一种用于人工湿地水处理的填料及其制备方法

一种用于人工湿地水处理的填料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于人工湿地水处理的填料及其制备方法，目的在于提供一种能够同时实现缓释氧、强化脱氮除磷的人工湿地新型填料及其制备方法。一种用于人工湿地水处理的填料，所述填料为负载稀土氮磷吸附剂和缓释氧材料、粒径为5-15mm的火山渣颗粒。本发明能提高人工湿地的污水净化能力，该方法具有工艺简单、原料充足、成本低廉等特点。
【专利说明】一种用于人工湿地水处理的填料及其制备方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于环保【技术领域】，具体涉及一种可以同步缓释氧、强化脱氮除磷的人工 湿地新型填料，适用于村镇或旅游景区的生活污水、受污染地表水、面源污水、污水处理厂 尾水以及浓度较高氨氮废水的处理。

【背景技术】
[0002] 目前我国水环境状况日趋恶化，出现了湖泊富营养化、近岸海域赤潮、河流和水库 的有机污染等问题，威胁到居民的引水安全和人民群众的健康。人工湿地污水处理工艺由 于其具有水质净化效果好、基建运行费用低、能耗低、维护管理简单、抗冲击负荷能力强等 特点，而且能够为野生动物提供栖息地、提高生态景观的美学价值，所以在生活污水、工业 废水、农业面源污水、城市暴雨径流和富营养化水体等方面均得到了广泛的应用。但是，从 已有的工程实践来看，人工湿地尚存在一些问题和困难，其一是供氧不足。人工湿地系统中 进水携氧数量较低、大气复氧和植物根系释氧能力有限，特别是水平潜流型湿地，无法满足 大量污染物降解的需要。溶解氧不足将使许多生物不能进行正常的有氧呼吸，限制硝化反 应，影响磷的吸附和过量积累，因为污水中有机物的好氧降解和脱氮的硝化过程均需要充 足的氧，否则反应无法进行；其二是脱氮能力有限。在欧洲，长期运行的湿地氨氮去除率仅 为35%或50%。潜流人工湿地很难保证硝化反硝化所需的好氧/缺氧交替的环境及反硝化 所需碳源；其三是磷去除率随运行时间延长而下降的局限性。现行广泛采用的砾石基质对 磷的吸附饱和寿命较短，一般为2-3年。而且，长时间运行湿地的植物枯死后将吸收的磷重 新释放至湿地。以上限制因素成为人工湿地技术进一步推广和应用的瓶颈问题。


【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种能够同时实现缓释氧、强化脱氮除磷的人工湿地新型 填料及其制备方法，以解决上述人工湿地技术存在的问题，提高其污水净化能力，该方法具 有工艺简单、原料充足、成本低廉等特点。 实现本发明目的的一个技术方案为：一种用于人工湿地水处理的填料，所述填料为负 载稀土氮磷吸附剂和缓释氧材料、粒径为5-15mm的火山渣颗粒。
[0004] 作为本发明的进一步改进，所述稀土氮磷吸附剂为含有镧离子的吸附剂，所述缓 释氧材料为过氧化钙。
[0005] 作为本发明的进一步改进，所述火山渣颗粒上的负载物还包括硬脂酸和聚乙二醇 4000混合物、石英砂和粉煤灰，石英砂和粉煤灰有助于填料的沉降。
[0006] 作为本发明的进一步改进，所述火山渣颗粒上负载物的重量百分比例为：稀土氮 磷吸附剂40-45%、缓释氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、 粉煤灰5-10%。
[0007] 实现本发明的另一个发明目的的技术方案是：一种用于人工湿地水处理的填料的 制备方法，包括以下步骤： 步骤1 火山渣与活化剂混合均匀，常压高温焙烧一段时间，冷却至室温后，将其研磨 后加入水，调节硅铝比，室温条件下，放置在磁力搅拌器上，温度升至90°c加热2小时，再升 温到95°C加热2小时，过滤、洗涤至pH值为7,放入烘箱中80°C烘干4小时，得到氮吸附剂； 步骤2将镧离子浓度为0. 5%的溶液pH值逐渐调节为10,按照固液质量比l:50g/ml， 投加步骤1制备的氮吸附剂，浸渍16小时以上，过滤后滤饼于110°C烘干，并焙烧、研磨筛分 得到氮磷吸附剂；筛分后的120目粒径火山渣颗粒为最佳氮磷吸附剂； 步骤3 石灰石在常压高温条件下焙烧，冷却后加水反应，烘干去结晶水，投入过氧化 氢中浸泡，得到释氧材料； 步骤4 将一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，水浴加热使其完全溶解， 然后将步骤2制备的氮磷吸附剂和步骤3中制备的释氧材料，以及石英砂(增大材料密度， 有利于成型材料沉降)、粉煤灰(缓冲作用）按比例投加，其氮磷吸附剂40-45%、缓释氧材料 30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、粉煤灰5-10%。充分搅拌后转移 至成型设备，压制成不同形状后进行鼓风干燥并回收四氯化碳，最终获得同步缓释氧、强化 脱氮除磷的人工湿地填料。
[0008] 所述的步骤1中，活化剂是指NaOH，碱和火山渣的质量比为1.0-1. 5 ;焙烧温度 500-900°C，时间为1-2小时；硅铝比调整至5-8。
[0009] 所述的步骤2中，焙烧温度为450-500°C，时间为1小时。
[0010] 所述的步骤3中，焙烧温度为800-1200°C，时间为1小时；烘干温度为105°C，时间 为1小时。
[0011] 所述的步骤4中，硬脂酸和聚乙二醇的比例为1:1，该混合物在四氯化碳中的比例 为0. 5%-1. 5%，在最终产物中的比例为5% ;水浴温度40-50°C。投加至四氯化碳溶液中的材 料组分及各组分的重量百分比例为氮磷吸附剂40-45%、缓释氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙 二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、粉煤灰5-10%。
[0012] 有益效果 本发明通过同步缓释氧、强化脱氮除磷的新型填料作为人工湿地的基质，提高了对污 水中有机物、氮和磷的去除能力，提高出水水质，其具体的优点包括： (1)提供充足的氧量。填料遇污水可长期缓慢地释放氧，保证湿地内部维持充足的氧含 量，供给微生物进行有机物降解和硝化反应，促进污染物去除。
[0013] (2)大大提高磷吸附能力。本发明的新型填料中含有镧元素，对阴离子正磷有很强 的吸附特性，同时镧可与正磷酸盐生成磷酸镧沉淀，将磷锁入其内部结构中。
[0014] (3)由于本发明新型填料中采用火山渣作为基体，其选择性吸附和阳离子交换作 用可大大增强脱氮能力。本发明的填料内部存在很多内表面很大的孔穴和孔道，而且孔穴 中分布有阳离子，同时部分骨架氧也具有负电荷，当内部的孔道或孔穴一旦有空缺时，就会 表现出对气体和液体的强烈吸引力。特别对极性较大的氨态氮具有很强的选择性吸附作 用。另外，所述的方法中，火山渣的硅与添加的铝形成铝硅酸盐格架，与其结合的阳离子很 容易和氨离子进行离子交换。
[0015] (4)本发明的新型填料也可以去除废水中的铬、锰、锌、铜等重金属离子，废水中的 重金属离子与其发生化学反应生成氧化物和氢氧化物沉淀，从而达到去除目的。
[0016] (5)硬脂酸是一种饱和脂肪酸，在常温下是一种难溶于水的蜡状固体，无毒，易生 物降解，可以降低新型填料的释氧速率。
[0017] (6)本发明运行效果稳定，受环境影响程度小。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1为本发明与常规填料对氮吸附能力的对比曲线； 图2为本发明材料与常规填料对磷吸附能力的对比曲线； 图3为本发明材料释氧浓度随时间的变化。

【具体实施方式】
[0019] 下面结合实施例对本发明做具体说明。
[0020] 实施例1 一种用于人工湿地水处理的填料的制备方法，包括下列步骤： (1)火山渣与氢氧化钠混合均匀，碱灰质量比为1.0,将混合物放入马弗炉中500°C条 件下焙烧2小时，随后冷却至室温后，将其研磨后加入水，硅铝比调节到5,室温条件下，放 置在磁力搅拌器上，温度升至90°C加热2小时，再升温到95°C加热2小时，过滤、洗涤至pH 值为7,放入烘箱中80°C烘干4小时，得到最佳氮吸附剂。
[0021] (2)将镧离子浓度为0. 5%的溶液pH值逐渐调节为10,按照1:50 (固液比）投加 步骤1制备的最佳氮吸附剂，浸渍16小时以上，过滤后滤饼于110°C烘干，放置于马弗炉中 450°C条件下焙烧1小时，研磨筛分后120目为最佳氮磷吸附剂。
[0022] (3)石灰石投入马弗炉中800°C条件下焙烧1小时，冷却后加水反应，然后于烘箱 中105°C条件下烘干1小时去结晶水，投入过氧化氢中浸泡，得到释氧材料。
[0023] (4)将一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，硬脂酸添加比例为0. 5%， 水浴加热到40°C使其完全溶解。然后将步骤2制备的最佳氮磷吸附剂和步骤3中制备的 释氧材料，以及石英砂(增大材料密度，有利于成型材料沉降)、粉煤灰(缓冲作用）按比例投 力口，其中氮磷吸附剂45%、缓释氧材料35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂10%、 粉煤灰5%。充分搅拌后转移至成型设备，压制成不同形状后进行鼓风干燥并回收四氯化碳， 最终获得同步缓释氧、强化脱氮除磷的人工湿地新型填料。
[0024] 本实施例制备出的人工湿地填料为含有镧离子和过氧化钙的粒径为5mm的火山 渣颗粒，火山渣颗粒上负载物的组分为：氮磷吸附剂45%、缓释氧材料35%、硬脂酸和聚乙二 醇4000混合物5%、石英砂10%、粉煤灰5%。
[0025] 实施例2 (1)火山渣与氢氧化钠混合均匀，碱灰质量比为1. 2,将混合物放入马弗炉中700°C条 件下焙烧2小时，随后冷却至室温后，将其研磨后加入水，硅铝比调节到6,室温条件下，放 置在磁力搅拌器上，温度升至90°C加热2小时，再升温到95°C加热2小时，过滤、洗涤至pH 值为7,放入烘箱中80°C烘干4小时，得到最佳氮吸附剂。
[0026] (2)将镧离子浓度为0. 5%的溶液pH值逐渐调节为10,按照1:50 (固液比）投加 步骤1制备的最佳氮吸附剂，浸渍16小时以上，过滤后滤饼于110°C烘干，放置于马弗炉中 470°C条件下焙烧1小时，研磨筛分后120目为最佳氮磷吸附剂。
[0027] (3)石灰石投入马弗炉中1000°C条件下焙烧1小时，冷却后加水反应，然后于烘箱 中105°C条件下烘干1小时去结晶水，投入过氧化氢中浸泡，得到释氧材料。
[0028] (4)将一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，硬脂酸添加比例为1. 0%， 水浴加热到45°C使其完全溶解。然后将步骤2制备的最佳氮磷吸附剂和步骤3中制备的 释氧材料，以及石英砂(增大材料密度，有利于成型材料沉降)、粉煤灰(缓冲作用）按比例投 力口，其中氮磷吸附剂40%、缓释氧材料30%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂15%、 粉煤灰10%。充分搅拌后转移至成型设备，压制成不同形状后进行鼓风干燥并回收四氯化 碳，最终获得同步缓释氧、强化脱氮除磷的人工湿地新型填料。
[0029] 本实施例制备出的人工湿地填料为含有镧离子和过氧化钙的粒径为10mm的火山 渣颗粒，火山渣颗粒上负载物的组分为：氮磷吸附剂40%、缓释氧材料30%、硬脂酸和聚乙二 醇4000混合物5%、石英砂15%、粉煤灰10%。
[0030] 实施例3 (1)火山渣与氢氧化钠混合均匀，碱灰质量比为1. 5,将混合物放入马弗炉中900°C条 件下焙烧2小时，随后冷却至室温后，将其研磨后加入水，硅铝比调节到8,室温条件下，放 置在磁力搅拌器上，温度升至90°C加热2小时，再升温到95°C加热2小时，过滤、洗涤至pH 值为7,放入烘箱中80°C烘干4小时，得到最佳氮吸附剂。
[0031] (2)将镧离子浓度为0. 5%的溶液pH值逐渐调节为10,按照1:50 (固液比）投加 步骤1制备的最佳氮吸附剂，浸渍16小时以上，过滤后滤饼于110°C烘干，放置于马弗炉中 500°C条件下焙烧1小时，研磨筛分后120目为最佳氮磷吸附剂。
[0032] (3)石灰石投入马弗炉中1200°C条件下焙烧1小时，冷却后加水反应，然后于烘箱 中105°C条件下烘干1小时去结晶水，投入过氧化氢中浸泡，得到释氧材料。
[0033] (4)将一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，硬脂酸添加比例为1. 5%， 水浴加热到50°C使其完全溶解。然后将步骤2制备的最佳氮磷吸附剂和步骤3中制备的 释氧材料，以及石英砂(增大材料密度，有利于成型材料沉降)、粉煤灰(缓冲作用）按比例投 力口，其中氮磷吸附剂43%、缓释氧材料32%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂12%、 粉煤灰8%。充分搅拌后转移至成型设备，压制成不同形状后进行鼓风干燥并回收四氯化碳， 最终获得同步缓释氧、强化脱氮除磷的人工湿地新型填料。
[0034] 本实施例制备出的人工湿地填料为含有镧离子和过氧化钙的粒径为15mm的火山 渣颗粒，负载物的各组分为：氮磷吸附剂43%、缓释氧材料32%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合 物5%、石英砂12%、粉煤灰8%。
[0035] 如图所示，图1为本发明材料与火山渣、砂子对氮吸附能力的对比曲线，火山渣、 砂子和本发明材料分别称取8份(每份10g)放入锥形瓶，注入不同浓度的含氮(磷)污水，pH 值为7-8条件下，于25°C恒温水浴振荡器中震荡24小时，取出后测定其吸附情况。吸附剂 的吸附能力以吸附量q表示：

【权利要求】
1. 一种用于人工湿地水处理的填料，其特征是，所述填料为负载稀土氮磷吸附剂和缓 释氧材料、粒径为5-15mm的火山渔颗粒。
2. 根据权利要求1所述的填料，其特征是，所述稀土氮磷吸附剂为含有镧离子的吸附 齐U，所述缓释氧材料为过氧化钙。
3. 根据权利要求1所述的填料，其特征是，所述火山渣颗粒上的负载物还包括硬脂酸 和聚乙二醇4000混合物、石英砂和粉煤灰。
4. 根据权利要求1所述的填料，其特征是，所述火山渣颗粒上负载物的重量百分比例 为：稀土氮磷吸附剂40-45%、缓释氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英 砂 10-15%、粉煤灰 5-10%。
5. -种用于人工湿地水处理的填料的制备方法，其特征是，包括以下步骤： 步骤1 火山渣与活化剂混合均匀，常压高温焙烧一段时间，冷却至室温后，将其研磨 后加入水，调节硅铝比，室温条件下，放置在磁力搅拌器上，温度升至90°C加热2小时，再升 温到95°C加热2小时，过滤、洗涤至pH值为7,放入烘箱中80°C烘干4小时，得到氮吸附剂； 步骤2将镧离子浓度为0. 5%的溶液pH值逐渐调节为10,按照固液质量比l:50g/ml， 投加步骤1制备的氮吸附剂，浸渍16小时以上，过滤后滤饼于110°C烘干，并焙烧、研磨筛分 得到氮磷吸附剂；筛分后的120目粒径火山渣颗粒为最佳氮磷吸附剂； 步骤3 石灰石在常压高温条件下焙烧，冷却后加水反应，烘干去结晶水，投入过氧化 氢中浸泡，得到释氧材料； 步骤4 将一定量硬脂酸和聚乙二醇4000溶于四氯化碳中，水浴加热使其完全溶解， 然后将步骤2制备的氮磷吸附剂和步骤3中制备的释氧材料，以及石英砂、粉煤灰按比例投 力口，其氮磷吸附剂40-45%、缓释氧材料30-35%、硬脂酸和聚乙二醇4000混合物5%、石英砂 10-15%、粉煤灰5-10%，充分搅拌后转移至成型设备，压制成不同形状后进行鼓风干燥并回 收四氯化碳，最终获得同步缓释氧、强化脱氮除磷的人工湿地填料。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的步骤1中，活化剂是指NaOH，碱和火 山渣的质量比为1. 0-1. 5 ;焙烧温度500-900°C，时间为1-2小时；硅铝比调整至5-8。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的步骤2中，焙烧温度为450-500°C，时 间为1小时。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的步骤3中，焙烧温度为800-1200°C， 时间为1小时；烘干温度为l〇5°C，时间为1小时。
9. 根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的步骤4中，硬脂酸和聚乙二醇的比例 为1:1，该混合物在四氯化碳中的比例为0. 5%-1. 5%，在最终产物中的比例为5% ;水浴温度 40-50。。。
10. 根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的步骤4中，投加至四氯化碳溶液中的 材料组分及各组分的重量百分比例为氮磷吸附剂40-45%、缓释氧材料30-35%、硬脂酸和聚 乙二醇4000混合物5%、石英砂10-15%、粉煤灰5-10%。
【文档编号】C02F3/32GK104229999SQ201410467337
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】董婵, 彭波, 王鑫华, 高奔, 马慧, 韩迪, 仓理, 胡虹, 陆新华 申请人:南京化工职业技术学院, 山东省鲁南工程技术研究院, 济宁市南四湖人工湿地管理处