具有强化脱氮除磷功能的铁刨花耦合聚氨酯复合填料及其在水处理中的应用的制作方法

1.本发明属于污水处理技术领域，涉及一种复合填料，具体涉及一种具有强化脱氮除磷功能的铁刨花耦合聚氨酯复合填料及其在水处理中的应用。


背景技术：

2.当前，各地方性标准对污水处理厂(设施)的污染物排放，尤其是氮、磷指标均提出了更严格的要求。目前城镇污水厂一般通过投加碳源强化脱氮，投加化学药剂进行除磷，必定会增加投资和运行费用；也有些向活性污泥中添加生物填料，以提升污水中的有机物和氮的去除效果，但这并不能有效提高除磷效率。
3.因此，开发一种既能脱氮，又能同时除磷，成本节约、性能好的填料具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对现有生物填料中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有强化脱氮除磷功能的铁刨花耦合聚氨酯复合填料，该填料成本低、制作工艺简单、生物亲和性好。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.一种具有强化脱氮除磷功能的铁刨花耦合聚氨酯复合填料，该复合填料包括位于复合填料中部的废弃铁刨花和将废弃铁刨花夹持的聚氨酯生物填料；
7.所述废弃铁刨花为铁制品生产加工过程中切削产生的废料，为带状螺旋结构；所述聚氨酯生物填料为聚氨酯材料制成的海绵网状立体结构填料。
8.本发明中，通过将废弃铁刨花插入聚氨酯生物填料中使废弃铁刨花位于芯层，聚氨酯生物填料作为其外部包围层，从而形成复合填料。
9.作为优选，所述废弃铁刨花的螺旋直径为5-8mm，长度与所述聚氨酯生物填料相配合，废弃铁刨花的厚度为0.2-0.5mm。
10.作为优选，所述聚氨酯生物填料规格为20*20*20mm、30*30*30mm或 50*50*50mm中的一种或几种。
11.作为优选，所述聚氨酯生物填料为中心开孔，所开孔径略小于所用废弃铁刨花的螺旋直径，使紧密包裹废弃铁刨花。
12.作为优选，所述聚氨酯生物填料为u型结构，所开口内固定废弃铁刨花。
13.作为优选，废弃铁刨花的长度略长于聚氨酯生物填料，使形成的复合填料的两侧有废弃铁刨花伸出，该伸出部长度≤复合填料长度的20％。最佳方案是废弃铁刨花伸出部长度为复合填料长度的5-10％。伸出的铁刨花不但可以使相邻两个聚氨酯填料之间不发生重叠，有效增大接触面积；而且该伸出一小部分铁刨花由于处于好氧环境，容易发生腐蚀，释放出铁离子，保证理想的除磷效果。
14.一种所述的复合填料在水处理中的应用，将所述复合填料通过绳从废弃铁刨花中间穿过，各填料之间通过绳结分隔，绳两端固定于支架上，吊装于污水生化处理好氧池中。
15.本发明通过铁刨花和聚氨酯生物填料的耦合和相互协同，实现污水生化处理脱氮除磷的强化。本发明可用于城镇污水、农村污水和工业废水的处理，具有良好的推广应用价值。
16.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.1、本发明所述复合填料可实现同步硝化反硝化。
18.本发明所述复合填料不仅保留了普通聚氨酯填料所具有网状立体多孔结构、比表面积大等特点，可作为理想的生物附着场所并形成生物膜；与普通活性污泥相比有更丰富的生物多样性，更高的生物量和更多世代时间长的生物。在此优势之上，复合填料中间的铁刨花可捕获并消耗一部分溶解氧，在填料内部形成一个相对厌氧的环境。复合填料外层的聚氨酯生物填料与污水和氧充分接触，进行硝化作用，并通过聚氨酯孔隙向复合填料内部进行物质交换，铁刨花中丰富的零价铁也可以为反硝化过程提供部分所需的电子，在内部相对缺氧的环境下完成反硝化作用最终实现同步硝化反硝化。
19.2、本发明所述复合填料可以利用铁刨花强化除磷，改善污泥沉降性。利用铁刨花在污水中微电解产生的fe
2+
和fe
3+
与磷酸根离子结合生成fepo4和fe3(po4)2沉淀。fe
3+
水解形成具有较大的比表面积的feooh，促进了磷的吸附，达到高效除磷的效果。在微生物和铁刨花的耦合协同作用下，过量的fe
2+
和fe
3+
会被微生物利用，使污泥的沉降性得到提升。
20.3、本发明所述复合填料采用了新的构造形式，利用铁制品生产过程中的废弃物铁刨花与聚氨酯生物填料耦合，不仅省去了复杂的制备工艺，而且利用铁刨花大比表面积，增大了其反应接触面积，不容易发生板结，能够保证长时间使用的效果。而常用的铁碳微电解填料生产过程中需要加入粘结剂或通过高温烧结，工艺要求和生产成本都较高，使用一段时间，容易发生板结等问题。
附图说明
[0021][0022]
图1本发明的填料结构和安装示意图；
[0023]
图2本发明sbr对于污水中污染物tn和tp的去除效果图；
[0024]
图3本发明的填料使用第5天附着的生物照片。
[0025]
标号说明：1废弃铁刨花，2聚氨酯，3绳，4绳结。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
[0027]
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
[0028]
下述实施例中所用的试剂，如无特殊说明，可以从常规生化试剂商店购买得到。以下实施例中的定量数据，均设置重复实验，结果取平均值。
[0029]
本发明的核心是提供一种具有强化脱氮除磷功能的铁刨花耦合聚氨酯复合填料，其结构图见图1，该复合填料包括位于复合填料中部的废弃铁刨花1和将废弃铁刨花夹持的聚氨酯生物填料2；所述废弃铁刨花为铁制品生产加工过程中切削产生的废料，为带状螺旋结构；所述聚氨酯生物填料为聚氨酯材料制成的海绵网状立体结构填料。通过将废弃铁刨花插入聚氨酯生物填料中使废弃铁刨花位于芯层，聚氨酯生物填料作为其外部包围层，从而形成复合填料。
[0030]
该复合填料在水处理中使用时，主要包括两种方式：1.固定悬挂。将所述复合填料通过绳3从废弃铁刨花中间穿过，各填料之间通过绳结4分隔，绳两端固定于支架上，吊装于污水生化处理的好氧池或者其他反应器中。绳选择耐磨损耐腐蚀的材料，比如尼龙绳。2.作为悬浮填料。将所述复合填料直接投入好氧池或者其他反应器中，铁和聚氨酯密度相差较大，通过改变插入铁刨花的质量，可以将铁刨花密度控制在1.01-1.10g/cm3内。在曝气时，填料可以保持一个悬浮流化状态。
[0031]
本发明所述的铁刨花耦合聚氨酯复合填料的具体实施方式之一，所述废弃铁刨花的螺旋直径为5-8mm，长度与所述聚氨酯生物填料相配合，废弃铁刨花的厚度为 0.2-0.5mm。优选的方案是，所述聚氨酯生物填料规格为20*20*20mm、30*30*30mm 或50*50*50mm中的一种或几种，这些规格均为市售产品。
[0032]
本发明所述的铁刨花耦合聚氨酯复合填料的具体实施方式之二，在具体实施方式之一的基础上，聚氨酯生物填料有两种设计。
[0033]
其一，所述聚氨酯生物填料为中心开孔，所开孔径略小于所用废弃铁刨花的螺旋直径，使紧密包裹废弃铁刨花。另一种设计为u型结构，如图1所示，聚氨酯生物填料的开口内固定废弃铁刨花。此外，聚氨酯生物填料也可以是一个立方体从中剖切，然后将废弃铁刨花固定在剖切处，使废弃铁刨花位于聚氨酯生物填料的中心处并被其包裹。
[0034]
为实现更好的脱氮除磷效果，废弃铁刨花的长度略长于聚氨酯生物填料，使形成的复合填料的两侧有废弃铁刨花伸出，该伸出部长度≤复合填料长度的20％。最佳方案是废弃铁刨花伸出部长度为复合填料长度的5-10％。伸出的铁刨花不但可以使相邻两个聚氨酯填料之间不发生重叠，有效增大接触面积；而且该废弃铁刨花伸出部的一小部分由于处于好氧环境，容易发生腐蚀，从而释放出铁离子，保证理想的除磷效果。
[0035]
应用例1
[0036]
设计两个sbr试验装置，分别为试验组和对照组，在试验组的反应器中悬挂本发明所述的复合填料共150个，表观体积12.5dm3。平行对照组不悬挂填料，按相同运行方式运行。
[0037]
复合填料的具体参数为：填料外层为聚氨酯，规格为50*50*50mm中心插入长度为5.5mm的螺旋状铁刨花。用尼龙穿过铁刨花，每一串悬挂15个填料。共计挂入反应器10串。
[0038]
sbr试验装置的参数为：内径40cm，有效水深120cm，有效容积150.8l。
[0039]
进水为实际城镇污水处理厂的原水，平均cod
cr
为213.8mg/l，氨氮为 45.1mg/l，总磷为5.27mg/l，是一种典型的碳源不足污水。sbr反应器的运行周期为4小时(其中进水15min，曝气120min，沉淀时间为5min，出水10min，闲置90min)。
[0040]
对照组和试验组均连续运行15天共90个周期，每天对出水中的氮、磷含量进行检测，测试方法参考《水和废水监测分析方法(第四版)》，氮、磷的去除效果如图2所示。本发明
复合填料使用第5天附着的生物照片图3如所示。
[0041]
经连续试验验证，试验组总磷平均去除率为93.3％，对照组为78.8％，去除率提高14.5％。在不外加碳源的情况下，试验组总氮平均去除率为68.1％，对照组为 56.1％，去除率提高12％。
[0042]
应用例2
[0043]
进一步对应用例1进行优化，设计3个sbr试验装置，分别为r0、r1、r2, 其中r0为空白组，r1加入复合填料，r2加入铁刨花1024g。
[0044]
sbr反应器的运行周期优化为6小时(其中进水30min，静置90min，曝气60min，静置30min,曝气90min，沉淀时间为30min，出水10min，闲置20min)。进水为实际城镇污水处理厂的原水，由于水质季节性波动，试验期间平均codcr为156mg/l，氨氮为48.2mg/l，是一种碳氮比更低的污水。其余参数和试验方法与应用例1相同。
[0045]
经连续试验验证，r0的总氮平均去除率为65.45％，r1的总氮平均去除率为 71.38％，r2的总氮平均去除率为68.31％。添加复合填料比空白组总氮去除率提高 5.93％，比单独添加铁刨花总氮去除率提高3.07％。
[0046]
应用例3
[0047]
铁碳生物耦合填料在与活性污泥共同作用下能将进水碳源进行储存，作为生物反硝化所需的碳源。以乙酸钠为碳源，测试铁碳生物耦合填料与普通活性污泥的储碳能力。
[0048]
取城镇污水厂氧化沟的活性污泥，污泥浓度为4271mg/l，填料表观填充率为 37.5％。加入配置的醋酸钠溶液作为碳源，并进行厌氧震荡。10min后，加入复合填料的活性污泥组削减污水中的碳源20.5％，对照组削减污水中的碳源14.1％，加入铁刨花聚氨酯耦合填料能够提升储碳能力6.4％。1h后，加入复合填料的活性污泥组削减污水中的碳源48.8％，对照组削减45％。复合填料外层能轻易获得污水中的溶解氧，进行硝化作用。而填料中间的铁刨花可消耗一部分溶解氧，同时填料内部大量微生物和铁刨花的共同作用下，形成一个厌氧层。在进水初期，添加生物填料可以促进更多的碳源得到储存，在反硝化时进行释放，为其提供所需的碳源。
[0049]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0050]
以上对本发明所提供的具有强化脱氮除磷功能的铁刨花耦合聚氨酯复合填料详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。