专利名称：由污泥制成的水处理过滤材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种水处理过程中使用的过滤材料及其制备方法。
背景技术：
曝气生物滤池应用于废水处理中，粒状滤料的选择对于得到较高活性生物量和生物多样性起到的作用非常大。目前，常用的滤料有石英砂、活性炭、沸石、陶粒及塑料制品(合成纤维、聚乙烯小球、波纹板等)。曝气生物滤池对滤料的一般要求是(1)表面粗糙。表面粗糙的滤料为微生物提供了理想的生长、繁殖地，表现为容易挂摸、生物量高。(2)密度适中。密度太大不利于反冲洗的进行，表现为所需反冲强度大、反冲所需时间长；密度太小，在反冲时容易跑料，不易控制反冲强度。(3)有一定的强度，耐摩擦。(4)无毒、化学性质稳定。(5)价格适中。目前，国内在废水生物处理工艺中已开发出多种新型填料，组建了一批生产厂家，产品种类繁多，门类较为齐全，但现有的滤料在物理学特性及生物膜附着性能等方面各有其弱点，它们或表面光滑、微生物难于挂膜，或强度不够、破损严重，或价格昂贵、再生困难，并且目前所使用的滤料几乎都不具备促进微生物活性的特性。因此研究和开发一种好的接触滤料是关系到曝气生物滤池应用于水处理成败的关键之一。
污泥是水处理过程中形成的以有机物为主要成分的泥状物质，从表观上看，污泥呈黑色，不定形态，手触摸有粘的感觉。其有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，密度较小，含水率高且不易脱水，是呈胶状结构的亲水性物质。目前的污泥作为常规污水处理的剩余产品，并没有被有效的利用，相反，人们还需要投资额外的费用对它进行处置，从而增加了人们的工作负担。
发明内容
针对现有污泥没有被有效利用的问题，本发明提供一种不但可以有效利用污泥，同时还可以使产品具有极好的性能且具备促进微生物活性特性的过滤材料及其制备方法。由污泥制成的水处理过滤材料，它是由以下成分的原料制备而成污泥、粘土、粘结剂，所述各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的300～400％、粘结剂占粘土质量的10～20％；它的制备方法为将各原料按所述比例混合后，在900～1200℃条件下烧制15～35min。发明人综合了有关国内外的曝气生物滤池过滤材料的资料，进行了大量的以污泥和粘土为原料制备过滤材料的试验，曾得到粘土添加量不超过污泥质量1.5倍时的工艺参数，试验发现，如果粘土添加量超过污泥质量1.5倍时所得滤料性能明显降低。但在发明人继续研究中却发现，当粘土添加量是污泥质量3～4倍时，所得滤料性能又有明显提高，于是发明人试验各种条件对滤料性能的影响程度，通过正交试验、污泥添加百分数的影响、粘结剂添加百分数的影响、烧成温度的影响以及保温时间的影响等大量试验，得到了适当的烧成温度、时间和升温过程制度，并根据对过滤材料的一些物化性能的检测结果，确定了污泥过滤材料的配比及烧制工艺参数，制备出了性能完全符合要求的污泥滤料。经测试，本发明所得过滤材料可以达到以下性能亚甲基蓝吸附量为0.158mg/g，碘吸附量为15.6mg/g，得率为83.3％，烧失率为18.2％，吸水率为9.3％，空隙率为41.2％，松散容重为571kg/m3，颗粒表观密度为1021kg/m3。本发明中的得率＝M产物/M原料×100％，烧失率＝(1-得率)×100％。可以看出，本发明所得过滤材料具有足够的强度，不易破损，并且由于所得过滤材料表面粗糙，所以微生物容易挂膜；同时该过滤材料还具备激化微生物活性的特性，并且用本发明方法和原料制备的过滤材料可以大量的消耗脱水污泥，不但处理成本大大低于焚烧法，而且可以避免污泥二次污染，尤其符合我国固废处理的无害化、减量化和资源化原则，将有广阔的发展前景。同时通过对过滤材料中重金属Cr的浸出试验，经XRD分析可知，原料中的重金属Cr经过高温烧结，主要以晶体的形态存在于成品中，所检出的重金属都是以稳态化合物结构存在。由于离子键具有较高的晶格能和很强的稳定性，因此重金属在底泥陶粒中具有较好的固化能力，从而消除了所得过滤材料在应用过程中可能产生的顾虑，利于推广应用。
图1是具体实施方式
六所述进行挂膜试验所使用的试验装置结构示意图.
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式为由污泥制成的水处理过滤材料，它是由以下成分的原料制备而成污泥、粘土、粘结剂，所述各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的300～400％、粘结剂占粘土质量的10～20％；它的制备方法为，将各原料按所述比例混合后，在900～1200℃条件下烧制15～35min，本实施方式所述粘结剂为水玻璃。
具体实施方式
二本实施方式中各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的320％、粘结剂占粘土质量的12％；将各原料按所述比例混合后，在1000℃条件下烧制30min。
具体实施方式
三本实施方式中各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的380％、粘结剂占粘土质量的18％；将各原料按所述比例混合后，在1150℃条件下烧制20min。
具体实施方式
四本实施方式中各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的350％、粘结剂占粘土质量的15％；将各原料按所述比例混合后，在950℃条件下烧制32min。
具体实施方式
五本实施方式详细阐述过滤材料的制备过程，具体过程依次如下a.对污泥进行干燥、破碎和筛分干燥的目的是使污泥中的水分被去除；污泥破碎后，采用国家统一标准筛进行筛分。
b.加入占干污泥质量300～400％的粘土、占粘土质量10～20％的粘结剂，与干污泥混合均匀后挤压成型污泥可以降低产品的松散容重和降低烧成温度；粘土原料中的铝质成分可以增加原料的可塑性，同时在烧结过程中增加产品的强度和烧胀性能，这样可以克服污泥中硅、铝成分的缺乏。加入占粘土质量10～20％的水玻璃作为粘结剂，有助于粘结成型，并有降低产品容重和烧成温度的作用。将各原料混合均匀后挤压成型将各原料按所述比例称量后，在干磨容器中进行混合，由于刀片的高速旋转，使原料充分混合。混合结束之后，把原料倒入混合容器中，加入适量的水，充分搅拌，混合料的含水率控制在10～20％之间，在颗粒机上挤压成型，筛分后制得过滤材料。
c.烧结先对成型滤料进行干燥和预热，使其水分得到充分排除，避免在烧制过程中过滤材料因水分过多而开裂；然后在900～1200℃条件下进行焙烧15～35min；d.自然冷却至室温。
具体实施方式
六一种新型滤料能否应用于污水生物处理的单元中去，能否得到广泛应用，主要看其在反应器中的处理效能。本实施方式选用江西陶粒(3-5mm)、广州陶粒(3-6mm)、煤质柱状活性炭和本发明所述滤料(4-6mm)四种滤料所做的对比实验考察利用干污泥制作新型滤料作为曝气生物滤池填料的可行性。
一.试验装置及试验用水1.试验装置进行挂膜试验，所用滤柱高为200cm，直径为5cm，滤层厚为120cm，承托层为10cm，在试验中为了消除边壁效应的影响，对滤柱进行了特殊的边壁粗糙处理。采用曝气管曝气，曝气位置设置较常规方法有所改进，在距承托层40cm处，进水方式采用下向流，试验装置如图1所示。
2.试验用水由于试验周期较长，试验用水量大，在实验室直接用生活污水进行试验比较困难，故采用人工稀释原污水的方法来作为得到试验装置用水，生活污水取自哈尔滨工业大学第二校区下水道污水，加入水箱之前，污水经过筛网把大颗粒污染物去除，试验期间反应器水质见表1。
表1试验用生活污水水质
二.四种滤料反应器的挂膜启动和运行效果对比生物反应器的启动运行是生物处理的关键技术之一，采用合适的启动方法，迅速启动并进入稳态运行，不仅可以缩短运行的调试时间，还可以在发生运行事故时提供有效的补救措施。
与其它生物膜法处理技术一样，曝气生物滤池的启动也需要同步进行微生物在反应器的富集过程和在填料表面的附着增殖过程，即填料表面稳态生长的生物膜的形成过程，也称为“挂膜”。
本试验研究中，采用下向流方式运行，曝气生物滤池的挂膜启动采用投加种泥—闷曝—连续流培养的模式进行，即在反应器启动时投加一定量的活性污泥作为种泥，先闷曝3d，然后在进水流量2L/h，气水比3-5∶1的条件下连续运行，连续运行14d后，由显微镜观察发现，填料上的生物膜中有大量的钟虫、草履虫、变形虫、轮虫、线虫及大量丝状菌，肉眼可见生物膜呈浅黄色且透明，边缘尚有丝条状絮体，同时出水也较稳定。至此挂膜工作已完成，反应器已顺利启动。
曝气生物滤池反应器的挂膜启动是一个渐进的连续过程，由于粒状填料比表面积大，吸附能力强，生活污水中的微生物极易吸附于滤料表面，同时被滤料所阻留的有机颗粒也增加滤料表面的粗糙程度，进一步强化了对游离细菌的吸附作用。在充足的供氧、适合的温度和一定浓度的底物条件下，被吸附的微生物开始大量的繁殖，同时代谢产生各种不同胞外多聚物(EPS)，这些物质的存在也促进了生物膜的快速形成。滤料的凹陷表面较好的抵消了气水剪切作用更加有利于微生物膜的扩展。这一过程中水流的剪切作用于滤料间的磨擦对生物膜的形成有副作用。当滤料表面布满生物膜时即形成初生生物膜，随着培养时间的延长生物膜不断增厚而逐渐成熟。总的来看，曝气生物滤池比较容易挂膜，具有启动迅速、操作简便等特点，这在实际工程的运行调试中也具有一定的积极意义。
在本试验中，选用4种滤料作为曝气生物滤池的滤料来进行挂膜与运行试验，考察利用干污泥制作新型滤料作为曝气生物滤池填料的可行性。
1.四种滤料下向流曝气生物滤池浊度处理效果对比在下向流曝气生物滤池前14d的启动过程中，各滤柱对浊度的去除效果波动很大，主要是挂膜期间，滤料表面在逐渐形成生物膜，对污染物颗粒的截留作用逐渐完善，而且由于滤料的粒径相对比较大，从而出现挂膜期间浊度去除率在30％-95％之间波动，波动较大。从15d开始，滤料表面生物膜成熟，滤池进入运行阶段，广州陶粒柱、江西陶粒柱、山西活性炭柱和本发明滤料柱对污水浊度平均去除率分别为96.10％、94.83％、97.07％和96.28％，本发明滤料从浊度去除效果和运行稳定性的角度来看都比广州陶粒、江西陶粒略微好一些。
水中悬浮粒子的去除主要依靠悬浮颗粒和滤料之间的物理化学作用，这些作用包括扩散、沉淀、截留、惯性、水动力等。曝气生物滤池的滤料表面附有生物膜，所以对浊度的去除还有微生物方面的作用(1)生物膜的附聚作用；(2)滤床内细菌絮凝和助凝作用；(3)微型动物的作用。滤料对悬浮颗粒的截留作用与滤料的表面性质关系很大，本试验采用了不同材质的滤料，并且滤料上面均有生物膜覆盖，进水水质完全相同，出水水质几乎相同，这说明这几种滤料都适合作曝气生物滤池的滤料，本发明所述滤料不论是固体表面的性质还是物理化学稳定性都十分良好，可见利用污泥为原料制备新型滤料是污泥资源化和无害化的一条可行的途径。
2.四种滤料下向流曝气生物滤池COD处理效果对比污水处理生物反应器对有机物的去处能力是评价反应器性能的最主要指标之一，试验期间四种滤料曝气生物滤池在前14d的启动过程中，4个滤柱对COD的去除效果波动较大，平均去除率在40％以下，主要是挂膜期间，滤料表面在逐渐形成生物膜，滤柱内生物作用还没有很好的发挥的出来，还有可能就是试验用生活污水的水质不稳定，从而导致COD去除效果波动；从15d开始，滤料表面生物膜成熟，滤池进入运行阶段，COD去除率也在不断上升，广州陶粒柱、江西陶粒柱、山西活性炭柱和本发明滤料柱对COD平均去除率为73.72％、73.81％、77.64％和74.48％，本发明所述滤料对COD去除效果和其他3种滤料相比，只比山西活性炭的处理效果差。
3.四种滤料下向流曝气生物滤池SCOD处理效果对比污水处理生物反应器对有机物的去处能力是评价反应器性能的最主要指标之一，试验期间四种滤料曝气生物滤池对SCOD的处理时，不论是在挂膜期间，还是稳定运行期间，4个滤柱对污水SCOD的去除效果都有波动，在运行阶段4个滤柱对SCOD的去除效果相对稳定一些，广州陶粒柱、江西陶粒柱、山西活性炭柱和本发明滤料柱对SCOD平均去除率为57.92％、56.67％、60.51％和58.38％。
分析4个滤柱对污水SCOD的去除效果波动的原因，可能是在试验过程中，由于滤床会不断的截留水中的颗粒性杂质，同时滤床内的微生物也会通过代谢活动使自身得到增殖，增殖后的微生物大部分也会作为颗粒性杂质被截留在滤床内，随着过滤时间的增加，滤床内截留的杂质会越来越多，相应地滤床水头损失增加，当水头损失增加到一定程度，就必须进行周期性反冲洗。实验采用气水反冲洗，反冲洗强度为气强度10L/(m2·s)、水强度10L/(m2·s)。反冲洗先用气冲洗3min，使填料松动，老化膜脱落，防止结块；再用气-水冲洗5min左右，最后水冲洗5min左右，反冲洗周期为3d。由于反冲洗影响滤料上的生物量和生物膜的活性，从而导致出水SCOD的波动。
4.四种滤料下向流曝气生物滤池NH3-N处理效果对比污水生物处理反应器的硝化脱氮能力也是评价其处理效能的主要指标之一。曝气生物滤池由于其空间梯度特征，可以实现不同污染物的渐次去除，具有较好的脱氮能力。试验过程中，在4个反应器稳定运行时，都能够达到很好的氨氮去除效果，广州陶粒柱、江西陶粒柱、山西活性炭柱和本发明滤料柱对氨氮平均去除率分别为81.48％、83.52％、85.05％和83.63％，可见本发明滤料作为曝气生物滤池滤料是十分理想的。
三.小结本实施方式通过对本发明所述滤料的应用研究，可以得出如下结论1、本发明分别采用广州陶粒、江西陶粒、山西活性炭和本发明所述滤料进行对比试验，本发明所述滤料的滤柱在稳定运行阶段对浊度、COD、SCOD和氨氮平均去除率分别为96.28％、74.48％、58.38％和83.63％，通过对生活污水的处理发现本发明所述滤料用于曝气生物滤池作为生物膜载体可行，而且其在相同的运行条件下，对浊度、COD和SCOD的去除效果要优于广州陶粒的96.10％、73.72％和57.92％，江西陶粒的94.83％、73.81％和56.67％，对氨氮的去除效果要优于广州陶粒的81.48％和江西陶粒的83.52％。
2、由于本发明所述滤料表面粗糙、空隙率高、松散容重和颗粒表观密度适中，可以用于曝气生物滤池中作为载体材料，也可以用于污水的强化处理、深度处理以及微污染水的处理中，以及污水的回用等。
权利要求
1.由污泥制成的水处理过滤材料，其特征在于它是由以下成分的原料制备而成污泥、粘土、粘结剂，所述各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的300～400％、粘结剂占粘土质量的10～20％；将各原料按所述比例混合后，在900～1200℃条件下烧制15～35min。
2.根据权利要求1所述的由污泥制成的水处理过滤材料，其特征在于所述各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的320％、粘结剂占粘土质量的12％；将各原料按所述比例混合后，在1000℃条件下烧制30min。
3.根据权利要求1所述的由污泥制成的水处理过滤材料，其特征在于所述各原料的添加量分别为粘土占干污泥质量的380％、粘结剂占粘土质量的18％；将各原料按所述比例混合后，在1150℃条件下烧制20min。
4.根据权利要求1、2或3所述的由污泥制成的水处理过滤材料，其特征在于所述粘结剂为水玻璃。
5.由污泥制成的水处理过滤材料的制备方法，其特征在于将占干污泥质量300～400％的粘土、占粘土质量10～20％的粘结剂与干污泥混合后，在900～1200℃条件下烧制15～35min。
6.根据权利要求5所述的由污泥制成的水处理过滤材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤依次如下a.对污泥进行干燥、破碎和筛分；b.加入占干污泥质量300～400％的粘土、占粘土质量10～20％的粘结剂，与干污泥混合均匀后挤压成型；c.烧结先对成型滤料进行干燥和预热，使其水分得到充分排除；然后在900～1200℃条件下进行焙烧15～35min；d.自然冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的由污泥制成的水处理过滤材料的制备方法，其特征在于所述b步骤的挤压成型过程为将各原料按所述比例称量好后在干磨容器中进行充分混合，混合结束之后，把原料倒入混合容器中，加入适量的水，充分搅拌，混合料的含水率控制在10～20％之间，然后在颗粒机上挤压成型，筛分后制得滤料。
8.根据权利要求5、6或7所述的由污泥制成的水处理过滤材料的制备方法，其特征在于所述粘结剂为水玻璃。
全文摘要
由污泥制成的水处理过滤材料及其制备方法，涉及一种水处理过程中使用的过滤材料及其制备方法。目前，污泥并没有被有效的利用，人们还要投资对它进行处置，增加了人们的工作负担。由污泥制成的水处理过滤材料中各原料添加量分别为粘土占干污泥质量的300～400％、粘结剂占粘土质量的10～20％；它的制备方法为，将各原料按所述比例混合后，在900～1200℃条件下烧制15～35min。本发明过滤材料具有足够的强度，不易破损，并且由于所得滤料表面粗糙，所以微生物容易挂膜；用本发明方法和原料制备的过滤材料可以大量的消耗脱水污泥，不但处理低，而且可以避免污泥二次污染，利于推广应用。
文档编号B01D39/02GK1792411SQ200510010578
公开日2006年6月28日 申请日期2005年11月28日 优先权日2005年11月28日
发明者许国仁, 李圭白, 邹金龙 申请人:哈尔滨工业大学