一种除磷陶粒、除磷陶粒的制备方法及其应用与流程

1.本技术涉及污水处理的领域，尤其是涉及一种除磷陶粒、除磷陶粒的制备方法及其应用。


背景技术：

2.磷对微生物繁殖和生长具有关键性作用，目前，由于排入水体中的氮、磷等营养物质过多，而导致的水体富养化现象已成为全球关注的重点问题。研究表明，多数富营养化水体的主要形成因素是磷，尽可能的降低污水处理系统出水中的磷含量，可以有效的减少受纳水体富营养化现象的发生。因此，降低水体中的磷污染，提高污水处理系统的除磷效率和提高水环境质量迫在眉睫。
3.目前水体中的除磷方法较多，通常使用的是生物法、化学法和吸附法。其中生物法除磷是基于噬磷菌摄取及释放磷的原理，通过好氧-厌氧交替运行实现除磷，该方法具有运行费用低，并能够去除水体中有机污染物的优点，缺点是工艺运行稳定性差，运行操作严格，受进水温度等影响较大，对水中有机物浓度依赖性强，当水体中有机物浓度较低，磷含量较高时，很难满足出水中的磷达到排放标准。
4.化学法除磷是指应用铁盐、铝盐和石灰等产生的金属离子与磷酸根生成难溶磷酸盐沉淀物的方法来去除水体中的磷，该方法运行可靠，能达到较高的除磷率，但化学法除磷的过程是沉淀-溶解平衡的反应过程，需要投加较高的金属离子沉淀剂，才能达到较高的除磷率，但是使用的金属离子沉淀剂太多，就会使生成的污泥含水量大，难于处理，容易造成二次污染。
5.吸附法除磷是利用吸附剂提供的大比表面积，通过磷在吸附剂表面的附着、离子交换或表面沉淀过程，将磷从水体中分离，利用吸附-解吸方法，可以实现在消除污水中磷的同时，还可以回收污水中的磷进行再利用、变废为宝，因而吸附法除磷在污水处理领域中得到了发展，出现了多种类型的吸附剂，但是该方法存在以下问题：吸附容量不够高，运行周期比较短，磷去除率低。
6.针对上述中的相关技术，发明人认为现有技术中的除磷方法除磷效果较差，除磷效率较低。


技术实现要素：

7.为了提高农村污水的除磷效果，本技术提供一种除磷陶粒、除磷陶粒的制备方法及其应用。
8.第一方面，本技术提供一种除磷陶粒，采用如下的技术方案：
9.一种除磷陶粒，所述的除磷陶粒的原料包括质量百分比为20-30％的铁粉、质量百分比为20-30％的铝粉、质量百分比为10-30％的碳酸钙粉、质量百分比为10-25％的膨润土和质量百分比为3-5％的水。
10.通过采用上述技术方案，铁粉、铝粉在污水中的微电解作用下形成氢氧化物，金属
离子与磷酸盐反应，生成磷酸盐沉淀，此过程为离子交换过程，沉淀物吸附在陶粒表面达到磷的高效去除，碳酸钙粉在水中微量溶解，起到ph稳定的作用，使铁粉、铝粉内电解反应缓慢发生，减少了剧烈溶出，膨润土为粘接剂，使原料迅速成粒，除磷陶粒具有较强的吸附能力，吸附污水中的磷，使其沉淀，具有较高的除磷性能，从而提高了污水除磷的效率和效果。
11.第二方面，本技术提供一种除磷陶粒的制备方法，采用如下的技术方案：
12.一种除磷陶粒的制备方法，将原料按照配置比例进行混合、搅拌；
13.造粒，形成陶粒生料；
14.对陶粒生料进行烘干和烧制，陶粒生料烧制时，经过预热、保温、升温、恒温和降温的工序，得到除磷陶粒成品。
15.通过采用上述技术方案，原料按照配置的比例，进行混合、搅拌、造粒，形成陶粒生料，对陶粒生料进行烘干和烧制，其烧制过程中，依次按照预热、保温、升温、恒温和降温的工序烧制陶粒生料，若烧制时的温度升温太快，可能会导致陶粒炸裂，从而影响颗粒的稳定性，逐级升温和降温，不仅提高了除磷陶粒的强度和稳定性，还增加了除磷陶粒的孔隙率，提高了除磷陶粒的吸附能力，有利于污水中磷的吸附。
16.可选的，对陶粒生料进行烧制，首先将陶粒生料放入烧制设备中，对烘干后的陶粒生料进行预热和保温，预热温度为380-450℃，预热保温时间为30-35min，再进行升温，升温温度为1040-1100℃，升温速率为10-20℃/min，恒温烧结15-30min，最后进行降温，自然冷却至室温。
17.通过采用上述技术方案，烧制陶粒生料时，对陶粒生料进行预热和保温，可以使除磷陶粒的性能更加稳定，升温可以提高陶粒的强度和稳定性，升温速率实现温度的逐级升温，可以减少陶粒的破损率和磨损率，恒温烧结进一步强化了陶粒的强度及稳定性，提高了除磷陶粒的品质，从而使除磷陶粒达到磷的高效去除。
18.可选的，对陶粒生料进行烘干，使陶粒生料的含水率小于5％。
19.通过采用上述技术方案，烘干后，使陶粒生料的含水率小于5％，提高了除磷陶粒的成品率，后续对陶粒生料进行烧制时，可以缩短烧制的时间，节约了能源。
20.第三方面，本技术提供一种除磷陶粒的应用，采用如下的技术方案：将除磷陶粒应用在生活污水处理系统中。
21.通过采用上述技术方案，生活污水处理系统中使用除磷陶粒，可以有效地去除污水中的磷，提高了生活污水的除磷效果和效率。
22.可选的，所述的生活污水处理系统中设置除磷池，所述的除磷池内装填除磷陶粒。
23.通过采用上述技术方案，将除磷陶粒装填在除磷池中，生活污水进入除磷池后，将除磷陶粒浸没，采用浸没式除磷法吸附生活污水中的磷，使除磷陶粒能够与生活污水进行充分的接触，除磷陶粒形成的填料利用率大，提高了除磷陶粒的吸磷能力。
24.可选的，所述的除磷池内设置有承托框架，所述的除磷陶粒位于承托框架内。
25.通过采用上述技术方案，承托框架对除磷陶粒进行支撑，污水进入时，承托框架可以使除磷陶粒位于污水中，并使除磷陶粒与污水充分接触，从而达到高效除磷的效果，对除磷陶粒进行回收再利用时，也方便由承托框架内掏出除磷陶粒，回收的除磷陶粒可以再利用于人工湿地、建材、园林花卉、管道保温等。
26.可选的，所述的除磷陶粒在承托框架中形成的厚度为1.0-2.0m，吸附池水力负荷
为3-6m/h，空床接触时间为20-40min。
27.通过采用上述技术方案，设定除磷池的进水量为3-6m/h，可以根据进水量确定承托框架内装填的除磷陶粒的厚度和除磷陶粒与污水的空床接触时间，增加了除磷池的水力负荷，而有效提高了除磷池的除磷效果。
28.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
29.1、铁粉、铝粉在污水中的微电解作用下形成氢氧化物，金属离子与磷酸盐反应，生成磷酸盐沉淀，此过程为离子交换过程，沉淀物吸附在陶粒表面达到磷的高效去除，碳酸钙粉在水中微量溶解，起到ph稳定的作用，使铁粉、铝粉内电解反应缓慢发生，减少了剧烈溶出，膨润土为粘接剂，使原料迅速成粒，除磷陶粒具有较强的吸附能力，吸附污水中的磷，使其沉淀，具有较高的除磷性能；
30.2、原料按照配置的比例，进行混合、搅拌、造粒形成陶粒生料，对陶粒生料进行烘干和烧制，其烧制过程中，依次按照预热、保温、升温、恒温和降温的工序烧制陶粒生料，若烧制时的温度升温太快，可能会导致陶粒炸裂，从而影响颗粒的稳定性，逐级升温和降温，不仅提高了除磷陶粒的强度和稳定性，还增加了除磷陶粒的孔隙率，提高了除磷陶粒的吸附的能力，有利于污水中磷的吸附；
31.3、生活污水处理系统中使用除磷陶粒，可以有效地去除污水中的磷，提高了生活污水的除磷效果和效率。
附图说明
32.图1为本技术制备方法的流程图。
具体实施方式
33.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
34.实施例
35.实施例1
36.参照图1，一种除磷陶粒的制备方法，其制备步骤为：
37.s100、将原料按照配置比例进行混合、搅拌：
38.将铁粉30％、铝粉20％、碳酸钙粉20％、膨润土25％进行混合，得到混合材料，将混合材料放入搅拌机内，并加入水5％进行搅拌；
39.s200、造粒，形成陶粒生料：
40.将搅拌后的混合材料送入造粒机中进行造粒，造粒机挤压混合材料，形成陶粒生料，当陶粒生料的直径为10mm时，完成造粒；
41.s300、对陶粒生料进行烘干和烧制，陶粒生料烧制过程中，依次经过预热、保温、升温、恒温和降温的工序，得到除磷陶粒成品：
42.s310、将陶粒生料放入烘干机中，设定烘干机的温度为105℃，在105℃的温度中对陶粒生料进行烘干5h，烘干后的陶粒生料的含水率小于5％；
43.s320、使用的烧制设备为马弗炉，将烘干后的陶粒生料置于马弗炉中，进行预热，预热温度为400℃，在400℃的温度下保温30min，然后将马弗炉升温至1040℃，升温时的速率为15℃/min，升温后，恒温烧结30min，最后马弗炉开始降温，自然冷却至室温，得到除磷
陶粒成品。
44.上述制备条件下得到的除磷陶粒空隙率为70％，比表面积为4.37m2/g，吸水率为34％，破碎率与磨损率为2.5％，符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
45.利用除磷陶粒可以深度处理含磷的污水，污水中的总磷含量为4mg/l，向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除率为95.68％。
46.实施例2
47.参照图1，一种除磷陶粒的制备方法，其制备步骤为：
48.s100、将原料按照配置比例进行混合、搅拌：
49.将铁粉30％、铝粉20％、碳酸钙粉20％、膨润土25％进行混合，得到混合材料，将混合材料放入搅拌机内，并加入水5％进行搅拌；
50.s200、造粒，形成陶粒生料：
51.将搅拌后的混合材料送入造粒机中进行造粒，造粒机挤压混合材料，形成陶粒生料，当陶粒生料的直径为10mm时，完成造粒；
52.s300、对陶粒生料进行烘干和烧制，陶粒生料烧制过程中，依次经过预热、保温、升温、恒温和降温的工序，得到除磷陶粒成品：
53.s310、将陶粒生料放入烘干机中，设定烘干机的温度为105℃，在105℃的温度中对陶粒生料进行烘干5h，烘干后的陶粒生料的含水率小于5％；
54.s320、使用的烧制设备为马弗炉，将烘干后的陶粒生料置于马弗炉中，进行预热，预热温度为380℃，在380℃的温度下继续保温35min，然后将马弗炉升温至1100℃，升温时的速率为20℃/min，升温后，恒温烧结15min，最后马弗炉开始降温，自然冷却至室温，得到除磷陶粒成品。
55.上述制备条件下得到的陶粒空隙率为68％，比表面积为4.02m2/g，吸水率为39％，破碎率与磨损率为2.7％，符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
56.利用除磷陶粒深度处理含磷的污水，污水中的总磷含量为4mg/l。向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除率为92.12％。
57.实施例3
58.参照图1，一种除磷陶粒的制备方法，其制备步骤为：
59.s100、将原料按照配置比例进行混合、搅拌：
60.将铁粉30％、铝粉30％、碳酸钙粉20％、膨润土15％进行混合，得到混合材料，将混合材料放入搅拌机内，并加入水5％进行搅拌；
61.s200、造粒，形成陶粒生料：
62.将搅拌后的混合材料送入造粒机中进行造粒，造粒机挤压混合材料，形成陶粒生料，当陶粒生料的直径为10mm时，完成造粒；
63.s300、对陶粒生料进行烘干和烧制，陶粒生料烧制过程中，依次经过预热、保温、升温、恒温和降温的工序，得到除磷陶粒成品：
64.s310、将陶粒生料放入烘干机中，设定烘干机的温度为105℃，在105℃的温度中对陶粒生料进行烘干5h，烘干后的陶粒生料的含水率小于5％；
65.s320、使用的烧制设备为马弗炉，将烘干后的陶粒生料置于马弗炉中，进行预热，预热温度为450℃，在450℃的温度下继续保温30min，然后将马弗炉升温至1080℃，升温时的速率为10℃/min，升温后，恒温烧结20min，最后马弗炉开始降温，自然冷却至室温，得到除磷陶粒成品。
66.上述制备条件下得到的陶粒空隙率为72％，比表面积为4.57m2/g，吸水率为43％，破碎率与磨损率为2.3％，符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
67.利用除磷陶粒深度处理含磷的污水，污水中的总磷含量为4mg/l。向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除率为95.85％。
68.实施例4
69.参照图1，一种除磷陶粒的制备方法，其制备步骤为：
70.s100、将原料按照配置比例进行混合、搅拌：
71.将铁粉20％、铝粉20％、碳酸钙粉30％、膨润土25％进行混合，得到混合材料，将混合材料放入搅拌机内，并加入水5％进行搅拌；
72.s200、造粒，形成陶粒生料：
73.将搅拌后的混合材料送入造粒机中进行造粒，造粒机挤压混合材料，形成陶粒生料，当陶粒生料的直径为10mm时，完成造粒；
74.s300、对陶粒生料进行烘干和烧制，陶粒生料烧制过程中，依次经过预热、保温、升温、恒温和降温的工序，得到除磷陶粒成品：
75.s310、将陶粒生料放入烘干机中，设定烘干机的温度为105℃，在105℃的温度中对陶粒生料进行烘干5h，烘干后的陶粒生料的含水率小于5％；
76.s320、使用的烧制设备为马弗炉，将烘干后的陶粒生料置于马弗炉中，进行预热，预热温度为410℃，在400℃的温度下继续保温32min，然后将马弗炉升温至1050℃，升温时的速率为15℃/min，升温后，恒温烧结25min，最后马弗炉开始降温，自然冷却至室温，得到除磷陶粒成品。
77.上述制备条件下得到的陶粒空隙率为76％，比表面积为4.76m2/g，吸水率为45％，破碎率与磨损率为2.8％，符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
78.利用除磷陶粒深度处理含磷污水，污水中的总磷含量为4mg/l。向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除率为93.37％。
79.对比例
80.对比例1
81.一种除磷陶粒的制备方法，使用的原料及原料的质量百分比与实施例1的原料及原料的质量百分比相同，将马弗炉升温至900℃，按照实施例1的制备方法得到除磷陶粒成品。
82.对比例1得到的除磷陶粒空隙率为71％，比表面积为4.39m2/g，吸水率为42％，破碎率与磨损率为13.5％，不符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
83.利用除磷陶粒深度处理含磷的污水，污水中的总磷含量为4mg/l。向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除
率为96.47％。
84.对比例1中的去除率为96.47％，但是除磷陶粒的破碎率和磨损率非常高，这种结果就会导致除磷陶粒在使用过程中非常容易破碎，除磷陶粒不成型，使除磷陶粒不能持续性的使用，还需要经常对除磷陶粒进行更换，增加了运维成本。
85.对比例2
86.一种除磷陶粒的制备方法，使用的原料及原料的质量百分比与实施例1的原料及原料的质量百分比相同，将马弗炉升温至为1250℃，按照实施例1的制备方法得到除磷陶粒成品。
87.对比例2得到的除磷陶粒空隙率为53％，比表面积为2.15m2/g，吸水率为21％，破碎率与磨损率为1.7％，不符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
88.利用除磷陶粒深度处理含磷的污水，污水中的总磷含量为4mg/l。向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除率为1.2％。
89.对比例3
90.一种除磷陶粒的制备方法，与实施例1的不同之处在于原料的质量百分比，按照实施例1的制备方法得到除磷陶粒。
91.原料采用铁粉39％、铝粉17％、碳酸钙粉17％、膨润土22％、水5％。
92.对比例3得到的陶粒空隙率为70％，比表面积为4.22m2/g，吸水率为42％，破碎率与磨损率为2.6％，符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
93.利用除磷陶粒深度处理含磷的污水，污水中的总磷含量为4mg/l。向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除率为83.56％。
94.对比例4
95.一种除磷陶粒的制备方法，与实施例1的不同之处在于原料的质量百分比，按照实施例1的制备方法得到除磷陶粒。
96.原料采用铁粉25％、铝粉35％、碳酸钙粉14％、膨润土21％、水5％。
97.对比例4得到的陶粒空隙率为68％，比表面积为4.13m2/g，吸水率为45％，破碎率与磨损率为2.9％，符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的要求。
98.利用除磷陶粒深度处理含磷的污水，污水中的总磷含量为4mg/l。向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min，该除磷陶粒对总磷含量的去除率为76.12％。
99.性能测试：
100.实施例1-4的除磷陶粒和对比例1-4中的除磷陶粒均在同一试验条件(即利用除磷陶粒深度处理含磷污水，污水中的总磷含量为4mg/l，向1l污水中加入2g除磷陶粒并搅拌混合，以120rev
·
min-1
的速度搅拌30min)下进行吸附试验及性能测试。
101.表1为实施例1-4的除磷陶粒和对比例1-4中的除磷陶粒的性能测试结果。
102.[0103][0104]
由上表可以看出在除磷陶粒制备方法中的高温烧结过程，升温温度分别为900℃、1040℃、1050℃、1080℃、1100℃、1250℃的条件下，其得到的除磷陶粒的性能结果可以看出，烧结温度决定了除磷陶粒的孔隙结构、比表面积、破损率和磨损率，影响着除磷陶粒的质量，决定了除磷陶粒吸附性能的优劣，从而影响着除磷陶粒除磷性能及稳定性。
[0105]
升温温度为900℃时，吸附剂的强度大，但破损率和磨损率高、抗冲击性能越差。在升温温度高于或等于1250℃时，制备出的除磷陶粒孔隙率小，吸附性能差，不利于污水除磷。
[0106]
对比例3、4中可以看出，只提高单一铁粉或铝粉的质量百分比，使除磷陶粒的吸附性能变差，除磷陶粒的磷去除率低于实施例1。
[0107]
综合比较，实施例1-4制备的除磷陶粒可适用于生活污水处理系统，可以作为除磷填料被应用推广，同时其负荷符合《cj/t299-2008水处理用人工陶粒滤料》的标准规范要求。
[0108]
将实施例1-4制备的除磷陶粒应用在农村污水处理系统中。
[0109]
在农村污水处理系统中设置除磷池，除磷池内固定安装有承托框架，承托框架为玻璃钢框架，在玻璃钢框架内装填除磷陶粒。
[0110]
除磷陶粒的厚度为1.0-2.0m，吸附池水力负荷3-6m/h，除磷陶粒与污水的空床接触时间20-40min。
[0111]
应用例
[0112]
应用例1
[0113]
以某污水处理厂的市政生活污水为待处理的水源，污水中的总磷为10mg/l，出水中的总磷为3.2mg/l，未达到出水水质排放的标准。因此，需要对污水进行处理，对出水进行除磷处理，除磷工艺由除磷池组成，除磷池内放入多个除磷陶粒，多个除磷陶粒组成吸附层，其厚度为1.0m，吸附池水力负荷为3m/h，空床接触时间为20min。对经过处理后的水进行检测，出水中的总磷为0.20mg/l，总磷去除率达到94％，可以进行排放。
[0114]
应用例2
[0115]
以南方某地区农村生活污水为待处理的水源，污水中的总磷为4.3mg/l，对污水进行吸附除磷处理，吸附除磷工艺由除磷池组成，除磷池内放入多个除磷陶粒，多个除磷陶粒组成吸附层，其厚度为2.0m，吸附池水力负荷为5m/h，空床接触时为24min。经检测，除磷池出水总磷为0.17mg/l，总磷去除率达到96％，可以进行排放。
[0116]
应用例3
[0117]
以北方某地区农村生活污水为待处理的水源，污水中的总磷为8.6mg/l，对污水进行吸附除磷处理，吸附除磷工艺由除磷池组成，除磷池内放入多个除磷陶粒，多个除磷陶粒组成吸附层，其厚度为1.8m，吸附池水力负荷为4m/h，空床接触时间为27min。经检测，除磷池出水总磷为0.26mg/l，总磷去除率达到97％，可以进行排放。
[0118]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。