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陶粒濾料在水處理中的應用
2021-08-25 閱讀：
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隨著曝氣生物濾池的發展，對其核心部分—陶粒濾料的研究越來越多。本文從陶粒濾料的特性、制備機 理、工藝、原料等方面綜述了水處理用陶粒濾料的研究現狀，重點介紹了以粉煤灰、污泥和尾礦等固體廢棄物為主要原料 的新型huan保陶粒濾料以及低能耗的免燒陶粒濾料，總結了傳統陶粒濾料和新型節能huan保陶粒濾料的特點、存在的問題及 發展方向。
曝氣生物濾池是上世紀 80 年代末興起的一種新 型高效生物膜法污水處理工藝。其核心是: 在濾池生 物反應器內裝填提供微生物膜生長的高比表面積顆粒 濾料載體，污水中的you機物與濾料表面生物膜通過生 化反應得到降解( 其原理示意如圖 1) 。濾料作為曝氣 生物濾池的核心部分直接影響該工藝的運行和處理效 果［1］。
傳統濾料主要有: ( 1) 石英砂、火山巖等無機濾 料，其比表面積低，掛膜少; ( 2) 玻璃鋼、聚苯乙烯等有 機濾料，其表面光滑，生物膜附著力差，易老化，且價格 昂貴［2］。陶粒濾料是以硅鋁質原料為成陶組分，添加 適量粘結劑和外加劑，經配料混合、造粒成球、焙燒而 成，按原料組成可分為: 黏土陶粒濾料、頁巖陶粒濾料、粉煤灰陶粒濾料和污泥陶粒濾料等; 按制備工藝可分 為，燒結陶粒濾料和免燒陶粒濾料。相比于傳統濾料， 陶粒濾料具有多微孔、比表面積高、掛膜性能好和截污 能力強等優點，而且原材料價廉易得［3，4］。因此研究 發展高效價廉的陶粒濾料對于曝氣生物濾池污水處理 工藝的推廣與應用具有重要意義。
傳統濾料主要有: ( 1) 石英砂、火山巖等無機濾 料，其比表面積低，掛膜少; ( 2) 玻璃鋼、聚苯乙烯等有 機濾料，其表面光滑，生物膜附著力差，易老化，且價格 昂貴［2］。陶粒濾料是以硅鋁質原料為成陶組分，添加 適量粘結劑和外加劑，經配料混合、造粒成球、焙燒而 成，按原料組成可分為: 黏土陶粒濾料、頁巖陶粒濾料、粉煤灰陶粒濾料和污泥陶粒濾料等; 按制備工藝可分 為，燒結陶粒濾料和免燒陶粒濾料。相比于傳統濾料， 陶粒濾料具有多微孔、比表面積高、掛膜性能好和截污 能力強等優點，而且原材料價廉易得［3，4］。因此研究 發展高效價廉的陶粒濾料對于曝氣生物濾池污水處理 工藝的推廣與應用具有重要意義。
1 陶粒濾料的燒結機理
陶粒濾料燒結機理的研究主要包括原材料的化學組成、焙燒過程中的物理化學反應和燒結膨脹模式三 個方面。
1． 1 原材料化學組成的影響
陶粒濾料焙燒到一定溫度( 一般大于 950℃) ［5］，生 料球熔融產生液相。Ｒiley［6］最早提出了燒成陶粒適宜 液相粘度化學組成范圍: SiO2 為 53% ～ 79% ，Al2 O3 為 10% ～ 25% ，其他氧化物助熔劑為 13% ～ 26% ，這也成 為陶粒濾料焙燒化學成分范圍的一個借鑒。G． Ｒ． Xu 等［7］研究表明( Fe2 O3 + CaO + MgO) /( SiO + Al2 O3 ) 的 質量比在 0． 275 ～ 0． 45 之間時，陶粒表面粗糙多孔，但 是強度低。J． L． Zou 等［8］研究表明 CaO 質量分數在 5%～ 7% 時陶粒能形成更多的無定形相，有較高的孔隙率， 因為過多的 Ca2 + 會破壞硅網絡結構的呈電中性。所以在陶粒濾料配料時應計算好各原材料化學組成的含量， 哪些成分不足可以額外添加。
1． 2 焙燒過程中的物理化學反應
在焙燒過程中，整個生料球會進行復雜的固相及 液相反應形成晶體礦物和玻璃體，包括 SiO2 、Al2 O3 及 其他堿性氧化物的成陶反應，這也是陶粒濾料強度形 成的來源。但是硅鋁質熔點較高，其含量過高會導致 燒結溫度升高。其他還包括一系列的產氣反應，氣體 從液相熔融物料中逸出，形成微細氣孔，這是陶粒濾料 形成高比表面積的主要原因，其平均微孔孔徑在幾十 微米左右［9，10］。產氣反應主要包括［11］: ①you機質的氧 化與干餾; ②碳酸鹽的分解; ③硫化物的分解和氧化; ④氧 化 鐵 的 還 原。產 生 的 氣 體 主 要 為 CO、CO2 和 SO2 等。
1． 3 燒結和膨脹模式
近幾年提出的陶粒燒脹模式［12］ ( 原理示意如圖2) ，即早期動態平衡和后期靜態平衡模式: 液相形成 的早期其表面張力較小，內部產生的氣體壓力大，氣體 處于逸出與液相yi制逸出的動態過程，總體來說在此 階段陶粒濾料內部形成微氣孔較多; 隨著溫度的升高，液相不斷增多，表面張力急劇變大，氣體難以逸出，從 而產生膨脹，也就是所說的靜態平衡模式。因此從陶 粒濾料的性能要求來看，在保證陶粒濾料具有一定機 械強度的前提下，焙燒過程中應盡量延長早期動態平 衡時間，縮短后期靜態平衡時間。
2 陶粒濾料研究現狀
在陶粒發明和應用之初，它主要作為輕質骨料用 于輕質墻材和混凝土等建材領域，隨著人們對陶粒的 認識更加深入，陶粒作為水處理濾料的應用越來越廣 泛，對于陶粒濾料的研究也越來越多。陶粒濾料與傳 統建筑陶粒的主要區別在于，陶粒濾料開氣孔較多，比 表面積高，而且燒結溫度較低，但它們的整體工藝過程 是相似的。陶粒濾料的制備工藝流程如圖 3，實際生 產中大多采用圓盤造粒機成型、以工業回轉窯或燒結機進行焙燒。
圖 3 陶粒濾料制備工藝流程［15 － 19］
2． 1 早期陶粒濾料
我國早在上世紀 80 年代就有對陶粒濾料的研究。 姚雨霖等［13］將頁巖陶粒破碎作為濾料與石英砂組成 雙層濾料濾池，產水量比一般砂濾池高 2 ～ 3 倍，并得 到陶粒濾料的有效粒徑為 1． 04mm。90 年代初周春生 等［14］人研究表明采用陶粒濾料柱反應器對微污染水 源水進行預處理，效果較好，并指出其凈化性能主要是 由陶粒濾料穩定的生物膜體系及其進行生物氧化分解 的活性微生物數量決定的。早期的這些濾料均以頁巖 等建筑陶粒破碎、篩分而來，呈片狀或碎石狀，雖然比 表面積較高，掛膜性能好，但是其水流阻力大、容易堵 塞、耐磨性差，很大程度上限制了它的應用。
2． 2 傳統陶粒濾料
上世紀 90 年代末至本世紀初，人們開始以粘土和 頁巖為主要原料研制球形陶粒濾料，因為粘土和頁巖 不僅有較好的粘結性能，而且易于膨脹和燒結，各方面 性能優良，因此發展迅速。朱樂輝等［15］人以tian然陶土 為主要原料，摻加適量的化工原料，生產出一種較理想 的球形輕質陶粒濾料。代文雙［16］以粘土為主要原料，將粘土和其他原料分別磨至細度為 200 目篩，加水成 球，在 1140℃ 至 1170℃ 燒結，研制出了輕質球形水處 理陶粒濾料。李國昌等［17］人以tian然頁巖為原料，以圓 盤成球機成球制備出性能優異的球形陶粒濾料，研究 表明焙燒制度對陶粒濾料性能影響較大，焙燒溫度大 于 1100℃ 時陶粒濾料的孔徑適合作為微生物膜的載 體。傳統輕質球形粘土和頁巖陶粒濾料的特點是: 強 度大、比表面積高、掛膜性能好，克服了片狀濾料水流 阻力大、易堵塞和反沖洗能耗高的缺點。目前傳統的 粘土和頁巖陶粒濾料已得到廣泛應用，但是其原料主 要為粘土和頁巖等自然資源，大量開采會破壞sheng態環 境，不符合huan保要求，而且guo家已明令禁止開采土地，近年來傳統陶粒濾料的發展已經舉步維艱。
2． 3 新型節能huan保型陶粒濾料
隨著guo家huan保要求的提高以及不斷完善的固體廢 棄物資源化利用鼓勵政策，近年來以粉煤灰、煤矸石、污泥等硅鋁質固體廢棄物作為主要原料的新型節能環 保型陶粒濾料逐漸成為研究熱點，其中以燃煤副產物 粉煤灰陶粒濾料的研究較多，此外關于免燒陶粒濾料 的研究也陸續展開。與傳統陶粒濾料相比，新型陶粒 濾料不僅具有節能huan保、性能優異等特點，而且原材料 成本大幅降低，發展前景廣闊。
( 1) 粉煤灰陶粒濾料
因為粉煤灰本身除含有大量硅鋁質成分，還含有部分堿性氧化物助熔成分和固定碳、氧化鐵等產氣成 分，因而它是制備陶粒濾料比較理想的原料。粉煤灰 陶粒濾料的特點是比表面積高，耐腐蝕，強度高，但是 由于其粘聚性較差，摻量過高會導致成球困難。王健 等［18］人以粉煤灰為主要原料、粘土為粘結劑，采用有 機添加劑造孔的方法，成功開發出輕質多孔球形陶粒 濾料，與傳統陶粒濾料相比具有比表面積大、表面粗糙 易掛膜和視密度小等優點。蔣麗等［19］人以粉煤灰、膨 潤土、生石灰和水玻璃以 10: 7: 2: 1( 質量比) 的比例，經加水造粒成球、焙燒，在 1150℃ 條件下燒結 45min 得到粉煤灰陶粒濾料，研究表明在 PH 為 6． 0 時對磷 酸鹽除效果zui佳。代亞輝［20］以粉煤灰、5% 煤矸石 為原料，在 1050℃ 下保溫 10min，得到粉煤灰陶粒濾 料，實驗證明該濾料作為微生物載體時對 COD、NH3 － N 和 SS 的除效果較好。陳玨［21］通過對粉煤灰陶粒濾料的系統發現，燒成溫度和粉煤灰用量是影響 粉煤灰陶粒濾料的主要因素，當粉煤灰摻量為 90% 時，zui佳燒成溫度為( 1150 ± 25) ℃ 。
( 2) 其他固體廢棄物陶粒濾料
各類工業固體廢棄物如煤矸石、赤泥、鐵尾礦等，成分不一，使用固體廢棄物制備陶粒濾料時，根據固體 廢棄物的化學組成，確定是否需要添加硅質、鋁質或產 氣成分。其特點是原料來源廣泛，但是性能不穩地，需 要添加其他的補充成分，不利于降低成本。另外污泥 陶粒濾料生產過程中會產生大量的異味氣體，huan保要 求較高。王德民等［22］人以某低硅鐵尾礦為主要原料 制備出了尾礦添加量達 77% 的多孔陶粒濾料，經曝氣 生物濾柱處理生活污水試驗表明: COD、NH4 + － N 和 TN 的除 率 均 較 高。李 國 昌 等［9］ 人 以 煤 矸 石 為 原 料，分別采用快升溫或慢升溫焙燒得到陶粒濾料，結果 表明: 制品的氣孔率隨焙燒溫度的升高由小變大，又逐 漸降低，各種陶粒濾料均性能優良。潘嘉芬等［23］人以生產氧化鋁排放的廢渣赤泥為主要原料，制備的陶粒濾料滿足行業要求，并且對含溶解油廢水的處理效率 為砂粒的 3 倍。徐振華等［24］人以河道底泥和脫水污 泥為主要原料制備陶粒濾料，研究表明提高升溫速率 有利于提高陶粒濾料比表面積。楊稔等［25］人研究了 煤泥燒制陶粒濾料的制備工藝，并對其膨脹機理進行 了探討，制備出了高比表面積的陶粒濾料。
( 3) 免燒陶粒濾料
免燒陶粒濾料的優勢是不需要焙燒，依靠添加膠
凝材料( 如水泥、石膏等) 經養護得到成品，大幅降低 生產能耗。但是缺點是密度較高，強度低，需要長時間 養護，生產周期長。其制備工藝如圖 4。于衍真等［26］ 人以水渣、水泥為主要原料，硫酸鈉、氯化鈉等為成孔 劑，經混合攪拌成型、在一定溫度濕度下養護，得到水 渣陶粒濾料，且經水處理實驗證明，COD、濁度和氨氮 的除率較高。劉寶河等［27］ 人以硅酸鹽水泥、粉煤 灰、粘土和氧化鈣為主要原料，水固比為 0． 55，采用鋁 粉發氣，經高溫蒸養制備出了 TBX 多孔陶粒濾料，且 其對廢水的除磷效果非常優異。彭位華等［28］人以小 麥秸稈和粉煤灰為主要原料，輔以水泥、石灰、等外加 劑，經混合、成球、陳化和養護，制得免燒秸稈 － 粉煤灰 陶粒濾料，其作為曝氣生物濾池載體填料時出水水質 良好。
3 存在的問題及發展方向
陶粒濾料從最初的片狀到輕質多孔球狀，解決了片狀陶粒濾料水流阻力大、易堵塞、耐磨性差的缺點; 從傳統的頁巖、粘土陶粒濾料到以粉煤灰、赤泥和煤矸 石等固體廢棄物為主要原料的陶粒濾料，不僅性能優 良、更加huan保，而且成本大幅降低，免燒陶粒濾料的發 展亦能大幅降低陶粒濾料的生產能耗。陶粒濾料的制 備與應用技術已經取得了較大的發展，未來的發展方 向必然是以節能huan保型陶粒濾料為主。但是在其發展 過程中，還需要解決以下問題:
( 1) 陶粒濾料燒結機理的系統研究;
( 2) 陶粒濾料成球性差的問題;
( 3) 制備固體廢棄物陶粒濾料時，還是以黏土為主要粘結劑，需要尋找替代粘結劑，提高固體廢棄物的 摻量;
( 4) 免燒陶粒濾料密度高、強度低和生產周期長 的問題;
( 5) 新型節能huan保陶粒濾料的實際推廣應用;
( 6) 需要制定相應的guo家標準規范生產。
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