新型电气石陶粒载体制备及其污水处理效能研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 新型电气石陶粒载体制备及其污水 处理效能研究 摘要：从轻质陶粒的研制和废物 资源化利用的研究方向出发，通过单因 素实验确定了最佳原料配比和最佳烧制 温度范围，然后设计正交实验方案，以 陶粒滤料的吸水率、颗粒表观密度为指 标，得到了最佳烧制温度和最佳原料配 比。并以新型陶粒为载体，采用人工配 水序批式生物膜反应器（ SBBR） ， 通过检测出水水质，综合评价了新型陶 粒滤料在污水处理方面的效能。 中国论文网 /7/view-12990305.htm 关键词：新型陶粒；生物膜法； 生物填料；污水处理 中图分类号：TU991.2 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 文献标识码：A 文章编号： 1674-9944（2017）14-0028-05 1 引言 随着工业的迅猛发展，在推动经 济增长的同时，产生大量污染物，严重 影响了人们的日常生活1。如今物质生 活已得到满足的人们，环保意识也在不 断提高，对环境质量的要求也在逐步提 高，水污染治理问题也得到越来越多的 关注，因此经济而高效的污水处理技术 也成为人们研究工作的首要目标2。 污水处理工艺之一的生物膜法是 一种好氧型生物污水处理方法，广泛的 应用于工业废水和城市污水处理的二级 处理中3。而填料作为生物膜的主要附 着载体，直接影响微生物生长、繁殖和 脱落的整个过程，进而对水处理工艺的 处理效果有重大意义4。陶粒机械强度 较高，比表面积大、孔隙率较大、吸附 能力强，是良好的生物膜污水处理工艺 填料5。 笔者从轻质陶粒的研制和废物资 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 源化利用的研究方向出发，采用污水污 泥、粉煤灰与电气石三种材料烧制新型 载体作为生物填料应用到污水处理工艺 中，以期为污水处理、杀菌、除臭及净 化和改善水质性能有进一步的改善。 2 陶粒的制备 2.1 实验材料及制备流程 实验填料以电气石、粉煤灰和污 泥为主要原材料，通过硅酸钠将其粘合 在一起，选用 NaOH 作为助溶剂，秸 秆为造孔剂，是一种新型负载电气石陶 粒体。实验所需仪器设备见表 1。 制备流程（如图 1 所示）：将电 气石、污水污泥与粉煤灰原料按照实验 方案配比放在容器均匀混合，加入相应 质量的添加剂、助熔剂与水，搅拌均匀 后在模具上成型为球形的陶粒胚体，在 自然通风的条件干燥 1 d，之后放入干 燥箱中在 110干燥 2 h。将干燥后的陶 粒胚体放入马弗炉中进行烧制。实验中 烧制的陶粒在有空气存在的条件下进行。 采用的烧制温度如下：干燥后的陶粒放 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 入马弗炉，开始升温。预热过程：温度 从室温加热到 200 时保温 30min，目 的是去掉污泥原料中的自由水与结晶水； 挥发过程：温度从 200 加热到 400 处并保温 30 min，主要是促进含碳物质 的燃烧和及加速少量无机物质的挥发。 在这一阶段中陶粒失重速率最大；稳定 过程：温度从 600升至预设温度并保 温 30 min。待陶粒在炉内自然冷却，再 取出陶粒进行性能测定69。 2.2 单因素实验方案设计 结合陶粒制备工艺流程，对电气 石、污水污泥、粉煤灰等原料和烧结温 度采用单因素实验方法设计实验方案。 研究电气石、污水污泥、粉煤灰的添加 量及烧结温度等因素对陶粒处理污水效 能影响，确定实验影响因素水平数为 5。单因素试验方案如表 2 所示。确定 试验主要考核指标为：颗粒表观密度 P（kg/m3 ）和吸水率 W（% ） ，综合指 数为：Z=P/W100%（计算时不考虑颗 粒表观密度和输水率单位问题，Z 为无 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 单位指数） 。选用测试的陶粒的质量 m 一定，通过测定吸水率、颗粒表观密度 和计算 Z 值的大小，Z 值较大、吸水率 较小的陶粒为性能指标较优的样品。 2.3 正交实验方案 根据单因素实验结论得到最佳烧 结温度、电气石量、污水污泥量、粉煤 灰量的范围，从而在这个最优范围内进 行正交试验，从而确定实验影响因素水 平数为 3。正交实验水平表如表 3 所示。 确定正交试验水平量与因素量，根据综 合指数 Z 确定出最佳烧结温度与最佳原 料配比，并对最优陶粒性质进行测评分 析。正交实验设计如表 4 所示。实验中 所用的试剂如表 5 所示。 2.4 陶粒理化性质测定以及陶粒 污水处理效能测定 对所制造的陶粒进行理化性质的 测定，即陶粒的吸水率、陶粒颗粒表观 密度、比表面积、孔容积、X 射线荧光 光谱分析衍射（XRF）的测定。在污水 处理中，比表面积较大的陶粒适合微生 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 物增长、繁殖，有利于微生物挂膜，提 高污水处理效果。笔者采用气象色谱法 来测定陶粒滤料的比表面积，所用仪器 为美国 Micromeritics Instrument Corporation 公司生产的 Tristar3020 型比 表面积分析仪；利用 X 射线荧光光谱分 析方法（X-ray fluorescence-XRF）鉴定 陶粒的元素组成（除 H、He 外）及其 化学成分（氧化物成分及百分含量） ； 采用北京双晖京承电子产品有限公司生 产的 CM-05 多参数水质测定仪评定新 型陶粒填料在 SBBR 反应器中，COD， 氨氮，总磷等值的随着时间变化情况， 依据水和废水监测分析方法 （第四 版）10，各参数测定方法如表 6。 3 结果与分析 3.1 制备条件单因素分析 烧制温度、粉煤灰量、电气石量、 污水污泥、对陶粒性能影响见图 2。由 图 2（a）可知，温度在 650 增加到 800 过程中，综合指数先逐渐增大， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 超过 800 后逐渐下降，可见烧制温度 在 800 时，综合指数 Z 达到最大值 221，陶粒性能较优；随着粉煤灰添加 量增加，综合指数 Z 值先增后减，在粉 煤灰添加量 15%达最大值，即粉煤灰添 加量 15%陶粒性能最优；由图 2（c）随 着电气石添加量增加， Z 值逐渐增大 当添加量为 55%时达最大值后逐渐下降， 即电气石添加量为 55%陶粒性能最优。 由图 2（d）随着污水污泥添加量增加， 综合指数 Z 值的变化趋势仍然是先上升 后下降，在污水污泥添加量为 15%时 Z 值达到最大，即此时陶粒性能最优。 3.2 正交实验优化结果分析 分析可知，最佳烧制温度在 800左右，最佳烧制配比范围为电气 石：污水污泥：粉煤灰=55%：15%：15% 。 由此确定正交实验是 4 因素 3 水平，共 9 组。 由表 7 可以看出，根据不 同的综合指数来计算实验指标 Kjm、均 值 k 和极差 R。由于 kA1kA2kA3， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 可见因素 A 变化对实验指标结果有影响。 故根据 kA2 值大小来判断 A1、A2、A3 对综合指数影响大小，因为 A2A1A3，故 A2 为因素 A 的最优水 平，即烧制温度为 800时，综合指数 最大。同理， B2B1B3，故 B2 是 因素 B 的最优水平，即电气石占 55%时，综合指数最大； C3C2C1， 故 C3 是因素 C 的最优水平，即污水污 泥占 20%时，综合指数最大； D1D2D3，故 D1 是因素 D 的最优水 平，即粉煤灰占 10%时，综合指数最大。 极差 R 主要表明当因素水平对实验结果 所产生的影响。结果表明，R 越大该因 素对实验结果造成的影响也越大大。经 过比较 R 值，可知 RARBRCRD， 所以 A 因素影响最大，即烧制温度对综 合指数影响最大，电气石、污水污泥、 粉煤灰的添加量影响以此降低。 由实验结果得知，最优陶粒载体 的组合为 A2B2C3D1，即烧制温度为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 800、电气石量 55%、污水污泥量 20%、 粉煤灰量 10%时载体性能最佳。烧制温 度为影响载体性能的主要因素，其次分 别是电气石量、污水污泥量，粉煤灰量 对载体性能影响最小。 3.3 陶粒综合性质分析 3.3.1 比表面积、孔隙度分析 确定了烧制陶粒的最佳温度与配 比，在最佳烧制温度与配比条件下烧制 出一批载体， （5 个样品） ，并对这批陶 粒进行比表面积、孔容测定，所得结果 如表 8。 表 8 说明了陶粒烧制的稳定性很 稳定，样品比表面积平均值为 4.2097104 cm2/g，孔容平均值为 10.407210-3 cm3/g，均大于黏土陶粒 的比表面积，可以满足使用标准（水处 理滤料的比表面积大于 0.5104 cm2/g） 。 3.3.2 强度、亚甲兰吸附分析 陶粒吸附能力可以由极性、线性 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 结构的亚甲兰分子（分子量为 374）表 示，其值是表征吸附性能的常规指标。 一般情况下，此值越高，表示陶粒吸附 性越好。如表 9 所示为实验随机抽取 5 个陶粒样品的强度与亚甲兰吸附值。 由表 9 并结合所查资料，新型陶 粒的质量损失率均值与亚甲兰吸附值均 值均大于黏土陶粒的值，表中数据表示 陶粒强度与吸附性较好，性质稳定，满 足水处理过程生物膜工艺要求。 3.4 反应器运行稳定后污水处理 效能分析 采用 SBBR 反应器实验，以新型 陶粒为载体在最佳运行状态下污水处理 效能分析11 ，12 。如图 3 所示，COD 的去除情况。当 COD 浓度在 200250 之间时，去除率最高可达 92.6%，最低 也为 87.4%，达到国家一级 A 排放标准； 但当浓度为 300 mg/L 时，去除率降低 到 80%左右，出水浓度大约在 60 mg/L，超过了国家一级 A 标准。由此 可得，该反应器处理 COD 的极限在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 250300 mg/L 之间，如图 4 所示， NH+4-N 的进水浓度在 3090 mg/L 内 波动，去除率为 83.7%91.77%。当进 水浓度在 3060 mg/L 时，平均去除率 为 89.4%，出水浓度达到国家污水一级 A 排放标准；浓度为 90 mg/L 时，虽然 去除率为 84%左右较高，但是出水浓度 为 14.75 mg/L，超过了国家污水排放标 准。由此可得，该反应器处理氨氮的极 限在 60 mg/L。图 5 所示，TP 的进水浓 度在 816 mg/L，去除率为 74.4%94%。 当进水浓度为 812 mg/L 时，平均去 除率为 91.86%，达到国家出水标准； 浓度改变为 16 mg/L 时，平均去除率为 76.92%，但未能达到国家排放标准。由 此可得，该反应器处理 TP 的极限在 12 mg/L。 4 结论 电气石作为一种新型环保载体， 可有效提高微生物对可降解污染物的生 化效能，并已初步应用到水处理领域中。 在中国可持续化发展的理念中，污水污 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 泥和粉煤灰作为典型的工业废物，他们 资源化利用技术研究深受亲睐。本文以 电气石、污水污泥、粉煤灰为主要原材 料， 制陶粒滤料。通过单因素实验 确定最佳烧制温度与最佳配比范围，并 用正交实验确定最佳烧制温度与最佳配 比，测定最优陶粒强度、亚甲兰吸附等 性质。最后，并将此陶粒滤料作为序批 式生物膜反应器（SBBR）的载体，采 用人工配水运行反应器，通过检测出水 水质，评定新型陶粒滤料对污水的处理 效能。通过实验分析，得出以下结论： （1）通过单因素实验方法，在 不同烧制温度、原料配比条件下，陶粒 的综合指数最大者优。由实验结果可知， 温度在 800，电气石：污水污泥：粉 煤灰各以 55%：15% ：15% 时为烧制的 最佳工艺条件，此时陶粒的综合指数最 大。 （2）对根据最优烧制工艺条件 烧制出来的陶粒，进行进一步表征，样 品比表面积平均值为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 4.4051104cm2/g，孔容平均值为 10.805210-3cm3/g，质量损失率为 2.12%， 亚甲兰吸附值为 2.598 mg/g，均大于黏 土陶粒的各自值，且满足水处理滤料的 使用标准，可应用到污水处理工艺中。 （3）采用根据最优烧制工艺条 件烧制出来的陶粒为载体，启动序批式 生物膜反应器（SBBR） ，采用人工配水， 经过污泥驯化与培养，新型陶粒滤料的 生物膜状态良好。进水 COD 浓度在 200250 mg/L 时，去除率在 8