浸没式水处理填料制备技术研究进展

范 茜，田 青，陈爱因

(1. 建设部水处理新技术产业化基地 天津300191；2. 首创爱华(天津)市政环境工程有限公司 天津300381)

浸没式水处理填料制备技术研究进展

范 茜1，田 青2，陈爱因2

(1. 建设部水处理新技术产业化基地 天津300191；2. 首创爱华(天津)市政环境工程有限公司 天津300381)

综述了污水处理领域曝气生物滤池中常用浸没式填料——新型陶粒填料和改性火山岩填料的制备技术，利用文献比较了不同制备原料在最佳配比及最佳制备条件下得到的多种新型陶粒填料的理化性能指标和生物处理效果，关注了经改性处理的火山岩填料的性能提升以及该领域的研究缺失，指出利用传统填料进行改性处理以及有效利用工业生产废弃物开发新型填料，可以达成制备成本低廉且性能优良的目的，将是浸没式水处理填料领域的未来发展方向。

浸没式填料 陶粒 火山岩 制备方法

曝气生物滤池(Biological Aerated Filter，简称BAF)以其有机负荷高、出水水质好、占地面积小的优点，在污水处理领域得到了广泛应用。而填料是曝气生物滤池的关键部分，是BAF曝气、高速过滤、定期反洗的运行基础，作为微生物的载体，直接影响着生物膜的生长、繁殖、脱落、形态及空间结构，其过滤性能又影响着BAF对悬浮物的去除效果，其机械强度、密度等也影响着曝气和反冲洗过程中的材料损耗和能耗。因此，填料对BAF的运行效果有直接的影响，同时也影响到曝气生物滤池的结构形式和运行成本。作为曝气生物滤池的填料，需满足：具备化学及生物稳定性和耐磨性，较大的比表面积和孔隙率，有利于微生物的附着；具备良好的物理和机械性能，适于反冲洗；具备良好的水力特性和经济性。本文主要关注成本较低、性能较好的无机填料——陶粒、火山岩的制备及改性技术。

1 陶粒填料

陶粒填料由黏土、泥质岩石等作为主要原料加工成型制得，具有表面粗糙、比表面积大、化学性质稳定、挂膜性能良好、便于反冲洗、截污能力强等优点，作为水处理填料得到广泛应用。

近年来，为工业废物利用而开发的粉煤灰陶粒、煤矸石陶粒、污泥陶粒等的研究不断取得进步，推进了新型陶粒填料的发展。李倩伟[1]等人以粉煤灰为主要原料，黏土、脱水污泥、脱硫石膏等为辅料制得粉煤灰陶粒(T1)；代亚辉[2]以粉煤灰为主要原料，添加煤矸石作为成孔剂，经混合、成球、高温焙烧等过程制备陶粒滤料(T2)；王德民[3]等人以低硅铁尾矿为主要原料，制备出尾矿添加量达77%,的多孔陶粒(T3)；岳敏[4]等人研究采用城市污水处理厂脱水污泥作为主要原料，烧制的污泥陶粒(T4)性能稳定，不会对环境造成二次污染；王会平[5]等人以粉煤灰为原料制得陶粒填料(T5)；李海宁[6]等人以再生活性炭为原料制备新型陶粒(T6)。陶粒(T1～T6)制备方法、理化指标及性能指标如表1～3所示。

表1 新型陶粒制备工艺表Tab.1 Preparation technology of new ceramsite fillers

表2 新型陶粒物理化学性能指标对比表Tab.2 Comparison of physical-chemical properties of new ceramsite fillers

通过对比发现，以不同的工业生产废料如粉煤灰、城市污水处理厂脱水污泥、再生活性炭等为主要原料，添加不同辅料，通过实验选配得到最佳配比和最佳制备条件，可制得品质稳定、性能良好、抗冲击负荷能力强、出水水质好的新型陶粒填料，可以有效降低生产运行成本，具有较高的经济环境效益；但与此同时，以上新型陶粒的制备过程中多需高温烘焙条件，可能产生废气等二次污染问题，因此低温制备、自然养护等制备技术的研究将成为新的关注点。

表3 新型陶粒水处理性能对比表Tab.3 Water treatment performance comparison of new ceramsite fillers

另外，江子建[7]等人研究采用FeCl3和CaCl2对普通陶粒进行改性处理，得到的改性陶粒性能均有提升，其中FeCl3改性陶粒效果尤为明显，对总磷的去除率提高73%，对总氮和COD的去除效果提高了20%和22%。同时，Fe对生物膜的生长更具促进作用，改性陶粒表面的生物膜生长更快，到达成熟稳定的时间更短。郑育毅[8]等人采用自来水厂污泥400,℃煅烧制得除磷效果优秀的陶粒填料。由于自来水厂在制水过程中使用了铝系、铁系无机混凝剂，故而污泥中富集了较多的铝铁成分，经高温煅烧后形成铁铝氧化物，与采用铁盐对陶粒的改性过程类似。该研究结果与李星[9]等人研制的复合铁铝吸附剂对磷的高效吸附结果一致，因此，对于除磷效果有限的BAF系统，采用此类污泥陶粒填料不失为一种有益的尝试。

2 火山岩填料

火山岩是火山作用时喷出的岩浆冷凝、成岩、压实等作用形成的岩石，火山岩的物理化学特性由于在形成条件、发育环境、分布规律等方面的不同有很大差异，同时其含有硅、钾、钠、铁、镁等多种矿物以及多种金属元素，国内外对于火山岩的研究多集中在地质勘查和石油勘探等领域。后有研究发现，满足一定理化性能的火山岩经过选矿、破碎、筛分、研磨等一系列工艺加工后能够得到一种较好的曝气生物滤池填料，具有抗腐蚀性，在环境中不参与生物膜的生物化学反应，其表面带有正电荷，有利于微生物固着生长等特点在曝气生物滤池得到较为广泛的应用。

火山岩填料表观为不规则颗粒，颜色为红黑褐色，多孔质轻，具备良好的生物稳定性。倪虹[10]等人采用加热蒸发法，选用盐酸、氯化铁和氯化铝分别处理火山岩填料，发现加入FeCl3于500,℃下煅烧3,h得到的铁盐填料生物吸附效果最好，改性过程改善了火山岩表面理化特性，大大提高了材料对微生物的吸附能力；唐启祥[11]等人采用高温煅烧的方法处理火山岩，在1,100,℃温度下处理得到较好的除磷效果。

尽管火山岩作为BAF填料已多有工程应用，且多有关于陶粒填料与火山岩填料的对比试验研究，如周娜、[12]王春荣[13]等人做了BAF中火山岩和陶粒两种滤料去除溶解性CODCr的对比试验，比较了填料在布气补水反冲洗等过程中的运行差异，发现火山岩填料具备更良好的COD去除效果。但关于火山岩的研究以及火山岩改性实验仍多集中于过滤吸附领域，火山岩填料在BAF中的应用以及对填料进行改性处理，提升其理化性能，改善其生物挂膜能力的研究较少，缺乏必要的数据基础和理论支持，阻碍了其在工程中的应用。

3 结 论

当前利用传统填料材料进行改性处理以及利用工业生产废弃物进行开发的新型填料实验室小试性能优于传统填料，但此类研究成果多停留在实验阶段，新材料的耐久性未见深入研究，因此对改性填料的耐久性及安全性进行持续调研后方可用于实际使用。结合工程实际、处理水质、运行工艺的不同，因地制宜地选择成本低廉、性能优良的填料的同时，还要关注变废为宝的新型材料制备过程可能带来的环境问题，避免出现二次污染。■

［1］ 李倩伟，周笑绿，李环，等. 粉煤灰陶粒填料制备及用作曝气生物滤池填料的性能考察[J]. 化工进展，2015，34(9)：3379-3382.

［2］ 代亚辉. 粉煤灰陶粒滤料的制备及其在废水生物处理中的应用研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［3］ 王德民，宋均平，刘博华，等. 硅铁尾矿多孔陶粒的制备及污水处理效果[J]. 金属矿山，2012(12)：148-152.

［4］ 岳敏，岳钦艳，李仁波，等. 城市污水厂污泥制备陶粒滤料及其特性[J]. 过程工程学报，2008，8(5)：972-977.

［5］ 王会平. 免烧结粉煤灰生物陶粒滤料研制及在曝气生物滤池中的应用研究[D]. 南昌：南昌大学，2007.

［6］ 李海宁. 新型活性炭陶粒滤料的制备及其应用于曝气生物滤池处理生活污水的研究[D]. 青岛：青岛理工大学，2011.

［7］ 江子健，陈秀荣，许孔耀，等. 陶粒改性对生物膜特性及除污效能的影响[J]. 环境科学与技术，2016，39(3)：56-59.

［8］ 郑育毅，余育方，李妍，等. 自来水厂污泥制得陶粒对污水中磷和氨氮的吸附[J]. 环境工程学报，2015，9(2)：756-762.

［9］ 李星，范茜，杨艳玲. 铁铝复合吸附剂去除水中痕量磷效能及机理[J]. 北京工业大学学报，2008，34(3)：310-313.

［10］ 倪虹，熊哲，张珊，等. 改性火山岩生物滤料对微生物吸附实验研究[J]. 北方环境，2011，23(3)：146-155.

［11］ 周娜，王造时，白莹. 曝气生物滤池陶粒滤料和火山岩滤料性能对比研究[J]. 科技论坛，2014(25)：17-18.

［12］ 唐启祥，杨留方，吴兴惠. 改性火山岩除磷性能的研究[J]. 云南大学学报：自然科学版，2005，27(3A)：348-350.

［13］ 王春荣，王宝贞，王琳，等. 两端曝气生物滤池的同步硝化反硝化特性[J]. 中国环境科学，2005，25(1)：70-74.

Research Progress on Preparation Technology of Submerged Water Treatment Fillers

FAN Qian1，TIAN Qing2，CHEN Aiyin2
(1．MOC Water Treatment Hi-Technology Industrialization Base，Tianjin 300191，China；2. Shouchuang Aihua(Tianjin)Municipal and Environmental Engineering Co., Ltd.，Tianjin 300381，China)

Preparation technology of two types of immersion packings used in biological aerated filters，including ceramsite and volcanic rocks，were reviewed in this paper．Physical-chemical properties and biological treatment effect of ceramsite fillers，in the preparation of the best ratio of different raw materials and the best preparation conditions were compared by literature．The improvement of the performance of modified volcanic rock fillers and the lack of research in this field were also discussed．It is pointed out that the use of modification treatment by traditional fillers and the new development of packing materials with industrial waste could achieve the goal of low cost and good performance．It would be the development direction of the field of immersion water treatment fillers.

immersion packing；ceramsite；volcanic rocks；preparation method

X52

A

1006-8945(2016)08-0043-03

水体污染控制与治理科技重大专项“城镇污水处理厂生物强化填料和载体及其配套装置产业化”课题(2012ZX07318-002)。

2016-08-02