申请日2019.02.18
公开(公告)日2019.05.21
IPC分类号C02F9/14; C02F3/10; C02F103/06
摘要
本发明提供一种用于处理垃圾渗滤液的填料基质及其制备方法和应用，所述填料基质在培养过程中，使培养基与材料充分混合，在培养过程中使功能微生物迅速附着在陶粒表面，通过多孔结构进入陶粒内部，进而快速富集功能微生物，利于后续高效去除污染物;所述填料基质中的陶粒可增加基质的骨架结构，有效避免滤床在工作过程中由于沉降与压实造成的堵塞现象，显著提高工作过程中的抗水力冲击能力。还提供一种滤床，运用所述填料基质能有效改善堵塞问题，可有效降低渗滤液的COD和氨氮。
权利要求书
1.一种用于处理垃圾渗滤液的填料基质，其特征在于，所述填料基质通过将矿化垃圾和陶粒混合后在硝化细菌培养基中培养制备得到;所述矿化垃圾中含有假黄单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、丛毛单胞菌科及生丝微菌科的微生物;所述矿化垃圾和陶粒的质量比为1：(3～7)。
2.根据权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的填料基质，其特征在于，所述矿化垃圾为在填埋场已经填埋5～40年，并剔除其中颗粒大于10mm的石子、碎玻璃、未完全降解的橡胶塑料以及木棒、纸类，含水率20～36%的矿化垃圾;所述矿化垃圾中假黄单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、丛毛单胞菌科及生丝微菌科的微生物丰度分别为12.73%、12.29%、8.82%及6.40%。
3.根据权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的填料基质，其特征在于，所述陶粒指粒径在6～13mm，其堆积密度为0.9-1.5g/cm3，孔隙率为0.3～0.7的陶粒;所述陶粒呈椭球型。
4.根据权利要求1所述的用于处理垃圾渗滤液的填料基质，其特征在于，所述填料基质的孔隙率为25～35%，堆积密度为0.9～1.5g/cm3;所述填料基质中黄单胞菌属、鞘脂菌属、丛毛单胞菌科及生丝微菌科的丰度分别为12.73～15.69%、12.29～15.52%、8.82～11.03%及6.40～9.95%。
5.一种权利要求1～4任一所述的用于处理垃圾渗滤液的填料基质的制备方法，其特征在于，所述填料基质制备过程如下：将矿化垃圾和陶粒混合后在避光条件下，于30～35℃下置于pH为7～8的硝化细菌培养基中浸泡搅拌90～150S，混匀;每隔两天，更换新鲜的硝化细菌培养基混匀，培养10天后，过滤，完成;所述硝化细菌培养基为：将硫酸铵100～300mg、碳酸氢钠20～40mg、磷酸氢二钾0.05～2g、硫酸镁100～300mg、硫酸铜0.1～2mg、硫酸锌0.3～3mg和水1L混合后，调pH为7～8，即得。
6.一种滤床，其特征在于，所述滤床包括由权利要求1～4任一所述填料基质构成的填料基质层。
7.根据权利要求6所述的滤床，其特征在于，所述滤床还包括布水管、承托层和排水管道;所述承托层设置在填料基质层下方;所述排水管道设置在所述承托层之间;所述排水管道上设置有收集孔。
8.根据权利要求7所述的滤床，其特征在于，所述承托层与填料基质层之间还设置有一层煤矸石层。
9.根据权利要求7所述的滤床，其特征在于，所述布水管与填料基质层之间还设置有一层氧化层;所述氧化层包括铁丝网、活性炭和棕垫层;所述铁丝网、活性炭包覆在棕垫层内;所述氧化层由所述铁丝网经过酸洗、水洗、晾干处理后与活性炭一起包覆在棕垫层内制备而成。
10.根据权利要求7所述的滤床，其特征在于，所述承托层包括碎石、卵石或砾石;
所述填料基质层厚度为滤床高度的0.4～0.9倍;
所述承托层的厚度为滤床高度的0.01～0.2倍。
说明书
用于处理垃圾 渗滤液的填料基质及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及有机废水处理技术领域，具体来说，涉及一种用于处理垃圾渗滤液的填料基质及其制备方法和应用。
背景技术
目前，我国垃圾处理的方法主要有卫生填埋、焚烧和堆肥等。其中以卫生填埋为主,但卫生填埋会产生二次污染——垃圾渗滤液。垃圾渗滤液浓度高，成分复杂、含有大量的“致癌、致畸、致突变”化合物和重金属等，若不妥善处理，会污染地下水、地表饮用水源，并对环境和人体造成极大危害。因此，填埋场渗滤液处理技术的开发，对于我国固体垃圾处理过程中防止二次污染，减少污染物排放，做到经济增长与环境保护协调发展，增强在对环保方面的支持与建设具有重大意义。
由于我国的垃圾渗滤液处理技术起步较晚，有很多问题需要学习和研究。目前普遍存在一些问题，主要有渗滤液的处理工艺相对复杂，运行的成本高，渗滤液处理的标准和规范不够完善，核心设备国产化率低，附属产物难以有效降解等。因此，急需开发出新型的垃圾渗滤液处理技术。
生物滤床法处理垃圾渗滤液具有低投资、低成本、低能耗、高效率、易操作、安全可靠等优势，越来越受到国内外的关注。但生物滤床也存在制约其广泛推广应用的限制条件，如启动时间长、处理不达标和易于堵塞等。
在微生物滤床中，硝化微生物群落可以从进入滤床的污水中自然进化。但对于新的滤床而言，这一过程耗时数月，并且会出现硝化过程不完整，出水中的亚硝氮不能达标排放等问题。因此，快速高效启动生物滤床并确保全程硝化就显得尤为重要。
传统的生物滤床常采用树皮、堆肥、木片、木炭等作为填料，但这类生物质来源的填料虽然具有生物亲和力强的优点，但随着运行时间的增加，会产生填料腐败、床体坍塌及堵塞，继而破坏传质效果。其中，堵塞现象尤为严重：在处理污水过程中，污染物被截留在填料孔隙中，随着生物滤床的运行，一方面，截留在填料孔隙中的污染物不断积累;另一方面，微生物数量在污染物这种天然“培养基”中不断加剧，使得填料的孔隙率逐渐降低而出现堵塞现象。堵塞之后的生物滤床，基质渗透系数急剧下降，影响污染物处理能力，使出水指标无法达到设计标准;此外，滤床表面长期积水不仅会缩短生物滤床寿命，还会引发恶臭，使运行环境恶化。传统的生物滤床堵塞问题的解决，只能靠人工或机械将填料取出，对滤床全面清洗。该方法需要大量的人工及设备投入，且在清洗过程中还会延误处理时间;此外，反复冲洗会破坏生物滤床中功能微生物的群落结构稳定性，对处理效果造成不可预知的结果。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种用于处理垃圾渗滤液的填料基质及其制备方法和应用，解决目前生化填料启动慢、处理效果不达标及填料床易堵塞的问题，可快速高效启动并强化处理垃圾渗滤液，实现垃圾渗滤液中多污染物的协同去除和深度净化，在低成本条件下取得良好的处理效果。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供一种用于处理垃圾渗滤液的填料基质，其通过将矿化垃圾和陶粒混合后在硝化细菌培养基中培养制备得到;
所述矿化垃圾中含有假黄单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、丛毛单胞菌科及生丝微菌科的微生物;
所述矿化垃圾和陶粒的质量比为1：(3～7)。
优选地，所述填料基质的孔隙率为25～35%，堆积密度为0.9～1.5g/cm3。优选地，所述孔隙率为30%，堆积密度为0.9～1.5g/cm3。优选地，所述填料基质中假黄单胞菌属Pseudoxanthomonas(所属黄单胞菌科Xanthomonadaceae)、鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas(所属鞘脂单胞菌科Sphingomonadaceae)、丛毛单胞菌科Comamonadaceae及生丝微菌科Hyphomicrobiaceae丰度分别为12.73～15.69%、12.29～15.52%、8.82～11.03%及6.40～9.95%。
进一步地，所述矿化垃圾为在填埋场已经填埋5～40年，并剔除其中颗粒大于10mm的石子、碎玻璃、未完全降解的橡胶塑料以及木棒、纸类等杂物后，含水率20～36%的矿化垃圾;优选地，所述矿化垃圾中假黄单胞菌属Pseudoxanthomonas(所属黄单胞菌科Xanthomonadaceae)、鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas(所属鞘脂单胞菌科Sphingomonadaceae)、丛毛单胞菌科Comamonadaceae及生丝微菌科Hyphomicrobiaceae丰度分别为12.73%、12.29%、8.82%及6.40%。
进一步地，所述陶粒可以是任意的陶粒，也可以指粒径在6～13mm，其堆积密度为0.9-1.5g/cm3，孔隙率为0.3～0.7的陶粒。所述陶粒呈椭球型。所述陶粒可以是通过将陶土粉、氧化硅、氧化钙或沸石等，与发泡剂、造孔剂、水混合后高温煅烧制备而成的;也可常规制备而成。
进一步地，所述培养过程如下：将矿化垃圾和陶粒混合后在避光条件下，于30～35℃下置于pH为7～8的硝化细菌培养基中浸泡搅拌90～150S，混匀;每隔两天，更换新鲜的硝化细菌培养基混匀，培养10天后，过滤，完成。
进一步地，所述硝化细菌培养基为：将硫酸铵100～300mg、碳酸氢钠20～40mg、磷酸氢二钾0.05～2g、硫酸镁100～300mg、硫酸铜0.1～2mg、硫酸锌0.3～3mg和水1L混合后，调pH为7～8，即得。
一方面，本发明提供一种用于处理垃圾渗滤液的填料基质的制备方法，如下：将矿化垃圾和陶粒混合后，在避光条件下，于30～35℃下置于pH为7～8的硝化细菌培养基中浸泡搅拌90～150S，混匀;每隔两天，更换新鲜的硝化细菌培养基混匀，培养10天后，过滤，制备完成。通过运用本发明的培养方法制备的填料基质，可实现如下效果：1、适量提高微生物丰度，2、使微生物附着于陶粒表面，陶粒的作用不仅仅是吸附和支撑，而在生物降解污染物方面也发挥作用。
另一方面，本发明还提供了一种滤床，所述滤床包括由上述填料基质构成的填料基质层。
进一步地，所述滤床还包括布水管、氧化层、承托层和排水管道;所述氧化层设置在布水管和填料基质层之间;所述承托层设置在填料基质层另一侧;所述排水管道设置在所述承托层之间;所述排水管道上设置有收集孔。优选地，布水管均匀分布在滤床表面，平行分布，其内径为20mm，两两布水管之间的间距为1m。排水管道均匀分布在承托层底部，平行分布，其内径为20cm，排水管两两之间的间距为1m。污染物的去除效果随着滤床高度的增加而增加，填料基质层高度在60-80mm间，处理效果达到最高值，氨氮去除率90%以上，COD去除率85%以上，当滤床高度超过1m时，处理效果达到稳定值。
进一步地，所述滤床还包括布水管、氧化层、通风管、承托层和排水管道;所述氧化层设置在布水管和填料基质层之间;所述承托层设置在填料基质层另一侧;所述排水管道设置在所述承托层之间;所述排水管道上设置有收集孔;所述通风管垂直间接分布于滤床内部;所述通风管上端高出滤床表面，下端通过填料基质层并延伸至承托层。优选地，布水管均匀分布在滤床表面，平行分布，其内径为20mm，两两布水管之间的间距为1m。通风管均匀分布在滤床内部，平行分布，其内径为10mm，表面有通风孔。排水管道均匀分布在承托层底部，平行分布，其内径为20cm，排水管两两之间的间距为1m。污染物的去除效果随着滤床高度的增加而增加，填料基质层高度在60-80mm间，处理效果达到最高值，氨氮去除率90%以上，COD去除率85%以上，当滤床高度超过1m时，处理效果达到稳定值。
进一步地，所述承托层与填料基质层之间还设置有一层煤矸石层。所述煤矸石层的煤矸石粒径在1～4mm。
进一步地，所述滤床还包括布水管、承托层和排水管道;所述承托层设置在填料基质层下方;所述排水管道设置在所述承托层之间;所述排水管道上设置有收集孔。
进一步地，所述布水管与填料基质层之间还设置有一层氧化层;所述氧化层包括铁丝网、活性炭和棕垫层;所述铁丝网、活性炭包覆在棕垫层内;所述氧化层由所述铁丝网经过酸洗、水洗、晾干处理后与活性炭一起包覆在棕垫层内制备而成。
优选地，所述酸洗采用稀盐酸去除铁锈即可。
优选地，所述承托层包括碎石、卵石或砾石等矿物质凝结物;所述承托层内的矿物质凝结物(碎石、卵石或砾石等)的粒径为1～5cm。
优选地，所述填料基质层厚度为滤床高度的0.4～0.9倍。
优选地，所述承托层的厚度为滤床高度的0.01～0.2倍。
优选的，所述滤床的高度为0.9m～1.5m;所述填料基质层的厚度为0.6m～1.0m;所述承托层的厚度为30～50mm;煤矸石层厚度为5～10mm;氧化层厚度为15～20cm。
优选地，污水处理量与滤床的面积比为1:1-3:1，高为0.9-1.5m，具体比例需根据污水处理工艺和污水浓度进行选择。
所述填料基质中假黄单胞菌属Pseudoxanthomonas(所属黄单胞菌科Xanthomonadaceae)、鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas(所属鞘脂单胞菌科Sphingomonadaceae)、丛毛单胞菌科Comamonadaceae(例如，土生丛毛单胞菌、水生丛毛单胞菌、睾丸酮丛毛单胞菌等)及生丝微菌科Hyphomicrobiaceae均具有较强的氨氧化功能，为后续垃圾渗滤液的处理提供良好基础，直接采用矿化垃圾与陶粒进行培养，免去复杂繁琐的接种、培养功能微生物的步骤，简单高效。
假黄单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、生丝微菌科可高效降解垃圾渗滤液中的有机质，净化垃圾渗滤液;
丛毛单胞菌科可有效降低垃圾渗滤液中的有机质，例如纤维素、氨氮有机物等;
丛毛单胞菌科及生丝微菌科可有效对垃圾渗滤液进行除臭等。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的一种用于处理垃圾渗滤液的填料基质及其制备方法，所述填料基质在培养过程中，使培养基与材料充分混合，在培养过程中使功能微生物迅速附着在陶粒表面，通过多孔结构进入陶粒内部，进而快速富集功能微生物，利于后续高效去除污染物;所述填料基质中的陶粒可增加基质的骨架结构，有效避免滤床在工作过程中由于沉降与压实造成的堵塞现象，显著提高工作过程中的抗水力冲击能力;填料基质中的微生物对污染物具有拦截和吸附作用，而且陶粒多孔带来的较大比表面积利于微生物的聚集和生物膜的形成，进而促进生物膜对污染物的降解代谢功能;填料基质由于陶粒的存在增大了复合填料的孔隙率，增加下水速度，在不改变处理水量的前提下，可通过增加滤床高度来减小占地面积。另外，填料基质中的矿化垃圾本身具有较大比表面积、松散结构、较好的水力传导和渗透性能，可利于渗滤液的处理。
(2)本发明提供一种包括用于处理垃圾渗滤液的填料基质的滤床，其具有填料基质层的优点，也有自己的优点;首先，氧化层中的铁与垃圾渗滤液中的一些污染物发生还原反应，可提高渗滤液的生物可降解性;随着铁的腐蚀氧化增强，渗滤液中的部分氨氮被氧化去除;氧化层中的棕垫可有效将渗滤液保留部分，进而与铁丝网充分接触，也可减少垃圾渗滤液对填料层的冲击;氧化层位于最上方，利于后续进行更换和添加，发生板结也利于翻挖和更新;其次，渗滤液进入填料基质层，其中的硝化细菌(假黄单胞属、鞘氨醇单胞菌属、丛毛单胞菌科及生丝微菌科)可直接与渗滤液中的氨氮发生硝化作用，也可与氧化层带入的亚铁离子结合下实现双重对氨氮、磷等进行去除，降低渗滤液的COD和氨氮;第三，煤矸石层的孔径多，可吸附从填料基质层中带出的微生物，可进一步进行生化处理，二次利用，效率高;第四，承托层可有效支撑整个滤床，利于后续处理好的水的排出。
(3)本发明所述的滤床在处理垃圾渗滤液时，启动快捷(功能微生物富集后可快速实现微生物的功能)，结构简单，便于施工，设备需求少，操作简单，运行稳定，维护费用低，这个过程无需添加化学试剂，避免二次污染，安全可靠，有效的改善生物滤床堵塞问题，延长运行寿命同时提高了实用性，氨氮去除率达到90%以上，COD去除率达到85%以上。
