CN109928492A - 用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，包括：将农林废弃物或木材进行处理；在氮气保护下进行缺氧热解炭化；冷却至室温，取所得固体研磨，过筛，将粒径小于0.45mm的粉末浸泡在盐酸溶液中洗去灰分，水洗后烘干即得生物炭；将生物炭浸泡在NaOH溶液中改性，水洗后烘干得到改性生物炭。制备的改性生物炭原料成本低廉，微生物吸附固定能力强，能够提高污水净化效果，延长填料使用寿命，适宜应用于曝气生物滤池。

Description

用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法

技术领域

本发明属于生物质资源化利用和环境污染修复领域，具体涉及一种用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法。

背景技术

随着经济、技术和城市化的发展,排放到环境中的污水量日益增多。防治水污染,缓解水危机,开发高效低耗的先进的污水处理工艺技术,对急需治污的地区在一段时期内都将具有重要的现实意义。目前,生物膜法生物处理技术是应用最广泛的污水处理主流工艺之一，近几十年来,新型填料的开发和配套技术的发展有力的推动了生物膜的快速发展,使得以生物滤池为代表的生物膜法在城市污水处理中占据了重要地位。

填料是生物滤池微生物附着生长的基石,随着微生物在给定的环境下繁殖、增长最终发展成为具有一定厚度及密度的能降解有机物的生物膜。因此,填料的性质将直接影响生物滤池的效能。同时,由于填料的费用在生物滤池处理***中的费用比例较高,所以填料的结构及性能关系到生物滤池的结构形式和成本。填料的开发是曝气生物滤池工艺发展的核心问题。目前使用的填料种类非常广泛,常用的无机类填料包括碳酸盐类石、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷材料等，然而自身比重较大,不适宜做流化态运行，在目前所使用的悬浮载体生物膜反应器中的应用受到限制。有机类载体则越来越受到人们关注，近年来，有机高分子填料如蜂窝状聚苯乙烯发泡材料(CN108676269A)，轻质陶粒填料(CN201713379U)，活性炭填料等的研究和开发日渐增加。其中，活性炭具有发达孔隙结构、巨大的比表面积和优良的吸附性能,被广泛用于水处理领域。但活性炭生产工艺较繁琐,需炭化和活化工序,价格高，限制了其更大范围的应用。

生物炭(Biochar)又叫做黑碳(Blackcarbon)，是在低氧或无氧条件下，生物质经高温(通常<700℃)热解(炭化)产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固体残渣，制各生物炭的原料来源广泛，有木材、果壳、秸秆、污泥、动物粪便等。生物炭作为一类新型环境功能材料近年来引起广泛关注，其在土壤改良、环境污染修复、温室气体减排方面都展现出应用前景。生物炭孔隙结构发达、吸附能力强、环境稳定性高，十分适宜用作微生物吸附固定的载体，并且对微生物的生长、活性具有很好的保护作用，而且生物炭原料成本低廉，生产工艺简单，因此使用生物炭作为生物膜载体具有应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种改性生物炭的制备方法以及该改性生物炭做为填料构建一种生物滤池的方法，本发明制备的改性生物炭比表面积更大、孔隙度高，生物挂膜效果好，微生物生物量和活性高，污水净化效果好，延长填料使用寿命，本发明的具体方案如下：

本发明提供了一种用于生物滤池，按照先后顺序包括以下步骤：

(1)将改性生物炭作为填料放置于滤池中并注满水，采用接种法引入污泥，对引入污泥的滤池进行闷曝，曝气量约为10L/h，闷曝气40h，使微生物大量繁殖生长，40h后微生物群落逐渐进入稳定期；

(2)放空闷曝后的滤池，排出未能有效挂膜的悬浮微生物，通入污水，连续进水并进行曝气，曝气气水比为5:1～10:1,保持溶解氧浓度在3mg/L即得。

优选的是，控制滤池中的水温在25-30℃之间，所述污泥来源于本市污水处理厂二沉池回流污泥。

本发明还提供了一种上述改性生物炭的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：

S1将农林废弃物或木材处理成干燥的粉末状生物质原材料；

S2在氮气保护下进行缺氧热解炭化，升温速率10℃/min，目标温度700℃，达到目标温度后保持1h；

S3冷却至室温，取所得固体进行研磨，过0.42mm孔径的筛，将粒径小于0.42mm的粉末浸泡在盐酸溶液中24h洗去灰分，水洗至pH值恒定，于80℃烘箱内烘干即得生物炭；

S4将生物炭浸泡在0.5mol/L的NaOH溶液中12h对其进行改性，水洗至pH值恒定，于80℃烘箱内烘干即得改性生物炭。

优选的是，步骤S1中，所述农林废弃物为植物源废弃物，包括水稻秸杆、水稻壳、木肩、中药渣、花生壳中的一种或多种；

在上述任一方案中优选的是，步骤S1中，农林废弃物或木材处理的具体过程为：依次进行除杂、洗涤、干燥和粉碎，得到干燥的粉末状生物质原材料，其中，干燥条件为：在烘箱中80℃下烘烤24小时。

在上述任一方案中优选的是，步骤S2中，炭化过程使用的装置为马弗炉或真空管式炉，通入氮气的流速为25mL/min。

在上述任一方案中优选的是，步骤S3中，所述盐酸溶液的浓度为10％。

在上述任一方案中优选的是，步骤S4中，NaOH溶液与加入的生物炭的质量比为9:1。

本发明构建的以改性生物炭为填料的生物滤池，由于采用合适工艺制备得到改性生物炭，再用此生物炭作为调料应用于生物滤池处理污水，具有如下有益效果：

(1)本发明所用的生物炭，其制备工艺简单，实验室内即可完成，利用木材、水稻秸杆、水稻壳、木肩、中药渣、花生壳等农林废弃生物质为原材料，价格低廉，原料充足易得，变废为宝，有益于环境保护；

(2)本发明使用NaOH对生物炭进行了改性，使生物炭表面羧基、酚羟基减少，内醋基增加，比表面积提高，微孔大量形成，平均孔径和孔容也有所增加，有助于微生物吸附固定，对微生物活性影响小，活性保持时间长。

(3)本发明所用的生物炭，其制备的同时产生的生物焦油、气体燃料等属于能源化工领域，可以增加附加值，降低生产成本。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一

本发明提供的改性生物炭的制备方法，按照先后顺序包括如下步骤：

(1)将农林废弃物进处理成干燥的粉末状生物质原材料；其中，农林废弃物生物质可为木材或稻杆、稻壳、木肩、中药渣、花生壳等等；处理手段可包括除杂、洗涤、干燥、粉碎过筛；

(2)将生物质原材料置入绝氧、通有氮气保护且密封的处理器中，通入氮气流速为25mL/min，升温处理速率10℃/min，升温到700℃后继续保持恒温1h；

其中，处理器中采用抽真空、通氮气等保护气体、密封的处理，形成热裂解环境过程中将排出可燃气体、木醋液、生物焦油，得到的生物焦油回收利用；

(3)冷却至室温，取所得固体进行研磨，过0.42mm孔径的筛，将粒径小于0.42mm的粉末浸泡在盐酸溶液中24h洗去灰分，水洗至pH值恒定，于70℃烘箱内烘干即得生物炭；

(4)将生物炭浸泡在0.5mol/L的NaOH溶液中12h对其进行改性，水洗至pH值恒定，于80℃烘箱内烘干即得改性生物炭。

本发明还提供了一种用于生物滤池的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：

(1)将上述改性生物炭作为填料放置于滤池中并注满水，采用接种法引入污泥，污泥来源可为污水处理厂污泥或有针对性的投入菌种，对引入污泥的滤池进行闷曝，曝气量约为10L/h，闷曝气40h，使微生物大量繁殖生长，40h后微生物群落逐渐进入稳定期；

(2)放空闷曝后的滤池，排出未能有效挂膜的悬浮微生物，通入污水，连续进水并进行曝气，曝气气水比为5:1,保持溶解氧浓度在3mg/L即得。

实施例二

本发明提供的改性生物炭的制备方法，按照先后顺序包括如下步骤：

(1)将农林废弃物进处理成干燥的粉末状生物质原材料；其中，农林废弃物生物质可为木材或稻杆、稻壳、木肩、中药渣、花生壳等等；处理手段可包括除杂、洗涤、干燥、粉碎过筛；

(2)将生物质原材料置入绝氧、通有氮气保护且密封的处理器中，通入氮气流速为25mL/min，升温处理速率10℃/min，升温到700℃后继续保持恒温1h；

其中，处理器中采用抽真空、通氮气等保护气体、密封的处理，形成热裂解环境过程中将排出可燃气体、木醋液、生物焦油，得到的生物焦油回收利用；

(3)冷却至室温，取所得固体进行研磨，过0.42mm孔径的筛，将粒径小于0.42mm的粉末浸泡在盐酸溶液中24h洗去灰分，水洗至pH值恒定，于70℃烘箱内烘干即得生物炭；

(4)将生物炭浸泡在0.5mol/L的NaOH溶液中12h对其进行改性，水洗至pH值恒定，于80℃烘箱内烘干即得改性生物炭。

本发明还提供了一种用于生物滤池的的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：

(1)将上述改性生物炭作为填料放置于滤池中并注满水，采用接种法引入污泥，污泥来源可为污水处理厂污泥或有针对性的投入菌种，对引入污泥的滤池进行闷曝，曝气量约为10L/h，闷曝气40h，使微生物大量繁殖生长，40h后微生物群落逐渐进入稳定期；

(2)放空闷曝后的滤池，排出未能有效挂膜的悬浮微生物，通入污水，连续进水并进行曝气，曝气气水比为7:1,保持溶解氧浓度在3mg/L即得。

实施例三

本发明提供的改性生物炭的制备方法，按照先后顺序包括如下步骤：

(1)将农林废弃物进处理成干燥的粉末状生物质原材料；其中，农林废弃物生物质可为木材或稻杆、稻壳、木肩、中药渣、花生壳等等；处理手段可包括除杂、洗涤、干燥、粉碎过筛；

(2)将生物质原材料置入绝氧、通有氮气保护且密封的处理器中，通入氮气流速为25mL/min，升温处理速率10℃/min，升温到700℃后继续保持恒温1h；

其中，处理器中采用抽真空、通氮气等保护气体、密封的处理，形成热裂解环境过程中将排出可燃气体、木醋液、生物焦油，得到的生物焦油回收利用；

(3)冷却至室温，取所得固体进行研磨，过0.42mm孔径的筛，将粒径小于0.42mm的粉末浸泡在盐酸溶液中24h洗去灰分，水洗至pH值恒定，于70℃烘箱内烘干即得生物炭；

(4)将生物炭浸泡在0.5mol/L的NaOH溶液中12h对其进行改性，水洗至pH值恒定，于80℃烘箱内烘干即得改性生物炭。

本发明还提供了一种用于生物滤池的的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：

(1)将上述改性生物炭作为填料放置于滤池中并注满水，采用接种法引入污泥，污泥来源可为污水处理厂污泥或有针对性的投入菌种，对引入污泥的滤池进行闷曝，曝气量约为10L/h，闷曝气40h，使微生物大量繁殖生长，40h后微生物群落逐渐进入稳定期；

(2)放空闷曝后的滤池，排出未能有效挂膜的悬浮微生物，通入污水，连续进水并进行曝气，曝气气水比为10:1,保持溶解氧浓度在3mg/L即得。

性能对比：

表1和表2为不同材料制备改性生物炭的表面积、孔径参数以及表面官能团的对比。

表1生物炭的表面积与孔径

表2生物炭的表面官能团(mmol/g)

本发明使用NaOH对生物炭进行了改性，使生物炭表面羧基、酚羟基减少，内醋基增加，比表面积提高，微孔大量形成，平均孔径和孔容也有所增加，有助于微生物吸附固定，对微生物活性影响小，活性保持时间长。

由表1和表2所示，本发明使用多种混合的原料制备出的改性生物炭与使用木材制备的改性生物炭进行对比，亦可以达到相近的效果，使用多种混合的废气原料具有价格低廉，原料充足易得，变废为宝，有益于环境保护的优势。

本领域技术人员不难理解，本发明的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，按照先后顺序包括以下步骤：

S1将农林废弃物或木材处理成干燥的粉末状生物质原材料；

S2在氮气保护下进行缺氧热解炭化，升温速率10℃/min，目标温度700℃，达到目标温度后保持1h；

S3冷却至室温，取所得固体进行研磨，过0.42mm孔径的筛，将粒径小于0.42mm的粉末浸泡在盐酸溶液中24h洗去灰分，水洗至pH值恒定，于80℃烘箱内烘干即得生物炭；

S4将生物炭浸泡在0.5mol/L的NaOH溶液中12h对其进行改性，水洗至pH值恒定，于80℃烘箱内烘干即得改性生物炭。

2.根据权利要求1所述的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述农林废弃物为植物源废弃物，包括水稻秸杆、水稻壳、木肩、中药渣、花生壳中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，农林废弃物或木材处理的具体过程为：依次进行除杂、洗涤、干燥和粉碎，得到干燥的粉末状生物质原材料，其中，干燥条件为：在烘箱中80℃下烘烤24小时。

4.根据权利要求1所述的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，炭化过程使用的装置为马弗炉或真空管式炉，通入氮气的流速为25mL/min。

5.根据权利要求1所述的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述盐酸溶液的浓度为10％。

6.根据权利要求1所述的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，NaOH溶液与加入的生物炭的质量比为9:1。

7.根据权利要求1所述的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，其特征在于，用于构建生物滤池，按照先后顺序包括以下步骤：

(1)将改性生物炭作为填料放置于滤池中并注满水，采用接种法引入污泥，对引入污泥的滤池进行闷曝，曝气量约为10L/h，闷曝气40h，使微生物大量繁殖生长，40h后微生物群落逐渐进入稳定期；

(2)放空闷曝后的滤池，排出未能有效挂膜的悬浮微生物，通入污水，连续进水并进行曝气，曝气气水比为5:1～10:1,保持溶解氧浓度在3mg/L即得。

8.根据权利要求7所述的用于生物滤池的改性活性炭生物填料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，控制滤池中的水温在25-30℃之间，所述污泥来源于本市污水处理厂二沉池回流污泥。