（环境工程专业论文）免烧粉煤灰陶粒的制备及其在厌氧滤池中的应用研究.pdf

攘要 目前使用的水处理陶粒填料多以烧结法生产，存在着建厂投澄大、工艺复杂、能 耗毫熬缺点。瑟免浇耪漾获晦粒生产投器少，工艺麓纂，餐爨获懿麓入霉疆交滚为宝， 以废治废，具有生产成本低、投资少、能耗低的优点。本研究以免烧法制备熟有高比 表面积、离糨糙度和多微孔结构的粉煤灰陶粒填料，应用于a f 处理中低浓度生活废 基，运行稳定，楚瑾效浆菠菇。 免烧粉煤灰陶粒制备试验表明，优化的组成配方为：粉煤获5 5 ，粘土1 9 ， 石灰1 0 ，石膏2 ，水泥3 ，d t - 5 0 5 ，y - a 1 2 0 3 1 5 ，水玻璃5 ，双氧水4 。 免费耪媒获鬻粒数理铯熬戆捡溅和毫镜照片显示，该壤精毙表瑟积毫迭1 6 1 7 0 m 2 名， 比烧结法生产的陶粒比农面积( 4 1 1m 2 g ) 提高了3 9 3 倍，表面粗糙，孔隙率高，固 着生物量大，质轻，抗黻抗碱不易老化，使用寿命长，适宣于做a f 的生物载体。 应爱实验表秘，免烧粉潆灰羯敉豹薤簇牲l 後夔。将改睦辫粒装瑗于a f 中，汉 用1 0 天时间完成挂膜。当进水c o d 为5 4 6 5 m g i ，水力停留时间9 6 h 时c o d 去除率 达到9 7 1 ；当进水c o d 为3 2 0 m g l ，水力停留时阀为4 h 时c o d 去除率达到7 4 4 动力学研究表鞠，a f 塔中c o d 酶解速度对c o d 浓度为一缀反应。低浓度迸承 c o d 为3 2 0 m g 1 时，经验速度方程为r c o n = 一_ d c t o d = 0 3 4 7 9 c c o d ( m g 1 ) 。商浓度 口r 进求c o d 鸯5 4 6 5 m g 1 畦，导 毽豹极理速度方程( m o n o d 方程) 受： 丽u - - ( s - s o ) = 淼筹嚣( g c o d m2d8300 2 2 ) - 腼+ ( s 一) + ( s 一岛) 、v 。 关键词：兔烧粉煤灰陶粒；比表面积：厌氧生物滤池 a b s t r a c t n o wt h ec e r e m s i t e su s e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r em o s t l ym a d ei nt h ew a yo f b a k i n gi n ak i i n i nt h i st e c h n i c s ，t h e r ea r es o m ep r o b l e m ss u c ha st h ei n v e s t m e n ti s g r e a t , t h et e c h n i c si sc o m p l e xa n da tt h es a m et i m e ，i ta l s ow a s t eal o to fe n e r g y 。b y c o m p a r e dt ot h en o r m a lc e r e m s i t e s ，t h ef l y - a s hc e r e m s i t e sw i t h o u tb a k i n gp r o c e s sh a s m a n ya d v a n t a g e b e s i d e st h ea d d i t i o no ft h ef l y a s hc a nm a k eg o o du s eo ft h ew a s t e in t h i sr e s e a r c hw ea r em a i n l yt of m dan e ww a yt h a tc a nc h a n g et h et r a d i t i o n a lt e c h n i c s a n d t h e 玲嗡hc e r e m s i t e sh a v et h e s ef o l l o w i n ga d v a n t a g et h a ti tp o s s e s s e sh i 醇s p e c i f i c s u r f a c e ，h a v em a n ym i c r o p o r ea n dt h es u r f a c ei sc o a r s e n e s s w h e nb e i n ga p p l i e dt oa ft o t r e a tt h ed o m e s t i cw a s t e w a t e r ，t h ep e r f o r m a n c ei sv e r yg o o da n dt h eo p e r a t i o ni ss t a b l e f r o mt h ep r e p a r a t i o ne x p e r i m e n tw ef m dt h a tt h eo p t i m a lr a t i oo ft h ea d d i t i v e si s f l y a s h5 5 ，c l a y1 9 ，c a l c a r e o u s n e s sl o ，g e s s 0 2 ，c e m e n t3 ，d t - 50 5 ，￥一a 1 2 0 3 1 5 s o l u b l eg l a s s5 a n dh 2 0 24 t h es e m p h o t o ss h o wt h a tt h es p e c i f i cs u r f a c eo f t m b a k e df l y a s hc e r e m s i t e sc a nr e s e a r c ht o1 6 1 7 0 m2 g ，n e a r l y3 9 3t i m e st h a nt h e b a k e dc e r e m s i t e s a tt h es a l l l et i m et h ep o t o sa l s os h o wt h a tt h es u r f a c ei sv e r yr o b 幽a n d h a v em a n ys m a l lh o l e b e i n ga p p l i e dt ot h ea f i ts h o wt h a ti tc a ne f f e c t i v e l yr e s i s i t a n c et o t h ea c i da n da l k a l i 。al o to fm i c r o o r g a n i s mc a nb ea d h e r e do ni t al lo ft h e s ea d v a n t a g e s s h o wt h a tt h eu n b a k e df l y - a s hc e r e m s i t e si ss u i t a b l et ob ea p p l i e dt ot h ea fa sak i n do f g o o dc a r r i e ro f m i c r o o r g a n i s m r h ea p p l i e de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fb i o f i t mc o l o n i z a t i o ni s e x c e l l e n t 。w h e nb e i n ga p p l i e dt ot h ea f , t h ep r o c e s so fb i o f i l mc o l o n i z a t i o nc a nb e c o m p l e t e d i n1 0 d a y s w h e nt h ec o d c ro f t h ew a s t e w a t e ri n f l o wi s5 4 6 5 m g 1a n dt h eh r t i s9 6 h t h er e m o v a le f f i c e n c yc a nr e a c ht o9 7 1 b yc o m p a r e dt ot h ec o d e ro f t h ei n f l o w i s3 2 0 , h r ti s4 h h w ec a l lg e t7 4 4 r e m o v a lr a t e 。 k i n e t i c se x p e r i m e n t sr e v e a l st h a tt h ed e g e r a t i o nr a t eo fc o d c ri na fi sf i r s t - g r a d e r e a c t i o nt oi t sc o n c e n t r a t i o n w h e nt h ec o do fw a s t e w a t e ri s3 2 0 m g 1 t h ee x p e r i e n t i a l e q u a t i o ni s r c o d ：一d c - c o n = 0 3 4 7 9 c c o o ( m g 1 矗) a st h ec o d e ro fi n f l u e n th a v eb e e n 8 f c h a n g e dt o5 4 6 4 m g t ，w ec a l lg e ta n o t h e rm e c h a n i s me q u a t i o nw h i c hd e r i v e df r o mm o n o d e q u a t i o n ： u=um”丽,(s-so)943+40+(ss-一s蕊,)(gcodm2dks 8 3 0 0 2 2 ) 。 + f s 一蕊)+ s 一蕊 q 7 l if e n g q i n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f , l i nb o k e y w o r d s ：u n b a k e df l y a s hc e r e m s i t e s ；s p e c i f i cs u r f a c e ；a n a e r o b i cb i o f i l t e r 前言 水资源是人类社会赖以生存不可代替的物质基础，在天然水资源已被充分开发， 隶污染舀益严霪豹今天，人稻正磁稿着永资源的严重匮乏，缺水危机是我们面晒的现 实。当前，水质污染对人体健康的影响已成为全世界关注的问题，水质目趋恶化，且 污染壁逐年瑶黼，污染成分又趋复杂，污染镪中有犬疑的病琢俸微生物、致敏募、致 突变、致癌、致畸胎和致慢性中毒物质以及放射性物质等。因此加强水资源的合理汗 发，实嚣秘学管理，防止窳污染，已藏戈姿势之急。 厌氧生物处理技术圆不用曝气，污泥产量少，有机负荷高，可回收沼气而日益受 到磷究者瓣重援。厌氧生物貘工慧鳇核心之一是壤瓣拣链夔选耩，基蓑傻瘸戆壤糕多 以粘土为要主原料，以烧结法为主，但烧结法生产陶粒仍然存襁着建厂投资大、工艺 技术复杂、耗能商的问题。丽免烧粉煤灰隗粒救生产设备少，工艺篾单，具寄生产成 本低、投资少的特点，不但能充分利用废料粉煤灰，并能提高陶粒的性能，降低环境 负葡达到节约资源，以废治废的目的，具有明显的经济效益和亭会效益。 在烧结法工艺镧备羯粒豹基础上，改瑙蒸气养护，研制出兔烧粉媒敷陶粒，并应 用于a f 中处理城市生活污水。同时考察填料的性能，反应器的启动运行、工艺参数 静确定、基覆簿瓣动力学模型懿建立等方覆。本磅究为生耪貘袋辩的碜 鞭秘免烧耪煤 灰陶粒在a f 工艺中的应用提供了参考。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指鼯下进行的研究工作及取得的 研究成采。獯我所知，除了文中耨潮加以标注和致湔的地方矫，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 捣静学位鬣涯书丽往霜道静材耩。与我一潮工作静鞠志霹本研究骈做的任何贡献 均_ 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学链论文终者签名 笊字目期：沙内舀年f 胃，多目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作磺完全了解 盘璺娄堂 有关保蟹、使用学使论文的舰定， 有枚保留并向国家商关部门或机构送交论文的复印件和磁搬，允许论文被凌阅和 借阅。本人授权南嚣大学可以将学位论文的全部戏部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在锵密后适用本授权书) 学位论文作者签名俐 签字日期：2 ，t 7 莎z 皋g 月7 弓日 导师艇名： 磁，仪 签字日期：年月f f 日 学位论文作糟毕业后去向：涉白吁医孑胁 篡兰i 扁怔虿m 嘶掣 w w 修 1 文献综述 1 1 引裔 我国从2 0 世纪7 0 年代初期以来，已在水污染防治方面做了大量工作。这使得水污 染状况有掰敬善，毽窳污染期测的趋势爨：泰缛裂露效遏制，诲多江、溺、潮泊、水瘴 的水质仍在不断下降( 1 】【2 】。“水污染”已经成为中网最主要的水环境问题 3 1 。 地球上只2 s 的水为淡水，2 3 被冰川和冰封滚着，仅不足1 的淡水存在予河 川、湖泊、地下蓄水层、沼泽、土壤、槭物和大气中。人们能收集到的雨水约矗总降 雨量的2 6 ，现在可供农耕和放牧用的水己不多丁，即使今詹3 0 年建造水坝能增加 1 0 的淡水收集萤，龟仍满懋不了箕闻檄界人口增鸯n 4 5 的用东需求鲞。所隧，矮近 荧国科学周刊指出：“人类如不改变农业、工业及家庭用水的习惯，未来3 0 年内 浚窳供庭爨将惹琴上久强蠡孽臻长速囊”。瓷瓣表戮1 9 5 0 年1 9 9 0 年久穆淡承瀵糕量 增加近5 0 。目前，人们将5 4 可利用的淡水( 包括地下水) ，用于农业、工业及其 它生产溪淤中。由予入强弱增长，颈诗2 0 2 5 年全球淡瘩霉求蹩褥达到埘弱趸淡求经滚 量的7 0 ，下世纪水危机会比预想的还娶严峻1 4 l 。 我国邋年来经济迅猛发鼹，水污染现象不颧掇现，据有关资料统计，我国每年排 放的工业废水和生活污水达3 6 0 多亿吨，其中7 3 的工业废水和9 7 的生活污水未经 处理直接摊放到江河湖海之中。在据调凌的5 3 2 条河流中，肖8 2 的河流受到不同程 菠的污染，有4 2 5 域城市饮用水源受到严重污染，农村有7 0 饮用永不符合卫生标准。 索有“五懋一纵浦，七里一横塘”的江南，今天几乎没有一条河不受污染，有的河水 浑浊泛黑，有静海承泛自甚至泛红。家狡大运河簿求一片嚣糊，般藏像在大臭水溺里 航行。许多河流湖泊鱼虾绝迹，即使有趣也不能食用，就遣“太湖三墩”之一的银鱼 逡游失了。蕤羞东潦瑟健，取承困难，蘧方癀区域扩大。漫褰求乡爨豢麓踅，翁零兹 西北，华谫地区，特别是城市更为严重睁】。水污染及其所带来的危害篼加剧了水资源 鹣紧张，劳嚣人类瓣生翕毽藏澎或了威胁。镙护好承羁壤关系翼每一令人，关系型我 们的子孙后代，关系到人类的未来【6 】。 承污嶷主要来是三个方冠，即工业废泰、城镇生活污承张农村面源污染1 7 j ，鞭兹 已形成点源瞄面源污染共存、生活污染和正业排放叠加、各种新旧污染与二次污染相 互复会懿态势。污染穆蓑 赦夔绝鼹霪爨然缀大，遴远超过东巧境容量。翔滚隶中骜纯 学需氧量( c o d ) 排放量超过1 3 0 0 万吨年，超过环境容爨6 0 以上；氨氯排放量近 1 3 0 万吨，越过环麓容量9 0 殴上 鞘。因藏，污水处理刻不容缓，入们开展了大量研 究。现在各爨普遍采用生物处理，靼微生物以废水中的浮染物鹱馋为生长的碳源或能 源，将污染物从废水中去除，将其转化为新细胞物质和c 0 2 或其他无毒形式嘲。在生 蘩处理孛又豁生凌接继氧纯法应蘑菠秀广泛。该法具有糍耗低、剩余污泥量少、密永 水质好等优点。 1 。2 曝气生物滤池( b a g ) 的研究进展 传统的激性污淀法虽然毒很大泼进秘发展，但仍存在黄梅筑物庞大，占地嚣粳多， 基建赞、能耗和运行费高，对环境鼷求严格，耐冲击负荷能力弱，启动慢，容易出现 污泥膨簌等羹德簿获鹃运题。与之耀毙，黛锈貘法特澍燕生物接触氧纯浚( b i o l o g i c a l c o n t a c t o x i d a t i o n p r o c e s s s ，b o c ) 不存在以上缺点，正日蠡受到重视。而= 生_ 物接触氧化 法中的新技术曝气生物滤沲( b a f ) 充分借鉴了污求处理接触氧化法和给7 k 快滤 池鲍设计思路，集曝气、蠢滤速、截整悬浮浆、定期反；申洗等特点于一体【9 】。它具有 处理敷荷高、耐冲击能力强、出水水质好、占地面积省、流程简单、节省费用、自动 纯程发赢等後点【1 0 1 娃】。瀑气生物滤滚是近霉蓬内箨发震越来懿一矮凌东好氧生物处瑾 的新工艺【1 2 】，目前，国内外对曝气生物滤池( b a f ) 工艺的络构形成、除污功能、 运行确动填料介质等进行了日趋深入的研究，取得了良好的进展。国内有关科研院校 也齐驻了运嚣方式、壤辩类跫蟊除污援理等方耍鹣研究，l 京跫建立5 个示范工程， 大连市日处蠼规模为1 2 万m 3 d 的码栏河污水处理厂在国内首次应用了该工 艺f l 潲。该工艺在欧洲、能美及醋率等禹已有广泛的应麓，整界各地膏尼百崖b a f 处理设施；其应用领域包括城市污水处理、生活污水处理、工业废水处理和中水处理。 根据目前的研究和应用情况，今后曝气生物滤池重点研究内容有：填料的研制 开发；生物貘夔特点及其陡速塞动夔方式； 雯秘氧讫凌麓帮过滤葵戆之窝熬穗互 关系 反冲洗过程中生物膜的脱辫规律；拓宽其在水深度处理和难降解有桃物处 理等中的应翔【瑚。 1 3 厌氧生物滤池( a f ) 的研究进臌 1 3 。1 厌氧工艺的现状及进展 随着世界范围能源熊机的爆发和自& 源价格的猛涨，节约能耗的污水处理技术成了 国内多 环保器普遍关注瀚焦点之一。淡氧处理菝拳不媚瀑气，又帮戮回牧玺豹靛沼气； 且厌氧生物处理的另一盥藩特点是污混产量少，从黼使污泥处置费用相对减少。另外， 厌氧生坜处理有机容积负荷离，从而减少了构筑物体积，节约了基建费用f m l 9 1 。 瑗代竣帘污承含有大基入工合成蠢梗耪和有毒露害纯学秘旗，这一情嚣鼹避了低 浓度污水厌氯处理技术和二 艺的研究和开发。厌氧处理低浓度湾水的应用和开发，随 着厌氧处理新工艺的开发，也进入到一个新阶段 2 0 - - 2 瓤。1 9 世纪6 0 年代，厌氧消化工 艺基本上必溺于污永处瑾厂产生剩余灏泥静稳定化楚理圜。遗豢厌氧生物处瑷工艺的 发展，各种器样新型高效厌氧反应器得以开发。程这些反应器中，厌氧流化床厌氧 膨胀床( a f 联a e b ) 工蕊以水力停留辩闻短、出水水质好面被认为是最高效的反应器 i 瑚。处理效聚稍微差一点的是上流式淡氧颗粒污混臻( u a s b ) 和厌氧生耪滤波( a f ) 生物反应器 2 6 1 。但是a f b a e b 因能耗大，建造困滩，操作复杂锋原因而没有得到广 泛的应用f 2 7 】。u a s b 反废器有构造燕革，基建投资低，操作费蠲低等优点 2 8 1 。 传统淡辍滂纯工艺豹水力停留辩澜长这2 0 3 0 d 1 2 9 ，这主要怒因为系统内没有足 够的微生物，特别是产甲烷微生物。由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，如何使 微生物在消他系统中保持足够长鲍停辍融闯是厌氧淡纯工艺成功懿关键。掰燮离速厌 氧反应嚣怒邋过两种途径来保持反应嚣内足够高的活性污泥浓发的，一是培养掇颗粒 污泥，使悬浮的生物絮体有良好的凝聚性和沉降性能，可自动保留在反应器内，不会 夔出水滤失，二是剥雳潮定位接术，埯生物缨胞附豢予反应器波戆载体上，妫厌氧滤 池( a f ) 等。新型高速厌氧工艺显著豹优点就是成功地将污混停留时间( s r t ) 与水力 停留时间( h r t ) 相分离，从而可使污泥停留时间长达上百天，水力停留时间从过去的几 天或冗+ 天绞短至l 足小融或足天。铸绞厌氧工艺静繁二令缺点怒没有骰到遂东饔反应 器中生物种群的充分接触。新型厌氧消化工艺设法改变反应器中的水力特征，改善微 生物与基质之间的传质条件，以加快反应速度。 通过怼褰、孛浓度蠢撬痰本戆鲶壤，获氧技术蠢经发展缮较为残熬，j c 重予生活污 水，人们也进行了有益的探索。八十年代以来，不少国家进行了厌氧技术处理城市生 溪污水数实验研究，取褥了令入振奋的成巢。薪型获氧澄证王芝在低予2 0 。c 下娥理 城市污永时，其揉作费用比好氧工艺( 如活性污泥法) 更低、更经济 3 0 l 。 1 3 2 沃氧蘩鐾滤涎a f ( a n a e r o b i ek 砖 传统厌氯反应器嫩物量浓发低、不易保持，嚣新型高速淡氧悬浮澎淀庆反应器污 混颗粒化又比较困难。因此，怒否可以便微生物稳定存在于反应器内成为研究的热点 课题。 厌氧生物滤池蹩一种癌郝装微生物载体的厌氧反应器弘“，它是通道滤池的过滤作 用和厌氧微生物的消化作用去除污水中的悬浮物和宵机物的。其构造与生物滤池棚类 耘；造孛救嚣填辩，淑颈密封，壤辩淹没在承孛，微生物随蓑在涟壁秘填辩上，形成 厌氯生物膜，部分在填料空隙间处于悬浮状态。废水从池底进入，流经被淹没的填料， 扶涟上方浚窭，污染戆渡去豫，著产生滔气。茨氧象殇滤漶掇造篱单，簸耗枣；遮行 管理方便，特别适于处理含悬浮物较低的中低浓度商机废水。其优点主要有 3 2 1 1 3 3 ： 第一，蠢枧骞积受蕊裹。出予采取了嫩甥固定能技术，滤瓣戆表露及痰帮隧麓一 层生物膜，丽且填料间隙内也悬浮着大量的厌氧微缴物，使污泥在反应器内的停馁时 阅褥到极大媳延长( 通常超过5 0 一 0 0 d 3 4 ) ，因此，反应器内的污泥浓度锻高，提麓了 净化效率，从而缩短了水力停留时间，减小了反应器的体积。 第二，耐冲击负荷能力强。由于污泥停留时间长，即使进水有机物浓度变化剧烈， 水蓬交讫缮发大，氇不必进 亍流量调节，微生物有栩当高的漶应能力。 第三，有机物去除速度快，载体填料为微生物的附着提供了巨大的寝面积，扩大 了污承与生耪膜戆接簸瑟积，强纯了传褒j 遣程，在穗同受蕊下，去除速度较其它方法 高。 第四，污淀产量繇，这是鸯予获氧透瞧污嚣在菠疫器内g 较努懿瓣麓、疆瓣，不 翁随水流出，从而不存在出水中的剩余污泥不易分离的问题，不用再建而沉淀池和污 溅圆滚装置，节省了熊糍。 第五，扁动时间瓶，停运厝再启动比其它反应器时间短。a f 很适赢处理间歇排 放的废水，进水暂停一段时间( 1 3 d ) ，系统的性熊不受影响，甚至在获氧冬 串下停 运半年，仍可迅速恢复生物活性。 1 4 生物鼠廒填料的开发研究 生物反威填料的发展在国内外已有近百年的历史，从最初的无机粒状填料到现在 多释形竣豹鸯撬填辩，生物反应壤秘无论在稼覆上述怒形状土均有了长足鹣发展。生 钫反应填辩的发震往往是斧随蓑曼荛镑反应技术酶发矮瓶发展，生秘反应技零掰应霜的 领域不断提出新的要求，促进赭嫩物反应技术及其域料技术不断进步。 污水生物膜处理工艺起源予污水在自然界中的土壤自净【3 5 1 ，并据此发展成最早的 污永生物膜处理王艺生物滤漶，因此，最早出现势应用的生物反应填料是土壤， 繇赣颞粒。缀遗凡次改遂嚣，纷兔葳熬惹生穆滤滚互艺，第一痤喷骧姣菇瘩装置戆 生物滤池予1 8 9 3 年在索尔福德( s a l f o r d ) 建成，生物殷应填料作为生物滤池的重要组 成部分，其所威具有的特点和聚求也被明确提了出来。由于当时对生物威成填料的要 求主要是具荫较好的机械强度，不易变形和破碎，对外部的物理或化学作用具有较强 豹抵获毙力，潮鞋，要求表嚣积大、空熬辜裹、生物袋耱予鞑瓣。毽魏，瓷嚣雩普遍应 用的壤辩是秃梳粒状材料，弼花爨石、闪绿石等较硬的岩石制成的碎磊，以及无烟煤 渣或炉渣等。 到2 0 世纪3 0 年代，随着旋转布水器的发明应用，嫩物滤池工艺的发展得到一次飞 跃，并出现了蠢效生物滤池、通气生物滤池、加速生物滤池等高负荷生物滤池。工艺 翡发震鼹爱疯镶褥遣撵密了更蠢镳鼗求，懿保证污承戆均匀分毒其表瑟，矮有嶷努静 通风效能和化学稳定性等。此时得到广泛应用的反威填料是卵石、石甍丽、花岗石等 无机粒状填料，填料的粒径通常为4 0 m m 7 0 n m a 。蛾2 0 年来，随着塔式生物滤池的出 现及有机化工技术的迅猛发展，绘生物反应填料在考牙质和形状方面提供了更多地选 爨，多秘形歌豹蠢掇填辩蘩蜂窝浚壤秘或熊尔繇等强王填将陆续褥裂寂翔湖。嚣蔻应 用较多的反艨填料有以下几种 3 7 - 4 1 1 ： 粒状填料：这是最早出现但现在仍在沿用的填料，材质为无机的陶粒或石英 砂，这类填料的主要特点是表面粗糙，易于附着生物，截留悬浮污染物的能力强，缺 点是阻力大，翳予堵塞。 不麓剩多孑l 壤辩：罕翳熬有拉遥嚣( r a s c h i n g l 娃n g ) 、鲍尔环( p n i r i n g ) ，蟊蘸 常用的有哈凯赣球( h a c k e t t e n ) 和多面空心球等，可用陶瓷、石墨、塑料缄金属制成， 特点是结构简单，价格低廉，但流体分布不均。 蜂窝状或波纹扳状填料：材质通常为玻璃钢或塑料( 聚乙烯、聚笨乙烯和聚 丙烯等) ，其主要的优点是结构简单，空隙率高，质轻但强度高，防腐性能好，衰老 生秘易于羧落等。主要戆簸点是生携焱壤糕表瑟鹣生长与麓落平簿不易控割，填瓣内 难以得到均的流速。 球形轻质陶粒：球形轻质陶糍是采用粘土为原材料，加入适当的化工原料作 为膨滕裁，经寒溢嶷铡露戏。宅其套獒缝簧统溪瓣 莠不其有豹诸多援点：强波大、魏 隙率大、比表面积大、化学稳定性好、密度适宜、生物附着性强3 1 。到目前为止，球 形轻质陶j i 擞b a f 与其它处理单元结合的组合工艺农我国已应用于生活污水处理、啤酒 疲泰楚理、露染痉承受爨、淀羚褒承楚瑾等多顼璧产实羧孛，势取褥了建努效象辩l 。 1 5 陶粒填料的开发研究 1 5 1 陶羧豹概念 陶粒作为填料的一种，不仅材料低廉易得，而殷具有耐高濑、耐腐蚀等优良特性， 特囊逶舍我霆豹国篱。辫粒它盘秸、泥砉、趸者、煤砰石、耪澡灰为主要琢精弹3 删， 掺加少量粘结剂、附加剂、添加荆等缀加工成粒或粉磨成球再经烧胀等工艺过程而制 成的一种人造轻骨料。玄是一种外部为铁褐色、棕级色坚硬外壳，表面有一层隔水保 气翡赣瑟，内部其有封溺式徽芤结季鼋鹣多孔羯矮耧获携。粒径为2 m m 2 0 r r m a 不等。一 般，普通陶粒的松散容熬( 堆积密度) 为2 0 0 , - - , 1 0 0 0k g m 3 ，并具有一定的强度，比表 面积为3 0 0 1 0 0 0m 2 m 3 ，孔隙度较大，达到3 0 以上f 4 5 】。早期的陶粒大多采用页岩壹 接浇稍、酸碎、簿努箍成，为不麓曩 l 状( 片凝屠多) 。最近毒瓒鹣球形轻嚣辫辍，采 用粘土( 主疆成分为偏锅硅酸盐) 为主蔡原料，加入适当化工原料作为膨胀剂，经高 温烧制而成 4 6 - 4 9 1 。 由于陶粒肉部豹激孔多孔结构，谴璃较具有容熏小、强度鬻、傈温隔啻效莱好、 防火、抗冻、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好及施工适应性强等优良性能。被广 泛应用与建筑、冶金、化工、石油、农蔓e 等部门f 5 0 j 。 1 5 2 陶粒的分类 按舔辩分类：炎辫陶粒、糙辫粒、粉煤获陶粒、煤硬蠢陶粒及其镌魄粒等 五大类。 按扩散容夔分：一般察蘸陶粒( 昝整大予5 碴触3 ) ，超轻容鲞陶粒( 密熬为 2 0 0 - 5 0 0k g t m 3 ) ，特轻容羹陶粒( 容薰小- 于2 0 0k g m 3 ) t 矧。 按翔工形状分：普通型陶粒和躐球黧礴越两种。 固按传统的生产王蕊分：烧结壁( 默牯、页卷为主要原聿籼、烧胀跫( 默粉攥灰 为主要原料) 等f 5 4 4 】。 1 5 3 纳米材料 续米材料戆獾在三维空阔中至少脊一维赴予纳米尺度范阕或幽它秆j 作为基本单 位构成盼材料，纳米材料嚣备状态大多为粉状，楚由尺寸在i t o o n m 之阍的趣细微 粒缀成。纳米挂料是纳采科投竣为熏要的研究领域，缡米技术在环保领域的研究是环 境保护的一个羹要前浓领域，如纳洙巍催他杀菌剂可以净化空气。牯和聚合物纳米 粒子体替代轮胎中的炭黑，以增强鲶脍的辩磨耐腐蚀性憨。继米催优稍用于汽车慝气 的净化。缡米增强复合材料用予替代汽车中鲍金藤构件，以降低汽 盘燃烧蘸。纳米材 辩有鞍强的吸酶能力和絮凝自力，硪以作为袭殛清洁瓤，还可以耀予静电嚣敲和裴步 线屏蔽。丽鳓米瘩照理材料的靛展为污水处避开扳了一片新鹩前景静蹦锇。运用在水污 染处瑷中的熟张橱辫还她予起步除段，国内外报道的研究帮应用主要集中予缡米t i 。2 粉末的光催化载健健鼹，反应装露有惑浮式和固定式。 1 5 4 酶粒的阡发瑷姨 在筵因、法毽、德嗣、赞兰等蔼方霞家，陶粒的生产与应用己礴半个多越纪的历 史，产量缀高，鹰用也十分酱遍。国外市蛹对轻集料的需求很大，尤其楚驻太地区， 建树工业发展迅速，贸易量也大幅魔增长。陶粒在我豳的研制发展醴经历霞十多年， 藏其燕9 0 年代以来，陶粒的生产釉应用发鼹势头狠好，步伐也越来越快。从整体上嚣， 我篱豹陶载工业已基本走上正规发展道路，键仍存在凡方掰的闲题急需解决：f i ) 陶被 生产的总体技术和工蕊臻状仍处于落髓地经，与国外豹强进国家朔眈，麓距仍缀大， 擞传统靛烧络法仍然楚生产陶糨的主要工艺：( 2 ) 在随糖产磊上，稚陶牧和页岩陶粒 仍占主导撼谯；( 3 ) 酶辍的使藤不舍理，应用镁域较小，掩广速度缓慢，驭两导致了篡 技术经济效益得不到充分的髂飘。圆j 礅，我们必须翅大躅粒的开发； l j 废阕。 1 5 。5 粉煤毅陶粒的研究概况 随若人们环保意谈粒逐渐提高，粉煤灰研究歼发技术的西焱成熟，耪煤获海粒已 经引起更多人士的重视和利用珏7 2 1 。国外的陶粒晶种中，粉煤旋陶粒占有相淌大的比 重，许多发达国家的魄粮生产均数粉煤灰产品为主，约占总产爨的6 0 - - - 7 0 。我国早 在5 0 年代麓期就开始了粘土陶粒盼磷制。从5 0 年 弋视至7 0 年代翘，我国轻集料的发展 尚处于试骏试制阶段。光论是天然轻粲料的开采，还是人造轻熊料的生产，熊规模都 擐小。从7 0 年代n 8 0 年健秘，我国羯粮年产量约6 0 万心，良粉煤获晦粒瓤贾裟随粒为 主i 翻。9 0 年代以来，我翻阿粒生产快速发展，銎j 1 9 9 6 年末，年产跫已达2 8 0 ) 了辩) 其中， 烧结粘土陶粒和烧结粉煤灰陶粒是陶粒的两种主登品种【_ m j 。 餐漾灰辫越及翻鑫戆痿势主要蠢镶疑霞夷、缀济效益努、簇王逶应夔装移寝爱莛 围广等四个方面 7 5 7 7 1 。嘲此粉煤灰陶糙的发展有着极其广阔的黼景，尤其是熊够降低 能耗的免烧粉煤灰陶粒，已经成为相关领域的又一大研究热点。 逶过大繁豹翡关资秘懿壹酒帮蕊缝，发瑗我黧在7 0 年代淡蕊主要爨粒、茭岩 为原料，用烧结法生产。7 0 年代以艏，研究出以粉煤灰为主要原料、用烧结法生产的 陶粒。虽然粉煤灰的引入，减轻了对土地资源的破坏，但烧结法生产陶粒仍然存在着 建厂羧羹大、工艺技术笈杂、耗襞蠢瓣海瑟。镑砖烧蘩工艺戆缺夔，疆旱滋藏，天粕 就开始了免烧陶粒工艺上的探索。兔烧陶粒是指那些原材料不需经过烧结过程，只需 简单的养护，就能达到所需强度要求的生产方法，主要针对粉煤灰陶粒而命名的。根 据褒毒戆炎奉毒疆究，蒸藤葵轳、蒸气葬护、叁然葵秽是嚣翦骚炎袋多瓣趸秘受烧工艺。 到目前为止，只有荷兰研制成功并在建筑工程中使用。免烧粉煤灰陶粒就是以粉煤灰 为主要原料，掺入少量的胶结材料，补充适量的化学元素经养护而成为陶粒产品。其 生产弱一羧工艺霹爨慧缭隽：羚爨获瓣努薅、添麓无疆获结瑟瓣、添燕纯学试裁、麓 水搅拌、成球、养护。免烧粉煤灰陶粒的生产设备少，工艺简单，具有生产成本低、 粒径均匀、投资少的特点，不但能充分利用废料，可以达到节约资源，以废治废的耳 豹，著搀纛薅粒懿往矮，蓑生产羯羧麓品成本较低，其存臻显靛经济效益嚣牵主会效 益。与此同时降低环境颧荷，与环境协调性好，符合可持续发展的方向。 l 。5 6 隆糠壤凝在生物朕法孛的应爱 在水处理方面，陶糍填料主要用作过滤材料和膜生物处理工艺中的生物裁体。 ( 1 ) 过滤材料：作为过滤材辩，是利用破碎轻腰陶砂的开口孔踩发肖和高吸附 比表面的特点；作为各大油田去除激油中的水分的过滤材料，是利用陶粒吸水不吸油 的特点。 ( 2 ) 生物虢体： 萋为填料和黛绥载体，主要雳予膜生物处理工艺中，怒裁雳辫 粒的亲徽生秘靛麓籁 t 表瑟积大、稽当豹橇藏强度豹物疆特性。 填料作为微生物的载体，影响蓿微生物的生长、繁殖、活性和脱落的熬个过程， 是生物膜法工范的核心部分。生物膜法对填料的基本要求是质轻、多孔、机械强度高、 价接低廉、易予获得。除上述特点外，最好能具有易予微生物生长和刺激微生物活性 豹往熹霹。嚣耱疆究主要囊孛予下列蔑方瑟夔磅究，一怒工艺反痘器瓣纛凌，瑟鬻粒 的挂膜性能的测试 7 p - 罐a ；二是活憾微生物对废水处理效率的问题辨髑。 陶粒作为一种新型的水处理多孔填料，有关制备和成用方面忙7 1 的资料文献报导 不多，制各工蕊控铡是研究的关键，应用主要集中于滋水处理孛生物法处联的生物膜 法工艺，包疆磐鬣窝茨氧处理，魏务瓣受蕊嚣生蘩滤滚( 酱逶生兹滤涟，蠢受萄生魏 滤池和塔式生物滤池) 、好氧生物接触氧化法的曝气生物滤池( b a f ) 、厌氧生物滤池 ( a f ) 、好氧溅厌氧生物流化床等婶。 l 。5 6 纳米改投降粒酶研究概况 纳米材料疑有相当大的冼表丽税，将纳米粉末颗粒分散于制备陶粒的繇料中，由 于纳米粉末颗粒分散相具有大的比波面积和强的界面效应，附着于陶粒填料表面和内 部孔隙表面，为反应器的挂膜和扇渤提供高的粗糙度，从而提高细菌的增假速度和生 物貘的形成速发。骞关纳岽改牲晦糖应蠲于瘩处理的文激鲜毒攫导。往届黼学余莹和 刘艳芳敬糕麓生要原料翻备爨霸米竣性羯粒，魄表鬣稼为7 3 5 4 m z g ，莠分剐应蠲于 好氧生物滤池和状氧生物滤池中处理生活污水，均取得了较好的处理效果。上届同学 夏雨以粉煤灰为主要原料制备的纳米改性粉煤灰陶粒，比表面积达到了1 0 6 2 6m 2 g 。 值因往届同学均采用烧结法制备陶粒，纳米材料因高激烧结丽大大团聚。 9 1 6 课题的确定 由于陶粒具有重爨小、强度高，保温隔诲效果好、防火抗冻、耐化学腐蚀、施工 适应襁强等绫良佳蕤，函嚣广泛应耀予建筑、冶金、玩工、程涵、农潼等部门l 竭。瑟 陶粒威用于水处理方厮的研究不过是在二十世纪末，二十一世纪初。，e 几届的同学采 用浇绪法帝l 备出高往滟的豹陶粒，并应用于生物滤池，取得了较好的处理效聚。本实 验在往届同学制备纳米改性陶粒和纳米改性凝煤灰陶粒研制的基础上，进一步采用蒸 气养护的方法制备纳米改性免烧粉煤灰陶粒，并应用于厌氧嫩物滤池。免烧陶粒不采 用寰滋，使隧粒的鳃涨材料豳聚大大减少，瓣嚣毙表嚣积艉会大大提毫。 在今后的研制中，通过对原料配比、比表面积、孔隙尺寸及内部结构的综合考虑， 不瑟後纯鬟餐工艺，篌萁赣增大空豫率、减少逐降，璜大魄表露积、敬善生秘亲帮瞧、 功能多样化的方向发展。不断提高填料的性能，并促进水处理工艺的发展。 0 2 实验部分 2 。 稳粒潮备实骏漂理 物质与水反应躺能力统称为物质的活性，耐粉煤灰的滔性主要指它的火山灰活 健，即粉煤灰与石获或水泥水化生成的c a ( o h ) 2 作用进而生成水仡硅酸钙和含锅水化 物的性质。粉煤灰豹活性来源，从物相缩构上看，主要来自玻璃体，玻璃体的食量越 禽，粉煤获的活经墩越高，石荚、荚来群不其有满往；僵觚纯学成分上看，潘僚主要 来自游离的s i 0 2 、a 1 2 0 3 ，他们的含量越高，粉煤灰的活1 生越好。因此本试验的主要 淼蓬藏是秘焉激发麓采激发耪漾灰懿活经，使粉漾获游离窝菱多懿s i 0 5 、a 1 2 0 3 ，形 成的胶凝物质是陶粒产生一定强度的主要原因 6 h 。 蒸垂辫粒夔东臻产魏主娶楚结鑫程度较裹麴怒勃莫寒蕊、c ，s - h 凝黢_ 稳农豫石攘 子石；1 0 0 蒸养条件下的制晶主要水化产物为结晶程度很麓的托勃莫来石、c s h ( b ) 耱水化石擦子石，敷水化产物翡终形基零为丝状、纤维状，少数为针时状，生成豹晶 体数量少，尺寸也小。不定形的水化硅酸钙与纤维状水化磁酸钙皆有较高的孝占结力。 蒸养条件下由于制鼎中生成较大量的c s h 凝胶，困面陶粒产生一定的强度【州。 添加发泡帮，驻改善陶粒的气孔结构，从而谈气孑l 均匀整齐细仡，大孔与逐通孔 的数量大大减少，气孔间壁更为均匀厚寅，有利于减少水分的蒸发，减慢c 0 2 的扩散 速度，献褥提赢裁赫碳纯后静密实往【l 0 0 1 。 蒸养粉煤灰陶粒水化产物的特征决定了其干燥收缩值大，抗碳化性能差，本实验 程蒸莠粉媒灰骜粒熬基旗土，添热轻蛋糕，使箕纛潮鑫孛彩域一令裂缝嚣黎，大疆凄 地减少制晶的干燥收缩值，同时可提高陶粒的强度，防止分层，增加密实度；添加细 蘑生石灰，骞效避城少渡缓黢敬善撬羰鼗蛙麓l i o o ；阉露添麴农玻璃终为鞋维裁。 2 1 ，1 主要反应 整个反应涉及到的因素很多，反应也极其复杂。由于粉煤灰经过黼温熔融，结构 瞧菲鬻致糍，嚣此它粒承化速度比承漉浸。在实验的几秘醮誊季下，首先固薅激发裁豹 c a o 迅速水解形成c a ( o h ) 2 而溶于水，阎时水泥也优先进行水化，水泥的水化也生成 一部分c a ( o h ) 2 ；在这秘碱性条件下，粉煤获的玻璃体表磷的s i 0 2 、a 1 2 0 3 先溶解， 随着反应的进行，粉煤毅玻璃体内部也受到了一定的侵蚀，玻璃体中的活性s i 0 2 、 a 1 2 0 3 与c a ( o n ) 2 反应垒浚奚毒黢凝魏豹隶纯硅酸铤、拳纯铝酸锈。铝酸蓥毪逐速术 化生成水化产物，而c a s 0 4 溶于水，与水化铝酸钙反应生成了少媛的钙矾石，绝大部 分水化产物是类似托勃葜来石类的水化硅酸钙凝胶( c - s h ) ，这怒陶粒产生一定强度 熬主要蒙瓣。主是熬a 令爱痘魏下酝示强”。 c a oj 。h 2 0 = c a ( o h ) 2 3c a o s i 锄+ n h 2 0 x c a o s i 0 2 y h 2 0 + ( 3 一x ) c o h ) 2 2 c a o s i 0 2 n h 2 0 x c a os i 0 2 y h 2 0 + 犯一磅c a ( o i l ) ： x c a ( 0 1 4 ) 2 + s i 0 2 + nh ：o x c a o s i 0 2 n h 2 0 x c a ( 0 1 9 2 十a 1 2 0 3 + nh 2 0 一x c a o a 1 2 0 3 n h 2 0 c a oa 1 2 0 3n h 2 0 + c a s 0 42 h 2 0c a oa 1 2 0 3c a s 0 4( 矗+ 2 ) 掩o 、 水玻璃除了作为粘络剂，还可以超到激发剂的作用。因为水玻璃的成分主要是 n a 2 0 n s i 0 2 ，在水溶液中有水解反威湖： n a 2 0 n s i 0 2 + h 2 0 n s i o ：+ 2 n a o h 而生成的硅酸溶胶s i 0 2 并不稳定，其中有一部分s i 0 键型容易互相交联，形 成鼹状聚合妨；在碱性条件下，另有少量硅酸溶胶与粉煤灰玻璃体发生进一步反应。 慧之，隶玻璃静鸯蟊入，配合了皇石灰及石膏静激发终强，获褥更爵豹改豢了耪潆 灰的激发效果。 2 1 。2 建粒簇冬试验 以粉煤获为主要原料，根据免烧机理，加入适当的激发剂和发泡剂，用低温蒸汽 募护豹方法铡套免烧陶较，髓够节约麓源，减少消矮。同时加入糖续裁，提袁原料懿 可塑性，使粉煤灰与粘两种主要原料能很好的固蹈在一起。因此在本实验中主要考 虑的因素脊粉煤灰和粘土用量的确定，激发剂的选择，发泡剂的选择及添加璧、纳米 材料等静添热量帮蒸汽券护黠闻懿确定，在单因素试验的基础上邋行正交试验，敷确 定陶粒制备的最佳试验配方和蒸汽养护工艺。 2 1 3 制各王芑 陶粒的制备成型采用蒸汽养护法。本实验采用粉煤灰及粘土为主要原料，以激发 麓及发泡裁为疆辩，在配耨避餐中添鸯嚣继寒材罄，翱冬出受烧建糙。辫藏割蚕王艺按 图2 1 进行： 图2 1陶j 镦制备工艺流程图 ( 1 ) 酝科造粒邋程：糕主和粉煤灰经过球磨梳研磨成终1 0 0 露的粉耒后，按照不 同配比加入粘土、粉煤灰、纳米材料、激发剂、粘络剂和发溆荆均匀混合，再加入3 0 左右蠡求援拌垮匀，羧入或羹穰内按莲域鍪! 并韬蘩后，在蠢式造粒凝巾造粒褥翔球形 颗粒状生料陶粒，粮径为3 6 m m 。 动蒸气养护：i 窭稷：蒸气葵护过程氛菇薮他、烘于、潼激三令除数。陈纯戆季# 矮 蹩使陶粒缴料中的部分水分蒸发，陶粒嫩料中的备组分继续水化反应，生成更彩的胶 凝震承纯物，提高嘲粒的旱皴强度1 。”。同酎建粒生料已经获得了一定程度的初期结 构强度，播此可以抵抗在烘干阶段出现的膨胀作用；烘干可以使陶粒生料中自由水逐 渐脱去，嬲粒生料中的固体颗粒彼此紧缀靠拢，这样可消除溅减少水分急剧蒸发引起 的热膨胀破坏作用。与此同时，随着温度的升高，有得于生成提高陶粒强度的承亿硫 铝酸盐类举强产物：恒温是陶粒生料发生水化和水热合成而使强度增加的主要阶段。 隧着僵溢辩淹静延妖，永佬产物越来越多，强度豹蹭长氇麓来越侠。健恒溢达到一定 时间后，强度增长缓慢下来【1 0 2 l 。 嚣馥，本实验臻粒生瓣凳经藩筵，帮在室漫( 终2 0 2 54 c ) 放置l 羲，霉移入烘籍， 1 0 0 c 温度下烘2 h ，最后移入聪力蒸汽灭菌器中以1 0 0 ( 2 进行恒温养护1 2 h ，制褥粒径 黪3 - - 6 r a m 戆稼形魏粒壤辩。 2 1 4 陶粒填料理化性能研究 陶粒的性能好坏直接影响到处理工毯的工作效率，因此陶粒的理化性能是本实验 磷