自制粉煤灰陶粒填料處理城市污水

謝 躍，周笑綠，李倩煒

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200090)

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自制粉煤灰陶粒填料處理城市污水

謝 躍，周笑綠，李倩煒

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200090)

利用粉煤灰、黏土、脫水污泥和碳酸鈣等原料制備粉煤灰陶粒。通過正交試驗確定原料的最優(yōu)配比，并對自制陶粒進(jìn)行了性能表征，進(jìn)一步利用自制曝氣生物濾池裝置，通過改變運行參數(shù)，測試了自制陶粒用作曝氣生物濾池填料處理城市污水的效果。結(jié)果表明：自制陶粒填料各項性能都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)去除率隨著水力停留時間(HRT)的增加而增加，當(dāng)HRT為4h時，總磷(TP)去除率達(dá)到最大；低溫不利于TN、TP的去除，溫度對COD去除率影響不大；當(dāng)進(jìn)水中的TN含量為30mg/L時，TN去除率最大。TP去除率隨著進(jìn)水中的TP含量的增加而增加，進(jìn)水濃度對COD去除率影響不大。

粉煤灰； 陶粒； 曝氣生物濾池； 城市污水

1 前 言

曝氣生物濾池(BAF)是在普通生物濾池的基礎(chǔ)上借鑒給水濾池工藝而開發(fā)的污水處理新工藝。它集生物處理和泥水分離于一體，占地小、工藝簡單、運行成本較低、出水水質(zhì)好，非常適合我國國情[1-2]。填料作為曝氣生物濾池的核心組成部分，對其處理效果和運行控制極為重要，其主要性能指標(biāo)包括破損率、比表面積、孔隙率、表面粗糙度等[3]。

粉煤灰作為熱電廠燃煤鍋爐排放的固體廢物，年排放量可達(dá)1億多噸，除了部分用于建筑、交通、土壤改良等方面外，還有相當(dāng)多的粉煤灰采用就地堆積的方法處理，極易造成環(huán)境污染[4-5]。粉煤灰中含有大量SiO2、Al2O3能提供大量的Si、Al的活性點，且比表面積大，具有較強(qiáng)的吸附能力[6-7]。因此，利用粉煤灰作為主要原料，通過添加黏土和外加劑的方法在高溫下燒結(jié)成粉煤灰陶粒，與傳統(tǒng)的黏土陶粒和頁巖陶粒相比，不僅原料低廉易得，而且對污水中污染物質(zhì)具有較好的去除效果[8-9]。

本研究以粉煤灰為主要原料，輔以少量黏土、脫水污泥和碳酸鈣自制粉煤灰陶粒填料，通過正交試驗確定了原料的最優(yōu)配比，并測定其性能及不同運行條件下作為曝氣生物濾池填料處理模擬城市污水的效果。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

(1)實驗進(jìn)水為實驗室人工配制，每100L水中添加一定比例的其他成分，配制后水質(zhì)約為COD=300mg/L、NH3-N=30mg/L、TP=5mg/L，具體配方見表1。

表1 實驗進(jìn)水成分 Table 1 Compositions of experiment inflow wastewater

(2)粉煤灰填料原料：粉煤灰取自上海某電廠，粘土取自上海某建筑工地，脫水污泥取自上海某污水廠污泥脫水間，碳酸鈣(AR)購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 粉煤灰陶粒的制備與篩選 將黏土、碳酸鈣、活性污泥作為影響因素，分四個水平、四種原料配比加起來為1.2，采用L16(45)正交表設(shè)計實驗[10]，各因素和水平值見表2。

表2 因素水平表L16(45)Table 2 Orthogonal experiment date with 5 levers and 4 factors

按所設(shè)計實驗中各配比均勻混合原料，制成粒徑為6～8 mm的顆粒，放入105℃干燥箱內(nèi)干燥1h后取出，置于程控箱式電爐中，300℃下預(yù)熱15min后再在900℃下焙燒30min，自然冷卻后取出，即得到粉煤灰陶粒填料。將16組制備好的陶粒同時分別放入自制曝氣生物濾池中(見圖1)，保持進(jìn)水濃度、HRT、溫度等不變的條件下，待掛膜成功后，比較16組陶粒對于同一水中TN、TP的去除率，篩選出粉煤灰陶粒的最佳配比。

2.2.2 陶粒性能表征 根據(jù)“CJ-T299—2008水處理用人工陶粒濾料標(biāo)準(zhǔn)”[11]對篩選出的最優(yōu)配比陶粒進(jìn)行各項性能測試，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)對其表面形態(tài)進(jìn)行表征。

(1—水箱；2—蠕動泵；3—進(jìn)水閥門；4—曝氣頭；5—承托層；6—粉煤灰陶粒載體；7—溢流出水口；8—鼓風(fēng)機(jī))圖1 曝氣生物濾池裝置圖Fig.1 Device of biological aerated filters

2.2.3 曝氣生物濾池運行實驗 大量制備篩選出的最優(yōu)配比粉煤灰陶粒，裝在自制曝氣生物濾池中(見圖1)，通過對比不同HRT、溫度、進(jìn)水濃度條件下粉煤灰陶粒載體對人工配制的城市生活污水TN、TP、COD的處理效果，確定以粉煤灰陶粒作為載體的曝氣生物濾池處理城市生活污水的最佳工況。

3 結(jié)果與討論

3.1 粉煤灰陶粒配方的確定

實驗設(shè)計的正交實驗結(jié)果見表3。比較表中各組陶粒對同一水質(zhì)中TN、TP的去除率：第7、9組陶粒對TN去除率明顯高于其他組；第1、2、3、5、6組陶粒粉煤灰含量過少，不利于其物理吸附性能的發(fā)揮，阻礙微生物如硝化菌在載體上附著生長；第13、14、15、16組陶粒粉煤灰含量過高，導(dǎo)致黏土含量不高，容易使陶粒強(qiáng)度降低，易掉屑，影響TN去除；第11組陶粒脫水污泥含量過高，焙燒過程中逸出的氣體較多而形成了過多的空隙，影響了陶粒的強(qiáng)度。陶粒原料中含有鈣，有利于去除污水中的磷，因此碳酸鈣與粉煤灰含量較高的第9組和第10組陶粒對TP的去除率最高。

表3 正交實驗計劃及結(jié)果Table 3 Experiment contents and results

綜上所述，第9組陶粒對于TN、TP的去除率最高，因此，確定本實驗所制備最優(yōu)粉煤灰陶粒的配方為第9組，即粉煤灰∶黏土∶脫水污泥∶碳酸鈣=40∶40∶25∶15。

3.2 陶粒性能表征

3.2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析 利用掃描電子顯微鏡(SEM)對第9組粉煤灰陶粒進(jìn)行表面和剖面的形貌

觀察，見圖2。從圖2可見，粉煤灰陶粒的表面粗糙且存在著大量的微孔及通道，成分以球形顆粒狀為主，夾雜著一些不規(guī)則的物相、孔隙多，適合用作吸附材料來處理污水。作為污水處理載體，發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和粗糙的表面能夠有效地對水流和氣流進(jìn)行均勻分配，減小水流對生物膜的剪切力，減輕水流對載體上附著生物膜的沖刷，使得微生物與載體表面接觸更加完全，有利于微生物在載體表面生長并形成生物膜。同時，能充分發(fā)揮陶粒的吸附性能和吸附容量，進(jìn)一步增強(qiáng)對污染物的去除能力[6]。

圖2 粉煤灰陶粒表面SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of fly ash ceramisite surface

3.2.2 陶粒性能測試結(jié)果 對陶粒進(jìn)行破損率、磨損率、鹽酸可溶率、堆積密度、表觀密度、空隙率、比表面積等性能測試，與CJ-T299—2008標(biāo)準(zhǔn)[11]比較結(jié)果見表4。

表4 粉煤灰陶粒性能測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的比較

由表4可看出，粉煤灰的破損率與磨損率之和符合CJ-T299-2008標(biāo)準(zhǔn)。鹽酸可溶率偏高但是也符合此標(biāo)準(zhǔn)，這是因為粉煤灰中含有硅、鋁及其他可溶于酸的氧化物。對于堆積密度和表觀密度以及空隙率來說，粉煤灰陶粒屬于人造輕骨料，堆積密度和表觀密度都較小，空隙率較大，相比其他傳統(tǒng)的陶粒材料有較大優(yōu)勢。從表中可知粉煤灰陶粒載體在比表面積上的優(yōu)勢也很明顯?？傮w而言，該粉煤灰陶粒載體性能良好，適合用作曝氣生物濾池載體來處理污水。

3.3 曝氣生物濾池運行實驗

3.3.1 HRT對粉煤灰陶粒去除污染物效果的影響 分別選取2h、3h、4h、5h的HRT，考察不同HRT情況下，粉煤灰陶粒載體對TN、TP、COD去除效果的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，由于人工配水的水質(zhì)較穩(wěn)定，進(jìn)水TN維持在30mg/L左右，而出水TN都在15mg/L以下，滿足(GB 18918-2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)；HRT為2～5h時相應(yīng)TN平均去除率分別為54.4%、57.8%、61.6%和63.94%，隨著HRT增加，圖中TN去除率曲線總體呈上升趨勢。HRT的變化對TP去除影響也較明顯，所有出水TP均達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)HRT增加到4h時，粉煤灰陶粒載體對TP去除率達(dá)到最大。HRT的變化對COD去除影響不明顯，去除率始終保持在85%以上，出水COD達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。因此確定最佳HRT為4h。

圖3 不同的水力停留時間(HRT)下對污染物去除的影響Fig.3 Effect of different HRTs on pollutants removal rates

分析其原因，可能是水力停留時間過長，而污水中有機(jī)物有限，從而抑制了微生物生長，再加上濾速比較低，氣水(空氣與污水)在反應(yīng)器中的傳輸阻力比較大，易造成氣水分布不均，導(dǎo)致去除率上升不明顯。HRT越長，越有利于生物吸收和硝化作用，有利于微生物反應(yīng)去除污水中的TN。

粉煤灰陶粒對磷的去除是載體上附著生長的微生物吸附分解污水中含磷污染物以及載體中含有鈣、鐵等金屬物質(zhì)與磷發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)沉淀的協(xié)同作用，HRT過長不宜于聚磷菌攝磷。

3.3.2 溫度對粉煤灰陶粒去除污染物效果的影響 選取秋冬兩季煤灰陶粒載體對TN、TP及COD的去除效果。秋季運行時，平均水溫為20℃，冬季運行時，平均水溫為10℃。在進(jìn)水濃度、HRT等條件相同的情況下，測定不同溫度污水中的TN、TP、COD，結(jié)果見圖4。

圖4 不同溫度對污染物去除的影響Fig.4 Effect of differenttemperature on pollutants removal rates

由圖4可知，當(dāng)溫度從20℃下降到10℃，TN平均去除率從63.9%降為51.0%，去除率減小12.9%，出水TN也由一級A標(biāo)準(zhǔn)降至一級B標(biāo)準(zhǔn)；秋季TP平均去除率為71.22%，而在冬季溫度較低時TP平均去除率降為44.16%，出水TP均低于3mg/L，達(dá)到二級排放標(biāo)準(zhǔn)；COD去除率從93.8%下降到88.4%，出水COD都低于50mg/L，符合一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

這是因為，雖然溫度下降影響了附著在曝氣生物濾池中粉煤灰陶粒載體上微生物個體的代謝活性，但是由于載體上生長的生物膜較多、生物量較大、種類多，并且濾池中有充足的營養(yǎng)物質(zhì)，可提供某些微生物在低溫下仍能正常發(fā)揮作用所需的營養(yǎng)；另一方面粉煤灰陶粒載體對污染物具有吸附、截留、過濾等作用，在低溫下仍能去除有機(jī)污染物。低溫時，雖然氨氮的硝化作用仍比較徹底，但是反硝化作用受溫度的影響較大，TN的去除在反硝化階段受到了限制，使得TN去除效率偏低。一定程度的溫度升高有利于聚磷菌的生長和活性增加，可以提高除磷效率，但當(dāng)溫度過高或過低(高于25℃、或低于15℃)均不利于聚磷菌生長，從而降低了除磷效率。

3.3.3 進(jìn)水濃度對粉煤灰陶粒去除污染物效果的影響 進(jìn)水以表1的實驗用水配方為基準(zhǔn)，保持其他配比不變，分別調(diào)整進(jìn)水中的TN、TP、COD的濃度，對比相應(yīng)的去除效果，結(jié)果見圖5。

圖5 不同進(jìn)水濃度對TN、TP、COD去除的影響Fig.5 Effect of different inflow concentrations on TN、TP、COD removal rates

由圖5可知，進(jìn)水TN含量為10～40mg/L時，TN的去除率隨著進(jìn)水中TN的增高而增加，在30mg/L時達(dá)到最大(62.6%)，由于曝氣生物濾池中反硝化細(xì)菌所需的缺氧環(huán)境有限，導(dǎo)致反硝化受限，隨后TN去除率有所降低；對于TP去除率，在進(jìn)水中的TP含量較低時去除率較差，當(dāng)進(jìn)水TP上升至4mg/L以上后，出水穩(wěn)定下來，去除率逐漸增大，除磷效果較好，對TP耐沖擊負(fù)荷能力較好；進(jìn)水COD在100 ～400mg/L范圍內(nèi)逐漸升高，COD去除率基本隨著進(jìn)水COD濃度升高而逐漸增大，曝氣生物濾池耐有機(jī)負(fù)荷能力較好。

4 結(jié) 論

1.以粉煤灰為主要原料，黏土、碳酸鈣、脫水污泥為輔料制備了粉煤灰陶粒載體，通過正交試驗，比較不同配比的粉煤灰陶粒對城市污水中的氮、磷的去除效果，篩選出最優(yōu)的粉煤灰陶粒配比為：粉煤灰∶黏土∶脫水污泥∶碳酸鈣=40∶40∶25∶15。

2.最優(yōu)配比的粉煤灰陶粒各項性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，破損率與磨損率之和與鹽酸可溶率都符合標(biāo)準(zhǔn)，堆積密度與表觀密度相比傳統(tǒng)陶粒均較小，孔隙率與比表面積均較大，該種陶粒更有利于微生物的附著，適合用作曝氣生物濾池載體處理污水。

3.對比不同運行條件下粉煤灰陶粒載體對于污染物的去除效果得出，COD、TN去除率隨HRT增加有所增加；當(dāng)HRT=4h時，TP去除效果最佳，此時出水COD、TN符合一級A標(biāo)準(zhǔn)，TP符合二級標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)溫度由20℃降至10℃時，TN、TP去除率下降明顯，但對COD影響較小，此時出水中TN符合一級B標(biāo)準(zhǔn)，TP符合二級標(biāo)準(zhǔn)，COD符合一級A標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)進(jìn)水中的TN含量為30mg/L時，TN去除率達(dá)到最大；進(jìn)水中的TP含量較低時TP去除較差，去除率隨著進(jìn)水中的TP增加而升高，并在進(jìn)水TP為6mg/L時達(dá)到最高；進(jìn)水中的COD濃度對COD的去除影響不大。

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Treatment of Municipal Wastewater Using Self-made Fly Ash Ceramisite as Filler of BAF

XIE Yue， ZHOU Xiaolv， LI Qianwei

(College of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Fly ash ceramisite was made with raw materials including fly ash, clay, dewatered sludge and CaCO3. The optimal ratio of the raw materials was determined by the orthogonal test. The performance of the self-made fly ash ceramisite was investigated. The effect of the self-made fly ash ceramisite as filler of self-made biological aerated filter for treating municipal wastewater was studied by changing operational parameters. The results show that：various performances meet the relevant standards, removal rates of COD (Chemical Oxygen Demand)、TN (Total Nitrogen) tend to increase as HRT(Hydraulic Retention Time) increases, and TP (Total Phosphorus) removal rate is at the highest level with HRT 4h. Temperature has little effect on COD removal rate, and removal rates of TN and TP tend to decrease as temperature decreases. Influent concentration has little effect on COD removal rate, removal rate of TN is the highest with influent TN 30mg/L, and removal rate of TP increases with the increasing of influent TP.

fly ash； ceramisite； biological aerated filter (BAF) ； municipal wastewater

1673-2812(2017)02-0324-06

2016-01-06；

2016-03-04

謝 躍(1989-)，碩士，主要從事污水處理及其工藝改造的研究。E-mail：1009868503@qq.com。

X703.1

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.032