纳米改性免烧粉煤灰陶粒与传统烧结陶粒在水处理性能中的对比研究

龙源期刊网纳米改性免烧粉煤灰陶粒与传统烧结陶粒在水处理性能中的对比研究作者：焦丽娜史庆生武轶来源：《城市建设理论研究》2012年第32期摘要：本文用自制纳米改性的免烧粉煤灰陶粒作为水处理陶粒滤料，与传统烧结陶粒分别放于曝气生物滤池反应器中，对比其对污染物的去除效果。结果表明，与传统烧结陶粒比较，纳米改性免烧粉煤灰陶粒因具有较好的物理性能，COD去除率为82~87%，NH4+-N去除率为88~93%，TP去除率为24~58%。因此免烧粉煤灰陶粒作为滤料应用于曝气生物滤池进行污水处理能够取得更好的处理效果。中图分类号：TU522.3+5文献标识码：A文章编号：1引言粉煤灰陶粒目前在曝气生物滤池处理污水中已得到应用，但大多数为高温烧结而成的粉煤灰陶粒，其工艺技术复杂、建厂投资大、耗能高，成本高，不仅约束了陶粒建筑制品的应用，而且也严重地限制了陶粒生产企业的发展。本试验立足于应用免烧粉煤灰陶粒制备工艺，有效降低粉煤灰陶粒制作成本，并对粉煤灰陶粒进行纳米改性处理，提高粉煤灰陶粒的比表面积，研发出一种生产工艺简单、制作成本低且高性能的粉煤灰陶粒，使其可以代替高温烧结陶粒作为滤料应用于水处理领域。本文使用的粉煤灰陶粒为自制改性纳米免烧粉煤灰陶粒，主要原材料为粉煤灰、水泥、膨胀珍珠岩、纳米添加剂等。其生产的工艺流程为：混合、搅拌、成型、养护，制得表面粗糙、物理化学性能稳定的粉煤灰陶粒滤料。2实验过程2.1试验用水由于污水成分多变，并且微生物群落组成不单一，受实验条件限制，为便于研究，试验用水采用人工配置污水，模拟污水配方如下，C6H12O6·H2O0.96g/L（COD330mg/L），NH4Cl0.17g/L（NH4+-N43mg/L），KH2PO40.02g/L（PO43--P4.6mg/L），将其注入0.5m3的水箱中，搅拌均匀。其模拟实际污水为天津节水科技园园区污水，水质情况见表1-1。表1-1实际污水水质（mg/L）2.2试验装置龙源期刊网根据曝气生物滤池的运行特性，分别取自制粉煤灰陶粒和采购的粒径相近粘土陶粒放入试验装置中，反应器直径0.15m，总高度1m，其中滤料填装高度为0.6m。反应器底部至穿孔滤板之间区域为反应的进水及曝气区，高度为0.2m，出水口在滤料上部0.1m处。2.3运行方式污水由水箱注入反应器底部，空气由电磁式空气泵供给，通过曝气头向反应器供氧。反应装置采用气水同向，上向流运行（即底部进水、顶部出水），通过底部的穿孔滤板将水和空气均匀分布在整个截面上，水量和气量通过阀门调节。2.4试验指标及分析测试方法评价陶粒在废水生物处理中的应用性能的指标包括：COD、NH4+-N、TP。由于本试验为各指标测定均采用国标方法，见表1-2。表1-2检测项目与方法3数据分析3.1物理性能比较污水处理中用于生物膜载体的陶粒滤料要求具有粗糙的表面、较大的比表面积和较高的空隙率，并具有足够的强度以承受空气流、水流的冲刷和颗粒之间的碰撞及摩擦作用。陶粒粗糙表面有利于微生物附着生长；较大的比表面积为微生物的新陈代谢提供了广阔空间，有利于微生物的生长繁殖；滤料层较高的空隙率有利于污水和空气的流通，从而为微生物的生长提供足够的营养和氧气。本试验采用的自制免烧粉煤灰陶粒与传统烧结的粘土陶粒进行对比如表1-3。表1-3免烧粉煤灰陶粒与传统烧结陶粒物理性能对比3.2处理污水性能比较试验样品为自制免烧粉煤灰陶粒与传统烧结陶粒，将其分别投的曝气生物滤池反应器中进行废水生物处理，分为反应器的启动和稳定运行两个阶段，陶粒投入反应器之前先进行淘洗，为强化挂膜效果，缩短启动时间，反应器的启动采用接种活性污泥进行挂膜的方法。启动阶段反应器运行条件为：水力负荷0.03m3/(m2·h)，气水比（2～3）:1,进水口温度20℃左右的条件下运行，在反应器启动阶段，污泥絮状由悬浮于陶粒之间的空隙中生长逐渐向陶粒附着。在启动第15天，反应器底部至一地高度的滤料层能够观察到附着有大量黄褐色生物膜，出水COD低于50mg/L，去除率高于80%，认为启动阶段完成。反应器启动成功后，进入稳定运行阶段，稳定阶段反应器运行条件为：水力负荷0.10m3/(m2·h)，气水比（4～5）:1,运行时间为1个月。龙源期刊网去除效果比较在稳定运行阶段，COD的去除率与滤料的比表面积和空隙率相关，因为在形同条件下，滤料的比表面积越大、空隙率越大，其吸附废水中有机物能力越强；并且能为微生物的生长繁殖提供了更多的载体，丰富的微生物量保证了有机物在反应器内能被迅速降解。通过表1-4比较，自制免烧粉煤灰陶粒比表面积和空隙率皆大于传统烧结陶粒，因此如图1所示，进水COD223~330mg/L，免烧粉煤灰陶粒出水COD36~50mg/L，去除率为82~87%，优于传统烧结陶粒，根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），达到了一级A类标准要求。图1免烧粉煤灰陶粒与传统烧结陶粒进出水COD及去除率对比3.2.2NH4+-N去除效果比较在稳定运行阶段，NH4+-N的去除率与微生物中的硝化菌的硝化速率相关，因此在形同条件下，滤料吸附废水中有机物越多，能为微生物的生长繁殖的载体也就越多，而微生物中的硝化菌也就越多，硝化速率也就越快，硝化效果越好，NH4+-N去除效果越好。而自制免烧粉煤灰陶粒吸附废水中有机物的数量多于比传统烧结粘土陶粒，因此如图2所示，进水NH4+-N29~43mg/L，出水NH4+-N3~5mg/L，去除率为88~93%，优于传统烧结陶粒，达到了一级A类标准要求。图2免烧粉煤灰陶粒与传统烧结陶粒进出水NH4+-N及去除率对比3.2.3TP去除效果比较在稳定运行阶段中，微生物的同化作用对磷的需求量较少，并且厌氧和好氧交替出现的概率较小，因此，可以认为是滤料层的截留和微生物的同化对总磷的去除起到了主要作用。而自制免烧粉煤灰陶粒附着的微生物数量多于传统烧结陶粒，其空隙率也大于传统烧结陶粒，截留的TP也就多于烧结陶粒，因此如图3所示，进水TP3.1~4.6mg/L，免烧粉煤灰陶粒TP出水TP1.9~3.0mg/L，去除率为24~58%，优于传统烧结陶粒。图3免烧粉煤灰陶粒与传统烧结陶粒进出水TP及去除率对比4结论综上分析可知，除总磷外，自制纳米改性免烧粉煤灰陶粒反应器对各种污染物质的去除效果均为较好。与传统烧结陶粒比较，纳米改性免烧粉煤灰陶粒因具有较好的物理性能，COD去除率为82~87%，NH4+-N去除率为88~93%，TP去除率为24~58%。因此免烧粉煤灰陶粒作为滤料应用于曝气生物滤池进行污水处理能够取得更好的处理效果。