专利名称：生物陶粒滤料及其制备方法
技术领域：
本发明属于水处理工程领域，涉及一种用于饮用水过滤技术以及原水的生物预处理、污水的深度处理的载体。
背景技术：
目前，在生物处理中常用的颗粒载体多为活性炭、沸石和陶粒等。这些生物载体存在的问题是(1)活性炭虽然具有巨大的比表面积，吸附能力极强，但是活性炭的强度低、寿命短、不宜冲洗、处理费用高等。(2)沸石由于孔径过大而造成比表面积小、吸附能力差。(3)目前常用的陶粒也存在很多缺陷孔隙率低，尤其是微孔含量低以及表面粗糙度不足、亲水性差，从而造成陶粒的比表面积过小，吸附性能差，因而微生物固定量小、固定化速率低，导致水处理效率低，净化效果差；由于比重不合理造成陶粒在生物滤池中不易形成流化状态，导致处理效率低；由于结构力不足，即坚硬度低、易碎，导致生物陶粒滤床的空隙度不合理，曝气气泡阻力增加，处理效率降低。上述原因造成目前的生物滤料使用成本高、处理效果差、净水效率低，故工程普及范围小。
发明内容
针对现有的陶粒滤料孔隙率低，尤其是微孔含量低、表面粗糙度不足、亲水性差而引起的比表面积小、吸附能力差、微生物固定量小、固定化速率低的问题，本发明提供一种可以取代活性炭生物滤料，而且在制备过程中可以利废的有利于环境保护和生态平衡的生物陶粒滤料及其制备方法。
本发明的生物陶粒滤料由30～40wt.％页岩、30～45wt.％粉煤灰、10～20wt.％污泥、3～8wt.％成孔剂和0.5～2wt.％粘结剂制成，其制备方法如下混料→成型→烘干→焙烧→烧结→改性，所述改性方式为表面化学沉积法，具体工艺过程为a、陶粒改性前预处理将陶粒洗净烘干，放入浓硫酸中浸泡，然后烘干；b、改性剂投加取上述经过预处理的陶粒放入三角瓶中，加入改性剂，其中改性剂的加入量为陶粒体积的1％～5％(体积比)，然后加入蒸馏水直至三角瓶中液体体积达到200mL；c、沉积反应过程将上述样品放在恒温箱中进行沉积反应，将沉积反应后的陶粒清洗干净，烘干，至此完成一次完整的沉积反应；d、改性结束根据需要进行若干次沉积反应。
本发明的生物滤料具有如下特征(1)良好的亲水性能和足够的表面粗糙度；(2)合理的比重，在生物滤池中易形成流化状态；(3)足够的结构力，即坚硬度高、不易碎，故该滤料滤床能够保持合理的空隙度，曝气气泡阻力小；(4)适于微生物的表面固定，具有合理的孔隙结构和高孔隙率(尤其是微孔含量高)。
本发明的生物滤料/载体不仅可以用于原水的预处理，而且可以作为生物载体用于生活污水、工业废水等污水的处理中。它具有如下优点(1)可大量利用工业废弃物，采用最低能源负荷制备；(2)微生物在其的表面固定化可使该滤料由原来单一的吸附作用变为吸附与生物降解的协同作用，提高对有机物的降解能力；(3)通过化学药剂的表面改性，使其表面带正电并羟基化，有利于去除原水中的天然有机物；(4)具有自再生性，使用方便，经济性能优异。因而，本发明应用于实际水处理工程中可以显著节约投资、降低能耗、提高效率，有利于该产品的推广应用。
图1为生物陶粒滤料的制备流程图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式的生物陶粒滤料由30～40wt.％页岩、30～45wt.％粉煤灰、10～20wt.％污泥、3～8wt.％成孔剂和0.5～2wt.％粘结剂制成，其中页岩、粉煤灰、污泥的化学成分见表1。
表1制备原料的化学成分
本实施方式中，所述成孔剂为煤粉；粘结剂为羧甲基纤维素。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是，所述生物陶粒滤料由34wt.％页岩、35wt.％粉煤灰、15wt.％污泥、5wt.％成孔剂和1wt.％粘结剂制成。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是，所述生物陶粒滤料由30wt.％页岩、40wt.％粉煤灰、20wt.％污泥、8wt.％成孔剂和2wt.％粘结剂制成。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是，所述生物陶粒滤料由40wt.％页岩、45wt.％粉煤灰、10wt.％污泥、4.5wt.％成孔剂和0.5wt.％粘结剂制成。
具体实施方式
五本实施方式按照如下方法制备生物陶粒滤料(1)原材料的选择和准备主要包括制备原料、成孔剂和粘结剂的选择和准备，本发明中的原料采用页岩、粉煤灰、污泥以及成孔剂(CS)、粘结剂(SF)等。页岩产自黑龙江省阿城地区，其主要矿物成分为紴缕石，经过破碎、研磨，形成0.08mm筛余量小于5％的粉末；粉煤灰为大庆龙凤自备电厂II级电收尘灰；污泥取自哈尔滨太平生活污水处理厂的二沉池沉淀污泥，含水率70％，有机物含量约80％，经过干燥和研磨，形成0.08mm筛余量小于5％的粉末。三者的化学成分见表1。
(2)制备原料配方(质量百分比)参见具体实施方式
一，其中本实施方式优选配方为页岩(34％)，粉煤灰(35％)，污泥(15％)，CS(5％)，SF(1％)，水(适量)。
(3)成型与烘干依照如图1所示流程，将制备原料机械成球并分级后制成2mm、3mm、5mm和7mm等系列球体陶粒坯料，或者将制备原料机械挤出法成型并分级后制成Φ5mm×5mm的短圆柱体陶粒坯料；将陶粒坯料在105℃下恒温一天进行烘干。
(4)焙烧与烧结将烘干后的陶粒坯料分别在200℃下焙烧20min、在900℃～1000℃范围内恒温10min完成烧结过程，而后自然冷却。
(5)化学药剂及改性方式的确定化学药剂采用FeCl3、AlCl3和NaOH；改性方式为表面化学沉积法。
(6)表面改性。原料配方中成孔剂的选择与用量是陶粒的孔隙结构形成的关键之一；粘结剂的选择和用量是解决粉煤灰塑性差的关键问题；污泥的用量是陶粒烧结过程的关键问题，直接影响到陶粒的孔隙率、比表面积和结构力的大小。本实施方式中对陶粒采用化学沉积法改性的操作过程如下a、进行陶粒改性前的预处理将陶粒洗净烘干，放入浓硫酸中浸泡24h，再烘干一次。
b、改性剂投加取一定质量经过预处理的陶粒放入三角瓶中，加入改性剂(FeCl3和NaOH，或AlCl3和NaOH)，再加入蒸馏水直至三角瓶中液体体积达到200mL为止。
c、沉积反应过程将上述样品放在已经设定好一定温度的恒温箱中，反应一定时间后取出样品，若液体体积因挥发而减少，则再稀释到200mL，控制pH值。
d、改性结束将沉积反应后的陶粒清洗干净，烘干。至此完成一次完整的沉积反应。根据需要进行若干次的沉积反应，如有的进行两次或三次。依据经验，大部分需要反应三次。
本实施方式中陶粒表面涂铁改性的工艺条件是沉积反应三次，温度分别为37℃、110℃和37℃，pH值控制在9±0.05范围，三次反应时间均为12h；对陶粒表面涂铝改性的工艺条件是沉积反应三次，温度分别为37℃、110℃和37℃，pH值控制在8.5±0.05范围，三次反应时间均为8h。
本实施方式的生物陶粒滤料与目前常用的陶粒滤料在技术和性能指标方面的对比如表2所示。通过对氨氮静态吸附性实验表明，QC系列陶粒的吸附能力是国内现有陶粒的3.8倍；涂铁改性后可提高吸附能力2.9倍；涂铝改性后可提高3.4倍。
表2技术和性能指标的对比
本发明操作过程中所采用各成分的具体数值只在于表示相互间的比例关系，其在实际应用中不限于该数值的使用，只要符合相互间的比例关系即可实现本发明的目的，所以都应在本发明的保护范围之内；同时，由于在制备过程中有许可误差的存在，本发明所提到的数值也只是具有指导性的意义，所以在实际应用中只要使用了本发明所述过程的制备及改性条件，即应在本发明的保护范围。
权利要求
1.生物陶粒滤料，其特征在于所述滤料由30～40wt.％页岩、30～45wt.％粉煤灰、10～20wt.％污泥、3～8wt.％成孔剂和0.5～2wt.％粘结剂制成。
2.根据权利要求1所述的生物陶粒滤料，其特征在于所述生物陶粒滤料由34wt.％页岩、35wt.％粉煤灰、15wt.％污泥、5wt.％成孔剂和1wt.％粘结剂制成。
3.根据权利要求1或2所述的生物陶粒滤料，其特征在于所述页岩的化学成分重量百分含量为SiO263.85％、Al2O318.17％、Fe2O34.50％、CaO0.41％、MgO0.93％、SO30.01％、有机成分12.13％。
4.根据权利要求1或2所述的生物陶粒滤料，其特征在于所述粉煤灰的化学成分重量百分含量为SiO260.66％、Al2O320.08％、Fe2O34.96％、CaO5.85％、MgO1.92％、SO30.04％、有机成分6.49％。
5.根据权利要求1或2所述的生物陶粒滤料，其特征在于所述污泥的有机成分的含量为70wt.％。
6.根据权利要求1或2所述的生物陶粒滤料，其特征在于所述成孔剂为煤粉，粘结剂为羧甲基纤维素。
7.权利要求1所述生物陶粒滤料的制备方法，其特征在于所述方法为混料→成型→烘干→焙烧→烧结→改性，所述改性方式为表面化学沉积法，具体工艺过程为a、陶粒改性前预处理将陶粒洗净烘干，放入浓硫酸中浸泡，然后烘干；b、改性剂投加取上述经过预处理的陶粒放入三角瓶中，加入改性剂，其中改性剂的加入量为陶粒体积的1％～5％，然后加入蒸馏水直至三角瓶中液体体积达到200mL；c、沉积反应过程将上述样品放在恒温箱中进行沉积反应，将沉积反应后的陶粒清洗干净，烘干，至此完成一次完整的沉积反应；d、改性结束根据需要进行若干次沉积反应。
8.根据权利要求7所述的生物陶粒滤料的制备方法，其特征在于所述陶粒表面涂铁改性的工艺条件为沉积反应三次，温度分别为37℃、110℃和37℃，pH值控制在9±0.05范围，三次反应时间均为12h。
9.根据权利要求7所述的生物陶粒滤料的制备方法，其特征在于所述陶粒表面涂铝改性的工艺条件是沉积反应三次，温度分别为37℃、110℃和37℃，pH值控制在8.5±0.05范围，三次反应时间均为8h。
10.根据权利要求7所述的生物陶粒滤料的制备方法，其特征在于所述改性剂为FeCl3和NaOH，或者是AlCl3和NaOH。
全文摘要
生物陶粒滤料及其制备方法，属于水处理工程领域。针对现有陶粒滤料孔隙率低，尤其是微孔含量低、表面粗糙度不足、亲水性差而引起的比表面积小、吸附能力差、微生物固定量小、固定化速率低的问题，本发明的生物陶粒滤料由30～40wt.％页岩、30～45wt.％粉煤灰、10～20wt.％污泥、3～8wt.％成孔剂和0.5～2wt.％粘结剂制成，制备方法为混料→成型→烘干→焙烧→烧结→改性。本发明可大量利用工业废弃物，采用最低能源负荷制备；微生物在其表面固定化可使该滤料的吸附作用变为吸附与生物降解的协同作用，提高对有机物的降解能力；通过化学药剂的表面改性，使其表面带正电并羟基化，有利于去除原水中的天然有机物。
文档编号C04B38/00GK1887790SQ20061001035
公开日2007年1月3日 申请日期2006年8月2日 优先权日2006年8月2日
发明者冯奇, 马放, 邱珊, 沃原 申请人:哈尔滨工业大学