高摻量鐵尾礦陶粒濾料的制備

張學(xué)董 朱曉麗 么琳 黃新冉

摘 要：本試驗以鐵尾礦為主要原料，通過摻加爐渣、粉煤灰、石灰石、外加劑等輔料，進(jìn)行鐵尾礦陶粒的制備與污水處理研究。當(dāng)原料配比為鐵尾礦86%、爐渣7%、粉煤灰5%、石灰石1%、外加劑1%時，在最高煅燒溫度1100℃的條件下，可制得表面粗糙、粒徑3～5mm、吸水率14.01%、孔隙率31.07%、堆積密度1.12kg/m3、表觀密度為1.92kg/m3的陶粒，其對生活污水的濁度去除率為64.02%，COD去除率最高可達(dá)79.48%。

關(guān)鍵詞：高摻加量鐵尾礦；陶粒；濁度；COD

鐵尾礦是將鐵礦石充分磨細(xì)后，通過磁選技術(shù)選取鐵精粉后所剩余的固體廢棄物。據(jù)中國資源綜合利用協(xié)會發(fā)展報告，我國尾礦總產(chǎn)生量達(dá)到了11.92億噸，占全國工業(yè)固體廢棄物的45%以上，而綜合利用率只有13.3%，且目前已累積堆存100多億噸[1]。因此，尾礦的回收利用與資源化開發(fā)成為科研領(lǐng)域的研究熱點。

陶粒具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨擦、抗沖擊、耐腐蝕、耐高溫、比表面積大、截污能力強(qiáng)、不向水體釋放有毒有害物質(zhì)等特點，是現(xiàn)代污水處理工藝的理想濾料[2]。本試驗以鐵尾礦為主要原料，通過摻加適當(dāng)?shù)妮o料，如爐渣、粉煤灰、石灰石、外加劑等，進(jìn)行高摻加量鐵尾礦陶粒濾料的研究制備，并用于生活污水處理。

1 實驗原料及器材

1.1 實驗原料

鐵尾礦：取自唐山遷安某鐵礦的鐵尾礦砂，是陶粒的主要原料，提供強(qiáng)度并可做粘結(jié)劑。

爐渣：取自燃煤鍋爐廢渣，可提供部分熱值，也是陶粒的造孔劑。

粉煤灰：取自唐山發(fā)電廠，可改善成球性。

石灰石：為造孔劑，也可煅燒過程中提高陶粒強(qiáng)度。

外加劑：主要成分為有機(jī)物，是造孔劑和粘結(jié)劑。

主要原料的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗儀器

試驗所用的主要儀器有：振動磨、水泥凈漿攪拌機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、高溫電阻爐、分析天平、恒溫消解器、化學(xué)耗氧量測定儀、多參數(shù)水質(zhì)分析儀等。

2 試驗方法

2.1 鐵尾礦生物陶粒制備

按照一定的配比準(zhǔn)確稱取各原料于水泥凈漿攪拌機(jī)中，加入27%的自來水?dāng)嚢杈鶆?，采用手工成球的方式制?～5mm的生料球，在105±5℃下烘干3h以去除自由水，然后置于高溫電阻爐中，按設(shè)定升溫程序升溫至1100℃煅燒30min，陶粒產(chǎn)品在室溫下自然冷卻即得鐵尾礦生物陶粒。

2.2 污水處理實驗

本實驗所用的污水取自學(xué)校食堂地坑的生活污水，試驗過程自制污水過濾器一個，將陶粒放入玻璃管中，堆積高度為35mm，固定于鐵架臺上，將配制好的生活污水置于污水過濾器中，測定在規(guī)定時間內(nèi)污水的COD值和濁度值變化。

3 影響陶粒濾料性能因素

3.1 鐵尾礦摻加量

鐵尾礦是陶粒的主要原料，其摻加量對陶粒的性能有很大影響。通過查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前應(yīng)用鐵尾礦來制備陶粒的研究，其鐵尾礦摻加量普遍偏低，因而較大地限制了尾礦的利用率，因此本試驗擬定鐵尾礦摻加量80%為起點來進(jìn)行研究，鐵尾礦最高摻加量為88%。當(dāng)鐵尾礦含量不同時，生活污水的COD值變化如表2所示。

鐵尾礦的主要成分為二氧化硅和氧化鐵，是陶粒產(chǎn)生強(qiáng)度的主要因素，鐵尾礦摻加量的增大將導(dǎo)致料球易燒性降低，使得陶粒產(chǎn)品結(jié)晶不良，強(qiáng)度降低。

由表2可以看出，隨著鐵尾礦摻加量的提高，污水的去除率并沒有提高，而是有所降低，當(dāng)鐵尾礦摻加量高達(dá)88%時，陶粒的去污效果卻顯著降低，綜合考慮在具備較高生活污水COD去除率的前提下盡量提高鐵尾礦摻加量，本試驗確定鐵尾礦的摻加量為86%。

3.2 粒徑

料球粒徑直接影響陶粒產(chǎn)品的比表面積大小，進(jìn)而影響陶粒產(chǎn)品的過濾吸附性能。一般情況下陶粒產(chǎn)品的粒徑控制在1～20mm。若料球粒徑偏大，則比表面積偏小影響過濾效果；若粒徑過小則增加了生產(chǎn)成本，因此本試驗擬定料球粒徑在3～10mm。當(dāng)成球粒徑不同時，生活污水的COD值變化如表3所示。

表3 不同成球粒徑陶粒的COD去除效果

由表3可以看出，當(dāng)陶粒粒徑為5～10mm時，陶粒的比表面積偏小，陶粒堆積時緊密度降低，空隙較大，污水處理效果差；但當(dāng)料球粒徑為3～5mm時，此時陶粒產(chǎn)品的比表面積較大，堆積密度高，過濾吸附性能好，COD去除率高，因此確定陶粒粒徑為3～5mm。測得陶粒的吸水率14.01%、孔隙率31.07%、堆積密度1.12kg/m3、表觀密度為1.92kg/m3。

3.3 煅燒溫度

最高煅燒溫度直接影響料球在高溫階段其內(nèi)部物相的變化與硅酸鹽凝膠相的生成。燒脹陶粒的煅燒溫度一般控制在950℃～1300℃。本試驗選取1050℃～1150℃這一溫度段作為研究范圍。當(dāng)煅燒溫度不同時，生活污水的COD值變化如表4所示。

表4 不同最高煅燒溫度陶粒的COD去除效果

由表4可以看出，煅燒溫度是影響陶粒性能的決定性因素之一，煅燒制度的改變，對陶粒的去污能力有較大影響。在1050℃時，煅燒溫度相對較低，生成的液相不完全，強(qiáng)度較低，在1150℃時，煅燒溫度又相對過高，燃料消耗增加，使得過濾效果顯著降低；當(dāng)煅燒溫度為1100℃時，所制得的陶粒只生成較少的玻璃相，并且內(nèi)部微孔較多，終去除率較高，具有良好的過濾性能。

3.4 陶粒對污水的濁度去除效果

濁度是水中膠體及懸浮物含量的一個表征參數(shù)[3]。試驗過程中，鐵尾礦生物陶粒以較高的堆積密度緊密堆積在過濾試管中，污水通過時，一方面將其中粒徑較大的懸浮物截留在濾柱內(nèi)而使?jié)岫冉档?；另一方面利用微生物之間的絮凝作用，使濾液中的膠體物質(zhì)被吸附截留，從而達(dá)到對污水濁度的去除效果。

表5 陶粒對污水濁度的去除效果

隨著過濾時間的增加，陶粒濾柱對污水濁度的去除穩(wěn)定增長，當(dāng)過濾時間達(dá)到20～30h時，去除效果趨于穩(wěn)定，表明此時吸附已經(jīng)基本完成。

4 結(jié)束語

4.1 試驗表明，以鐵尾礦為主要原料，通過摻加適當(dāng)?shù)臓t渣、粉煤灰、石灰石、外加劑等輔料進(jìn)行調(diào)配，可制得性能良好的鐵尾礦生物陶粒。

4.2 應(yīng)用鐵尾礦陶粒形成濾柱對生活污水進(jìn)行過濾，可以降低污水的COD濃度和濁度，效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]李晶晶，丁益民，等.鐵尾礦的處理及其資源化利用[J].粉煤灰綜合利用，2012.

[2]馮秀娟.鎢尾砂生物陶粒的制備及性能研究[J].金屬礦山，2008.

[3]周衛(wèi)軍，黨志良，吳佳鵬.黃河微污染原水生物預(yù)處理研究[J].陜西工學(xué)院學(xué)報，2004，20（3）：59-62.