一种高效净化复合生物填料及其制备方法与流程

1.本发明属于水净化技术领域，尤其涉及一种用于水净化处理的高效净化复合生物填料及其制备方法。


背景技术：

2.常用的水体净化方法包括物理、化学和生物等手段，其中物理法单独使用往往达不到预期效果，化学法产生的副产物有可能造成二次污染，相比之下生物法具有低能耗、生态、安全、高效的特点，其中微生物的应用成为生物法处理污水的重要手段。微生物菌剂的使用有多种形式，包括直接投加、载体固定化等使用方法，其中微生物载体固定法由于提供了大的比表面积，为微生物与污染物接触反应提供了理想的空间，防止了菌体被冲刷流失，获得了更高的净化效率。现有公开的生物填料中，生物滤池填料（发明专利cn201110134017.2）采用沸石矿石和水泥为原料，通过成球盘或挤出机成型得到粒径2-10mm的颗粒填料，在微生物的作用下实现同步脱氮除磷，但填料本身仅有载体骨架，负载微生物运行启动时间长，微生物与载体之间协同作用弱，水体净化效果欠佳。新型生物填料（实用新型cn201620491223.7）采用砂石骨料和微生物培养基混合均匀后通过胶结剂粘结成填料块,在填料块表面附着生物膜制成，容易因冲刷发生生物膜脱落，生物反应效能无法保证。一种微生物填料（发明专利cn201510560280.6）将复合微生物菌剂负载在粉煤灰纳米改性填料上，菌剂与改性的填料之间具有良好的协同作用，但在废水处理中的应用为零散投入，回收处理成本较高，且在无碳源补充的情况下污染物去除效果持续性不强，需连续投入维持效果。
3.在此背景下，本发明构建了一种用于水体净化的高效净化复合生物填料，采用上、中、下三层不同级配的过滤介质为基础、在同一反应器中分别构建了好氧和厌氧的反应环境，并根据不同的反应环境配置了相应不同功能的微生物，以在不同反应层分别实现好氧硝化和厌氧反硝化生化过程，发挥同步高效脱氮除磷的作用；与此同时，分别在过滤层、深度净化层添加多孔微生物载体，如硅藻土陶粒、活性炭等，有效增加了生化反应比表面积，大大提高了反应效率；在深度净化层添加缓释性生物质碳源，为微生物生化反应提供充足的能源，且生物质碳源经过特殊处理，能够持续释放碳源，使功能填料能够长时间发生效用；在填料中加入零价铁作为生化反应催化剂，有效提高了反硝化脱氮除磷效率；在深度净化层添加活性炭等多孔吸附介质，通过有效吸附污染物从而实现污染物的去除。通过上述不同功能微生物和介质的添加和空间设置，制得的复合生物填料兼具物理拦截吸附与生化脱氮除磷功能，大大提高了反应的效率，有效提升了出水水质。除此之外，本发明在不同反应层的构建方法上进行改进，采用多孔箱体的形式压制为成型结构，减少了表面的水力冲刷，上层过滤层中金刚砂的添加更是增加了填料的强度和使用寿命，在深度净化层中可以根据不同水体污染物处理的需要添加不同比例的微生物菌剂和功能介质，满足技术人员灵活添加的需求。这种改进方法减少了不同层载体介质的互相挤压，避免多次净化使用后出现填料塌陷以及反冲洗困难等问题，极大地方便了施工和更换操作，有利于实现水处理工
程标准化应用。填料具有高效性、一体化、持续性强、生命周期长等优点，可广泛应用于人工湿地、生态滤池、水处理生物单元模块、雨水花园、生态氧化塘等水处理设施。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在针于对现有技术中的缺陷，提供一种高效净化复合生物填料及其制备方法。本发明在同一个反应器中构建硝化、反硝化生化反应条件，通过在不同反应层添加功能介质以及微生物，为污染物的拦截、吸附、降解和去除提供了理想的反应条件，通过增强物理吸附和生物化学反应协同作用，达到高效的污染物去除效果，实现水体净化，获得洁净水资源。
5.本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
6.本发明提供了一种高效净化复合生物填料，包括从上至下依次设置的过滤层填料、深度净化层填料和砾石层填料，其特征在于，所述过滤层填料、深度净化层填料和砾石层填料从上至下依次设置，所述过滤层填料高度为400-600mm，深度净化层填料高度为200-300mm，砾石层填料高度为150-200mm；所述过滤层填料由石英砂、金刚砂和硅藻土生物陶粒组成并依次设置，所述深度净化层填料内添加有复合生物填料。
7.优选地，所述过滤层填料配制比例如下组成及百分比含量为：石英砂60-80％、金刚砂12-25％、硅藻土生物陶粒8-16％；填料的配比根据进水中污染物的不同进行配置。
8.优选地，所述硅藻土生物陶粒由硅藻土陶粒在好氧生物活性污泥中浸润至挂膜制成。
9.优选地，所述深度净化层添加的复合生物填料包含石英砂、零价铁、活性炭、复合微生物菌剂以及多孔缓释性生物质碳源。
10.优选地，所述多孔缓释性生物质碳源为植物生物质天然碳源经过热碱法加工产生的多孔生物质固体碳源。
11.优选地，所述植物生物质天然碳源为玉米芯、稻壳、木屑或者玉米秸秆。
12.优选地，所述深度净化层中的复合微生物菌剂为兼性厌氧反硝化脱氮除磷复合菌种制剂，微生物菌种包括假单胞菌属、芽孢杆菌属和产碱杆菌属。
13.本发明的目的及解决其技术问题还通过采用以下技术方案来实现。
14.本发明还提供了一种高效净化复合生物填料的制备方法，所述方法包括如下步骤：1）筛选不同粒径的石英砂；2）制备过滤层过滤介质和深度净化层过滤介质；3）筛选金刚砂、砾石以及硅藻土陶粒，清洗晾干；4）将硅藻土陶粒与好氧生物活性污泥混合，直至微生物充分挂膜制成硅藻土生物陶粒；5）将过滤层石英砂、金刚砂和硅藻土生物陶粒按配比均匀混合，置于多孔箱体，通过挤压器轻压压实；6）将深度净化层石英砂、零价铁、活性炭、复合微生物菌剂与多孔缓释性生物质碳源按配比均匀混合，置于多孔箱体，通过挤压器压实；7）按砾石层、深度净化层、过滤层从下到上组装设置，形成具有净化功能的复合生
物填料。
15.优选地，步骤1）至3）中所述的石英砂、金刚砂、砾石、硅藻土陶粒均满足下述条件：ph：5.5-7.5；总氮含量《1000mg/kg；磷酸盐含量《80mg/kg；有机质含量《5%。
16.优选地，所述深度净化层中石英砂、零价铁、活性炭、复合微生物菌剂与多孔缓释性生物质碳源的质量配比为石英砂40-60%、零价铁3-10%、活性炭30-50%、复合微生物菌剂3-5%、多孔缓释性生物质碳源1-5%。
17.本发明中的有益效果为：1、本发明的复合生物填料通过设置多层级配的填料层提供了不同的反应条件，即分别在过滤层和深度净化层构建了好氧区和厌氧区，配合添加不同功能的微生物以及功能介质，在同一个反应器中实现充分的硝化与反硝化生化反应，并且增强了物理吸附和生化反应的协同作用，发挥高效脱氮除磷的作用，增强了水体净化的效果，对水体中污染物尤其是含氮、磷的污染物实现高效去除。
18.2、本发明采用硅藻土生物陶粒作为载体固定投加好氧微生物，该载体本身的多孔结构更容易吸附污染物，有效增加了与微生物接触的面积，大大提高了生化反应效率。同理，在深度净化层添加的活性炭以及多孔缓释性生物质碳源，除了发挥较好的物理吸附效用，同时为厌氧环境下微生物降解和消化污染物提供了大量的比表面积，有效提高了生化反应效率。
19.3、本发明在深度净化层中添加零价铁，为微生物创造还原性的条件，从而强化厌氧反硝化脱氮除磷协同生化过程，可以进一步促进含氯有机化合物、硝基芳香族化合物等难降解有机污染物的去除。
20.4、本发明在深度净化层中添加缓释性生物质碳源，为厌氧生化反应提供足够的能源，提高了脱氮除磷的效率，减少氨氮的生成；且生物质碳源经过特殊处理，能够持续释放碳源，使功能填料能够长时间发生效用。
21.5、本发明在构建上层过滤层时添加金刚砂，减少水力冲刷扰动，更增加了填料的强度和使用寿命，可进行反冲洗，实现循环利用。
22.6、本发明采用多孔箱体的形式构建填料层，可以满足技术人员根据不同水体污染物处理的需要灵活添加不同比例的微生物菌剂和功能介质，这种改进方法减少了不同层载体介质的互相挤压，避免多次净化使用后出现填料塌陷以及反冲洗困难等问题，防止堵塞等情况发生，材料亦可通过简单的操作进行更换，有利于实现工程标准化应用。
附图说明
23.图1为本发明提出的一种高效净化复合生物填料的制备方法的示意图；图2为根据本发明实施例1中得到的高效净化复合生物填料在实际应用中的实验进水及出水中氨氮、总磷及cod检测浓度变化图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.实施例1
根据本实施例所述的一种高效净化复合生物填料，包括从上至下依次设置的过滤层填料、深度净化层填料和砾石层填料。过滤层填料高度为600mm。深度净化层填料高度为250mm。砾石层填料高度为150mm。过滤层填料由石英砂、金刚砂、硅藻土生物陶粒组成并依次设置，其中各物质配比为石英砂60％、金刚砂25％以及硅藻土生物陶粒15％。深度净化层填料包含由石英砂、零价铁、活性炭、复合微生物菌剂与多孔缓释性生物质碳源制成的复合生物填料，其中，各物质配比为：石英砂50%、零价铁3%、活性炭40%、复合微生物菌剂4%、多孔缓释性生物质碳源3%。
26.本实施例，多孔缓释性生物质碳源为植物生物质天然碳源如玉米芯、稻壳、木屑或者玉米秸秆经过热碱法加工产生的多孔生物质固体碳源。
27.本实施例，复合微生物菌剂包括假单胞菌、芽孢杆菌和产碱杆菌。三种菌剂配比分别为2:2:1。
28.本实施例中高效净化复合生物填料的制备方法具体步骤如下：1）分别筛选100-250目、60-100目、32-60目、16-32目以及6-16目的石英砂；取5%的100-250目石英砂，15%的60-100目石英砂，45%的32-60目石英砂，25%的16-32目石英砂，10%的6-16目石英砂混合均匀制备过滤层过滤介质填料；取10%的32-60目石英砂，80%的16-32目石英砂，10%的6-16目石英砂混合均匀制备深度净化层过滤介质填料；2）分别筛选16-24目的金刚砂、粒径在2-7mm砾石以及粒径在6-8mm的硅藻土陶粒，清洗晾干；以上无机填料均满足下述条件：ph：5.5-7.5；总氮含量《1000mg/kg；磷酸盐含量《80mg/kg；有机质含量《5%；3）将硅藻土陶粒与好氧生物活性污泥混合放置，直至微生物充分挂膜制成硅藻土生物陶粒；4）将60%石英砂、25%金刚砂和15%硅藻土生物陶粒均匀混合，置于对应高度的多孔箱体，通过挤压器轻压压实，制得过滤层填料；5）将50%石英砂、3%零价铁、40%活性炭、4%复合微生物菌剂与3%多孔缓释性生物质碳源按配比均匀混合，置于对应高度的多孔箱体，通过挤压器压实，制得深度净化层填料；6）按砾石层、深度净化层、过滤层从下到上组装设置，形成具有高效净化功能的复合生物填料。
29.实施例2根据本实施例所述的一种高效净化复合生物填料，包括从上至下依次设置的过滤层填料、深度净化层填料和砾石层填料。过滤层填料高度为600mm。深度净化层填料高度为200mm。砾石层填料高度为200mm。过滤层填料由石英砂、金刚砂、硅藻土生物陶粒组成并依次设置，其中各物质配比为石英砂70％、金刚砂15％以及硅藻土生物陶粒15％。深度净化层填料包含由石英砂、零价铁、活性炭、复合微生物菌剂与多孔缓释性生物质碳源制成的复合生物填料，其中，各物质配比为：石英砂50%、零价铁10%、活性炭34%、复合微生物菌剂3%、多孔缓释性生物质碳源3%。
30.本实施例，多孔缓释性生物质碳源为植物生物质天然碳源如玉米芯、稻壳、木屑或者玉米秸秆经过热碱法加工产生的多孔生物质固体碳源。
31.本实施例，复合微生物菌剂包括假单胞菌、芽孢杆菌和产碱杆菌，三种菌剂配比分别为2:2:1。
32.本实施例中高效净化复合生物填料的制备方法具体步骤如下：1）不同粒径石英砂筛选、过滤层过滤介质填料制备、深度净化层过滤介质填料制备方法，同实施例1；2）金刚砂、砾石、硅藻土陶粒制备及要求，同实施例1；3）硅藻土生物陶粒制备，同实施例1；4）将70%石英砂、15%金刚砂和15%硅藻土生物陶粒均匀混合，置于对应高度的多孔箱体，通过挤压器轻压压实，制得过滤层填料；5）将50%石英砂、10%零价铁、34%活性炭、3%复合微生物菌剂与3%多孔缓释性生物质碳源按配比均匀混合，置于对应高度的多孔箱体，通过挤压器压实，制得深度净化层填料；6）按砾石层、深度净化层、过滤层从下到上组装设置，形成具有高效净化功能的复合生物填料。
33.实施例3根据本实施例所述的一种高效净化复合生物填料，包括从上至下依次设置的过滤层填料、深度净化层填料和砾石层填料。过滤层填料高度为400mm。深度净化层填料高度为300mm。砾石层填料高度为150mm。过滤层填料由石英砂、金刚砂、硅藻土生物陶粒组成并依次设置，其中各物质配比为石英砂80％、金刚砂12％以及硅藻土生物陶粒8％。深度净化层填料包含由石英砂、零价铁、活性炭、复合微生物菌剂与多孔缓释性生物质碳源制成的复合生物填料，其中，各物质配比为：石英砂60%、零价铁5%、活性炭30%、复合微生物菌剂3%、多孔缓释性生物质碳源2%。
34.本实施例，多孔缓释性生物质碳源为植物生物质天然碳源如玉米芯、稻壳、木屑或者玉米秸秆经过热碱法加工产生的多孔生物质固体碳源。
35.本实施例，复合微生物菌剂包括假单胞菌、芽孢杆菌和产碱杆菌，三种菌剂配比分别为1:1:1。
36.本实施例中高效净化复合生物填料的制备方法具体步骤如下：1）不同粒径石英砂筛选、过滤层过滤介质填料制备、深度净化层过滤介质填料制备方法，同实施例1；2）金刚砂、砾石、硅藻土陶粒制备及要求，同实施例1；3）硅藻土生物陶粒制备，同实施例1；4）将80%石英砂、12%金刚砂和8%硅藻土生物陶粒均匀混合，置于对应高度的多孔箱体，通过挤压器轻压压实，制得过滤层填料；5）将60%石英砂、5%零价铁、30%活性炭、3%复合微生物菌剂与2%多孔缓释性生物质碳源按配比均匀混合，置于对应高度的多孔箱体，通过挤压器压实，制得深度净化层填料；6）按砾石层、深度净化层、过滤层从下到上组装设置，形成具有高效净化功能的复合生物填料。
37.试验例1将实施例1配置参数的复合生物填料装填入长宽各500mm、高度1200mm的试验柱，
填料有效高度1000mm。配制cod60mg/l、氨氮浓度7mg/l、磷浓度0.5mg/l、ph7.3-7.5、水温 25℃的模拟废水。以配制的模拟废水进水，以水力停留时间12小时运行，环境温度20℃。通过持续监测进出水污染物浓度，结果显示试验装置在运行10天后出水中氮、磷和cod浓度去除率趋于稳定，其中氨氮去除率达到88％以上，总磷去除率达到85％，cod去除率达到90％以上。
38.实验进水及出水中氨氮、总磷及cod检测浓度如下图2所示。
39.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。