CN114538570A - 一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开涉及一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，由骨架材料、湿地植物残体、还原性铁粉经过粉碎、过筛、混合粘结、厌氧高温煅烧等一系列工序制成。通过采用上述方案，本发明克服现有湿地植物残体资源化处理技术的不足，提供了一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其制成成本低廉，处理效果好，本发明的填料在资源化利用湿地植物残体的同时，还具有较高的孔隙率、较大的比表面积、较高的电子转移速率等优点，从而能提高垂直绿化墙、屋顶绿化槽、人工湿地等生态处理设施的污水处理效率，并降低污水处理成本；同时提供了一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程固废资源化及水处理技术领域，特别涉及一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料及制备方法。
背景技术
目前，湿地修复技术已经成为全球地表水环境质量提升的一种常用方法。随着湿地建设面积的不断增加，每年都会产生大量的湿地植物残体。现有技术无法满足日益增加的湿地植物残体的处理与处置，易造成二次污染且不利于湿地***的碳减排。如何有效地处理与处置湿地植物残体，避免其原地堆放造成的水体二次污染，已经成为我国乃至全球湿地修复技术可持续发展及应用的关键影响因素之一。此外，由于碳源的缺乏，垂直绿化墙、屋顶绿化槽、人工湿地等生态处理设施对低碳氮比水体的脱氮效果不佳。添加碳源作为反硝化电子供体虽然能够显著提升反硝化脱氮效率，但会增加湿地***CO2、CH4等温室气体的排放，非常不符合我国碳减排的国家重大战略需求。因此，寻求更加低碳的电子供体更加有利于湿地***脱氮性能的提升。
发明内容
本发明的目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其制成成本低廉，处理效果好，本发明的填料在资源化利用湿地植物残体的同时，还具有较高的孔隙率、较大的比表面积、较高的电子转移速率等优点，从而能提高垂直绿化墙、屋顶绿化槽、人工湿地等生态处理设施的污水处理效率，并降低污水处理成本。
本发明公开涉及一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于 ：包括骨架材料、湿地植物残体、还原性铁粉和粘结剂，骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉的组分比例为1-10：1-10：1-10。
本发明的再进一步设置：骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉混合形成混合原料，混合原料和粘结剂的组分比例为1-10:0.1-1。
本发明的再进一步设置：所述骨架材料为粘土、膨润土和高岭土中的至少一种。
本发明的进一步设置：湿地植物残体为菖蒲、芦苇和香蒲残体中的至少一种。
本发明的再进一步设置：粘结剂为羧甲基纤维素钠3-5‰水溶液。
本发明的进一步设置：还原性铁粉为废铁屑。
本发明的再进一步设置：骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按比例为5：3：2。
综上所述，其具体有益效果为：其制成成本低廉，处理效果好，本发明的填料在资源化利用湿地植物残体的同时，能提高垂直绿化墙、屋顶绿化槽、人工湿地等生态处理设施的污水处理效率，并降低污水处理成本。
本发明的另一实施例，公开了一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将骨架材料和湿地植物残体分别破碎至10-100目，然后经孔径为0.150-2.0 mm的筛进行筛选操作；
步骤二、将还原性铁粉粉碎至100-200目，然后经孔径为0.075-0.150 mm的筛进行筛选操作；
步骤三、将步骤一和步骤二得到的骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按1-10：1-10：1-10的比例混合形成混合原料；
步骤四、将羧甲基纤维素钠配制成3-5‰的水溶液形成粘结剂；
步骤五、将粘结剂与混合原料按0.1-1:10的比例混合均匀后呈块状；
步骤六、将块状混合原料置于造粒机中，然后经过挤压、搓条、成球后，在5-35℃的条件下自然干燥后获得填料生料球；
步骤七、将干燥后的铁炭微电解复合填料生料球置于马弗炉中，在厌氧、500-1000℃的条件下烧结10-120分钟，烧结结束后自然降温至室温并密封保存。
本发明的再进一步设置：步骤一中，当破碎后的湿地植物残体颗粒过大无法过筛时，进行重新破碎，然后进行继续过筛。
本发明的再进一步设置：步骤二中，当破碎后的还原性铁粉颗粒过大无法过筛时，进行重新破碎，然后进行继续过筛。
其具体有益效果为，步骤一和步骤二是先去除骨架材料中的其它杂质，防止填料制备过程中杂质的干扰，并对湿地植物残体进行清洗晾干，随后对骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉三种原材料进行粉碎过筛；步骤三是将三种原材料按一定的比例混合均匀；步骤四、步骤五和步骤六是将混合均匀的原材料与配制的羧甲基纤维素钠水溶液混合呈块状后，在造粒机中完成填料生料球的制作，将块状混合原料制成生料球，最后步骤七通过厌氧高温煅烧，使填料具有较高的孔隙率、较大的比表面积和较高的电子转移速率等优点，铁炭微电解复合填料的制作简单，原材料易得且处理效果好。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式详细说明：
实施例1：
一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将骨架材料（所述骨架材料为土质骨架材料，可以采用粘土、膨润土和高岭土中的至少一种）和湿地植物残体（所述湿地植物残体为菖蒲、芦苇和香蒲残体中的至少一种）分别破碎至10目，然后经孔径为2.0 mm的筛进行筛选操作；
步骤二、将还原性铁粉粉碎至200目，然后经孔径为0.075 mm的筛进行筛选操作；
步骤三、将步骤一和步骤二得到的骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按1：1：1的比例混合形成混合原料；
步骤四、将羧甲基纤维素钠配制成5‰的水溶液形成粘结剂；
步骤五、将粘结剂与混合原料按0.5:10的比例混合均匀后呈块状；
步骤六、将块状混合原料置于造粒机中，然后经过挤压、搓条、成球后，在25℃的条件下自然干燥后获得填料生料球；
步骤七、将干燥后的铁炭微电解复合填料生料球置于马弗炉中，在厌氧、850℃的条件下烧结30分钟，烧结结束后自然降温至室温并密封保存。
本发明的再进一步设置：步骤一中，当破碎后的湿地植物残体颗粒过大无法过筛时，进行重新破碎，然后进行继续过筛。
本发明的再进一步设置：步骤二中，当破碎后的还原性铁粉颗粒过大无法过筛时，进行重新破碎，然后进行继续过筛。
实施例2：
一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其原材料和具体步骤同实施例1，其区别仅在于步骤三中骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按2：2：1的比例混合形成混合原料。
实施例3：
一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其原材料和具体步骤同实施例1，其区别仅在于步骤三中骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按3：2：1的比例混合形成混合原料。
实施例4：
一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其原材料和具体步骤同实施例1，其区别仅在于步骤三中骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按5：3：2的比例混合形成混合原料。
实施例5：
一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其原材料和具体步骤同实施例1，其区别仅在于步骤三中骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按6：3：2的比例混合形成混合原料。
为检测该铁炭微电解复合填料作为生态处理设施基质时的污水处理效果，本发明实例将制成的球状铁炭微电解复合填料加入设计的人工湿地模拟装置中，将上述球状填料与本地土壤按体积比1：2混合均匀，并作为混合基质填充于模拟装置中，填充高度控制在15cm，水深控制在10cm。在模拟装置的混合基质中种植菖蒲，其种植密度为70株/m2。进水采用人工配制的劣五类水，进、出水采取人工换水的方式进行，换水率为100%。本阶段在实验初期向***内添加填料，后期不进行更换，根据实验组的脱氮效率随时间的变化，判断填料强化效果的持久性。将人工湿地模拟装置启动并稳定运行1个月后，水力停留时间控制为3天，每3天对进、出水进行采样检测，检测指标包括pH、DO、氨氮、TN、TP、COD等。
经反复实验所得，最优选骨架材料为湿地中的粘土，湿地植物残体采用芦苇残体，废铁屑可以从机械厂废料中进行回收，骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按5：3：2的比例制作简单，原材料易得且处理效果好。
采用实施例4制得的铁炭微电解复合填料，在相同条件下，向人工湿地模拟装置中填充自制铁炭微电解复合填料和本体土壤混合基质，两者体积比为1:2，该组设定为实验组。
采用实施例4制得的铁炭微电解复合填料，在相同条件下，向人工湿地模拟装置中填充100%本体土壤作为对照组。
测得数据如以下表格所示：
| 组别 | TN去除率 | NO<sub>3</sub><sup>-</sup>-N去除率 | NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N去除率 |
| 实验组 | 76.22% | 76.23% | 81.38% |
| 对照组 | 67.06% | 62.59% | 72.87% |
从处理效果上：通过分别填充100%土壤、本发明的铁炭微电解复合填料和土壤混合基质，并结合人工湿地模拟装置对模拟劣五类水进行处理，进行实验组和对照组的脱氮效果对比，相比于对照组，填充1/3体积本发明的铁炭微电解复合填料的实验组的TN、NO3 --N、NH4 +-N去除率，分别提升9.16%、13.64%、8.51%。此外，当在对照组进水中添加甲醇作为外加碳源，以达到与实验组相同的脱氮效率时。相比于对照组，实验组的CO2排放通量降低33.92%，CH4排放通量降低62.68%，从生产成本上：本发明的铁炭微电解复合填料生产原料为湿地植物残体和废铁屑，均为固体废物，原料成本低廉。生产过程简单快捷，生成成本低。
综上，本发明的铁炭微电解复合填料具有较高的孔隙率、较大的比表面积、较高的电子转移速率且有一定的机械强度和生物稳定性，生产原料易得，价格便宜且方便运输。
Claims (10)
1.一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于 ：包括骨架材料、湿地植物残体、还原性铁粉和粘结剂，骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉的组分比例为1-10：1-10：1-10。
2.根据权利要求1所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于：骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉混合形成混合原料，混合原料和粘结剂的组分比例为1-10:0.1-1。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于：所述骨架材料为粘土、膨润土和高岭土中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于：湿地植物残体为菖蒲、芦苇和香蒲残体中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于：粘结剂为羧甲基纤维素钠3-5‰水溶液。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于：还原性铁粉为废铁屑。
7.根据权利要求6所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料，其特征在于：骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按比例为5：3：2。
8.根据权利要求1-7中任意一条所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将骨架材料和湿地植物残体分别破碎至10-100目，然后经孔径为0.150-2.0mm的筛进行筛选操作；
步骤二、将还原性铁粉粉碎至100-200目，然后经孔径为0.075-0.150 mm的筛进行筛选操作；
步骤三、将步骤一和步骤二得到的骨架材料、湿地植物残体和还原性铁粉按1-10：1-10：1-10的比例混合形成混合原料；
步骤四、将羧甲基纤维素钠配制成3-5‰的水溶液形成粘结剂；
步骤五、将粘结剂与混合原料按0.1-1:10的比例混合均匀后呈块状；
步骤六、将块状混合原料置于造粒机中，然后经过挤压、搓条、成球后，在5-35℃的条件下自然干燥后获得填料生料球；
步骤七、将干燥后的铁炭微电解复合填料生料球置于马弗炉中，在厌氧、500-1000℃的条件下烧结10-120分钟，烧结结束后自然降温至室温并密封保存。
9.根据权利要求8所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其特征在于：步骤一中，当破碎后的湿地植物残体颗粒过大无法过筛时，进行重新破碎，然后进行继续过筛。
10.根据权利要求8或9所述的一种基于湿地植物残体的铁炭微电解复合填料的制备方法，其特征在于：步骤二中，当破碎后的还原性铁粉颗粒过大无法过筛时，进行重新破碎，然后进行继续过筛。
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