用化工污泥制曝气生物滤池填料

孙 婧，胡 俊，周桃玉，刘 权，徐炎华

（南京工业大学 环境学院江苏省工业节水减排重点实验室，江苏 南京 211816）

化工污泥是污水处理厂处理化工废水过程中产生的固体废弃物，属于危险固废，含多种有机毒物、重金属和病原微生物等［1］。常规的污泥处理方法主要为焚烧法和填埋法。焚烧法处理速度快，能有效降低污泥的体积和质量，焚烧过程产生的能量可用于供热和发电。但焚烧法运行费用较高，且焚烧后的灰渣仍属于危险固废，易产生二次污染［2］。填埋法对场地的要求严格，会占用大量的土地资源，需要进行后续监测，危险固废安全填埋处置成本高［3］。

污泥的资源化符合可持续发展的理念［4］，用污泥制备吸附剂［5］和各种材料［6-7］是污泥处理的最佳方式。目前，报道较多的是以属于一般固废的城市污泥为原料制备水处理填料，如杨雷等［8］以城市污水厂污泥和页岩为原料制备填料，齐元峰等［9］以城市污水厂脱水污泥、黏土和粉煤灰为原料制备水处理填料，阙科健［10］以城市污水厂污泥和净水厂污泥为原料制备水处理填料。而采用化工污泥制备填料的研究鲜有报道。

本工作以化工污泥和页岩为原料制备曝气生物滤池填料（简称填料），考察了制备条件对填料性能的影响，对填料的结构和形貌进行了SEM表征。将填料用于模拟废水的处理，可有效去除模拟废水中的COD和NH3-N。

1 实验部分

1.1 实验材料

化工污泥取自南京某化工企业净水厂，为化工废水生化处理后产生的剩余活性污泥。污泥中含有重金属、多氯联苯和多环芳烃，对生物具有一定毒性。污泥含水率为83.8%（w），pH=6.34，热值约2 000 kJ/kg，颜色为黑褐色，有刺激性恶臭味。污泥γ辐射剂量率为0.09～0.10 μSv/h，辐射强度较低，不会对人体产生危害。将污泥在105 ℃下烘干，得到的干化污泥用粉碎机粉碎，过100目筛备用。干化污泥的重金属含量见表1。

表1 干化污泥的重金属含量 mg/kg

干化污泥的SiO2含量低、烧失量大，在制备填料的过程中，通常添加一定量的黏土作为辅料。而页岩与黏土化学成分相似，用页岩代替黏土可以保护耕地，因此选择页岩作为辅料。取未经烘干的页岩，直接用粉碎机粉碎，过100目筛备用。干化污泥和页岩的主要化学组成见表2。

表2 干化污泥和页岩的的主要化学组成 w，%

1.2 实验仪器

A 11型分析研磨机：德国IKA集团；DHG-9033BS-Ⅲ型干燥箱：上海新苗医疗器械制造有限公司；SXZ-12TP型箱式电阻炉：济南精密科学仪器仪表有限公司；PE5300DV型电感耦合等离子直读光谱仪：上海赫安机电科技有限公司；JSM-5900型扫描电子显微镜：日本电子公司。

1.3 填料的制备

将干化污泥和页岩按一定比例称量后混匀，加入适量水后再次搅拌混匀。手工造粒，制备直径为10 mm的生料球。将生料球放入干燥箱，在105℃下干燥2 h。干燥后的生料球放入箱式电阻炉中焙烧，冷却，制得填料。

1.4 分析方法

在填料烧制工艺的研究中，多以吸水率和堆密度作为考核指标。吸水率和堆密度是反映填料孔隙率和粗糙度等的宏观指标，适宜的孔隙率和粗糙度有利于微生物在填料表面的生长繁殖，对填料在水处理领域的应用具有重要意义。按照GB/T 17431.2—2010《轻集料及其试验方法-第2部分：轻集料试验方法》［11］测定填料的吸水率和堆密度。

对填料进行SEM表征。按照GB5058.3—2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》［12］测定填料的重金属浸出值和有机毒物浸出值。采用重铬酸钾法测定废水COD［13］211—213，采用蒸馏法测定废水ρ（NH3-N）［13］282—283。

2 结果与讨论

2.1 填料性能的影响因素

2.1.1m（干化污泥）∶m（页岩）对填料性能的影响干化污泥中含有大量的有机质，有机质的燃烧能为填料的烧制过程提供热量，燃烧释放的气体能提高填料的孔隙率。但干化污泥添加过多会降低填料的强度，且污泥烧失量大，造成填料的坍塌。在预热温度400 ℃、预热时间20 m in、焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间10 m in的条件下，m（干化污泥）∶m（页岩）对填料性能的影响见图1。

图1 m（干化污泥）∶m（页岩）对填料性能的影响

由图1可见：随m（干化污泥）∶m（页岩）的增大，填料的吸水率逐渐增加，堆密度逐渐降低；当m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5时，填料的吸水率为7.08%，堆密度为776.2 kg/m3。当m（干化污泥）∶m（页岩）=0.7时，填料烧制过程中释放的气体过多，填料表面出现裂缝，填料的破碎率增大，不利于填料的制备和使用。因此，选择m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5较适宜。

2.1.2 焙烧温度对填料性能的影响

在m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5、预热温度400 ℃、预热时间20 m in、焙烧时间10 m in的条件下，焙烧温度对填料性能的影响见图2。由图2可见，随焙烧温度的升高，填料的吸水率大幅降低，堆密度先降低再略有升高。当焙烧温度为1 000 ℃时，填料的吸水率达41.20%，填料颜色较浅，内部孔隙不明显，填料易破碎；随焙烧温度的升高，填料内部发生化学反应，生成K2O-A l2O3-SiO2，Na2O-A l2O3-SiO2，FeO-A l2O3-SiO2，CaO-A l2O3-SiO2等共熔物，微晶玻璃结构逐渐增多［14］；当焙烧温度达1 150 ℃时，填料的吸水率降至7.08%，填料表面粗糙，内部有大量孔洞，抗压强度较高，填料性能良好；当焙烧温度达1 200 ℃时，填料的吸水率降至最低值（0.78%），填料出现部分熔融现象，使填料堆密度略有增加。焙烧温度过高，填料表面易液化形成光滑的釉质，不利于微生物附着；且填料之间粘连，不利于填料的制备。因此，选择焙烧温度为1 150 ℃较适宜。

图2 焙烧温度对填料性能的影响

2.1.3 焙烧时间对填料性能的影响

在m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5、预热温度400 ℃、预热时间20 min、焙烧温度1 150 ℃的条件下，焙烧时间对填料性能的影响见图3。由图3可见，随焙烧时间的延长，填料的吸水率和堆密度逐渐降低。当焙烧时间为5 m in时，焙烧不充分，填料内部反应不完全，表面釉质过薄，填料的吸水率和堆密度相对较高；当焙烧时间为10 m in时，填料的吸水率为7.08%；当焙烧时间延长至20 m in时，填料烧透，表面更加致密，内部孔隙逐渐增多，吸水率降至2.32%。从节约热能、降低制备成本的角度考虑，焙烧时间不宜过长。因此，选择焙烧时间为10 m in较适宜。

图3 焙烧时间对填料性能的影响

2.1.4 预热温度对填料性能的影响

预热是填料烧制过程中的预处理阶段，用于降低生料球中的碳含量，排出多余水分。在m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5、预热时间20 m in、焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间10 m in的条件下，预热温度对填料性能的影响见图4。

图4 预热温度对填料性能的影响

由图4可见，随预热温度的升高，填料的吸水率先降低再升高，堆密度逐渐降低。当预热温度过低时，预热效果不明显，不能很好地调节生料球中的碳含量，不利于填料焙烧过程中孔隙的生成，失去了预热的意义；当预热温度为350～400 ℃时，烧制的填料性能较好；当预热温度为450 ℃时，填料中的有机质和水分消耗过快，填料表面易出现细小的裂纹，填料内部孔隙较小。因此，从节约能源的角度考虑选择预热温度为350 ℃较适宜。

2.1.5 预热时间对填料性能的影响

在m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5、预热温度350 ℃、焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间10 min的条件下，预热时间对填料性能的影响见图5。由图5可见：随预热时间的延长，填料的吸水率和堆密度逐渐降低；当预热时间为20 m in时，填料的吸水率为7.14%，堆密度为785.2 kg/cm3，填料性能已基本稳定。因此，选择预热时间为20 m in较适宜。

图5 预热时间对填料性能的影响

2.2 表征结果

在m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5、预热温度350℃、预热时间20 min、焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间10 min的条件（最佳制备条件）下，制得填料的SEM照片见图6。由图6可见：填料的表面粗糙度高，有利于微生物的附着固定，可为微生物提供稳定的栖息和繁殖环境；填料内部有丰富的孔隙结构，可使微生物抵抗外界环境的干扰，更好的适应环境。

图6 填料的SEM照片

为检验填料的安全性，按照GB 5058.3—2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》测定填料的重金属浸出值和有机毒物浸出值，实验结果见表3。由表3可见，填料的重金属浸出值和有机毒物浸出值远低于标准给出的含量限值。说明在制备填料的过程中可以很好地固定化工污泥中的重金属和有机毒物，填料性能稳定，不会产生二次污染。

表3 填料的重金属浸出值和有机毒物浸出值 ρ/（mg·L-1）

2.3 填料对模拟废水的处理效果

在进水COD为300 mg/L、进水ρ（NH3-N）为22.0 mg/L、反应温度为25 ℃、水力停留时间为4 h的条件下，挂膜14 d后填料对模拟废水的处理效果稳定，出水COD为24 mg/L、出水ρ（NH3-N）为7.7 mg/L，COD和NH3-N的去除率分别达到92%和65%。实验结果表明，填料可有效去除模拟废水中的COD和NH3-N。

2.4 经济效益分析

本实验使用的化工污泥含有多种有毒有害成分，通常采取焚烧后安全填埋的处理方法，不仅处理费用较高，且对环境造成不利影响，处理费用约为2 000 元/t。用化工污泥制填料所需的成本低，仅为800 元/t。将污泥作为原料制备填料，不仅解决了污泥的处置问题，还可取得一定的经济效益，实现了化工污泥的“变废为宝”。

3 结论

a）采用化工污泥制备曝气填料的最佳制备条件为：m（干化污泥）∶m（页岩）=0.5，预热温度350 ℃，预热时间20 m in，焙烧温度1 150 ℃，焙烧时间10 m in。在最佳制备条件下制得的填料的吸水率为7.14%，堆密度为785.2 kg/cm3。

b）表征结果显示，制得填料的表面粗糙度高，内部有丰富的孔隙结构，有利于微生物生长繁殖。填料的重金属浸出值和有机毒物浸出值远低于GB5058.3—2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》中给出的含量限值。

c）将填料用于模拟废水的处理，COD和NH3-N的去除率分别达到92%和65%。用化工污泥制填料的成本低，仅为800 元/t。

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