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水處理用陶粒濾料的研究現(xiàn)狀

時(shí)間:2021/07/02點(diǎn)擊:

摘要:隨著曝氣生物濾池的發(fā)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(jī)理、工藝、原料等方面綜述了水處理用陶粒濾料的研究現(xiàn)狀,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環(huán)保陶粒濾料以及低能耗的免燒陶粒濾料,總結(jié)了傳統(tǒng)陶粒濾料和新型節(jié)能環(huán)保陶粒濾料的特點(diǎn)、存在的問題及發(fā)展方向。

曝氣生物濾池是上世紀(jì)80年代末興起的一種新型生物膜法污水處理工藝。其核心是:在濾池生物反應(yīng)器內(nèi)裝填提供微生物膜生長的高比表面積顆粒濾料載體,,污水中的有機(jī)物與濾料表面生物膜通過生化反應(yīng)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(yùn)行和處理效果。

水處理用陶粒濾料的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)濾料主要有:

(1)石英砂、火山巖等無機(jī)濾料,其比表面積低,掛膜少;

(2)玻璃鋼、聚苯乙烯等有機(jī)濾料,其表面光滑,生物膜附著力差,易老化,且價(jià)格昂貴。

陶粒濾料是以硅鋁質(zhì)原料為成陶組分,添加適量粘結(jié)劑和外加劑,經(jīng)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(jié)陶粒濾料和免燒陶粒濾料。相比于傳統(tǒng)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),而且原材料價(jià)廉易得。因此研究發(fā)展價(jià)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(yīng)用具有重要意義。

1 陶粒濾料的燒結(jié)機(jī)理

陶粒濾料燒結(jié)機(jī)理的研究主要包括原材料的化學(xué)組成、焙燒過程中的物理化學(xué)反應(yīng)和燒結(jié)膨脹模式三個(gè)方面。

1.1 原材料化學(xué)組成的影響

陶粒濾料焙燒到一定溫度(一般大于950℃),生料球熔融產(chǎn)生液相。燒成陶粒適宜液相粘度化學(xué)組成范圍:SiO2為53%~79%,Al2O3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(xué)成分范圍的一個(gè)借鑒。研究表明(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO+Al2O3)的質(zhì)量比在0.275~0.45之間時(shí),陶粒表面粗糙多孔,但是強(qiáng)度低。CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%~7%時(shí)陶粒能形成更多的無定形相,有較高的孔隙率,因?yàn)檫^多的Ca2+會破壞硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的呈電中性。所以在陶粒濾料配料時(shí)應(yīng)計(jì)算好各原材料化學(xué)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(xué)反應(yīng)

在焙燒過程中,整個(gè)生料球會進(jìn)行復(fù)雜的固相及液相反應(yīng)形成晶體礦物和玻璃體,包括SiO2、Al2O3及其他堿性氧化物的成陶反應(yīng),這也是陶粒濾料強(qiáng)度形成的來源。但是硅鋁質(zhì)熔點(diǎn)較高,其含量過高會導(dǎo)致燒結(jié)溫度升高。其他還包括一系列的產(chǎn)氣反應(yīng),氣體從液相熔融物料中逸出,形成微細(xì)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。

產(chǎn)氣反應(yīng)主要包括:

① 有機(jī)質(zhì)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(chǎn)生的氣體主要為CO、CO2和SO2等。

1.3 燒結(jié)和膨脹模式

近幾年提出的陶粒燒脹模式(原理示意如圖2),即早期動(dòng)態(tài)平衡和后期靜態(tài)平衡模式:液相形成的早期其表面張力較小,內(nèi)部產(chǎn)生的氣體壓力大,氣體處于逸出與液相逸出的動(dòng)態(tài)過程,總體來說在此階段陶粒濾料內(nèi)部形成微氣孔較多;隨著溫度的升高,液相不斷增多,表面張力急劇增加,氣體難以逸出,從而產(chǎn)生膨脹,也就是所說的靜態(tài)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(jī)械強(qiáng)度的前提下,焙燒過程中應(yīng)盡量延長早期動(dòng)態(tài)平衡時(shí)間,縮短后期靜態(tài)平衡時(shí)間。

水處理用陶粒濾料的研究現(xiàn)狀

2 陶粒濾料研究現(xiàn)狀

在陶粒發(fā)明和應(yīng)用之初,它主要作為輕質(zhì)骨料用于輕質(zhì)墻材和混凝土等建材領(lǐng)域,隨著人們對陶粒的認(rèn)識更加深人,陶粒作為水處理濾料的應(yīng)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(tǒng)建筑陶粒的主要區(qū)別在于,陶粒濾料開氣孔較多,比表面積高,而且燒結(jié)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(shí)際生產(chǎn)中大多采用圓盤造粒機(jī)成型、以工業(yè)回轉(zhuǎn)窯或燒結(jié)機(jī)進(jìn)行焙燒。

水處理用陶粒濾料的研究現(xiàn)狀

2.1 早期陶粒濾料

我國早在上世紀(jì)80年代就有對陶粒濾料的研究。將頁巖陶粒破碎作為濾料與石英砂組成雙層濾料濾池,產(chǎn)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,研究表明采用陶粒濾料柱反應(yīng)器對微污染水源水進(jìn)行預(yù)處理,效果較好,并指出其凈化性能主要是由陶粒濾料穩(wěn)定的生物膜體系及其進(jìn)行生物氧化分解的活性微生物數(shù)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、容易堵寨、耐磨性差,很大程度上限制了它的應(yīng)用。

2.2 傳統(tǒng)陶粒濾料

上世紀(jì)90年代末至本世紀(jì)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?yàn)檎惩梁晚搸r不僅有較好的粘結(jié)性能,而且易于膨脹和燒結(jié),各方面性能優(yōu)良,因此發(fā)展迅速。比如:

① 以天然陶土為主要原料,摻加適量的化工原料,生產(chǎn)出一種較理想的球形輕質(zhì)陶粒濾料。

② 以粘土為主要原料,將粘土和其他原料分別磨至細(xì)度為200目篩,加水成球,在1140至1170℃燒結(jié),研制出了輕質(zhì)球形水處理陶粒濾料。

③ 以天然頁巖為原料,以圓盤成球機(jī)成球制備出性能優(yōu)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(shí)陶粒濾料的孔徑適合作為微生物膜的載體。傳統(tǒng)輕質(zhì)球形粘土和頁巖陶粒濾料的特點(diǎn)是:強(qiáng)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(diǎn)。目前傳統(tǒng)的粘土和頁巖陶粒濾料已得到廣泛應(yīng)用,但是其原料主要為粘土和頁巖等自然資源,大量開采會破壞環(huán)境,不符合環(huán)保要求,而且國家已明令禁止開采土地,近年來傳統(tǒng)陶粒濾料的發(fā)展已經(jīng)舉步維艱。

2.3 新型節(jié)能環(huán)保型陶粒濾料

隨著國家環(huán)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(lì)政策,近年來以粉煤灰、煤矸石、污泥等硅鋁質(zhì)固體廢棄物作為主要原料的新型節(jié)能環(huán)保型陶粒濾料逐漸成為研究熱點(diǎn),其中以燃煤副產(chǎn)物粉煤灰陶粒濾料的研究較多,此外關(guān)于免燒陶粒濾料的研究也陸續(xù)展開。與傳統(tǒng)陶粒濾料相比,新型陶粒濾料不僅具有節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)異等特點(diǎn),而且原材料成本大幅降低,發(fā)展前景廣闊。

(1) 粉煤灰陶粒濾料

因?yàn)榉勖夯冶旧沓写罅抗桎X質(zhì)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(chǎn)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(diǎn)是比表面積高耐腐蝕,強(qiáng)度高,但是由于其粘聚性較差,摻量過高會導(dǎo)致成球困難。比如:

① 以粉煤灰為主要原料、粘土為粘結(jié)劑,采用有機(jī)添加劑造孔的方法,成功開發(fā)出輕質(zhì)多孔球形陶粒濾料,與傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)。

② 以粉煤灰、膨潤土、生石灰和水玻璃以10:7:2:1(質(zhì)量比)的比例,經(jīng)加水造粒成球、焙燒,在1150℃條件下燒結(jié)45min得到粉煤灰陶粒濾料,研究表明在pH為6.0時(shí)對磷酸鹽去除效果較佳。

③ 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(shí)驗(yàn)證明該濾料作為微生物載體時(shí)對COD、NH3-N和SS的去除效果較好。

通過對粉煤灰陶粒濾料的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),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(dāng)粉煤灰摻量為90%時(shí),較佳燒成溫度為(1150+25)℃。

(2) 其他固體廢棄物陶粒濾料

各類工業(yè)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(shí),根據(jù)固體廢棄物的化學(xué)組成,確定是否需要添加硅質(zhì)、鋁質(zhì)或產(chǎn)氣成分。其特點(diǎn)是原料來源廣泛,但是性能不穩(wěn)地,需要添加其他的補(bǔ)充成分,不利于降低成本。另外污泥陶粒濾料生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的異味氣體,環(huán)保要求較高。比如:

① 以某低硅鐵尾礦為主要原料制備出尾礦添加量達(dá)77%的多孔陶粒濾料,經(jīng)曝氣生物濾柱處理生活污水試驗(yàn)表明:COD、NH4+-N和TN的去除率均較高。

② 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(jié)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(yōu)良。

③ 以生產(chǎn)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(yè)要求,并且對含溶解油廢水的處理效率為砂粒的3倍。

④ 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。

波濤凈水研究了煤泥燒制陶粒濾料的制備工藝,并對其膨脹機(jī)理進(jìn)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(yōu)勢是不需要焙燒,依靠添加膠凝材料(如水泥、石膏等)經(jīng)養(yǎng)護(hù)得到成品,大幅降低生產(chǎn)能耗。但是缺點(diǎn)是密度較高,強(qiáng)度低,需要長時(shí)間養(yǎng)護(hù),生產(chǎn)周期長。其制備工藝如圖4。

水處理用陶粒濾料的研究現(xiàn)狀

3 存在的問題及發(fā)展方向

陶粒濾料從初期的片狀到輕質(zhì)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(diǎn);從傳統(tǒng)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(yōu)良、更加環(huán)保,而且成本大幅降低,免燒陶粒濾料的發(fā)展亦能大幅降低陶粒濾料的生產(chǎn)能耗。陶粒濾料的制備與應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展,未來的發(fā)展方向必然是以節(jié)能環(huán)保型陶粒濾料為主。但是在其發(fā)展過程中,還需要解決以下問題:

(1) 陶粒濾料燒結(jié)機(jī)理的系統(tǒng)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(shí),還是以黏土為主要粘結(jié)劑,需要尋找替代粘結(jié)劑,提高固體廢棄物的摻量;

(4) 免燒陶粒濾料密度高、強(qiáng)度低和生產(chǎn)周期長的問題;

(5) 新型節(jié)能環(huán)保陶粒濾料的實(shí)際推廣應(yīng)用;

(6) 需要制定相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范生產(chǎn)。