一種改性硅酸鈣及其在污水除磷中的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種改性硅酸鈣及其在污水除磷中的應(yīng)用，屬于環(huán)境工程和廢水處理領(lǐng)域。本發(fā)明提供的改性硅酸鈣含有鈣來(lái)源物質(zhì)30%-60%、硅來(lái)源物質(zhì)30%-60%、分散劑0.3%-6%、水0%-30%，粒徑為0.3-60μm；同時(shí)具有顆粒粒徑小、比表面積大等特性，投加到厭氧反應(yīng)裝置中，一方面可以通過(guò)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(niǎo)糞石結(jié)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(jìn)而達(dá)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(dá)到降低運(yùn)行成本等目的。
【專利說(shuō)明】一種改性硅酸鈣及其在污水除磷中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)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(yīng)用，屬于環(huán)境工程和廢水處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，大量的含氮、磷廢水排放到水體中，帶來(lái)了嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)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(jì)地球上可開(kāi)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(jì)、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(xué)方法和生物方法。其中，化學(xué)方法通過(guò)投加晶體材料，在一定的條件下，將預(yù)處理好的廢水經(jīng)過(guò)吸附和結(jié)晶達(dá)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(fù)雜，反應(yīng)周期長(zhǎng)以及易在厭氧段造成鳥(niǎo)糞石(磷酸銨鎂，具有很強(qiáng)的粘附性)結(jié)垢而最終導(dǎo)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(yīng)效率，正成為日益關(guān)注的焦點(diǎn)。在本發(fā)明中所制備的改性硅酸鈣所需條件溫和；同時(shí)，處理的廢水不需預(yù)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(duì)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(niǎo)糞石結(jié)垢，同時(shí)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(jìn)而達(dá)到最大化的除磷效果。同時(shí)，厭氧裝置在產(chǎn)氣過(guò)程中可促進(jìn)污泥以及改性硅酸鈣與廢水的充分混合，進(jìn)而可提高了反應(yīng)效率，減小了反應(yīng)時(shí)間。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種改性硅酸鈣。所述改性硅酸鈣成品含有鈣來(lái)源物質(zhì)30%-60%、硅來(lái)源物質(zhì)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(zhì)量百分比。
[0006]所述鈣來(lái)源物質(zhì)為硝酸鈣、氫氧化鈣、氯化鈣等，優(yōu)選硝酸鈣。
[0007]所述硅來(lái)源物質(zhì)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(wú)水乙醇、聚乙二醇、乙二醇、丙三醇等有機(jī)溶劑，優(yōu)選聚乙二醇。所加入的劑量為?丐源物質(zhì)質(zhì)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?jī)?yōu)選30%。
[0011]所述改性硅酸鈣的粒徑通過(guò)分散劑的種類、分散劑的投加量、混合反應(yīng)池的攪拌速度和溫度等條件，控制粒徑范圍在0.3-60 μ m?？梢愿鶕?jù)不同運(yùn)行環(huán)境選擇不同粒徑，當(dāng)需要回收硅酸鈣材料時(shí)，可適當(dāng)增加粒徑，有利于篩分和脫磷分離；當(dāng)需要回收負(fù)載材料作為生化肥料時(shí)，可選擇較小粒徑，達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0012]本發(fā)明要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)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(zhì)和硅源物質(zhì)形成沉淀的同時(shí)，利用有機(jī)分散劑改變沉淀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，控制反應(yīng)溫度和攪拌強(qiáng)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(zhì)和分散劑，使得鈣源物質(zhì)終濃度在lmol/L (飽和濃度)以內(nèi)，分散劑添加量為鈣源物質(zhì)質(zhì)量的1%_10%，
(3)向硅源溶解池中加硅源物質(zhì)，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(zhì)完全溶解后，將兩溶解池中的溶液以相同速度進(jìn)入到混合反應(yīng)池中進(jìn)行混合反應(yīng)，混合反應(yīng)溫度為30-60°C，攪拌速度為100-250r/min，反應(yīng)時(shí)間為6h，(5)將所得粗改性硅酸鈣用去離子水和無(wú)水乙醇先后洗滌過(guò)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(zhì)是硝酸鈣，溶質(zhì)濃度為lmol/L，添加鈣源物質(zhì)質(zhì)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(zhì)是硅酸鈉，溶質(zhì)濃度為0.67mol/L ; (2)待兩個(gè)溶解池中溶質(zhì)完全溶解后，將兩個(gè)溶解池中的溶液同時(shí)進(jìn)入到混合反應(yīng)池中，出水時(shí)間為lh，混合反應(yīng)的反應(yīng)溫度為48.2V，混合攪拌速度為150r/min，混合反應(yīng)時(shí)間為6h ; (3)從混合反應(yīng)池中得到的粗改性硅酸鈣用去離子水和無(wú)水乙醇先后洗滌過(guò)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(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供應(yīng)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(jìn)廢水3h后開(kāi)始)向厭氧反應(yīng)裝置中投加改性硅酸鈣，反應(yīng)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(yīng)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(yīng)裝置中后，在污泥中的保留時(shí)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(qiáng)吸附能力的改性硅酸鈣材料，與厭氧反應(yīng)裝置中反硝化聚磷菌的充分結(jié)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(jié)構(gòu)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(niǎo)糞石結(jié)垢；同時(shí)，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(jìn)而達(dá)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(guò)程中的鳥(niǎo)糞石結(jié)垢。本發(fā)明提出的利用改性硅酸鈣吸附和去除厭氧反應(yīng)工藝中磷的方法，可有效克服化學(xué)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(shuō)明】
[0016]圖1為除磷回收磷工藝流程簡(jiǎn)圖；1、鈣源溶解池，2、硅源溶解池，3、混合反應(yīng)池，
4、改性硅酸鈣成品，5、廢水，6、初沉池，7、厭氧反應(yīng)裝置(UASB )，8、反應(yīng)器沉淀區(qū)，9、反應(yīng)器混合區(qū)，10、反應(yīng)器澄清區(qū)，11、進(jìn)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(yīng)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(shí)反應(yīng)器出水含磷量的比較。
【具體實(shí)施方式】
[0018]結(jié)合附圖1、2說(shuō)明如下:
[0019]實(shí)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(guò)程和反應(yīng)器(7)運(yùn)行同步進(jìn)行。制備改性硅酸鈣成品的時(shí)間大約在6h，厭氧反應(yīng)器最佳反應(yīng)時(shí)間(廢水停留時(shí)間)也在6h左右，整個(gè)制備過(guò)程操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)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(yīng)裝置為UASB反應(yīng)器(7)，反應(yīng)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(guò)程裝置包括:鈣源溶解池(I)、硅源溶解池(2)、混合反應(yīng)池(3)。其中，鈣源溶解池I的溶劑是水，溶劑體積為1L，溶質(zhì)是硝酸鈣，溶質(zhì)濃度為lmol/L，還含有占硝酸鈣質(zhì)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(zhì)是硅酸鈉，溶質(zhì)濃度為0.67mol/L。待兩個(gè)溶解池中溶質(zhì)完全溶解后，出水時(shí)間為lh，兩個(gè)溶解池中的溶液同時(shí)進(jìn)入到混合反應(yīng)池(3)中，保持混合反應(yīng)的時(shí)間為6h，反應(yīng)溫度為48.2°C、混合攪拌速度為150r/min。從混合反應(yīng)池中得出的粗改性硅酸鈣經(jīng)去離子水和無(wú)水乙醇先后洗滌過(guò)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(zhì)量的4-5%，攪拌溫度為45-50°C，強(qiáng)度為150r/min時(shí)，粒徑就可達(dá)到I μ m以下。
[0023]實(shí)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(jìn)入到厭氧反應(yīng)裝置UASB (7)，在反應(yīng)器中可以很清晰的將反應(yīng)區(qū)劃分為:澄清區(qū)(10)、混合區(qū)(9)和沉淀區(qū)(8)。當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水完成后3小時(shí)左右投加改性硅酸鈣，改性硅酸鈣的進(jìn)料口(11)設(shè)置在混合區(qū)(9)的上部，進(jìn)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(shí)其強(qiáng)的吸附性還可以吸附部分微生物，達(dá)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(yīng)器中磷去除率可達(dá)(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(dá)到負(fù)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(guò)排泥管排放到污泥濃縮池(15)進(jìn)行濃縮過(guò)濾，最后得到較干燥污泥(16)。
[0025]廢水經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)后達(dá)到澄清區(qū)(10)，此時(shí)的廢水出水磷含量為(0.2±0.I) mg/L，可達(dá)污水排放國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
[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(yīng)工藝的磷。
[0027]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)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(dòng)與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種改性硅酸鈣，含有鈣來(lái)源物質(zhì)30%-60%、硅來(lái)源物質(zhì)30%-60%、分散劑0.3%_6%、水 0%-30%，粒徑為 0.3-60 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，所述鈣來(lái)源物質(zhì)為硝酸鈣、氫氧化鈣或氯化鈣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，所述硅來(lái)源物質(zhì)為硅酸鈉、硅酸鉀、正硅酸四乙酯或正硅酸鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性硅酸鈣，其特征在于，所述分散劑為無(wú)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(zhì)質(zhì)量的1%_10%。
5.根據(jù)權(quán)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(quán)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(quán)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(zhì)和分散劑，使得鈣源物質(zhì)終濃度在lmol/L以內(nèi)，分散劑質(zhì)量為鈣源物質(zhì)質(zhì)量的1%-10%;(3)向硅源溶解池中加硅源物質(zhì)，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(zhì)完全溶解后，將兩溶解池中的溶液以相同速度進(jìn)入到混合反應(yīng)池中進(jìn)行混合反應(yīng)，混合反應(yīng)溫度為30-60°C，攪拌速度為100-250r/min，反應(yīng)時(shí)間為6h ；(5)將所得粗改性硅酸鈣用去離子水和無(wú)水乙醇先后洗滌過(guò)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(quán)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(zhì)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(gè)溶解池中溶質(zhì)完全溶解后，將兩個(gè)溶解池中的溶液同時(shí)進(jìn)入到混合反應(yīng)池中，出水時(shí)間為lh，混合反應(yīng)的反應(yīng)溫度為48.2°C，混合攪拌速度為150r/min，混合反應(yīng)時(shí)間為6h ;(3)將混合反應(yīng)池中得到的粗改性硅酸鈣用去離子水和無(wú)水乙醇先后洗滌過(guò)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(yīng)用權(quán)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(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，是在利用厭氧反應(yīng)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(yīng)裝置中的 pH 為 6.5-7.5。
【文檔編號(hào)】C02F1/28GK103599745SQ201310647958
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】嚴(yán)群, 田延威, 丁祖軍, 張勇 申請(qǐng)人:江南大學(xué)