一种人工湿地生物膜耦合铁碳微电解填料的制作方法

[0001]
本发明涉及人工湿地技术领域，具体为一种人工湿地生物膜耦合铁碳微电解填料。


背景技术：

[0002]
人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物力、化学、生物三重协同作用，为污水、污泥进行处理的一种技术，其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用，现有的人工湿地容易堵塞，且对有机物、总氮、总磷的去除效果较差。


技术实现要素：

[0003]
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种人工湿地生物膜耦合铁碳微电解填料，便于解决工湿地容易堵塞的问题，便于去除对人工湿地系统中的有机物、总氮、总磷进行有效的去除，实用性较强，可以有效解决背景技术中的问题。
[0004]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种人工湿地生物膜耦合铁碳微电解填料，包括铁碳微电解填料和生物膜填料，所述铁碳微电解填料和所述生物膜填料耦合组成生物膜耦合铁碳电解模块，所述生物膜耦合铁碳电解模块的上层为铁碳微电解填料层，所述生物膜耦合铁碳电解模块的下层为生物膜填料层，所述铁碳微电解填料由钢铁污泥、椰子壳、细菌纤维素废材、膨润土、可溶性淀粉和氯化镧构成，所述生物膜填料由石笼、曝气管和阿克曼生态基构成。
[0005]
作为本发明的一种优选技术方案，所述生物膜耦合铁碳电解模块中的所述铁碳微电解填料层与所述生物膜填料的体积比为1/2-2/3，所述铁碳微电解填料层中的填料粒径为2-5mm。
[0006]
作为本发明的一种优选技术方案，所述铁碳微电解填料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1：钢铁污泥的预处理：将钢铁污泥在105℃下干燥，然后破碎、研磨，最后用100目的分样筛筛分，取筛下部分保存备用；
[0008]
步骤2：生物炭制备：将椰子壳和细菌纤维素废材清洗干净，在50℃下烘干，将烘干后的椰子壳和细菌纤维素废材以1-2∶1重量比混合，混合后将其置于马弗炉中，在500-1000℃下炭化2-4h，制得生物炭；
[0009]
步骤3：铁碳微电解填料的制备：将预处理后的钢铁污泥、生物炭、膨润土和可溶性淀粉按1∶1-3∶0.5∶0.1-0.2的比例，制成直径为2-4mm的生料球，将生物球自然风干，自然风干后的生物球放入105℃的烘箱中干燥1-2h，待干燥后的生物球冷却至室温后放入马弗炉中在800-1200℃焙烧30-45min，焙烧冷却后即得铁碳微电解填料半成品，将铁碳微电解填
料半成品和氯化镧放入耐热器皿中，其中n(铁)∶n(镧)为0.05-0.10，搅拌使其充分接触，再缓慢滴加naoh，酸碱度调至10-11.5，然后将该耐热器皿移至恒温箱内，保持105-110℃温度，充分反应2-3h，最后将耐热器皿中的样品取出冷却，用清水清洗至中性，烘干，至此，完成一次完整的制备周期，第二周期以经过第一周期处理的铁碳微电解填料为载体，其他操作方法相同，第三周期操作过程依此类推，经过3-5次循环最后制得铁碳微电解填料。
[0010]
作为本发明的一种优选技术方案，所述的人工湿地生物膜耦合铁碳微电解填料，包括有机玻璃箱体，所述有机玻璃箱体内腔底部的左右两侧分别回设有挡板一和挡板二，所述有机玻璃箱体内腔且位于挡板一右侧的位置处设有石笼一，所述石笼一内填充有砾石填料，所述有机玻璃箱体内腔且位于挡板二左侧的位置处设有石笼二，所述石笼二内填充有沸石填料，所述石笼一和所述石笼二之间从上到下依次设有铁碳微电解填料和生物膜填料，所述生物膜填料的底部连接有配重物，所述有机玻璃箱体内腔底部且位于生物膜填料下方的位置处设有曝气管。
[0011]
作为本发明的一种优选技术方案，所述有机玻璃箱体左端面靠近顶部的位置处设有进水口，所述机玻璃箱体右端面靠近底部的位置处设有出水口。
[0012]
作为本发明的一种优选技术方案，所述配重物为不锈钢吊坠。
[0013]
作为本发明的一种优选技术方案，所述石笼一中的砾石填料上部种植有生态净化用植物一。
[0014]
作为本发明的一种优选技术方案，所述石笼二中的沸石填料部种植有生态净化用植物二。
[0015]
与现有技术相比，本发明有以下的有益效果：
[0016]
1、本发明对传统的人工湿地进行改进，通过在人工湿地内部嵌设生物膜耦合铁碳电解模块，解决人工湿地堵塞问题，此外，通过生物膜耦合铁碳电解模块不仅加强了人工湿地系统对有机物、总氮、总磷的去除，同时增加了系统的抗寒性能，拓宽了人工湿地在北方寒冷区域的应用；
[0017]
2、本发明的铁碳微电解填料中细菌纤维素废材等组成物质使得填料多孔、不易堵塞，具有较强的抗酸碱性、稳定性及脱氮除磷性能；
[0018]
3、本发明的铁碳微电解填料可在系统内形成微电场，为人工湿地微生物群落还原硝态氮提供了足够的电子，铁碳微电解填料中的生物炭溶解的有机物能够促进反硝化微生物的富集；
[0019]
4、本发明的铁碳微电解填料系统中铁离子、稀土镧离子能够与磷形成稳定络合物沉淀，能将磷长期稳固在填料中，避免污染物磷溶出进入水体造成二次污染。
附图说明
[0020]
图1为本发明生物膜耦合铁碳微电解填料结构示意图；
[0021]
图2为本发明生物膜耦合铁碳微电解填料应用结构示意图。
[0022]
图中：进水口1、砾石填料2、有机玻璃箱体3、挡板一4、生态净化用植物一5、生态净化用植物二6、铁碳微电解填料7、沸石填料8、挡板二9、石笼一10、曝气管11、配重物12、生物膜填料13、出水口14。
具体实施方式
[0023]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。
[0024]
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种人工湿地生物膜耦合铁碳微电解填料，包括铁碳微电解填料7和生物膜填料13，铁碳微电解填料7和生物膜填料13耦合组成生物膜耦合铁碳电解模块，生物膜耦合铁碳电解模块的上层为铁碳微电解填料层，生物膜耦合铁碳电解模块的下层为生物膜填料层，铁碳微电解填料7由钢铁污泥、椰子壳、细菌纤维素废材、膨润土、可溶性淀粉和氯化镧构成，生物膜填料13由石笼、曝气管和阿克曼生态基构成，生物膜耦合铁碳电解模块中的铁碳微电解填料层与生物膜填料层的体积比为1/2-2/3，铁碳微电解填料层中的填料粒径为2-5mm，细菌纤维素废材主要是废弃的纱布。
[0025]
铁碳微电解填料7的制备方法，包括以下步骤：
[0026]
步骤1：钢铁污泥的预处理：将钢铁污泥在105℃下干燥，然后破碎、研磨，最后用100目的分样筛筛分，取筛下部分保存备用；
[0027]
步骤2：生物炭制备：将椰子壳和细菌纤维素废材清洗干净，在50℃下烘干，将烘干后的椰子壳和细菌纤维素废材以1-2∶1重量比混合，混合后将其置于马弗炉中，在500-1000℃下炭化2-4h，制得生物炭；
[0028]
步骤3：铁碳微电解填料7的制备：将预处理后的钢铁污泥、生物炭、膨润土和可溶性淀粉按1∶1-3∶0.5∶0.1-0.2的比例，制成直径为2-4mm的生料球，将生物球自然风干，自然风干后的生物球放入105℃的烘箱中干燥1-2h，待干燥后的生物球冷却至室温后放入马弗炉中在800-1200℃焙烧30-45min，焙烧冷却后即得铁碳微电解填料半成品，将铁碳微电解填料半成品和氯化镧放入耐热器皿中，其中n(铁)∶n(镧)为0.05-0.10，搅拌使其充分接触，再缓慢滴加naoh，酸碱度调至10-11.5，然后将该耐热器皿移至恒温箱内，保持105-110℃温度，充分反应2-3h，最后将耐热器皿中的样品取出冷却，用清水清洗至中性，烘干，至此，完成一次完整的制备周期，第二周期以经过第一周期处理的铁碳微电解填料为载体，其他操作方法相同，第三周期操作过程依此类推，经过3-5次循环最后制得铁碳微电解填料7。
[0029]
为了更好地理解本发明，下面将本发明中生物膜耦合铁碳电解模块置于人工湿地中，构建一套新型人工湿地装置，并结合实施例对本发明进行进一步的阐明。
[0030]
人工湿地生物膜耦合铁碳微电解填料，包括有机玻璃箱体3，有机玻璃箱体3内腔底部的左右两侧分别回设有挡板一4和挡板二9，有机玻璃箱体3内腔且位于挡板一4右侧的位置处设有石笼一10，石笼一10内填充有砾石填料2，有机玻璃箱体3内腔且位于挡板二9左侧的位置处设有石笼二，石笼二内填充有沸石填料8，石笼一10和石笼二之间从上到下依次设有铁碳微电解填料7和生物膜填料13，生物膜填料13的底部连接有配重物12，有机玻璃箱体3内腔底部且位于生物膜填料13下方的位置处设有曝气管11，有机玻璃箱体3左端面靠近顶部的位置处设有进水口1，机玻璃箱体3右端面靠近底部的位置处设有出水口14，配重物12为不锈钢吊坠，石笼一10中的砾石填料2上部种植有生态净化用植物一5，石笼二中的沸石填料8部种植有生态净化用植物二6。
[0031]
人工湿地装置说明：人工湿地装置由有机玻璃箱体3构成，有机玻璃箱体3为
120cm*60cm*60cm，人工湿地装置从左至右依次为进水槽、砾石区、生物膜耦合铁碳电解区、沸石区、出水槽，进水槽即为挡板一4和机玻璃箱体3之间组成的腔体内，砾石区即为石笼一10内填充的砾石填料2，生物膜耦合铁碳电解区即为铁碳微电解填料7和生物膜填料13组成的生物膜耦合铁碳电解模块，沸石区即为石笼二内填充的沸石填料8，出水槽为挡板二9和机玻璃箱体3之间组成的腔体内，体积比为1∶2∶8∶2∶1，进水口1距底部30cm，出水口14距底部10cm，挡板一4高55cm，挡板二9高50cm，砾石区、生物膜耦合铁碳电解区、沸石区布设高度相等，距底部48cm，砾石区和沸石区种植生态净化用植物一5，比如黄菖蒲，生物膜耦合铁碳电解区种植生态净化用植物二6，比如美人蕉。
[0032]
试验说明：试验进水选取某市污水厂尾水，进水污染物浓度nh3-n浓度为3-5mg/l、tn浓度为10-15mg/l、tp浓度为0.4-0.5mg/l，采用连续进水的方式运行，hrt＝24h，连续一个月采用国标方法测出水中nh3-n、tn和tp浓度，取平均值作为最终结果。
[0033]
实施例1：
[0034]
步骤1：钢铁污泥的预处理：将钢铁污泥在105℃下干燥，然后破碎、研磨，最后用100目的分样筛筛分，取筛下部分保存备用；
[0035]
步骤2：生物炭制备：将椰子壳和细菌纤维素废材清洗干净，在50℃下烘干，将烘干后的椰子壳和细菌纤维素废材以1.5∶1重量比混合，混合后将其置于马弗炉中，在600℃下炭化3h，制得生物炭；
[0036]
步骤3：铁碳微电解填料的制备：将预处理后的钢铁污泥、生物炭、膨润土和可溶性淀粉按1∶1∶0.5∶0.15的比例，制成直径为3mm的生料球，将生物球自然风干，自然风干后的生物球放入105℃的烘箱中干燥1.5h，待干燥后的生物球冷却至室温后放入马弗炉中在900℃焙烧35min，焙烧冷却后即得铁碳微电解填料半成品，将铁碳微电解填料半成品和氯化镧放入耐热器皿中，其中n(铁)∶n(镧)为0.08，搅拌使其充分接触，再缓慢滴加naoh，酸碱度调至11，然后将该耐热器皿移至恒温箱内，保持105℃温度，充分反应3h，最后将耐热器皿中的样品取出冷却，用清水清洗至中性，烘干，至此，完成一次完整的制备周期，第二周期以经过第一周期处理的铁碳微电解填料为载体，其他操作方法相同，第三周期操作过程依此类推，经过4次循环最后制得铁碳微电解填料。
[0037]
生物膜耦合铁碳电解区采用实施例1制得的生物膜耦合铁碳电解填料，生物膜耦合铁碳电解区的铁碳微电解填料层与生物膜填料层体积比为1/2，曝气方式采用间歇曝气。
[0038]
实验水体经过含有实施例1制得的生物膜耦合铁碳电解填料的人工湿地装置后的出水水质情况：nh3-n、tn、tp分别为1.08mg/l、1.31mg/l、0.22mg/l。
[0039]
实施例2：
[0040]
铁碳微电解填料制备按照实施案例1操作步骤，仅改变：预处理后的钢铁污泥、生物炭、膨润土、可溶性淀粉的加入比例1∶2∶0.5∶0.15，生物膜耦合铁碳电解区采用实施例2制得的生物膜耦合铁碳电解填料，生物膜耦合铁碳电解区的铁碳微电解填料层与生物膜填料层体积比为1/2，曝气方式采用间歇曝气。
[0041]
实验水体经过含有实施例2制得的生物膜耦合铁碳电解填料的人工湿地装置后的出水水质情况：nh3-n、tn、tp分别为0.50mg/l、0.82mg/l、0.06mg/l。
[0042]
实施例3：
[0043]
铁碳微电解填料制备按照实施案例1操作步骤，仅改变：预处理后的钢铁污泥、生
物炭、膨润土、可溶性淀粉的加入比例1∶3∶0.5∶0.15，生物膜耦合铁碳电解区采用实施例3制得的生物膜耦合铁碳电解填料，生物膜耦合铁碳电解区的铁碳微电解填料层与生物膜填料层体积比为1/2，曝气方式采用间歇曝气。
[0044]
实验水体经过含有实施例3制得的生物膜耦合铁碳电解填料的人工湿地装置后的出水水质情况：nh3-n、tn、tp分别为0.86mg/l、1.05mg/l、0.03mg/l。
[0045]
实施例4：
[0046]
铁碳微电解填料制备按照实施案例1操作步骤，仅改变：预处理后的钢铁污泥、生物炭、膨润土、可溶性淀粉的加入比例1∶2∶0.5∶0.15，生物膜耦合铁碳电解区采用实施例4制得的生物膜耦合铁碳电解填料，生物膜耦合铁碳电解区的铁碳微电解填料层与生物膜填料层体积比为2/3，曝气方式采用间歇曝气。
[0047]
实验水体经过含有实施例4制得的生物膜耦合铁碳电解填料的人工湿地装置后的出水水质情况：nh3-n、tn、tp分别为0.94mg/l、1.23mg/l、0.05mg/l。
[0048]
实施例5：
[0049]
铁碳微电解填料制备按照实施案例1操作步骤，仅改变：预处理后的钢铁污泥、生物炭、膨润土、可溶性淀粉的加入比例1∶2∶0.5∶0.15，生物膜耦合铁碳电解区采用实施例5制得的生物膜耦合铁碳电解填料，生物膜耦合铁碳电解区的铁碳微电解填料层与生物膜填料层体积比为1/2，曝气方式采用连续曝气。
[0050]
实验水体经过含有实施例5制得的生物膜耦合铁碳电解填料的人工湿地装置后的出水水质情况：nh3-n、tn、tp分别为0.48mg/l、0.98mg/l、0.04mg/l。
[0051]
综上可知，第一，钢铁污泥在填料中比例越高，人工湿地装置的系统对磷的去除效果越好，但过高的钢铁污泥会降低氨氮的去除效果，因此按照预处理后的钢铁污泥、生物炭、膨润土、可溶性淀粉1∶2∶0.5∶0.15的比例进行制备，综合脱氮除磷效果最佳；
[0052]
第二，生物膜耦合铁碳电解区铁碳微电解填料层与生物膜填料层体积比为1/2，系统对氮磷去除效果最佳，更多的铁碳微电解填料7为生物膜填料微生物提供更丰富的生存条件；
[0053]
第三，采用间歇曝气的方式，系统对氮的去除效果最好，该方式为人工湿地装置的系统好氧及厌氧微生物提供更合适的生长环境，提高了系统微生物在硝化反硝化过程中的作用；
[0054]
第四，综上影响因素影响力大小依次为铁碳填料配比、铁碳微电解填料层与生物膜填料层体积比、曝气方式。
[0055]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。