CN107628683A - 一种生物填料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物填料，包括以下重量份数：氧化石墨烯0.01‑1份、活化沸石粉2‑20份、碳纤维粉1‑6份、纳米银粉1‑6份、填充物Ⅰ1‑6份、填充物Ⅱ1‑6份。本发明的生物填料的使用成本低、耐负荷冲击、亲水性好、生物活性高、比表面积大，能够在流动水体中净化污水的生物填料，受水流冲刷的影响小，处理污水的效率高、效果好，不阻塞河涌，使用方便。该生物填料适用于高浓度有机废水、各种工业废水、炼油废水、日用化工废水、医药废水以及城镇生活污水的脱氮除磷等污水处理工程。

Description

一种生物填料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，更具体地，涉及一种生物填料及其制备方法与应用。

背景技术

随着社会生产力的发展，水资源越来越缺乏，各行业的污水使得水呈富态化，每天都有大量的生活污水、工业污水、养殖污水和种植污水等排入河涌，使得水资源更加紧缺。而河涌的水流量较大，无法做到完全截污，进而污水处理的难度较大，特别是污水中的氨氮、总氮浓度较高，减少了水中的溶解氧含量，破坏了水体的正常环境，使得水生动植物大量死亡，导致河涌水体变黑发臭。污水处理成本高，处理后的出水也难以达标，对生态环境具有潜在威胁。

为了治理河涌的流动水体环境，现有的治理方法通常是，在水中添加粉状生物化学制剂以期与污水中的氨氮等反应，达到污水处理的目的。然而，由于河涌水流作用，添加的污水处理剂极易被冲刷，效果甚微；若加大污水处理剂的用量，则容易阻塞河流。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是提供一种能够在流动水体中净化污水的生物填料，受水流冲刷的影响小，处理污水的效率高，不阻塞河涌，使用方便。

本发明的进一步目的是提供一种如上述生物填料的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种如上述生物填料的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种生物填料，包括以下重量份数：氧化石墨烯0.01-1份、活化沸石粉2-20份、碳纤维粉1-6份、纳米银粉1-6份、填充物Ⅰ1-6份、填充物Ⅱ1-6份。

较佳地，包括以下重量份数：氧化石墨烯0.5份、活化沸石粉20份、碳纤维粉3份、纳米银粉6份、填充物Ⅰ3份、填充物Ⅱ3份。

可选地，所述填充物Ⅰ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾或氧化铁；所述填充物Ⅱ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾或氧化铁；所述填充物Ⅰ和填充物Ⅱ为不同的成分。

本发明还提供了一种如上述生物填料的制备方法，包括以下步骤：

步骤10：将聚氨酯进行发泡，并经过氧气、氢气双重爆炸形成填料主体；

步骤20：采用聚丙烯制成外支撑骨架，并包裹在填料主体外；

步骤30：对氧化石墨烯0.01-1份、活化沸石粉2-20份、碳纤维粉1-6份、纳米银粉1-6份、填充物Ⅰ1-6份、填充物Ⅱ1-6份按重量份数配置并进行处理后，分布于填料主体的表面和基体中，即制成所述生物填料。

优选地，聚氨酯形成填料主体后的内孔孔径为2-2.5mm，开孔率大于90％，表面积大于5000㎡/m³。

优选地，所述聚丙烯制成的外支撑骨架的直径为100mm。

优选地，氧化石墨烯的制备方法为：将石墨烯粉末、硝酸钠和高锰酸钾依次加入98％的浓硫酸中，在80℃下以100r/min的速度搅拌1-4h；向反应后所得的混合体系中加水，在90℃下保温25-30min后继续加水稀释；向加水稀释后的混合体系中加入二氧化二氢水溶液并继续搅拌反应2-6h；将反应后所得混合体系离心后取固体部分，经冲洗、超声破碎和冷冻干燥后，即得氧化石墨烯粉末。

优选地，活化沸石粉的制备方法为：将氯化钠试剂烘干至恒重后配置成浓度为0.1-1mol/L的改性活化液；将沸石按1g：(20-40)ml的固液比投加至所述改性活化液中，50-80℃恒温震荡0.5-3h，震荡速率为100-200r/min；待反应结束后，取出沸石，去离子水洗净后烘干至恒重，最后研磨成粉，即得活化沸石粉。

优选地，对氧化石墨烯、活化沸石粉、碳纤维粉、纳米银粉、填充物Ⅰ和填充物Ⅱ进行的处理具体为：按重量份数称取各组分：氧化石墨烯0.5份、活化沸石粉20份、碳纤维粉3份、纳米银粉6份、填充物Ⅰ3份、填充物Ⅱ3份，将称取的各组分混合，并制成粒径为4mm的小球样品，将所述小球样品晾干后，进行加热、干燥、烧结，冷却至室温即完成处理。其中，所述填充物Ⅰ和填充物Ⅱ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾和氧化铁的两种。

本发明还进一步提供了如上述生物填料的应用，每立方米的污水区域堆放所述生物填料的空间占比为50％-70％。

与现有技术相比，本发明的生物填料的使用成本低、耐负荷冲击、亲水性好、生物活性高、比表面积大，能够在流动水体中净化污水的生物填料，受水流冲刷的影响小，处理污水的效率高、效果好，不阻塞河涌，使用方便。该生物填料适用于高浓度有机废水、各种工业废水、炼油废水、日用化工废水、医药废水以及城镇生活污水的脱氮除磷等污水处理工程。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明的生物填料包括以下重量份数：氧化石墨烯0.01-1份、活化沸石粉2-20份、碳纤维粉1-6份、纳米银粉1-6份、填充物Ⅰ1-6份、填充物Ⅱ1-6份。其中，填充物Ⅰ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾或氧化铁；填充物Ⅱ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾或氧化铁；填充物Ⅰ和填充物Ⅱ为不同的成分。

生物处理在当今各类废水处理中占有及其重要的地位。采用生物填料是处理污水的较佳手段，不仅可提高微生物浓度，提高BOD负荷、脱氮效率，还可减少占地面积和产泥量，增强对高浓度有机有毒废水的适用性和对重金属、pH等的耐受能力。

本发明的生物填料的制备方法，包括以下步骤：

步骤10：将聚氨酯进行发泡，并经过氧气、氢气双重爆炸形成填料主体；

步骤20：采用聚丙烯制成外支撑骨架，并包裹在填料主体外；

步骤30：对氧化石墨烯0.01-1份、活化沸石粉2-20份、碳纤维粉1-6份、纳米银粉1-6份、填充物Ⅰ1-6份、填充物Ⅱ1-6份按重量份数配置并进行处理后，分布于填料主体的表面和基体中，即制成生物填料。

其中，对氧化石墨烯、活化沸石粉、碳纤维粉、纳米银粉、填充物Ⅰ和填充物Ⅱ进行的处理具体为：按重量份数称取各组分，将称取的各组分混合，并制成粒径为4mm的小球样品，将小球样品晾干后，进行加热、干燥、烧结，冷却至室温即完成处理。

聚氨酯是主链上含有重复氨基甲酸酯集团的大分子化合物，具有优异的耐磨、耐油、耐撕裂、耐化学腐蚀等特性。在本发明实施例中，聚氨酯形成填料主体后的内孔孔径为2-2.5mm，相互贯通，开孔率大于90％，表面积大于5000㎡/m³，能够使整块填料作为全方位培菌载体。采用聚氨酯作为填料主体，在使用过程中不易水解、表面性能佳、不易被细菌破坏。另外，聚丙烯制成的外支撑骨架的直径为100mm。在实际使用中，该生物填料可以采用常规尺寸，如长宽高为30mm×30mm×20mm、20mm×20mm×20mm等，具体的尺寸及形状大小也可以根据用户的使用要求进行制作，使用非常方便。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯在水中具有优越的分散性，可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量，对生物填料的净水效果有很大程度的提升作用。在本发明的生物填料的制备方法中，氧化石墨烯的制备方法为：将石墨烯粉末、硝酸钠和高锰酸钾依次加入98％的浓硫酸中，在80℃下以100r/min的速度搅拌1-4h；向反应后所得的混合体系中加水，在90℃下保温25-30min后继续加水稀释；向加水稀释后的混合体系中加入二氧化二氢水溶液并继续搅拌反应2-6h；将反应后所得混合体系离心后取固体部分，经冲洗、超声破碎和冷冻干燥后，即得氧化石墨烯粉末。

沸石粉作为一种架状结构的铝硅酸盐矿物，结构稳定，耐酸耐热性能好，晶体内部有大量的孔穴和孔道，基体材料容易吸附在孔径里面；同时沸石易加工成超细粉，沸石粉粒径小、比表面积大、分散性良好，能够很好地吸附和覆盖在聚氨酯填料主体上，从而优化了本发明生物填料的力学性能，提高了整体的耐磨性和拉伸强度，减少了成型收缩率。活化沸石粉可有效去除水中的氨氮，净化水质，缓解转水现象。在本发明的生物填料的制备方法中，活化沸石粉的制备方法为：将氯化钠试剂烘干至恒重后配置成浓度为0.1-1mol/L的改性活化液；将沸石按1g：(20-40)ml的固液比投加至改性活化液中，50-80℃恒温震荡0.5-3h，震荡速率为100-200r/min；待反应结束后，取出沸石，去离子水洗净后烘干至恒重，最后研磨成粉，即得活化沸石粉。

碳纤维粉保留了碳纤维的众多优良性能，形状细小、表面纯净、比表面积大，易于被树脂润湿均由分散，是性能优良的复合材料填料；纳米银是将粒径做到纳米级的金属银单质，其粒径大多在25nm左右，对大肠杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，而且不会产生耐药性。纳米银粉用在本发明的生物填料中，能够有效去除污水中的臭味。

氧化铝、氧化硅、氧化钾均具有良好的吸附性能；氧化钙、氧化铁适合用作填充剂，特别适用于酸性废水处理及污泥调质。

也即是，本发明的生物填料具有以下特性：亲水性好、合适的比重、足够的机械强度和化学稳定性、较大的比表面积、较大的内部和外部孔隙率、堆积密度小、生物膜易生易落、处理效果好等。该生物填料的使用成本低、耐负荷冲击、亲水性好、生物活性高、比表面积大，能够在流动水体中净化污水的生物填料，受水流冲刷的影响小，有效成分的流失率低，处理污水的效率高、效果好，不阻塞河涌，使用方便。该生物填料适用于高浓度有机废水、各种工业废水、炼油废水、日用化工废水、医药废水以及城镇生活污水的脱氮除磷等污水处理工程，尤其适于应用在污水处理的中水回用，曝气生物滤池硝化菌填料载体、除磷、脱氨氮等。

本发明做了大量的实验测试，特别针对总氮去除率、氨氮去除率、总磷去除率、除菌率、污水臭味等项目进行测试，其中列举了部分的实验数据，具体见表1。

表1各实施例的生物填料实验数据

由表1可知，与原始浓度相比，本发明的生物填料具有较佳的脱氮除磷效果，总磷去除率均达到92％以上，除菌率均达到60％以上，得到的处理水均无臭味。

本发明还进一步提供了如上述生物填料的应用，每立方米的污水区域堆放生物填料的空间占比为50％-70％。

由于该生物载体的特殊结构，在曝气池内单个生物载体的外表面实现亚硝化反应、内部实现亚硝酸盐的反硝化，其中不仅有简单的物理吸附，还有正、负电荷的引力，使载体表面带有一定的阳离子活性基团及羟基等亲水性基团，可与污水中带有负电荷的微生物产生键、价的固定结合，从而将微生物及生物酶牢固的固定在聚氨酯填料主体上，使成活后的微生物不容易在水、气的剪切作用下流失，微生物的负载量大，容积负荷高，从而使污水中的氨氮、总氮达到同时下降的目的；同时还具有切割气泡能力强，空间体积利用率大、无死区等优点，是当前生物处理技术中微生物载体最理想的生物填料。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物填料，其特征在于，包括以下重量份数：氧化石墨烯0.01-1份、活化沸石粉2-20份、碳纤维粉1-6份、纳米银粉1-6份、填充物Ⅰ1-6份、填充物Ⅱ1-6份。

2.根据权利要求1所述的生物填料，其特征在于，包括以下重量份数：氧化石墨烯0.5份、活化沸石粉20份、碳纤维粉3份、纳米银粉6份、填充物Ⅰ3份、填充物Ⅱ3份。

3.根据权利要求1或2所述的生物填料，其特征在于，所述填充物Ⅰ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾或氧化铁；所述填充物Ⅱ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾或氧化铁；所述填充物Ⅰ和填充物Ⅱ为不同的成分。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的生物填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将聚氨酯进行发泡，并经过氧气、氢气双重爆炸形成填料主体；

采用聚丙烯制成外支撑骨架，并包裹在填料主体外；

对氧化石墨烯0.01-1份、活化沸石粉2-20份、碳纤维粉1-6份、纳米银粉1-6份、填充物Ⅰ1-6份、填充物Ⅱ1-6份按重量份数配置并进行处理后，分布于填料主体的表面和基体中，即制成所述生物填料。

5.根据权利要求4所述的生物填料的制备方法，其特征在于，聚氨酯形成填料主体后的内孔孔径为2-2.5mm，开孔率大于90％，表面积大于5000㎡/m³。

6.根据权利要求4所述的生物填料的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯制成的外支撑骨架的直径为100mm。

7.根据权利要求4所述的生物填料的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯的制备方法为：

将石墨烯粉末、硝酸钠和高锰酸钾依次加入98％的浓硫酸中，在80℃下以100r/min的速度搅拌1-4h；向反应后所得的混合体系中加水，在90℃下保温25-30min后继续加水稀释；向加水稀释后的混合体系中加入二氧化二氢水溶液并继续搅拌反应2-6h；将反应后所得混合体系离心后取固体部分，经冲洗、超声破碎和冷冻干燥后，即得氧化石墨烯粉末。

8.根据权利要求4所述的生物填料的制备方法，其特征在于，活化沸石粉的制备方法为：

将氯化钠试剂烘干至恒重后配置成浓度为0.1-1mol/L的改性活化液；将沸石按1g：(20-40)ml的固液比投加至所述改性活化液中，50-80℃恒温震荡0.5-3h，震荡速率为100-200r/min；待反应结束后，取出沸石，去离子水洗净后烘干至恒重，最后研磨成粉，即得活化沸石粉。

9.根据权利要求4所述的生物填料的制备方法，其特征在于，对氧化石墨烯、活化沸石粉、碳纤维粉、纳米银粉、填充物Ⅰ和填充物Ⅱ进行的处理具体为：

按重量份数称取各组分：氧化石墨烯0.5份、活化沸石粉20份、碳纤维粉3份、纳米银粉6份、填充物Ⅰ3份、填充物Ⅱ3份，将称取的各组分混合，并制成粒径为4mm的小球样品，将所述小球样品晾干后，进行加热、干燥、烧结，冷却至室温即完成处理；

其中，所述填充物Ⅰ和填充物Ⅱ为氧化铝、氧化硅、氧化钙、氧化钾和氧化铁的两种。

10.一种如权利要求1至3任一项所述的生物填料的应用，其特征在于，每立方米的污水区域堆放所述生物填料的空间占比为50％-70％。