一种水处理填料组合物、填料装置及其应用的制作方法

1.本发明属于水处理技术领域，确切的说涉及一种可实现废水碳源捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理填料组合物、填料装置及其应用。


背景技术：

2.随着经济快速发展，工农业废水所造成的环境污染日益严重，由于人们对美好水环境的需求不断提升，导致废水排放品质要求也日益提高。由于我国市政废水等类型源水通常碳氮比较低，导致其深度处理较为困难，氮磷深度削减碳源缺乏。同时常用的斜板沉淀池、辐流沉淀池等处理措施也存在占地面积大，水力负荷偏低、难以去除微细悬浮颗粒等弊端。
3.生物膜工艺是一种依靠提供载体，使微生物在其上聚集生长为生物膜而实现废水强化处理的工艺。其典型工艺为生物接触氧化、移动床生物膜工艺(mbbr)、深度过滤等。然而现有工艺通常功能较为单一，缺乏同步去除固体颗粒和氮磷削减的功能。
4.填料作为微生物的载体，是微生物栖息、繁殖的场所，同时在运行过程中又起着截留悬浮物质的作用，是曝气生物滤池处理技术的核心之一，其材质组成和表面性能将直接影响填料表面微生物的附着、生长、繁殖和活性，进而影响微生物挂膜性能和污染物降解效率。不同的填料所形成的生物膜不同，不同的生物膜状态导致系统内微生物生态出现差异，对反应器的处理效率会产生很大的影响。
5.目前，行业通用的污水处理填料比较单一，通常由工程塑料构成。除了能够进行简单的物理吸附、过滤，或发生化学反应的填料外，再无其他能够对污水进行更深入处理的填料。为解决上述问题，通过复合生物降解聚酯及其他物料成分形成复合载体富集不同功能微生物，实现无机氮的去除成为一种可行的技术路径。如公开号cn107720978a报道了一种环形填料，其采用生物降解聚酯及其他多种复合组分，通过形成厌氧
‑
好氧
‑
缺氧的微环境，实现废水氨氮和总氮的去除。公开号cn105802168a则报道了生物降解聚酯可与多种无机成分共混造粒，证明了多组分造粒完全可行。然而公开号cn107720978a的填料所能实现的功能仍较单一(仅能实现无机氮去除)，无法实现磷和ss的同步去除。同时也无法对废水源中的碳源捕获二次利用，从而无法降低单位废水的处理成本。而公开号cn105802168a其应用场景主要为满足塑料(如注塑、吹膜等)行业应用场景，其组分配方及加工方式所形成的综合效果无法满足污水处理的功能需求。


技术实现要素：

6.基于现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种可实现废水碳源捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理填料组合物；本发明的第二目的在于提供一种可实现废水碳源捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理填料装置；本发明的第三目的在于提供该填料装置在污水处理中的应用。本发明的水处理填料组合物在水处理填料装置内通过合理搭配、科学组合实现相应功能分区，各层功能互相联互补，在装置内形成人为设置与
工况可控的丰富生态位条件，实现废水碳源快速捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理。
7.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一方面，本发明提供一种水处理填料组合物，该水处理填料组合物包括水处理填料a、水处理填料b、水处理填料c和水处理填料d；
9.其中，所述水处理填料a由聚丙烯(pp)、碳酸钙粉、玄武岩纤维、偶联剂和增韧剂组成；
10.所述水处理填料b由聚丁二酸丁二醇酯(pbs)、聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)、秸秆粉、偶联剂和增塑剂组成；
11.所述水处理填料c由聚丙烯(pp)、聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)、秸秆粉、偶联剂、发泡剂和助发泡剂组成；
12.所述水处理填料d由聚丙烯(pp)、高密度聚乙烯、碳酸钙、增韧剂、方解石粉和偶联剂组成。
13.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述碳酸钙粉的目数为1250～2500目；所述秸秆粉的目数为150～500目；所述碳酸钙的目数为400～1200目；所述方解石粉的目数为400～1200目。
14.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述偶联剂包括硅烷偶联剂kh550和/或铝钛酸酯偶联剂，但不限于此。
15.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述增韧剂包括poe陶氏7270，但不限于此。
16.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述增塑剂包括环氧大豆油、芥酸酰胺和柠檬酸酯中的一种或多种，但不限于此。
17.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述发泡剂包括偶氮二甲酰胺，但不限于此。
18.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述助发泡剂包括尿素，但不限于此。
19.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料a以重量份计包括：
20.55～75份的聚丙烯、10～18份的碳酸钙粉、10～20份的玄武岩纤维、2～3份的偶联剂和1～3份的增韧剂。
21.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料b以重量份计包括：
22.30～50份的聚丁二酸丁二醇酯、1～5份的聚β羟基丁酸戊酸酯、30～50份的秸秆粉、2～3份的偶联剂、0.5～1份的增塑剂。
23.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料c以重量份计包括：
24.30～50份的聚丙烯、1～5份的聚β羟基丁酸戊酸酯、30～50份的秸秆粉、2～3份的偶联剂、2～4.5份的发泡剂和0.5～1份的尿素。
25.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料d以重量份计包括：
26.20～30份的聚丙烯、20～30份的高密度聚乙烯、10～15份的碳酸钙、10份的增韧剂、15份的方解石粉和2～3份的偶联剂。
27.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料a采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速800～1200rpm，运行时间10～25min，低混机转速450～650rpm，运行时间5～20min，双螺杆机要求螺杆l/d>
48；造粒方式为模面水环切。
28.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料b采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速800～1200rpm，运行时间10～25min，低混机转速450～650rpm，运行时间5～20min，双螺杆机要求螺杆l/d>52，加工温度<155℃；造粒方式为模面水环切。
29.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料c采用反应釜造粒，工艺条件为：温度120～190℃，压力1.0～2.5mpa，反应时间1～3min；造粒方式为熔体泵挤出后水下拉条切粒。
30.上述的水处理填料组合物中，优选地，所述水处理填料d采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速800～1500rpm，运行时间10～30min，低混机转速450～650rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d>48，加工温度<195℃；方式为模面水环切，造粒完毕的填料d放入3ppm的hcl溶液中，浸洗10～25min后自然风干。
31.另一方面，本发明还提供一种水处理填料装置，所述水处理填料装置为环形柱状结构，包括外圈填料单元和内圈填料单元；装填有上述的水处理填料组合物，具体为：
32.所述外圈填料单元自水流方向依次装填有水处理填料a、水处理填料b和水处理填料c；所述内圈填料单元装填有水处理填料d；所述水流经过外圈填料单元流出的水流进入内圈填料单元。
33.上述的水处理填料装置中，优选地，所述外圈填料单元与所述内圈填料单元的体积比为1:1～1.5；所述水处理填料a、所述水处理填料b和所述水处理填料c在所述外圈填料单元中的体积比为30％～40％:40％～50％:10％～30％；所述水处理填料d在所述内圈填料单元中的体积占比为60％～75％。四种填料的各自原料配比可根据实际工艺需求进行不同配比控制造粒，以满足不同废水处理工艺需求。
34.再一方面，本发明还提供上述的水处理填料组合物或水处理填料装置在污水处理中的应用。
35.与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：
36.(1)本发明的水处理填料组合物在水处理填料装置内通过合理搭配、科学组合实现相应功能分区，各层功能互相联互补，在装置内形成人为设置与工况可控的丰富生态位条件，实现废水碳源快速捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理。
37.(2)本发明的水处理填料a可在底层截留大量固体颗粒，从而同步实现碳源快速捕获；由于填料a位于填料b的下层，填料b周期性脱落的功能微生物(如脱氮菌等)生物膜下落至填料层a，通过装置反应水力停留时间的控制，在去除ss的同时可对该部分碳源原位深度利用，实现反硝化效果。
38.(3)本发明的水处理填料b所含的聚丁二酸丁二醇酯pbs及秸秆粉可作为缓释碳源通过好氧反硝化、缺氧反硝化、反硝化除磷实现氮磷的同步去除，填料a所截留的废水内源碳源通过水流上升，也一并带入填料b层，强化了填料b的反硝化脱氮与反硝化除磷效果；同时该部分碳源进入也降低了填料b内生物降解聚酯的耗用量，从而降低了整体的运维成本。
39.(4)本发明的水处理填料c为轻质发泡填料，填料b缓释的未利用碳源可通过此层截留得到再次利用，强化了生物氮磷去除效果，进一步降低出水ss和氮磷浓度；同时其运行
状态为悬浮式，降低了水头损失，从而降低了整体的能耗。
40.(5)本发明的水处理填料d为表面由于酸洗造孔形成大量孔洞结构；废水通过环形填料层a、b、c后最终进入填料d层，出水ss可得到彻底去除。孔洞结构又可富集大量生物膜，无极氮磷去除功能再次强化，从而实现最终废水达标排放。
附图说明
41.图1为本发明可实现废水碳源捕获及ss和氮磷同步去除的水处理填料装置的结构示意图；
42.附图符号说明：
43.1、水处理填料装置的环形柱状主体结构；2、外圈填料单元；3、水处理填料a；4、水处理填料b；5、水处理填料c；6、水处理填料d。
具体实施方式
44.下面结合附图1和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
45.实施例1：
46.本实施例提供一种可实现废水碳源捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理填料组合物及填料装置，具体如下：
47.水处理填料a的原料配比按照填料a的重量份计包括：聚丙烯pp 70份、1250目碳酸钙粉15份、玄武岩纤维10份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、增韧剂poe陶氏7270 3份。
48.水处理填料b配比按照填料b的重量份计包括：聚丁二酸丁二醇酯(pbs)50份、聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)5份、400目秸秆粉42份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、增塑剂环氧大豆油1份。
49.水处理填料c配比按照填料c的重量份计包括：聚丙烯pp 50份、聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)2份、400目秸秆粉43份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、发泡剂(偶氮二甲酰胺)2份、助发泡剂(尿素)1份。
50.水处理填料d配比按照填料d的重量份计包括：聚丙烯pp 20份、高密度聚乙烯hdpe 25份、碳酸钙800目10份、poe陶氏7270 10份、500目方解石粉15份、硅烷偶联剂kh550 2份。
51.所述水处理填料a采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速900rpm，运行时间15min，低混机转速500rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d＝52；造粒方式为模面水环切；
52.所述水处理填料b采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速1000rpm，运行时间20min，低混机转速500rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d＝56，加工温度为150℃；造粒方式为模面水环切；
53.所述水处理填料c采用反应釜造粒，工艺条件为：温度130℃、1min，170℃、2min，压力1.5mpa、1min，2.0mpa、2min，反应时间3min；造粒方式为熔体泵挤出后水下拉条切粒；
54.所述水处理填料d采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速950rpm，运行时间20min，低混机转速600rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d＝52，加工温度为180℃；方式为模面水环切，造粒完毕的填料d放入3ppm的hcl溶液中，浸洗15min后自然风干。
55.将水处理填料a、水处理填料b、水处理填料c和水处理填料d装填至水处理填料装置中，如图1所示，水处理填料装置为环形柱状结构，包括外圈填料单元和内圈填料单元；所述外圈填料单元自水流方向依次装填有水处理填料a、水处理填料b和水处理填料c；所述内圈填料单元装填有水处理填料d；所述水流经过外圈填料单元流出的水流进入内圈填料单元；本实施例中，外圈填料单元与内圈填料单元的体积比为1:1.2，水处理填料a、水处理填料b和水处理填料c在外圈填料单元中的体积比为30％:40％:10％，水处理填料d在内圈填料单元中的体积占比为60％。
56.利用该水处理填料装置对某城市市政污水1进行处理，处理效果见下表1所示。
57.表1：水处理填料装置对市政污水1的处理效果
[0058][0059][0060]
从表1可以看出：利用该水处理填料装置处理市政污水1，nh
4+
‑
n的去除效率达到97.5
±
2.3％，no3‑
‑
n去除效率达到98.1
±
1.8％，tp去除率为89.1
±
3.8％，ss去除率为95.2
±
0.8％，具有高效的去除氮磷和ss的效果，可以实现废水ss和氮磷同步去除。
[0061]
实施例2：
[0062]
本实施例提供一种可实现废水碳源捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理填料组合物及填料装置，具体如下：
[0063]
水处理填料a的原料配比按照填料a的重量份计包括：聚丙烯pp 65份、2000目碳酸钙粉18份、玄武岩纤维12份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、增韧剂poe陶氏7270 3份。
[0064]
水处理填料b配比按照填料b的重量份计包括：聚丁二酸丁二醇酯(pbs)50份、聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)5份、400目秸秆粉40份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、增塑剂环氧大豆油1份。
[0065]
水处理填料c配比按照填料c的100份的重量份计包括：聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)的1份、聚丙烯pp 50份、400目秸秆粉42份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、发泡剂(偶氮二甲酰胺)3份、助发泡剂(尿素)1份。
[0066]
水处理填料d配比按照填料d的重量份计包括：聚丙烯pp 25份、高密度聚乙烯hdpe 20份、碳酸钙800目15份、poe陶氏7270 10份、500目方解石粉15份、硅烷偶联剂kh550 3份。
[0067]
所述水处理填料a采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机
与低混机充分混合均匀，高混机转速900rpm，运行时间15min，低混机转速500rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d＝52；造粒方式为模面水环切；
[0068]
所述水处理填料b采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速950rpm，运行时间15min，低混机转速550rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d＝56，加工温度为145℃；造粒方式为模面水环切；
[0069]
所述水处理填料c采用反应釜造粒，工艺条件为：温度150℃，压力1.5mpa，反应时间2min；造粒方式为熔体泵挤出后水下拉条切粒；
[0070]
所述水处理填料d采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速900rpm，运行时间15min，低混机转速650rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d＝52，加工温度为170℃；方式为模面水环切，造粒完毕的填料d放入3ppm的hcl溶液中，浸洗20min后自然风干。
[0071]
将水处理填料a、水处理填料b、水处理填料c和水处理填料d装填至水处理填料装置中，如图1所示，水处理填料装置为环形柱状结构，包括外圈填料单元和内圈填料单元；所述外圈填料单元自水流方向依次装填有水处理填料a、水处理填料b和水处理填料c；所述内圈填料单元装填有水处理填料d；所述水流经过外圈填料单元流出的水流进入内圈填料单元；本实施例中，外圈填料单元与内圈填料单元的体积比为1:1.2，水处理填料a、水处理填料b和水处理填料c在外圈填料单元中的体积比为30％:45％:15％，水处理填料d在内圈填料单元中的体积占比为65％。
[0072]
利用该水处理填料装置对某城市市政污水2进行处理，处理效果见下表2所示。
[0073]
表2：水处理填料装置对市政污水2的处理效果
[0074][0075][0076]
从表2可以看出：利用该水处理填料装置处理市政污水2，nh
4+
‑
n的去除效率达到91.5
±
3.3％，no3‑
‑
n去除效率达到92.6
±
2.8％，tp去除率为85.1
±
0.8％，ss去除率为91.2
±
0.6％，具有高效的去除氮磷和ss的效果，可以实现废水ss和氮磷同步去除。
[0077]
实施例3：
[0078]
本实施例提供一种可实现废水碳源捕获及ss和氮磷同步去除的复合功能水处理填料组合物及填料装置，具体如下：
[0079]
水处理填料a的原料配比按照填料a的重量份计包括：聚丙烯pp 75份、2500目碳酸钙粉10份、玄武岩纤维10份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、增韧剂poe陶氏7270 3份。
[0080]
水处理填料b配比按照填料b的重量份计包括：聚丁二酸丁二醇酯(pbs)50份、聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)2份、400目秸秆粉45份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)2份、增塑剂环氧大豆油1份。
[0081]
水处理填料c配比按照填料c的重量份计包括：聚丙烯pp 40份、聚β羟基丁酸戊酸酯(phbv)1份、400目秸秆粉33份、偶联剂(硅烷偶联剂kh550)3份、发泡剂(偶氮二甲酰胺)2份、助发泡剂(尿素)1份。
[0082]
水处理填料d配比按照填料d的重量份计包括：聚丙烯pp 30份、高密度聚乙烯hdpe 30份、碳酸钙800目15份、poe陶氏7270 10份、500目方解石粉15份、硅烷偶联剂kh550 2份。
[0083]
所述水处理填料a采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速1000rpm，运行时间12min，低混机转速600rpm，运行时间8min，双螺杆机要求螺杆l/d＝52；造粒方式为模面水环切；
[0084]
所述水处理填料b采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速900rpm，运行时间15min，低混机转速600rpm，运行时间10min，双螺杆机要求螺杆l/d＝56，加工温度145℃；造粒方式为模面水环切；
[0085]
所述水处理填料c采用反应釜造粒，工艺条件为：温度150℃，压力1.5mpa，反应时间2min；造粒方式为熔体泵挤出后水下拉条切粒；
[0086]
所述水处理填料d采用平行同向双螺杆机挤出造粒，工艺条件为：原料采用高混机与低混机充分混合均匀，高混机转速900rpm，运行时间20min，低混机转速650rpm，运行时间15min，双螺杆机要求螺杆l/d＝52，加工温度为185℃；方式为模面水环切，造粒完毕的填料d放入3ppm的hcl溶液中，浸洗20min后自然风干。
[0087]
将水处理填料a、水处理填料b、水处理填料c和水处理填料d装填至水处理填料装置中，如图1所示，水处理填料装置为环形柱状结构，包括外圈填料单元和内圈填料单元；所述外圈填料单元自水流方向依次装填有水处理填料a、水处理填料b和水处理填料c；所述内圈填料单元装填有水处理填料d；所述水流经过外圈填料单元流出的水流进入内圈填料单元；本实施例中，外圈填料单元与内圈填料单元的体积比为1:1.2，水处理填料a、所述水处理填料b和所述水处理填料c在外圈填料单元中的体积比为30％:40％:15％，水处理填料d在所述内圈填料单元中的体积占比为60％。
[0088]
利用该水处理填料装置对某河道废水进行处理，处理效果见下表3所示。
[0089]
表3：水处理填料装置对某河道废水的处理效果
[0090]
项目数值(％)进水nh
4+
‑
n(mg/l)1.2
±
0.1进水no3‑
‑
n(mg/l)0.6
±
0.2进水tp(mg/l)0.1
±
0.1进水ss(mg/l)15
±
2nh
4+
‑
n去除率(％)91.7
±
2.3no3‑
‑
n去除率(％)93.6
±
5.8tp去除率(％)79.1
±
4.5
ss去除率(％)94.2
±
0.9
[0091]
从表3可以看出：利用该水处理填料装置处理河道废水，nh
4+
‑
n的去除效率达到91.7
±
2.3％，no3‑
‑
n去除效率达到93.6
±
5.8％，tp去除率为79.1
±
4.5％，ss去除率为94.2
±
0.9％，具有高效的去除氮磷和ss的效果，可以实现废水ss和氮磷同步去除。
[0092]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的说明，不能认定本发明的具体结构和实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。