粉煤灰陶粒在處理含鉻廢水中的應(yīng)用研究

張順成，郎建峰，曾武

（1.河北理工大學(xué)化工與生物技術(shù)學(xué)院,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）

粉煤灰陶粒在處理含鉻廢水中的應(yīng)用研究

張順成1,2，郎建峰1，曾武1

（1.河北理工大學(xué)化工與生物技術(shù)學(xué)院,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）

將粉煤灰、粘土及木炭粉按比例混合，燒制成陶粒，以鉻（Ⅲ）質(zhì)量濃度 20mg·L-1的水溶液模擬廢水為研究對(duì)象，利用粉煤灰制備的陶粒吸附處理鉻（Ⅲ），測(cè)試單位時(shí)間水流量、pH值、溫度對(duì)除鉻效果的影響。結(jié)果表明當(dāng)粉煤灰、粘土及木炭粉的比例為85∶10∶5時(shí)陶粒同時(shí)具有較好的吸水性和抗壓強(qiáng)度，在最佳條件下鉻（Ⅲ）去除率可達(dá)99%以上。

粉煤灰;陶粒;吸水率;抗壓強(qiáng)度;含鉻廢水

鉻化合物是冶金工業(yè)、金屬加工、電鍍、制革、油漆、印染以及化工等行業(yè)必不可少的原料。鉻化合物中危害最大的是鉻的六價(jià)化合物，它具有致癌的危險(xiǎn),已經(jīng)成為工業(yè)水污染的主要影響因素。電鍍等工業(yè)排放的含六價(jià)鉻廢水，常見的處理方法有生物處理法、離子交換法[1]、還原沉淀法[2]、膜分離法、電滲析法、吸附法[3～4]等。粉煤灰陶粒對(duì)六價(jià)鉻的去除效果并不理想，但是對(duì)三價(jià)鉻有較強(qiáng)的去除作用?，F(xiàn)在六價(jià)鉻可通過(guò)Fe3+還原為三價(jià)鉻，也可通過(guò)微生物處理，如周海濤等人[5]分離到的假單胞菌(Pseudomonas)在厭氧條件下，以生活污水為基質(zhì)將六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻，其最高鉻還原能力為200 mg·L-1，而最高耐受鉻能力達(dá) 500mg·L-1，且微生物法可大量降低管理費(fèi)用。因此利用制得的粉煤灰陶粒作為吸附劑可有效去除廢水中的鉻。吸附法具有操作簡(jiǎn)單方便，處理成本低，處理效果好，可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，但常規(guī)吸附劑價(jià)格昂貴，因此新型吸附劑的研究開發(fā)是目前的熱點(diǎn)。

粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，年排渣量已達(dá)3000萬(wàn)t，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。本試驗(yàn)利用粉煤灰為主要原料，按一定比例添加粘結(jié)劑(如粘土)和固體燃料(如木炭粉)經(jīng)干燥、研磨、過(guò)篩、混合、成球及高溫焙燒(1100～1150℃)制得輕質(zhì)陶粒，利用陶粒的吸附性能來(lái)處理含鉻廢水，從而達(dá)到以廢治廢的目的。

1 粉煤灰陶粒制備

1.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備：

粉煤灰（來(lái)自陡河電廠，組成見表1）、粘土、木炭粉。

ACS-3H電子秤、DHG-9030A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、RT-34型連續(xù)投料粉碎機(jī)、SRJX-8-13型高溫箱式電阻爐等。

表1 陡河電廠粉煤灰的化學(xué)組成 /%

1.2 粉煤灰陶粒制備

將粉煤灰、粘土和木炭粉利用電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥至恒重后冷卻至室溫，利用連續(xù)投料粉碎機(jī)粉碎物料并通過(guò)150μm方孔篩，按表2的配比方案比例混合配制料球，將烘干后的料球置入高溫箱式電阻爐分別勻速升溫至 1100℃、1150℃焙燒，保溫20min，40min及60min后在空氣中冷卻至室溫制得粉煤灰陶粒。具體配比方案見表2。

表2 粉煤灰、粘土和木炭粉配比 /%

1.3 陶粒性能測(cè)試

粉煤灰陶粒吸水率按照國(guó)標(biāo) GB/T 17431.。2-1998[6]中的方法進(jìn)行,抗壓強(qiáng)度參照國(guó)標(biāo) GB/T 17431.2-1998中的筒壓強(qiáng)度測(cè)試方法進(jìn)行。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 陶粒吸水率測(cè)試結(jié)果

配制方案、焙燒溫度及保溫時(shí)間對(duì)陶粒吸水率的影響如圖1～ 3所示。

圖1 不同方案不同焙燒溫度下保溫20min吸水率變化

圖2 不同方案不同焙燒溫度下保溫40min吸水率變化

圖3 不同方案不同焙燒溫度下保溫60min吸水率變化

圖4 不同方案不同焙燒溫度下保溫20min壓力變化

1.4.2 陶?？箟簭?qiáng)度測(cè)試結(jié)果

配制方案、焙燒溫度及保溫時(shí)間對(duì)陶?？箟簭?qiáng)度的影響如圖4～ 6所示。

圖5 不同方案不同焙燒溫度下保溫40min壓力變化

圖6 不同方案不同焙燒溫度下保溫60min壓力變化

1.5 分析與討論

1.5.1 配制方案、焙燒溫度及保溫時(shí)間對(duì)陶粒吸水率的影響

吸水率是反映粉煤灰陶粒品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，吸水率越高，陶粒品質(zhì)越好。試驗(yàn)中采用添加木炭粉的目的在于增大陶粒孔隙率從而增加吸水率，提高吸附性能。從圖1～ 3可以看出，溫度對(duì)陶粒的吸水率影響很大，隨著溫度的升高陶粒部分由半熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，從而阻礙了陶粒中孔隙的形成，導(dǎo)致吸水率降低。結(jié)果證實(shí)不同方案不同保溫時(shí)間條件下的陶粒在 1100℃時(shí)的吸水率均高于1150℃時(shí)的吸水率。由此表明焙燒溫度對(duì)陶粒的吸水率影響很大。

1.5.2 配制方案、焙燒溫度及保溫時(shí)間對(duì)陶?？箟簭?qiáng)度的影響

由圖4～ 6可知，隨著溫度升高，抗壓力增大，且保溫時(shí)間對(duì)抗壓力的影響呈現(xiàn)不規(guī)則變化，溫度則對(duì)陶粒的抗壓力影響很大，隨著溫度的升高陶粒部分由半熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，增加了陶粒的致密度，從而使抗壓力增大。結(jié)果證實(shí)焙燒溫度為1100℃時(shí)的陶?？箟毫h(yuǎn)低于 1150℃時(shí)的陶?？箟毫?。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，陶粒在1150℃保溫60min時(shí)吸水率可達(dá)33.35%，同時(shí)抗壓力達(dá)到636N，達(dá)到了輕質(zhì)濾料標(biāo)準(zhǔn)，且能使粉煤灰的利用率達(dá)到85%，所以本試驗(yàn)確定方案二為制備粉煤灰陶粒的最優(yōu)方案。

2 粉煤灰陶粒處理含鉻廢水的試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

上述最優(yōu)方案制備的粉煤灰陶粒，濃度為20mg·L-1的GrCl3溶液，pH值緩沖溶液。

2.2 試驗(yàn)方法

將粉煤灰陶粒置入試驗(yàn)裝置（見圖 7）中，分別調(diào)節(jié)GrCl3溶液流量、溶液pH值和溫度，測(cè)定處理后水溶液中Gr(Ⅲ)濃度，按下式計(jì)算去除率，

式中:Y為總鉻去除率，%;C0、C分別為總鉻初始、處理后質(zhì)量濃度，mg·L-1。

圖7 含鉻廢水處理裝置

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

GrCl3溶液流量對(duì)鉻去除率的影響如表3所示；pH值對(duì)鉻去除率的影響如表 4所示；溫度對(duì)鉻去除率的影響如表5 所示。

表3 進(jìn)水流量對(duì)Gr3+去除率的影響

表4 pH值對(duì)鉻去除率的影響

表5 溫度對(duì)鉻去除率的影響

2.4 分析與討論

2.4.1 GrCl3溶液流量對(duì)鉻去除率的影響

表 3表明 GrCl3溶液的進(jìn)水流量減小，GrCl3溶液與粉煤灰陶粒接觸時(shí)間的延長(zhǎng)從而使Gr3+去除率增大，但當(dāng)減小到一定程度時(shí)，去除率基本不變，所以為了在去除率達(dá)標(biāo)情況下同時(shí)加快去除速率，選流量為 0.05m3·h-1。由于本試驗(yàn)裝置體積較小，對(duì)于較大量處理可按廢水與陶粒的接觸時(shí)間計(jì)算，即接觸時(shí)間為37.7min時(shí)既能使鉻去除率高又能節(jié)省除鉻時(shí)間。

2.4.2 pH值對(duì)鉻去除率的影響

表4證實(shí)在用緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值情況下，隨著pH值的增加，鉻去除率隨之增加，但當(dāng)pH值達(dá)到7.5后，pH值對(duì)鉻去除率影響較小，pH值達(dá)到 4.5以后，鉻去除率均能達(dá)到 99%以上，但 pH值小于4.5時(shí)由于酸度影響，不利于Gr(OH)3的絮凝沉降，從而導(dǎo)致鉻去除率顯著下降。由此表明本粉煤灰陶粒僅適用于pH值大于4.5的情況下處理含鉻廢水。

2.4.3 溫度對(duì)鉻去除率的影響

表5表明溫度從 15℃升高至 35℃，鉻去除率也逐漸增加，但變化不顯著，鉻去除率均在99%以上。由此表明在一定溫度范圍內(nèi)溫度對(duì)粉煤灰陶?；钚缘挠绊懞苄?，粉煤灰陶粒對(duì)鉻的去除率受溫度影響較小，即可在常溫條件下進(jìn)行。

2.5 擴(kuò)大試驗(yàn)

配制濃度為 200mg·L-1的 GrCl3溶液在常溫條件下，以 0.05m3·h-1流量輸入試驗(yàn)裝置中，測(cè)定處理后的水溶液中Gr3+濃度，其結(jié)果如表6所示。

表6 擴(kuò)大試驗(yàn)結(jié)果

表 6數(shù)據(jù)表明模擬廢水中 Gr3+濃度在 0～200 mg·L-1范圍內(nèi)，陶粒與含鉻廢水接觸時(shí)間為37.7min時(shí)，鉻去除率可達(dá)到99%以上。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰、粘土和木炭粉配比、焙燒溫度和保溫時(shí)間對(duì)粉煤灰陶粒的吸水率和抗壓力均有一定影響。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的最佳方案為粉煤灰、粘土和木炭粉以85∶10∶5比例混合，1150℃焙燒保溫60min。利用此粉煤灰陶粒處理Gr3+濃度在 0～200 mg·L-1的模擬廢水，接觸時(shí)間為 37.7min時(shí)鉻去除率可達(dá)99%以上。

（2）制備粉煤灰陶粒試驗(yàn)中，添加粘土和木炭粉在增大陶?？箟簭?qiáng)度同時(shí)也提高了陶粒的孔隙率，從而提高了陶粒顆粒的抗壓力和吸水率。

（3）在鉻去除試驗(yàn)中，由于陶粒質(zhì)輕，可使廢水與陶粒發(fā)生相對(duì)對(duì)流，從而大大減少了廢水與陶粒的接觸時(shí)間。

（4）利用粉煤灰制備陶粒來(lái)處理含鉻廢水，可達(dá)到以廢治廢的目的，并且處理效果較好、費(fèi)用低、原料來(lái)源豐富，可以考慮將其應(yīng)用于實(shí)際中。

（5）本試驗(yàn)中采用的是模擬含鉻廢水，現(xiàn)實(shí)中的含鉻廢水中同時(shí)含有其他影響物質(zhì)，因此在實(shí)際中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

[1] 王曉昌.造粒型高效固液分離技術(shù)用于電廠廢水再生的試驗(yàn)研究[J].給水排水，2001,27(8):39-41.

[2] 黃廷林,解岳,叢海兵,等.水廠生產(chǎn)廢水結(jié)團(tuán)凝聚處理的中試試驗(yàn)研究[J].給水排水，2003,29(3):9-12.

[3] 黃廷林,張剛,聶小寶,等.造粒流化床濃縮技術(shù)處理給水廠排泥水的中試研究[J].給水排水,2005,31(11)：10-14.

[4] 占天剛,王曉昌,袁宏林,等.生物造粒流化床脫氮除磷研究[J].水處理技術(shù)，2007,33(3):20-21.

[5] 周海濤,白毓謙.一株六價(jià)鉻還原菌的分離及其用于含鉻廢水處理的初步研究[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),1991，21(3):104-109.

[6] GB17431,輕集料及其試驗(yàn)方法[S].

Application Research of Fly Ash Ceramic in Treatment of Wastewater of Chromium

ZHANG Shun-cheng1，2，LANG Jian-feng1，ZENG Wu1
(1.College of Chemistry Engineering and Biological Technology, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063000，China; 2. The Building Materials, Quality Supervision and Inspection Stations of Tangshan, Tangshan 063000，China)

In the experiment, fly ash, clay and charcoal powder were mixed in certain proportion to fire into ceramic granules. The study concentrated on the simulated wastewater, of which the concentration of chromium (Ⅲ) was 20mg/L. Making use of ceramic granules to absorb chromium (Ⅲ), the study tested the influence of water flow, pH value and temperature on the effects of removing chromium (Ⅲ) per unit time. The results showed that when fly ash, clay and charcoal powder were mixed at the proportion of 85:10:5, ceramics had good water absorption and compressive strength at the same time. In the best conditions, the removal rate of chromium (Ⅲ) could up to more than 99%.

fly ash; ceramic granules; water absorption; compressive strength;chromium wastewater

X 703

A

1671-9905(2010)08-0049-04

張順成,(1973-), 男,工程碩士,質(zhì)量工程師 聯(lián)系電話:13832868216,15531565016;電子郵箱:zsc12888@126.com,13832868216@126.com

2010-05-17