高摻量鐵尾礦陶粒濾料的制備

張學董 朱曉麗 么琳 黃新冉

摘 要：本試驗以鐵尾礦為主要原料，通過摻加爐渣、粉煤灰、石灰石、外加劑等輔料，進行鐵尾礦陶粒的制備與污水處理研究。當原料配比為鐵尾礦86%、爐渣7%、粉煤灰5%、石灰石1%、外加劑1%時，在最高煅燒溫度1100℃的條件下，可制得表面粗糙、粒徑3～5mm、吸水率14.01%、孔隙率31.07%、堆積密度1.12kg/m3、表觀密度為1.92kg/m3的陶粒，其對生活污水的濁度去除率為64.02%，COD去除率最高可達79.48%。

關鍵詞：高摻加量鐵尾礦；陶粒；濁度；COD

鐵尾礦是將鐵礦石充分磨細后，通過磁選技術選取鐵精粉后所剩余的固體廢棄物。據中國資源綜合利用協會發展報告，我國尾礦總產生量達到了11.92億噸，占全國工業固體廢棄物的45%以上，而綜合利用率只有13.3%，且目前已累積堆存100多億噸[1]。因此，尾礦的回收利用與資源化開發成為科研領域的研究熱點。

陶粒具有化學性能穩定、耐磨擦、抗沖擊、耐腐蝕、耐高溫、比表面積大、截污能力強、不向水體釋放有毒有害物質等特點，是現代污水處理工藝的理想濾料[2]。本試驗以鐵尾礦為主要原料，通過摻加適當的輔料，如爐渣、粉煤灰、石灰石、外加劑等，進行高摻加量鐵尾礦陶粒濾料的研究制備，并用于生活污水處理。

1 實驗原料及器材

1.1 實驗原料

鐵尾礦：取自唐山遷安某鐵礦的鐵尾礦砂，是陶粒的主要原料，提供強度并可做粘結劑。

爐渣：取自燃煤鍋爐廢渣，可提供部分熱值，也是陶粒的造孔劑。

粉煤灰：取自唐山發電廠，可改善成球性。

石灰石：為造孔劑，也可煅燒過程中提高陶粒強度。

外加劑：主要成分為有機物，是造孔劑和粘結劑。

主要原料的化學成分如表1所示。

1.2 試驗儀器

試驗所用的主要儀器有：振動磨、水泥凈漿攪拌機、電熱鼓風干燥箱、高溫電阻爐、分析天平、恒溫消解器、化學耗氧量測定儀、多參數水質分析儀等。

2 試驗方法

2.1 鐵尾礦生物陶粒制備

按照一定的配比準確稱取各原料于水泥凈漿攪拌機中，加入27%的自來水攪拌均勻，采用手工成球的方式制得3～5mm的生料球，在105±5℃下烘干3h以去除自由水，然后置于高溫電阻爐中，按設定升溫程序升溫至1100℃煅燒30min，陶粒產品在室溫下自然冷卻即得鐵尾礦生物陶粒。

2.2 污水處理實驗

本實驗所用的污水取自學校食堂地坑的生活污水，試驗過程自制污水過濾器一個，將陶粒放入玻璃管中，堆積高度為35mm，固定于鐵架臺上，將配制好的生活污水置于污水過濾器中，測定在規定時間內污水的COD值和濁度值變化。

3 影響陶粒濾料性能因素

3.1 鐵尾礦摻加量

鐵尾礦是陶粒的主要原料，其摻加量對陶粒的性能有很大影響。通過查閱大量文獻發現，目前應用鐵尾礦來制備陶粒的研究，其鐵尾礦摻加量普遍偏低，因而較大地限制了尾礦的利用率，因此本試驗擬定鐵尾礦摻加量80%為起點來進行研究，鐵尾礦最高摻加量為88%。當鐵尾礦含量不同時，生活污水的COD值變化如表2所示。

鐵尾礦的主要成分為二氧化硅和氧化鐵，是陶粒產生強度的主要因素，鐵尾礦摻加量的增大將導致料球易燒性降低，使得陶粒產品結晶不良，強度降低。

由表2可以看出，隨著鐵尾礦摻加量的提高，污水的去除率并沒有提高，而是有所降低，當鐵尾礦摻加量高達88%時，陶粒的去污效果卻顯著降低，綜合考慮在具備較高生活污水COD去除率的前提下盡量提高鐵尾礦摻加量，本試驗確定鐵尾礦的摻加量為86%。

3.2 粒徑

料球粒徑直接影響陶粒產品的比表面積大小，進而影響陶粒產品的過濾吸附性能。一般情況下陶粒產品的粒徑控制在1～20mm。若料球粒徑偏大，則比表面積偏小影響過濾效果；若粒徑過小則增加了生產成本，因此本試驗擬定料球粒徑在3～10mm。當成球粒徑不同時，生活污水的COD值變化如表3所示。

表3 不同成球粒徑陶粒的COD去除效果

由表3可以看出，當陶粒粒徑為5～10mm時，陶粒的比表面積偏小，陶粒堆積時緊密度降低，空隙較大，污水處理效果差；但當料球粒徑為3～5mm時，此時陶粒產品的比表面積較大，堆積密度高，過濾吸附性能好，COD去除率高，因此確定陶粒粒徑為3～5mm。測得陶粒的吸水率14.01%、孔隙率31.07%、堆積密度1.12kg/m3、表觀密度為1.92kg/m3。

3.3 煅燒溫度

最高煅燒溫度直接影響料球在高溫階段其內部物相的變化與硅酸鹽凝膠相的生成。燒脹陶粒的煅燒溫度一般控制在950℃～1300℃。本試驗選取1050℃～1150℃這一溫度段作為研究范圍。當煅燒溫度不同時，生活污水的COD值變化如表4所示。

表4 不同最高煅燒溫度陶粒的COD去除效果

由表4可以看出，煅燒溫度是影響陶粒性能的決定性因素之一，煅燒制度的改變，對陶粒的去污能力有較大影響。在1050℃時，煅燒溫度相對較低，生成的液相不完全，強度較低，在1150℃時，煅燒溫度又相對過高，燃料消耗增加，使得過濾效果顯著降低；當煅燒溫度為1100℃時，所制得的陶粒只生成較少的玻璃相，并且內部微孔較多，終去除率較高，具有良好的過濾性能。

3.4 陶粒對污水的濁度去除效果

濁度是水中膠體及懸浮物含量的一個表征參數[3]。試驗過程中，鐵尾礦生物陶粒以較高的堆積密度緊密堆積在過濾試管中，污水通過時，一方面將其中粒徑較大的懸浮物截留在濾柱內而使濁度降低；另一方面利用微生物之間的絮凝作用，使濾液中的膠體物質被吸附截留，從而達到對污水濁度的去除效果。

表5 陶粒對污水濁度的去除效果

隨著過濾時間的增加，陶粒濾柱對污水濁度的去除穩定增長，當過濾時間達到20～30h時，去除效果趨于穩定，表明此時吸附已經基本完成。

4 結束語

4.1 試驗表明，以鐵尾礦為主要原料，通過摻加適當的爐渣、粉煤灰、石灰石、外加劑等輔料進行調配，可制得性能良好的鐵尾礦生物陶粒。

4.2 應用鐵尾礦陶粒形成濾柱對生活污水進行過濾，可以降低污水的COD濃度和濁度，效果顯著。

參考文獻

[1]李晶晶，丁益民，等.鐵尾礦的處理及其資源化利用[J].粉煤灰綜合利用，2012.

[2]馮秀娟.鎢尾砂生物陶粒的制備及性能研究[J].金屬礦山，2008.

[3]周衛軍，黨志良，吳佳鵬.黃河微污染原水生物預處理研究[J].陜西工學院學報，2004，20（3）：59-62.