（环境工程专业论文）新型免烧陶粒的制备及其对生活污水处理的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本论文以粉煤灰、水泥为主要原料，以膨胀珍珠岩为轻质材料，以生石灰和石 膏为激发剂、以水玻璃为粘结剂，并加入使其比表面积大大提高的有机高分子成 孔剂，通过蒸养方式制各了具有高比表面积的新型免烧陶粒，并研究了原料的最 佳配比与工艺条件。将新型免烧陶粒和普通陶粒应用于曝气生物滤? g ( b a f ) 中，进 行生活污水处理的对比实验，比较了两种陶粒的性能。 通过单因素分析和正交实验，确定了新型免烧陶粒的最佳制备配方为：粉煤灰 7 1 、水泥1 0 、激发剂为1 0 、轻质材料7 、有机高分子成孔剂2 ，另外每 1 0 0 9 原料用水3 5 m l ，水玻璃1 0 9 。在选定粉煤灰、水泥、水玻璃的条件下，对激 发剂、轻质材料、有机高分子成孔剂进行正交实验。结果表明，对新型免烧陶粒 的综合指标影响大小顺序为：成孔剂 激发剂 轻质材料。 新型免烧陶粒的最佳制备工艺条件为：在室温2 5 。c 左右放置1 h ，再移入烘箱 1 0 0 。c 温度下烘2 h ，最后移入压力蒸汽灭菌器内，以1 0 0 。c 进行恒温养护1 0 h 。新 型免烧陶粒理化性能检测和电镜照片显示，其比表面积1 2 7 4 m 2 儋是普通陶粒比表 面积的3 1 0 倍、抗压强度3 9 9 m p a 、堆积密度0 6 9 9 c m 3 。 将新型免烧陶粒和普通陶粒分别应用于曝气生物滤池进行生活污水处理的对 比实验，实验结果表明最佳工艺条件为：气水比为3 ：1 ，水力负荷o 8 m 3 ( m 2 h ) ， 水力停留时间为0 7 5 h 。采用新的挂膜方式，在挂膜第6 天，两曝气生物滤池c o d 去除率为8 4 ( 新型免烧陶粒) 、7 9 ( 普通陶粒) ：b i h 3 - n 去除率为8 9 4 ( 新型免烧 陶粒) 、8 7 2 ( 普通陶粒) ，说明两曝气生物滤池均完成挂膜。 曝气生物滤池正常运行的结果表明，曝气生物滤池对c o d 的最高去除率为 8 8 5 ( 新型免烧陶粒) 和8 2 9 ( 普通陶粒) ；对n h 3 一n 的去除率分别为9 7 2 ( 新型 免烧陶粒) 和9 3 6 ( 普通陶粒) 。实验结果表明，新型免烧陶粒对c o d 和n h 3 一n 的 去除情况均比普通陶粒略好。 曝气生物滤池正常运行实验结果表明，c o d 去除率在滤料层0 - 4 0 0 m m 段效率 最高；n h 3 n 去除率在4 0 0 8 0 0 m m 段效率最高；实验在第7 天进行反冲洗。 关键词：新型免烧陶粒；有机高分子成孔剂；曝气生物滤池；生活污水 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o n sc o n t e n t sw e r es h o w e da sf o l l o w s ：f l ya s ha n dc e m e n tw e r eu s e d a sm a i nm a t e r i a l ；e x p a n d e dp e r l i t ew a su s e da sl i g h tm a t e r i a l ；l i m ea n dg y p s u mw e r e u s e da sa c t i v a t o r s ；w a t e rc l a s sw a su s e da sb i n d e r ；t h ed o s eo fo r g a n i cp o l y m e r si n t ot h e p o r ew a sa d d e di n t on e w n o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c st og r e a t l yi n c r e a s e ds u r f a c ea r e a t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o nc o n d i t i o nw a ss t u d i e d t h en e wn o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c s a n dt h eg e n e r a lc e r a m i c sw e r et a k e na sf i l l e r si nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) t ot r e a t s a n i t a r yw a s t e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t w ok i n d so fm e d i aw e r ec o m p a r e dt h r o u g hc o n t r a s t e x p e r i m e n t t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o nc o n d i t i o no fn e wn o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c st h a tw a s d e t e r m i n e db ys i n g l ef a c t o ra n a l y s i sa n do r t h o g o n a le x e r p i m e n t si s71 o ff l ya s h ，10 o fc e m e n t ，7 o fe x p a n d e dp e r l i t e ，10 o ft h ea c t i v a t o r , 2 o ft h ed o s eo fo r g a n i c p o l y m e ri n t ot h ep o r e ，a d d i t i o n a l ，a d d i n g3 5 o ft h ew a t e ra n d10 o fw a t e rg l a s si n e a c h1 0 0 9r a w t h eo p t i m a lt e c h n o l o g c i a lc o n d i t i o no fn e wn o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c si sp l a c e d lh ；i n t od r y i n go v e ni n10 0t e m p e r a t u r e2 h ；10 ho fs t e a mc u r i n gt i m ei nt h es t e a m s t e r i l i z e r u n d e rt h ec o n d i t i o no ff l ya s h ，c e m e n ta n dw a t e rg l a s ss e l e c t e d ，a c t i v a t o r s ， l i g h t w e i g h tm a t e r i a la n dp o r ef o r m e rw e r eu s e do r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h ei n f l u e n c e o r d e ri s ：p o r ef o r m e r a c t i v a t o r s l i g h t w e i g h tm a t e r i a l t h en e wn o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c sa n dt h eg e n e r a lc e r a m i c sw e r et a k e na s f i l l e r si nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rt ot r e a ts a n i t a r yw a s t e t h es i x t hd a yw h e nt h e e x p e r i m e n tw a gr u n n e d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft w o k i n d so ff i l t e r sw a sc o m p a r e dt h r o u g h t h ec o n t r a s te x p e r i m e n t r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d o ft h et w ob a fw a s ：8 4 ( n e w n o n - b u r n e df l ya s hc e r a m i c s ) ，7 9 ( g e n e r a lc e r a m i c s ) ；r e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3 二n w a s 9 8 4 ( n e wn o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c s ) ，8 7 2 ( g e n e r a lc e r a m i c s ) ，t h a te x p l a i n t h a tt h eh a n g i n gf i l mo ft w ob a fh a dc o m p l e t e d p h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n ds e mp h o t o g r a p h sw e r es h o w ：s u r f a c ea r e ai s 1 2 7 4 m 2 gt h a ti s3 1 0t i m e so ft h eg e n e r a lc e r a m i c s ；c o m p r e s s i v es t r e n g t hi s3 9 9 m p a ； i i p a c k i n gd e n s i t yi s0 6 9 9 c m 3 t h r o u g ht h en o r m a lo p e r a t i o no fb a fm e a s u r e dr e s u l t s ，o p t i m u mc o n d i t i o ni s ：3 ：1 o fg a sw a t e r r a t i o ，0 8 m 3 ( m 2 h ) o fh y d r a u l i cl o a d ，0 7 5 ho fh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e 0 n t h i sc o n d i t i o n ，t h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo fc o d o ft w ob a fw a s ：8 8 5 ( n e w n o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c s ) ，8 2 9 ( g e n e r a lc e r a m i c s ) ；t h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo f n h 3 。nw a s9 7 2 ( n e wn o n b u r n e df l ya s hc e r a m i c s ) ，9 3 6 ( g e n e r a lc e r a m i c s ) s o n e wn o n - b u r n e d f l y a s hc e r a m i c si sm o r es u i t a b l e f o rm i c r o b i a l g r o w t ha n d r e p r o d u c t i o n t h r o u g ht h en o r m a lo p e r a t i o no fb a fm e a s u r e dr e s u l t s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o do ft h ef i l t e rl a y e ri no - 4 0 0 m ms e c t i o ni sm o s te f f i c i e n t ；r e m o v a le f f i c i e n c vo f n h 3 。ni nt h es e c t i o no f4 0 0 8 0 0 m mi st h e h i g h e s t ；e x p e r i m e n tc a r r i e do u ti n t h e b a n c w a s hi nt h es e v e n t hd a y k e y w o r d s ：n e wn o n - b u r n e df l ya s hc e r a m i c s ；t h ed o s eo fo r g a n i cp o l y m e r si n t ot h e p o r e ；b i o l o g i c a la r a t e df i l t e r ；w a s t e w a t e r i l i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 水是生命之源，地球上一切生命以及人的生活、生产都离不开水，没有水生 物就无法生存，水是宝贵的自然资源之一。据水文地理学家的估算，地球上的水 资源总量约为1 3 8 亿m 3 ，其中9 7 5 是海水( 约1 3 4 5 亿l ( 1 1 1 3 ) ，淡水只占2 5 ，而 且大部分分布在南北极，以冰和地下水的形式存在，适宜人类利用的仅为0 0 1 。 目前，我国水资源总量居世界第六位，但是因为我国幅员辽阔、人口众多，所以 水资源相对来说是比较贫乏的。我国的年平均降水量仅6 2 8 m m ，比世界平均水平 少2 1 5 ；径流深度为2 7 6 m m ，比世界平均水平少1 2 ；而按人均占有量计算， 仅是世界人均占有量的四分之二。因此，我国属于水资源短缺的国家，我国的水 资源无论是空间上还是时间上都分布不均匀，总体分布呈东多西少、南多北少的 格局。 随着全球工业化、城市化和农业集约化的发展以及全世界人口的剧增，导致 了全球水污染的日益严重，并使全球的水循环在一定程度上发生了改变，从而导 致了全世界的水危机。我国水污染主要来自三个方面，工业废水、城镇生活污水 和农村面源污染，目前已形成点源与面源污染共存、生活污染和工业排放叠加、 各种新旧污染与二次污染相互复合的态势。污染物排放的绝对量很大，远远超过 水环境的容量。如废水中的c o d 排放量超过1 3 0 0 万吨年，超过环境容量6 0 以 上；氨氮排放量近1 4 0 万吨，超过环境容量9 0 。 因此，污水处理刻不容缓，我国的污水处理事业近二十年来取得了迅速的发 展，但仍然滞后于城市发展的需要。根据国家环保总局( ( 2 0 0 6 年中国环境状况公 报1 1 】：2 0 0 6 年我国大部分江河湖水域受到不同程度的污染，国控网七大水系的 1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为 4 6 、2 8 和2 6 。其中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污 染，辽河、海河为重度污染。主要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和氨氮。据 预测【2 1 ，至1 2 0 1 0 年底，全国将建成城市污水处理厂近千座。这些污水处理厂的建 设，极大地提高了城市污水的处理水平，但处理量的增加仍远远滞后于污水排放 青岛理工大学工学硕士学位论文 量的增长，两者之间的差距还有进一步拉大的趋势。 煤是世界上储量最大的矿物资源之一，也是世界上重要的一次性能源。在全 世界的煤耗中，燃煤发电占很大比例。中国是世界上最大煤炭生产国和消费国， 也是世界上几个能源以煤为主的国家之一。煤炭在中国经济社会发展中占有极其 重要的地位。、 粉煤灰是热电厂在燃烧煤炭的过程中产生的固体残渣。而且就目前来看【3 】， 电力工业发展仍以火力发电为主，这意味着粉煤灰的排放量仍将继续急剧增加。 在欧美等发达国家，燃煤大都经过洗选，煤灰的产率很低，每燃烧l o 吨煤大约产 生1 吨煤灰。即使这样，煤的消耗量也是惊人的，所产生的粉煤灰的量也是非常 巨大的。目前，世界每年燃煤灰渣排放量已达5 5 亿吨，其中粉煤灰4 5 亿吨，孝r 灰1 亿吨，据预测f 4 i ，2 0 1 0 年底将达8 亿吨。如何合理利用粉煤灰已经是摆在各国 面前的一个巨大问题，尤其是对于耗煤大国的中国。 1 2 污水处理的现状及主要工艺 1 2 1 污水的产生及分类 污水是工业污水、生活污水、被污染的雨水的总称。由于现代工农业科学技 术的迅速发展，以及对水资源不合理利用，使人类面临水资源短缺和污染严重局 面。 根据污水的不同来源，可分为生活污水和工业污水两大类1 5 。6 】。其中生活污 水主要来源于商业、家庭、旅游服务业、机关学校及城市公用设施；工业污水是 在工业生产过程中所排放的废水，其成分由生产过程中采用的原料以及应用的工 艺所决定。城市污水是指排入城市排水管道中的生活污水和城镇生活区的工业废 水的混合污水。城市生活污水污染物含量主要是有机物，如淀粉、蛋白质、脂肪、 糖类、纤维素、矿物油等，其中主要检测指标有c o d ( 化学需氧量) 、b o d ( 生物 需氧量) 、t p ( 总磷) 、t k n ( 劫l 氏氮) 、t n ( 总氮) 。一种水质指标可能包括几种污染 物，而一种污染物也可以属于几种水质指标。 1 2 2 我国污水处理的现状1 7 - 9 j 我国淡水资源人均占有量低，时空分布变异性又很大，水资源与土地资源不 相匹配，型i 态环境相又_ j 。脆弱。目前北方水资源丌发度已很高，不少河流开发度己 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 超过5 0 ，7 0 年代以来频频出现河流断流湖等生态环境问题；南方水网地区饮用 水后的超标排放水污染及富营养化现象严重f l o l 。我国水资源问题主要表现在以 下方面：洪涝灾害频繁；干旱缺水，水资源供需矛盾尖锐；生态环境恶化，水资 源管理亟待加强；水污染严重导致污染性缺水。 8 0 年代以来，随着工业化和城镇化发展，污水大量排放，全国江河湖库水质 日益恶化。1 9 9 7 年全国污水年排放总量约5 8 4 亿t ，并且绝大部分污水未经处理或 尚未达标就排入江河或直接用于农田灌溉。如果将这些污水处理回用，不仅可解 决农业缺水问题，而且起到治理污染的作用。虽然处理污水的费用较高( 约0 5 元 m 3 ) ，但却是改善环境所必须的，相对远距离跨流域调水的费用仍较低。 目前我国污水处理水平和处理率都很低，据国家建设部资料，1 9 9 7 年我国城 市污水集中处理率为1 3 6 5 ，与欧美各国8 0 9 0 的城市污水处理率相比，相差 甚远。根据需水增长趋势预钡j 2 0 1 0 年全国污水排放量将由1 9 9 8 年的5 9 3 亿立方米 达到l1 0 0 1 4 0 0 亿m 3 ，如果能将污水治理与污水回用及农业有机结合起来，对于 解决我国水环境的改善和水资源的短缺有重要意义。 1 2 3 国外污水处理的现状【1 1 1 3 1 据联合国2 0 0 7 年的资料，全球淡水资源为3 5 x 1 0 1 6 m 3 ，8 7 的淡水资源分布 在两极冰川，可用淡水仅为地球水总量的0 2 6 。以色列人均水资源占有量为 3 0 0 m 3 ，1 0 0 生活污水、7 2 城市污水得到回用。美国有3 5 7 个城市回用污水厂， 再生回用点5 3 6 个，回用总量达9 4 x 1 0 9 m 3 a 。日本从1 9 6 2 年就开始研究污水回用 工程。污水处理在德国历史悠久，近2 0 年得到了迅速发展。1 9 7 5 年时，仅有4 4 的污水经生物处理或其它方法处理，一半以上的污水是没经净化而直接排入水 体。到1 9 8 7 年，已有9 7 的污水经生物处理。自1 9 7 0 年至1 j 1 9 8 3 年在排水工程中投 资近7 8 0 亿马克，其中2 1 0 亿马克用于污水厂的建设，5 7 0 亿马克用于管网建没。 目前德国各种排水设施总价值高达1 7 0 0 亿马克。 可见，水资源短缺和污水回用在全世界都受到高度重视，我国水处理工艺和 效率都相对落后，所以，加大这方面的研究力度，寻求适合我国国情的污水处理 工艺和方法尤为重要。 1 2 4 污水处理的主要工艺方法【1 4 1 5 】 污水处理就是采用各种手段和技术，将污水巾所含的污染物质分离去除、将 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 其转化为无害物质或回收再利用，使水得到净化。 现代污水处理技术按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物处理法三 类。物理法是利用物理作用来分离污水中呈悬浮状的物质，在处理过程巾不改变 其化学性质。物理法包括气浮法、沉淀法、蒸发、过滤、离心分离、反渗透、超 滤等。化学法是利用化学反应来处理水中的溶解性污染物质或胶体物质。属于化 学处理方法的有：氧化还原法、中和法、电解法、混凝法、萃取法、汽提法、吹 脱法、离子交换法、吸附法、电渗析法等。生物法主要是利用微生物的作用，使 污水中呈胶体状态和溶解性的有机污染物转化为无害的物质。根据微生物的类 别，目j 常用的生物法可分为厌氧生物处理和好氧生物处理。好氧生物法又有活 性污泥法，生物氧化塘、生物膜法、土地处理系统、污水灌溉等。 现在污水处理技术按处理程度划分，分为一级处理、二级处理、三级处理1 6 】。 一级处理又称物理处理，主要去除水中悬浮状态的固体污染物质，经过一级处理 后的城市废水b o d 仅能去除3 0 ：二级处理又称生化处理，一级处理是二级处理 的预处理，二级处理能大幅度的去除水中溶解状态或胶体的有机污染物，b o d 去除率可达9 0 以上，出水b o d 降低至2 0 3 0 m g l ，污水可达国家规定的排放标 准 三级处理又称深度处理，其目的在于进一步去除二级处理未能去除的污染物 质，其中包括微生物未能降解的有机物和氮、磷等。 以上各种处理方法都有其各自的适用条件和特点，在实际的污水处理中往往 是要配合使用的，不可能预期只用一种方法就能把所有的污染物质都去除掉。 1 3 曝气生物滤池( b a f ) 1 3 1 曝气生物滤池的产生和发展 曝气生物滤池最早是由法i 雪c g e ( c o m p a g u i n eg e n e r e l ed e se a n x ) 公司所属的 o t v ( u o m n i u md ef r a i t e m e n t se tv a l o r i z a t i o n ) 公司开发【1 6 】。b a f 的最初形式为 o t v 公司于2 0 世纪8 0 年代末开发出的b i o c a r b o n e 二e 艺，该工艺以密度大于水 的膨胀板岩作为生物滤料，气水逆向，水流上进下出，其主要用于深度处理以 及回用水【m 1 引、生活污水f 1 9 - 2 2 1 、工业废水【2 ”6 1 、城市污水【2 7 j 有机物的降解和氨 氮的去除。 随着污水排放水质标准的提高和该技术的发展，o t v 公司研发了有回流的脱 氮1 艺一b i o s t y r i 艺，水流下进上出，气水同向。从b 1 0 c a r b o n e 到b 1 0 s t y r 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 的运用是个逐步发展的过程，该技术的关键是采用了一种特殊的滤料( 密度为 o 8 9 m 3 左右的有机滤料) ，相比而言b o i s t y r t 艺有如下优点：以用重力反冲洗 无需反冲泵，节省了动力；滤头布置在滤池顶部，与处理后的水接触，不易堵塞， 便于更换：滤料层分为好氧区和缺氧区，使硝化、反硝化在同一池内完成。 2 0 世纪8 0 年代末，法国的d e g r e m o n t 公司也开发出了b i o f o r 工艺。该工艺 结构上与b i o c a r b o n e - v 艺相似，生物滤料同样为密度大于水的材料，水气流 向与b i o s t y r 市n 同，水流下进上出，气水同向，在滤池内进i t c o d 、b o d 、n h 3 - n 、 s s 的去除。 从法国o t v 公司在2 0 世纪8 0 年代未期研发首座b a f 至今，b a f 技术取得了 长足的发展，工艺更加成熟，功能更完善。b a f 是一种运行可靠，出水水质好， 自动化程度高，抗冲击能力强和节约能耗的新一代污水处理新工艺。在滤池巾主 要实现有机物的降解、硝化、反硝化，如与其他方法结合可同时实现除磷的目的。 它既可用于污水的二级处理，又可用于污水的深度处理，同时还可以用于饮用水 的微污染处理。 1 3 2 曝气生物滤池在国内外的应用现状 1 3 2 1 曝气生物滤池在国外的应用现状 目| j 世界范围内已有几百座曝气生物生滤池设施，b a f 在欧美及日本等国己 广泛应用，英国利物浦北部的w a t e rs a n d o nd o c k 污水处理厂，以生物滤池作为新 建的第二处理水厂的处理工艺；位于法国塞纳中心的哥伦布污水处理厂，其根据 水量的不同和季节，灵活的将各构筑物组合，以满足不同时期水力负荷的变化， 其中包括一套雨季处理系统和两套旱季处理系统。随着研究的深入，曝气生物滤 池已从运行方式和功能较单一的工艺型式，发展成具有多种运行方式和不同处理 功能的系列综合性工艺。2 0 世纪9 0 年代以来，法国o t v 公司通过研究，使用密度 比水轻的聚苯乙烯小球状滤料( b i o s t y r e n e ) ，开发了具有脱氮功能的b i o s t y rb a f 工艺，应用该工艺的污水处理厂已超过百座；法 d e g r e m o n t 水务公司丌发了 b i o f o rb a f i 艺，该工艺使用特制的7 种不同类型的膨胀硅铝酸盐颗粒( b i o l i t e ) 作 为滤料，采用升流式，水气同向，的运行方式，根据废水水质和处理要求，将这些 滤料组合使用，可同时实现对s s 、有机物和氮、磷的去除2 引。由于b a f q b 存在 厌氧和兼性微生物，使反硝化得以进行。p u j o l t 2 9 l 研究认为，反硝化最好采用外 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 加碳源的办法，在滤速为1 0 1 5 m h 时，脱氮能力可达到1 0 0 。p u j o l l 3 0 1 等比较了 后置反硝化和自订置反硝化的优劣，认为反硝化应采用j 二向流的进水方式进行。 c h e n t m l 等研究活性污泥反应器与生物过滤反应器以及流化床的反硝化特性时， 发现在不同水力条件下，反应器内微生物种群会发生变化，但优势种群一杆菌属 基本稳定。p u z a v a d 2 1 等在曝气生物滤池一体化、硝化反硝化方而取得了一定的进 展，他们通过调整曝气量将反应器内中溶解氧浓度控制在0 5 3 m g l ，以控制溶 解氧不扩散到生物膜内部，实现了同步硝化反硝化。结果表明，通过实时曝气， 即使将曝气量降低5 0 ，也可达到同样的效果。可见，曝气生物滤池的硝化，反 硝化能力已经得到了很好的实践验证，对去除污水中氨氮技术发展具有一定的推 动作用。 此外，在工业废水处理中，b a f 也得到了广泛应用，如在屠宰废水、纺织废 水、猪粪废水、以及纸浆造纸废水的处理。目前，b a f i 艺技术已成功应用于生 活污水、城市污水、工业废水的处理及中水回用工程等，同时在给水处理系统中 也有应用。 1 3 2 2 曝气生物滤池在国内的应用现状 到目前为止，b a f 己在国内多个行业的水处理工程中得以应用。大连马栏河 城市污水处理厂通过引进德国的技术，采用两级工艺，同处理水量已达力吨以上。 从投入运行几年来的实际结果表明，其出水水质已达回用水水质标准，成为我国 城市污水处理领域b a f 技术的成功典范。 2 0 0 1 年，郑俊1 3 3 1 等以上向流曝气生物滤池，进行了生活污水处理实验的研 究。刘建广1 3 4 】采用曝气生物滤池进行了印染废水处理的研究。目前，国内应用 曝气生物滤池的实例还有哈尔滨工业大学李玉华1 3 5 】等采用气浮+ b a f i 艺对哈 尔滨某棉纺厂生产车间的排水进行处理，处理后出水已达到国家污水综合排放 标准的二级标准。张恒建【3 6 】等采用b a f - 氧化氯消毒工艺对徐州市城郊某中型 综合医院的医疗废水进行处理，取得了满意效果。王憬【3 7 】等采用b a f 与气浮工艺 联用处理山东省淄博市临淄石化工业区电厂的废水，并对废水进行回用，取得了 良好的效果。总体来说，国内对b a f 的研究主要集中在与其他工艺相结合进行的 污水处理。随着中国社会经济的发展，人们对污水处理的要求也同益提高，更高 的污水水质排放标准也逐步出台，b a f 工艺更可以发挥其独有的特点，对其研究 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 也将更加深入。 随着国内中水回用工程的应用，b a f t 艺得到大力推广，尤其在以城市生活 污水为中水回用工程中，以其运行费用低、处理效果好、易于维护、占地面积小 等优点占有重要的地位。另外，b a f 独特的空间梯度分布及运行特点使其具备了 一定的短程硝化、反硝化的能力，b a f 以粒状颗粒作为过滤和生物氧化的载体， 在整体上和每一单元滤料表面所附着的生物膜中都存在着基质和溶解氧的浓度 梯度，这为不同生态类型的微生物在生物膜中不同部位占据优势生态位提供了有 利的条件【3 引。 1 3 3 曝气生物滤池滤料的研究发展 生物滤料作为b a f 的核心组成部分，影响着该工艺的运行效果和处理效果， 因此选择合适的滤料对b a f 工艺的推广与应用意义重大。b a f 生物降解性能的优 劣程度很大部分取决于滤料的性能。作为微生物载体的滤料对水处理效果的影响 主要表现在载体的性质，包括载体的粒径的大小、比表面积的大小、表面电荷及 表面亲水性、表面粗糙度、堆积密度、载体的密度、孔隙率j 强度等。因此滤料 的选择不仅决定了生物膜量的多少和可供生物膜生长的比表面积的大小，而且还 影响着反应器巾的水动力状态。在正常的生长环境下，微生物表面带负电荷，如 滤料表面带正电荷，这将使微生物在滤料表面更易附着、固定。滤料表面； h 糙有 利于细菌在其表面附着、固定。因此作为生物膜载体的滤料所具有的特性决定了 b a f 能否高效运行，能否在水处理中得到广泛的推广与应用。 b a f 所用滤料【3 9 1 ，根据原料不同，可分为无机滤料、有机高分子滤料；根据 滤料密度不同，可分为沉没式滤料和上浮式滤料。 目前，国内采用的滤料主要有硬性滤料( 塑料蜂窝或玻璃钢滤料) 、半软性滤 料、软性纤维滤料、组合滤料、新型滤料( 包括y d t 型弹性立体滤料和笼式滤料) 以及不规则粒状滤料( 碎石、砂、无烟煤、焦炭、矿渣) 1 4 0 - 4 1 1 等。t d k e n t 4 2 】 等人对7 种可能应用于b a f 的滤料进行了系统的研究。结果表明，最适合作曝气 生物滤池滤料的是膨胀球形粘土即粘土陶粒，其次是页岩。我国对曝气生物滤池 的研究中，也对滤料进行了试验，清华大学对不同滤料，如粘土陶粒、页岩陶粒、 砂、沸石、褐煤、炉渣、焦炭、麦饭石等进行了筛选，并与生物活碳进行了对比， 认为砂子、陶粒、沸石和麦饭石优予其它材料。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 作为生物膜载体的滤料是生物膜反应器技术的核心，决定了反应器能否高效 运行，所以作为滤料的材料应当遵循以下原则： ( 1 ) 机械强度高。防止在反洗过程中由于滤料问的磨损或破碎使颗粒变小造 成滤料层间复杂，以磨损率表征。 ( 2 ) 生物、化学稳定性好。防止在运行时滤料的组成物质溶于水而影响水质， 或因投加水处理剂使滤料结构发生变异而解体，此项用酸碱可溶性表征。 ( 3 ) 颗粒形状。以表面粗糙且有一定球度为好。 ( 4 ) 亲水性和表面电性。微生物一般带负电荷并亲水，因此载体表面带正电 荷将有利于微生物的固着生长，滤料表面亲水性有利于微生物的附着，表面性质 可用z e t a 电位和等电点来表征。 另外，生物滤料开孔隙率高，比表面积大，孔径较大( 大于0 5 u m ) 并有具一 定的表面粗糙度，有利于挂膜并防止滤料之间摩擦碰撞而造成固着微生物脱落。 1 4 粉煤灰陶粒滤料的研究 作为一种环保滤料，粉煤灰陶粒越来越受到人们的重视1 4 3 - 5 3 】。在国内外陶 粒品种之中，粉煤灰陶粒占有主要的地位。我国白5 0 年代就开始研究粘土陶粒； 从5 0 年代至7 0 年代初丌始轻集料的实验制备，天然轻集料的开采和人造轻集料 的生产规模都比较小；从7 0 年代到8 0 年代初，我国陶粒的生产以粉煤灰陶粒和 页岩陶粒为主f 5 4 】，年产量约6 0 万m 3 ；9 0 年代以后，我国陶粒生产快速发展， 烧结粘士陶粒和烧结粉煤灰陶粒是陶粒的主要品种1 5 5 1 ，到1 9 9 6 年末，年产量达 2 8 0 万m 3 。粉煤狄陶粒的特点主要有性能优良、应用范围广、施工适应性强、 经济效益好等 5 6 - 7 4 。 以粉煤灰为主要原料，制备陶粒滤料的工艺可分为烧结工艺和免烧结工艺。 1 4 1 粉煤灰陶粒的烧结工艺 粉煤灰陶粒的烧结工艺主要是利用高温使粉煤灰中的玻璃体熔融，从而使冷 却后的粉煤灰颗粒间相互粘结，得到具有一定强度的陶粒滤料。 王立刚【7 5 1 研究了粉煤灰的熔化特性，其结果表明：粉煤灰在l15 0 1 2 0 0 ( 2 开 始烧收、烧结；1 2 0 0 1 2 5 0 c 烧结，开始出现液相；1 2 5 0 1 3 0 0 。c 液相增多； 1 3 0 0 1 3 5 0 部分液相玻化；1 3 5 0 1 4 0 0 c 全部玻化，粘度很大、浮渣多、充满气 泡；1 4 0 0 1 4 5 0 时粘度很大，浮渣气泡仍很多；温度继续升高到1 5 5 0 ，其表 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 观现象没有变化。 龙腾锐【7 6 i 等人在研究制作酶促生物填料的实验中添加了粉煤灰，其实验确 定最佳配比是促进n 2 5 u g g ，粉煤灰用量2 5 ，煤粉2 ，机械混合含水率1 5 一1 8 。最佳的烧制工艺是高温段焙烧温度为9 5 0 1 1 5 0 ( 2 ，历时1 2 m i n ，预热段温度 4 0 0 9 0 0 ，历时2 6 2 7 m i n ，冷却段历时8 9m i n 。整个炉内历f i , j 4 5 4 8m i n 。 以上研究表明，在粉煤灰中加入一定量的添加剂，然后在一定温度下进行烧 结可以得到物理性状良好的多孔粉煤灰陶粒滤料。 1 4 2 粉煤灰陶粒的免烧工艺 粉煤灰陶粒的免烧结工艺是指利用化学反应使粉煤灰颗粒问形成新的物 质，从而使粉煤灰颗粒相互粘合在一起，再加入添加剂制作的陶粒滤料。免烧粉 煤灰陶粒滤料具有较高的孑l 隙率，较大的比表面积和较好的强度。其中水份对材 料成型有一定的影响，一般掺水量为3 0 4 0 。外掺剂的加入能使材料的比表 面积比原来大大提高，添加剂对增加粉煤灰陶粒的比表面积起决定性作用。这种 方法工艺相对比较简单，其重点是选择合适的添加剂。 其生产的一般工艺可以总结为：粉煤灰的分筛、添加剂的加入、加水搅拌、 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，不但能减少挖土毁l 千l 现象，还能减少电厂排灰场的占地面 积。目前我国的免烧陶粒正处于研制阶段，虽然有的单位已经开发出产品，但并 未被推广使用。主要问题是免烧粉煤灰陶粒比烧结粉煤灰陶粒的堆积密度要高， 因此如何降低免烧陶粒的堆积密度是现阶段的研究重点。 、 1 5 本论文的研究目的、内容 1 5 1 本论文的研究目的 。 以粉煤灰、水泥为主要原料，以石灰和石膏为激发剂、以水玻璃为粘结剂、 以膨胀珍珠岩为轻质材料，并加入有成孔剂，采用免烧工艺制备质量稳定、价格 低廉、强度高、性能优良的粉煤灰陶粒，并将其应用于曝气生物滤池处理生活污 水的实验中。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 5 2 本论文的研究内容 本论文的主要内容有以下几点： ( 1 ) 以粉煤灰、水泥为主要原料，添加激发剂、粘结剂、轻质材料、有机高 分子成孔剂，制备新型免烧陶粒；通过实验分析水泥、轻质材料、粘结剂、激发 剂、成孔剂的添加量对新型免烧陶粒性能的影i 响，并通过正交实验确定最优工艺 配方；对新型免烧陶粒的各项性能进行测定，如孔隙率、比表面积、筒压强度等， 并对新型免烧陶粒进行了电镜扫描分析。 ( 2 ) 将新型免烧陶粒和普通陶粒分别应用到曝气生物滤池中处理生活污水， 研究此新型免烧陶粒与普通陶粒的挂膜情况以及气水比、水力负荷、滤料层高度 对c o d 、n h 3 一n 去除率的影响，并对曝气生物滤池的反冲洗进行了分析。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章新型免烧陶粒的制备实验 2 1 实验材料 ( 1 ) 粉煤灰 本实验以青岛发电厂的干排灰为主要原料。粉煤灰的潜水硬性越好，粉煤灰 的活性也就越高，而要想在免烧的情况下仍然保持新型免烧陶粒强度，就要激发 其潜水硬性。粉煤灰的质量决定于其潜水硬性。实验应优先选用新鲜的干灰，新 鲜干灰有利于保证粉煤灰的活性，并且控制粉煤灰的细度同样能保证粉煤灰的活 性。原料粒度较细，手感细腻、不需破碎、潜水硬性良好。其化学组成见表2 1 ， 物理性质见表2 2 。 表2 1 粉煤灰的化学组成 t a b 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f f l ya s h 由表2 1 可知，此粉煤灰原料中s i 0 2 和a 1 2 0 3 的含量较高，表明其活性较高， 要想获得足够的活性，只要激发粉煤灰中的玻璃体即可。 表主一2 粉煤灰的物理性质 t a b 2 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so ff l ya s h 由从表2 2 可看出，粉煤灰堆积密度大、密度适宜、孔隙率高。较大的堆积 密度有利于提高陶粒的强度，有利于成球；较大的孑l 隙率提高了陶粒的比表面积。 ( 2 ) 水泥 本实验选用青岛水泥厂生产的普通硅酸盐4 2 5 号水泥。普通硅酸盐水泥的加 入主要起固化剂和粘结剂的作用。此外，水泥还可以为粉煤灰的活化提供了有利 的碱性环境，水泥的碱性可以激活粉煤灰的玻璃体，进而提高粉煤灰的活性，有 助于陶粒成球，提高新型免烧陶粒的筒压强度。成分见表2 ，3 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 激发剂 本实验的激发剂由生石灰、石膏组成。生石灰消化过程生成的c a ( o h ) 2 可以 与s i 0 2 和a 1 2 0 3 发生聚合反应，石膏具有生石灰促进剂、激发剂双重作用。两者 联合使用既可以改善物料的均匀性，又可激发粉煤灰中的玻璃体，使其尽早溶出 s i 0 2 $ h a l 2 0 3 ，强化粉煤灰的活性。 ( 4 ) 粘结剂 本实验所用的粘结剂为常用的水玻璃，水玻璃分为硅酸钠水玻璃 ( n a 2 0 n s i 0 2 ) 和硅酸钾水玻璃( k 2 0 n s i 0 2 ) ，鉴于降低生产成本的要求，选用价格 较低的硅酸钠水玻璃做粘结剂。粘结剂的添加，提高了原料的可塑性，并增加了 陶粒的强度。 ( 5 ) 轻质材料 膨胀珍珠岩由于其体轻、多孔、高强度等特性得到了广泛的应用。由于其密 度小及微孔多，故选可做为轻质材料。膨胀珍珠岩的粒度对陶粒的影响很大，粒 径太大，无法与其它粉状物质均匀混合，并难于成球，因此，必须选择粒径较小 的珍珠岩粉洙，最好在几十微米以内。珍珠岩粉越细，粉料越易成球，但用量不 宜过多，否则难以粘结。掺入少量的珍珠岩粉可起到降低粉煤次陶粒的密度，提 高颗粒间的均匀性和粘结度。 ( 6 ) 成孔剂 成孔剂为灰白色粉状，圆球形颗粒，粒度极细，平均粒径s 3 2 p m 。其作用 是提高粉煤狄陶粒的孔隙率，并使其孔隙构造均匀，最重要的是可大大增加粉煤 狄陶粒滤料的比表面积。 2 2 实验仪器与设备 ( 1 ) w k y 5 0 0 型成球机，山东淄博隆星环保设备有限公司； ( 2 ) j b 2 0 0 d 型强力搅拌机，上海标准模型厂； ( 3 ) n o v a l 0 0 0 e 型比表面积测定仪，美国康塔公司； ( 4 ) h i t a c h is - 3 5 0 0 n 型扫描电子显微镜，日本日立公司； 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) j a 5 0 0 3 型电子天平，上海精密科学仪器有限公司； ( 6 ) 挤压成型机( 自制) ： ( 7 ) l d z x 4 0 c i 型立式自动电热压力蒸汽灭菌器( 最高额定温度1 3 8 。c ) ，上 海申囊医疗器械厂生产： ( 8 ) d g g 9 1 4 0 d 型电热鼓风恒温干燥箱，上海森信实验仪器有限公司生产。 2 3 实验原理及制备工艺 2 3 1 新型免烧陶粒制备的实验原理 粉煤灰的活性主要指其火山灰活性，即粉煤灰与生石灰或水泥水化生成的 c a ( o h ) 2 作用进而生成水化硅酸钙与含铝水化物的性质。粉煤灰的活性来源，从 物相结构上看，主要是来源于玻璃体，玻璃体的含量越高，粉煤灰的活性也就越 高；从化学成分上看，粉煤灰的活性主要来源于游离的a 1 2 0 3 、s i 0 2 ，它们的含 量越高，粉煤灰的活性也越好。因此本试验的主要原理就是以激发剂来激发粉煤 灰的活性，使粉煤灰游离出更多的a 1 2 0 3 、s i 0 2 ，生成的胶凝物质是新型免烧陶 粒产生一定强度的主要原因。 蒸养粉煤灰陶粒的水化产物主要是结晶度较高的托勃莫来c s h 凝胶和水 化石榴子石；1 0 0 。c 蒸养条件下制品主要的水化产物为结晶度很差的托勃莫来石、 水化石榴子石和c s h ( b ) ，水化产物的外形基本为纤维状、丝状，少数为针叶状， 生成