凹土基悬浮滤料制备与性能研究

冀 巍

(江苏省淮安市环境科学研究所，江苏淮安 223001)

目前，国内水处理使用的滤料有活性炭、陶粒、砂石、沸石等。其中，活性炭孔隙率高，比表面积大，谢澄等在采用内循环三相流化床处理含氯漂白废水的试验研究中，选用粒径为0.3～2.0 mm颗粒活性炭为载体，COD和BOD的去除率均达到70%以上[1]。蒋锋等研究发现，以细粒活性炭作为载体处理净化水的效果较好，COD和硫化物的去除率可达到80%以上[2]。Pruden等在研究以颗粒活性炭为载体的好氧生物流化床处理含有苯及其同系物的化工水时发现该反应器对苯及其同系物有较高的去除率，并具有一定的抗冲击能力[3]。但活性炭作为载体，价格昂贵，因而难于在实际水处理中广泛应用；砂石性能稳定，价格低廉，但孔隙不发育，比表面积小，不利于微生物的接种挂膜和生长繁殖；沸石和麦饭石虽然具有一定的孔隙率和比表面积，但孔径太小，生物较难在其上附着生长，麦饭石力学强度低、容重高、易碎、寿命短。近几年我国也开展了应用片状陶粒滤料处理污水，尽管挂膜性能好，但水流阻力大，容易堵塞，且强度差，易破碎，不耐水冲刷，难以用于污水处理。

随着新型合成材料工业的发展，悬浮滤料研发成为热点[4-6]。悬浮滤料由于密度小而且密度可控，挂膜量大且稳定，工艺应用灵活，对设备要求相对较低，目前在水处理中的应用越来越广泛。凹凸棒石粘土(简称凹土)是一种以凹凸棒石矿物为主要组分的天然粘土矿物，绿色环保、无二次污染，具有良好的吸附性能、脱色性能、胶体性能、载体性能，在水处理中应用非常广泛。

1 材料与方法

1.1试验药品凹土购自江苏盱眙玖川科技有限公司；粉煤灰漂珠、玻璃微珠由市场上采购；其他化学试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司，购买后直接使用。

1.2凹土基悬浮滤料的制备方法将粉煤灰漂珠用20～30目筛过筛，取筛下物。将过筛的粉煤灰漂珠，与玻璃微珠、凹土、水按重量比2∶2∶5∶3混合均匀得预混物，加入适量的水玻璃作为粘接剂。将预混物在造粒机作用下制成粒径9 mm左右的滤料球，放入升温至110 ℃的真空干燥箱中干燥45 min，烘干水分。将烘干的滤料球装入陶瓷坩埚，放入升温至500 ℃的电阻炉中恒温45 min，冷却至环境温度，制成悬浮生物滤料。

1.3凹土基悬浮滤料的理化性能测定精确称取样品的干燥质量(M)，然后放入烧杯中静置24 h，取出称重，连续测定数天，待样品吸水后质量稳定，记为M1，则吸水率=(M1-M)/M1×100%。同时计算烧开量与比重等指标。

准确量取量筒中水的体积V1，将样品置于量筒中，记录样品与水的总体积V2，24 h后将样品取出，记录此时量筒中水的体积V3，则孔隙率=(V1-V3)/(V1-V2)×100%。

2 结果与分析

2.1凹土基悬浮生物滤料理化性能表征

2.1.1焙烧温度对滤料烧失量的影响。烧失量作为滤料的理化性能指标之一，在保持滤料体积基本不变的条件下，烧失量越多的滤料其孔隙率越高，比重越小。考察了在5个不同焙烧温度下滤料中凹土、玻璃微珠、粉煤灰漂珠添加比例不同时的烧失量情况，结果见图1、2、3。

图1 轻质材料添加比例为4∶1∶1时焙烧温度对滤料烧失量的影响

图2 轻质材料添加比例为2.5∶1∶1时焙烧温度对滤料烧失量的影响

图3 轻质材料添加比例为5∶3∶3时焙烧温度对滤料烧失量的影响

由图1、2、3可见，滤料的烧失量随着温度升高逐渐增加，当温度达到650 ℃时，失重率为16.2%且接近恒定。

2.1.2焙烧温度对滤料比重的影响。悬浮型滤料要求其比重小于或等于水的比重。该研究主要是通过控制滤料中轻质材料的添加量来控制滤料的比重，因此，滤料的比重大小主要受滤料的大小、轻质滤料添加量及焙烧温度三方面的影响。

由图4～6可知，不同原料配比下制得的滤料比重较轻，均小于1 g/cm3；在滤料中轻质滤料添加重量比一定时，随着温度升高，比重逐渐减小；在温度为500 ℃时，滤料比重在0.22 g/cm3左右，且已接近恒定。

图4 焙烧温度在轻质材料添加比例为4∶1∶1时对比重的影响

图5 焙烧温度在轻质材料添加比例为5∶2∶2时对比重的影响

图6 焙烧温度在轻质材料添加比例为5∶3∶3时对比重的影响

2.1.3焙烧温度对滤料吸水率的影响。水处理中，滤料的吸水率与其吸附性能有着重要关系，吸水率越高，吸附性能越好。由图7可见，随着焙烧温度的增加，滤料的吸水率呈下降趋势。焙烧温度为500 ℃时，滤料的吸水率为49.5%左右。

图7 焙烧温度对不同轻质材料添加比例滤料吸水率的影响

2.1.4焙烧温度对滤料孔隙率的影响。孔隙率对于废水处理中微生物的接种和生长挂膜起着重要作用，滤料的孔隙率越大，其表面粗糙度就越大，因而能够保持较多的生物量，更有利于微生物的生长挂膜，处理效果会更好。由图8可见，滤料的孔隙率随着温度的升高逐渐升高，当温度达到700 ℃时，孔隙率为30%左右，且随温度的升高孔隙率的升高幅度趋于平稳。

图8 焙烧温度对不同轻质材料重量添加比例滤料孔隙率的影响

2.2凹土基悬浮滤料对水的处理效果

2.2.1凹土基悬浮滤料对CODCr的处理效果。在温度18 ℃，溶解氧3.5 mg/L，废水样CODCr初始浓度为600 mg/L，凹土基悬浮滤料体积比20%，稳定挂膜条件下，进行废水处理效果验证试验。由图9可见，经过8 h凹土基悬浮生物滤料曝气处理，初始CODCr为600 mg/L时，随着处理时间增加，污水中CODCr值逐渐降低，最终趋于稳定，CODCr去除率可达95.0%，处理效果良好。

图9 凹土基悬浮滤料对废水CODCr的处理效果

图10 凹土基悬浮滤料对废水的处理效果

3 结论

[1] 谢澄，陈中豪，疏明君，等.生物流化床-化学絮凝法处理纸浆漂白废水 [J].工业用水与废水，2002，24(5)：97-101.

[2] 蒋锋，吴建元.生物流化床处理含硫污水净化水的探讨[J].石油化工环境保护，1996(2)：23-26.

[3] PRUDEN A，SEDRAN M，SUIDEN M，et al.Biodegradation of MTBE and BTEX in an aerobic fludized bed reactor [J].Water Science and Technology，2003，47(9)：123-128.

[4] 邓洪权，蒋琪英，何力.多孔聚合物载体用于好氧流化床处理有机废水的研究[J].重庆环境科学，2003，25(1)：26-28.

[5] 方佩珍，潘永亮，黄卫星.低密度多孔颗粒在三相循环床中的流动特性研究[J].四川大学学报，2003，35(6)：49-53.

[6] 田刚，施汉昌.悬浮填料的选取及其性能试验研究[J].环境科学学报，2002，22(3)：333-336.