1、污水處理生態濾床工藝研究近年來，隨著全球水資源污染日趨加重 ，越來越多的污水處理廠投入建設，關于污水處理的研究也日漸增多，人工濕地 及生物濾池便是目前廣泛應用于污水處理的工藝；但是人工濕地技術的廢水處理效率低且易堵塞，而生物濾池技術在之前的應用中發現傳質效果欠佳，導致凈水效果差且所掛生物膜易脫落，因此探究新型填料及高效的掛膜工藝已成為當今研究人員 共同的目標。目前，關于新型填料及掛膜工藝的報道逐漸增多。馬興元等研究了以輕質陶粒為濾料的 生態濾床工藝，CHENG等利用涂料廠污泥及石英制備燒結陶粒，并研究了一種磁改性的方法 對陶粒改性，發現磁改性后濾料對水質處理效果提升，BAO等利用木屑及坡縷石制

2、備燒結陶粒并利用針鐵礦進行磁改性，得到的濾料應用于 BAF裝置中來處理污水，發現當針鐵礦、木屑及坡縷石的比例為 10 : 2: 5時，濾料處理污水效果最佳。當廣大研究者對新型濾料的研究主要集中于自制燒結陶粒或對市售燒結陶粒表面改性時，卻忽視了燒結法對煤資源的大量消耗，排放大量二氧化碳和揚塵而造成霾。此外，一部分關于生物濾池的研究也忽略了運 行溫度對微生物活性的影響。疏浚底泥是河道疏浚的廢棄物 ，我國進行的一些大型湖泊的環保疏浚工程，每年將產生大量的底泥。底泥脫水耗時長，并且其中的污染物會造成二次污染，嚴重影響其資源化利用。若能利用疏浚底泥免燒陶粒作為填料，不僅消耗了大量無法處理的疏浚底泥，達到

3、資源化利用效果，且免燒法能夠節約能源，減少溫室氣體的排放，同時也減少了黏土陶粒等濾料的使用 保護了黏土等資源。本文利用免燒工藝將疏浚底泥制備成免燒陶粒，并對免燒陶粒進行磁改性，比較不同填料對原水處理效果及最佳運行溫度。為湖泊底泥的資源化利用提供依據。1材料與方法1. 1 材料主要實驗儀器：SKD-2000全自動凱氏定氮儀、SXKW數顯控溫電熱套、電熱恒溫鼓風干燥機、SHZ-DID循環水真空泵、壓力鍋 (1. 1 1.4 kg cm - 2 )、UV759紫外-可見分光光度計、HK-2A超級恒溫水浴、分析天平。主要實驗藥品：重鉻酸鉀、鄰菲啰啉、硫酸亞鐵、硫酸亞鐵銨、硫酸、硫酸銀、硫酸汞、 NaO

4、H硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、95%乙醇、硝酸、高氯酸、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、 酒石酸銻鉀、酚酞,上述藥品均為分析純。疏浚底泥為渤海疏浚所得，造粒時含水率48. 2% ,有機質9. 1% ,pH 6. 8, 密度1.407 g cm - 3 ,孔隙率28. 9% ;水泥、粉煤灰及水玻璃均為普通市售產品；商品燒結陶粒購于天津武清區彤上輕質建材廠。1.2陶粒制備及磁改性工藝流程1.2. 1疏浚底泥免燒陶粒制備工藝圖1是疏浚底泥制備免燒陶粒的工藝流程圖。原料采用固定配比：疏浚底泥80% ,水泥3%,粉煤灰5%,外加劑A6%,外加劑B6%。將塊狀底泥破碎后與水泥、粉煤灰和外加劑A混合，將混合料加入圓

5、盤造粒機中，噴灑外加劑B與水的混合液進行造粒 20 min,所得陶粒經裹 殼處理得到疏浚底泥免燒陶粒（DSUC）。裹殼處理步驟為：原料配比為陶粒 70%,水泥21. 6%,生石灰1.5% ,粉煤灰3. 9% ,外加劑C3. 0%。將陶粒與殼料加入造粒機 ，噴灑外加劑C的 水溶液，外加劑C與水混合比例為1: 25。造粒盤持續轉動15 min裹殼完畢。見饒陶粹©荷涂層一*燥Yi'宴闈層|慳）>必時1圖2疏浚底泥免燒陶粒感改性工藝流程1.2. 2 免燒陶粒磁改性工藝圖2是免燒陶粒磁改性工藝流程圖。目前此類濾料的表面改性的方法主要是沉淀法和 高溫加熱二次灼燒法 2種。本工藝在沉

6、淀法的基礎上，利用水玻璃浸泡，使陶粒表層的Fe3 04 與陶粒表層粘合更牢固。將24 g硫酸亞鐵與35. 4 g三氯化鐵分別溶于100 mL水中并相互混合，置于磁力攪拌機中加熱至70 C并攪拌30 min得到Fe3 O4溶液。將100 g陶粒置于加熱的磁性 Fe3 O4溶液中攪拌，進行浸漬涂層。涂層后對陶粒烘干并進行重復涂層，涂覆次數為5次。所得陶粒浸泡入100 g水玻璃中5 min后，于105 C烘干，得到磁改性免燒陶粒（MUC）。1. 3生物陶粒過濾器生物陶粒過濾器（biological ceramsite filter,BCF）的尺寸為高 320 mm,直徑32 mm,由玻璃制成，采用下

7、進上出的方式進水，調節溫度的循環水由下進上出，取樣處及測溫處均在上出水口。采用高位水槽形成的壓差對BCF進行供水，調整入水口大小來控制進水速度，通過1臺循環水浴對BCF內的原水進行調溫。BCF中填入直徑為22 mm的鐵石篩網作為承托層。鐵石篩網分布于裝置的入水及出水 口 55 mm處，陶粒填料層高為210 mm篩網不僅可以作為承托層來防止陶粒由于水流沖刷堵 塞入水及出水口，還能夠對水流進行分流，與陶粒接觸均勻，使掛膜更完全。BCF過濾器如圖 3所示。藥3 BCF過濾器結構圖I.'1)NH3-N/tmP* L-1ing ' L'1)TP/葉 L'1)pH敕值220

8、IQSOL.57.5表1天津科技大學人工湖湖水主要參數1.4原水水質BCF的進水取自天津科技大學(TUST)人工湖，學校人工湖湖水參數如表1所示。1. 5探究不同溫度下 BCF對原水處理效果BCF運行方式為連續進水，每天運行9 h(09:00 18:00)。擬定BCF原水流速為0. 07 mL- s - 1 ,其中裝有35 g疏浚底泥免燒陶粒，通過恒溫水浴回流來調節 BCF中原水的溫度 使得溫度為20、30及40 C。每天采集出水水樣，測試其COD NH3 -N、SS及TP,實驗過程持續25 d。檢測各項指標 去除率，得出去除效果最優時的實驗溫度。COD采用GB 11914-1989規定的重鉻

9、酸鹽法測定,NH3 -N采用凱氏定氮儀法測定,SS 采用GB 11901-1989規定的重量法測定,TP采用GB 11893-1989規定的鉬銻抗分光光度法 測定,濁度采用 WGZ-500B型濁度計測定。1.6探究不同濾料對原水的處理效果采用DSUC MUC及CSC作為BCF的濾料，在最優溫度下連續進水運行，每天運行9 h(09:00 18:00)。每天采集出水水樣，測試其COD NH3 -N、SS及TP,實驗過程持續 25 d。 檢測各項指標去除率，比較3類陶粒對原水的處理效果。2結果與分析2. 1陶粒濾料基本物理性質陶粒濾料外觀形貌如圖 4所示,可以看出DSUC與 CSC顆粒大小均勻,MU

10、C顆粒不規則， 三者顏色有明顯差異。陶粒濾料基本性能如表 2所示，可以看出3種陶粒的粒徑及堆積密度 均處于同一數量級,DSUC與MUC的筒壓強度相同為 5. 00 MPa單顆強度 MUC提高了 1. 2%, 而CSC較DSUC筒壓強度提高34. 0% ,單顆強度提高61.8% ,主要原因是燒結過程能使陶 粒更為致密，強度較免燒陶粒更高，而本文所制備的 DSUC筒壓強度為CSC的74. 6% ,單顆 強度的61. 8%,與燒結陶粒相差較小，陶粒單顆強度為隨機取樣 30顆所測值的平均值。 MUC 和CSC由于表面孔隙更多使得吸水率大于DSUC,MUC經過磁改性而使表面有弱磁性 ；但其表層為涂覆材料

11、,因此在水流沖刷和攪拌時更易脫落 ，質量損失率高于 DSUC與CSC,而DSUC的 水流沖刷和攪拌時質量損失率較CSC分別增加了 0. 8%和14. 3%。利疏淺嵌混免燒陶粒rsi C)(c)帝品燒貉翩曲CSC)圖4陶粒濾料外規形貌陶粒類別粒徑/inni嫌積密度/筒壓強度/單顆強度/MPa吸水率/磁感應強度/(1LT)水流沖劇質雖損失率/倔與1140(kg -hi - )DSUC5 ) 7955. (M)2. 46乳甥5” 14MVC5 -879<J7955.002. 499.08300 -4205.38CSC5 -87%7956. 703. 988.455. 10表2 陶粒濾料主要性能

12、參數2. 2 DSUC在不同溫度下對原水處理效果2. 2. 1 對COD的去除效果圖5是DSUC在不同溫度下 COD的去除情況。可以看出，前8 d陶粒在不同溫度下對 COD的去除率均小于 28% ,這是由于陶粒表面的 微生物處于生長期，其表面的生物膜不成熟且微生物含量少 ，對COD去除率低，此時COD的 去除主要依靠陶粒表面的多孔結構而具有的吸附能力。在第9 20天時,COD去除率顯著提高，在30 C 時,COD去除率優于20 C 與40 C , 在第20天時達到54. 2%，而在20 C及40 C時為48. 9%和41.5%。說明30 C更 適合微生物的繁殖，在此溫度下，微生物降解有機物的能

13、力高于 20 C和40 C。COD去除率在22 d后趨于穩定，說明陶粒上的生物膜已基本成熟，進入穩定期10，此時30 C的COD去除率穩定在55%左右。時冋汕圖5 DSIJC在不同溫度下對COD的去除率706050403020100 I|d，口口I，0481216202428時間Jd圖右DSIIC It不同溫度下對的去除率2. 2. 2對NH3 -N的去除效果圖6是DSUC在不同溫度下 NH3N的去除情況。可以看出,NH3 -N的去除率在前5 d均 較低,主要因為硝化菌在陶粒上附著需要一個過程，稱為適應期。陶粒在此階段對NH3-N的去除主要依靠陶粒的多孔結構對NH3 -N的吸附。隨著時間的推移

14、，硝化菌在陶粒表面繁殖,NH3 -N去除率提高，呈跳躍式增長，主要是因為硝化菌呈對數生長的規律。同時可以看出在30 C 時,NH3 -N 去除率要高于 20 C和40 C ,在22 d時達到64. 8% ,說明硝化菌相 較于20 C和40 C ,在30 C中更易繁殖。在22 d后,NH3 -N去除率趨于穩定,30 C時 穩定在65%左右,20 C 與40 C 時分別穩定在 56%和53%左右。2. 2. 3 對SS的去除效果圖7是DSUC在不同溫度下SS的去除情況。可以看出，陶粒對SS的去除效果受溫度影 響較小,SS去除率由第1天的60%左右在第3天上升至80%左右,且SS去除率穩定在60%

15、90%之間。在第22天左右時,SS去除率的波動幅度減小，穩定在78%左右。陶粒對SS的 去除主要有2個原因：一是DSUC表面粗糙，孔徑大小不一，表面凹凸，能夠截留污水中的懸 浮物20,在初期達到去除SS的效果；二是隨著實驗的進行，陶粒表面微生物膜成熟，對懸 浮物有很好的吸附作用，吸附的部分SS被微生物利用，達到了生物除SS的效果。_x2JFUIF 丄 t VI t 電C暫 oo O2 3 420d時O6040200圖7 DSUC在不同溫度下對SS的去除率04812162024 2S時間d圖8 DSUC在不同溫度下對TP的去除率2. 2. 4 對TP的去除效果圖8是DSUC在不同溫度下TP的去除

16、情況。可以看出掛膜前7 d,TP去除率逐漸上升， 從30%左右上升至60%左右,因為在凈水實驗初期，陶粒表面附著的微生物較少 ，此階段主 要是化學除磷,其原理主要是陶粒表層含較多鋁鹽，鋁鹽與原水中的磷酸根離子結合生成難溶性沉淀物，達到除磷效果。在第8 18天時，陶粒對TP去除率雖然波動幅度較大，但總體趨于穩定，18 d時去除 率在57%左右。此階段陶粒表面的生物膜逐漸成熟，因此除化學除磷，微生物對磷的去除效果也增加。在18 d后，TP的去除率逐漸降低，23 d后趨于穩定。此階段 TP去除率降低的 原因主要是鋁鹽與磷酸根離子產生的不溶性磷酸鹽阻止部分鋁鹽繼續與磷酸根離子結合，降低了化學除磷的效率

17、，因此導致整體TP去除率降低。從圖8可以看出，溫度對TP去除率有一定影響，在30 C時,TP去除率較20 C和 40 C略高,在22 d后,TP去除率穩定在 50%左右,而在20 C和40 C時穩定在48%和 43%左右,低于30 C時的TP去除率。2. 3不同陶粒濾料30 C下對原水的處理效果2. 3. 1對COD的去除效果圖9是凈水實驗3種陶粒對COD的去除效果。可以看出，前9 d DSUC和 CSC的COD去 除率在20% 30%之間,MUC在30% 40%之間，高于前兩者，說明弱磁性可能能夠提高微生 物活性，促進其生長，更有利于有機物降解。10 d后陶粒對COD去除率逐漸增加，在22

18、d左 右趨于穩定，此時陶粒表面的生物膜已經成熟 ，對COD去除率穩定。DSUC和CSC相近，分別 為53%左右和55%左右，說明DSUC寸COD的去除效果能夠達到商品燒結陶粒的效果,MUC對COD去除效果最佳，在22 d 穩定在65%左右，較DSUC提高了 12% 。圖9 3種陶粒對COD的去除率2. 3. 2DSUC MIJC CSCkolno O 42 %/vlrNXN48121620242首時 IRl/h3種陶粒對NHa-N的去除率對NH3 -N的去除效果圖10是3種陶粒對NH3-N的去除效果。NH3-N的去除率被認為濾料凈水效果是否優 異的一個重要指標，一般認為,NH3 -N去除率達到

19、60%以上濾料表面掛膜成功 ，凈水效果優 異。可以看出，陶粒在前5 d對NH3 -N去除率在15% 40%之間，因為硝化菌在初期需要 一段適應期才能附著于陶粒上 ，因此NH3-N去除率總體偏低。5 d后NH3-N去除率逐漸上 升，3種濾料對NH3-N去除率呈交錯上升，在第22天時趨于穩定，DSUC和CSC相近，分別為 64. 7%和66. 4%。MUC對NH3-N的去除率高于 DSUC和 CSC,在22 d時穩定在 74%左右， 較 DSUC提高了 9. 3%。2. 3. 3 對SS的去除效果圖11是3種陶粒對SS的去除效果。可以看出，MUC對SS去除效果優于 DSUC和 CSC， 在第6天對

20、SS達到最大去除率 90. 1%，而DSUC在第4天達到86. 3%，CSC 在第5天達 到88. 2%，這是因為MUC表面呈弱磁性，不僅粗糙的表面能夠截留大量懸浮物，且弱磁性改變陶粒周圍水流磁場，增強對懸浮物的吸附，提高SS去除率。濾料對 SS達到最大去除率后 至22 d之間，MUC對SS去除效果明顯優于另兩者，去除率曲線呈上下波動。第 22天左右， 陶粒對SS去除率趨于穩定，MUC穩定在84%左右，DSUC和CSC分別穩定在75%和74%左右， 疏浚底泥免燒陶粒對 SS的去除效果與商品燒結陶粒相近，而MUC較DSUC提高了 9%。20 -0 -0* DSU( 亠酬UC 亠CSC812162

21、02428i hi'>Ld圖13種陶粒對SS的去除率806040%/弄登41d_L時間d圖2 3種陶粒對TP的去除率2. 3. 4 對TP的去除效果圖12是3種陶粒對TP的去除效果。可知3種陶粒對TP的去除效果在凈水初期相差 不大，呈上升趨勢，第7天時DSUC MUC和CSC的TP去除率分別為 52. 2% ,58. 8%和59. 9%。此時陶粒表面生物膜處于生長期 ，主要依靠化學除磷，化學除磷原理是 MUC表層覆蓋的 Fe3 04改性層提供大量的鐵鹽,鐵鹽與水中溶解性磷酸根離子形成不溶性磷酸鹽沉淀，達到除磷效果，DSUC和CSC表層由于含有水化鋁酸鈣等物質 ，能夠提供一定的鋁鹽，與磷酸根離 子形成不溶性磷酸鹽沉淀，達到除磷 效果。7 22 d 的TP去除率趨于穩定，此時陶粒表面 微生物生長逐漸穩定，生物除磷效果逐漸增強。而化學除磷生成的不溶性磷酸鹽阻隔了一部 分鐵鹽和鋁鹽與磷酸根離子反應，化學除磷效果得到削弱，生物法和化學法的共同作用使得 MUC對TP的去除效果較DSUC和CSC并沒有明顯的提高，三者的TP去除率呈上下交錯波動在22 d 后DSUC和MUC對TP去除率穩定在 51%左右，CSC穩定在48%左右。具體參見污 水寶商城資