CN107032481A - 一种生物膜填料及其制备方法和生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于水处理领域，尤其涉及一种生物膜填料及其制备方法和生物膜反应器。该生物膜填料由水和包括以下重量份的干料制成：污泥生物炭25～30份；核桃壳生物炭30～35份；生石灰15～20份；硅酸盐水泥20～25份；铝粉0.3～0.5份。本发明通过对制备生物膜填料的原料种类和含量进行优化，获得强度高、生物亲和力好，且表面具有较多皱褶和孔道的生物膜填料。将其应用于生物膜反应器中，不但能使污水中的微生物在其表面稳固附着和快速繁殖，还能够与生物膜反应器中的氧气保持较高的传递效率，从而缩短污水中微生物在填料表面的挂膜时间，提高填料表面粘附的生物膜中好氧微生物的比重和活性，进而提高膜生物反应器的污水降解效率。

Description

一种生物膜填料及其制备方法和生物膜反应器

技术领域

本发明属于水处理领域，尤其涉及一种生物膜填料及其制备方法和生物膜反应器。

背景技术

近年来，伴随着经济的快速发展，我国在追求GDP增长的同时也带来一系列的环境问题，其中淡水资源紧缺迫使城镇生活污水处理技术显得尤其重要。然而随着人们生活水平的提高，城镇生活污水中的氮、磷含量增加，有机成分复杂，传统的生物污水处理技术已无法紧随步伐，处理效果不佳，而生物膜法处理工艺凭借其处理效率高、剩余污泥产泥量少、运行管理方便等特点得到快速发，在污水处理中有广阔的应用前景。

所谓生物膜法，是指利用附着生长于某些固体物表面的微生物(即生物膜)进行有机污水处理的方法。其中，生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态***，而其附着的固体介质则称为填料或载体。目前，在生物膜反应器中使用比较广泛的填料有英砂、无烟煤、大理石、白云石、磁铁矿石、石榴石、锰砂等天然填料，以及聚苯乙烯发泡塑料球、高效纤维束、陶瓷滤料等人造填料，但采用上述填料的生物膜反应器普遍存在着挂膜时间长和污水降解效率低的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物膜填料及其制备方法和生物膜反应器，装填有本发明填料的生物膜反应器挂膜时间短，污水降解效率高。

本发明提供了一种生物膜填料，由水和包括以下重量份的干料制成：

优选的，所述污泥生物炭的平均粒径为0.1～1mm。

优选的，所述核桃壳生物炭的平均粒径为0.2～2cm。

优选的，所述铝粉的目数为50～500目。

优选的，所述硅酸盐水泥的标号为P.C32.5、P.C42.5、P.C52.5、P.F32.5、P.F42.5、P.F52.5、P.P42.5、P.P52.5、P.O42.5和P.O52.5中的一种或多种。

优选的，所述水与干料的质量比为(30～45)：(100～110)。

本发明提供了一种上述技术方案所述生物膜填料的制备方法，包括以下步骤：

a)污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥、铝粉和水混合，得到待浇注料浆；

b)将所述待浇注料浆浇注到模具中，料浆在模具中发气并固化，得到生物膜填料。

优选的，所述步骤a)具体包括：

a1)污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥和水混合，得到初级料浆；

a2)所述初级料浆与铝粉混合，得到待浇注料浆。

优选的，步骤b)中，还包括：

所述料浆在模具中发气并固化后，送入蒸压釜中养护，得到生物膜填料。

本发明提供了一种生物膜反应器，包括上述技术方案所述的生物膜填料或上述技术方案所述方法制备的生物膜填料。

与现有技术相比，本发明提供了一种生物膜填料及其制备方法和生物膜反应器。本发明提供的生物膜填料由水和包括以下重量份的干料制成：污泥生物炭25～30份；核桃壳生物炭30～35份；生石灰15～20份；硅酸盐水泥20～25份；铝粉0.3～0.5份。本发明通过对制备生物膜填料的原料种类和含量进行优化选择，获得强度高、生物亲和力好，且表面具有较多皱褶和孔道的生物膜填料。将其应用于生物膜反应器中，不但能使污水中的微生物在其表面稳固附着和快速繁殖，还能够与生物膜反应器中的氧气保持较高的传递效率，从而缩短污水中微生物在填料表面的挂膜时间，提高填料表面粘附的生物膜中好氧微生物的比重和活性，进而提高膜生物反应器的污水降解效率。此外，制备本发明生物膜填料所使用的污泥生物炭可由污水厂剩余污泥制成，即可满足循环利用的需要，又能解决了污泥处置的问题。实验结果表明，在同等条件下，相较于装填传统填料的生物膜反应器，装填本发明填料的生物膜反应器的挂膜时间缩短了6天，成熟后生物膜厚度增加18.5％，出水TN＜10mg/L，COD＜50mg/L，BOD＜10mg/L。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的生物膜反应器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的气泡切割孔板的结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的填料某一位置的扫描电镜观察图；

图4是本发明实施例1提供的填料另一位置的扫描电镜观察图。

具体实施方式

下面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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种生物膜填料，由水和包括以下重量份的干料制成：

本发明提供的生物膜填料由水和干料制成，所述干料包括污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥和铝粉。其中，所述污泥生物炭的平均粒径优选为0.1～1mm，具体可为0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.31mm、0.32mm、0.33mm、0.34mm、0.35mm、0.36mm、0.37mm、0.38mm、0.39mm、0.4mm、0.41mm、0.42mm、0.43mm、0.44mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm或0.95mm；所述污泥生物炭的比表面积优选为10～100m²/g，具体可为15m²/g、20m²/g、25m²/g、30m²/g、35m²/g、40m²/g、41m²/g、42m²/g、43m²/g、44m²/g、45m²/g、46m²/g、47m²/g、48m²/g、49m²/g、50m²/g、51m²/g、52m²/g、53m²/g、54m²/g、55m²/g、56m²/g、57m²/g、58m²/g、59m²/g、60m²/g、61m²/g、62m²/g、63m²/g、64m²/g、65m²/g、66m²/g、67m²/g、68m²/g、69m²/g、70m²/g、75m²/g、80m²/g、85m²/g、90m²/g或95m²/g；所述污泥生物炭的孔容积优选为0.01～0.1cm³/g，具体可为0.015cm³/g、0.02cm³/g、0.025cm³/g、0.03cm³/g、0.031cm³/g、0.032cm³/g、0.033cm³/g、0.034cm³/g、0.035cm³/g、0.036cm³/g、0.037cm³/g、0.038cm³/g、0.039cm³/g、0.04cm³/g、0.041cm³/g、0.042cm³/g、0.043cm³/g、0.044cm³/g、0.045cm³/g、0.046cm³/g、0.047cm³/g、0.048cm³/g、0.049cm³/g、0.05cm³/g、0.051cm³/g、0.052cm³/g、0.053cm³/g、0.054cm³/g、0.055cm³/g、0.056cm³/g、0.057cm³/g、0.058cm³/g、0.059cm³/g、0.06cm³/g、0.065cm³/g、0.07cm³/g、0.075cm³/g、0.08cm³/g、0.085cm³/g、0.09cm³/g或0.095cm³/g。在本发明中，干料中所述污泥生物炭含量为25～30重量份，具体可为25重量份、26重量份、27重量份、28重量份、29重量份或30重量份。本发明对所述污泥生物炭的来源没有特别限定，可以按照以下方法制备得到：污水处理厂的剩余活性污泥依次进行脱水、干燥、粉碎和碳化后，得到污泥生物炭。其中，所述剩余活性污泥的含水率可为40～70％，具体可为50％、55％、60％或65％；所述干燥的温度优选为≥100℃，更优选为100～150℃，具体可为105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃或145℃；本发明对所述干燥的时间没有特别限定，干燥至恒重即可；所述粉碎后得到的粒料的平均粒径优选为0.1～1mm，具体可为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm或0.9mm；所述碳化的温度优选为300～500℃，具体可为310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃或490℃；所述碳化的时间优选为0.5～2h，具体可为0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h或1.9h。

在本发明中，所述核桃壳生物炭的平均粒径优选为0.2～2cm，具体可为0.25cm、0.3cm、0.35cm、0.36cm、0.37cm、0.38cm、0.39cm、0.4cm、0.41cm、0.42cm、0.43cm、0.44cm、0.45cm、0.46cm、0.47cm、0.48cm、0.49cm、0.5cm、0.55cm、0.6cm、0.65cm、0.7cm、0.71cm、0.72cm、0.73cm、0.74cm、0.75cm、0.76cm、0.77cm、0.78cm、0.79cm、0.8cm、0.81cm、0.82cm、0.83cm、0.84cm、0.85cm、0.86cm、0.87cm、0.88cm、0.89cm、0.9cm、0.91cm、0.92cm、0.93cm、0.94cm、0.95cm、0.96cm、0.97cm、0.98cm或0.99cm；所述核桃壳生物炭的比表面积优选为50～100m²/g，具体可为55m²/g、60m²/g、65m²/g、66m²/g、67m²/g、68m²/g、69m²/g、70m²/g、71m²/g、72m²/g、73m²/g、74m²/g、75m²/g、76m²/g、77m²/g、78m²/g、79m²/g、80m²/g、81m²/g、82m²/g、83m²/g、84m²/g、85m²/g、90m²/g或95m²/g。在本发明中，干料中核桃壳生物炭的含量为30～35重量份，具体可为30重量份、31重量份、32重量份、33重量份、34重量份或35重量份。本发明对所述核桃壳生物炭的来源没有特别限定，可以按照以下方法制备得到：核桃壳颗粒依次经过干燥和碳化后，得到核桃壳生物炭。其中，所述干燥的温度优选为≥100℃，更优选为100～150℃，具体可为105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃或145℃；所述干燥的时间优选为12～96h，更优选为24～72h，具体可选择为30h、36h、40h、48h、50h、55h、60h、65h或70h；所述碳化的温度优选为500～1000℃，具体可选择为550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃或950℃；所述碳化的时间优选为1～3h，具体可选择为1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h、2h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h或3h。

在本发明中，干料中生石灰(CaO)的含量为15～20重量份，具体可为15重量份、16重量份、17重量份、18重量份、19重量份或20重量份。本发明对所述生石灰的来源没有特别限定，采用市售的生石灰即可。

在本发明中，干料中硅酸盐水泥的含量为20～25重量份，具体可为20重量份、21重量份、22重量份、23重量份、24重量份或25重量份。在本发明中，所述硅酸盐水泥包括但不限于火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或多种；所述硅酸盐水泥的标号包括但不限于P.C32.5、P.C42.5、P.C52.5、P.F32.5、P.F42.5、P.F52.5、P.P42.5、P.P52.5、P.O42.5和P.O52.5中的一种或多种。本发明对所述硅酸盐水泥的来源没有特别限定，采用市售的生石灰即可。

在本发明中，干料中铝粉的含量为0.3～0.5重量份，具体可为0.31重量份、0.32重量份、0.33重量份、0.34重量份、0.35重量份、0.36重量份、0.37重量份、0.38重量份、0.39重量份、0.4重量份、0.41重量份、0.42重量份、0.43重量份、0.44重量份、0.45重量份、0.46重量份、0.47重量份、0.48重量份或0.49重量份。在本发明中，所述铝粉的目数优选为50～500目，具体可为100目、150目、200目、250目、300目、350目、400目或450目。

在本发明中，生物膜填料由上述干料和水制成。所述水与干料的质量比优选为(30～45)：(100～110)，更优选为(30～45)：(101～105)，具体可选择为35：(101～105)或40：(101～105)。在本发明提供的一个实施例中，所述水为30～45重量份，具体可为30重量份、31重量份、32重量份、33重量份、34重量份、35重量份、36重量份、37重量份、38重量份、39重量份、40重量份、41重量份、42重量份、43重量份、44重量份或45重量份。

本发明对所述生物膜填料的形状没有特别限定，可以为莲蓬状、纺锤状、球形或带形等。在本发明提供的一个实施例中，所述生物膜填料可直接与生物膜反应器的曝气管相连，即曝气管可直接向生物膜填料内部曝气，生物膜填料与曝气管之间优选通过螺纹连接。

本发明通过对制备生物膜填料的原料种类和含量进行优化选择，获得强度高、生物亲和力好，且表面具有较多皱褶和孔道的生物膜填料。将其应用于生物膜反应器中，不但能使污水中的微生物在其表面稳固附着和快速繁殖，还能够与生物膜反应器中的氧气保持较高的传递效率，从而缩短污水中微生物在填料表面的挂膜时间，提高填料表面粘附的生物膜中好氧微生物的比重和活性，进而提高膜生物反应器的污水降解效率。此外，制备本发明生物膜填料所使用的污泥生物炭可由污水厂剩余污泥制成，即可满足循环利用的需要，又能解决了污泥处置的问题。

实验结果表明，本发明提供的生物膜填料的表面布满孔道和皱褶，外部孔道从下至上依次变大，内部孔道之间大多连通，这种形貌的填料有助于提高填料与氧气的传递效率，从而提高填料上好氧微生物的比重和活性，进而提高污水降解效率；在同等条件下，相较于装填传统填料的生物膜反应器，装填本发明填料的生物膜反应器的挂膜时间缩短了6天，成熟后生物膜厚度增加18.5％，出水TN＜10mg/L，COD＜50mg/L，BOD＜10mg/L。

本发明提供了一种上述技术方案所述生物膜填料的制备方法，包括以下步骤：

a)污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥、铝粉和水混合，得到待浇注料浆；

b)将所述待浇注料浆浇注到模具中，待浇注料浆在模具中发气并固化，得到生物膜填料。

在本发明提供的制备方法中，首先将污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥、铝粉和水混合，得到待浇注料浆。在本发明中，上述原料优选按照以下方式进行混合：

a1)污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥和水混合，得到初级料浆；

a2)所述初级料浆与铝粉混合，得到待浇注料浆；其中，所述初级料浆与铝粉混合的时间优选为5～15min，具体可为5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min或15min。

得到待浇注料浆后，将所述待浇注料浆浇注到模具中，料浆在模具中发气并固化。在本发明中，所述模具为多孔模具，料浆发气过程中产生的气体通过孔排出模具。在本发明中，料浆在模具中发气并固化的时间优选为2～15h，具体可为3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h或14h。料浆在模具中发气并固化完毕后，得到生物膜填料。在本发明中，所述料浆在模具中发气并固化后，优选送入蒸压釜中养护。其中，所述养护的蒸气压优选为0.5～1.5MPa，具体可选择为0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1MPa、1.1MPa、1.2MPa、1.3MPa或1.4MPa；所述养护的温度优选为60～120℃，具体可选择为70℃、80℃、90℃、100℃或110℃；所述养护的时间优选为6～24h，具体可选择为7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h或23h。养护完毕后，出釜，得到强度更为优异的生物膜填料。

本发明通过对制备生物膜填料的原料种类和含量进行优化选择，获得强度高、生物亲和力好，且表面具有较多皱褶和孔道的生物膜填料。将其应用于生物膜反应器中，不但能使污水中的微生物在其表面稳固附着和快速繁殖，还能够与生物膜反应器中的氧气保持较高的传递效率，从而缩短污水中微生物在填料表面的挂膜时间，提高填料表面粘附的生物膜中好氧微生物的比重和活性，进而提高膜生物反应器的污水降解效率。此外，制备本发明生物膜填料所使用的污泥生物炭可由污水厂剩余污泥制成，即可满足循环利用的需要，又能解决了污泥处置的问题。实验结果表明，在同等条件下，相较于装填传统填料的生物膜反应器，装填本发明填料的生物膜反应器的挂膜时间缩短了6天，成熟后生物膜厚度增加18.5％，出水TN＜10mg/L，COD＜50mg/L，BOD＜10mg/L。

本发明提供了一种生物膜反应器，包括上述技术方案所述的生物膜填料或上述技术方案所述方法制备的生物膜填料。

参见图1，图1是本发明实施例提供的生物膜反应器的结构示意图。图1中，1为污水反应池，2为曝气管，3为出气位，4为生物膜填料，5为气泡切割器。6为鼓风机。

本发明提供的生物膜反应器包括污水反应池1，设置在污水反应池1内的曝气管2，和装填在污水反应池1内的所述填料。其中，污水反应池1上设置有进水口和出水口，待处理污水从进水口进入污水反应池1内，并在污水反应池1内进行生物膜法处理，处理后的污水从出水口排出，流入后续工序。

在本发明中，曝气管2用于向污水反应池1内曝气，为污水反应池1提供氧气环境。在本发明中，曝气管2上设置有若干个出气位3，曝气管2中气体从出气位3排出。在本发明提供的一个实施例中，每个出气位3上设置有阀门，用于调节出气位3的排气量。在本发明提供的一个实施例中，曝气管2的进气口与鼓风机6的出气口相连。

在本发明中，生物膜填料4位于污水反应池1内腔，生物膜反应器运行时，污水中的微生物可在生物膜填料4表面形成生物膜，生物膜可对污水中的污染物质进行降解。在本发明提供的一个实施例中，生物膜填料4与出气位3相连。在本发明提供的一个实施例中，生物膜填料4与出气位3之间通过螺纹连接。在本发明中，生物膜填料4与出气位3相连可使曝气管直接向生物膜填料内部曝气，从而使生物膜填料上附着的生物膜中的微生物获得充足的氧量，确保微生物充分处在好氧环境中，提高生物膜中好氧微生物对水中污染物的降解效率。本发明对生物膜填料3的形状没有特别限定，可以为莲蓬状、纺锤状、球形或带形等。

在本发明提供的一个实施例中，生物膜填料4与出气位3之间还设置有气泡切割器5，用于将出气位3排出的空气切割成一定直径的气泡，提高氧气转移效率。气泡切割器5的进气端与出气位3相连，气泡切割器5的出气端与生物膜填料4相连，气泡切割器5的内腔沿垂直于气体运动方向设置有气泡切割孔板，如图2所示，图2是本发明实施例提供的气泡切割孔板的结构示意图。在本发明提供的一个实施例中，气泡切割器5与出气位3之间通过螺纹连接，气泡切割器5与生物膜填料4之间通过螺纹连接。在本发明提供的一个实施例中，气泡切割器5的外壁上设置有手柄，从而便于气泡切割器5的拆卸和安装。

在本发明中，生物膜反应器的运行过程如下：污水从污水反应池的进水口进入反应池，同时通过曝气管向反应池内曝气以提高污水中的氧含量，污水中的微生物在反应池内的填料表面挂膜，一段时间后形成稳定的生物膜，生物膜中的微生物对污水中的污染物进行降解，从而实现对污水的净化。

本发明提供的生物膜反应器填充有自制的生物膜填料，污水中的微生物可在该生物膜填料表面稳固附着和快速繁殖，且该生物膜填料能够与生物膜反应器中的氧气保持较高的传递效率，从而可缩短污水中微生物在填料表面的挂膜时间，提高填料表面粘附的生物膜中的好氧微生物的比重和活性，进而使本发明提供的生物膜反应器具有较高的污水降解效率。实验结果表明，在同等条件下，相较于填充传统的生物膜反应器，本发明生物膜反应器的挂膜时间缩短了6天，成熟后生物膜厚度增加18.5％，出水TN＜10mg/L，COD＜50mg/L，BOD＜10mg/L。

此外，本发明提供的生物膜反应器及其优选实现方案相比于传统的生物膜反应器，还具有如下优点：

(1)生物膜曝气的目的是使附着在生物膜中好氧微生物获得充足的氧量，传统的生物膜上的微生物获取氧气的途径是：“曝气泡破裂→水体溶解氧增加→生物膜获取氧气→污染物降解”，氧气传递链条长，转移效率低，导致大量的能源浪费。本发明的优选技术方案将生物膜填料与曝气管相连，对生物膜填料内部曝气，微生物获取氧气的途径变为：“曝气泡破裂→生物膜获取氧气→污染物降解”，缩短了氧气传递链条，大大提高了生物膜的充氧效率，降低了曝气能量消耗。

(2)传统技术通过污水间接将氧气转移到生物膜表面，致使生物膜表面和污水中含氧量较高，而膜的内部含氧量不高，研究表明，一般情况下氧在生物膜中的最大渗透深度不超过150um，而生物膜厚度一般为2mm左右，因此在生物膜内部大部分区域处于厌氧状态，从而限制了好氧微生物对污染物的降解效率。本发明的优选技术方案将生物膜填料与曝气管相连，对生物膜填料内部曝气，可使生物膜内部处于好氧状态，有利于提高生物膜上好氧微生物的比重和活性，从而提高污水降解效率。

(3)传统的生物膜反应器跟据将填料固定放置在某块区域，填料装填之后拆装很不方便，本发明的优选技术方案将填料与曝气设备通过螺纹连接，周边设有手柄方便使用工具或手拆卸和安装。一方面填料可以在其他成熟的水环境中挂膜后直接安装在新建水池中，减少调试时间；另一方面，生物膜的种类和数量可以根据不同水质水量需求任意增减和更换；同时，可拆装连接的方式也有利于设备检查和维修。

(4)本发明的优选技术方案在曝气管的出气位上设置有阀门，可以根据工艺需要通过阀门控制曝气量，调节生物膜厚度和优势菌种。

(5)本发明的优选技术方案可以将生物膜填料自由装卸移动，可使生物膜在适宜的环境中培养挂膜后转移到新的污水池，缩短工程调试启动时间，也可在反应器运营过程中根据需要接种其他地方的良性菌种，便于维护和管理。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

制备生物膜填料

生物膜填料各组分组成的重量配比如下：铝粉(200目)0.35g，污泥生物炭30g，火山灰硅酸盐水泥(P.P32.5)25g，核桃壳生物炭30g，石灰17g，水40g。

(1)污泥生物炭的制备：广州某污水处理厂剩余污泥(含水率55％)，经过脱水后在烘箱中105℃条件下烘干至恒重，粉碎成0.5mm左右的颗粒，再移入马弗炉中隔绝空气加热至400℃恒温炭化60min，停止加热，在炉内滞留1小时，拿出备用。对制备的污泥生物炭的平均粒径、比表面积和孔容积进行检测，结果为：平均粒径0.38mm，比表面积51.332m²/g，孔容积0.04621cm³/g。

(2)核桃壳生物炭的制备：将核桃壳粉碎成1cm×1cm的块状，在烘箱中120℃条件下烘干48小时，移入马弗炉中隔绝空气加热至700℃恒温炭化1.5h，停止加热，在炉内滞留1h，拿出备用。对制备的核桃壳生物炭的平均粒径和比表面积进行检测，结果为：平均粒径0.39cm，比表面积74.252m²/g。

(3)将污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥按上述重量配比干混搅拌均匀，加水搅拌制成初级料浆，再加入铝粉搅拌10min，注入多孔模具发气6h，最后送入蒸压釜，在0.85MPa蒸气压，90℃条件下养护12h，得到生物膜填料。

对制得的生物膜填料进行扫描电镜观察、比表面积检测和孔径尺寸检测。其中，扫描电镜观察图如图3和图4所示，图3和图4是本发明实施例1提供的填料不同位置的扫描电镜观察图。通过图3～4可以看出，本实施例制备的生物膜填料的表面布满孔道和皱褶。比表面积检测结果为：45.486m²/g。孔径尺寸检测结果为：生物膜填料内部平均孔径在1mm左右，且孔道之间大多连通；外部孔道从下至上依次变大，下部平均孔径5mm左右，上部平均孔径20mm左右。

采用GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试步骤和要求对制得的生物膜填料进行强度测试，采用振动台方式，抗折试验机8°，平衡锤杠杆处于平衡位置，养护温度17℃，加荷速度1700N/s,测试结果为3d抗折强度为2.0MPa，3d抗压强度为10.1MPa。

实施例2

制备生物膜填料

生物膜填料各组分组成的重量配比如下：铝粉(300目)0.40g，污泥生物炭25g，粉煤灰硅酸盐水泥(P.F42.5)25g，核桃壳生物炭32g，石灰18g，水42g。

(1)污泥生物炭的制备：广州某污水处理厂剩余污泥(含水率60％)，经过脱水后在烘箱中110℃条件下烘干至恒重，粉碎成0.5mm左右的颗粒，再移入马弗炉中隔绝空气加热至430℃恒温炭化1.2h，停止加热，在炉内滞留1小时，拿出备用。对制备的污泥生物炭的平均粒径、比表面积和孔容积进行检测，结果为：平均粒径0.36mm，比表面积60.401m²/g，孔容积0.06471cm³/g。

(2)核桃壳生物炭的制备：将核桃壳粉碎成1cm×1cm的块状，在烘箱中105℃条件下烘干48小时，移入马弗炉中隔绝空气加热至600℃恒温炭化2h，停止加热，在炉内滞留1h，拿出备用。对制备的核桃壳生物炭的平均粒径和比表面积进行检测，结果为：平均粒径0.45cm，比表面积79.203m²/g。

(3)将污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥按上述重量配比干混搅拌均匀，加水搅拌制成初级料浆，再加入铝粉搅拌10min，注入多孔模具发气7h，最后送入蒸压釜，在0.85MPa蒸气压，90℃条件下养护12h，得到生物膜填料。

对制得的生物膜填料进行比表面积检测和孔径尺寸检测。比表面积检测结果为：51.691m²/g。孔径尺寸检测结果为：生物膜填料内部平均孔径在1mm左右，且孔道之间大多连通；外部孔道从下至上依次变大，下部平均孔径5mm左右，上部平均孔径20mm左右。

采用GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试步骤和要求对制得的生物膜填料进行强度测试，采用振动台方式，抗折试验机9°，平衡锤杠杆处于平衡位置，养护温度17℃，加荷速度1500N/s,测试结果为3d抗折强度为2.3MPa，3d抗压强度为10.9MPa。

实施例3

制备生物膜填料

生物膜填料各组分组成的重量配比如下：铝粉(400目)0.45g，污泥生物炭27g，复合硅酸盐水泥(P.C42.5)25g，核桃壳生物炭30g，石灰19g，水44g。

(1)污泥生物炭的制备：广州某污水处理厂剩余污泥(含水率65％)，经过脱水后在烘箱中105℃条件下烘干至恒重，粉碎成0.5mm左右的颗粒，再移入马弗炉中隔绝空气加热至450℃恒温炭化1.2h，停止加热，在炉内滞留1小时，拿出备用。对制备的污泥生物炭的平均粒径、比表面积和孔容积进行检测，结果为：平均粒径0.35mm，比表面积59.732m²/g，孔容积0.05381cm³/g。

(2)核桃壳生物炭的制备：将核桃壳粉碎成1cm×1cm的块状，在烘箱中120℃条件下烘干48小时，移入马弗炉中隔绝空气加热至650℃恒温炭化2h，停止加热，在炉内滞留1h，拿出备用。对制备的核桃壳生物炭的平均粒径和比表面积进行检测，结果为：平均粒径0.42cm，比表面积81.065m²/g。

(3)将污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥按上述重量配比干混搅拌均匀，加水搅拌制成初级料浆，再加入铝粉搅拌10min，注入多孔模具发气8h，最后送入蒸压釜，在0.85MPa蒸气压，90℃条件下养护12h，得到生物膜填料。

对制得的生物膜填料进行比表面积检测和孔径尺寸检测。比表面积检测结果为：48.266m²/g。孔径尺寸检测结果为：生物膜填料内部平均孔径在1mm左右，且孔道之间大多连通；外部孔道从下至上依次变大，下部平均孔径5mm左右，上部平均孔径20mm左右。

采用GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试步骤和要求对制得的生物膜填料进行强度测试，采用振动台方式，抗折试验机10°，平衡锤杠杆处于平衡位置，养护温度17℃，加荷速度1700N/s,测试结果为3d抗折强度为2.3MPa，3d抗压强度为11.1MPa。

实施例4

生物膜反应器

本实施例1提供了一种图1所示结构的生物膜反应器，本发明实施例提供的生物膜反应器包括污水反应池1，设置在污水反应池1内的曝气管2，和装填在污水反应池1内的填料。

其中，污水反应池1(长×宽×高＝0.8m×0.32m×0.45m)上设置有进水口和出水口。曝气管2的进气口与鼓风机6的出气口相连，曝气管2上沿其长度方向平均设置有2个出气位3，每个出气位3上均设置有阀门，每个出气位3的出气端均连接有气泡切割器5，气泡切割器5的内腔沿垂直于气体运动方向设置有气泡切割孔板，气泡切割器5的外壁上设置有手柄，每个气泡切割器5的出气端均与一个生物膜填料4相连，气泡切割器5与出气位3之间通过螺纹连接，气泡切割器5与生物膜填料4之间通过螺纹连接。

在本实施例中，生物膜填料4采用实施例1制备的生物膜填料，其形状为莲蓬形，具体尺寸为最大直径×高＝0.2m×0.32m。

该生物膜反应器的运行过程为：污水从污水反应池的进水口进入反应池，同时通过曝气管向生物膜填料的内部曝气，污水中的微生物在反应池内的填料表面挂膜，一段时间后形成稳定的生物膜，生物膜中的微生物对污水中的污染物进行降解，从而实现对污水的净化。

实施例5

生物膜反应器

参照实施例4的生物膜反应器，其区别仅在于生物膜填料4采用实施例2制备的生物膜填料，填料的形状和尺寸保持不变。

实施例6

生物膜反应器

参照实施例4的生物膜反应器，其区别仅在于生物膜填料4采用实施例3制备的生物膜填料，填料的形状和尺寸保持不变。

对比例

生物膜反应器

参照实施例4的生物膜反应器，其区别仅在于生物膜填料4采用广东某环保设备公司的聚丙烯花环填料，材质：PP，规格：DG20环，145×48×3×6mm。

实施例7

不同生物膜反应器的污水处理效果比较

分别采用实施例4～6和对比例的生物膜反应器进行污水处理，运行条件为：一个大气压，水温20～30℃之间，污水水质(COD＝247±15mg/L，BOD＝135±12mg/L，TN＝14.2±0.9mg/L，NH4⁺-N＝8.1±1.3mg/L)，生物膜表面溶解氧量1.8-2.6mg/L，pH值6.2-7.5，污水停留时间为7.5h。

在此条件下，实施例4的挂膜时间为23天，生物膜成熟后的厚度为1.50mm；实施例5的挂膜时间为25天，生物膜成熟后的厚度为1.44cm；实施例6的挂膜时间为23天，生物膜成熟后的厚度为1.47cm；对比例的挂膜时间为30天，生物膜成熟后的厚度为1.24mm。

稳定运行后，实施例4生物膜反应器的出水TN＜5mg/L、COD＜50mg/L、BOD＜10mg/L，实施例5生物膜反应器的出水TN＜6mg/L、COD＜50mg/L、BOD＜13mg/L，实施例6生物膜反应器的出水TN＜5mg/L、COD＜50mg/L、BOD＜12mg/L，均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级B标准；对比例生物膜反应器的出水TN＜10mg/L、COD＜58mg/L、BOD＜20mg/L。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物膜填料，由水和包括以下重量份的干料制成：

2.根据权利要求1所述的生物膜填料，其特征在于，所述污泥生物炭的平均粒径为0.1～1mm。

3.根据权利要求1所述的生物膜填料，其特征在于，所述核桃壳生物炭的平均粒径为0.2～2cm。

4.根据权利要求1所述的生物膜填料，其特征在于，所述铝粉的目数为50～500目。

5.根据权利要求1所述的生物膜填料，其特征在于，所述硅酸盐水泥的标号为P.C32.5、P.C42.5、P.C52.5、P.F32.5、P.F42.5、P.F52.5、P.P42.5、P.P52.5、P.O42.5和P.O52.5中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的生物膜填料，其特征在于，所述水与干料的质量比为(30～45)：(100～110)。

7.一种权利要求1～6任一项所述生物膜填料的制备方法，包括以下步骤：

a)污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥、铝粉和水混合，得到待浇注料浆；

b)将所述待浇注料浆浇注到模具中，料浆在模具中发气并固化，得到生物膜填料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)具体包括：

a1)污泥生物炭、核桃壳生物炭、生石灰、硅酸盐水泥和水混合，得到初级料浆；

a2)所述初级料浆与铝粉混合，得到待浇注料浆。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，还包括：

所述料浆在模具中发气并固化后，送入蒸压釜中养护，得到生物膜填料。

10.一种生物膜反应器，包括权利要求1～6任一项所述的生物膜填料或权利要求7～9任一项所述方法制备的生物膜填料。