鐵尾礦陶粒的制備及對生活污水的處理

朱曉麗 陳瑞軍 幺 琳 吳占興

(1.唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山063000;2.唐山市建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，河北 唐山063000)

目前我國鐵尾礦利用的方式主要有用作礦山采空區(qū)填料、土壤調(diào)節(jié)劑、水泥或磚的添加劑及用于制作微晶玻璃、新型墻體材料、陶粒等［1-2］。鐵尾礦燒結(jié)制取陶粒不僅可以實(shí)現(xiàn)固體廢物的資源化利用，而且可以降低環(huán)境污染、減少土地資源占用。現(xiàn)有的陶粒濾料主要由黏土、粉煤灰、煤矸石、硅藻土、赤泥等原料制備［3-5］。本研究以鐵尾礦作為主要原料，同時(shí)摻加粉煤灰、煤矸石、石灰石和生物外加劑等制備陶粒(石灰石高溫分解生成CO2，在陶粒內(nèi)部生成氣孔，使陶粒比表面積增大，可以提高生活污水COD 去除率;生物外加劑提高生料球的可塑性，有利于焙燒過程中陶粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣孔的生成)，并考察其對生活污水的處理效果。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

鐵尾礦砂取自河北遷安鐵礦，粉煤灰、煤矸石和石灰石取自唐山冀東水泥股份有限公司，生物外加劑外購。各原料均磨細(xì)至可通過0.08 mm 方孔篩，原料的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。生活污水取自唐山學(xué)院學(xué)生食堂和宿舍的污水井。

1.2 主要儀器設(shè)備

振動(dòng)磨樣機(jī)(XZM －100)、勃氏透氣比表面積儀(DBT－127)、水泥凈漿攪拌機(jī)(NJ －160B)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(101－1))、箱式電阻爐(KSX)、多參數(shù)水質(zhì)分析儀(GDYS －101M)、X射線衍射儀(XRD－6000)、掃描電鏡(S－4800)等。

表1 原料化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis results of raw materials %

1.3 陶粒制備方法

分別稱取一定量的鐵尾礦砂、粉煤灰、煤矸石、石灰石和生物外加劑混合后，放入水泥凈漿攪拌機(jī)中，加入25%的水進(jìn)行攪拌，在制粒機(jī)上制備一定粒度的料球。料球置于105 ～110 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干2 h，烘干后的料球放入箱式電阻爐中在一定溫度下焙燒20 min，采用自然冷卻的方式冷卻至室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦摻量對陶粒去除污水COD 效果的影響

條件試驗(yàn)表明鐵尾礦摻量小于86%時(shí)，燒制的生物陶粒外觀較粗糙、表面堅(jiān)硬、致密性較高;鐵尾礦摻量大于88%時(shí)，陶粒外觀粗糙、易碎、強(qiáng)度低。隨著鐵尾礦摻量的增加，粉煤灰、煤矸石和石灰石添加比例相對降低，燒制過程中石灰石等分解產(chǎn)生的氣體量降低，導(dǎo)致陶粒致密性降低，因此選取鐵尾礦摻量為80% ～86%進(jìn)行試驗(yàn)。鐵尾礦摻量試驗(yàn)固定陶粒粒徑為3 ～5 mm、焙燒溫度為1 100 ℃，試驗(yàn)各原料在總物料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

表2 各原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Proportion of each raw material used for ceramsite %

由圖1 可知:隨著過濾時(shí)間的延長，生活污水中COD 逐漸降低;鐵尾礦摻量在80% ～86%時(shí)，改變鐵尾礦摻量對生活污水COD 的去除效果影響不明顯，過濾24 h 后，COD 去除率均可達(dá)80%左右。為了實(shí)現(xiàn)鐵尾礦資源利用的最大化，確定鐵尾礦摻量為86%。

2.2 陶粒粒徑對陶粒去除污水COD 效果的影響

在鐵尾礦摻量為86%、焙燒溫度為1 100 ℃時(shí)，考察不同粒徑陶粒對生活污水COD 的去除效果，結(jié)果如圖2 所示。

圖1 鐵尾礦摻量對陶粒去除生活污水COD 的影響Fig.1 Effects of iron dosage on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

圖2 陶粒粒徑對陶粒去除生活污水COD 的影響Fig.2 Effects of ceramsite diameter on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

從圖2 可以看出:粒徑為3 ～5 mm 的陶粒對COD 的去除效果優(yōu)于粒徑為6 ～10 mm 的陶粒。當(dāng)粒徑為6 ～10 mm 時(shí)，燒制過程易產(chǎn)生焙燒不均勻、燒不透的現(xiàn)象，降低陶粒對生活污水COD 的去除效果;此外，粒徑過大還會(huì)導(dǎo)致陶粒比表面積和堆積密度的降低。因此確定陶粒粒徑為3 ～5 mm。

2.3 焙燒溫度對陶粒去除污水COD 效果的影響

固定鐵尾礦摻量為86%、陶粒粒徑為3 ～5 mm，考察不同焙燒溫度燒制的陶粒對生活污水COD 的去除效果，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 焙燒溫度對陶粒去除生活污水COD 的影響Fig.3 Effects of roasting temperature on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

從圖3 可以看出:1 100 ℃時(shí)燒制的陶粒對生活污水COD 去除率最高。焙燒溫度較低時(shí)，焙燒過程生成的液相量不足，陶粒外觀粗糙，強(qiáng)度較低，在污水中易粉化;焙燒溫度較高時(shí)，焙燒過程產(chǎn)生了過多的液相［6］，產(chǎn)生的陶粒外觀光滑，內(nèi)部空隙少，阻礙了有機(jī)物的吸附，對生活污水COD 去除效果不明顯。綜合考慮，確定焙燒溫度為1 100 ℃，此時(shí)陶粒對生活污水COD 的去除率為80%。

2.4 鐵尾礦和陶粒的XRD 分析

分別對鐵尾礦和最佳條件制備的陶粒進(jìn)行X 射線衍射分析，結(jié)果見圖4。

圖4 鐵尾礦和陶粒的XRD 圖譜Fig.4 XRD pattern of iron tailings and ceramsite

從圖5 可以看出:鐵尾礦和陶粒均以石英、赤鐵礦和鈉長石為主，但其中鈉長石特征衍射峰(d =0.318 nm，0.404 nm，0.292 nm)的相對衍射強(qiáng)度不同。使用Jade 分析軟件可知，在鐵尾礦中鈉長石的3個(gè)特征衍射峰的相對強(qiáng)度為I/I0=19，2，2，而在陶粒中的鈉長石的3 個(gè)特征衍射峰的相對強(qiáng)度為I/I0=21，11，6。即鈉長石在陶粒中的特征衍射峰明顯增強(qiáng)，說明陶粒中鈉長石的含量相對鐵尾礦中要高。鈉長石屬于架狀硅酸鹽類礦物，有利于陶粒強(qiáng)度的提高。

2.5 鐵尾礦陶粒形貌分析

對陶粒進(jìn)行SEM 分析，得到陶粒內(nèi)部的氣孔分布微觀形貌如圖5 所示。

從圖5 可以看出，陶粒內(nèi)部分布著大量的微氣孔，氣孔孔徑從幾微米到幾百微米不等，增大了陶粒比表面積，使其具有較好的吸附性能，有利于污染物的吸附。

圖5 陶粒SEM 照片F(xiàn)ig.5 SEM images of ceramic

3 結(jié) 論

(1)在鐵尾礦、粉煤灰、煤矸石、石灰石、生物外加劑添加量分別占總物料量的86%、6%、4%、3%、1%，陶粒粒徑為3 ～5 mm，焙燒溫度為1 100 ℃時(shí)，燒制的陶粒濾料對生活污水COD 去除率可達(dá)80%。

(2)陶粒燒制過程中產(chǎn)生的鈉長石屬架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，提高了陶粒的強(qiáng)度，同時(shí)陶粒表面粗糙、內(nèi)部多孔、比表面積大，有良好的吸附性能，有利于生活污水中污染物的去除。

［1］ 王德民，雷國元，宋均平，等. 低硅鐵尾礦多孔陶粒的制備及污水處理效果［J］.金屬礦山，2012(12):148-152.

Wang Demin，Lei Guoyuan，Song Junping，et al.Preparation and utilization of ceramsite made of low silica iron tailings［J］.Metal Mine，2012(12):148-152.

［2］ 曹曦嬌，邱 俊，呂憲俊. 鐵尾礦陶粒的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題分析［J］. 現(xiàn)代礦業(yè)，2013(12):152-154.

Cao Xijiao，Qiu Jun，Lu Xianjun.Analysis on the development status and existing problems of the iron ore tailings ceramsite［J］. Modern Mining，2013(12):152-154.

［3］ 馮秀娟，余育新.鎢尾砂生物陶粒的制備及其性能研究［J］. 金屬礦山，2008(4):146-148.

Feng Xiujuan，Yu Yuxin. Research on preparation of biological ceramsite from tungsten tailing and its performance［J］. Metal Mine，2008(4):146-148.

［4］ 李壽德. 陶粒與固體廢棄物資源化利用［J］. 磚瓦，2006(10):108-110.

Li Shoude. Ceramisite and resources utilization of solid waste［J］.Brick and Tile，2006(10):108-110.

［5］ 楊芳潔，楊時(shí)元. 我國陶粒礦產(chǎn)資源概況［J］. 磚瓦世界，2013(3):12-17.

Yang Fangjie，Yang Shiyuan.General situation of ceramisite mineral resources in China［J］.Brick and Tile World，2013(3):12-17.

［6］ 徐振華，劉建國，宋敏英，等. 溫度對污泥與底泥燒結(jié)陶粒性能的影響［J］. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013(5):1894-1900.

Xu Zhenhua，Liu Jianguo，Song Minying，et al.Effect of temperature on sintering ceramisite with sewage sludge and sediment［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering，2013(5):1894-1900.