内电解与生物的相互耦合，发挥了两者的协同作用。催化铁内电解产生的铁离子可以直接改变外部生物附着载体的挂膜性能，因此无需对现有生物载体进行表面活化处理，而且对外部生物也有強化作用。而外部由于覆盖生物膜，保证了内部催化铁内电解处于厌、缺氧状态，充分发挥其还原能力，減少了铁的消耗量。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进ー步的说明。实施例I将铸铁加工后的边角料-铁刨花和铜刨花按照比例10 I制成直径为95mm的球状催化铁单元材料，堆积比重为O. 15，其中所用的铁刨花含碳量为O. 5%，铁刨花厚度为2. 0mm，具有延展性和抗拉强度，除铁刨花外，其它杂质为2%，所用的铜刨花采用铜片加エ而成，厚度为1.0mm,长度为100mm,宽度为15mm。另外利用聚こ烯材料,制作外直径为100mm,内直径95mm的网状半球球冠，其孔隙率为55%，每个半球球冠非孔隙部分中空，形成气囊，该壳体的浮力等于壳体本身重力与球状催化铁单元材料重力和的O. 95倍。把球状催化铁单元材料放置于两个半球冠状壳体内，合并固定，最终获得的催化铁内电解生物流化填料中的催化铁材料部分占总重量的90%，外壳(本身具有调节功能)占总重量的10%，比重调节材料0%。将获得的填料投放在处理化工园区废水的中试CAST池中处于悬浮状态，在有曝气情况下可以实现流化。经过7d后，生物填料表面布满生物膜，镜检发现其生物相及其丰富，而内部处于缺氧状态。长期运行发现内部催化铁内电解填料仍然过水性能良好，没有出现堵塞现象。实施例2将将铸铁加工后的边角料-铁刨花和铜刨花按照比例15 I制成直径为145mm的半球冠状催化铁单元材料，堆积比重为O. 2，其中所用的铁刨花含碳量为O. 05%，铁刨花厚度为I. Omm,具有延展性和抗拉强度，除铁刨花外，其它杂质为2 %，所用的铜刨花采用铜片加工而成，厚度为O. 5mm,长度为150mm，宽度为5mm。将催化铁内电解材料放置到现有直径为150_的球形悬浮填料中，在催化铁单元材料中心处放置泡沫塑料，使得泡沫塑料的浮力等于整个催化铁内电解生物流化填料重力的I. O倍。最終形成的催化铁内电解生物流化填料催化铁部分占总重量的80%，外壳占13%，比重调节材料为2%。将此填料直接投放在处理化工园区废水的中试CAST池中处于悬浮状态，在曝气情况下可以实现流化。经过7d后，生物填料表面布满生物膜，镜检发现其生物相及其丰富，而内部处于缺氧状态。长期运行发现内部催化铁内电解填料仍然过水性能良好，没有出现堵塞现象。同样的悬浮载体直接投放在处理化工园区废水的中试水解酸化池中，使其处于悬浮流化状态,经过IOd后，填料外部也长满微生物。长期运行发现内部没有出现堵塞现象。 实施例3将将铸铁加工后的边角料-铁刨花和铜刨花按照比例20 I制成直径为36mm的半球冠状催化铁单元材料，堆积比重为O. 3，其中所用的铁刨花含碳量为O. 1%，铁刨花厚度为I. 5mm，具有延展性和抗拉强度，除铁刨花外，其它杂质为I %，所用的铜刨花采用铜片加工而成，厚度为O. 5mm,长度为50mm,宽度为10mm。将该内电解材料放入直径为38mm的外壳内，添加以泡沫做成的比重调节材料(泡沫产生的浮力等于最终形成的整个组合填料重力的O. 95倍)，将外壳固定，形成可以悬浮于水中的催化铁内电解生物流化填料，该流化填料中的催化铁载体部分占总重量的85%，外壳占10%，比重调节材料占5%。将该填料用于处理草甘膦废水，在水力搅拌的条件下实现流化，其长期处理效果要好于固定式催化铁内电解填料系统，除磷率提高了 20%左右。且I个月的运行，未发现堵塞现象，其处理效果也没有下降。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的掲示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种催化铁内电解生物流化填料，其特征在于该催化铁内电解生物流化填料包括以下组分和重量百分含量 外壳10-15%, 催化铁80-90%， 比重调节材料 0-5%。
2.根据权利要求I所述的催化铁内电解生物流化填料，其特征在于所述的外壳为现有悬浮生物载体所能采用的高分子材料，选自聚乙烯或聚丙烯材料。
3.根据权利要求I所述的催化铁内电解生物流化填料，其特征在于所述的催化铁选自铁刨花或铜刨花中的一种或两种。
4.根据权利要求3所述的催化铁内电解生物流化填料，其特征在于所述的铁刨花为铸铁加工后的边角料，铁中含碳量O. 05-0. 5%，铁刨花厚度I. 0-2. Omm,除铁刨花外，其他杂质< 2% ;所述的铜刨花为紫铜材料，厚度O. 5-1. 0mm，长度5_150mm，宽度为2_20mm。
5.根据权利要求I所述的催化铁内电解生物流化填料，其特征在于所述的比重调节材料选自泡沫塑料或空心塑料球，或者是直接利用聚乙烯或聚丙烯材料加工成网状的半球球冠作为外壳，每个半球球冠制作时非孔隙部分中空，形成气囊，得到具有比重调节功能的夕卜壳。
6.权利要求I至5任一所述的催化铁内电解生物流化填料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤将催化铁压制成一定形状的催化铁内电解材料，将催化铁内电解材料和比重调节材料填充到外壳中，或者将催化铁内电解材料直接填充到具有调节功能的外壳中，从而制成可流化的生物填料。
7.根据权利要求6所述的催化铁内电解生物流化填料的制备方法，其特征在于所述的催化铁压制成一定形状的催化铁内电解材料，包括以下步骤将铁刨花和铜刨花按照质量比10 : I 20 : I的比例混合，并压制成堆积比重为O. 15 O. 30、直径为35 145_的球状或半球冠状催化铁内电解材料；或先将铁刨花压制成同样堆积比重、直径、形状的单元块，然后按照质量比O. 2% I. O %的比例镀铜、镀钯或镀银，即可制得催化铁内电解材料。
8.根据权利要求6所述的催化铁内电解生物流化填料的制备方法，其特征在于所述的外壳为两个半球冠的球形生物悬浮填料，或将高分子材料加工制作成外直径为40-150mm和内直径为35-145mm的两个网状半球球冠，孔隙率为35-65%，每个半球球冠非孔隙部分中空，形成气囊；其中，高分子材料选自聚乙烯或聚丙烯材料。
9.根据权利要求8所述的催化铁内电解生物流化填料的制备方法，其特征在于所述的气囊在水中所形成的浮力等于组合填料产生重力的O. 95-1. 05倍，组合填料产生的重力包括填料外壳本身产生的重力与内部催化铁内电解材料产生的重力；以此方法所得到的催化铁内电解生物流化填料，催化铁材料部分占总重量的85% -90%，外壳材料占总重量的 10% -15%。
10.根据权利要求6所述的催化铁内电解生物流化填料的制备方法，其特征在于所述的比重调节材料加入比例以其在水中形成的浮力等于组合填料产生重力的O. 95-1. 05倍，组合填料产生的重力包括外壳产生的重力、内部催化铁内电解材料产生的重力和比重调 节材料本身产生的重力，以此方法制作所得到催化铁内电解生物流化填料，其催化铁材料占整个填 料重量的85% -90%，比重调节材料占1% _5%，而外壳材料占10% -15%。
全文摘要
本发明属于废水处理领域，公开了一种催化铁内电解生物流化填料及其制备方法。本发明公开的催化铁内电解生物流化填料，包括以下组分和重量百分含量10-15％的外壳、80-90％的催化铁和0-5％比重调节材料。本发明公开的催化铁内电解生物流化填料制备方法，包括以下步骤将催化铁压制成一定形状的催化铁内电解材料，将催化铁内电解材料和比重调节材料填充到外壳中，或者将催化铁内电解材料直接填充到具有调节功能的外壳中，从而制成可流化的生物填料。本发明解决了催化铁内电解容易堵塞的缺点，又充分保留了催化铁内电解填料的技术优点，如价廉易得、对环境无害、还原能力强、效果好、适用pH范围广等。
文档编号C02F3/28GK102826646SQ20111016497
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者刘志刚, 马鲁铭, 王红武, 吴德礼, 樊金红 申请人:同济大学