一種改性硅酸鈣及其在污水除磷中的應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改性硅酸鈣及其在污水除磷中的應用，屬于環(huán)境工程和廢水處理領域。本發(fā)明提供的改性硅酸鈣含有鈣來源物質30%-60%、硅來源物質30%-60%、分散劑0.3%-6%、水0%-30%，粒徑為0.3-60μm；同時具有顆粒粒徑小、比表面積大等特性，投加到厭氧反應裝置中，一方面可以通過吸附環(huán)境中的磷酸根離子和鈣離子，生成鈣羥基磷灰石沉淀附著在其表面以防止鳥糞石結垢；另一方面改性硅酸鈣還能夠作為污泥的載體材料，附著在厭氧污泥表面，增大污泥的比表面積以富集更多反硝化聚磷菌，進而達到最大化的除磷效果。與同類除磷和回收磷方法相比，本發(fā)明更能有效去除高磷含量廢水中的磷，從而達到降低運行成本等目的。
【專利說明】一種改性硅酸鈣及其在污水除磷中的應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種改性硅酸鈣及其在污水除磷中的應用，屬于環(huán)境工程和廢水處理領域。
【背景技術】
[0002]近年來，大量的含氮、磷廢水排放到水體中，帶來了嚴重的水體富營養(yǎng)化問題，給人們生活造成極大的影響。然而，磷元素又是地球上不可再生資源，據(jù)統(tǒng)計地球上可開采的磷礦資源僅夠不到50年。如何高效的去除廢水中的磷元素和回收這些寶貴資源，以保證經(jīng)濟、生活的可持續(xù)發(fā)展性已迫在眉睫。
[0003]通常，去除廢水中磷元素的方法有:化學方法和生物方法。其中，化學方法通過投加晶體材料，在一定的條件下，將預處理好的廢水經(jīng)過吸附和結晶達到較好的除磷效果，但投加晶體材料不僅增加了工藝成本，還很容易受到環(huán)境條件的影響。生物方法工藝成本很低，但因操作復雜，反應周期長以及易在厭氧段造成鳥糞石(磷酸銨鎂，具有很強的粘附性)結垢而最終導致除磷效率低下。因此，如何選取晶體材料降低其工藝成本，如何提高生物工藝反應效率，正成為日益關注的焦點。在本發(fā)明中所制備的改性硅酸鈣所需條件溫和；同時，處理的廢水不需預處理，因而生產(chǎn)成本較低。本發(fā)明中，改性硅酸鈣吸附、以及由改性硅酸鈣富集的聚磷菌對廢水中磷的聯(lián)合去除作用，可最大限度的提高廢水中的磷的去除效率。
[0004]由于制備的改性硅酸鈣粒徑較小，因而其具有較大的比表面積，從而更容易的將水中的磷酸根離子和鈣離子吸附到表面以防止鳥糞石結垢，同時附著在厭氧污泥表面的改性硅酸鈣還能夠作為污泥的載體材料，增大污泥的比表面積以富集更多反硝化聚磷菌，進而達到最大化的除磷效果。同時，厭氧裝置在產(chǎn)氣過程中可促進污泥以及改性硅酸鈣與廢水的充分混合，進而可提高了反應效率，減小了反應時間。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的第一個技術問題是提供一種改性硅酸鈣。所述改性硅酸鈣成品含有鈣來源物質30%-60%、硅來源物質30%-60%、分散劑0.3%-6%、水0%_30%，粒徑為
0.3-60 μ m ;所述百分比為質量百分比。
[0006]所述鈣來源物質為硝酸鈣、氫氧化鈣、氯化鈣等，優(yōu)選硝酸鈣。
[0007]所述硅來源物質為硅酸鈉、硅酸鉀、正硅酸四乙酯、正硅酸鹽類等，優(yōu)選硅酸鈉、硅酸鉀。
[0008]所述分散劑為無水乙醇、聚乙二醇、乙二醇、丙三醇等有機溶劑，優(yōu)選聚乙二醇。所加入的劑量為?丐源物質質量的1%-10%。
[0009]所述改性硅酸鈣的分子式為Cax(SiO3)y.n H2O,其中x:y為0.5-2:1，η為0-6。
[0010]所述水的含量優(yōu)選30%。
[0011]所述改性硅酸鈣的粒徑通過分散劑的種類、分散劑的投加量、混合反應池的攪拌速度和溫度等條件，控制粒徑范圍在0.3-60 μ m。可以根據(jù)不同運行環(huán)境選擇不同粒徑，當需要回收硅酸鈣材料時，可適當增加粒徑，有利于篩分和脫磷分離；當需要回收負載材料作為生化肥料時，可選擇較小粒徑，達到最大的經(jīng)濟效益。
[0012]本發(fā)明要解決的第二個技術問題是提供一種所述改性硅酸鈣的制備方法，是采用共沉淀法，在不同濃度的鈣源物質和硅源物質形成沉淀的同時，利用有機分散劑改變沉淀物質的結構，控制反應溫度和攪拌強度，最終得到不同粒徑的改性硅酸鈣；包括以下步驟:(O向鈣源、硅源溶解池中添加等體積的水，(2)向鈣源溶解池中添加鈣源物質和分散劑，使得鈣源物質終濃度在lmol/L (飽和濃度)以內(nèi)，分散劑添加量為鈣源物質質量的1%_10%，
(3)向硅源溶解池中加硅源物質，使兩溶解池中鈣硅摩爾比為0.5-2:1, (4)待兩溶解池中的物質完全溶解后，將兩溶解池中的溶液以相同速度進入到混合反應池中進行混合反應，混合反應溫度為30-60°C，攪拌速度為100-250r/min，反應時間為6h，(5)將所得粗改性硅酸鈣用去離子水和無水乙醇先后洗滌過濾3次后，常溫或60°C干燥得到改性硅酸鈣成品。
[0013]所述制備方法優(yōu)選步驟為:(I)鈣源溶解池的溶劑是水，溶劑體積為1L，溶質是硝酸鈣，溶質濃度為lmol/L，添加鈣源物質質量4%-5%的聚乙二醇作分散劑；硅源溶解池的溶劑是水，溶劑體積為1L，溶質是硅酸鈉，溶質濃度為0.67mol/L ; (2)待兩個溶解池中溶質完全溶解后，將兩個溶解池中的溶液同時進入到混合反應池中，出水時間為lh，混合反應的反應溫度為48.2V，混合攪拌速度為150r/min，混合反應時間為6h ; (3)從混合反應池中得到的粗改性硅酸鈣用去離子水和無水乙醇先后洗滌過濾3次后，60°C真空干燥Ih后得到粒徑為0.3 μ m的改性硅酸鈣成品。
[0014]本發(fā)明要解決的第三個技術問題是提供應用所述改性硅酸鈣于厭氧裝置UASB中高效除磷和回收磷的方法，是在厭氧階段(進廢水3h后開始)向厭氧反應裝置中投加改性硅酸鈣，反應裝置在污泥和廢水混合均勻的狀態(tài)下，每L混合廢水投加改性硅酸鈣的劑量在
0.01-2g，并且反應裝置中的pH在6.5-7.5之間。所述厭氧裝置中的厭氧污泥形態(tài)為顆粒狀或整體顆粒狀部分絮狀、螺旋狀、桿狀等的厭氧污泥。改性硅酸鈣投加到反應裝置中后，在污泥中的保留時間為5-10天，一方面可以充分的吸附廢水中的磷，而且還可以吸收到改性硅酸鈣中；另一方面可以吸附廢水中的部分剩余污泥，有利于泥水分離。
[0015]作為一種有別于傳統(tǒng)的除磷和回收磷方法，本發(fā)明所述方法采用高效的、強吸附能力的改性硅酸鈣材料，與厭氧反應裝置中反硝化聚磷菌的充分結合。改性硅酸鈣(0.3-60 μ m)由于粒徑小因而比一般的吸附劑表面積較大，分散劑的投加提高了硅酸鈣分子層狀結構的空間，可有效的吸附環(huán)境中的磷酸根離子和鈣離子防止鳥糞石結垢；同時，附著在厭氧污泥表面的改性硅酸鈣還能夠作為污泥的載體材料，增大污泥的比表面積以富集更多反硝化聚磷菌，進而達到最大化的除磷效果；最后，改性硅酸鈣材料的加入還可以防止廢水厭氧處理過程中的鳥糞石結垢。本發(fā)明提出的利用改性硅酸鈣吸附和去除厭氧反應工藝中磷的方法，可有效克服化學除磷方法材料成本偏高，以及生物除磷方法效率偏低等不足。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為除磷回收磷工藝流程簡圖；1、鈣源溶解池，2、硅源溶解池，3、混合反應池，
4、改性硅酸鈣成品，5、廢水，6、初沉池，7、厭氧反應裝置(UASB )，8、反應器沉淀區(qū)，9、反應器混合區(qū)，10、反應器澄清區(qū)，11、進料口，12、消毒池，13、出水，14、氣體收集灌，15、污泥濃縮池，16、干燥污泥。
[0017]圖2為厭氧反應裝置中投加改性硅酸鈣與投加等量硅酸鈣，以及未投加任何吸附劑時反應器出水含磷量的比較。
【具體實施方式】
[0018]結合附圖1、2說明如下:
[0019]實施例1改性硅酸鈣的制備
[0020]如圖1所示，本發(fā)明中制備改性硅酸鈣過程和反應器(7)運行同步進行。制備改性硅酸鈣成品的時間大約在6h，厭氧反應器最佳反應時間(廢水停留時間)也在6h左右，整個制備過程操作簡單，反應條件溫和，溫度30-60°C、攪拌速度100-250r/min。
[0021]本發(fā)明中使用的厭氧反應裝置為UASB反應器(7)，反應器中磷濃度確定含量在90mg/L的濃度。厭氧污泥形態(tài)為顆粒狀或整體顆粒狀部分絮狀、螺旋狀、桿狀等的厭氧污泥。
[0022]如圖1所示，制備改性硅酸鈣過程裝置包括:鈣源溶解池(I)、硅源溶解池(2)、混合反應池(3)。其中，鈣源溶解池I的溶劑是水，溶劑體積為1L，溶質是硝酸鈣，溶質濃度為lmol/L，還含有占硝酸鈣質量4%-5%的聚乙二醇作為分散劑；硅源溶解池2的溶劑是水，溶劑體積為1L，溶質是硅酸鈉，溶質濃度為0.67mol/L。待兩個溶解池中溶質完全溶解后，出水時間為lh，兩個溶解池中的溶液同時進入到混合反應池(3)中，保持混合反應的時間為6h，反應溫度為48.2°C、混合攪拌速度為150r/min。從混合反應池中得出的粗改性硅酸鈣經(jīng)去離子水和無水乙醇先后洗滌過濾3次后，60°C真空干燥Ih后得到改性硅酸鈣成品(4)。分散劑為聚乙二醇，投加量在鈣源質量的4-5%，攪拌溫度為45-50°C，強度為150r/min時，粒徑就可達到I μ m以下。
[0023]實施例2利用改性硅酸鈣處理污水
[0024]廢水(5)經(jīng)初沉池(6)進入到厭氧反應裝置UASB (7)，在反應器中可以很清晰的將反應區(qū)劃分為:澄清區(qū)(10)、混合區(qū)(9)和沉淀區(qū)(8)。當反應器進水完成后3小時左右投加改性硅酸鈣，改性硅酸鈣的進料口(11)設置在混合區(qū)(9)的上部，進料后改性硅酸鈣可以瞬間與廢水污泥混合。因改性硅酸鈣比其他吸附劑具有更大的比表面積，從而更易將水中的磷酸根離子和鈣離子吸附到表面，同時其強的吸附性還可以吸附部分微生物，達到更大效率的去除磷元素。如圖2所示，投加改性硅酸鈣后反應器中磷去除率可達(97.8±1)%，而未投加任何吸附劑的磷去除率僅為(53.6±1)%，投加未改性的硅酸鈣的磷去除率為(83.8±1) %。達到負載量的MSH隨著部分污泥沉降到沉淀區(qū)(8)，沉淀區(qū)的混合物通過排泥管排放到污泥濃縮池(15)進行濃縮過濾，最后得到較干燥污泥(16)。
[0025]廢水經(jīng)過一系列的反應后達到澄清區(qū)(10)，此時的廢水出水磷含量為(0.2±0.I) mg/L，可達污水排放國家一級A標準。
[0026]綜上所述，制備出的改性硅酸鈣可有效吸附和去除厭氧反應工藝的磷。
[0027]雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所界定的為準。
【權利要求】
1.一種改性硅酸鈣，含有鈣來源物質30%-60%、硅來源物質30%-60%、分散劑0.3%_6%、水 0%-30%，粒徑為 0.3-60 μ m。
2.根據(jù)權利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，所述鈣來源物質為硝酸鈣、氫氧化鈣或氯化鈣。
3.根據(jù)權利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，所述硅來源物質為硅酸鈉、硅酸鉀、正硅酸四乙酯或正硅酸鹽。
4.根據(jù)權利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，所述分散劑為無水乙醇、聚乙二醇、乙二醇或丙三醇，分散劑的添加劑量是鈣源物質質量的1%_10%。
5.根據(jù)權利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，所述改性硅酸鈣的鈣:硅摩爾比為0.5—2:1 ο
6.根據(jù)權利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，含30%水。
7.一種制備權利要求1所述改性硅酸鈣的方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)向鈣源、硅源溶解池中添加等體積的水；(2)向鈣源溶解池中添加鈣源物質和分散劑，使得鈣源物質終濃度在lmol/L以內(nèi)，分散劑質量為鈣源物質質量的1%-10%;(3)向硅源溶解池中加硅源物質，使兩 溶解池中鈣硅摩爾比為0.5-2:1 ；(4)待兩溶解池中的物質完全溶解后，將兩溶解池中的溶液以相同速度進入到混合反應池中進行混合反應，混合反應溫度為30-60°C，攪拌速度為100-250r/min，反應時間為6h ；(5)將所得粗改性硅酸鈣用去離子水和無水乙醇先后洗滌過濾3次后，常溫或60°C干燥得到改性硅酸鈣成品。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，具體步驟為:(I)向鈣源溶解池加IL水、終濃度為lmol/L的硝酸鈣及占硝酸鈣質量4%-5%的聚乙二醇作分散劑；向硅源溶解池加IL水、終濃度為0.67mol/L的硅酸鈉；(2)待兩個溶解池中溶質完全溶解后，將兩個溶解池中的溶液同時進入到混合反應池中，出水時間為lh，混合反應的反應溫度為48.2°C，混合攪拌速度為150r/min，混合反應時間為6h ;(3)將混合反應池中得到的粗改性硅酸鈣用去離子水和無水乙醇先后洗滌過濾3次后，60°C真空干燥Ih后得到粒徑為0.3 μ m的改性硅酸鈣成品。
9.應用權利要求1-6任一所述改性硅酸鈣于污水除磷的方法。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，是在利用厭氧反應裝置UASB處理污水的厭氧階段投加改性硅酸鈣，每L混合廢水投加改性硅酸鈣的劑量為0.01-2g,并且反應裝置中的 pH 為 6.5-7.5。
【文檔編號】C02F1/28GK103599745SQ201310647958
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權日:2013年12月4日
【發(fā)明者】嚴群, 田延威, 丁祖軍, 張勇 申請人:江南大學