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生物陶粒在污水处理中作滤料的研究与应用

时间:2021/05/21点击:

摘要:随着曝气生物滤池(BAF)的发展,其核心问题填料的研究越来越受到重视。陶粒以其优越的性能优于其它材料。本文首先系统介绍了生物填料的种类及应用的历史,重点介绍了陶粒的研究、发展状况及应用历史和用作滤料的制造工艺和性能要求,并对其原料成分对烧胀的影响作了论述。总结出对生物陶粒的研究和开发中应重点解决的问题。

生物陶粒在污水处理中作滤料的研究与应用

1 前言

水是人类赖以生存的基础。由于现代工农业的迅速发展,对水资源不合理利用和过度开发,人类面临水污染和水量短缺的严重局面。资料表明全世界人口的40%面临缺水。同时全球50%的水资源遭到不同程度的污染,全世界有10亿人喝不到洁净水。几乎所有国家都在经历着污染-治理的艰难过程,今后污水处理的方向是城市污水经过二次处理后再循环利用。从废水回用或安全排放的处理流程上来看,在污水的二级处理中主要是过滤和沉淀。曝气生物滤池处理污水是80年代末和90年代初兴起的污水处理工艺,已在欧美和日本广为流行。中国对曝气生物滤池(BAF)工艺也开展了很多研究,填料在曝气生物滤池中既是生物的载体又是过滤的主体物质因而处于核心地位,我国对填料的研究以陶粒为最多,因为陶粒作为填料的一种,不仅材料低廉易得,而且具有轻质、多孔、易挂膜及与生物的相容性好等特点,特别适合我国的国情。

2 生物填料的种类

填料作为BAF的核心,影响着其发展。BAF发展中依次出现过3种不同形式:BIOCARBONE,BIOFOR和BIOSTYR。由于采用的填料不同导致了性能的差异。所以,BAF性能的优劣很大程度上取决于填料的特性。曝气生物滤池所用填料,根据其原料的不同,分为无机填料和有机高分子填料;根据填料密度的不同,可分为上浮式填料和沉没式填料。无机填料一般为沉没式填料,有机高分子填料一般为上浮式填料。资料表明上浮式填料比沉没式填料对ss、有机物的去除率高,更耐有机负荷和水力负荷冲击。

目前,国内采用的接触填料主要有玻璃钢或塑料蜂窝填料、立体波纹填料、软性纤维填料、半软性填料以及不规则粒状填料(砂、碎石、矿渣、焦炭、无烟煤)等。玻璃钢或塑料填料表面光滑,生物膜附着力差,易老化,且在实际使用中往往容易产生不同程度填料的堵塞;软性填料中的水流流态不理想,易被生物膜粘结在一起,产生结球现象,使其表面积大为减小,进而在球内产生厌氧作用,影响处理效果。不规则粒状填料水流阻力大,易于引起氧化池堵塞。近几年我国也开展了应用片状陶粒处理水源微污染的研究。片状陶粒属不规则粒状填料,挂膜性能良好,但水流阻力大,容易堵塞,强度差,易破碎,不耐水冲刷。由于这些传统的接触填料存在一定的缺陷,限制了曝气生物滤池在我国污水处理中的应用。清华大学在实验室对不同滤料,如页岩陶粒、粘土陶粒、砂、褐煤、沸石、炉渣、麦饭石、焦炭等进行了筛选,并与生物活性碳进行了比较,认为陶粒、砂子、大同沸石和麦饭石优于其它材料。

3 陶粒的生产工艺和烧胀机理

3.1 陶粒的种类

陶粒是由粘土或泥岩、页岩、煤矸石、粉煤灰等主要原料,经加工成粒或粉磨成球,再烧涨成的人造轻骨料;它是一种外部为铁褐色、棕色坚硬外壳,表面有一层隔水饱气的釉层,内部具有封闭式微孔结构的多孔陶质粒状物。陶粒因分类依据不同而种类繁多。按形状分为:普通型、圆球型(造粒型)、碎石型;按主要原料不同可分为:粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、泥岩陶粒、煤矸石陶粒、垃圾陶粒、污泥陶粒等;按容重又可分为一般容重陶粒(>500kg/m3),超轻陶粒(200~500kg/m3),特轻陶粒(<200kg/m3);按颗粒大小分:陶粒(≥5mm) 和陶沙(<5mm)。

3.2 陶粒的生产工艺

早期的陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成,为不规则片状居多。后来出现的球形轻质陶粒,采用粘土为主要原料,加入适当化工原料作为膨胀剂,经高温烧制而成。陶粒生产的工艺流程可总结为:原料(+定量的外加剂)→混磨→制粒→烧胀→成品。其中主要外加剂包括:粘结剂、膨胀剂和矿化剂等。其主要作用是在烧成温度下能产生一定数量且具有一定粘度的液相以及一定数量的气体,使料球膨胀。

陶粒滤料属于人工轻质滤料,是一种新型水处理材料,也是新滤料中使用最早的一种。当前大量应用的陶粒滤料是将具有膨胀性的页岩或粘士粉碎均化,添加活化剂和水搅拌制球形,然后入窑高温烧胀成陶粒,再将其破碎筛分、水洗烘干而制成。其成分不含对人体有害的重金属离子及其他有害物质,化学成分稳定,是一种惰性无机滤料。

陶粒的生产设备采用工业回转窑。圆筒形的主窑体与水平呈3°左右的倾角放置在托滚上。物料从高的一端入窑,在窑体回转运动的作用下,从高处(窑尾)滚落至低处(窑头)。同时,在窑头处,高压风机将粉煤喷入窑内,并使其充分燃烧,产生的热量使物料发生物理和化学变化,烧至膨胀。

3.3 陶粒的烧胀机理2=2CO↑(缺氧条件下);

决定陶粒性能的因素主要是烧成工艺和原材料选择配料两个。陶粒须同时具备以下2个条件才能膨胀:

(1)料球能产生适宜粘度的液相,使料球开始软化;

(2)料球在软化的同时,其内部产生适量的气体。此外,粉煤灰中AL2O3含量高是影响膨胀因素之一,须先降低粉煤灰中AL2O3才能烧出超轻粉煤灰陶粒。

3.3.1 产生气体的反应

陶粒的膨胀主要是由于原料在加热过程中产生液相和气体而液相又有一定的黏度使部分气体不能逸出而形成多孔结构,另有部分气体逸出而使表面形成许多开孔,增加了滤料的吸附性并使其易挂膜。陶粒原料加热产生气体的因素很多,主要反应如下:

(1)在400~800℃,快速升温或缺氧条件下:

C+O2=CO2↑,2C+O2=2CO↑(缺氧条件下);

C+O2=CO2↑(缺氧条件下)。

(2)碳酸盐分解

CaCO3=CaO+CO2↑(850~900℃)

MgCO3=MgO+CO2↑(400~500℃)

(3)硫化物的分解和氧化

FeS2=FeS+S↑(近900℃);S+O2=SO2↑;

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2↑(氧化气氛1000±50℃);

2FeS+3O2=2FeO+2SO2↑。

(4)氧化铁的分解与还原(1000~1300℃)

2Fe2O3+C=4FeO+CO2↑;2Fe2O3+3C=4Fe+3CO2↑;

Fe2O3+C=2FeO+CO↑;Fe2O3+3C=2Fe+3CO↑。

从上可知,CO是主要膨胀气体。合理控制陶粒烧成过程中生成气体的反应对形成大量开孔有重要意义。

3.3.2 原料化学成分与黏度的关系

陶粒原料成分主要有SiO2、AL2O3和熔剂。熔剂包括CaO、MgO、MnO、Fe2O3、 FeO、K2O、Na2O、TiO2等。Riley在研究粘土陶粒烧胀性时,发现在某温度范围内,当所用原料的化学成分处于某一范围时,所得陶粒具有良好的烧胀性。据此,他提出了原料化学成分的Riley三角形,并具体圈定了形成适宜粘度液相的原料化学成分范围(下图)。SiO253%~79%,AL2O310%~25%,熔剂之和为13%~26%。

4 陶粒用作滤料

4.1 陶粒做生物滤料应达到的要求

生物膜载体—填料(滤料)是生物膜反应器技术的核心,它决定了反应器能否高效运行,所以作为滤料的材料应满足以下要求:

(1)机械强度,不应在反洗过程中由于料间磨损或破碎造成颗粒变小使滤料层变复杂,用磨损率和破碎率表征。

(2)生物、化学稳定性,不应在运行过程中滤料的物质溶于水而影响水质,或因投加水处理药剂使滤料材质结构发生变异而解体。此项用酸碱可溶性表征。生物膜的一些代谢产物会对载体产生腐蚀作用,所以滤料须具有一定的抗腐蚀性,同时须不参与生物膜的生物化学反应,且其本身不可被生物降解。

(3)颗粒形状,以表面相对粗糙且有一定球度为好。

(4)表面电性和亲水性:微生物一般带负电荷,并亲水,因此载体表面带正电荷将有利于微生物固着生长,载体表面的亲水性有利于微生物的附着,表面性质可用等电点和Zeta电位来表征。

另外,生物滤料应比表面积大,开孔孔隙率高、孔径较大(大于0.5μm)并有一定的表面粗糙度以有利于挂膜并防止载体之间摩擦碰撞而造成固着微生物脱落。

4.2 陶粒的研究及应用现状

陶粒的发现可追溯至1885年,但实际上是于1918年才由S.J.Hayde研制出来,他用回转窑生产陶粒的原理非常有价值,所以该技术迄今仍被广泛应用。我国是50年代初,开始研究陶粒的生产和应用的。主要用于配制轻集料混凝土、保温砂浆、轻质沙浆及耐酸耐热混凝土集料,并可用作吸声材料。

陶粒内部多孔,比表面积较大,化学和热稳定性好,因之具有较好的吸附性能,而且易于再生,是一种廉价的吸附剂。陶粒滤料比表面积是石英砂滤料的6~8倍,孔隙率是石英砂的1.7~2.2倍。资料表明陶粒对铅、铬和镍具有较强的去除作用,并对氨氮和COD有较强的去除作用。由于经破碎的陶粒作滤料有磨损破碎率较高和水流阻力较大的缺点,人们不断的开发出新型的陶粒滤料来弥补其不足,主要是:

(1)采用的原材料,由于传统陶粒应用的主要是粘土、陶土等原料,大量生产浪费土地资源,故利用工业废料作原料制备陶粒有重要意义,如,用污水厂剩余污泥、粉煤灰、煤矸石等。王健等以粉煤灰为主要原料、粘土为粘接剂,成功地开发出轻质多孔球形生物陶粒。

(2)改进生产工艺,使陶粒生产过程中人力、物力得到节约,如采用矿化剂降低烧成温度、研制免烧型陶粒或采用工业废料作添加剂改善陶粒性能等;

(3)改善陶粒滤料形状和表面结构,如生产球形超轻陶粒或均粒陶粒等,朱乐辉等以天然陶土为主要原料研制出了轻质球形陶粒滤料改善了不规则形状陶粒滤料的弊端。

(4)对传统陶粒滤料进行表面改性。

5 结论与展望

通过合理配料和控制烧成工艺能生产出适应水处理滤料要求的陶粒,陶粒在污水处理中应用广泛且有效,各方面优于石英砂等滤料,但目前对陶粒用作滤料方面的制作工艺研究较少。为了能更好的发挥其潜在优势和克服其本身存在的不足,生物陶粒的研究中还要着重解决以下问题:

(1)研制大量利用粉煤灰等工业废料的陶粒滤料;

(2)合理控制工艺解决陶粒在烧制过程中表面结釉问题;

(3)生物膜在陶粒滤料上的生存特征及适应性研究。

(4)陶粒滤料的再生利用;

(5)陶粒滤料在处理微污染水和净水处理中的应用。