本發(fā)明涉及污水過濾領(lǐng)域，尤其涉及一種改性過濾介質(zhì)及其制備方法和多介質(zhì)濾池。

背景技術(shù)：

1、目前，污水處理主要采用物理、化學(xué)和生物等多種方法相結(jié)合的工藝。物理處理方法包括沉淀、過濾等，用于去除污水中的懸浮物和大顆粒雜質(zhì)；化學(xué)處理方法如混凝、消毒等，用于去除污水中的溶解性污染物和殺滅病菌；生物處理方法則利用微生物的新陳代謝作用，將污水中的有機(jī)污染物分解為無害物質(zhì)。在這些處理過程中，過濾作為一種常用的物理處理手段，能夠進(jìn)一步去除污水中殘留的細(xì)小顆粒、懸浮物、膠體等雜質(zhì)，提高水質(zhì)的清澈度和透明度。

2、傳統(tǒng)的過濾介質(zhì)如石英砂、無煙煤等，其孔隙結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)相對固定，對污水中不同粒徑和性質(zhì)的污染物的過濾能力存在局限性。對于一些微小顆粒和溶解性污染物的去除效果不佳，導(dǎo)致出水水質(zhì)難以滿足更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，污水中的污染物種類繁多，包括有機(jī)物、重金屬離子等。現(xiàn)有的過濾介質(zhì)對這些污染物的吸附能力較弱，無法有效去除污水中的有害物質(zhì)，使得處理后的水仍可能存在一定的污染風(fēng)險。并且，在污水處理過程中，污水的酸堿度、溫度等條件可能會發(fā)生變化，一些過濾介質(zhì)在這種復(fù)雜的環(huán)境下容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)破壞或性能劣化。

3、國內(nèi)外學(xué)者和科研人員在污水處理用過濾介質(zhì)及多介質(zhì)濾池方面進(jìn)行了大量的研究和探索。在過濾介質(zhì)方面，研究主要集中在開發(fā)新型的過濾材料和對現(xiàn)有過濾介質(zhì)進(jìn)行改性處理。新型過濾材料如活性炭纖維、陶瓷膜等具有較高的過濾效率和吸附性能，但成本較高，應(yīng)用范圍受到一定限制。因此，現(xiàn)有技術(shù)雖然在污水處理用過濾介質(zhì)及多介質(zhì)濾池方面已經(jīng)取得了一些研究成果，但仍然存在許多問題亟待解決。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)用于過濾污水的過濾介質(zhì)的過濾能力較低，過濾容量較低以及自身穩(wěn)定性較差的缺陷，提供了一種改性過濾介質(zhì)及其制備方法和多介質(zhì)濾池用于克服以上缺陷。

2、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明首先提供了一種改性過濾介質(zhì)，

4、包括過濾基體以及負(fù)載在過濾基體表面的吸附層；

5、所述過濾基體的表面和/或內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)；

6、所述吸附層包括包覆在過濾基體表面的碳層以及分散在碳層中的二氧化硅顆粒以及金屬氧化物顆粒。

7、本技術(shù)中的改性過濾介質(zhì)其包含兩個部分即過濾基體以及負(fù)載在過濾基體表面的吸附層。其中，過濾基體的表面和?/?或內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)能夠增加過濾介質(zhì)與污水的接觸面積。這能夠使污水在過濾介質(zhì)中形成更復(fù)雜的流路，延長了污水中雜質(zhì)與過濾介質(zhì)的接觸時間，使得污水中的雜質(zhì)有更多的機(jī)會與過濾介質(zhì)相互作用，從而提高了對不同粒徑雜質(zhì)的捕獲概率，即提高了過濾效率。對于大顆粒雜質(zhì)，多孔結(jié)構(gòu)可起到物理攔截的作用，阻止它們通過過濾介質(zhì)。

8、此外，過濾基體的多孔結(jié)構(gòu)與吸附層的協(xié)同作用有助于減少堵塞現(xiàn)象。污水中的雜質(zhì)在通過過濾介質(zhì)時，不會集中在單一的層面上，而是在多孔結(jié)構(gòu)的基體和吸附層的不同位置被攔截和吸附。這種分散式的過濾和吸附機(jī)制使得雜質(zhì)不會快速堆積在某一處，從而降低了堵塞的風(fēng)險。

9、而吸附層中的碳層其同樣具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。因此，碳層的存在進(jìn)一步增加了整個過濾介質(zhì)的比表面積，使得對微小顆粒的吸附和攔截能力增強(qiáng)。污水中的微小顆粒，尤其是膠體顆粒和一些溶解性雜質(zhì)，能夠被碳層吸附在其表面或孔隙內(nèi)。另外，其高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)提供了大量的吸附位點，可通過物理吸附和化學(xué)吸附的方式去除污水中的有機(jī)污染物，如芳香族化合物、脂肪族化合物、酚類等。這些有機(jī)污染物分子可以通過范德華力、π-?π?相互作用等被吸附在碳層表面或孔隙內(nèi)。

10、另外，在本技術(shù)中，碳層中還分散有一定的二氧化硅顆粒和金屬氧化物顆粒，這些分散在碳層中的二氧化硅顆粒和金屬氧化物顆?？梢云鸬教畛浜蛢?yōu)化碳層孔隙結(jié)構(gòu)的作用。二氧化硅顆粒能夠增強(qiáng)吸附層的機(jī)械穩(wěn)定性，防止碳層在過濾過程中因水流沖擊或反沖洗等操作而被破壞。金屬氧化物顆粒（如鐵、鋁氧化物等）可以與污水中的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如，一些金屬氧化物表面具有羥基等活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)可以與重金屬離子（如汞、鎘、鉛等）形成化學(xué)鍵或配合物，從而將重金屬離子從污水中去除。此外，金屬氧化物還可以吸附一些陰離子污染物，通過靜電吸附等作用提高對污水中各種污染物的綜合吸附能力，使一些難以去除的溶解性污染物發(fā)生沉淀或吸附在其表面，從而提高過濾效果。

11、此外，碳層在一定程度上可以為過濾基體提供化學(xué)穩(wěn)定性保護(hù)。在污水的酸堿度、溫度等條件發(fā)生變化時，碳層能夠作為一種屏障，減少污水中的化學(xué)物質(zhì)對過濾基體的直接侵蝕。同時，碳層本身具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，在較寬的酸堿度范圍內(nèi)能夠保持結(jié)構(gòu)和性能的相對穩(wěn)定。而金屬氧化物顆粒在污水環(huán)境中也可以與污水中的酸性或堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而起到緩沖作用，防止過濾介質(zhì)整體受到過度的化學(xué)侵蝕。例如，一些堿性金屬氧化物可以中和污水中的酸性物質(zhì)，維持過濾介質(zhì)周圍的化學(xué)環(huán)境相對穩(wěn)定，從而保護(hù)過濾基體和吸附層的結(jié)構(gòu)完整性，延長過濾介質(zhì)的使用壽命。

12、作為優(yōu)選，所述碳層中還摻雜有氮原子。

13、本技術(shù)發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，單一的碳層結(jié)構(gòu)其在吸附過程中主要依靠其多孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對于污染物的吸附，在吸附后這些污染物仍然有一定的概率從碳層的表面解吸附。因此，本發(fā)明技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)若在碳層中引入一定量的氮原子后，這些氮原子的引入會在碳材料表面產(chǎn)生更多的活性位點，這些活性位點能夠與污染物分子發(fā)生更強(qiáng)的相互作用，從而提高對污水中各種污染物的吸附能力。例如，對于重金屬離子，氮原子可以通過與金屬離子形成配位鍵等方式將其吸附在過濾介質(zhì)表面；對于有機(jī)污染物，氮原子的孤對電子可以與有機(jī)分子中的電子云相互作用，增強(qiáng)對有機(jī)污染物的吸附。

14、此外，氮摻雜還可以提高碳層的表面潤濕性，而良好的潤濕性使得過濾介質(zhì)能夠更容易地與水相接觸，減少水相在過濾介質(zhì)表面的接觸角，從而使污水能夠更順暢地通過過濾介質(zhì)，提高過濾速度和過濾效果。同時，潤濕性的提高也有助于吸附層更好地分散在過濾基體表面，增強(qiáng)吸附層與過濾基體的結(jié)合力，提高過濾介質(zhì)的整體穩(wěn)定性。

15、作為優(yōu)選，所述金屬氧化物顆粒包括氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氧化銅中的任意一種或多種的組合。

16、本技術(shù)中選用的這些金屬氧化物都可以與水發(fā)生一定程度的反應(yīng)，同時它們的表面具有一定的活性位點，可以通過物理吸附的方式吸附污水中的污染物分子；另一方面，它們還可以通過化學(xué)吸附與污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將污染物固定在其表面。例如，氧化鋅可以吸附水中的有機(jī)污染物，由于其材料尺度小、在水溶液體系中分散性好等特點，投入較少的量即可顯著提高凈水效果。而氧化鎂與水反應(yīng)生成氫氧化鎂，氧化鋁在特定條件下也會與水有一定的相互作用。這種反應(yīng)活性使得它們在污水處理中能夠參與到一些化學(xué)反應(yīng)過程中，比如氧化鎂可以通過生成氫氧化鎂來去除污水中的氨氮，在氨氮廢水中，銨根離子（nh4+）與氫氧化鎂中的氫氧根離子（oh-）結(jié)合生成氨氣（nh3），在攪拌或曝氣的情況下，氨氮以氨氣的形式排出廢水，從而達(dá)到除去氨氮的目的。

17、作為優(yōu)選，所述金屬氧化物顆粒的粒徑為100nm-1μm。

18、作為優(yōu)選，所述過濾基體的粒徑為10μm-20mm。

19、作為優(yōu)選，所述過濾基體的形式為顆粒狀、纖維狀、片材狀中的任意一種或多種的組合。

20、作為優(yōu)選，所述過濾基體材質(zhì)為陶瓷、玻璃、石英、沸石、陶粒、頁巖陶粒、硅藻土中的任意一種或多種的組合。

21、第二方面，本發(fā)明還提供了一種用于制備所述的改性過濾介質(zhì)的方法，包括以下步驟：

22、（s.1）對過濾基體進(jìn)行腐蝕，從而在過濾基體表面和/或內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)；

23、（s.2）將步驟（s.1）中得到的過濾基體置于包含有聚合物前驅(qū)體、二氧化硅前驅(qū)體以及金屬氧化物前驅(qū)體溶液中，從而在過濾基體表面原位形成一層包含有二氧化硅顆粒以及金屬氧化物顆粒的聚合物，得到過濾介質(zhì)前驅(qū)體；

24、（s.3）將得到的過濾介質(zhì)前驅(qū)體進(jìn)行熱解，使得聚合物熱解形成碳層，即得所述改性過濾介質(zhì)。

25、本技術(shù)中的改性過濾介質(zhì)的制備方法其由三個步驟制備得到，其中在步驟（s.1）中通過腐蝕的方式在過濾基體表面和?/?或內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，這種方法能夠精準(zhǔn)地控制孔隙的大小和分布。相比于一些傳統(tǒng)的制備多孔結(jié)構(gòu)的方法，如簡單的物理混合等，腐蝕法可以更好地根據(jù)實際需要調(diào)整過濾基體的孔隙率。例如，可以通過控制腐蝕劑的濃度、腐蝕時間等參數(shù)，使過濾基體的孔隙大小適合攔截特定粒徑范圍的污染物，從而提高過濾介質(zhì)對不同大小顆粒雜質(zhì)的去除效率。而且，多孔結(jié)構(gòu)增加了過濾基體與污水的接觸面積，為后續(xù)的吸附和過濾過程提供了更多的作用位點，使得污水中的雜質(zhì)更容易被攔截和吸附在過濾基體上。

26、而在步驟（s.2）中，將過濾基體置于包含多種前驅(qū)體的溶液中，使聚合物、二氧化硅顆粒和金屬氧化物顆粒在過濾基體表面原位形成。這種原位形成的方式能夠確保這些成分均勻地分布在過濾基體表面。與傳統(tǒng)的先制備顆粒再進(jìn)行混合的方法相比，原位形成避免了顆粒在過濾介質(zhì)中的團(tuán)聚現(xiàn)象。因為團(tuán)聚后的顆粒會減少有效吸附位點，降低過濾介質(zhì)的性能。例如，原位形成的二氧化硅顆粒和金屬氧化物顆粒能夠以理想的分散狀態(tài)嵌入聚合物中，保證了它們在后續(xù)過濾過程中能夠充分發(fā)揮各自的吸附和化學(xué)反應(yīng)作用，有效去除污水中的各種污染物，如二氧化硅顆粒增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性，金屬氧化物顆粒吸附重金屬離子和參與化學(xué)反應(yīng)。同時，原位形成的聚合物能夠緊密地貼合在過濾基體表面，增強(qiáng)了整個過濾介質(zhì)前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)完整性，為后續(xù)的熱解過程提供了良好的基礎(chǔ)。

27、而在步驟（s.3）中熱解過程使聚合物轉(zhuǎn)化為碳層，這個過程具有多個優(yōu)點。首先，熱解可以將聚合物中的一些不穩(wěn)定的官能團(tuán)去除，留下具有高化學(xué)穩(wěn)定性的碳結(jié)構(gòu)。這種碳結(jié)構(gòu)不僅能夠提供良好的吸附性能，還能在一定程度上保護(hù)過濾基體免受污水中化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。其次，熱解過程能夠使碳層與過濾基體以及其中的二氧化硅顆粒和金屬氧化物顆粒之間形成更加牢固的結(jié)合。例如，在熱解過程中，可能會發(fā)生一些化學(xué)鍵的重組和相互作用，使得碳層與其他成分之間的界面結(jié)合更加緊密，從而提高了過濾介質(zhì)在使用過程中的穩(wěn)定性，減少了在水流沖擊和反沖洗等操作過程中成分脫落的風(fēng)險。而且，熱解形成的碳層能夠繼承聚合物前驅(qū)體的均勻分布特性，保證了整個碳層在過濾基體表面的均勻性，進(jìn)一步提高了過濾介質(zhì)的吸附和過濾性能。

28、作為優(yōu)選，所述步驟（s.2）中聚合物前驅(qū)體包括多巴胺、單寧酸、聚乙烯吡咯烷酮、葡萄糖中的一種或多種的組合；

29、所述二氧化硅前驅(qū)體為四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷中的任意一種；

30、所述金屬氧化物前驅(qū)體為鋁鹽、鎂鹽、鋅鹽、銅鹽中的任意一種。

31、第三方面，本發(fā)明還提供了一種多介質(zhì)濾池，其填充有如上任意一項所述的改性過濾介質(zhì)。

32、作為優(yōu)選，所述多介質(zhì)濾池從上至下依次包括初過濾層、細(xì)過濾層以及精過濾層；

33、所述初過濾層中包含有直徑大于20mm的天然礦物濾材；

34、所述細(xì)過濾層中包含有粒徑為1mm-20mm的顆粒狀過濾介質(zhì)；

35、所述精過濾層中包含有直徑為10μm?-20μm的纖維狀過濾介質(zhì)。

36、因此，本發(fā)明具有以下有益效果：

37、（1）本技術(shù)通過對過濾介質(zhì)進(jìn)行表面改性，有效提升了污水在過濾介質(zhì)中的流動路徑以及接觸時間，從而提高了過濾效率；

38、（2）通過設(shè)置在過濾介質(zhì)表面的碳層，進(jìn)一步增加了整個過濾介質(zhì)的比表面積，使得對微小顆粒的吸附和攔截能力增加；

39、（3）同時，碳層中還分散有一定的二氧化硅顆粒和金屬氧化物顆粒，這些分散在碳層中的二氧化硅顆粒和金屬氧化物顆?？梢云鸬教畛浜蛢?yōu)化碳層孔隙結(jié)構(gòu)的作用，提高對污水中各種污染物的綜合吸附能力。二氧化硅顆粒能夠增強(qiáng)吸附層的機(jī)械穩(wěn)定性，防止碳層在過濾過程中因水流沖擊或反沖洗等操作而被破壞。