浸沒式水處理固廢陶粒濾料制備技術研究綜述

華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030

曝氣生物濾池（Bi ological Aerated Filter,BAF）是一種污水處理新工藝，該工藝是在普通生物濾池的基礎上，以微生物和載體結合的形式，將生物氧化工藝和給水過濾工藝結合在一起，廣泛應用于污水處理領域。用于曝氣生物濾池的濾料主要包括天然濾料和人工陶粒濾料，目前對后者的研究較多，尤其是利用固廢制備的人工陶粒濾料逐漸成為重點研究課題。

文章主要介紹浸沒式水處理固廢陶粒濾料的制備技術研究進展。根據主要固廢原料的不同，浸沒式水處理固廢陶粒濾料可分為三類：底泥陶粒濾料、粉煤灰陶粒濾料和污泥陶粒濾料。文章主要介紹上述三類陶粒濾料的制備技術研究進展。

1 底泥陶粒濾料

底泥陶粒濾料是以疏浚底泥為主要原料制備的一種陶粒濾料。底泥的化學成分主要是鈣、硅、鋁、鐵等，類似黏土，可作為陶粒制備中黏土的替代礦物。底泥陶粒濾料多以焙燒為主，焙燒溫度為1000～1200℃，底泥中含有的有機質在高溫下分解產生氣體，經過高溫焙燒后可制備底泥陶粒濾料。

肖繼波等[1]、楊欣妍等[2]、王建超等[3]通過研究不同的燒結工藝參數對底泥陶粒濾料性能的影響，制備了符合《水處理用人工陶粒濾料》（CJ/T 299—2008）中相關要求的陶粒濾料，磷去除率可達95%。底泥中的礦物組成比較復雜，還含有大量有機質，因此沒有固定熔點。在高溫焙燒的過程中，會發生一系列高溫化學反應，底泥膨脹，底泥陶粒呈多孔結構，有機質分解產生的氣體進一步提高了底泥陶粒中的空隙率，增加了比表面積，也進一步增加了溶液與底泥陶粒的接觸面積，使溶液中的磷與陶粒中有效組分的接觸概率得到提升，同時提高了對磷的削減率。在底泥陶粒改性方面，瞿倩[4]以ZnCl2為活化劑，在1080℃的燒結溫度下，制備了ZnCl2改性底泥陶粒濾料，磷去除率達92.31%。在ZnCl2改性的過程中，改善了底泥陶粒的空間結構，提高了對磷的去除率。

此外，經過高溫焙燒，底泥中的重金屬經過一系列的轉化和反應，固化在陶粒中，避免了釋放到環境中而對環境產生二次污染[5]。因此，對以黏土為主要成分的疏浚底泥燒結制備陶粒進行推廣應用，不僅可以解決污染底泥處置難題，還可以實現重污染底泥的資源化利用，對改善河道水質具有現實意義。

2 粉煤灰陶粒濾料

粉煤灰是從火力發電廠煙氣中經除塵器收集的粉末，粉煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3等活性成分，成球后經過高溫熔融、冷卻等過程，可形成結構多孔，且具有較高吸附性能的燒結陶粒。此外，粉煤灰中含有的活性SiO2、Al2O3等成分還可與石灰等物質反應生成產生強度的凝膠類物質，成球后形成免燒陶粒。粉煤灰燒結陶粒和免燒陶粒均具有較高的吸附性能，可用于水處理[6]。

粉煤灰陶粒濾料主要包括燒結型和免燒型兩種。燒結型粉煤灰陶粒是以粉煤灰為主要原料，摻入少量黏結劑后，經混合、成球，再經1000～1200℃高溫燒制而成的填料。燒結型粉煤灰陶粒的堆積密度一般為650～750kg/m3。在粉煤灰燒結陶粒方面，左燕君等[7]以粉煤灰為主要原料，利用煅燒的方法制備了粉煤灰陶粒濾料，并取得了良好的掛膜效果。免燒型粉煤灰陶粒是以粉煤灰為主要原料，加入石灰、水玻璃等激發劑和黏結劑水泥后，經混合、成球、養護得到的一種填料。與燒結陶粒相比，免燒粉煤灰陶粒具有工藝過程簡單、能耗低、環保且成本低等特點。王會平[8]、李倩煒等[9]采用免燒陶粒工藝，以粉煤灰為主要原料，制備了一種比表面積大、低密度的粉煤灰陶粒，對CODcr和氨氮的去除率達到80%以上。李猛[10]、李海晏[11]采用蒸汽養護的方式制備了粉煤灰免燒陶粒，在曝氣生物濾池和養殖廢水處理過程中，污染物去除效果顯著。

粉煤灰免燒陶粒的制備過程中主要利用粉煤灰中含有的活性SiO2、Al2O3等成分與石灰、水泥等物質反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠類物質，該類物質是免燒陶粒產生強度的主要原因。通過加壓、蒸養的方式還可進一步促進水化產物的形成，促進強度的提高。由此可見，通過免燒或者燒結的方式制備的粉煤灰陶粒濾料均具有良好的氮磷污染物去除和掛膜性能，在實際廢水處理中的效果顯著。由于免燒工藝兼具成本低、環保等特點，在以后的濾料生產工藝中，將是重點關注和研究的對象。

3 污泥陶粒濾料

污泥一般是指在市政污水處理廠經濃縮脫水后的泥餅或泥塊，化學組成類似黏土，含有大量的有機物和氮、磷等元素，還含有重金屬和病原菌等有害物質，若處置不當，容易造成環境污染。填埋、焚燒和農用等常見的污泥處置方式已無法滿足日益嚴格的生態環境建設要求。近年來，在污泥制備活性炭、砌磚、有機復合肥和陶粒等方面的研究也取得了一些進展，為污泥的資源化、生態化利用開辟了新的途徑[12]。

污泥陶粒是指以污泥為主要原料，采用烘干、磨細、成球和燒結工藝制成的顆粒狀材料。利用污泥制備污泥陶粒，不僅可顯著減少對黏土的消耗，還可有效利用污泥中高含量的有機質，制備出孔隙豐富、吸附性能優異的陶粒。通過高溫煅燒過程固化污泥中的重金屬，更有利于環境的保護。

在水處理用陶粒濾料的制備方面，陳洋[13]以某給水廠污泥為原料制備陶粒，給水廠污泥的摻加量為75%～80%，經1150℃焰燒后制成陶粒濾料，其具備較好的滲透性能和持水性能，在pH值為7時對溶液中磷的去除率可達92.8%。任新[14]指出污泥制備陶粒的最優焙燒溫度為1050℃，實驗發現凈水廠污泥基吸附劑對水中Cr(VI)的吸附效果顯著，能夠應用于重金屬廢水處理，既實現了廢物資源化利用，又減輕了凈水廠污泥帶來的經濟與環境壓力。

4 結束語

底泥陶粒濾料、粉煤灰陶粒濾料和污泥陶粒濾料都是以固廢為主要原料制備而成的浸沒式水處理濾料，底泥和污泥陶粒濾料需通過高溫煅燒的方式焙燒而成，而粉煤灰陶粒濾料可通過焙燒或免燒的工藝制備。整體而言，利用底泥、粉煤灰和污泥制備的濾料均可用于水處理，且效果顯著，不僅實現了固廢資源化利用，同時也為水處理用濾料提供了多種選擇，更加豐富了浸沒式水處理用濾料的種類。