生物陶粒新型环境材料的研究与应用

生物陶粒新型环境材料的研究与应用摘要：生物陶粒是一种新型的生物膜载体滤料，具有质轻，比表面积大、吸附能力强等优点。作为一种新型的水处理环境材料，是选用天然吸附材料和矿物质，经科学设计配方高温烧结精筛等工序加工而成。之所以受到越来越多的重视，是该滤料具有比重轻，空隙率高，表面性状好，滤速高，运行摁钉，使用寿命长，反冲洗耗水量低，生物繁殖快等特点，是一种节约能耗的实用新型滤料。已经广泛用于水处理环境材料领域，通过不断改进技术和提高生产工艺与制备水平，取得了实际运用的较理想结果，为保护生态环境提供了有力支持。关键词：生物陶粒；新型；滤料；环境材料9 / 9文档可自由编辑打印目 录1 绪论12 陶粒的技术研究12.1 陶粒的种类12.2 陶粒的技术发展过程12.3 陶粒的生产过程及制备工艺13 生物陶粒的特点23.1 生物氧化能力23.2 理想的生物载体34 生物陶粒的应用34.1 工业污水和生活饮用水处理34.2 给水中的微污染物（氨氮）处理，高纯制备预处理系统34.3 轧钢、连铸等生产过程中的循环水处理44.4 生物曝气池的生物载体及含油废水处理55 生物陶粒的展望5参考文献51 绪论陶粒滤料属人工轻质滤料，是一种新型净水材料，也是新滤料中使用最早的一种。主要的化学成分是SiO2、Al2O3，Fe2O3，次要成分CaO、MgO等，含有少量SO3，远小于滤料的3%的要求。由于陶粒具有良好的物理、化学和水力性能，较好的机械强度、比表面积大、孔隙率高、吸附能力强、截污能力大，因此陶粒滤料滤池具有过滤水质好、水头损失小、产水量高、工作周期长以及反冲洗水量小等特点。陶粒在污水处理上除了广泛用于滤池方面，还应用于有发展潜力的生物膜载体上。2 陶粒的技术研究2.1 陶粒的种类陶粒是由粘土、泥岩、页岩、煤矸石、粉煤灰等为主要原料，经加工成粒或粉磨成球，再烧涨而成的人造轻骨料；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1依据不同而种类繁多。按形状分可分为：普通型、圆球型（造粒型）、碎石型3种；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；按其容重大小又可分为一般容重陶粒（500kg/m）；超轻陶粒（200-500kg/m）；特轻容重陶粒(200kg/m)。按颗粒大小分：粒径5mm叫陶粒；而粒径5mm者叫陶沙。2.2 陶粒的技术发展过程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。我国是从50年代初，开始研究陶粒的生产和应用的。2.3 陶粒的生产过程及制备工艺早期的陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成，为不规则状8片状居多。最近出现的球形轻质陶粒，采用粘土为主要原材料，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）混磨制粒烧胀堆放运输（装袋）。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1，在膨胀温度范围内产生的气体其压力稍大于膨胀孔隙孔壁的破坏强度就会产生微孔增加了陶粒比表面积。 目前我国陶粒的生产设备都采用的是工业回转窑。圆筒形的主窑体与水平呈3左右的倾角放置在托滚上。物料在高的一端进入窑内，在窑体做回转运动的作用下，物料从高处（窑尾）滚落至低处（窑头），同时，在窑头处，高压风机将粉煤灰喷入窑内，并使其充分燃烧，产生的热量使物料发生物理和化学变化，烧结并膨胀。以废纸造纸污泥为原料2，辅以集料尾泥(主要成分为粘土)和粉煤灰进行配料，在模拟实际加工工况下制备烧结污泥陶粒，对其微形貌和力学性能进行了表征. 结果表明，当污泥含量高于40%()时，有机物氧化释放的热量使高温熔体粘度降低，同时产生的气体压力增大使熔体发胀，从而使陶粒变轻，有明显的降低烧结温度的作用. 当陶粒坯体中含污泥50%(，干基)、粉煤灰30%()、集料尾泥20%()时，1140烧结后所得陶粒的堆积密度为0.75g/cm3，盐酸可溶率为0.54%()，筒压强度为6.32MPa。以城市污水处理厂脱水污泥3作为主要原料，添加粉煤灰和粘土烧制陶粒滤料，考察了烧制过程中各主要因素(干燥时间、预热温度、预热时间、焙烧温度和焙烧时间)对产品性能(比表面积、堆积密度和颗粒密度)的影响，最终结合正交实验确定了污泥作为主要原料烧制陶粒的最佳工艺条件. 结果表明，污泥与辅料的最佳质量配比为：污泥:粉煤灰:粘土=2:3:1，烧制陶粒的最佳工艺条件为：干燥时间1h，预热温度300，预热时间20 min，焙烧温度1100，焙烧时间8 min，此时制得的陶粒比表面积为4.222 m2/g，堆积密度为635 kg/m3，颗粒密度为1146 kg/m3，孔隙率为22.4%，盐酸可溶率为0.18%，破碎率为0.4%。3 生物陶粒的特点3.1 生物氧化能力陶瓷作为一种新型的生物滤料，其特点有质轻、松散、容量小、表面极大，陶粒具有较高的生物量，因而具有较强的的生物氧化能力。粗糙的表面是为了微生物容易附着于陶粒表面生产和繁殖，微生物生产和繁殖过程中对有机物进行降解，降低原水中的高锰酸盐指数、氨氮。如利用煤矸石4作为主要原料，添加适量黏结剂、造孔剂等，经造粒、高温焙烧，制备了生物滤池陶粒滤料。滤料粒径为1.6-2.5ram，显气孔率58.29%，密度1.0497g/cm3 。将滤料用于生物滤池反应器，结果表明：煤矸石陶粒滤料挂膜快、微生物适应性良好，耐反冲洗：在启动后的第4天，COD的除去率就达到了78.31%，第6天达到了90.36%；第8天，NH3-N的去除率达到68.48%，第9天，达到81.63%。反应器运行期间，COD平均去除率保持在80%以上，NH3-N的为60%以上。反冲洗24h后，COD的去除率恢复正常；96h后，NH3-N的去除率恢复正常。3.2 理想的生物载体 陶粒具有孔隙率高，适宜于微生物的附着、固定和生长，是较理想的生物载体。孔隙率高有利于水流空气的的流通，为微生物提供足够的营养和工供吸的氧，更多进入陶粒内部的微生物，进而被吸附的有机物可以更长时间被降解。陶粒作为饮用水生物预处理反应器的一种新型生物膜载体5。由于陶粒表面具有大于0.5m而且形状很不规则的孔洞，并具有较高的机械强度、表面粗糙以及比表面积较大等特点，因而它是一种较为理想的易于挂膜和冲洗的反应器内微生物载体。扫描电子显微镜观察发现，生物陶粒的大部分表面被生物膜覆盖，很多孔洞已被填埋，但并非陶粒表面完全被生物膜覆盖，仍有裸露的陶粒表面和孔洞存在。有趣的是，载体表面生物膜主要是以菌球团的形式存在，甚至有的菌团恰好积存在陶粒表面凹窝内。光学显微镜观察结果同样表明，陶粒生物膜多以类似于活性污泥菌球胶团的形式存在。这与以往人们用扫描电镜观察颗粒活性炭滤池炭粒表面丄生物膜的性状基本相似，这种载体表面上以菌球形式存在的生物膜，不但对微生物自身具有保护作用，而且也能增强生物膜对水中有机物的吸附氧化性能。4 生物陶粒的应用4.1 工业污水和生活饮用水处理利用粉煤灰、锯末和铁矿石等废弃物，经造粒和高温烧结，自行开发了两种高效功能陶粒，并将其与沸石以“砖墙”式嵌套填充，构筑了高效功能陶粒生物滤池6。采用该生物滤池，研究对农村生活污水(COD：200 mg/L，NH3-N：20 mg/L，TP：4.0 mg/L)的深度脱氮除磷作用。结果表明，高效功能陶粒具有表面粗糙，比表面积大，机械强度高，耐酸碱性能好和无重金属溶出等优点。该生物滤池上下部分分别形成好氧区和厌氧区，从而达到深度脱氮除磷效果。在水力停留时间(HRT)为2.155.73 h，水力负荷为2.8-7.5 m3m-2d-1时，两个生物滤池对氨氮(NH3-N)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)均具有很好的去除效果，两个功能陶粒生物滤池的去除率分别达到83.6%一98.3%、89.1%99.7%和84.4%95.2%，优于普通生物滤池。该高效功能颗粒生物滤池不仅实现了废物资源化利用，而且使氮磷处理效率得到极大提高，在农村生活污水的脱氮除磷深度处理领域将会得到广泛应用。4.2 给水中的微污染物（氨氮）处理，高纯制备预处理系统曝气生物滤池7（BAF）中装填一定量的粒径为25mm的粒状滤料，微生物附着生长在滤料表面上形成生物膜，在滤池内部进行曝气以保证微生物的正常耗氧需要。当水流经滤料层时，水中的有机污染物以及氨氮等无机污染物被附着生长在滤料上的微生物吸附进而氧化分解。同时，由于BAF 所采用滤料的粒径多在25 mm、滤料层高度为1.52m，滤料层呈压实状态，它对进水中粒径较大的悬浮物具有很好的截留作用，而且微生物本身的生物絮凝作用也会使水中的部分胶体物质脱稳进而形成较大的颗粒而被去除，因此BAF工艺表现出一定的机械截留作用，能够使出水的浊度得到一定程度的降低。曝气生物滤池运行一段时间后，因水头损失的增加而需要进行反冲洗，以释放被截留的悬浮物并更新生物膜(完成一个运行周期)。生物陶粒滤池是国内在源水生物预处理中研究应用最为广泛的曝气生物滤池工艺形式。其结构形式与普通快滤池相似，滤池主体分为配水系统、布气系统、承托层、陶粒填料层、冲洗排水系统等五部分。生物陶粒滤池的独到之处在于，它既可以采用下向流又可以采用上向流的运行方式。当采用下向流时由于受底部曝气的影响，它对增大滤速有一定的限制，实际应用中滤速难以超过6 m/h。采用上向流方式则可获得较高的滤速，但是当原水浊度及悬浮物浓度较高时易堵塞配水系统而导致配水不均匀，给运行管理带来严重后果。因此，具体的运行方式要根据源水水质以及出水水质要求来确定。微污染源水中的有机污染物浓度很低，贫营养菌在营养物的竞争中具有较大的优势，这些贫营养菌具有较大的比表面积，对于其可以利用的基质具有较强的亲和力，而且贫营养菌呼吸速率低，有相对较小的最大增殖速度和Monod 半速率常数，因而能够适应低营养的环境，成为曝气生物滤池中的优势菌群。水中的氨氮在亚硝化细菌的作用下转化为亚硝酸盐，接着在硝化细菌的作用下转化为硝酸盐。曝气生物滤池中微生物固定生长的特点使微生物在反应器内能够获得较长的停留时间，因此亚硝化细菌和硝化细菌有足够的时间进行积累，从而使曝气生物滤池对氨氮具有良好的去除效果。4.3 轧钢、连铸等生产过程中的循环水处理有机垃圾堆肥物-陶粒复合基质8为甲烷氧化细菌营造了良好的环境（养分、水分、氧气、甲烷），弥补了单一堆肥物腐熟度不足的缺陷，改善了生物覆盖层内的气体传输性能，最佳的甲烷氧化区域下移至表面下4050 cm，且还有提高其甲烷氧化能力的空间。是一种适宜的填埋场生物覆盖层基质材料，值得进一步研究。生物覆盖层甲烷氧化是填埋场甲烷减排的重要途径，覆盖层基质性能对其甲烷氧化能力影响较大。选用1 mm堆肥物（1#基质）、1 mm堆肥物+陶粒（2#基质）、1 mm堆肥物+陶粒（3#基质）、12 mm堆肥物（4#基质）、23.2 mm堆肥物（5#基质）等5种不同类型的生物覆盖层基质，在实验室内模拟研究填埋场生物覆盖层的甲烷生物氧化状况，旨在为筛选垃圾填埋场甲烷高效氧化的生物覆盖材料提供科学依据。试验结果表明：粒径对基质氧气传输能力的影响不明显；不同基质的甲烷氧化能力存在显著差异，纯堆肥物基质（1#、4#和5#基质）几乎没有甲烷氧化能力，堆肥物+陶粒（11(VV)）的复合基质（2#、3#基质）的甲烷氧化效率高达100%。堆肥物-陶粒复合基质为甲烷氧化细菌营造了良好的环境，改善了生物覆盖层内的气体传输性能，是一种适宜的填埋场生物覆盖层基质材料。4.4 生物曝气池的生物载体及含油废水处理曝气生物滤池的工艺特点是反应器中除填料上的生物膜外，在填料间还存在大量活性污泥，这种污泥含有活性生物体、脱落生物膜、来自原污水中的悬浮物以及从污水中吸附的其他物质，总称为生物絮体9。它在氧化降解污水中有机物的同时具有截留、吸附底物的作用，在整个曝气生物滤池运行过程中和生物膜一样起着不可替代的作用。在上流式曝气生物滤池中，使用球形陶粒作填料，对城市生活污水进行处理。研究了在生物滤池中滤料上生物膜及滤料间生物絮体的活性。实验表明，滤料间生物絮体对有机物的去除和生物膜具有类似作用。曝气生物滤池对污水的处理是生物膜和生物絮体共同作用的结果，实验为曝气生物滤池运行机理及反冲洗时间的优化提供了理论依据。5 生物陶粒的展望高性能陶粒是指强度较高、吸水率较低、密度较小的焙烧或免烧陶粒。轻集料的资源丰富，品种繁多。它有天然轻集料、固体废弃物轻集料和人造轻集料之分。根据它们的生成条件及性能看来，可以用来配制高性能混凝土的只有经特殊加工的高性能陶粒。国外一般称它为高性能轻集料，在我国也可称它为高强陶粒。 高性能陶粒是采用合适的原材料，经特殊加工工艺，所制造出的不同密度等级、高强度、低孔隙率、低吸水率的人造轻集料。这种轻集料的某些性能与普通密实集料相似，与普通轻集料相比性能更为优越。参 考 文 献1 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