一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖及其制备方法与流程

1.本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国城镇化建设的快速发展，市政污水排放总量也在急剧增加，这意味着市政污水排放标准不发生改变的情况下，进入河流、湖泊等天然水体中的污染物总量也在迅速增加，这给河流、湖泊等水生生态环境的自净能力造成巨大的压力，很有可能造成污染物的过量累积并且导致生态环境的破坏。对此，众多地区将新建或改建的污水处理厂污染物排放标准从一级b提升至一级a(《城镇污水处理厂污水污泥排放标准》gb 18918-2002)，对环境品质要求较高以及对污染排放要求严苛的地区甚至将污水排放标准从一级a提升至ⅳ类水体标准(《地表水环境质量标准》(gb 3838-2002))，这无疑对城镇污水处理厂的处理工艺提出了更高的要求。
3.反硝化深床滤池作为一种深度处理工艺，目前已广泛应用于新建市政污水处理厂以及已有市政污水处理厂的提标改造中。实际应用中，其一般作为氧化沟工艺、ao、a2o等二级生化工艺的深度处理工艺，能够进一步削减二级生化出水中的cod、ss、tn和tp的浓度。运行数据表明，经反硝化深床滤池深度处理后的出水水质通常可稳定达到一级a标准。特别地，在春季、秋季气温比较适宜的季节，其稳定运行的出水水质甚至可达到地表ⅳ类水标准。
4.作为反硝化深床滤池功能性结构之一的滤砖，其主要功能为：
①
以尽可能小的水头削减收集过滤水，实现滤床滤料和出水的分离；
②
具备较好的防堵塞性能，减少反冲洗频率；
③
作为滤床滤料的承托层，承受整个滤床滤料和滤池水体的重力荷载；
④
滤池反冲洗时均匀布水布气，有效降低或避免反冲洗死区(即反冲洗水、气无法充分作用的部位)。目前市场常见的用于反硝化深床滤池的滤砖一般为hdpe材质或陶土材质，其在执行滤砖主要功能时不错的表现。但是hdpe材质的滤砖本质上是一种塑料材质，承压能力弱，实际应用中一般通过添加凸起横隔板的构造(类似于加强筋)以及加厚砖体的方式来提高砖体承压能力，制造工艺复杂，用料多，成本较高。而陶土材质的滤砖是通过黏土高温烧制的，能耗较大，成本较高。并且无论是hdpe材质还是陶土材质的滤砖，其布水孔隙均为后期加工构造，无法形成理想的均匀密集的连通孔隙，布水均匀性仍不能达到最佳状态。额外加工布水孔洞同时也增加了滤砖制造工艺的复杂性和制造成本。
5.我国在大步推进城市化和基础设施建设的进程中产生了大量的工程建设废料，如混凝土碎块、碎砖、废弃石料等。目前，我国每年的工程建设废料产生量超过5亿吨，并呈现持续上升的趋势，工程建设废料的产生量占人类活动产生垃圾总量的40％以上。因此，我国每年在处理处置这些工程建设废料上花费巨大。同时，在低碳经济、绿色经济的社会发展模式下，人们在追求经济利益的同时也更加注重废弃物的资源化回收利用。因此，研究如何合理利用这些工程建设废料，使得这些废料得以资源化利用、变废为宝，具有很大的经济价值
和社会意义。此前关于工程建设废料的研究及工程应用案例中，利用工程建设废料制造城市排水路面及基层的研究及工程应用案例有较多的报道。报道内容揭示了利用工程建设废料建设的城市排水路面具有承载力高、排水性能好、水稳定性好和环境友好等优点，这些特质与反硝化深床滤池中对滤砖性能的要求高度的吻合，因而研发出一种利用工程建设废料制造的再生滤砖具有较高的可行性，为此，我们提出了一种用于反硝化深床滤池的再生滤及其制备方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中存上述背景技术中提到的缺点，而提出的一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖及其制备方法。相比于目前传统的hdpe材质或陶土材质的滤砖，本发明提供的再生滤砖具有原材料成本低、制造工艺简单、制造成本低、强度高、过流断面大、过流阻力小、布水布气均匀性好、不易堵塞和环境友好的优点。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.设计一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖，该再生滤砖采用工程建筑废料通过加气水泥砂浆粘结固化制成，所述工程建筑废料的体积和加气水泥砂浆的堆积体积之间的比例为：2～3:10。
9.所述工程建筑废料至少包括混凝土碎块、碎砖、废弃石料和陶土碎片中一种或几种以任意比例的组合。
10.所述加气水泥砂浆的原料包括水泥干粉、建筑河砂、加气铝粉外加剂和水，加气水泥砂浆的用量是基于同时保证再生滤砖连通孔隙率和粘结固化后强度符合滤砖使用要求的选择，过大的水泥砂浆用量会大量占据原材料堆积形成的连通孔隙，造成滤砖的连通孔隙率下降。而过小的水泥砂浆用量会造成原材料粒料间的粘结力不足，滤砖强度达不到使用要求。
11.其中，所述浆水泥干粉与建筑河砂的堆积体积之间的比例为1:1～1.5，所述加气铝粉外加剂的投加量控制在350～400g/m3水泥砂浆堆积体积；
12.所述加气水泥砂浆中水的添加量应保证最终搅拌完成的水泥砂浆的坍落度为80～110mm，介于塑性和流动性之间，坍落度较小的水泥砂浆，其粘结力好而流动性较差，混合料搅拌完成后水泥砂浆容易均匀的包裹住原材料粒料表面并形成一定的厚度的水泥砂浆层，浇筑时可以有效地粘结相邻的原材料粒料，保证了粘结固化后滤砖的结构强度。
13.进一步的，所述再生滤砖长度有1.2m和1.5m两个规格，宽度有0.6m、0.9m和1.2m三种规格，高度为0.3m，滤砖过滤层厚度为40mm。
14.进一步的，所述再生滤砖的底部设有倒置等腰梯形的底脚，再生滤砖内部直角弯设置有腋角，滤砖横向和纵向接缝部位设有阶梯以及斜面的构造。
15.进一步的，所述加气水泥砂浆还包括速凝剂，确保水泥砂浆的初凝时间不超过15min，水泥砂浆较差的流动性以及速凝剂的使用，使得浇筑后水泥砂浆不容易在重力的作用下堆积在滤砖的下部，从而保证了再生滤砖的连通孔隙分布的均匀性以及总的连通孔隙率符合使用要求。
16.进一步的，所述工程建筑废料的材料粒径在6mm～8mm之间，过大粒径材料应破碎，过小粒径材料应筛除，原材料应具有良好的水稳定性，其能够承受水的长期浸泡和至少5m/
s流速的水流冲击而不发生软化或剥落，抗压强度不低于20mpa，并且应具有良好的化学惰性，不发生化学溶解。研究表明，滤砖的过水阻力一般与其连通孔隙率正相关。这里的连通孔隙率指的是贯穿整个滤砖内外结构的孔隙的孔隙率，区别于封闭孔隙率，后者对提高滤砖的过水性能没有帮助的无效孔隙率。再生滤砖原材料中的工程废料是构造再生滤砖结构连通孔隙的最重要因素，其粒径的选择是在连通孔隙率和均匀布水布气性能间综合考虑的结果。其粒径过小会造成再生滤砖连通孔隙率的下降，从而导致过水阻力的增加，这会直接反映在反冲洗频率和反冲洗能耗的增加上。粒径过大则会导致再生滤砖孔隙大小和分布的不均匀性增加，反冲洗水气会从局部大孔隙处集中泄出，降低了反冲洗时布水布气的均匀性。
17.进一步的，所述建筑河砂应洁净，粒径为8～16目。
18.进一步的，所述水泥干粉采用不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。再生滤砖原材料及其粘结固化材料强度达标保证了滤砖的强度符合其功能要求，即能够安全承受其上部滤料和水体的自重压力以及反冲洗水和气的冲击力。材料的水稳定性和化学惰性保证了其使用寿命符合使用要求，一般情况下，滤砖能够维持10～15年的结构完整和正常使用。
19.与现有的技术相比，采用本技术方案的一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖，有益效果在于：
20.(1)、本发明的再生滤砖的原材料采用混凝土碎块、碎砖、废弃石料和陶土碎片等工程建筑废料(不包括粘结固化材料)，相比于传统的hdpe材质的滤砖，其原材料的成本更低，并且实现了废弃物的资源化利用，具有环境友好的特点。并且工程建筑废料天然具有比hdpe材质更高的承压性能，因而滤砖层厚可以减薄，对于滤砖抗压构造的需求降低，这降低了原材料的用量和制造工艺的复杂性，从而进一步降低了生产成本。相比于采用高温烧制的陶土材质的滤砖，其原材料的成本仍然较低，并且其采用了加气水泥砂浆进行粘结固化，相比于高温烧制固化的陶土材质的滤砖，其能耗更低，相应的制造成本也更低。
21.(2)、本发明的原材料在加气混凝土粘结固化作用下形成了再生滤砖的密布于滤砖表面连通孔隙，相比于传统滤砖后期加工而成的分散孔隙结构，本发明的再生过流断面更大、过流阻力更小、布水布气均匀性更接近于理想的程度，并且通过实验研究得出再生滤砖内部高达58％的连通孔隙率为截留的ss预留很大的空间，ss不易占据过流孔道，因而再生滤砖堵塞的周期更长。相比于传统滤砖，本技术的再生滤砖的这些特质意味着更低的反冲洗频率和反冲洗时更低的能耗。
22.本发明还提出了一种用于所述反硝化深床滤池的再生滤砖的制备方法，包括如下步骤：
23.步骤一、按照堆积体积比例取水泥干粉、建筑黄砂与工程建筑废料搅拌均匀。
24.步骤二、按照堆积体积比例持续均匀喷射铝粉和速凝剂并搅拌均匀。
25.步骤三、持续均匀加入适量的水并搅拌均匀形成浆料，最终搅拌完成的水泥砂浆的坍落度为80～110mm。
26.步骤四、将步骤三搅拌完成的水泥砂浆入模浇筑形成再生滤砖胚。
27.步骤五、再生滤砖胚在模具内完成初凝和终凝。
28.步骤六、待再生滤砖胚完成终凝后去除模具，再进行带模养护和拆模养护两个阶
段，其中，带模养护时间应保证拆模时滤砖的结构棱角不发生损坏、不出现裂缝且强度不低于2.5mpa；拆模后养护时间应保证滤砖强度不低于设计强度的80％。
29.步骤七、养护完成后置于阴凉干燥处，完成水泥砂浆最后的强度增长。
30.步骤八、在步骤七完成后，对再生滤砖进行检测，完全达到设计抗压强度的滤砖方可投入使用。
31.进一步的，所述步骤八中，检测内容包括再生滤砖外观的裂缝、结构完整性的检查和抗压强度试验，抗压强度不低于20mpa。
32.与现有的技术相比，采用本技术方案的一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖的制备方法，有益效果在于：
33.(1)、本发明再生滤砖的原材料均为工程建设废料，相比于hdpe材质的滤砖，其原料成本低，并且实现了废弃物的资源化回收利用，具有环境友好，同时，降低了原材料的用量和制造工艺的复杂性，相比于陶土滤砖采用高温烧结固化的方式，再生滤砖固化采用了加气水泥砂浆粘结固化的方式，其能耗更低。
34.(2)、本发明加气水泥砂浆作为构造再生滤砖结构连通孔隙率的另一个因素，可以有效的抵消作为粘结固化材料的水泥砂浆部分填充滤砖原材料孔隙造成的连通孔隙率损失，加气水泥砂浆是在水泥砂浆的搅拌阶段加入铝粉，随后在水泥砂浆由塑流状态转化为固体状态的过程中(初凝)产生大量的气泡，增加了水泥砂浆材料本身的孔隙率。实验研究表明，采用普通水泥砂浆，粘结固化后的滤砖相比于用钢丝网包裹原材料形成的滤砖，其连通孔隙率下降率超过20％。而采用加气水泥砂浆粘结固化后的再生滤砖相比于用钢丝网包裹原材料形成的滤砖，其连通孔隙率下降率一般小于5％。可见加气水泥砂浆有效地降低了由于粘结固化材料的使用造成的滤砖连通孔隙率的损失。
35.(3)、本发明的养护工艺能够保证滤砖结构的完整性，不易出现裂缝和棱角剥落和成品强度，可有效保证再生滤砖的结构性能和工作性能。
附图说明
36.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
37.图1是本发明的ⅰ型再生滤砖顶面构造图；
38.图2是本发明的ⅰ型再生滤砖横向构造图；
39.图3是本发明的ⅱ型再生滤砖顶面构造图；
40.图4是本发明的ⅱ型再生滤砖横向构造图；
41.图5是本发明的ⅲ型再生滤砖顶面构造图；
42.图6是本发明的ⅲ型再生滤砖横向构造图；
43.图7是本发明中关于ⅰ型再生滤砖纵向构造图；
44.图8是图7中关于e处的放大结构示意图；
45.图9是图7中关于f处的放大结构示意图；
46.图中标记为：1、底脚；2、腋角；3、阶梯；4、斜面。
具体实施方式
47.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
48.现结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。所描述的实施例仅针对ⅰ型再生滤砖，其宽为0.6m，宽为0.9m的ⅱ型和宽为1.2m的ⅲ型再生滤砖是为了减少施工安装接缝而拓宽ⅰ型滤砖横向构造的结果，其制造方法与ⅰ型滤砖并无区别，因而这里不加赘述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例。
49.实施例1
50.参见图1、7-9所示，一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖，再生滤砖的原材料采用质量比为15％的废弃石料、25％的碎砖和60％混凝土碎块，利用粉碎和过筛的方式控制原材料的粒径在6mm左右。水泥砂浆配合比中水泥干粉与建筑河砂的堆积体积比例为1:1.5，加气水泥砂浆中加气铝粉外加剂的投加量为350g/m3的水泥砂浆堆积体积。用于搅拌的加气水泥砂浆与被固结的工程建设废料的堆积体积的比例为2:10。通过试验确定了水泥砂浆坍落度为90mm时的搅拌水用量和水泥砂浆初凝时间为14min的速凝剂添加量。按照以制备方法的程序制作再生滤砖：水泥干粉、建筑黄砂与工程建设废料搅拌均匀
→
持续均匀喷射铝粉和速凝剂并搅拌均匀
→
持续均匀加水并搅拌均匀
→
出料
→
入模浇筑
→
初凝、终凝
→
带模养护
→
拆模养护
→
检测。再生滤砖带膜养护时间为5天，再生滤砖拆模后养护时间为16天。再生滤砖养护完成后置于阴凉干燥处存放了10天，完成水泥砂浆最后的强度增长，然后检测其外观和抗压性能。检验合格的再生滤砖投入后续的深床滤池中试试验。制成的再生滤砖尺寸为1.2m
×
0.6m
×
0.3m，再生滤砖厚度为40mm。再生滤砖接缝处内部直角弯腋脚2的直角边长度为40mm，再生滤砖其它内部直角弯腋脚2的直角边长度为20mm。滤砖横向和纵向接缝处构造制作成阶梯3构造以及斜面4构造，斜面4的水平倾斜角为45
°
。再生滤砖底脚1为倒置等腰梯形，高40mm，斜边水平倾角为75
°
。试验的滤池有效水深1.5，滤料层厚度为0.8m，滤池内部平面尺寸为7.3m
×
3.7m，池底混凝土基层预留有嵌入再生滤砖底脚1的凹槽。滤砖安装数量为81块，安装总尺寸为7.2
×
3.6m，与池壁连接边缘预留10cm宽的安装偏差空间。再生滤砖安装前完成反冲洗布气管和布水管的安装。再生滤砖安装完成后再生滤砖间以及再生滤砖与池壁间的接缝进行密封处理。
51.对制造的再生滤砖的检测结果表明，再生滤砖的连通孔隙率为43％～51％。中试试验结果表明，在5l/(m2
·
s)和10l/(m2
·
s)的滤速条件下，介质为清水，再生滤砖的水头损失约为分别为0.4～0.6m以及1.1～1.4m。同时，针对布水布气均匀性的研究结果表明，以清水作为过流介质，在5l/(m2
·
s)和10l/(m2
·
s)的滤速条件下，1m2布水平面上选取的25个检测点的水流速度的标准差分别为4.8
×
10-4m/s和9.2
×
10-4m/s。以压缩空气作为过流介质，减去曝气点水压造成的曝气压力需求，达到30l/(m2
·
s)和60l/(m2
·
s)的曝气量所需的曝气压力分别为0.25bar和0.59bar。
52.实施例2
53.参见图1、7-9所示，一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖，再生滤砖的原材料采用质量比为30％的废弃石料、30％的碎砖和40％混凝土碎块。其余再生滤砖制造材料的种类、配比、滤砖的制备方法及安装参数均与实施例1相同。
54.对制备的再生滤砖的检测结果表明，再生滤砖的连通孔隙率为45％～49％。中试
试验结果表明，在5l/(m2·
s)和10l/(m2·
s)的滤速条件下，介质为清水，再生滤砖的水头损失约为分别为0.4～0.6m以及1.1～1.4m。同时，针对布水布气均匀性的研究结果表明，以清水作为过流介质，在5l/(m2·
s)和10l/(m2·
s)的滤速条件下，1m2布水平面上选取的25个检测点的水流速度的标准差分别为4.4
×
10-4
m/s和8.9
×
10-4
m/s。以压缩空气作为过流介质，减去曝气点水压造成的曝气压力需求，达到30l/(m2·
s)和60l/(m2·
s)的曝气量所需的曝气压力分别为0.22bar和0.56bar。
55.实施例3
56.参见图1、7-9所示，一种用于反硝化深床滤池的再生滤砖，用于制造再生滤砖的原材料的粒径控制在8mm左右。再生滤砖制造材料的种类、配比、再生滤砖的制备方法及安装参数均与实施例1相同。
57.对制造的再生滤砖的检测结果表明，再生滤砖的连通孔隙率为52％～58％。中试试验结果表明，在5l/(m2·
s)和10l/(m2·
s)的滤速条件下，介质为清水，再生滤砖的水头损失约为分别为0.3～0.4m以及0.7～1.1m。同时，针对布水布气均匀性的研究结果表明，以清水作为过流介质，在5l/(m2·
s)和10l/(m2·
s)的滤速条件下，1m2布水平面上选取的25个检测点的水流速度的标准差分别为7.9
×
10-4
m/s和1.2
×
10-3
m/s。以压缩空气作为过流介质，减去曝气点水压造成的曝气压力需求，达到30l/(m2·
s)和60l/(m2·
s)的曝气量所需的曝气压力分别为0.15bar和0.32bar。
58.通过实施例1、2、3对再生滤砖连通孔隙率的检测以及中试试验，可以看出本发明制造的再生滤砖具有很高的连通孔隙率，这也解释了滤砖较小的过流阻力的原因。从实施例1和实施例2对比可以看出，不同种类的原材料配比对于滤砖连通孔隙率、过流阻力以及布水均匀性的影响很小，因而在滤砖的选材条件较为宽松。从实施例1和实施例3的对比可以看出，增大滤砖原材料的粒径，其连通孔隙率有一定程度的提高，过流阻力有较大程度的下降，但是其布水均匀性也呈现下降的趋势。因此，再生滤砖的原材料粒径应控制在合理的范围内，应兼顾过流阻力和布水均匀性的要求。
59.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。