聚合物水泥基滤料的制备及应用研究

毕春波，林建广

（1. 河北联合大学 轻工学院，河北 唐山 063000；2. 河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063000）

聚合物水泥基滤料的制备及应用研究

毕春波1，林建广2

（1. 河北联合大学 轻工学院，河北 唐山 063000；2. 河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063000）

聚合物水泥是一种常用的建筑材料，采用聚合物水泥对有机材质滤料进行包覆改性，通过对其表面性能的改善，进而增强有机滤料的亲水性以及生物亲和性。实验结果表明，聚合物水泥基滤料在机械特性、水力学特性及生物学方面都占有优势，这种滤料制造工艺简单，费用低，原料来源广，节能环保，在污水处理领域中具有很广阔的发展潜力。

聚合物水泥；滤料；生物膜法；污水处理

生物膜法是与活性污泥法并行的一种好氧生物处理污水的方法，由于生物膜法具有特殊优势，越来越得到人们的关注，近几十年来发展非常迅速。滤料是生物膜反应器中的重要组成部分，也是生物膜法的核心之一。因此，滤料性能的好坏直接关系着生物膜的脱落和附着情况，并影响生物滤池运行的稳定和处理效果，进而对污水处理工艺全过程的效率、能耗和可靠性均有影响。在选择滤料时应尽可能的达到几个条件[1,2]：

（1）机械强度高，刚性大；

（2）生化稳定性好，热稳定性好；

（3）滤料密度适中，形状规则，粒径适宜的球形最好；

（4）无毒无味，不会产生二次污染，再生性强；

（5）取材方便，价格便宜，安装维修方便。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

1.1.1 实验材料

P.O.42.5R型快硬硫铝酸盐水泥（唐山北极熊建材有限公司），易来泰可再分乳胶粉（阿克苏诺贝尔特种化学有限公司），聚苯乙烯颗粒，环己烷（天津市大茂化学试剂厂）。

1.1.2 仪器设备

JA2603型电子天平；DGZ-200-7.5-O型圆盘造球机；DGG-101-2型电热鼓风干燥箱；SS-989型振荡机；2XZ型旋片式真空泵；J67-100型压力机；S-4800型扫描电子显微镜；承压筒。

滤料挂膜装置：模拟曝气生物滤池工艺，采用直径为150 mm，高度为500 mm的自制有机玻璃柱，在顶部下面的100 mm处有一个出水口，有机玻璃柱底部处有一个进水口，滤料层高度为100 mm。

1.2 实验过程

1.2.1 聚合物水泥基滤料的制备

以发泡聚苯乙烯空心颗粒为核心材料，水泥和可再分乳胶粉为壳层材料（添加量均按质量比例）。首先将水泥和乳胶粉进行干混，混匀后加水包覆聚苯乙烯颗粒成球。对于刚制备成型的聚合物水泥基滤料需要不断地喷洒水进行养护。

对成型后的滤料进行酸碱性测试，如碱性超过pH8.0，一方面可通过多次用水浸泡冲洗，使其表面的pH值可降低到8.0以下，达到所需要求；另一方面可在微生物培养过程中，加适量的碳源有机物提高C/N或者降低通气量来达到微生物生长的条件。

1.2.2 聚合物水泥基滤料的制备

按水处理滤料的分析方法[6]，对聚合物水泥基滤料的堆积密度、真密度、表观密度、比表面积、吸水率和磨损率等方面进行物理性能测定。

1.2.3 滤料挂膜试验

实验所采用的菌种来自于唐山市西郊污水处理厂的活性污泥，污泥用量为3 000～4 000 mg·L-1。

实验所用废水为人工配水，碳源为葡萄糖，氮源为硫酸铵，磷源为磷酸二氢钾，其中COD:N:P=100:5:1；微量元素为硫酸亚铁10 mg·L-1，硫酸钙30 mg·L-1，硫酸镁30 mg·L-1。通过碳酸氢钠溶液来调节配水的pH值，并控制在6.0～8.5范围内。反应温度控制在25～30 ℃左右。

采用人工挂膜法对微生物进行驯化。将活性污泥和废水混合后直接倒入反应器中，经过48 h～72 h循环式曝气后，慢慢少量地加入废水，然后逐渐增大进水量，水力停留时间为12 h，直到挂膜成功。

通过重铬酸钾测定反应器中COD变化情况，当COD去除率稳定时，可认为挂膜完成。

2 结果与讨论

2.1 水泥的选用

由于普通的硅酸盐水泥呈现的碱性较强，其水化液相（水灰比为10:1）的pH值达到13左右，然而作为水泥第三系列的快硬硫铝盐水泥[3-5]（主要矿物成分为C4A3和硅酸二钙）水化液相的pH值在12以下，1 h后该水泥水化液相的pH值降到11以下。低碱性的原因是在硫酸盐水泥水化过程中，主要水化反应如下：

在制备聚合物水泥基滤料时，采用普通硅酸盐水泥制备的滤料成型后其表面的碱性不利于微生物的生长，用pH试纸测试其表面的酸碱度为pH>10，而微生物生长和繁殖的适应环境为pH=5～9这个范围内，因此需要对滤料的表面进行酸化，改变其表面的物理性质才能适用，但是这一酸化过程不利于实际工程的应用，同时也造成了二次污染，不是环保的方法。为了解决此问题，考虑选用低碱性水泥作为壳层复合材料，在水泥系列中，只有硫铝酸盐水泥呈低碱性，因此所用的水泥为P.O.42.5R型快硬硫铝酸盐水泥（唐山北极熊建材有限公司）。

2.2 聚合物水泥基滤料的制备工艺

可再分乳胶粉微粒附着在骨料颗粒表面和水泥凝胶相聚成膜，该胶膜的胶接能力及柔性可以改善水泥材料的机械性能，即提高水泥材料的抗压强度、抗折强度和抗冲击负荷，同时可再分乳胶粉的胶膜还能延阻水汽蒸发，进而对水泥养护十分有利。对于刚制备成型的聚合物水泥基滤料来说，由于水泥反应不完全，此时该滤料的机械强度不足，不能达到水处理滤料的标准，因此需要不断地喷洒水进行养护，因为快硬硫铝酸盐水泥具有早期强度高和凝结时间较快等特性，所以7 d后载体的机械强度就相当于采用普通硅酸盐水泥28 d的机械强度，这样该滤料很快地就能达到水处理滤料的所需要求，用于污水处理生物膜法工艺实验中。

2.3 聚合物水泥基滤料的物理性质

制得的聚合物水泥基滤料为形状规则的球形，粒径在3～5 mm左右，其物理性质如表1所示。

表1 制得的聚合物水泥基滤料物理性质

对于一般的滤料来说，空隙率越大，水头损失增长率越小，杂质穿入滤料深层时具有内部过滤倾向。制得的球形的聚合物水泥基滤料的空隙率（49.9%）适度，这样既能为水中杂质和微生物产物的聚积提供较大空间，减少了反冲洗的周期，又能够很好地对水体起到截留吸附的作用。

由表1可知，同石英砂（2.50 g·cm-3）、无烟煤（1.67 g·cm-3）、粉煤灰滤料（1.73 g·cm-3）、颗粒活性炭（1.50 g·cm-3）和炉渣（1.60 g·cm-3）等相比，该滤料的真密度适中。粉煤灰生物滤料的磨损率为5%、进口火山岩为3%、棱状煅烧黏土为1.1%、老棱状页岩为2.3%，与这些滤料相比较，该滤料磨损率（1.45%）较低。

同时还可以看出，该滤料（比表面积4.88 m2·g-1）有利于微生物的吸附和生长繁殖；其高的吸水性（吸水率21.4%）可增强聚苯乙烯空心颗粒有机材质滤料的亲水性，进而提高对微生物的亲和性；其筒压强度（6.3 MPa）可满足在不同强度的水力剪切作用以及滤料之间摩擦碰撞过程中机械强度要求；其耐盐酸质量损失率实测值为98.8%，表明聚合物水泥基滤料的化学稳定性很好。

2.4 滤料挂膜性能

经过20 d的进出水曝气后，可以观察到滤料表面略有微生物生成，40 d后可明显地观察到生物膜的生成，此时COD的去除率大于70%，可认为挂膜成功。成膜前后聚合物水泥基滤料表面电子显微结构如图1所示。

图1(a)和(b)为聚合物水泥基滤料成型后在不同放大倍数下的电子扫描电镜图像，图1(c)和(d)为挂膜成功后滤料在不同放大倍数下的电子扫描电镜图像。由上述SEM图像可知，制备成型后的滤料表面有较好的孔隙结构，孔洞较深。成膜后的载体表面附着微生物，微生物填充在滤料的孔隙中并生长繁殖。

采用差量法对成膜后滤料表面的生物膜量进行测定，实验结果表明，滤料表面上的微生物量较为稳定，大约为30 mg/g，但与其他种类的滤料比相对较少，这可能是因为聚合物水泥基滤料的表面呈弱碱性，抑制了微生物的大量生长和增殖，对这种滤料表面酸碱度的改性问题，需进一步探究。

图1 成膜前后滤料的表面

3 结论

采用聚合物水泥对有机材质颗粒进行包覆改性，制得新型聚合物水泥基滤料，其物理性能方面能够满足水处理滤料的所需要求，并且制造工艺简单，费用低廉，无毒无害，节能环保；缺点是该滤料表面呈弱碱性，成膜后滤料表面的生物膜量相对较少，因此需要做进一步的表面改性研究。特别指出的是硫铝酸盐水泥中存在铝离子，对污水能起到絮凝的作用，但其絮凝的效果还有待探究。

[1] 杨学华.超轻多孔陶瓷滤料的研制[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[2] 李方文,吴建锋,徐晓虹,等.应用多孔陶瓷滤料治理环境污染[J].中国安全科学学报,2006,16(7):112-117.

[3] 徐广祥.净水材料分析方法[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.

[4] 向才旺.水泥应用[M].北京:中国建材工业出版社,1999: 1-2.

[5] F. P. Glasser, L. Zhang. High-performance cement matrices based on calcium sulfoaluminate-belite compositions[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(12): 1881-1886.

[6] 周世华.超细粉体(CaCO3与SiO2)对硫酸盐水泥性能的影响研究[D].重庆:重庆大学,2005.

（责任编辑、校对：琚行松）

Preparation of Polymer Cement Filters and Application

BI Chun-bo1, LIN Jian-guang2

(1. College of Light Industry, Hebei Untied University, Tangshan 063000, China; 2. Hebei Iron and Steel Group Mining Company Limited, Tangshan 063000, China)

Polymer-cement is a frequently-used building material, polymer-cement used for coating the organic materials, which can improve the superficial capability of organic materials, and enhance the hydrophilcity and bioaffinity of organic material. The experimental results show that polymer-cement filters have dominance particularly in characteristic of mechanics, hydromechanics and biology. This manufacturing process is simple, low cost, widespread origin of raw materials, energy conservation and environmental protection. Especially there is a great potential development in the sewage treatment.

polymer-cement; filter; biofilm; sewage treatment

X703.1

A

1009-9115(2013)02-0014-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2013.02.005

2012-12-14

毕春波（1979-），女，河北唐山人，硕士，讲师，研究方向为新型水处理滤料。