凹土陶粒滤料理化性能及其在BAF中的应用研究

冶金之家网站凹土陶粒滤料理化性能及其在BAF中的应用研究彭喜花1，许晨红1，朱斌2(1．淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏淮安223003；2．淮安市环境保护局，江苏淮安223001)摘要：研究了温度对凹土滤料理化性能的影响，及凹土滤料在BAF中的应用情况。试验结果表明：温度为700~800℃时，烧失量为22％左右，强度为178~286N，酸碱溶蚀率分别为3．89％～4．14％和0．22％～0．28％，滤料表面粗糙、孔径发达、物理化学性能稳定。该滤料在BAF中启动快、运行稳定，HRT为2h时，COD、氨氮去除率分别可达83．33％、85．6％。常规范围内不同进水浓度对COD和氨氮去除率影响不大，耐冲击负荷能力较强。关键词：凹土滤料；曝气生物滤池；焙烧温度曝气生物滤池(BAF)又称淹没式曝气生物滤池，具有处理效率高、占地面积小、有机容积负荷大、停留时间短、投资少、能耗低、出水水质高等优点。其去除原理是反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化分解作用、填料本身及生物膜吸附阻留作用以及沿着水流方向形成的食物链分级捕食作用[1-3]。滤料是BAF的重要组成部分，直接影响其污水处理效果，滤料应具有比表面积大、孔隙率高、粒径适宜、机械强度高、化学和生物稳定性强和价廉易得等特点。而烧结温度对滤料的理化性能有着较大的影响[4-5]。采用凹土作为主要原料制成陶粒滤料，考察了温度对其理化性能的影响以及滤料在BAF中对氨氮和COD的净化效果。1试验部分1．1试验装置BAF反应器由有机玻璃制成，反应器直径为150mm、有效高度为700mm。总体积为12L，有效体积为10L。采用凹土制成的陶粒作为填料，填料层高度为400mm。配制的废水由低位水箱通过水泵提升到高位水箱，再通过液相流量计由底部进入BAF反应器。试验出水从反应器顶部流出进入蓄水池。BAF反应器采用空压机供气，气体转子流量计计量，并通过穿孔曝气管分散成细小气泡进入反应区。反冲洗利用蓄水池中的出水，采用气水联合反冲洗。反冲水由顶部溢流口排出，3d冲洗一次，使脱落的老化生物膜从水中流出。BAF试验装置如图1所示。1．2试验原料及仪器原料：凹土，江苏淮安盱眙龙虎山，粉碎成0．15mm(100目)的粉粒待用；炭粉，精煤由球磨机磨碎再过0．15mm筛待用。仪器：RK／XPM型球磨机，上海雷韵试验仪器制造有限公司；JPB—607型便携式DO分析仪，上海圣科仪器设备有限公司；XH9001B型恒温消解器，河北先河科技有限公司；冶金之家网站XH9004B型COD快速测定仪，河北先河科技有限公司；7200型分光光度计；S—3000N型扫描电子显微镜，日本日立公司；SX—4—10型箱式电阻炉，上海精宏实验设备有限公司；YPD—200C片剂硬度仪，海沪粤明科学仪器有限公司；HD—617电脑式拉／压强度测试机，东莞市海达仪器有限公司。1．3试验用水试验用水系人工合成废水，其主要成分是葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾，根据试验要求调整原水的COD、N和P的质量比，此外还投加了微生物必需的微量元素，如Ca、Fe、Mg等。试验过程中用NaHCO3调节原水的pH，使pH维持在7．5左右。1．4造粒与煅烧称取适量的凹土和造孔剂炭粉，凹土与炭粉质量比为19：1，混合搅拌均匀，加入少量水搅拌成泥状，之后用造粒机进行造粒，形成直径为4~5mm左右的圆形滤料，放在托盘中于阴凉通风处自然晾干24h，之后在500、600、700、800、900、950℃下煅烧2h，冷却取出。可以制得密度为1．083～1．145g／cm3，粒径为4～5mm的陶粒滤料。2结果与分析2．1滤料理化性能表征分析2．1．1滤料SEM分析不同温度下焙烧形成的凹土滤料内表面SEM(200倍)如图2所示。由图2可见，凹土表面粗糙、孔隙发达、凹凸分明。温度为500~700℃时，滤料显气孔隙率和比表面积均较大；温度为800℃时，由于结构水的脱出，硅氧骨干部分解体，孔道消失导致滤料表观体积和比表面积缩小[6]；温度为900℃时，样品出现熔融现象，温度为950℃时，熔融现象明显，气孔基本被熔融物堵塞，孔隙率和比表面积均锐减。因此，为了防止滤料表面釉化、内部微孔熔融，同时保证滤料强度，选择煅烧温度为700~800℃。2．1．2焙烧温度对滤料烧失量的影响根据样品焙烧前的质量m0和焙烧后的质量m1，按照公式(m0－m1)／m0计算烧失量，结果见表1。根据凹凸棒土晶体结构和化学方程式可知，凹土中存在四种状态的水：表面吸附水、孔道吸附水、结晶水和结构水。由表1可见，温度300℃，表面和孔道吸附水以及部分结晶水脱出；温度为300～500℃时，样品中的结晶水基本全部脱出，烧失量为16．52％～17．53％；温度为600℃时，凹土中的结构水开始脱出，烧失量为18．6%；温度700℃时，随着热稳定性较高的结构水的脱出，凹土滤料的烧失量基本保持为22％左右。冶金之家网站2．1．3焙烧温度对滤料强度的影响考察了焙烧温度对滤料强度的影响，见图3。由图3可以看出，随着焙烧温度的升高，滤料的强度和酸碱溶蚀后的强度均增大。温度为500~600℃时，滤料强度为76～140N，用锉刀可以切割滤料；温度为700~800℃时，滤料强度为178～286N，锉刀无法切割滤料，强度和硬度均明显变大，基本符合BAF工艺对滤料强度要求。还可以看出，酸碱溶蚀对滤料强度影响不大，说明该滤料耐酸碱能力强。2．1．4焙烧温度对滤料酸碱溶蚀率的影响室温下，分别在质量分数为1％的盐酸溶液和1％的氢氧化钠溶液中浸泡样品24h，取出冲洗，在105℃下干燥至恒重，测其质量损失，焙烧温度对滤料酸碱溶蚀率的影响如表2所示。由表2可见，酸溶蚀率为3．54％～5．59％，碱溶蚀率为0．04％～1．47％；随着温度的升高，滤料的酸碱溶蚀率基本呈下降趋势，同时还可看出酸溶蚀率比碱溶蚀率高，这主要是因为：凹土是镁铝硅酸盐矿物，该矿物在酸性溶液中溶解后易被洗涤滤出；其次，在凹土中含有一定量的碳酸钙，在较高的温度下可与玻璃中的二氧化硅形成硅酸钙，两者在酸性溶液中均能被溶解滤出。温度为700～800℃时，酸溶蚀率为3．89％～4．14％，碱溶蚀率为0．22％~0．25％。此时滤料的酸碱溶蚀率和溶蚀后强度以及磨损基本符合BAF的要求。2．2凹土陶粒挂膜试验BAF的挂膜启动采用接种挂膜的方式，即先接种活性污泥再进行连续流培养的模式。试验中所用接种污泥取自淮安市四季青污水处理厂二沉池，首先将凹土滤料倒入所接种的活性污泥浸泡2d，期间每日按m(C)：m(N)：m(P)=100：5：1投加营养物质；然后将浸泡的滤料加入到反应器内闷曝10h，保持曝气量为0．25m3／h，之后改为小流量进水。系统连续运行9d左右发现反应器内出现淡黄色或黄褐色的絮体。进水COD维持在80mg/L左右，出水COD和COD去除率如图4所示。冶金之家网站由图4可见，经过11d左右的时间，出水COD去除率己达到70％以上，到第14天时COD去除率达80％以上。再经4d的连续监测，COD去除率为83％左右，而且基本保持不变，可认为系统基本达到稳定，挂膜成功，可进入稳定运行阶段。2．3HRT对COD和氨氮去除率的影响水力停留时间(HRT)是曝气生物滤池系统中重要的工艺控制参数。试验进水COD基本保持94mg/L左右，氨氮为17mg／L左右，曝气量为0．25m3／h时，考察HRT对氨氮和COD的去除效果，结果如表3所示。由表3可见，HRT对COD和氨氮的去除率均有较大影响。当HRT为2h时，COD和氨氮去除率分别为83．33％和85．60％；当HRT为3h时，COD和氨氮去除率分别为83．72％和87．10％，去除率增长不明显，综合考虑取HRT为2h。HRT缩短会提高滤层间的水流速度，水流速度的增加会产生较大的水力剪切力，加速生物膜的脱落并将其中一部分带出滤料层而随水流流出，进而使得出水COD增加，去除率降低。HRT对BAF硝化性能有显著影响。HRT缩短会增加COD负荷，将导致氧化COD的异养菌大量繁殖且沿高度方向向上扩展，这样势必压缩硝化细菌的活性空间。再者，水力及气流剪切力的迅速增大导致生物膜更新速度加快，使硝化细菌很难在生物膜中富集到相当的数量。因此，单级曝气生物滤池在同步去除COD和氨氮时，必须选择适宜的HRT以确保进水COD和氨氮的同步去除。2．4进水浓度对COD和氨氮去除率的影响在HRT为2h，曝气量为0．25m3/h时，考察进水COD和进水氨氮对系统处理效果的影响，结果如图5、图6所示。冶金之家网站由图5可见，进水COD为70．32～160．25mg／L，出水COD为11．62~20．42mg／L，COD去除率在83．19％~88．61％，COD去除率并不随COD进水变化而有规律地变化，由此可见，在常规的有机物浓度范围内BAF具有良好的去除有机物的效果，并且有很强的抗冲击负荷的能力。由图6可见，进水氨氮为14．35～33．55mg／L，出水氨氮为1．61~4．01mg／L，氨氮去除率为86．35％~88．77％，在进水氨氮负荷为0．17~0．40kg／(m3·d)范围内氨氮去除率受进水氨氮浓度影响不大，出水氨氮符合《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB／T18921—2002)的要求。3结论(1)以凹土为主要原料，添加适量造孔剂，在700~800℃范围内煅烧2h，可以制得烧失量约为22％、强度为178~286N、酸碱溶蚀率分别为3．89％～4．14％和0．22％～0．28％、表面粗糙、孔隙发达、比表面积大的理想滤料。(2)该滤料应用于曝气生物滤池中易挂膜，11d出水COD去除率己达到70％以上，到第14天COD去除率达80％以上。在进水COD约94mg／L、氨氮约17mg／L、曝气量0．25m3/h时，HRT为2h适宜。(3)曝气量为0．25m3/h，HRT为2h，进水COD为70．32~160．25mg／L，氨氮为14．35～33．55mg／L的条件下，COD和氨氮去除率变化均不大，可看出BAF具有一定的抗冲击负荷能力。参考文献：[1]杨跃，张金松，黄文章．复合式曝气生物滤池脱氮效果影响因素研究[J]．给水排水，冶金之家网站2010，36(7)：140—142．[2]Mendoza-EspinosaLG，StephensonT．Organicandhydraulicshockloadingsonabiologicalaeratedfilter[J]．EnvironmentalTechnology，2001，22(3)：321—330．[3]YooIK，KimDJ．EffectsofhydraulicbackwashloadoneffluentqualityofupflowBAF[J]．JournalofEnvironmentalScienceandHealth，PartA：Toxic／HazardSubstancesandEnvironmentalEngineering，2001，36(4)：575—585．[4]王萍，李国昌．焙烧温度对硅藻土陶粒孔隙特征的影响[J]．金属矿山，2008，381(3)：133—136．[5]胡涛，陈静，钱运华，等．凹土与硅藻士复合生物滤料的制备及应用研究[J]．非金属矿，2010，33(1)：18—21．[6]陈天虎，王健，庆承松，等．热处理对凹凸棒石结构、形貌和表面性质的影响[J]．硅酸盐学报，2006，34(11)：1406—1409．