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陶粒滤料在水处理中的应用
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陶粒滤料在水处理中的应用

2021-08-25      阅读:
随着曝气生物滤池的发展,对其核心部分—陶粒滤料的研究越来越多。本文从陶粒滤料的特性、制备机 理、工艺、原料等方面综述了水处理用陶粒滤料的研究现状,重点介绍了以粉煤灰、污泥和尾矿等固体废弃物为主要原料 的新型huan保陶粒滤料以及低能耗的免烧陶粒滤料,总结了传统陶粒滤料和新型节能huan保陶粒滤料的特点、存在的问题及 发展方向。

曝气生物滤池是上世纪 80 年代末兴起的一种新 型高效生物膜法污水处理工艺。其核心是: 在滤池生 物反应器内装填提供微生物膜生长的高比表面积颗粒 滤料载体,污水中的you机物与滤料表面生物膜通过生 化反应得到降解( 其原理示意如图 1) 。滤料作为曝气 生物滤池的核心部分直接影响该工艺的运行和处理效 果[1]。
传统滤料主要有: ( 1) 石英砂、火山岩等无机滤 料,其比表面积低,挂膜少; ( 2) 玻璃钢、聚苯乙烯等有 机滤料,其表面光滑,生物膜附着力差,易老化,且价格 昂贵[2]。陶粒滤料是以硅铝质原料为成陶组分,添加 适量粘结剂和外加剂,经配料混合、造粒成球、焙烧而 成,按原料组成可分为: 黏土陶粒滤料、页岩陶粒滤料、粉煤灰陶粒滤料和污泥陶粒滤料等; 按制备工艺可分 为,烧结陶粒滤料和免烧陶粒滤料。相比于传统滤料, 陶粒滤料具有多微孔、比表面积高、挂膜性能好和截污 能力强等优点,而且原材料价廉易得[3,4]。因此研究 发展高效价廉的陶粒滤料对于曝气生物滤池污水处理 工艺的推广与应用具有重要意义。

曝气生物滤池原理示意图
1 陶粒滤料的烧结机理 
陶粒滤料烧结机理的研究主要包括原材料的化学组成、焙烧过程中的物理化学反应和烧结膨胀模式三 个方面。
1. 1 原材料化学组成的影响
陶粒滤料焙烧到一定温度( 一般大于 950℃) [5],生 料球熔融产生液相。Riley[6]最早提出了烧成陶粒适宜 液相粘度化学组成范围: SiO2 为 53% ~ 79% ,Al2 O3 为 10% ~ 25% ,其他氧化物助熔剂为 13% ~ 26% ,这也成 为陶粒滤料焙烧化学成分范围的一个借鉴。G. R. Xu 等[7]研究表明( Fe2 O3 + CaO + MgO) /( SiO + Al2 O3 ) 的 质量比在 0. 275 ~ 0. 45 之间时,陶粒表面粗糙多孔,但 是强度低。J. L. Zou 等[8]研究表明 CaO 质量分数在 5%~ 7% 时陶粒能形成更多的无定形相,有较高的孔隙率, 因为过多的 Ca2 + 会破坏硅网络结构的呈电中性。所以在陶粒滤料配料时应计算好各原材料化学组成的含量, 哪些成分不足可以额外添加。
1. 2 焙烧过程中的物理化学反应
在焙烧过程中,整个生料球会进行复杂的固相及 液相反应形成晶体矿物和玻璃体,包括 SiO2 、Al2 O3 及 其他碱性氧化物的成陶反应,这也是陶粒滤料强度形 成的来源。但是硅铝质熔点较高,其含量过高会导致 烧结温度升高。其他还包括一系列的产气反应,气体 从液相熔融物料中逸出,形成微细气孔,这是陶粒滤料 形成高比表面积的主要原因,其平均微孔孔径在几十 微米左右[9,10]。产气反应主要包括[11]: ①you机质的氧 化与干馏; ②碳酸盐的分解; ③硫化物的分解和氧化; ④氧 化 铁 的 还 原。产 生 的 气 体 主 要 为 CO、CO2 和 SO2 等。
1. 3 烧结和膨胀模式 
近几年提出的陶粒烧胀模式[12] ( 原理示意如图2) ,即早期动态平衡和后期静态平衡模式: 液相形成 的早期其表面张力较小,内部产生的气体压力大,气体 处于逸出与液相yi制逸出的动态过程,总体来说在此 阶段陶粒滤料内部形成微气孔较多; 随着温度的升高,液相不断增多,表面张力急剧变大,气体难以逸出,从 而产生膨胀,也就是所说的静态平衡模式。因此从陶 粒滤料的性能要求来看,在保证陶粒滤料具有一定机 械强度的前提下,焙烧过程中应尽量延长早期动态平 衡时间,缩短后期静态平衡时间。
陶粒滤料产气过程示意图
2 陶粒滤料研究现状
在陶粒发明和应用之初,它主要作为轻质骨料用 于轻质墙材和混凝土等建材领域,随着人们对陶粒的 认识更加深入,陶粒作为水处理滤料的应用越来越广 泛,对于陶粒滤料的研究也越来越多。陶粒滤料与传 统建筑陶粒的主要区别在于,陶粒滤料开气孔较多,比 表面积高,而且烧结温度较低,但它们的整体工艺过程 是相似的。陶粒滤料的制备工艺流程如图 3,实际生 产中大多采用圆盘造粒机成型、以工业回转窑或烧结机进行焙烧。
陶粒滤料制备工艺流程
图 3 陶粒滤料制备工艺流程[15 - 19] 
2. 1 早期陶粒滤料
我国早在上世纪 80 年代就有对陶粒滤料的研究。 姚雨霖等[13]将页岩陶粒破碎作为滤料与石英砂组成 双层滤料滤池,产水量比一般砂滤池高 2 ~ 3 倍,并得 到陶粒滤料的有效粒径为 1. 04mm。90 年代初周春生 等[14]人研究表明采用陶粒滤料柱反应器对微污染水 源水进行预处理,效果较好,并指出其净化性能主要是 由陶粒滤料稳定的生物膜体系及其进行生物氧化分解 的活性微生物数量决定的。早期的这些滤料均以页岩 等建筑陶粒破碎、筛分而来,呈片状或碎石状,虽然比 表面积较高,挂膜性能好,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应用。
2. 2 传统陶粒滤料
上世纪 90 年代末至本世纪初,人们开始以粘土和 页岩为主要原料研制球形陶粒滤料,因为粘土和页岩 不仅有较好的粘结性能,而且易于膨胀和烧结,各方面 性能优良,因此发展迅速。朱乐辉等[15]人以tian然陶土 为主要原料,掺加适量的化工原料,生产出一种较理想 的球形轻质陶粒滤料。代文双[16]以粘土为主要原料,将粘土和其他原料分别磨至细度为 200 目筛,加水成 球,在 1140℃ 至 1170℃ 烧结,研制出了轻质球形水处 理陶粒滤料。李国昌等[17]人以tian然页岩为原料,以圆 盘成球机成球制备出性能优异的球形陶粒滤料,研究 表明焙烧制度对陶粒滤料性能影响较大,焙烧温度大 于 1100℃ 时陶粒滤料的孔径适合作为微生物膜的载 体。传统轻质球形粘土和页岩陶粒滤料的特点是: 强 度大、比表面积高、挂膜性能好,克服了片状滤料水流 阻力大、易堵塞和反冲洗能耗高的缺点。目前传统的 粘土和页岩陶粒滤料已得到广泛应用,但是其原料主 要为粘土和页岩等自然资源,大量开采会破坏sheng态环 境,不符合huan保要求,而且guo家已明令禁止开采土地,近年来传统陶粒滤料的发展已经举步维艰。 
2. 3 新型节能huan保型陶粒滤料
随着guo家huan保要求的提高以及不断完善的固体废 弃物资源化利用鼓励政策,近年来以粉煤灰、煤矸石、污泥等硅铝质固体废弃物作为主要原料的新型节能环 保型陶粒滤料逐渐成为研究热点,其中以燃煤副产物 粉煤灰陶粒滤料的研究较多,此外关于免烧陶粒滤料 的研究也陆续展开。与传统陶粒滤料相比,新型陶粒 滤料不仅具有节能huan保、性能优异等特点,而且原材料 成本大幅降低,发展前景广阔。
( 1) 粉煤灰陶粒滤料 
因为粉煤灰本身除含有大量硅铝质成分,还含有部分碱性氧化物助熔成分和固定碳、氧化铁等产气成 分,因而它是制备陶粒滤料比较理想的原料。粉煤灰 陶粒滤料的特点是比表面积高,耐腐蚀,强度高,但是 由于其粘聚性较差,掺量过高会导致成球困难。王健 等[18]人以粉煤灰为主要原料、粘土为粘结剂,采用有 机添加剂造孔的方法,成功开发出轻质多孔球形陶粒 滤料,与传统陶粒滤料相比具有比表面积大、表面粗糙 易挂膜和视密度小等优点。蒋丽等[19]人以粉煤灰、膨 润土、生石灰和水玻璃以 10: 7: 2: 1( 质量比) 的比例,经加水造粒成球、焙烧,在 1150℃ 条件下烧结 45min 得到粉煤灰陶粒滤料,研究表明在 PH 为 6. 0 时对磷 酸盐除效果zui佳。代亚辉[20]以粉煤灰、5% 煤矸石 为原料,在 1050℃ 下保温 10min,得到粉煤灰陶粒滤 料,实验证明该滤料作为微生物载体时对 COD、NH3 - N 和 SS 的除效果较好。陈珏[21]通过对粉煤灰陶粒滤料的系统发现,烧成温度和粉煤灰用量是影响 粉煤灰陶粒滤料的主要因素,当粉煤灰掺量为 90% 时,zui佳烧成温度为( 1150 ± 25) ℃ 。
( 2) 其他固体废弃物陶粒滤料 
各类工业固体废弃物如煤矸石、赤泥、铁尾矿等,成分不一,使用固体废弃物制备陶粒滤料时,根据固体 废弃物的化学组成,确定是否需要添加硅质、铝质或产 气成分。其特点是原料来源广泛,但是性能不稳地,需 要添加其他的补充成分,不利于降低成本。另外污泥 陶粒滤料生产过程中会产生大量的异味气体,huan保要 求较高。王德民等[22]人以某低硅铁尾矿为主要原料 制备出了尾矿添加量达 77% 的多孔陶粒滤料,经曝气 生物滤柱处理生活污水试验表明: COD、NH4 + - N 和 TN 的除 率 均 较 高。李 国 昌 等[9] 人 以 煤 矸 石 为 原 料,分别采用快升温或慢升温焙烧得到陶粒滤料,结果 表明: 制品的气孔率随焙烧温度的升高由小变大,又逐 渐降低,各种陶粒滤料均性能优良。潘嘉芬等[23]人以生产氧化铝排放的废渣赤泥为主要原料,制备的陶粒滤料满足行业要求,并且对含溶解油废水的处理效率 为砂粒的 3 倍。徐振华等[24]人以河道底泥和脱水污 泥为主要原料制备陶粒滤料,研究表明提高升温速率 有利于提高陶粒滤料比表面积。杨稔等[25]人研究了 煤泥烧制陶粒滤料的制备工艺,并对其膨胀机理进行 了探讨,制备出了高比表面积的陶粒滤料。
( 3) 免烧陶粒滤料 
免烧陶粒滤料的优势是不需要焙烧,依靠添加胶
凝材料( 如水泥、石膏等) 经养护得到成品,大幅降低 生产能耗。但是缺点是密度较高,强度低,需要长时间 养护,生产周期长。其制备工艺如图 4。于衍真等[26] 人以水渣、水泥为主要原料,硫酸钠、氯化钠等为成孔 剂,经混合搅拌成型、在一定温度湿度下养护,得到水 渣陶粒滤料,且经水处理实验证明,COD、浊度和氨氮 的除率较高。刘宝河等[27] 人以硅酸盐水泥、粉煤 灰、粘土和氧化钙为主要原料,水固比为 0. 55,采用铝 粉发气,经高温蒸养制备出了 TBX 多孔陶粒滤料,且 其对废水的除磷效果非常优异。彭位华等[28]人以小 麦秸秆和粉煤灰为主要原料,辅以水泥、石灰、等外加 剂,经混合、成球、陈化和养护,制得免烧秸秆 - 粉煤灰 陶粒滤料,其作为曝气生物滤池载体填料时出水水质 良好。
免烧陶粒滤料的制备工艺
3 存在的问题及发展方向 
陶粒滤料从最初的片状到轻质多孔球状,解决了片状陶粒滤料水流阻力大、易堵塞、耐磨性差的缺点; 从传统的页岩、粘土陶粒滤料到以粉煤灰、赤泥和煤矸 石等固体废弃物为主要原料的陶粒滤料,不仅性能优 良、更加huan保,而且成本大幅降低,免烧陶粒滤料的发 展亦能大幅降低陶粒滤料的生产能耗。陶粒滤料的制 备与应用技术已经取得了较大的发展,未来的发展方 向必然是以节能huan保型陶粒滤料为主。但是在其发展 过程中,还需要解决以下问题:
( 1) 陶粒滤料烧结机理的系统研究;
( 2) 陶粒滤料成球性差的问题;
( 3) 制备固体废弃物陶粒滤料时,还是以黏土为主要粘结剂,需要寻找替代粘结剂,提高固体废弃物的 掺量;
( 4) 免烧陶粒滤料密度高、强度低和生产周期长 的问题;
( 5) 新型节能huan保陶粒滤料的实际推广应用; 
( 6) 需要制定相应的guo家标准规范生产。

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