工業廢渣赤泥用于水處理濾料的研究進展?

劉 兵, 張欣月, 任正華, 楊貴鋒, 童孝銀, 金羽昌, 張建剛

(1 貴州理工學院材料與能源工程學院, 貴州 貴陽 550003;2 貴州民族大學化學工程學院, 貴州 貴陽 550025)

赤泥的成分復雜, 主要是鈣、 鐵等化合物和二氧化硅固體殘渣, 具有強堿性和鹽分高的特點。 隨著社會經濟的發展, 全球每年氧化鋁產量呈現逐漸上升趨勢, 中國是世界上氧化鋁生產大國, 截至2020 年中國氧化鋁產量達7313.2 萬噸, 占全球產量的54.57%。 目前主要以筑壩堆存為主處理工業生產中所產生的赤泥, 因而赤泥的堆存量會隨著氧化鋁產量的增加而不斷增加, 而赤泥的堆筑不僅會占用大量的土地, 而且對環境污染嚴重。 筑壩堆的赤泥隨著其中污染物遷移, 會對地下水造成污染和土壤鹽堿化, 對人們的生活和健康產生危害[1]。 目前世界的發展越來越重視綠色環保, 污水處理則是其中一個不可忽視的問題。 在工業生產和生活中每天都會產生數以萬計的污水, 污水的就地排放會對環境造成嚴重的污染, 所以污水的排放都需要經過過濾處理后才可以排放, 目前污水處理也正是一個全世界都在積極解決的問題。

1 赤泥綜合利用研究現狀

代文雙等[2]研究的球形輕質濾料, 其以粘土為主要原料,適當加入一些其他的輔料, 通過控制燒結工藝得到輕質球形濾料, 并將所制得的成品進行水處理試驗。 其配方的主要特點是根據曝氣生物濾池對陶粒相關性能的要求進行配料。 所制得的濾料比表面積大、 空隙率大、 化學穩定性好、 有強度大等特點。 將制得的濾料用于生化試驗, 經過長時間的連續試驗表明, 使用該球形輕質作為濾料的生物曝氣池的污水處理效果明顯, 其中對COD、 BOD、 和 NH4-N 等具有很強的去除能力,且經過處理后的污水能達到傳統處理方法國家二級處理出水標準。 由此可見對輕質球形濾料的研究是極具有發展前景的, 而且在近幾年來看, 輕質球形濾料在污水處理中仍將占據著很高的地位。

梁晶等[3]做的活性赤泥濾料基FBA(曝氣生物濾池)處理石化廢水的研究, 該研究基于赤泥經過高溫活化后, 具有吸附膠結的特性, 可滿足BAF 對污水處理的需求。 該工藝在赤泥活化過程, 需要加入粘土和碳酸氫氨, 再進行高溫活化, 加入碳酸氫銨的目的是使濾料內部具有較多的微孔。 將制得的赤泥濾料表面進行電鏡掃描, 掃描結果顯示赤泥濾料表面粗糙且具有較多的微孔, 比表面積大、 內外部孔隙率高的特點, 該結構特點對于微生物的固定和繁殖極為有利。 所制得的赤泥濾料該濾料還具有較好的強度和密度, 滿足了BAF 反沖洗時的相關要求。將所制得的濾料進行連續流試驗, 發現該濾料對污水中COD平均去除率高于30%, 其平均出水COD 值優于國家標準出水COD 值的標準, 經過處理的污水達到國家污水排放一級標準,具有良好的污水處理效果。

謝襄漓等[4]研究以赤泥為主要原料制備陶粒的方法。 其主要原料為硅石和赤泥。 為了使輕質陶粒具有良好的成型性和較好的干燥度, 所以需要適量的粘結劑, 最后通過控制原料的配比及燒結工藝制得性能最佳的輕質球形濾料。 其研究結果表明,通過該工藝, 在原料中硅含量較低, 并且在工藝控制得的條件下可以制得性能優異的球形輕質陶粒。 通過該工藝所制備的輕質陶粒的吸水率達到7% ~14%, 陶粒密度可高達到1100 kg/m3左右, 膨脹率可高達160% ~175%。

尹國勛等[5]用赤泥等其它工業固體廢棄物制備陶粒, 其以赤泥為主要原料, 粉煤灰和煤矸石作為次要原料。 添加少量的煤灰起到助燃的效果和使其獲得更多均勻的氣孔。 添加少量的玻璃粉以增寬燒結溫度的范圍, 添加適量制漿廢液以達到粘結劑的作用。 然后通過控制原料配比、 燒結溫度等探討其對陶粒性能的影響, 最終得到制備性能優異赤泥陶粒的最佳工藝。 試驗結果表明, 在最佳工藝條件下, 所制得的赤泥陶粒各項性能指標均符合國家標準。

馬龍等[6]以赤泥、 粉煤灰等為主要原料, 添加適量的成孔劑和穩泡劑制作赤泥陶粒濾料, 其中成孔劑為自行配制的復合碳質材料, 其主要作用是在高溫條件下發生反應并放出氣體,在陶粒內部形成多微孔的結構, 穩定劑的作用是提高陶粒的溶體粘度。 并重點研究了成孔劑不同摻量對赤泥陶粒各方面性能的影響。 通過對所制得的陶粒進行掃描電子顯微鏡微觀形貌分析表明, 隨著氣孔劑的增加, 陶粒內部的氣孔數量會升高, 吸水率也會隨著增大, 陶粒的堆積密度、 表觀密度和筒壓強度會逐漸減小。 最終得到當成孔劑的最佳摻入量為6%, 此時可以制得性能最佳的輕質陶粒, 陶粒的微孔數量多分布會均勻, 微孔形狀不規則, 以封閉氣孔為主, 且陶粒內部氣孔間壁較為致密, 其表觀密度可高達731 kg/m3, 堆積密度可達到547 kg/m3左右, 吸水率性能優異。

徐曉虹等[7]以赤泥為主要原料, 石墨、 白云石作為成孔劑來制備多孔陶瓷濾料, 并研究了不同種類的成孔劑、 摻入量等對多孔濾料相關性能的影響, 如耐腐蝕性、 顯氣孔率、 壓碎強度等。 經試驗, 當石墨摻入量為10%, 陶瓷濾料經1100 ℃燒成, 其燒成樣品氣孔分布非常均勻, 且結構呈現三維連通狀,孔徑在5 ~50 μm 范圍內, 該結構完全滿足用作污水處理過濾濾料的要求。

吳聲彪等[8]做的利用赤泥制備多孔陶粒濾料的研究, 通過將原料混配、 造粒、 焙燒得到輕質陶粒, 并利用制得的多孔陶粒進行了含油廢水過濾處理試驗。 研究結果表明, 在陶粒制作過程中添加一定量的硅石粉制備出的陶粒濾料表面具有良好且均質多微孔的結構, 具有較高的吸附率和較大的表面積, 其性能滿足國家水處理陶粒濾料的相關標準, 對含油廢水有較好去除能力, 除油效果能夠可以達到達60%以上。 研究發現, 不同的燒結溫度對陶粒表面形成多孔結構有顯著影響, 只有當選擇的燒結溫度適宜時, 燒結出的陶粒除油效率最佳, 燒結溫度太低或太高都會使陶粒的除油效率降低。

朱樂輝等[9]研究的球形輕質陶粒, 其特點主要有比表面積大、 化學穩定性好、 具有較高的孔隙率和較好的強度等, 與現在常用的規則濾料相比, 具有掛膜性好、 生物附著性強等特點。 球形輕質濾料的加工過程相較于傳統陶粒濾料是完全不同的, 傳統的片狀陶粒濾料的加工是使用頁巖等原料直接通過窯爐燒成, 然后將燒成的原料打碎并通過過篩得到成品, 所得到的成品會出現表面結釉的情況, 這也一直是傳統的片狀陶粒難以克服的難題; 而以粘土為主要原料經過合適的配料、 燒成等工藝所制成的球形輕質陶?？梢愿淖冚p質陶粒的比重, 可以避免陶粒表明結釉現象, 而且通過該工藝所制得的陶粒表面粗糙、 微孔數量多, 使其具有良好的生物附著性。 朱樂輝等通過生化試驗表明, 利用陶粒濾料采用曝氣生物濾池處理污水, 具有對污水達到深度處理的效果, 經過處理后的污水可以達到國家污水處理的相關出水標準, 處理后的污水可以重新利用。 由此可見可以嘗試將赤泥作為球形輕質陶粒的原料是具有可研究性的, 一方面減少的赤泥處理的壓力, 另一方面可為污水排放處理提供新的材料。

王平升等[10]研究赤泥制備多孔陶粒濾料并將其用于含油廢水處理試驗。 主要原料是以赤泥和硅石粉為主, 并添加適量的其它調節劑, 經過混料、 造粒、 高溫燒結等一系列工藝制得輕質陶粒, 制得陶粒的物理化學性能優異, 具有表面粗糙、 微孔數量多、 比表面積大、 強度大等特點。 在陶粒的制備工藝中,其中燒結過程最為重要和關鍵的環節, 燒結工藝可分為熱處理階段、 無水階段、 高溫燒結階段三個階段, 其中燒結溫度同樣在燒結工藝中對陶粒的性能有著非常重要的影響, 最佳燒結溫度的波動范圍約10 ~20 ℃。 可見其范圍很小。 通過對陶粒出油效率的分析發現。 其變化符合吸附平衡指數衰減規律, 同時除油性能也受燒結溫度的影響, 即在給定配方的原料的情況下, 除油效果最佳的燒結溫度是一定的, 除油性能和燒結溫度變化規律呈拋物線變化。

馬艷飛等[11]對赤泥為主要原料制備多孔陶粒的方法進行了研究, 通過試驗, 在控制配料比最優, 燒結溫度為適宜的條件下, 制備的陶粒滿足水處理用輕質陶粒濾料的相關要求。 所制得濾料的除油率可達到沙粒除油率的3 倍。 王斌等[12]制備的赤泥陶粒經過吸附試驗表明, 赤泥濾料對溶液中Pb2+可達到97.8%的吸附率, 經處理后溶液中Pb2+剩余濃度僅為1 μg/mL,經處理后的污水符合國家污水處理排放的相關標準。 其陶粒采用赤泥為主要原料, 并添加適量的木粉、 石灰石等, 添加木粉可以起到發泡劑的作用, 石灰石則是充當助熔劑。

綜上所述, 可見利用赤泥制備多孔濾料技術已經進入較成熟階段, 將赤泥用以制備多孔陶瓷濾料用于污水處理有望達到赤泥的資源化管理, 可解決目前國內赤泥大量堆積而給環境帶來嚴重污染的問題。 同時, 可為污水處理提供更好的過濾材料, 可以達到雙贏的目的。 取赤泥用作污水處理濾料具有以下優點: (1)濾料的原材料來源于氧化鋁工業生產中所產生的固體棄物, 對于氧化鋁工業生產中資源回收利用具有很好的經濟效益。 (2)國內赤泥的堆存量多, 原材料容易獲取, 且成本低,國內大部分地區可就地取材, 大大節省了運輸成本; (3)赤泥本身具有制作輕質濾料的潛在優勢, 如具有較高的燒失量, 微生物附著力強、 易于生物掛膜等; (4)赤泥濾料相對于常規濾料性能優異, 如具有良好的抗沖擊負荷能力, 適合多環境污水處理; (5)赤泥濾料具有良好的物理性能。

2 難點及問題分析

盡管赤泥濾料在制備和研究中已經有了很大的進展, 但是在以下方面還有待進一步的提升: (1)采用高溫燒結能耗較高;(2)各種制備工藝對濾料孔結構的影響, 需要對孔徑大小、 孔徑數量等參數進行系統性分析并建立相應的模型; (3)赤泥組分改變對濾料孔徑和孔隙率的影響; (3)對陶瓷濾料進行表面改性, 以增強濾料在微生態濾床中處理污水的能力。 (4)赤泥中含有放射性元素和重金屬元素, 在凈化水的過程中遷移情況如何, 該如何抑制; 在制備濾料的過程中, 若可以除去這些元素, 凈化水的效果會大大提升。

3 結 語

赤泥自身性質復雜, 具有強堿性, 其中金屬氧化物含量極為豐富, 且具有多孔材料的特征, 如比表面積大、 顆粒分散性好等。 赤泥還具有較高的燒失量, 通過適當的工藝, 能夠形成多孔結構, 例如可通過適當的摻雜制成輕質球形陶粒。 目前輕質球形陶粒由于其突出的性能在污水處理中得到大量的應用。因此, 將赤泥用以制備多孔陶瓷濾料用于污水處理有望實現赤泥的資源化利用。