一种新型的生物过滤砂及其在流砂过滤器中的应用的制作方法

本发明属于水处理环保材料的制备技术领域，具体涉及一种新型的生物过滤砂及其在流砂过滤器中的应用。

背景技术：

在废水处理中，流砂过滤器是一种很好的物理过滤设备，其主要通过内部的石英砂填料有效的拦截废水中的悬浮物和胶体物而净化水体。石英砂填料具有很好的过滤效果与其表面带有负电荷、颗粒粒径小等物理特性密切相关。虽然石英砂具有较多优异的物理特性，但石英砂填料的表面很难形成生物膜，因为微生物一般带有负电荷，同时石英砂填料不具有吸附功能，所以针对于有机废水的处理只能起到物理拦截过滤的作用。因此，如何进一步提高流砂过滤器的综合性能，使得流砂过滤器既有物理过滤功能又有生物净化功能是本次研究的重点。

目前生物过滤系统中大多采用立体空心填料作为好氧微生物的载体，生长好氧菌，去除有机物。普通微生物的比表面积为90-180m²/m³，其附着载体的比表面积越大，则可附着的微生物量就会越多。目前市面上经常使用的中空结构生物填料如鲍尔环比表面积为75～350m²/m³；mbbr填料比表面积为300～700m²/m³；生物悬浮球比表面积为380～800m²/m³；陶瓷环比表面积为70～489m²/m³，它们的比表面积一般较大，生物挂膜效果好，多用在移动床生物膜反应器和固定床反应器中。但它们的比重一般都较小，在无外力作用下，这些填料一般会悬浮在水面，难以实现在水中上下悬浮运动，无法充分和水中污染物接触，且这些填料的成本也相对较高。另外，这些填料的物理特性基本也不具备物理过滤功能。

因此，在流砂过滤器这类流化床工艺中，上述常见的生物填料如鲍尔环、mbbr填料、生物悬浮球、陶瓷环等就不适用。于是研发一种比表面积大、易于微生物负载、比重略大于1、成本低的生物过滤砂用于废水处理流化床工艺中是十分必要的。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本项发明的目的在于：提供一种新型的生物过滤砂，该生物过滤砂是将高孔隙率的火山岩与改性材料按比例混合，加工处理后形成的一种比表面积大、易于微生物附着生长、比重略大于1、成本低的生物过滤砂，能替代现有流砂过滤器中的石英砂填料，并能应用在流砂过滤器中。

为了实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种新型的生物过滤砂，其制备方法包括如下步骤：

(1)火山岩前处理：取火山岩，用清水洗净、干燥后，再粉碎、研磨、过筛；

经上述前处理之后得到的火山岩的粒径为3～10um，比重为0.70～0.80；

(2)将步骤(1)中经前处理后所得的火山岩与改性材料混合；

二者分别占二者总量的含量为火山岩55wt％～60wt％、改性材料40wt％～45wt％；

所述改性材料由以下原料组成：低密度聚乙烯(ldpe)100～150重量份、硬脂酸锌0.3～0.5重量份、低密度热塑性弹性体(ldtpe)0.1～0.5重量份、润滑剂0.3～0.7重量份、乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)3～5重量份、发泡剂1～3重量份和caco3350～500重量份；

所述低密度聚乙烯(ldpe)分子量为5～30万，密度为0.91～0.93g/cm³；优选的，所述低密度聚乙烯分子量为10万，密度为0.923g/cm³；

所述硬脂酸锌密度为1.1g/cm³；

所述低密度热塑性弹性体(ldtpe)为苯乙烯类tpe，优选为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)，s/b质量比为40:60，相对密度0.92～0.95，扯断强度16mpa；

所述润滑剂为外润滑剂，如脂肪酸酰胺；

所述乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)分子量为114.143，密度为0.939g/cm³，其中醋酸乙烯(va)的含量为16％～18％；

所述发泡剂为发泡剂ac(偶氮二甲酰胺)；

所述caco3为轻质碳酸钙，相对密度为2.7～2.9，平均粒径为10μm；

(3)步骤(2)所得混合物经塑化、造粒、粉碎、研磨、过筛后，得到新型的生物过滤砂，呈细砂状，粒径为1～3mm，比表面积为1000～1600m²/m³，比重为1.0～1.1。

进一步，所述步骤(1)：粉碎后火山岩的粒径为5～7mm；研磨后火山岩的粒径为2～4mm。

进一步，所述步骤(3)：混合物采用螺杆为45mm、l:d＝25:1的挤出机进行塑化造粒，混合物造粒后粒径为6～10mm。

进一步，所述步骤(1)、(3)中：粉碎过程可采用破碎机破碎，例如锤式破碎机；研磨过程可采用微粉磨机或超细磨粉机研磨；过筛过程采用超声波振动筛。

本发明的生物过滤砂具有比表面积大、易于微生物负载、防腐耐用、无污染、工艺简单、易于制作、成本低、易于推广的优点，可在单位容积上附着大量的有益微生物，如硝化细菌、芽孢杆菌等，从而提高生物降解效率以及废水处理的量，具有生物净化和物理过滤双重功能；对处理后水体无污染，绿色环保。

上述新型的生物过滤砂可替换普通石英砂，应用于流砂过滤器中，以提高流砂过滤器的综合性能，使之既有物理过滤功能又有生物净化功能。

具体应用时，该新型的生物过滤砂在流砂过滤器中的填充率为50％-70％，用于处理水产养殖废水，将流砂过滤器置于废水中，水力停留时间为7～18min，处理后的养殖废水nh3-n水质指标可达到地表水二类标准，总可溶性固形物tss≤10mg/l。

与现有技术相比，本发明的新型的生物过滤砂具有的优点和有益效果是：

1.比表面积大(1000～1600m²/m³)，易于微生物负载，污染物去除率高。将通过选用火山岩这类具有高孔隙率的岩石作为填料，使加工后的成品也具有一定的孔隙，最主要的是，热塑性材料在流化态时，混合在热塑性材料中的发泡剂在高温(不超过250℃)分解下产生气体，使得流化态的热塑性材料内部产生大量微孔，可提高材料的孔隙率，从而比表面积大。另外，所使用的的火山岩及pe材料等均可供微生物挂膜生长，大的比表面积能提供好氧微生物更多的附着生长点位，微生物量大，脱氮、分解有机物能力强，可以达到水力停留时间短的目的；

2.成品防腐耐用、无污染。合成成品的材料均为无毒材料，且各种组合材料之间不会发生化学特性的改变，通过物理方法将各种材料有机的结合到一起，可提高合成材料的物理特性，长时间浸泡在废水中不会分解，也不会对微生物有毒害作用；

3.工艺简单、易于制作、成本低、易于推广。利用常见的机械设备即可完成生物过滤砂的制备，制作工艺简单，可控，且所使用的合成材料总体成本也相对较低；

4.比重略大于1。和石英砂(比重为2.65)相比，使用少量曝气即可实现生物过滤砂在水中悬浮上下运动，可使生物过滤砂和污染物充分接触反应，且降低了能耗；

5.在曝气冲刷作用下，生物过滤砂流动性好，可保证挂膜微生物具有良好的生长环境，微生物呈对数增长，处理效率高，另外填料易流化，也增加了对气泡的撞击和切割，提高了氧的利用率；

6.生物过滤砂单体颗粒粒径小、单位密集度高，可将废水中的大部分颗粒物质拦截去除，且因火山岩的物理特性，生物过滤砂也具有了一定的吸附性。

附图说明

图1为本发明新型的生物过滤砂的制备工艺流程。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例来进一步说明。

以下实施例中原料介绍如下：

火山岩购自张北县兴奥火山岩科技有限公司，20～40mm，红褐色，比重为0.7～0.8，其中sio2占42％～45％、al2o3占14％～16％、cao占9％～11％等；

低密度聚乙烯(ldpe)购自东莞市鑫桐塑胶原料有限公司，2426h，密度为0.923g/cm³；

低密度热塑性弹性体(ldtpe)为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)为惠州李长荣sbs，1475f；

润滑剂为脂肪酸酰胺，购自上海宏泽化工有限公司，staraddem208；

乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)，购自余姚市盈仓塑化有限公司，es18002，密度为0.939g/cm³，其中醋酸乙烯(va)的含量为16％～18％；

发泡剂为发泡剂ac(偶氮二甲酰胺)，购自石家庄尚欣化工销售有限公司，adc，相对密度1.65，水分≤0.1％，灰分≤0.1％，分解温度200～210℃，发气量为200～230ml/g；

caco3为轻质碳酸钙，购自河北石茂建材有限公司，1250目，相对密度为2.71，平均粒径为10μm；

硬脂酸锌购自淄博协创化工有限公司，型号1800，密度1.1g/cm³，锌含量:10.5-11.5％，游离酸(以硬脂酸计):≤0.5％，水份:≤1.0％，熔点:118-125℃。

所用挤出机来自上海翔春电器设备有限公司，sj4525。

实施例1

一种新型的生物过滤砂，其制备方法包括如下步骤：

(1)火山岩前处理：取火山岩，用清水洗净、干燥后，采取锤式破碎机粉碎后火山岩粒径在5～7mm，再用微粉磨机进行研磨，研磨后的火山岩粒径在1.6～40um之间，然后选用超声波振动筛分筛，分筛后的火山岩粒径为3～10um，比重为0.70～0.80；

(2)取步骤(1)中经前处理后所得的火山岩与改性材料搅拌混合(经前处理后所得的火山岩含量为55wt％，改性材料含量为45wt％)；所用改性材料由以下原料混合而成：ldpe100重量份、硬脂酸锌0.35重量份、ldtpe0.3重量份、润滑剂0.3重量份、eva3重量份、发泡剂1重量份和caco3400重量份；

(3)将步骤(2)所得混合物加入到挤出机(采用螺杆直径为45mm的挤出机，l：d＝25:1)中，螺杆转速设置为75r/min，挤出温度控制一至五区依次为180℃、195℃、210℃、225℃、222℃，模头为225℃，塑料原材料至流化态，通过挤出机塑化后，从模头挤出成连续线状的混合材料，再通过后方的牵引机牵引出，在牵引的过程中进行不断的冷却，使其冷却到常温，经过牵引机后的线状物经过切断造粒，粒径在6～10mm；再依次用破碎机破碎，超细磨粉机进行研磨，超声波振动筛分筛，分筛后得到新型的生物过滤砂，整体呈细砂状，单个形状为不规形，粒径为1～3mm，比表面积为1529m²/m³，比重为1.06。

将实施例1制得的新型的生物过滤砂应用于流砂过滤器中，其中生物过滤砂在流砂过滤器中的填充率为60％，将该流砂过滤器用于处理某水产养殖废水，水力停留时间为10min，处理量10m³/h。

处理前该水产养殖废水的水质：nh3-n为1.0mg/l，tss为20mg/l。

经该流砂过滤器处理后该养殖废水的nh3-n为0.2mg/l，tss为5mg/l，nh3-n水质指标为地表水二类标准，可满足大部分水生生物的生存。

上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。