泡沫催化铁填料及其应用方法
【专利摘要】本发明涉及一种污水生物处理用的填料，具体为泡沫催化铁填料，由基体金属铁和均匀分布的气孔组成，外形为球形或方形；所述的气孔包括通孔和闭孔，孔隙率为83-98%，通孔率为0-89%，气孔孔径为1-5mm，体积密度为850-1350kg/m3；将泡沫催化铁填料投置于生物反应处理单元内，依据不同处理工艺使泡沫催化铁填料固定或者悬浮生物反应处理单元内，泡沫催化铁填料与生物反应处理单元形成耦合反应池。本发明提供的泡沫催化铁填料及其应用方法，相比铁碳法和催化铁还原内电解法无论在材料体积密度的控制、化学性质的一致性，还是耦合反应的传质、反应活性的保持上均有显著的优势。
【专利说明】泡沬催化铁填料及其应用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种污水生物处理用的填料，具体为泡沫催化铁填料及其应用方法。
【背景技术】
[0002]铁化学性质活泼，来源丰富，价格低廉，自从20世纪70年代初有关于单质铁可以还原去除水溶液中的氯代有机物的专利以来，利用单质铁修复水体污染得到了非常广泛的研究，在地下水的处理中取得了较大的成功。
[0003]在废水处理中研究的较为广泛的主要有铁碳法内电解技术和催化铁还原内电解技术。铁碳法内电解技术是把铸铁和活性炭等材料组合在一起形成原电池进行污染物处理的一类废水处理技术的通称，工程实践发现其仅在酸性条件下反应活性较高，偏碱性条件处理效果欠佳，损耗量大，易堵塞，对许多物质的还原反应速率还难以达到大规模应用的要求。
[0004]催化铁还原内电解技术是在铁碳法基础上发展而来的，是以催化铁材料作为主要反应介质的一类废水处理技术的通称。催化铁材料主要包括对铸铁进行切削加工而形成的铁削屑、铁刨花，以及在此基础上通过在铁材料表面镀上另一种或多种金属而形成的双金属或多金属材料，或者将铁刨花与金属滤料按一定比例充分混合而形成的混合材料。相比铁碳法，催化铁还原法具有更宽广的PH适应范围和更高的还原速率，因此应用范围更广，但是在实际应用中发现，受限于催化铁材料的特性，尚存在几个主要缺点:首先，材料本身的制备和一致性上难以保持均匀。催化铁材料主要来源于对铸铁进行切削加工，加工费用高、加工条件难以控制， 将加工废料铁刨花压制成型时，其堆积密度和孔隙率难以控制的均衡一致；其次，催化铁材料密度远大于水，加入反应池后通常处于反应器底部，水力条件和传质效果均不佳，此外，运行一段时间后产生的氧化铁碎渣会淤积在反应池底部导致活性急剧下降。
【发明内容】
[0005]针对上述技术问题，本发明提供一种填料密度控制容易、水力条件和传质效果较好的催化铁填料，具体的技术方案为:
泡沫催化铁填料，由基体金属铁和均匀分布的气孔组成，外形为球形或方形；所述的气孔包括通孔和闭孔，孔隙率为83-98%，通孔率为0-89%，气孔孔径为l_5mm，体积密度为850-1350 kg/m3；
其通孔率和孔隙率的关系符合以下公式:
T (%) = [1- (1-C) Pm / Po] XlOO % ±5%
其中:T为通孔率；C为孔隙率；P m为基体金属铁的实心状态时的密度，kg/m3 ; P C1为所处理的废水的密度，kg/m3。污水密度Ptl值通常在1000-1010 kg/m3, P m / P ^的比值实际上在7.8左右。
[0006]基体金属铁为纯的铁。[0007]基体金属铁为多金属体系，由铁表面镀上镍、铜或铝任一种金属后形成，铁含量为90-95%。
[0008]基体金属铁为合金,铁含量为90-98%,还包括碳、镍、铜或招任一种物质。
[0009]泡沫催化铁填料的应用方法为:
将泡沫催化铁填料投置于生物反应处理单元内，依据不同处理工艺使泡沫催化铁填料固定或者悬浮生物反应处理单元内，依据不同的水质特点和处理要求控制其投加量，每立方米废水投放含100-500 kg基体金属铁的泡沫催化铁填料，泡沫催化铁填料与生物反应处理单元形成耦合反应池；
以生物反应处理单元常规的运行参数运行，将反应达标的清水排出。
[0010]生物反应处理单元为利用活性污泥处理污水的反应单元，可以是好氧生物处理单元，也可以是好氧或缺氧生物处理单元，可以是单独的某个生物反应处理单元，也可以是完整流程中的某一个或几个处理单元。
[0011]泡沫催化铁填料是一种由基体金属和气孔组成的低密度材料，具有轻质高强、t匕表面积大、优秀的电磁学和热力学特性。其中的气泡按照彼此之间是否联通可分为通孔和闭孔，当完全浸入水中后，通孔因为彼此联通能够让水通过，闭孔内则无法进水，因此闭孔的总体积最终决定了泡沫铁是否会在水中悬浮。由于气泡与基体金属铁均匀分布，整个填料化学性质稳定，内外通透保证了良好的水力学特性，反应活性佳，不容易堵塞。此外，在制造过程中可通过调节通孔和闭孔的比例来控制填料在水中的浮沉状态，也可根据不同的反应器构型来定制相应的填料形状，据有较佳的工艺适应性和针对性。
[0012]泡沫催化铁填料在废水生物处理过程中的主要作用有以下几个方面:
(I)直接氧化还原作用。泡沫催化铁与水接触形成的电解还原体系可以直接还原废水中许多毒性物质、难降解物质，使之毒性减弱或完全降解，这样可以大幅度的提高难降解工业废水的可生化性，便于后继生化处理。
[0013](2)铁离子的絮凝沉淀作用。因为铁的腐蚀而溶解在水中的Fe2+和继续氧化形成的Fe3+在中性和碱性条件下水解生成的水合物具有很强的混凝沉淀作用，既能对污水中的物质进行吸附混凝，直接沉淀去除，又能改善生物处理中活性污泥的SVI，提高其沉淀效果。
[0014](3)电化学富集作用。在催化铁填料附近的区域，铁与加入的其他金属或内部存在的杂质之间形成小的原电池，在其周围产生一个电场，许多废水中均存在着稳定的带电胶体，当这些胶体处于电场下时，将产生电泳作用而被附集。
[0015](4)电子传递作用。铁是生物氧化酶中细胞色素的重要组成部分，通过Fe2+、Fe3+之间的氧化还原反应进行电子传递。微电解出水中新生态的铁离子能参与这种电子传递，对生化反应有促进作用，提高了废水的可生化性。
[0016]本发明提供的泡沫催化铁填料及其应用方法，相比铁碳法和催化铁还原内电解法无论在材料体积密度的控制、化学性质的一致性，还是耦合反应的传质、反应活性的保持上均有显著的优势。
【具体实施方式】
[0017]结合实施例说明本发明的【具体实施方式】。
[0018]实施例1泡沫催化铁填料与水解酸化耦合预处理难降解废水。
[0019]构建四个相同样式的有效体积200 L的玻璃钢材料的水解酸化池，第一个水解酸化池是常规的水解酸化池，第二个水解酸化池中投加泡沫催化铁填料，第三个水解酸化池中投加铁刨花为主的催化铁内电解材料，第四个水解酸化池中投加铁碳内电解材料。投加的填料质量，以铁重量计，均为100 kg，即合500 kg/m3。
[0020]使用的泡沫催化铁材料为立方体形状,边长为20 cm,空隙率为83%,通孔率为0%、孔径为5 mm,基体金属铁含碳量5%，通过不锈钢网固定在水解酸化池的中间部位，水解酸化池内部设置循环搅拌装置。
[0021]水解酸化池进水均为工业园区难降解废水，水力停留时间(HRT)为12 h，从正常运行的某污水处理厂接种水解酸化污泥，浓度设置为MLSS 5000 mg/L，厌氧条件下运行。运行8个周期后，出水稳定，连续监测三个周期的进出水水质，取平均值。结果如表1所示。
[0022]可以看出，与其他几个水解酸化池相比，使用泡沫催化铁填料的水解酸化池出水的COD、TN和TP浓度最低，可生化性最高，具有最好的处理效果。
[0023]表1实施例1不同条件下的进出水水质
【权利要求】
1.泡沫催化铁填料，其特征在于:由基体金属铁和均匀分布的气孔组成，外形为球形或方形；所述的气孔包括通孔和闭孔，孔隙率为83-98%，通孔率为0-89%，气孔孔径为 体积密度为 850 - 1350 kg/m3 ； 其通孔率和孔隙率的关系符合以下公式: T (%) = [1- (1-C) Pm / Po] XlOO % ±5% 其中:T为通孔率；C为孔隙率；P m为基体金属铁的实心状态时的密度，kg/m3 ; P C1为所处理的废水的密度，kg/m3。
2.根据权利要求1所述的泡沫催化铁填料，其特征在于:所述的基体金属铁为纯的铁。
3.根据权利要求1所述的泡沫催化铁填料，其特征在于:所述的基体金属铁为多金属体系，由铁表面镀上镍、铜或招任一种金属后形成，铁含量为90-95%。
4.根据权利要求1所述的泡沫催化铁填料，其特征在于:所述的基体金属铁为合金，铁含量为90-98%,还包括碳、镍、铜或招任一种物质。
5.根据权利要求1到4任一项所述的泡沫催化铁填料，其特征在于:所述的泡沫催化铁填料的应用方法为: 将泡沫催化铁填料投置于生物反应处理单元内，依据不同处理工艺使泡沫催化铁填料固定或者悬浮在生物反应处理单元内，依据不同的水质特点和处理要求控制其投加量，每立方米废水投放含铁100-500 kg的泡沫催化铁填料，泡沫催化铁填料与生物反应处理单元形成耦合反应池； 以生物反应处理单元常规的运行参数运行，将反应达标的清水排出。
6.根据权利要求5所述的泡沫催化铁填料，其特征在于:所述的生物反应处理单元为利用活性污泥处理污水的反应单元。
【文档编号】B01J35/10GK103962138SQ201410207486
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】王子 申请人:宜兴市产品质量监督检验所