CN113713605A - 一种空气净化生物过滤滤料颗粒及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种空气净化生物过滤滤料颗粒及其制备方法和用途，本发明涉及一种生物过滤滤料，该滤料颗粒包括有采用无机多孔材料制备的、等效粒径为4‑40mm、表观密度为200‑800kg/m³、比表面积为50‑150m³/g且浸渍有pH缓冲剂和生物氧化还原的催化剂成分的内核以及沉积在内核外表面的活性涂层。本发明的有益效果在于：1)、具有极佳的pH调节能力，催化剂可以长久作用到微生物的代谢过程中，辅助微生物将H₂S和VOC等氧化还原成特定的稳定的无害化产物，对废气中的HCl、氨等成分也有极高的耐受能力和去除效果；2)、在使用过程中微生物可以直接从滤料中获得营养和微量元素；3)、比表面积大，吸附能力强；4)、生物过滤的停留时间短；5)、运行稳定，不易老化及板结，使用寿命长。

Description

一种空气净化生物过滤滤料颗粒及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种生物过滤滤料，用于废气净化和室内空气质量改善，特别是废气的除臭和VOC排放控制。

背景技术

在废气处理系统中生物过滤装置是一种普遍使用的装置。生物过滤装置核心部分是生物滤床，生物滤床内装填生物滤料，微生物在生物滤料表面固着生长形成生物膜；废气通过过滤装置时废气中的污染成分(常见的有硫化氢、氨、二硫醇、硫醚、乙醇、丙酮、VOCs等)被传递到滤料表面的生物相，在适宜的温度和湿度条件下，并被微生物利用并分解为无害成分。生物过滤装置的处理效果好坏和空气流速、空塔停留时间、灌溉水量和频率、滤料种类、滤床含水量和空气湿度等因素有关，其中滤料的种类及其特性是最为关键的因素之一。滤料的种类和特性直接关系到滤床的含水量、微生物的生长快慢、微生物的种类和降解性能、滤床的使用寿命，从而影响整个生物过滤装置的处理效果。采用传统生物滤料的生物过滤装置的滤床空塔停留时间往往需要较长时间，停留时间过短会造成风速过大、滤池含湿量难以保持、微生物作用时间短，处理效果变差；停留时间过大，则会造成装置体积过大，增加滤料用量和滤床体积，增加制造成本。传统的生物滤料如树皮、秸秆、堆肥等天然有机性滤料来源充足，可以提供很好的滤床湿度，价格便宜，本身含有较多微生物，并为微生物提供充足的营养(这对装置的快速启动至关重要)，但这些天然有机性填料自然降解速度快，使用一段时间后滤料会腐败、变质、消耗，因此需要经常更换；或者如火山岩、陶粒等无机颗粒滤料虽然有良好的吸湿性、形状稳定、使用寿命长等特点，但表面吸附能力差，微生物难于附着生长，不能为微生物提供生长所需要的养分；再如竹炭和颗粒活性炭等无机滤料，虽然有很好的表面吸附能力，但也不能为微生物提供所需的营养成分，不能为微生物附着生长营造适宜环境。

废气中所含的成分往往比较复杂，既有H₂S及氨等酸性和碱性无机成分，也有二硫醇、硫醚、乙醇、丙酮、VOCs等有机成分，这些成分的浓度通常在几个 mg/m³至几十甚至几百mg/m³。这些成分的性质往往会对生物滤料表面的生物膜的物理化学条件造成冲击而影响去除效果，例如硫化氢如果不能尽快被转化成中性的S，而是停留在硫化氢或被氧化H₂SO₃ ^2-或H₂SO₄ ^2-，则生物膜的pH会渐渐变得酸化，从而变得不利于微生物的生长。又比如许多VOC成分进入生物膜会造成生物膜的pH变化，如有机酸类、酮类、酚类进入生物滤层会使得滤床变得酸化，而胺类和醇类以及醚类则会使得滤床变成碱性。而现有的生物滤料中都没有明确而有效的pH缓冲成分，一旦生物滤料表面发生酸化或碱化，将会严重影响生物滤池的运行，导致净化效果下降。

发明内容

为解决上述提到的问题，本发明提供一种高效、稳定的生物过滤滤料颗粒，含有增强滤料吸附能力的吸附材料以及促进微生物固着生长和降解利用VOC成分的因子和催化剂成分，能够保证滤料在不同工况条件下长期稳定工作，且处理效果更佳。

一种空气净化生物过滤滤料颗粒，所述的滤料颗粒包括有采用无机多孔材料制备的、等效粒径为4-40mm、表观密度为200-800kg/m³、比表面积为 50-150m³/g且浸渍有pH缓冲剂和生物氧化还原的催化剂成分的内核以及沉积在内核外表面的活性涂层；所述的pH缓冲剂和催化剂的总重量与内核颗粒的重量比为1：10-1：20；所述的活性涂层含有重量比为45-55:5-8:35-45的吸附剂、微生物营养剂和基料。

进一步的，所述的无机多孔材料由黏土、岩石粉、矿渣、粉煤灰和/或其他工业废料或废渣等天然或人工合成的材料通过烧结工艺制成的，内核材料具有良好的吸湿性。这些材料中含有SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等物质。

进一步的，所述的内核为颗粒状，颗粒形状为任意形状，可以是球体或柱体或不规则形状或它们的混合物；

进一步的，所述的等效粒径为8-30mm为最佳粒径，实际应用时可以根据不同应用选用不同的粒径大小。

进一步的，所述pH缓冲剂采用氧化钙、碳酸钙、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠等弱碱成分中的一种或一种以上组成的混合物(起到pH缓冲作用)。

进一步的，所述的催化剂采用铁基催化剂，包括氧化铁、三氧化二铁、四氧化三铁和/或零价铁等。

进一步的，所述的吸附剂为活性炭或沸石。

进一步的，所述的微生物营养剂含有氮、磷营养成分和锌、铁、钼、硼、铜等微量元素。

进一步的，所述的基料为氧化铝。

进一步的，所述的基料中可以混入少量的FeO、SiO，其重量占基料总量的 5-10％为宜。

更进一步的，所述的涂层中含有粘结材料，粘结材料为树脂、纤维素、淀粉或硅酸钠(俗称水玻璃)、硅酸钙、铝硅酸盐等有机或无机性粘结剂，粘结剂的使用量根据不同的粘结剂而不同，粘结剂的重量占涂层重量的5-10％，以能形成有一定强度，不会脱落的稳定涂层为准。

进一步的，活性涂层中所含有效材料和滤料内核的重量比以所形成的涂层能完全覆盖内核表面为佳，一般1：5-1：2；以1：5-1：4为最佳。

一种空气净化生物过滤滤料颗粒的使用，控制所述的滤料颗粒的体积大小的不均匀系数d60/d10小于等于1.5，滤料成型后送入固化装置，并进行烘干，然后放置2天以上，即可装填至生物过滤装置中用于废气净化；对常见的废气如硫化氢、氨、二硫醇、硫醚、VOCs、有机酸类、酮类、酚类等废气进行净化。保持滤料的颗粒形状和粒径大小有良好的均匀性，这样可以保持颗粒和颗粒之间有较大的空隙，保证滤料的使用时空气阻力比较小，且不易被生物膜堵塞。滤料在过滤装置中填充后的形状对于生物过滤的处理效果的影响并不大，滤料形状主要取决于所选用的内核的形状。

一种空气净化生物过滤滤料的制备方法，所述的制备方法包括如下的步骤：

1)、采用表观密度为200-800kg/m³、等效粒径为4-40mm、比表面积为 50-150m³/g的无机多孔材料作为内核；

2)、将选用的内核材料浸渍到或者喷洒pH缓冲剂和含有生物氧化还原催化剂成分的溶液；

浸渍pH缓冲剂和催化剂成分的方法为：将浸渍成分配成溶液进行喷雾或直接将溶液倒入装有内核的容器中翻动搅拌，浸渍的时间为0.5h至10h，尤其以 1-2h为最佳；浸渍在25-50℃范围进行，以温度40-50℃为佳，在较高温度范围内浸渍可以使得浸渍成分更容易进入到内核材料的空隙中；所述的pH缓冲剂和催化剂可以先后分别加入也可以先混合后同时加入。

3)步骤2)结束后进行适当干化处理，除去颗粒表面的游离水；

4)在内核外表面通过沉积法固定一层活性涂层。

本发明的有益效果在于：本发明提供的滤料，相比传统的生物过滤滤料具有如下几方面的优点：1)、亲水性内核浸渍有pH缓冲成分和催化剂成分，具有极佳的pH调节能力，催化剂可以长久作用到微生物的代谢过程中，辅助微生物将H₂S和VOC等氧化还原成特定的稳定的无害化产物。这样的特点使得生物过滤装置能比现有的生物滤料更有效处理H₂S和VOC等废气成分，对废气中的HCl、氨等成分也有极高的耐受能力和去除效果；2)、在滤料中混有微生物所需要的营养和矿物成份，在使用过程中微生物可以直接从滤料中获得营养和微量元素，无需添加其他的微生物养分；3)、比表面积大，吸附能力强，比表面积和吸附碘值是普通无机滤料的20倍以上；4)、所需生物过滤的停留时间短，可装填在各类滤池结构中；5)、运行稳定；6)、不易老化及板结；7)、使用寿命长。

附图说明

图1为本发明的滤料颗粒的示意图。

具体实施方式

实施例1

内核材料使用SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃的混合物烧结而成的陶瓷颗粒，内核的形状为球形颗粒，等效粒径为20mm，内核的形状不均匀系数d60/d10为1.5，取一定数量的陶瓷颗粒，放入容器中，边搅拌边慢慢加入pH缓冲剂CaO和催化剂 Fe₂O₃的水溶液，进行浸渍，pH缓冲液和催化剂在浸渍液中的浓度分别为25％和 10％。浸渍液加入后放置1小时以上，而后排除多余的水，并进行干化处理，干化可以采用通风强制干化，直至内核滤料表面没有游离水分；加入pH缓冲剂与内核材料的重量之比为1：20，生物氧化催化剂与内核材料的重量比为1：40。

浸渍后干化的滤料中加入粘结剂硅酸钠，粘结剂先用水配成液体后加入，使之均匀涂布到浸渍有pH缓冲剂和催化剂的内核表面，然后依次缓慢均匀地撒入填充剂(Al₂O₃)、吸附剂(活性炭)和营养剂(营养剂为锌盐、铁盐、钼盐、硼盐、铜盐混合物，具体为氯化锌、氯化铁、氯化钼、氯化硼、氯化铜按重量之比1:1:1:1:1的混合物)，并使得这些成份均匀沉积到内核材料的表面上。填充剂、吸附剂、营养剂的重量之比为1：2：0.05。这些材料的添加量和内核材料的重量比1：4，使得添加的材料覆盖整过内核材料的表面。

将颗粒载体送入固化装置固化，在50℃进行烘干1.5小时，放置2天以上，获得生物过滤载体样品。

生物过滤载体样品的结构见图1。

实施例2

内核材料使用SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃的混合物烧结而成的陶瓷颗粒，内核的形状为球形颗粒，等效粒径为30mm，内核的形状不均匀系数d60/d10为1.5。取一定数量的内核材料，放入容器中，边搅拌边慢慢加入pH缓冲剂(K₂HPO₄+KH₂PO₄，摩尔比1：1) 和催化剂Fe₂O₃的水溶液，进行浸渍，pH缓冲液和催化剂在浸渍液中的浓度分别为 10％和10％。浸渍液加入后放置1小时以上，而后排除多余的水，并进行干化处理，干化采用通风强制干化，直至内核滤料表面没有游离水分，加入pH缓冲剂与内核材料的重量之比为1：40，生物氧化催化剂与内核材料的重量比为1：40。

浸渍后干化的滤料中加入粘结剂甲基纤维素，粘结剂是先用水配成液体后加入，使之均匀涂布到浸渍有pH缓冲剂和催化剂的内核材料，然后依次缓慢均匀地撒入填充剂(Al2O3)、吸附剂(活性炭)和营养剂(营养剂为锌盐、铁盐、钼盐、硼盐、铜盐混合物，具体为氯化锌、氯化铁、氯化钼、氯化硼、氯化铜按重量之比 1:1:1:1:1的混合物)，并使得这些成份均匀沉积到内核材料的表面上。填充剂、吸附剂、营养剂的重量之比为1：2：0.05。这些材料的添加量和内核材料的重量比1：3，使得添加的材料覆盖整过内核材料的表面。

将颗粒滤料送入固化装置固化，在50℃进行烘干1.5小时，放置2天以上，获得生物滤料样品。

生物过滤滤料样品的结构见图1。

实施例3

将实施例1制备的生物过滤滤料样品装填至生物过滤装置中，获得生物过滤装置。生物过滤装置中，生物过滤滤料样品的堆积密度为600kg/m³。

实施例4

某城市污水厂污水泵房、格栅井、初沉池、曝气池、污泥脱水间等处理构筑物产生大量含硫化氢、含硫有机物及VOCs等臭味的物质，H₂S含量达到10mg/m³，臭气单位达到5000ODU，这些气体收集后送到装填有新型复合生物滤料的生物过滤装置。运行参数见下表1。

表1实施例4运行参数表

经过一段时间运行后，主要污染成分的去除效果见下表：

表2，实施例4达到的效果

	单位	入口浓度	臭气特性	平均去除率％
					臭气浓度(无量纲)	ODU	5000	--	≥95
H<sub>2</sub>S	mg/m<sup>3</sup>	10	臭鸡蛋	≥99
					甲硫醇	mg/m<sup>3</sup>	8	烂菜心味	≥95
二甲基硫醚	mg/m<sup>3</sup>	5	海腥味	≥95
					二甲基二硫醚	mg/m<sup>3</sup>	2	硫化物异臭味	≥93
非甲总烃	mg/m<sup>3</sup>	50	-	≥95

Claims (10)

1.一种空气净化生物过滤滤料颗粒，其特征在于，所述的滤料颗粒包括有采用无机多孔材料制备的、等效粒径为4-40mm、表观密度为200-800kg/m³、比表面积为50-150m³/g且浸渍有pH缓冲剂和生物氧化还原的催化剂成分的内核以及沉积在内核外表面的活性涂层；所述的pH缓冲剂和催化剂的总重量与内核颗粒的重量比为1：10-1：20；所述的活性涂层含有重量比为45-55:5-8:35-45的吸附剂、微生物营养剂和基料。

2.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒，其特征在于，所述的无机多孔材料由黏土、岩石粉、矿渣、粉煤灰和/或工业废料或废渣材料通过烧结工艺制成的。

3.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒，其特征在于，所述的内核为颗粒状。

4.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒，其特征在于，所述的等效粒径为8-30mm。

5.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒，其特征在于，所述的pH缓冲剂为氧化钙、碳酸钙、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠中一种以上组成的混合物。

6.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒，其特征在于，所述的催化剂采用铁基催化剂，包括氧化铁、三氧化二铁、四氧化三铁和/或零价铁。

7.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒，其特征在于，所述的活性涂层还包括有FeO、SiO和/或粘结材料，FeO与SiO重量占基料总量的5-10％，粘结材料的重量占涂层重量的5-10％。

8.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒的用途，其特征在于，控制所述的滤料颗粒的体积大小的不均匀系数d60/d10小于等于1.5，滤料成型后送入固化装置，烘干，放置2天以上，装填至生物过滤装置中用于废气净化。

9.如权利要求1所述的空气净化生物过滤滤料颗粒的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下的步骤：

1)、采用制备表观密度为200-800kg/m³、等效粒径为4-40mm、比表面积为50-150m³/g的无机多孔材料作为内核；

2)、将选用的内核浸渍到或者喷洒pH缓冲剂和含有生物氧化还原的催化剂成分的溶液；

3)步骤2)结束后进行适当干化处理，除去颗粒表面的游离水；

4)在内核外表面通过沉积法固定一层活性涂层。

10.如权利要求9所述的空气净化生物过滤滤料颗粒的制备方法，其特征在于，浸渍pH缓冲剂和催化剂成分的方法为：将浸渍成分配成溶液进行喷雾或直接将溶液倒入装有内核的容器中翻动搅拌，浸渍的时间为0.5h至10h，浸渍在25-50℃范围进行。

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