鐵尾礦陶粒的制備及對生活污水的處理

朱曉麗 陳瑞軍 幺 琳 吳占興

(1.唐山學院環境與化學工程系，河北 唐山063000;2.唐山市建材產品質量監督檢驗站，河北 唐山063000)

目前我國鐵尾礦利用的方式主要有用作礦山采空區填料、土壤調節劑、水泥或磚的添加劑及用于制作微晶玻璃、新型墻體材料、陶粒等［1-2］。鐵尾礦燒結制取陶粒不僅可以實現固體廢物的資源化利用，而且可以降低環境污染、減少土地資源占用。現有的陶粒濾料主要由黏土、粉煤灰、煤矸石、硅藻土、赤泥等原料制備［3-5］。本研究以鐵尾礦作為主要原料，同時摻加粉煤灰、煤矸石、石灰石和生物外加劑等制備陶粒(石灰石高溫分解生成CO2，在陶粒內部生成氣孔，使陶粒比表面積增大，可以提高生活污水COD 去除率;生物外加劑提高生料球的可塑性，有利于焙燒過程中陶粒結構內部氣孔的生成)，并考察其對生活污水的處理效果。

1 試驗原料及試驗方法

1.1 試驗原料

鐵尾礦砂取自河北遷安鐵礦，粉煤灰、煤矸石和石灰石取自唐山冀東水泥股份有限公司，生物外加劑外購。各原料均磨細至可通過0.08 mm 方孔篩，原料的化學成分分析結果見表1。生活污水取自唐山學院學生食堂和宿舍的污水井。

1.2 主要儀器設備

振動磨樣機(XZM －100)、勃氏透氣比表面積儀(DBT－127)、水泥凈漿攪拌機(NJ －160B)、電熱鼓風干燥箱(101－1))、箱式電阻爐(KSX)、多參數水質分析儀(GDYS －101M)、X射線衍射儀(XRD－6000)、掃描電鏡(S－4800)等。

表1 原料化學成分分析結果Table 1 Chemical composition analysis results of raw materials %

1.3 陶粒制備方法

分別稱取一定量的鐵尾礦砂、粉煤灰、煤矸石、石灰石和生物外加劑混合后，放入水泥凈漿攪拌機中，加入25%的水進行攪拌，在制粒機上制備一定粒度的料球。料球置于105 ～110 ℃電熱鼓風干燥箱中烘干2 h，烘干后的料球放入箱式電阻爐中在一定溫度下焙燒20 min，采用自然冷卻的方式冷卻至室溫。

2 試驗結果與討論

2.1 鐵尾礦摻量對陶粒去除污水COD 效果的影響

條件試驗表明鐵尾礦摻量小于86%時，燒制的生物陶粒外觀較粗糙、表面堅硬、致密性較高;鐵尾礦摻量大于88%時，陶粒外觀粗糙、易碎、強度低。隨著鐵尾礦摻量的增加，粉煤灰、煤矸石和石灰石添加比例相對降低，燒制過程中石灰石等分解產生的氣體量降低，導致陶粒致密性降低，因此選取鐵尾礦摻量為80% ～86%進行試驗。鐵尾礦摻量試驗固定陶粒粒徑為3 ～5 mm、焙燒溫度為1 100 ℃，試驗各原料在總物料中的質量分數見表2，試驗結果見圖1。

表2 各原料質量分數Table 2 Proportion of each raw material used for ceramsite %

由圖1 可知:隨著過濾時間的延長，生活污水中COD 逐漸降低;鐵尾礦摻量在80% ～86%時，改變鐵尾礦摻量對生活污水COD 的去除效果影響不明顯，過濾24 h 后，COD 去除率均可達80%左右。為了實現鐵尾礦資源利用的最大化，確定鐵尾礦摻量為86%。

2.2 陶粒粒徑對陶粒去除污水COD 效果的影響

在鐵尾礦摻量為86%、焙燒溫度為1 100 ℃時，考察不同粒徑陶粒對生活污水COD 的去除效果，結果如圖2 所示。

圖1 鐵尾礦摻量對陶粒去除生活污水COD 的影響Fig.1 Effects of iron dosage on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

圖2 陶粒粒徑對陶粒去除生活污水COD 的影響Fig.2 Effects of ceramsite diameter on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

從圖2 可以看出:粒徑為3 ～5 mm 的陶粒對COD 的去除效果優于粒徑為6 ～10 mm 的陶粒。當粒徑為6 ～10 mm 時，燒制過程易產生焙燒不均勻、燒不透的現象，降低陶粒對生活污水COD 的去除效果;此外，粒徑過大還會導致陶粒比表面積和堆積密度的降低。因此確定陶粒粒徑為3 ～5 mm。

2.3 焙燒溫度對陶粒去除污水COD 效果的影響

固定鐵尾礦摻量為86%、陶粒粒徑為3 ～5 mm，考察不同焙燒溫度燒制的陶粒對生活污水COD 的去除效果，結果如圖3 所示。

圖3 焙燒溫度對陶粒去除生活污水COD 的影響Fig.3 Effects of roasting temperature on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

從圖3 可以看出:1 100 ℃時燒制的陶粒對生活污水COD 去除率最高。焙燒溫度較低時，焙燒過程生成的液相量不足，陶粒外觀粗糙，強度較低，在污水中易粉化;焙燒溫度較高時，焙燒過程產生了過多的液相［6］，產生的陶粒外觀光滑，內部空隙少，阻礙了有機物的吸附，對生活污水COD 去除效果不明顯。綜合考慮，確定焙燒溫度為1 100 ℃，此時陶粒對生活污水COD 的去除率為80%。

2.4 鐵尾礦和陶粒的XRD 分析

分別對鐵尾礦和最佳條件制備的陶粒進行X 射線衍射分析，結果見圖4。

圖4 鐵尾礦和陶粒的XRD 圖譜Fig.4 XRD pattern of iron tailings and ceramsite

從圖5 可以看出:鐵尾礦和陶粒均以石英、赤鐵礦和鈉長石為主，但其中鈉長石特征衍射峰(d =0.318 nm，0.404 nm，0.292 nm)的相對衍射強度不同。使用Jade 分析軟件可知，在鐵尾礦中鈉長石的3個特征衍射峰的相對強度為I/I0=19，2，2，而在陶粒中的鈉長石的3 個特征衍射峰的相對強度為I/I0=21，11，6。即鈉長石在陶粒中的特征衍射峰明顯增強，說明陶粒中鈉長石的含量相對鐵尾礦中要高。鈉長石屬于架狀硅酸鹽類礦物，有利于陶粒強度的提高。

2.5 鐵尾礦陶粒形貌分析

對陶粒進行SEM 分析，得到陶粒內部的氣孔分布微觀形貌如圖5 所示。

從圖5 可以看出，陶粒內部分布著大量的微氣孔，氣孔孔徑從幾微米到幾百微米不等，增大了陶粒比表面積，使其具有較好的吸附性能，有利于污染物的吸附。

圖5 陶粒SEM 照片Fig.5 SEM images of ceramic

3 結 論

(1)在鐵尾礦、粉煤灰、煤矸石、石灰石、生物外加劑添加量分別占總物料量的86%、6%、4%、3%、1%，陶粒粒徑為3 ～5 mm，焙燒溫度為1 100 ℃時，燒制的陶粒濾料對生活污水COD 去除率可達80%。

(2)陶粒燒制過程中產生的鈉長石屬架狀結構硅酸鹽礦物，提高了陶粒的強度，同時陶粒表面粗糙、內部多孔、比表面積大，有良好的吸附性能，有利于生活污水中污染物的去除。

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