一種高效脫氮除磷的人工濕地填料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于人工濕地污水處理的填料，特別是涉及一種高效脫氮除磷的 人工濕地填料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人工濕地作為一種污水生態(tài)處理工藝，因其建造及運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、適用面 廣、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛建立用于處理城市生活污水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水等 領(lǐng)域。
[0003] 基質(zhì)、植物和微生物是人工濕地去除污染物的三個(gè)主要因素。填料是人工濕地的 基質(zhì)與載體，在為植物根系提供物理支撐、為微生物提供生長(zhǎng)環(huán)境、以及為污染物提供反應(yīng) 界面和區(qū)域的同時(shí)，也能通過(guò)離子交換、專(zhuān)性與非專(zhuān)性吸附、螯合作用及沉降反應(yīng)對(duì)污染物 直接去除。大量研宄表明，填料的吸附作用和填料中微生物的作用是去除污水中氮、磷的主 要途徑。因此，填料的選擇和級(jí)配對(duì)于人工濕地污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行效果具有重要意義。
[0004] 目前，人工濕地填料主要為無(wú)機(jī)材料，如沸石、鋼渣、粉煤灰等。這些無(wú)機(jī)材料不能 為濕地系統(tǒng)提供一定的碳源，導(dǎo)致在人工濕地運(yùn)行期間需要使用外加碳源保證微生物反應(yīng) 的進(jìn)行。另外，不同的無(wú)機(jī)填料在吸附特性上有不同的優(yōu)勢(shì)，若單一運(yùn)用某種無(wú)機(jī)填料作為 人工濕地基質(zhì)，則不能有效同時(shí)去除污水中不同的污染物。因此，采用復(fù)合填料作為人工濕 地的基質(zhì)是提高濕地系統(tǒng)去除效果的重要途徑。
[0005] 針對(duì)人工濕地填料已有大量研宄。解清杰等人公開(kāi)了一種六棱柱體的人工濕地 填料磚，該發(fā)明與傳統(tǒng)長(zhǎng)方體填料磚相比，可有效解決水流直下、水體短路、填料堵塞等問(wèn) 題（申請(qǐng)?zhí)?01210426416. 0)。王曉等人設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部開(kāi)孔的長(zhǎng)方體人工濕地填料磚， 大大提高了填料的比表面積，增大了微生物的生長(zhǎng)空間（申請(qǐng)?zhí)?01210353706. 7)。丁 輝等人發(fā)明了一種中空球形多孔填料，填料由兩個(gè)外直徑相等的空心半球組成（申請(qǐng)?zhí)?201010594065. 5)。上述專(zhuān)利雖對(duì)填料的形態(tài)及鋪設(shè)方式進(jìn)行了創(chuàng)新和改良，但對(duì)氮磷的去 除效果沒(méi)有明顯提高。因此，提高氮磷去除效果的關(guān)鍵是優(yōu)化填料的組成。
[0006] 鄭展望等人將斜發(fā)沸石、紅壤、腐殖質(zhì)組成復(fù)合填料，利用該復(fù)合填料的人工濕地 系統(tǒng)具有對(duì)氮的去除能力（申請(qǐng)?zhí)?00810120258.X)。吳振斌等人利用聚乙烯醇凝膠和絲 瓜絡(luò)固化好氧反硝化細(xì)菌，制得具有多聚體化合物孔隙的人工濕地填料，達(dá)到了提高人工 濕地系統(tǒng)脫氮效率的目的（申請(qǐng)?zhí)?01320576702. 5)。上述專(zhuān)利均有效提高了人工濕地系 統(tǒng)對(duì)污水中氮的去除效果，但并沒(méi)有同時(shí)解決對(duì)磷的去除問(wèn)題。張后虎等人將礦化垃圾材 料與A1鹽混凝劑應(yīng)用后脫水污泥配置制成粒徑5-50mm的填料，利用填料中Ca、A1和Fe 含量高的特征，提升了對(duì)污水中磷的吸附能力（中請(qǐng)?zhí)?01110138826.0)。樊蓓莉等人使 用鋼渣-糠醛渣組合基質(zhì)作為復(fù)合基質(zhì)填料，其中鋼渣的堿性可通過(guò)與糠醛渣的酸性中和 得到緩解，而鋼渣中所含鈣鎂氧化物與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化物可使糠醛渣改性而提高吸附 力，所用填料可大大提高除磷效率（申請(qǐng)?zhí)?01320811962. 6)。楊立君等人采用牡蠣殼、火 山灰加膨化劑燒結(jié)塊和活性炭制成濕地填料，其中牡蠣殼作為一種天然的生物鈣質(zhì)材料可 以釋放鈣離子與污水中的磷酸根離子進(jìn)行化學(xué)交換，火山灰加膨化劑燒結(jié)塊和活性炭具有 較強(qiáng)的吸附能力（申請(qǐng)?zhí)?00810141960. 4)。李旭東等人將粉煤灰、石膏、磷石膏、水泥及鋁 粉等混合制成填料，對(duì)污水中磷的去除有較好的效果（申請(qǐng)?zhí)?01410005588.X)。上述專(zhuān) 利中雖解決了濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除，但卻沒(méi)有同時(shí)提高氮的去除效率。吳文伶等人將改性 粉煤灰、粉煤灰、水泥等按比例制得長(zhǎng)方形人工濕地填料，改性粉煤灰是由粉煤灰與氫氧化 鈉溶液混合加熱后制得，改性后表面呈現(xiàn)多空形態(tài)，增加了其比表面積，從而提高吸附能力 (申請(qǐng)?zhí)?01210198180.X)。但該專(zhuān)利中所使用的粉煤灰對(duì)磷的吸附效果不如鋼渣。朱亮 等人利用鋼渣、無(wú)煙煤、沸石和粘合劑制得復(fù)合填料，對(duì)氮、磷的去除均有良好的效果（中 請(qǐng)?zhí)?01210100733. 3)。王小江等人運(yùn)用沸石、鋼渣、石灰石的組合作為濕地基質(zhì)，對(duì)氮、磷 同樣有良好的去除效果（中請(qǐng)?zhí)?01320514991. 6)。上述兩項(xiàng)專(zhuān)利解決了同時(shí)脫氮除磷的 問(wèn)題，但并未提及鋼渣的強(qiáng)堿性對(duì)沸石吸附能力的影響。中請(qǐng)人實(shí)驗(yàn)研宄證明鋼渣與沸石 共存時(shí)會(huì)嚴(yán)重抑制沸石對(duì)氨氮的吸附作用，這是由于鋼渣具有強(qiáng)堿性，在對(duì)污水進(jìn)行處理 時(shí)，會(huì)釋放大量的OH，游離的OH會(huì)與水中的NH4+生成NH3 ?H20,而沸石對(duì)NH4+的吸附能力 較強(qiáng)，對(duì)NH3 ?H20并無(wú)吸附能力，因此污水中的氨氮只能以NH3 ?H20的形態(tài)存在于污水中， 無(wú)法通過(guò)填料的吸附作用去除。故該問(wèn)題在工程應(yīng)用上是絕對(duì)不能回避的。綜上所述，在 現(xiàn)有的人工濕地填料中，仍沒(méi)有一種填料能夠達(dá)到同時(shí)高效脫氮除磷的目的。因此，本發(fā)明 旨在利用現(xiàn)有填料制備一種可以同時(shí)高效脫氮除磷的新型人工濕地填料。椰殼纖維屬于弱 酸性材料，經(jīng)過(guò)一定預(yù)處理后在水中可釋放H+，與鋼渣的釋放的OH中和，降低水中的OH濃 度，從而使氨氮以NH4+的形態(tài)存在于水中，沸石便可發(fā)揮其對(duì)NH4+強(qiáng)大的吸附作用，大大緩 解了對(duì)沸石的抑制作用。同時(shí)，椰殼纖維遇水膨脹，還可以起到成孔作用，并在反硝化過(guò)程 中提供C源。
[0007] 申請(qǐng)人的前期研宄表明，沸石與鋼渣分別對(duì)氮和磷有較強(qiáng)的吸附能力。沸石是一 種天然的、含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物，具有吸附性、離子交換性和耐酸耐熱等 特性，能夠有效吸附水中的氨氮，其理論飽和吸附量為2388. 92mg/kg，因而適宜應(yīng)用于人工 濕地中。鋼渣不僅具有巨大的比表面積，而且含有大量的Ca、Al、Fe等金屬氧化物，對(duì)水體 中的磷具有較強(qiáng)的吸附與反應(yīng)能力，其理論飽和吸附量為2863. 69mg/kg。目前我國(guó)鋼渣的 年排放量達(dá)1600萬(wàn)噸以上，但其循環(huán)利用率僅為10%左右，亟待開(kāi)發(fā)更豐富的鋼渣循環(huán)利 用途徑。
[0008] 雖然沸石與鋼渣單獨(dú)處理污水時(shí)分別在去除氮、磷方面有較好的效果。然而，中請(qǐng) 人的研宄表明，沸石與鋼渣同時(shí)處理污水時(shí)，由于鋼渣具有較強(qiáng)的堿性，嚴(yán)重抑制沸石對(duì)氨 氮的吸附。椰殼纖維具有弱酸性，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后可中和鋼渣的強(qiáng)堿性，可與沸石、鋼渣進(jìn)行 優(yōu)化組合，避免對(duì)沸石吸附氨氮過(guò)程的抑制。同時(shí)，椰殼纖維是良好的成孔劑，并可以為人 工濕地系統(tǒng)提供碳源。
[0009] 椰殼纖維主要由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素以及果膠物質(zhì)等組成，是一種價(jià)廉、質(zhì) 輕的天然纖維，資源豐富。由于椰殼纖維具有可降解性，對(duì)生態(tài)環(huán)境不會(huì)造成危害?，F(xiàn)有的 椰殼纖維主要用于生產(chǎn)繩索、坐墊、地毯和編織物等，其余或被當(dāng)做燃料，或被自然遺棄，不 僅浪費(fèi)資源，還造成了環(huán)境污染。本發(fā)明利用椰殼纖維的弱酸性特點(diǎn)，有效