粉煤灰陶粒填料制備及用作曝氣生物濾池填料的性能考察

李倩煒，周笑綠，李環，吳南江

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粉煤灰陶粒填料制備及用作曝氣生物濾池填料的性能考察

李倩煒，周笑綠，李環，吳南江

（上海電力學院環境與化學工程學院，上海 200090）

以粉煤灰為主要原料，黏土、脫水污泥、脫硫石膏等為輔料，自制了粉煤灰陶粒。通過強度性能篩選出原料的最優配比為粉煤灰∶脫水污泥∶黏土∶脫硫石膏= 85∶10.5∶0.5∶4。研究對比了自制粉煤灰陶粒與市售的陶瓷陶粒和黏土陶粒的性能，如掃描電鏡、孔隙率、鹽酸可溶率、比表面積等，結果顯示：粉煤灰陶粒的表面粗糙度最大，孔隙率最高，比表面積最大，密度最小。進一步比較了3種陶粒用作曝氣生物濾池填料處理城市污水的效果。結果表明，粉煤灰陶粒填料對COD的去除率可達到80%以上，對NH3-N的去除率可達到90%，對總磷（TP）的去除率高于80%，均明顯優于其他兩種市售陶粒填料。

粉煤灰陶粒；填料；廢水；生物膜；曝氣

曝氣生物濾池（BAF）是在普通生物濾池的基礎上借鑒給水濾池工藝而開發的污水處理新工 藝[1-3]。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、出水水質好，非常適合我國國情。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，其主要性能指標包括破損率、比表面積、孔隙率、表面粗糙 度等[4]。

粉煤灰是以二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣和氧化鎂等為主要成分的固體物，其質輕、顆粒細小、表面疏松多孔、水處理性能優良。粉煤灰陶粒是以粉煤灰為主要原料，摻加少量輔料經高溫焙燒而制成的一種成型材料，最早作為建材領域的輕骨料使用，近些年有被引入水處理領域作為生物填料的報道，展示出良好的應用前景[5-7]。本研究以粉煤灰為主要原料，輔以少量黏土、脫水污泥和脫硫石膏自制了粉煤灰陶粒填料，測定了它的性能和污水處理能力，并與市售兩種陶粒進行了 對比。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

（1）粉煤灰陶粒原料

粉煤灰：取自上海某發電廠灰場。將粉煤灰烘干、粉碎，過40目篩后使用，其主要無機成分見表1。脫水污泥：取自上海某城市污水廠脫水車間，其主要無機成分見表1。黏土：取自上海某建筑工地。脫硫石膏：取自上海某發電廠脫硫車間。

表1 粉煤灰和脫水污泥主要無機成分（質量分數）

（2）實驗用水：污水處理實驗用水取自上海某城市污水廠初沉池出水，其水質情況見表2。

表2 上海某城市污水廠初沉池出水水質

1.2 實驗方法

（1）粉煤灰陶粒制備 將原料按照表3所示配方進行配比、混合，制成粒徑為6～8mm的顆粒，放入105℃干燥箱內干燥1.5h后取出，置于程控箱式電爐中，300℃下預熱20min，再在900℃下焙燒18min，自然冷卻后取出，即得到粉煤灰陶粒填料。通過比較5組陶粒的強度，確定粉煤灰陶粒填料的配比。

（2）陶粒性能表征 根據“CJ-T299—2008水處理用人工陶粒濾料標準”[8]，分別對粉煤灰陶粒、市售陶瓷陶粒和黏土陶粒的空隙率、比表面積、堆積密度、表觀密度、破損率與磨損率、鹽酸可溶率等性能指標進行了測試，并利用掃描電鏡（SEM）對其表面形態進行了測試和分析對比。

（3）利用陶粒填料處理城市污水 試驗裝置（曝氣生物濾池）采用有機玻璃柱，內徑100mm，外徑110mm，柱高500mm，填料層有效高度200mm，布水區高度100mm。將自制粉煤灰陶粒填料、市售陶瓷陶粒填料、黏土陶粒填料分別填裝到3個相同尺寸的曝氣生物濾池反應器中，在溫度22℃，溶解氧濃度4～5mg/L，pH=7～8 的條件下進行掛膜和污水處理試驗。水流采用下向流方式，掛膜期首先將等量接種活性污泥投加到3個反應器中，前3天間歇運行，加入生活污水后進行悶曝，24h后停止曝氣，靜置、排出上清液；第4天開始連續運行，HRT為5h。掛膜成功后開始正式運行。期間不間斷測試進、出水水質；指標有COD、氨氮和總磷（TP）等。此外，運行中還需鏡檢觀測生物膜上的生物相，經常測定DO、pH值、溫度等。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰陶粒配方確定

按照表3配方制備的粉煤灰陶粒，其中第1、2、5組陶粒經燒制后掉沫較為嚴重，極易破碎，強度較低，達不到水處理填料的標準；符合要求的是第3、4組，再比較兩組陶粒的配方，第4組陶粒中粉煤灰質量比更高，為85%，更容易滿足作為水處理材料孔隙性好、質輕的要求，因此確定第4組粉煤灰陶粒（粉煤灰∶脫水污泥∶黏土∶石膏= 85∶10.5∶0.5∶4）為最優。

表3　5組粉煤灰陶粒配方及強度

2.2 陶粒性能表征

（1）SEM圖像分析 對自制粉煤灰陶粒、市售的陶瓷陶粒以及黏土陶粒的表面進行了掃描電鏡成像，見圖1。對比圖1中3個圖可以看出，3種陶粒中，粉煤灰陶粒的表面粗糙程度最強，孔隙性也最好；其次是黏土陶粒，而陶瓷陶粒的表面較光滑，幾乎看不到有孔隙存在。一般來說，陶粒表面越粗糙孔隙性越好，生物附著性越好，微生物量越豐富，生物處理效果越佳。

圖1 3種陶粒SEM成像

（2）陶粒性能測試 分別對3種陶粒進行了破損率與磨損率、鹽酸可溶率、堆積密度、表觀密度、空隙率、比表面積等水處理材料性能測試，結果見表4。

①空隙率和比表面積：粉煤灰陶粒的空隙率和比表面積均高于兩種市售陶粒，比表面積值的順序從大到小依次為：粉煤灰陶粒＞黏土陶粒＞陶瓷陶粒；而且粉煤灰陶粒在比表面積上較兩種市售陶粒有明顯的優勢。

②堆積密度和表觀密度：粉煤灰陶粒屬于人造輕骨料[9]，堆積密度和表觀密度均低于兩種市售 陶粒。

③破損率與磨損率之和：自制粉煤灰陶粒的破損率與磨損率之和較陶瓷陶粒與黏土陶粒的大，但可滿足水處理用陶粒填料的標準要求，因為陶瓷和黏土陶粒表面更堅硬，摩擦受損率也很低；而粉煤灰陶粒的孔隙性較好，而耐摩擦系數不及兩種市售陶粒。

④鹽酸可溶率：粉煤灰陶粒的鹽酸可溶率大于兩種市售陶粒，這是因為粉煤灰中含有較多的硅、鋁及可溶于酸的氧化物所致，但均符合水處理用陶粒標準的要求。綜上可知，粉煤灰陶粒密度低、孔隙率高、材質輕，完全滿足水處理人工陶粒填料的應用要求。

2.3 粉煤灰陶粒填料處理城市污水

（1）3種陶粒對COD和去除效果 3種陶粒填料對COD的去除效果見圖2。由圖2可見，自制粉煤灰陶粒COD去除率始終優于兩種市售陶粒，而且去除效果比較穩定，自制粉煤灰陶粒COD去除率在75%～90%；其次是黏土陶粒，去除率在70%～85%；陶瓷陶粒的COD去除效果最不穩定，60%～80%不等。這是因為粉煤灰陶粒表面粗糙，孔隙性好，有利于微生物附著生長，同等比表面積上微生物數量更豐富，所以可以取得更好的去除效果，黏土陶粒的去除效果優于陶瓷陶粒也說明了這一點。

（2）3種陶粒對NH3-N的去除效果 3種陶粒對NH3-N的去除效果見圖3。由圖3可知，3種陶粒對NH3-N的去除效果都很好，都在80%以上。其中粉煤灰填料的NH3-N去除率最高，在92%以上，而且比較穩定；黏土陶粒繼后，陶瓷陶粒相對較差，而且去除率起伏較大，不夠平穩。這與3種陶粒所顯示的表面形態特征和性能特征、所對應的水處理性能是一致的。

（3）3種陶粒對TP的去除效果 3種陶粒填料對TP的去除效果見圖4。由圖4可知，粉煤灰陶粒對TP的去除率大大優于兩種市售陶粒，之間的懸殊有50%左右。粉煤灰陶粒對TP的去除率一直保持在68%～85%，兩種市售陶粒對TP的去除率在10%～30%波動。分析原因，粉煤灰陶粒對總磷的去除除了生物反應外，還存在著化學反應，這與粉煤灰陶粒的成分中添加的石膏（CaSO4）有直接的關系，硫酸鈣對磷的去除起到了重要作用，硫酸鈣與水中的磷可以生成磷酸鈣沉淀，使水中的磷減少。即粉煤灰陶粒產生的化學除磷功能提升了除磷能力。因此，粉煤灰陶粒對城市污水中磷的去除實際上是生物除磷和化學除磷兩種方式綜合的結果。

3 結 論

（1）利用配比為：粉煤灰∶脫水污泥∶黏土∶脫硫石膏=85∶10.5∶0.5∶4制得的粉煤灰陶粒作為污水處理填料可行。

（2）通過對自制粉煤灰陶粒、市售陶瓷陶粒和黏土陶粒進行掃描電鏡、孔隙率、鹽酸可溶率、比表面積等性能測試和對比發現，粉煤灰陶粒的表面粗糙程度最強，空隙率最高，比表面積最大，密度最小；雖然在破損率與磨損率之和與鹽酸可溶率兩指標上不及兩種市售陶粒，但已完全滿足“CJ-T299—2008水處理用人工陶粒濾料標準”要求，具備優良的水處理性能。

（3）將3種陶粒分別用作曝氣生物濾池填料處理城市污水，分別對COD、NH3-N和總磷進行了測試，結果顯示：自制粉煤灰陶粒對COD的去除率始終優于兩種市售陶粒，在75%～90%，較黏土陶粒和陶瓷陶粒高出10～15個百分點，而且去除效果比較穩定；3種陶粒對NH3-N的去除效果都較好，在80%以上，粉煤灰填料對NH3-N的去除率最高，在92%以上且比較平穩；粉煤灰陶粒對TP的去除率大大優于兩種市售陶粒，之間的懸殊約有50%。

（4）粉煤灰陶粒對城市污水中磷的去除是生物除磷和化學除磷兩種方式綜合的結果。

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[8] CJ-T299—2008，水處理用人工陶粒濾料標準[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[9] 畢東蘇，王春杰．粉煤灰陶粒在污水處理中的應用進展[J]. 功能材料，2007，38（s1）：3346-3348.

Research on the preparation of fly ash ceramisite as filler of BAF and its performance in wastewater treatment

，，，

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

The fly ash ceramisite was prepared with fly ash as the raw material and clay，dewatered sludge and desulfurized gypsum as auxiliary materials. Based on the strength testing，the optimal weight ratio of fly ash∶dewatered sludge∶clay∶desulfurized gypsum is 85∶10.5∶0.5∶4. Compared with commercial ceramic ceramisite and clay ceramisite，fly ash ceramisite has higher surface roughness，porosity，specific surface area and lower density，based on the test of porosity，hydrochloric acid soluble rate，specific surface area and SEM. The effect of fly ash ceramisite on wastewater treatment was compared with ceramic ceramisite and clay ceramisite，with the biological aerated filter (BAF) as the filler material. The result shows that：the removal rate of COD by fly ash ceramisite can reach 80%，the removal rate of ammonia even reaches 90%，and the removal rate of total phosphorus is above 80%. The effect of fly ash ceramisite on wastewater treatment is better than that of commercial ceramic ceramisite and clay ceramisite.

fly ash ceramisite; filler; wastewater; biofilm; aeration

X 703.1

A

1000–6613（2015）09–3379–04

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.027

2014-12-10；修改稿日期：2015-03-12。

李倩煒（1990—），女，碩士研究生，主要從事污水處理方面的研究。E-maillqwlhb@163.com。聯系人：周笑綠，碩士，教授，主要研究方向為水污染控制、環境管理。E-mail xluzhou@163.com。