污泥陶粒的制备及其对废水厌氧处理的影响

郭鹏瑶，高文皓，姚新见，吴锋，刘永亮

污泥陶粒的制备及其对废水厌氧处理的影响

郭鹏瑶1，高文皓1，姚新见1，吴锋2，刘永亮2

（1.沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳110159；2.重庆九升检测技术有限公司，重庆321000）

以污泥、黏土和粉煤灰为载体，适当添加无机钠盐和钙盐，手工造粒后，在一定条件下以烧结法制备陶粒，研究其对废水厌氧处理的影响。结果表明：陶粒Cu2+的释放量与Cu2+的负载量成正比；通过空白对照组与缓释Cu2+陶粒组对比发现，陶粒缓释Cu2+反应器对CODCr的去除率最高达到86.23%，远高出空白对照组的66.17%。陶粒缓释出适量Cu2+能够被微生物生长繁殖所吸收利用，且不会对水质产生负面影响。

陶粒；Cu2+；有机废水；厌氧处理

厌氧法[1]是一种处理废水中有机物含量较高时的重要方法，适当的微量元素可以参与并促进微生物的生命活动[2]。不难发现，Cu2+是各种酶的组成因子[3]，反应体系中通过加入微生物需要的适量Cu2+，可以加快微生物的生长繁殖速率，从而提高产气率和基质的降解率[4]，但当Cu2+含量太高时，又会对微生物日常的生长繁殖造成影响[5]。可以向水体中直接投加盐类给微生物提供微量元素，不过投加量太大时会对水体造成重金属离子的污染[6]。因此，本文研制了一种具有缓慢释放Cu2+功能的新型材料，为了让微生物容易附着聚集[7]，选择具有球形结构的陶粒作为材料的外形。陶粒能满足微生物日常生长对微量元素的需要，不造成水质的任何污染，还能弥补一般微量元素补给方法的不足。制作陶粒的时候，硅藻土[8]作为Cu2+的吸附剂添加到其中，研究陶粒材料对厌氧处理有机废水的影响。

1 实验部分

1.1仪器与药品

仪器：压力机（上海文远压力机有限公司）；DZX-6050电热鼓风干燥器（北京永光明医疗器械厂）；箱式电阻炉（北京永光明医疗器械厂）；HG-9602原子吸收分光光度计（沈阳华光精密仪器有限公司）；T6型紫外可见光分光光度计（北京普析通用仪器）；JJ224BC型电子分析天平（常州仪器厂）；HH-2水浴振荡器（昆山仪器厂）。

药品：硫酸银、氯化钙、浓硫酸、重铬酸钾、氯化铜、氯化钠、磷酸三钠、碳酸氢钠以及硫酸亚铁铵等为分析纯；粉煤灰、黏土、污泥与硅藻土等为化学纯。

1.2 陶粒的制备

陶粒原料总质量20 g，以不同配比称取污泥、黏土和粉煤灰，将原料反复搅拌使之均匀混合，缓慢加水并不停搅拌，混合原料呈潮湿状后立即停止。手工造粒成均匀的球状颗粒，粒径为4～6 mm为宜。将陶粒于温度100℃下放置烘干5～6 h，再置于箱式电阻炉中，煅烧后自然降温至室温方可取出。

1.3Cu2+的释放实验

向250 mL培养瓶中加入20 g负载Cu2+的有效含量（g）分别为0.06、0.12、0.18、0.24和0.32的陶粒，然后加水至200 mL刻度线，在保持室温20℃的条件下以60 r/min振荡，每天取出50 mL溶液分析Cu2+的质量浓度，以此确定陶粒Cu2+的缓释量。每次取出的溶液体积均用蒸馏水补齐。

1.4Cu2+的影响实验

在自制反应装置中加入100 mL较黏稠污泥，然后向反应装置内加入一定量的自制高浓度COD废水，各个自制反应装置均称取20 g陶粒放入其中，均匀混合后放入培养箱，以15℃为基础温度，每天升温1℃，持续20 d后使温度达到35℃，停止升温，连续培养至少5 d，每天均需要取样1次，以滴定法测定废水中CODCr的含量，计算其去除率；产生的气体通过盛装质量分数为15%NaOH溶液的洗气瓶洗气后剩余体积为甲烷产量；然后还要测定废水污泥浓度值（MLSS）、上清液和下层底泥中Cu2+的浓度等。

2 结果与讨论

2.1 陶粒对Cu2+的释放行为

为制得不同Cu2+含量的陶粒，制备过程中需要加入不同质量的铜盐。按照Cu2+释放试验方法，分别进行Cu2+有效含量（g）为0.2、0.5和1.0的陶粒释放对照试验，连续10 d测定废水中Cu2+的质量浓度，绘制Cu2+释放行为和规律曲线，如图1所示。

由图1可以看出，不同陶粒释放Cu2+的规律基本一致，由于Cu2+含量不同，释放量有一些差异，在第6 d时陶粒均进入稳定释放阶段。负载量最大的陶粒在第5 d时Cu2+的释放量突然迅速下降，主要原因是Cu2+对陶粒结构强度的影响非常大，当陶粒中Cu2+的含量达到1.0 g时，抗压强度由通常的57 kg/cm2下降至28 kg/cm2，释放孔道和陶粒间层较之前变大，第10 d时的平衡质量浓度测定值分别为0.215、0.364和0.581 mg/L。

2.2Cu2+浓度对废水厌氧处理的影响

按照1.4中Cu2+的影响实验方法，直接向1～5号自制厌氧废水处理装置中添加含Cu2+的溶液，使其Cu2+的质量浓度分别为0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 mg/L，设置空白对照组，考察Cu2+浓度对微生物的影响，实验结果见表1。

图1 不同Cu2+含量陶粒的释放研究曲线

表1 Cu2+浓度对微生物的影响

由表1可知，废水厌氧处理过程中，微量元素的添加量只是在一定范围内会对微生物的生长起到促进作用，提高污泥活性，提高CODCr的去除率，添加量过大时反而会对微生物生长起负作用。

2.3陶粒缓释Cu2+对废水厌氧处理的影响

按照1.4中的实验方法，在厌氧培养装置6～10号中分别加入20 g的陶粒，陶粒的Cu2+有效含量（g）分别为0.06、0.12、0.18、0.24和 0.32，并添加不含Cu2+的陶粒作为空白对照装置，考察陶粒缓释Cu2+对微生物的影响，实验结果见表2。

表2 陶粒缓释Cu2+对微生物的影响

由表2可以发现，空白对照组CODCr的去除率与表2中试验组基本持平；加入缓释陶粒的反应装置，7号和8号装置中的MLSS值明显变大，10号装置中的MLSS值稍稍低于空白对照组。结合各项指标数据，7号和8号装置释放的Cu2+质量浓度达到促进微生物生长的效果，10号装置中释放的Cu2+抑制了微生物生长。6～9号装置的陶粒缓释的Cu2+含量均对微生物的生长起到积极作用，其中7号装置最为突出，甲烷产量高出空白对照组24 mL，不过随着缓释Cu2+质量浓度的增大，10号装置的甲烷产量低于空白对照组，对微生物的生长起到了较大的抑制作用。

从表2中还可以发现，通过向废水中添加缓释陶粒，反应装置有机物的含量发生了明显的变化，其中7号装置的CODCr去除率最大，达到了86.23%，比空白对照组高出20.06%，比处理效果最差的10号装置高出21.61%。由此可以得出，废水厌氧处理过程中，陶粒缓释的Cu2+在一定范围内会对微生物生长起到促进作用，提高污泥活性，提高CODCr的去除率，缓释量过大时反而会对微生物生长起负作用。

3 结论

负载Cu2+的陶粒具有长时间内缓慢释放Cu2+的能力，Cu2+释放量与负载量成正比关系；当废水含适量Cu2+时可有效提高废水中有机物的去除率；添加缓释Cu2+的陶粒，能持续为微生物生长过程提供微量Cu2+；Cu2+缓释陶粒的CODCr最高去除率为86.23%，高出空白对照组20.06%；缓释陶粒释放的绝大部分Cu2+都能被微生物生长过程有效地吸收利用，不会对水质和污泥造成额外的污染。

[1]陈涛，陈薇薇，孙成勋,等.硫酸盐还原菌厌氧生物法处理脱硫废水研究[J].中国农村水利水电，2014（6）:66-69,76.

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10．13752／j．issn．1007－2217．2016．04．010

2016-06-06

国家自然科学基金青年项目（21207093）；辽宁省高等学校优秀人才支持计划（LJQ2014023）