粉煤灰陶粒在处理含铬废水中的应用研究

张顺成，郎建峰，曾武

（1.河北理工大学化工与生物技术学院,河北 唐山 063000; 2.唐山市建材产品质量监督检验站,河北 唐山 063000）

粉煤灰陶粒在处理含铬废水中的应用研究

张顺成1,2，郎建峰1，曾武1

（1.河北理工大学化工与生物技术学院,河北 唐山 063000; 2.唐山市建材产品质量监督检验站,河北 唐山 063000）

将粉煤灰、粘土及木炭粉按比例混合，烧制成陶粒，以铬（Ⅲ）质量浓度 20mg·L-1的水溶液模拟废水为研究对象，利用粉煤灰制备的陶粒吸附处理铬（Ⅲ），测试单位时间水流量、pH值、温度对除铬效果的影响。结果表明当粉煤灰、粘土及木炭粉的比例为85∶10∶5时陶粒同时具有较好的吸水性和抗压强度，在最佳条件下铬（Ⅲ）去除率可达99%以上。

粉煤灰;陶粒;吸水率;抗压强度;含铬废水

铬化合物是冶金工业、金属加工、电镀、制革、油漆、印染以及化工等行业必不可少的原料。铬化合物中危害最大的是铬的六价化合物，它具有致癌的危险,已经成为工业水污染的主要影响因素。电镀等工业排放的含六价铬废水，常见的处理方法有生物处理法、离子交换法[1]、还原沉淀法[2]、膜分离法、电渗析法、吸附法[3～4]等。粉煤灰陶粒对六价铬的去除效果并不理想，但是对三价铬有较强的去除作用。现在六价铬可通过Fe3+还原为三价铬，也可通过微生物处理，如周海涛等人[5]分离到的假单胞菌(Pseudomonas)在厌氧条件下，以生活污水为基质将六价铬还原为三价铬，其最高铬还原能力为200 mg·L-1，而最高耐受铬能力达 500mg·L-1，且微生物法可大量降低管理费用。因此利用制得的粉煤灰陶粒作为吸附剂可有效去除废水中的铬。吸附法具有操作简单方便，处理成本低，处理效果好，可循环使用等优点，但常规吸附剂价格昂贵，因此新型吸附剂的研究开发是目前的热点。

粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，年排渣量已达3000万t，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。本试验利用粉煤灰为主要原料，按一定比例添加粘结剂(如粘土)和固体燃料(如木炭粉)经干燥、研磨、过筛、混合、成球及高温焙烧(1100～1150℃)制得轻质陶粒，利用陶粒的吸附性能来处理含铬废水，从而达到以废治废的目的。

1 粉煤灰陶粒制备

1.1 试验材料与仪器设备：

粉煤灰（来自陡河电厂，组成见表1）、粘土、木炭粉。

ACS-3H电子秤、DHG-9030A型电热鼓风干燥箱、RT-34型连续投料粉碎机、SRJX-8-13型高温箱式电阻炉等。

表1 陡河电厂粉煤灰的化学组成 /%

1.2 粉煤灰陶粒制备

将粉煤灰、粘土和木炭粉利用电热鼓风干燥箱干燥至恒重后冷却至室温，利用连续投料粉碎机粉碎物料并通过150μm方孔筛，按表2的配比方案比例混合配制料球，将烘干后的料球置入高温箱式电阻炉分别匀速升温至 1100℃、1150℃焙烧，保温20min，40min及60min后在空气中冷却至室温制得粉煤灰陶粒。具体配比方案见表2。

表2 粉煤灰、粘土和木炭粉配比 /%

1.3 陶粒性能测试

粉煤灰陶粒吸水率按照国标 GB/T 17431.。2-1998[6]中的方法进行,抗压强度参照国标 GB/T 17431.2-1998中的筒压强度测试方法进行。

1.4 试验结果

1.4.1 陶粒吸水率测试结果

配制方案、焙烧温度及保温时间对陶粒吸水率的影响如图1～ 3所示。

图1 不同方案不同焙烧温度下保温20min吸水率变化

图2 不同方案不同焙烧温度下保温40min吸水率变化

图3 不同方案不同焙烧温度下保温60min吸水率变化

图4 不同方案不同焙烧温度下保温20min压力变化

1.4.2 陶粒抗压强度测试结果

配制方案、焙烧温度及保温时间对陶粒抗压强度的影响如图4～ 6所示。

图5 不同方案不同焙烧温度下保温40min压力变化

图6 不同方案不同焙烧温度下保温60min压力变化

1.5 分析与讨论

1.5.1 配制方案、焙烧温度及保温时间对陶粒吸水率的影响

吸水率是反映粉煤灰陶粒品质的一个重要指标，吸水率越高，陶粒品质越好。试验中采用添加木炭粉的目的在于增大陶粒孔隙率从而增加吸水率，提高吸附性能。从图1～ 3可以看出，温度对陶粒的吸水率影响很大，随着温度的升高陶粒部分由半熔融状态转化为熔融状态，从而阻碍了陶粒中孔隙的形成，导致吸水率降低。结果证实不同方案不同保温时间条件下的陶粒在 1100℃时的吸水率均高于1150℃时的吸水率。由此表明焙烧温度对陶粒的吸水率影响很大。

1.5.2 配制方案、焙烧温度及保温时间对陶粒抗压强度的影响

由图4～ 6可知，随着温度升高，抗压力增大，且保温时间对抗压力的影响呈现不规则变化，温度则对陶粒的抗压力影响很大，随着温度的升高陶粒部分由半熔融状态转化为熔融状态，增加了陶粒的致密度，从而使抗压力增大。结果证实焙烧温度为1100℃时的陶粒抗压力远低于 1150℃时的陶粒抗压力。

结合试验数据，陶粒在1150℃保温60min时吸水率可达33.35%，同时抗压力达到636N，达到了轻质滤料标准，且能使粉煤灰的利用率达到85%，所以本试验确定方案二为制备粉煤灰陶粒的最优方案。

2 粉煤灰陶粒处理含铬废水的试验

2.1 试验材料

上述最优方案制备的粉煤灰陶粒，浓度为20mg·L-1的GrCl3溶液，pH值缓冲溶液。

2.2 试验方法

将粉煤灰陶粒置入试验装置（见图 7）中，分别调节GrCl3溶液流量、溶液pH值和温度，测定处理后水溶液中Gr(Ⅲ)浓度，按下式计算去除率，

式中:Y为总铬去除率，%;C0、C分别为总铬初始、处理后质量浓度，mg·L-1。

图7 含铬废水处理装置

2.3 试验结果

GrCl3溶液流量对铬去除率的影响如表3所示；pH值对铬去除率的影响如表 4所示；温度对铬去除率的影响如表5 所示。

表3 进水流量对Gr3+去除率的影响

表4 pH值对铬去除率的影响

表5 温度对铬去除率的影响

2.4 分析与讨论

2.4.1 GrCl3溶液流量对铬去除率的影响

表 3表明 GrCl3溶液的进水流量减小，GrCl3溶液与粉煤灰陶粒接触时间的延长从而使Gr3+去除率增大，但当减小到一定程度时，去除率基本不变，所以为了在去除率达标情况下同时加快去除速率，选流量为 0.05m3·h-1。由于本试验装置体积较小，对于较大量处理可按废水与陶粒的接触时间计算，即接触时间为37.7min时既能使铬去除率高又能节省除铬时间。

2.4.2 pH值对铬去除率的影响

表4证实在用缓冲溶液调节pH值情况下，随着pH值的增加，铬去除率随之增加，但当pH值达到7.5后，pH值对铬去除率影响较小，pH值达到 4.5以后，铬去除率均能达到 99%以上，但 pH值小于4.5时由于酸度影响，不利于Gr(OH)3的絮凝沉降，从而导致铬去除率显著下降。由此表明本粉煤灰陶粒仅适用于pH值大于4.5的情况下处理含铬废水。

2.4.3 温度对铬去除率的影响

表5表明温度从 15℃升高至 35℃，铬去除率也逐渐增加，但变化不显著，铬去除率均在99%以上。由此表明在一定温度范围内温度对粉煤灰陶粒活性的影响很小，粉煤灰陶粒对铬的去除率受温度影响较小，即可在常温条件下进行。

2.5 扩大试验

配制浓度为 200mg·L-1的 GrCl3溶液在常温条件下，以 0.05m3·h-1流量输入试验装置中，测定处理后的水溶液中Gr3+浓度，其结果如表6所示。

表6 扩大试验结果

表 6数据表明模拟废水中 Gr3+浓度在 0～200 mg·L-1范围内，陶粒与含铬废水接触时间为37.7min时，铬去除率可达到99%以上。

3 结论

（1）粉煤灰、粘土和木炭粉配比、焙烧温度和保温时间对粉煤灰陶粒的吸水率和抗压力均有一定影响。结合试验数据确定的最佳方案为粉煤灰、粘土和木炭粉以85∶10∶5比例混合，1150℃焙烧保温60min。利用此粉煤灰陶粒处理Gr3+浓度在 0～200 mg·L-1的模拟废水，接触时间为 37.7min时铬去除率可达99%以上。

（2）制备粉煤灰陶粒试验中，添加粘土和木炭粉在增大陶粒抗压强度同时也提高了陶粒的孔隙率，从而提高了陶粒颗粒的抗压力和吸水率。

（3）在铬去除试验中，由于陶粒质轻，可使废水与陶粒发生相对对流，从而大大减少了废水与陶粒的接触时间。

（4）利用粉煤灰制备陶粒来处理含铬废水，可达到以废治废的目的，并且处理效果较好、费用低、原料来源丰富，可以考虑将其应用于实际中。

（5）本试验中采用的是模拟含铬废水，现实中的含铬废水中同时含有其他影响物质，因此在实际中的应用还有待进一步研究。

[1] 王晓昌.造粒型高效固液分离技术用于电厂废水再生的试验研究[J].给水排水，2001,27(8):39-41.

[2] 黄廷林,解岳,丛海兵,等.水厂生产废水结团凝聚处理的中试试验研究[J].给水排水，2003,29(3):9-12.

[3] 黄廷林,张刚,聂小宝,等.造粒流化床浓缩技术处理给水厂排泥水的中试研究[J].给水排水,2005,31(11)：10-14.

[4] 占天刚,王晓昌,袁宏林,等.生物造粒流化床脱氮除磷研究[J].水处理技术，2007,33(3):20-21.

[5] 周海涛,白毓谦.一株六价铬还原菌的分离及其用于含铬废水处理的初步研究[J].青岛海洋大学学报,1991，21(3):104-109.

[6] GB17431,轻集料及其试验方法[S].

Application Research of Fly Ash Ceramic in Treatment of Wastewater of Chromium

ZHANG Shun-cheng1，2，LANG Jian-feng1，ZENG Wu1
(1.College of Chemistry Engineering and Biological Technology, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063000，China; 2. The Building Materials, Quality Supervision and Inspection Stations of Tangshan, Tangshan 063000，China)

In the experiment, fly ash, clay and charcoal powder were mixed in certain proportion to fire into ceramic granules. The study concentrated on the simulated wastewater, of which the concentration of chromium (Ⅲ) was 20mg/L. Making use of ceramic granules to absorb chromium (Ⅲ), the study tested the influence of water flow, pH value and temperature on the effects of removing chromium (Ⅲ) per unit time. The results showed that when fly ash, clay and charcoal powder were mixed at the proportion of 85:10:5, ceramics had good water absorption and compressive strength at the same time. In the best conditions, the removal rate of chromium (Ⅲ) could up to more than 99%.

fly ash; ceramic granules; water absorption; compressive strength;chromium wastewater

X 703

A

1671-9905(2010)08-0049-04

张顺成,(1973-), 男,工程硕士,质量工程师 联系电话:13832868216,15531565016;电子邮箱:zsc12888@126.com,13832868216@126.com

2010-05-17