一種輕質多孔生物陶粒及其制備方法和應用與流程
本發明涉及陶粒制備方法，特別是涉及利用回收固體廢棄物制作陶粒的制備方法。
背景技術：
近年來，世界能源資源日益緊缺，生物質材料利用越來越收到重視。我國是農業大國，而我國的水稻產量約占全國糧食總產量的1/2，擁有豐富的生物質材料，傳統的生物質處理方法是加工廠外運焚燒，這種處理方式會對大氣環境造成嚴重的污染，在生態環境惡化的現狀下必然被淘汰，國家出臺了農業廢棄物禁燒的政策就是最好的證明。能讓稻殼粉等生物質得到妥善處理的方法就是讓人們認識到生物質材料是可加工利用的資源能源，目前國內對生物質處理的方式主要包括制作畜禽飼料、制沼氣、制有機肥。這些方式對稻殼的利用率過低，而且難以推廣普及。
專利文獻CN 102225870 A公開凹凸棒土粘土多孔陶粒及其制備方法和用途，其是以凹凸棒土為主要原料，添加生物質、粘結劑等組分通過造粒煅燒工藝制得，該工藝方法主要存在以下不足：(1)所需粘結劑水玻璃本身就是工業原料，價格昂貴，而且添加量大，不僅消耗資源，極大程度上抬高了制作成本，其環保效應也大打折扣，不宜生物質陶粒的推廣應用；(2)所制陶粒表觀密度大，在作為微生物載體應用方面，要求高水力強度反沖洗，提升了運營成本，不宜生物質陶粒的推廣應用。
技術實現要素：
發明目的：為克服以上技術的不足，本發明提出一種制作成本低廉，表觀密度小，制備方法簡便，用途廣泛的輕質多孔生物陶粒及其制備方法和應用。
技術方案：為實現上述技術方案，本發明提出了一種輕質多孔生物陶粒，其包括粒芯和包衣，所述輕質多孔陶粒包括粒芯和覆于粒芯外的包衣，所述粒芯由生物質材料制備而成，所述包衣包含如下重量百分比的組分：凹凸棒土粉末60％～100％、生物質材料0％～40％，其中，所述陶粒的粒徑為7～9mm，粒芯的粒徑為3～4mm。
其中，所述的生物質材料為農業植物類廢棄物粉碎粉料。
優選地，所述的農業廢棄物材料為稻殼粉、核桃殼、板栗殼、秸稈和木屑中的任意一種。
所述的凹凸棒土為200～400目凹凸棒土。優選地，所述的凹凸棒土可以為市售的320目凹凸棒土，其組分質量百分比經送樣檢測結果如下：
本發明進一步提出了上述輕質多孔生物陶粒的制備方法，包含如下步驟：
(1)原料準備：
a.將粗細度達200目以上凹凸棒土粉料放于烘箱，烘干2小時以上得凹粉粉末；
b.將粗細度達100目以上生物質材料放于烘箱，烘干2小時以上得生物質材料粉末；
(2)攪拌：
將步驟(1)獲得的凹粉粉末、生物質材料粉末按配比混合，攪拌均勻，優選地，經過攪拌機攪拌0.5h以上，得到用于包衣的混合粉料；
(3)加水制粒：
A、將生物質材料投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，邊噴邊投，最終制成3～4mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱烘干，得到生物質粒芯；
B、將生物質粒芯投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，將步驟(2)得到的混合粉料投入造粒機，邊噴邊投，最終制成7～8mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱中烘干，得到未燒陶粒；
(4)煅燒：將未燒陶粒放置于馬弗爐里，在空氣氛圍中600℃～900℃煅燒0.5～3小時得到低密度、高孔隙率的輕質多孔生物陶粒。
優選地，步驟(3)中，烘干的條件為，在100℃～110℃條件下烘干2h以上。
其中，所述的生物質材料為農業植物類廢棄物粉碎粉料。
所述的農業廢棄物材料為稻殼粉、核桃殼、板栗殼、秸稈和木屑中的任意一種。
本發明進一步提出了輕質多孔生物陶粒在反硝化生物濾池中作為反硝化菌群的生物體載體中的應用。
有益效果：與已有技術相比，本發明有益效果體現在：
(1)本發明使用的凹凸棒土來自天然礦石，來源廣泛，價格低廉，拓展了凹凸棒土的應用；
(2)本發明使用的生物質都來自農業固體廢棄物，使固體廢棄物資源化，環保效益最大化，同時降低了陶粒的制作成本；
(3)本發明與已有陶粒發明技術相比表觀密度降低0.8g/cm3以上，可控制在1g/cm3以下，在作為微生物載體濾料的應用方面，降低了反沖洗水力條件要求，減少能耗，降低了運營成本，有利于輕質多孔生物陶粒的推廣應用；
(4)現有市場上出售的陶粒孔隙率在40％～50％之間，本發明在達到40N抗壓強度的前提上，孔隙率穩定在50％～60％，孔隙率得到了約10％的提升，有利于生物掛膜，增加顆粒掛膜微生物量，提升其作用效果。
附圖說明
圖1為本發明制備的輕質多孔生物陶粒的SEM照片，其中圖a、圖b是陶粒外表面的SEM照片，圖中陶粒空隙密集，空隙深度較深；
圖2為本發明制備的輕質多孔生物陶粒的稻殼粉粒芯，呈現黃褐色。
圖3為本發明制備的輕質多孔生物陶粒煅燒前和煅燒后的照片，顆粒在煅燒前呈現灰白色，在煅燒后呈現灰黑色。
具體實施方式
下面通過實施例進一步說明本發明。其中，下述實施例中使用的凹凸棒土為市售320目凹凸棒土，其組分質量百分比經送樣檢測結果如下：
實施例1：
(1)原料準備：
a.將市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小時以上得凹粉粉末；
b.將生物質材料過100目篩后，放于烘箱烘干2小時以上得生物質材料粉末；(2)攪拌：
將所述粉料按凹凸棒土∶木屑＝6∶4的質量百分比混合，經過攪拌機攪拌0.5h以上攪拌均勻。
(3)加水制粒：
1)將生物質材料投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，邊噴邊投，最終制成3～4mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到生物質粒芯；
2)將生物質粒芯投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，將混合粉料投入造粒機，邊噴邊投，最終制成7～8mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到未燒陶粒；
(4)煅燒：
將烘干陶粒放置于馬弗爐里，在空氣氛圍中850℃煅燒1.5小時得到凹凸棒土復合生物質材料陶粒。制備陶粒的平均抗壓強度為35.8N，平均孔隙率為59％，表觀密度為0.88g/cm3。
實施例2：
(1)原料準備：
a.將市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小時以上得凹粉粉末；
b.將生物質材料過100目篩后，放于烘箱烘干2小時以上得生物質材料粉末；
(2)攪拌：
將所述粉料按凹凸棒土∶稻殼粉＝7∶3的質量百分比混合，經過攪拌機攪拌0.5h以上攪拌均勻。
(3)加水制粒：
1)將生物質材料投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，邊噴邊投，最終制成3～4mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到生物質粒芯；
2)將生物質粒芯投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，將混合粉料投入造粒機，邊噴邊投，最終制成7～8mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到未燒陶粒；
(4)煅燒：
將烘干陶粒放置于馬弗爐里，在空氣氛圍中800℃煅燒1小時得到凹凸棒土復合生物質材料陶粒。制備陶粒的平均抗壓強度為48.6N，平均孔隙率為55.4％，表觀密度為0.95g/cm3。
實施例3：
(1)原料準備：
a.將市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小時以上得凹粉粉末；
b.將生物質材料過100目篩后，放于烘箱烘干2小時以上得生物質材料粉末；
(2)攪拌：
將所述粉料按凹凸棒土∶稻殼粉＝8∶2的質量百分比混合，經過攪拌機攪拌0.5h以上攪拌均勻。
(3)加水制粒：
1.將生物質材料投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，邊噴邊投，最終制成3～4mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到生物質粒芯；
2.將生物質粒芯投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，將混合粉料投入造粒機，邊噴邊投，最終制成7～8mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到未燒陶粒；
(4)煅燒：
將烘干陶粒放置于馬弗爐里，在空氣氛圍中800℃煅燒1小時得到凹凸棒土復合生物質材料陶粒。制備陶粒的平均抗壓強度為59N，平均孔隙率為51.3％，表觀密度為1.06g/cm3。
實施例4：
(1)原料準備：
a.將市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小時以上得凹粉粉末；
b.將生物質材料過100目篩后，放于烘箱烘干2小時以上得生物質材料粉末；
(2)攪拌：
將所述粉料按凹凸棒土∶稻殼粉＝9∶1的質量百分比混合，經過攪拌機攪拌0.5h以上攪拌均勻。
(3)加水制粒：
1)將生物質材料投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，邊噴邊投，最終制成3～4mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到生物質粒芯；
2)將生物質粒芯投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，將混合粉料投入造粒機，邊噴邊投，最終制成7～8mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到未燒陶粒；
(4)煅燒：
將烘干陶粒放置于馬弗爐里，在空氣氛圍中700℃煅燒3小時得到凹凸棒土復合生物質材料陶粒。制備陶粒的平均抗壓強度為48.7N，平均孔隙率為54.9％，表觀密度為1.16g/cm3。
實施例5：
(1)原料準備：
a.將市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小時以上得凹粉粉末；
b.將生物質材料過100目篩后，放于烘箱烘干2小時以上得生物質材料粉末；
(2)攪拌：
將所述粉料按凹凸棒土∶板栗殼粉＝7∶3的質量百分比混合，經過攪拌機攪拌0.5h以上攪拌均勻。
(3)加水制粒：
1)將生物質材料投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，邊噴邊投，最終制成3～4mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到生物質粒芯；
2)將生物質粒芯投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，將混合粉料投入造粒機，邊噴邊投，最終制成7～8mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到未燒陶粒；
(4)煅燒：
將烘干陶粒放置于馬弗爐里，在空氣氛圍中800℃煅燒2.5小時得到凹凸棒土復合生物質材料陶粒。制備陶粒的平均抗壓強度為50.3N，平均孔隙率為57％，表觀密度為0.98g/cm3。
實施例6：
(1)原料準備：
a.將市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小時以上得凹粉粉末；
b.將生物質材料過100目篩后，放于烘箱烘干2小時以上得生物質材料粉末；
(2)加水制粒：
1)將生物質材料投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，邊噴邊投，最終制成3～4mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到生物質粒芯；
2)將生物質粒芯投入造粒機，由噴霧器將水噴入造粒機，將100％凹凸棒粉投入造粒機，邊噴邊投，最終制成7～8mm圓球狀顆粒，隨后放置于烘箱，在100℃～110℃條件下烘干2h以上，得到未燒陶粒；
(3)煅燒：
將烘干陶粒放置于馬弗爐里，在空氣氛圍中600℃煅燒2.5小時得到凹凸棒土復合生物質材料陶粒。制備陶粒的平均抗壓強度為43.4N，平均孔隙率為52.3％，表觀密度為1.28g/cm3。
實施例7：
取實施例2里面制備得到的陶粒作為輕質多孔生物陶粒作為反硝化反應器1號中的微生物載體，采用常州市生產的一種在售陶粒(孔隙率為40％～45％)作為反硝化反應器2號中的微生物載體作為對照組。考察對比兩種陶粒的掛膜時間和處理NO3--N、NO2--N的去除效率。
試驗地點在河海大學實驗室，試驗采用人工接種，接種取自江寧開發區污水廠二沉池。分第一階段悶曝：將原水與接種污泥按照7∶3的比例混合注入濾柱，保證濾料層以上水位30mm，以20ml/s的曝氣量連續悶曝24h，悶曝結束后將濾柱中一半的污水排出，并再次注入新鮮污水，此階段運行6天。
第二階段連續進水：將排空濾柱，停止曝氣，進水配水水質：COD 120mg/L，NH3-N 5mg/L，NO3--N 15mg/L，NO2--N0.3mg/L，兩濾柱以2.4m/h的濾速連續進水。1號反應器連續運行12天后，進水NO3--N和NO2--N總和平均約為15mg/L，反應器出水NO3--N和NO2--N總和平均約為3.2mg/L，反硝化對NO3--N和NO2--N總去除率穩定在78.6％左右；2號反應器連續運行14天后，尾水進水與1號反應器相同，反應器出水NO3--N和NO2--N總和平均為4.6mg/L，對NO3--N和NO2--N總去除率穩定在69.3％左右，說明本發明負載的微生物繁殖較為迅速，且根據孔隙率較2號反應器陶粒高9.3％，反硝化效果處理效率較好。
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