新型電氣石陶粒載體制備及其污水處理效能研究

鄭策+趙光+李雄+張英杰+張鵬+冀麗爽

摘要：從輕質(zhì)陶粒的研制和廢物資源化利用的研究方向出發(fā)，通過單因素實驗確定了最佳原料配比和最佳燒制溫度范圍，然后設(shè)計正交實驗方案，以陶粒濾料的吸水率、顆粒表觀密度為指標，得到了最佳燒制溫度和最佳原料配比。并以新型陶粒為載體，采用人工配水啟動序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR），通過檢測出水水質(zhì)，綜合評價了新型陶粒濾料在污水處理方面的效能。

關(guān)鍵詞：新型陶粒；生物膜法；生物填料；污水處理

中圖分類號：TU991.2

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0028-05

1 引言

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，在推動經(jīng)濟增長的同時，產(chǎn)生大量污染物，嚴重影響了人們的日常生活[1]。如今物質(zhì)生活已得到滿足的人們，環(huán)保意識也在不斷提高，對環(huán)境質(zhì)量的要求也在逐步提高，水污染治理問題也得到越來越多的關(guān)注，因此經(jīng)濟而高效的污水處理技術(shù)也成為人們研究工作的首要目標[2]。

污水處理工藝之一的生物膜法是一種好氧型生物污水處理方法，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)廢水和城市污水處理的二級處理中[3]。而填料作為生物膜的主要附著載體，直接影響微生物生長、繁殖和脫落的整個過程，進而對水處理工藝的處理效果有重大意義[4]。陶粒機械強度較高，比表面積大、孔隙率較大、吸附能力強，是良好的生物膜污水處理工藝填料[5]。

筆者從輕質(zhì)陶粒的研制和廢物資源化利用的研究方向出發(fā)，采用污水污泥、粉煤灰與電氣石三種材料燒制新型載體作為生物填料應(yīng)用到污水處理工藝中，以期為污水處理、殺菌、除臭及凈化和改善水質(zhì)性能有進一步的改善。

2 陶粒的制備

2.1 實驗材料及制備流程

實驗填料以電氣石、粉煤灰和污泥為主要原材料，通過硅酸鈉將其粘合在一起，選用 NaOH 作為助溶劑，秸稈為造孔劑，是一種新型負載電氣石陶粒體。實驗所需儀器設(shè)備見表1。

制備流程（如圖1所示）：將電氣石、污水污泥與粉煤灰原料按照實驗方案配比放在容器均勻混合，加入相應(yīng)質(zhì)量的添加劑、助熔劑與水，攪拌均勻后在模具上成型為球形的陶粒胚體，在自然通風的條件干燥1 d，之后放入干燥箱中在110℃干燥2 h。將干燥后的陶粒胚體放入馬弗爐中進行燒制。實驗中燒制的陶粒在有空氣存在的條件下進行。采用的燒制溫度如下：干燥后的陶粒放入馬弗爐，開始升溫。預(yù)熱過程：溫度從室溫加熱到200 ℃時保溫30min，目的是去掉污泥原料中的自由水與結(jié)晶水；揮發(fā)過程：溫度從200 ℃加熱到400 ℃處并保溫30 min，主要是促進含碳物質(zhì)的燃燒和及加速少量無機物質(zhì)的揮發(fā)。在這一階段中陶粒失重速率最大；穩(wěn)定過程：溫度從600℃升至預(yù)設(shè)溫度并保溫30 min。待陶粒在爐內(nèi)自然冷卻，再取出陶粒進行性能測定[6～9]。

2.2 單因素實驗方案設(shè)計

結(jié)合陶粒制備工藝流程，對電氣石、污水污泥、粉煤灰等原料和燒結(jié)溫度采用單因素實驗方法設(shè)計實驗方案。研究電氣石、污水污泥、粉煤灰的添加量及燒結(jié)溫度等因素對陶粒處理污水效能影響，確定實驗影響因素水平數(shù)為5。單因素試驗方案如表2所示。確定試驗主要考核指標為：顆粒表觀密度P（kg/m³ ）和吸水率W（%），綜合指數(shù)為：Z=P/W×100%（計算時不考慮顆粒表觀密度和輸水率單位問題，Z為無單位指數(shù)）。選用測試的陶粒的質(zhì)量m一定，通過測定吸水率、顆粒表觀密度和計算Z值的大小，Z值較大、吸水率較小的陶粒為性能指標較優(yōu)的樣品。

2.3 正交實驗方案

根據(jù)單因素實驗結(jié)論得到最佳燒結(jié)溫度、電氣石量、污水污泥量、粉煤灰量的范圍，從而在這個最優(yōu)范圍內(nèi)進行正交試驗，從而確定實驗影響因素水平數(shù)為3。正交實驗水平表如表3所示。確定正交試驗水平量與因素量，根據(jù)綜合指數(shù)Z確定出最佳燒結(jié)溫度與最佳原料配比，并對最優(yōu)陶粒性質(zhì)進行測評分析。正交實驗設(shè)計如表4所示。實驗中所用的試劑如表5所示。

2.4 陶粒理化性質(zhì)測定以及陶粒污水處理效能測定

對所制造的陶粒進行理化性質(zhì)的測定，即陶粒的吸水率、陶粒顆粒表觀密度、比表面積、孔容積、X射線熒光光譜分析衍射（XRF）的測定。在污水處理中，比表面積較大的陶粒適合微生物增長、繁殖，有利于微生物掛膜，提高污水處理效果。筆者采用氣象色譜法來測定陶粒濾料的比表面積，所用儀器為美國Micromeritics Instrument Corporation公司生產(chǎn)的Tristar3020型比表面積分析儀；利用X射線熒光光譜分析方法（X-ray fluorescence-XRF）鑒定陶粒的元素組成（除H、He外）及其化學成分（氧化物成分及百分含量）；采用北京雙暉京承電子產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的CM-05多參數(shù)水質(zhì)測定儀評定新型陶粒填料在SBBR反應(yīng)器中，COD，氨氮，總磷等值的隨著時間變化情況，依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[10]，各參數(shù)測定方法如表6。

3 結(jié)果與分析

3.1 制備條件單因素分析

燒制溫度、粉煤灰量、電氣石量、污水污泥、對陶粒性能影響見圖2。由圖2（a）可知，溫度在650 ℃增加到 800 ℃過程中，綜合指數(shù)先逐漸增大，超過 800 ℃后逐漸下降，可見燒制溫度在800 ℃時，綜合指數(shù)Z達到最大值221，陶粒性能較優(yōu)；隨著粉煤灰添加量增加，綜合指數(shù)Z值先增后減，在粉煤灰添加量15%達最大值，即粉煤灰添加量15%陶粒性能最優(yōu)；由圖2（c）隨著電氣石添加量增加， Z值逐漸增大當添加量為55%時達最大值后逐漸下降，即電氣石添加量為55%陶粒性能最優(yōu)。由圖2（d）隨著污水污泥添加量增加，綜合指數(shù)Z值的變化趨勢仍然是先上升后下降，在污水污泥添加量為15%時Z值達到最大，即此時陶粒性能最優(yōu)。

3.2 正交實驗優(yōu)化結(jié)果分析

分析可知，最佳燒制溫度在800℃左右，最佳燒制配比范圍為電氣石：污水污泥：粉煤灰=55%：15%：15%。由此確定正交實驗是4因素3水平，共9組。

由表7可以看出，根據(jù)不同的綜合指數(shù)來計算實驗指標Kjm、均值k和極差R。由于kA1≠kA2≠kA3，可見因素A變化對實驗指標結(jié)果有影響。故根據(jù)kA2值大小來判斷A1、A2、A3對綜合指數(shù)影響大小，因為A2>A1>A3，故A2為因素A的最優(yōu)水平，即燒制溫度為800℃時，綜合指數(shù)最大。同理， B2>B1>B3，故B2是

因素B的最優(yōu)水平，即電氣石占55%時，綜合指數(shù)最大； C3>C2>C1，故C3是因素C的最優(yōu)水平，即污水污泥占20%時，綜合指數(shù)最大； D1>D2>D3，故D1是因素D的最優(yōu)水平，即粉煤灰占10%時，綜合指數(shù)最大。極差R主要表明當因素水平對實驗結(jié)果所產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，R越大該因素對實驗結(jié)果造成的影響也越大大。經(jīng)過比較R值，可知RA>RB>RC>RD，所以A因素影響最大，即燒制溫度對綜合指數(shù)影響最大，電氣石、污水污泥、粉煤灰的添加量影響以此降低。

由實驗結(jié)果得知，最優(yōu)陶粒載體的組合為A2B2C3D1，即燒制溫度為800℃、電氣石量55%、污水污泥量20%、粉煤灰量10%時載體性能最佳。燒制溫度為影響載體性能的主要因素，其次分別是電氣石量、污水污泥量，粉煤灰量對載體性能影響最小。

3.3 陶粒綜合性質(zhì)分析

3.3.1 比表面積、孔隙度分析

確定了燒制陶粒的最佳溫度與配比，在最佳燒制溫度與配比條件下燒制出一批載體，（5個樣品），并對這批陶粒進行比表面積、孔容測定，所得結(jié)果如表8。

表8說明了陶粒燒制的穩(wěn)定性很穩(wěn)定，樣品比表面積平均值為4.2097×104 cm²/g，孔容平均值為10.4072×10-3 cm³/g，均大于黏土陶粒的比表面積，可以滿足使用標準（水處理濾料的比表面積大于0.5×104 cm²/g）。

3.3.2 強度、亞甲蘭吸附分析

陶粒吸附能力可以由極性、線性結(jié)構(gòu)的亞甲蘭分子（分子量為374）表示，其值是表征吸附性能的常規(guī)指標。一般情況下，此值越高，表示陶粒吸附性越好。如表9所示為實驗隨機抽取5個陶粒樣品的強度與亞甲蘭吸附值。

由表9并結(jié)合所查資料，新型陶粒的質(zhì)量損失率均值與亞甲蘭吸附值均值均大于黏土陶粒的值，表中數(shù)據(jù)表示陶粒強度與吸附性較好，性質(zhì)穩(wěn)定，滿足水處理過程生物膜工藝要求。

3.4 反應(yīng)器運行穩(wěn)定后污水處理效能分析

采用SBBR反應(yīng)器實驗，以新型陶粒為載體在最佳運行狀態(tài)下污水處理效能分析[11，12]。如圖3所示，COD的去除情況。當COD濃度在200～250之間時，去除率最高可達92.6%，最低也為87.4%，達到國家一級A排放標準；但當濃度為300 mg/L時，去除率降低到80%左右，出水濃度大約在60 mg/L，超過了國家一級A標準。由此可得，該反應(yīng)器處理COD的極限在250～300 mg/L之間，如圖4所示，NH+4-N的進水濃度在30～90 mg/L內(nèi)波動，去除率為83.7%～91.77%。當進水濃度在30～60 mg/L時，平均去除率為89.4%，出水濃度達到國家污水一級A排放標準；濃度為90 mg/L時，雖然去除率為84%左右較高，但是出水濃度為14.75 mg/L，超過了國家污水排放標準。由此可得，該反應(yīng)器處理氨氮的極限在60 mg/L。圖5所示，TP的進水濃度在8～16 mg/L，去除率為74.4%～94%。當進水濃度為8～12 mg/L時，平均去除率為91.86%，達到國家出水標準；濃度改變?yōu)?6 mg/L時，平均去除率為76.92%，但未能達到國家排放標準。由此可得，該反應(yīng)器處理TP的極限在12 mg/L。

4 結(jié)論

電氣石作為一種新型環(huán)保載體，可有效提高微生物對可降解污染物的生化效能，并已初步應(yīng)用到水處理領(lǐng)域中。在中國可持續(xù)化發(fā)展的理念中，污水污泥和粉煤灰作為典型的工業(yè)廢物，他們資源化利用技術(shù)研究深受親睞。本文以電氣石、污水污泥、粉煤灰為主要原材料，燒制陶粒濾料。通過單因素實驗確定最佳燒制溫度與最佳配比范圍，并用正交實驗確定最佳燒制溫度與最佳配比，測定最優(yōu)陶粒強度、亞甲蘭吸附等性質(zhì)。最后，并將此陶粒濾料作為序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）的載體，采用人工配水運行反應(yīng)器，通過檢測出水水質(zhì)，評定新型陶粒濾料對污水的處理效能。通過實驗分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過單因素實驗方法，在不同燒制溫度、原料配比條件下，陶粒的綜合指數(shù)最大者優(yōu)。由實驗結(jié)果可知，溫度在800℃，電氣石：污水污泥：粉煤灰各以55%：15%：15%時為燒制的最佳工藝條件，此時陶粒的綜合指數(shù)最大。

（2）對根據(jù)最優(yōu)燒制工藝條件燒制出來的陶粒，進行進一步表征，樣品比表面積平均值為4.4051×104cm²/g，孔容平均值為10.8052×10-3cm³/g，質(zhì)量損失率為2.12%，亞甲蘭吸附值為2.598 mg/g，均大于黏土陶粒的各自值，且滿足水處理濾料的使用標準，可應(yīng)用到污水處理工藝中。

（3）采用根據(jù)最優(yōu)燒制工藝條件燒制出來的陶粒為載體，啟動序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR），采用人工配水，經(jīng)過污泥馴化與培養(yǎng)，新型陶粒濾料的生物膜狀態(tài)良好。進水COD濃度在200～250 mg/L時，去除率在87.4%～92.6%之間，在250～300 mg/L，去除率在75%～80%之間，處理COD最大值為250 mg/L；進水NH+4-H、濃度在30～60 mg/L時，去除率在87%～91%，濃度在60～90 mg/L時，去除率在82%～86%之間，處理NH+4-H最大值為60 mg/L；進水TP濃度在8～12 mg/L時，去除率在88%～94%之間，濃度在12～16 mg/L時，去除率在74%～89%之間，處理TP最大值為12mg/L。

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