（环境工程专业论文）高炉水渣颗粒填料的制备及其在啤酒废水处理中的应用.pdf

j 尔人乍硕t ：。学仲论文 n 0 2 。一n 及n 0 3 - n 浓度点现增加趋势，而n h 4 + - n 、t n 浓度呈现降低的趋势， n h 4 + n 的减少jn 0 2 - n 及n 0 3 。n 的增加表现出一一定的十h 荚性，最后趋向平衡。 存对停运后曝气，i 三物滤池恢复研究后发现：反应器停运7 d 后蕈启在3 d 内可恢复正常，c o d 和n h 4 * - n 的去除率达到停运丽水平。 在对曝7 t 生物滤池降解动力学研究后发现：b a f 反应器l jc o d 的去除速 度对c o d 浓度为一级反应，本实验中曝气生物滤池处理啤酒废水动力学方程为 rr 1 8 8 6 8 s ， u 一o 5 6 4 3 + s 。 关键词：高炉水渣；颗粒填料：曝气生物滤池；啤酒废水：同步硝化反硝化 山尔人学硕k 学伊论文 a b s t r a c t i nt h i se x p e r i m e n t ，b l a s tf u m a c es l a gw a su s e da sm a i nm e d i a , c e m e n ta n d8 0 1 g l u ew a su s e da st h em u c o s i t yt om a k eg r a n u l em e d i a , t h e nb e e rw a s t e w a t e rw a s t r e a t e db yb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) w t ht h i sg r a n u l em e d i a f i v ef a c t o r s c e m e n td o s a g e s ，8 0 1g l u ed o s a g e s ，b l a s tf u m a c es l a gd o s a g e s ， m a i n t a i n i n gt i m e sw i t hw a t e r ，m a i n t a i n i n gt i m e ，w e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t ，a n d t h eb e s tc o n d i t i o nw e r ec e m e n td o s a g e s1 0 ，b l a s tf u r n a c es l a gd o s a g e s7 0 0 9 8 0 1 g l u ed o s a g e6 m a i n t a i n i n gt i m e sw i t hw a t e r6t i m e sp e rd a y , m a i n t a i n i n gt i m e3 d a y s t h es e ms h o w e dt h a tt h es u r f a c eo ff i l t e rm e d i aw a sr o u g ht h eg a pw a sm o r e ， s p e c i f i cs u r f a c ea r e aw a s4 0 5 0 儋，a v e r a g ec o m p r e s s i o ns t r e n g t hw a s5 8 m p aa n dn oh e a v ym e t a lw a sf o u n d b a fw a sd e s i g n e da n du s e dt ot r e a tb e e rw a s t e w a t e ri n t h i se x p e r i m e m ，t h e r e s u l t sa r el i s t e da sf o i l o w e d ： t os t a r t - u pt h eb a fb yan e wf o r m i n gb i o f i l mm e t h o d ，c o dr e m o v a lr a t i o r e a c h e da n dm a i n t a i n e d8 0 a tt h e6 t f td a y , n h 4 + - nr e m o v a lr e a c h e da n dm a i n t a i n e d 9 0 0a t t h ei 10 d a y t h er e s u l to f c h a r a c t e r i s t i co f b a c k w a s h i n gs h o w e dt h a tc o dr e m o v a lr a t i ow a s u pt o8 0 1d a ya f t e rb a c k w a s h i n g , c o dr e m o v a lr e a c h e dt h el e v e lb e f o r e b a c k w a s h i n g2 d a ya f t e rb a c k w a s h i n g ，n i - h + nr e m o v a lr e a c h e dt h el e v a lb e f o r e b a c k w a s h i n gl d a ya f t e rb a c k w a s h i n g t h er e s u l to fc o n t a m i n a t i o nw i p e do f fo r d e r l i n e s so fb a fa td i f f e r e n th r t s h o w e dt h a tc o da n dn h 4 + - nr e m o v a lw e r el o w e rw h e nh r tw a ss h o r t e rb u t g a s - w a t e rr a t i o sw a s f i x e d n e s s t h er e s u l to fc o n t a m i n a t i o nw i p e do f fo r d e r l i n e s so fb a fa td i f f e r e n tg a s w a t e r r a t i o ss h o w e dt h a tc o da n dn h a + - nr e m o v a lw a sl o w e rw h e ng a s - w a t e rr a t i ow a s s m a l l e rb u th r tw a sf i x e d n e s s t h er e s u l to fc o n t a m i n a t i o nw i p e do f fo r d e r l i n e s so fb a fa td i f f e r e n tm e d i a h e i g h ts h o w e dt h a tc o d r e m o v a li n c r e a s e df a s tu n d e rt h e10 0 c mh e i g h ta n dr e a c h e d 尔人学硕卜学化论文 8 0 a t1 0 0 c mh e i g h tb u ti n c r e a s e ds l o wa t1 0 0 c m 一1 5 0 c ms q u a r e ，n h , + - nr e m o v a l w a so n l y3 3 6 u n d e rt h e1 0 0 c mh e i 曲ta n di n c r e a s e dt o9 0 6 a t1 0 0 c m - - 1 5 0 c m s q u a r e t h er e s u l to fs n do fb a fs h o w e dt h a tw i t ht h ei n f l u e n tn 0 2 - na n dn o l 3 - n i n c r e a s e db u tn h 4 + - na n dt nf e l l ，t h ed e c r e m e n to f n h 4 + nh a dc e r t a i nc o n n e c t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo f n o z - na n dn 0 3 。- h i a n dt e n tt ob a l a n c ea tl a s l t h er e s u l to fr e s t a r to fb a fa f t e rs t o ps h o w e dt h a ta f t e r1w e e ko fs t o p ，b a f c o u l dt u r n e dt on o r m a la f t e r3d a y s ，c o da n dn h 4 + - nr e m o v a lc a r tr e a c ht h e s t a n d a r db e f o r eb a fs t o p t h er e s u l to fd e g r a d a t i o nk i n e t i c so fb a fa f t e rs t o ps h o w e dt h a tc o dr e m o v a l t oc o dc o n c e n t r a t i o nw a sf i r s t - o r d e rr e a c t i o n t h ek i n e t i c se q u a t i o no fb e e r 一一r t r e a t m e n t 酚阱一踟芸慧 。 5 6 4 3 + s k e yw o r d s ：b l a s tf u m a c es l a g ，g r a n u l em e d i a ，b a f , b e e rw a s t e w a t e r , s i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i t i c a t i o n ( s n d ) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在本文中以明确方式标明本声 明的法律责任由本人承担 论文作者签名：逸妞锑日期：竺q ，。 j 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或其他手段保存 论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：蝉名匀一i 山尔人学硕仁学位论文 第一章前言 1 1 啤酒废水产生及处理现状 1 1 1 啤酒废水产生现状 随着人民尘活水平的不断提高，我国的啤酒工业迅速发展，啤酒产量较过去 有了大幅度提高，中国已经成为啤酒匕产和消费大国，2 0 0 6 年啤酒生产薰达3 5 1 5 亿升，比2 0 0 5 年增长1 4 7 ，居世界第一。 啤酒生产是耗水量较大的行业，一般国内每生产l t 啤酒约耗水8 4 0 t 左右。 产生废水7 3 5 t 左右。在啤酒生产的整个工艺中，几乎每个工段都有以废水为主 的废弃物排出，主要包括以下几种： ( 1 ) 冷卸水，约占废水总量的7 0 ；( 2 ) 酿 造涮沈废水，约占废水总量的5 6 ； ( 3 ) 沈瓶“冲洗”杀菌水，约占废水总 量的2 0 川。啤酒废水富含有机物和一定浓度的悬浮颗粒固体，其中c o d 浓度高 达1 0 0 0 2 5 0 0 m g l ，b o d s 为7 0 0 1 5 0 0 m g l ，s s 达到3 0 0 6 0 0 m l 【引。 1 1 2 啤酒废水处理现状 啤酒废水的特点是水量大，可生化性较好，属中等浓度有机废水，目前国 内对啤酒废水的处理主要采用厌氧、好氧处理工艺【3 1 。 1 ) 厌氧处理工艺 根据活性污泥的性状及其存在方式，可将厌氧反应器分为3 大类：固定膜 反应器，悬浮颗粒厌氧反应器、复合式厌氧反应器。 固定膜反应器是采用固定化技术将微生物固定在反应器的载体上、在载体表 面形成固定生物膜，当废水流过固定物膜时，膜e 的微生物将有机质分解达到 净化目的的一种反应器，目前固定膜反应器：t 要包括；厌氧滤池、厌氰流化床， 厌氧附着膜膨胀床等l 。 悬浮颗粒厌氧反应器t 要包括 二流式厌氧颗粒污泥床反虑器、厌氧膨胀颗粒 污泥床、内循环反应器等；复合式厌氧反应器e 要包括升流厌氧污泥床一滤层反 应器、厌氧浮动乍物膜反应器等1 6 。 。 山尔人学硕 ：学能论文 2 ) 好氧处理：i ：岂 e l 前在啤洒废水处理t 一的好氧处理方法主要包括活性污泥法和q 三物膜法。 活性污泥法足在订机废水巾进行充氧曝气，将其中有机溶解物、胶体及浮 游7 l 物，通过微生物的作j 千j 进行吸附，氧化、固化，最终变成易沉淀的污泥， 从水中分离出来的方法，活性污泥法又分为普通活性污泥法、序批式活性污泥 法( s b r ) ，循环式活性污泥法( c a s s ) 等。 生物膜法足使微，i 二物群体附着于其他物体褒面j ：呈膜状，并让它和废水接 触使废水净化的方法，利用生物膜净化废水的方法有生物滤池、塔滤、生物转 盘、生物接触氧化法等，其中义以生物接触氧化法最为普遍。 在这些啤酒废水处理方法中，尘物接触氧化法占有非常重要的地位，而曝 气生物滤池又是热门的研究方+ 向。 1 2 曝气生物滤池简介 1 2 1 曝气生物滤池产生及应用 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r 简称b a f ) ，是2 0 世纪8 0 年代未9 0 年 代初在传统的生物滤池、高负荷人工通风滤池尤其是生物接触氧化工艺的基础 上，引入饮用水处理中的过滤工艺而发展成的一种高负荷、高效q 三物处理工艺。 世界上首座曝气生物滤池于1 9 8 1 年在法国投产，随后在欧洲各固得到广泛应 用埔j ，目前全球范围内以曝气生物滤池为主要工艺的污水处理厂已有1 0 0 座以上， 主要分布在欧美地区，目前比较常用作为深度处理以及回用水处理_ i 艺一。o 】，也 被广泛应用于生活污水、1 ：业废水、屠宰废水、猪粪废水、水果罐头、鱼肉制品、 酿造和造纸等废水处理中l 。l ，同时还应用于微污染水源水的给水处理中f 埘。 在我国，大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采用曝气，k 物滤池工艺的城 市污水处理厂，在北京等城市也钶b a f 工程已经完成，该工艺在我国正呈现良好 的麻用丽景。 1 2 2 曝气生物滤池工作原理 曝气生物滤池足集中了活性污；i j i 三法、生物接触氧化法和乍物滤池二= 三种工艺的 山尔人学硕十学何论文 优点而建立起来的种新型处理工艺。曝气生物滤池通常由粒状的填料床组成。 曝气装置安装在填料床承托层或靠近它的地方，流过反应器的污水既可以足上向 流也可以是下向流，污水中的底物和充足的氧气使填料表面附着生物膜。曝气生 物滤池与传统的7 e 物处理工艺相比具有占地小，方便灵活，受气温影响小、菌群 结构合理、耐冲击能力强、操作管理简单、出水稳定等特点【2 m 3 i 。 曝气生物滤池处理污水的原理是反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化 分解作用，填料及尘物膜的吸附阻留作用、沿水流方向形成的食物链分级捕食作 用以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。 由流向和填料密度的差异而丌发的曝气生物滤池目前有b i o c a r b o n e 、 b i o f o r 、b i o s t y r 等【2 9 - 3 4 1 。 ( 1 ) b i o c a r b o n e 工艺 b i o c a r b o n e 工艺废水从滤池顶部进入，在滤池底部进行曝气。反应器 中有机物被微生物氧化分解，n h 4 + - n 被氧化成n 0 3 - n ，另外由于在生物膜的 内部存在厌氧，兼氧环境，在硝化的同时实现部分反硝化。该工艺大量截留的s s 集中在表层几十厘米范围，在该范围水头损失占了整个滤池的绝大部分，导致 下层填料的纳污量还很小的时候不得不进行反冲，致使整个滤池有机负荷低， 占地面积大，运行费用较高。 ( 2 ) b i o f o r 工艺 b i o f o r 工艺的填料比重也大于水，采用下部进水，气水同向，可以使白 气布水均匀i 1 ，并保证下层截留的s s 在气流的带动下到达上层，提高了滤池 的有机负荷，减少了反冲洗费用。 ( 3 ) b l o s t y r 工艺 该工艺同b i o f o r 工艺一样采用下部进水，气水同向，但是该工艺的填料 比重小于水，并且反冲洗时采用下向水流，这主要是山于运行时在上升水流的 作用下，填料处于压实状念，采用下向流冲洗，便于将填料冲成蓬松状态，提 高反冲效率。 1 2 3 曝气生物滤池的工艺特点 现代曝气生物滤池是在传统的生物滤池、高负荷人工通风滤池尤其是生物接 山尔人学硕 学位论文 触氧化工艺的基础上，引入饮用水处理中的过滤：亡艺而发展成的一种高负荷、高 效生物处理工艺，它其有很多优点： ( 1 ) 采用气水f 行，使气、水进行极好的均分，防止气泡在滤层中的凝结， 氧气利用率高，能耗低； ( 2 ) 可以更好的避免沟流或短流； ( 3 ) 具有较高的工艺稳定性和有效性。 除了这些自身的优点之外，曝气，七物滤池与其他尘物处理方式相比还具有很 多优点1 3 6 4 0 l ： ( 1 ) 较小的池容和占地面积：曝气生物滤池的容积负荷可以达到5 6 k g b o d s ( m 3 d ) ，是常规活性污泥法或接触氧化法的6 1 2 倍，其池容和占地面积 只有活性污泥法或接触氧化法的1 1 0 左右，占地面积和土建费用大大节省。 ( 2 ) 高质量的处理出水：出水s s 和b o 胁可保持在l o m g ，l 以下，c o d a - 保 持在6 0 m g l 以下，低于国家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级标准， 达到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 一缓标准的b 标准。 ( 3 ) 简化处理流程：由于曝气生物滤池出水中的活性污泥很少，不需设置二 沉池和污泥回流泵房，处理流程简化，使占地面积迸一步减少。 ( 4 ) 基建费用、运转费用节省：该技术流程短、池容小和占地省，基建费 用较常规二级生物处理大大降低，同时，粒状填料使得充氧效率提高，可有效节 省能耗。 ( 5 ) 管理简单：曝气生物滤池抗冲击负荷能力很强，没有污泥膨胀问题， 微生物也不会流失，池内保持较高的微生物浓度，只常运行管理简单，处理效果 稳定。 ( 6 ) 设施可问断运行：出于大量的微生物生长在糨糙多孔的粒状填料内部 和表面，微生物流失较少，即使一段时白】停止运转也能保持其菌种活性，重新启 动后，可在短时闻内恢复萨常运行。 1 3 曝气生物滤池填科 填科是曝气生物滤池中微生物的载体，是微生物栖息繁殖的场所，同时在运 行过程中又起着截留悬浮物质的作用，填科是曝气生物滤池的核心，直接影响着 山东大学硕士学位论文 曝气生物滤池的运行效能，同时，填料在曝气生物滤池的建设投资中占有相当大 的比重，填料价格可关系到曝气生物滤池技术的经济合理性。 从填料的物理特性、生物化学特性、水力学特性及经济性能方面来说，填料 应具备以下基本要求： 1 ) 物理特性 曝气生物滤池填料的主要物理特性包括外观形状、多孔性、机械强度和密度。 ( 1 ) 外观形状：曝气生物滤池填料一般要求具有较规则的形状。以球形为 最佳；填料表面必须粗糙，以利于挂膜，同时在反冲洗时可以减少生物膜的脱落 程度。 ( 2 ) 多孔性：曝气生物滤池填料表面的多孔性为菌胶团提供较好的生长条 件 ( 3 ) 机械强度：曝气生物滤池填料必须满足不同强度水力剪切作用及填料 之间摩擦碰撞过程中破损率低的机械强度要求，保证填料层达到一定高度1 4 。 ( 4 ) 密度：曝气生物滤池填料密度需在一定范围之内，太大造成填料悬浮 困难使反冲洗能耗增加，太小又容易引起跑料。 2 ) 生物化学特性 ( 1 ) 生物稳定性：曝气生物滤池填料必须具有较好的生物化学稳定性、抗 腐蚀性强、具有惰性、不参与生物膜的生物化学反应、本身不易被生物降解。 c 2 ) 化学稳定性：曝气生物滤池填料必须对环境中所发生的化学反应表现 出最大的惰性，并能有效抵抗环境的化学腐蚀能力。 ( 3 ) 表面电性和亲水性：微生物一般带有负电荷，且亲水，曝气生物滤池 填料表面带有正电荷从而有利于微生物固定生长载体表面的亲水性同样有利于 微生物的附着，使附着的生物膜数量尽可能的多。 ( 4 ) 对生物膜活性的影响：曝气生物滤池填料必须对所固定的微生物无害， 无抑制性作用，不影响微生物的活性。 3 ) 水力学特性【4 2 1 ( 1 ) 孔隙率：孔隙率越高，曝气生物滤池阻力越小，同时需要填料也越少， 造价降低也越多；孔隙率过高，会造成填料比表面积较小、粒径较大，影响单位 体积填料的生物膜量。 山尔人学硕十学位论文 ( 2 ) 比表面积：曝气生物滤池填料比表面积大，对溶解性底物和悬浮物质 的去除效果也就越好，比表面积过大会造成水流阻力增加能耗增加并且曝气生 物滤池易堵塞。 4 ) 填料经济性 在工程设计中选择填料，必须在填料的性能及价格闻做最优化的选择，设计 时做到在满足设计要求和不影响出水水质的d f 提下，选用价格相对低廉的填料。 1 4 高炉水渣简介 1 4 1 高炉水渣的产生过程 高炉水渣是炼铁过程中产生的，当它浮在铁水层上面并以高温熔融状态流 出时，水淬急冷而成的一种粒化废渣，俗称“水渣”。高炉水渣主要成分见表 l - 1 。 表i - i 高炉水渣主要成分 目i i 在炉渣处理过程中产生水渣方法有很多，主要包括以下几种方法 4 3 - 4 6 1 。 幽卜1 高炉水渣产生方法 1 ) 0 c p 滤法 o c p 滤法也称底滤法，是目前国内采用最多的炉渣处理疗法，其工艺流程为： 高炉炉渣在冲制箱内山多孔喷头喷射的高压水进行水淬后，水淬渣流经粒化槽进 入沉渣池，沉渣池中水渣由抓斗抓出堆放至干淹场继续脱水，沉渣池内的水及悬 6 山尔人学硕十中佛论文 浮物由分配渠流入过滤池，过滤池内铺设砾石过滤层，并设型钢保护，过滤后的 冲渣水，经集水管由泵加压后送入冷却塔冷却后重复使用。 2 ) i n b a 法 i n b a 法也称因巴法，为卢森堡p w 公司与比利时西德玛( s i d m a r ) 公司共 同丌发的炉渣处理工艺( 办称回转筒过滤法) ，1 9 8 1 年在西德玛公司投入运用。 该法工艺流程为：与铁水分离后的炉渣，经渣沟进入炉渣粒化区，吹制箱内的高 速水流使其水淬粒化冷却，经水渣槽迸一步粒化和缓冲之后，流入转鼓内的水渣 分配器，被均匀分配到转鼓过滤器中，在转鼓下半周溶去部分水后，被叶片副带， 随简边旋转自然脱水，转至转鼓上半周处时，渣落至伸入鼓内的皮带之上，经此 皮带和分配皮带送至成品槽贮存，装车外运。 3 ) m g 法 m g 法即马钢法，系马钢在i n b a 法的基础上，根据生产实际情况自行改进 的炉渣处理工艺，该法在马钢新l 号高炉上取代i n b a 法使用后，有效解决了原水 渣设备故障多、严重影响正常生产的状况，取得了良好的效果，其工艺流程为： 高炉炉渣在冲制箱内由冲渣泵提供的高速水流急冷冲成水渣并粒化，粒化后的渣 水混合物经分配器进入转鼓过滤器进行渣水分离，水渣由转鼓筒内皮带运到成品 仓，承和细渣则透过滤网进入沉淀池进行沉淀，上部水经溢流管迸热水池忍作冲 渣，沉淀池内的细渣直接由抓斗外运。 4 ) r a s a 法 r a s a 法即拉萨法，为英国r a s a 公司与只本钢管公司共同开发的炉渣处理 工艺，1 9 6 7 年首次在r 本福山钢铁厂1 号高炉上使用该法处理高炉炉渣。其工艺 流程为：高炉炉渣经吹制箱吹制成水渣，进入桐粒分离槽，沉降到底部的渣水混 合物经水渣泵、管道输送至脱水槽脱水，脱水后的渣由卡车运走，水流进沉降槽， 粗粒经分离槽溢流到中继槽，含渣水经中继泵送到沉降槽，底部由捧泥泵将渣送 到脱水槽脱水，沉降槽的水溢流到温水槽，经冷却泵送到冷却塔冷却后进入给水 稽，给永槽的永出给水泵送到砍制箱欧渣。 5 ) m t c 法 m t c 法为首钢与北京明特克冶会炉技术有限公司联合研制开发的炉渣处理 工艺，整套系统于2 0 0 2 年7 月在首钢3 号高炉上投入运行。该法核心设备是由一台 j 】j 尔人学硕十学 i 7 ：论文 特殊设计和制造的螺旋输送机和一台过滤器组成，螺旋输送机呈2 0 倾角安装在 水渣池内。随着螺旋输送机的转动，其螺旋叶片将水渣池底部的水渣向上输送， 水则靠重力和渣的翻动挤压两重作用向下回流，从而达到渣水分离和脱水的目的， 水渣经脱水离丌螺旋输送机的u 型槽后，通过皮带系统输送至水渣堆场，冲渣水 进入过滤器过滤成于净水后，进入水循环系统循环使用。 1 4 2 高炉水渣应用现状 1 ) 生产建材 ( 1 ) 生产水泥 高炉水渣经水淬急冷，来不及形成矿物结晶而把其中的化学能储存于形成 的玻璃体中。具有较高的潜在活性，当磨细以后，在水泥熟料矿物的水化产物、 石灰、石鹰等激发剂作用下，它与水作用可生成水化硅酸舷等水化产物。 近年来，将高炉水渣应用于硫铝酸盐水泥，可以改善硫铝酸赫水泥的某些 性能。硫铝酸盐水泥以其早强、高强、高抗渗、高耐久等优点在工程中应用较 为广泛，但是随之其强度易降低的缺点也暴露出来，张巨松掣4 7 1 研究了矿渣硫 铝酸靛复合水泥，有效改善了这一缺点。 ( 2 ) 水渣微粉用于混凝土 矿渣微粉是将高炉水渣磨细至一定细度的粉体材料，用于水泥的混合材料和 混凝土的掺合料。高炉水渣微粉作为混凝土的掺合料，不仅能取代等量的水泥， 具有良好的经济效益，而且能显著提高混凝土的技术性能，是国际公认的生产高 性能混凝土的主要组分之一。吴中伟等 4 s l 论述了矿渣微粉提高混凝土的坍落度的 原因，主要是出于矿渣微粉的存在延缓了水泥水化初期水化产物的相互搭接，同 时矿物含量的相对降低而与减水剂有更好的相容性，达到一定细度的矿渣也有一 定的减水性。袁玲等 4 9 1 对矿渣微粉掺合料对混凝土抗冻性能的影响进行了研究， 结果表明在矿渣微粉掺量为3 0 4 0 时混凝土强度和抗冻性能最好。 由于矿渣微粉作为混凝土的掺合料有良好的技术效益和经济效益，近年来， 我国一些大城市的建筑工程应用矿渣微粉混凝土已经逐步展丌，发展l ；i 景良好 2 ) 生产硅肥例 硅肥是一种以含氧化硅( s i 0 2 ) 和氧化钙( c a o ) 为主的矿物质肥料，它是水稻等 s 山尔人学硕十学位论文 农作物生长不可缺少的营养元素之一。硅肥现被国际土壤学界确认为继氮( n ) 、 磷( p ) 、钾( k ) 之后第四大元素肥料。生产硅肥的。e 要原材料为高炉水渣。 硅肥的加工过程为：把水渣磨细，细度为8 0 目1 0 0 目：添入适量硅元素活化 剂，搅拌混合后装袋( 或搅拌混合造往后装袋) ，硅肥的工业化生产比较简单。 3 ) 生产微晶玻璃1 5 i l 微晶玻璃是近几十年发展起来的种用途很广的新型无机材料。高炉水渣微 晶玻璃产品，比高碳钢硬，比铝轻，其机械性能比普通玻璃好，耐磨性不亚于铸 石，热稳定性好，电绝缘性能与高频瓷接近，矿渣微晶玻璃用于冶金、化工、煤 炭、机械等工业部门的各种容器设备的防腐层和会属表面的耐磨层以及制造管材 等，使用效果很好。 1 5 课题实验研究 1 5 1 研究意义 1 ) 理论意义 ( 1 ) 制作高炉水渣颗粒填科的最佳工艺参数研究 作为b a f 的核心，填料的好坏直接影响着曝气生物滤池的运行，努的填料 应该具有比表面积大，比重小，吸水率高的特点。本课题通过对高炉水渣颗粒 填料制作的不同条件的实验研究，探索出最佳的高炉水渣颗粒填料制作工艺参 数。 ( 2 ) 曝气生物滤池处理啤酒废水的运行工艺参数研究 利用曝气生物滤池进行啤酒废水处理实验，结合其对污染物的去除效果分 析，探索出经济可行的曝气生物滤池启动和运行工艺参数。 2 ) 实践意义 ( 1 ) 为高炉水渣资源化提供了一条新的途径 我国目前渣场积存的高炉渣已超过l 亿吨，冶会企业每年山于弃渣耗用的资 金就高达上千力元，利用高炉水渣制备颗粒填料能够做到废物资源化，是一 种经济实用的方法。 ( 2 ) 为b a f 的应用提供工艺基础数据 山尔人学硕卜学位论文 通过对b a f 的启动、运行研究，总结b a f 的启动、运行参数，为b a f 的 工程应用提供工艺基础数锯。 1 5 2 研究内容 本课题的主要研究内容如下： 1 ) 利用高炉水渣制作颗粒填料，探索制作高炉水渣颗粒填料的最佳工艺参 数。分析填料成分并测试填料性能。 2 ) 研究商炉水渣颡粒填科曝气生物滤池的挂膜方法，探索出经济可行的挂 膜方法。 3 ) 研究不同气水比、停留时问、填料高度条件下c o d 、n h 4 + - n 的去除规 律并分析其机理； 4 ) 研究曝气生物滤池同步鹚化反磷化特性以及停运后曝气生物滤池的恢复 性能； 5 ) 研究曝气生物滤池污染物去除降解动力学 1 0 山尔人学硕十学伊论文 第二章高炉水渣颗粒填料的研制 2 1 实验设备、材料和制作流程 2 1 1 实验设备材科 高炉水渣颗粒填料制备所需实验设备及材料为： 高炉水渣：取自济南某钢铁厂： 4 2 5 水泥：购自建材市场： 8 0 1 胶：购自建材市场； 标准筛：国家统一标准筛，不锈钢网，2 0 目： 比表面积测定；o m n i s o r p l o o c x 自动气体吸附仪； 球磨机：s q b 型球磨机； 抗压强度测定：c m t 系列微机控制电子万能试验机，加载速度为 0 5 r a m m i r a x 射线衍射仪( x i ) ：f 1 本理学电机株式会社d m a x r ax 射线衍射仪； 扫描电镜：f e iq u a n t a 2 0 0 扫描电子显微镜： 元素测定：英国牛津公司i n c a x s i g h tx 射线能谱仪。 2 1 2 制作流程 高炉水渣颗粒填料制作工艺流程见图2 1 。 图2 - l 高炉水渣颗粒填料制作i ：艺流穰图 山东大学硕士学位论文 2 2 高炉水渣颗粒填料制作研究 2 2 i 高炉水渣颗粒填料的制作 1 ) 制备步骤 ( 1 ) 预处理：高炉水渣取回后，用水冲洗。除去大块杂物( 主要是废铁块) ， 然后风干，风干后采用球磨机进行破碎，用2 0 目的标准筛筛分后备用 ( 2 ) 成球实验；采用正交实验确定成球条件，由于水泥有良好的粘结作用， 8 0 1 胶能增加水泥的粘度和强度，因此选取水泥的用量、高炉水渣用量、8 0 1 胶 用量、洒水养护次数、养护时间五个因素。 各因素取4 个水平进行实验，具体因素水平情况见表2 - i 。 表2 - 1 正交实验因素水平表 选取密度、吸水率和水冲刷损失率作为评价指标，良好的颗粒填料应该具 备低密度、高强度的特点，采用1 0 0 ( 密度水冲刷损失率c o 2 m p a 压力下) ) 作为综合指标考察填料性质。正交实验表以及结果统计表见表2 - 2 表2 - 2 正交实验及结果统计表 山东人学硕十学 i ) ! 论文 7234l22 4 4 2 1 l1 9 4 2 82432l2 5 51 s 5 2 1 2 0 9 3i 3422 3 63 3 3 1 2 7 2 1 0 324 312 4 02 8 7 1 4 5 2 1 l33i24 2 6 02 2 51 7 0 9 1 23421 32 6 22 2 32 0 0 9 1 34i4 232 3 03 8 61 1 2 6 1 4423l4 2 6 33 4 31 1 0 8 1 543 24l 2 7 01 6 52 2 4 5 1 644 l322 7 21 6 2 2 9 8 局 6 9 3 64 6 9 46 6 1 36 1 4 6 6 9 0 4 j 髟 6 7 95 4 4 26 8 2 66 3 1 8 6 8 7 5 k j 6 4 4 27 9 8 87 0 5 16 7 4 6 6 7 4 6 局6 7 7 78 8 2 l6 9 1 47 4 36 4 2 k 1 7 3 4ii 7 41 6 5 31 5 3 71 7 2 6 k 21 6 9 81 3 6 l1 7 0 61 5 8 01 7 1 9 k ， 1 6 1i 1 9 9 71 7 6 31 6 8 71 6 8 7 1 6 9 42 2 0 51 7 2 91 8 5 8 1 6 0 5 r i 2 31 0 3 l1 13 2 l1 2 l 2 ) 结果与讨论 对上述数据进行处理，将同样水泥用量、养护时间、8 0 1 胶用量、洒水养 护次数下各指标数据取平均值，然后进行汇总作图，得到图2 - 2 a 2 2 d 。 幽2 - 2 a 养护时问对综合指数影响幽翻2 - 2 b 水泥川越对综合指数影响幽 山东大学硕十学位论文 图2 - 2 e8 0 1 胶用量对综合指数影响图图2 - 2 d 洒水次数对综合指数影响图 通过图2 2 a 图2 - 2 d 及表2 - 2 可以看出以1 0 0 ( 密度水冲刷损失率) 作 为考核指标时，最佳实验条件为a i b i c 3 d 4 e l 。 根据级差r 的大小，实验中五个因素对产品考核指标的影响顺序为：水泥 用t 8 0 1 胶用量 养护时间 洒水养护次数 水渣用量，其中水泥用量和8 0 1 胶 用量影响特别显著，本实验对水泥用量和8 0 1 胶用量对填料性能的影响进行进 一步的探讨 保持配方养护时间3 d ，洒水养护次数6 次d ，高炉水渣用量7 0 0 9 ，8 0 1 胶 用量4 ，水泥用量添加量从4 2 0 进行成球实验，以水泥用量为自变量， 高炉水渣颗粒填料性能指标为因变量对所得结果进行一元回归分析，一元回归 分析图见图2 3 a 图2 3 b 。 图2 - 3 a 水泥用量对填料密度的影响图2 - 3 b 水泥对填料水冲刷损失率的影响 通过图2 3 a 图2 - 3 b 可以看出： ( 1 ) 高炉水渣颗粒填料密度随水泥用量的升高而增大，水泥用量同高炉水渣 颗粒填料密度呈一元线性相关。相关系数0 9 7 6 9 ，线性关系显著。 ( 2 ) 高炉水渣颗粒填料的水冲刷损失率随水泥用量的升高而降低继而又升 1 4 山东大学硕士学位论文 高，呈一元二次函数关系，相关指数0 9 7 0 9 ，回归方程拟合良好。 水泥在实验中起到的作用是粘结剂，随着水泥用量的增大，高炉水渣颗粒填 料的密度也随之增大，主要是因为水泥用量决定了高炉水渣颗粒填料的强度，水 泥用量越大，填科强度越高，造成填料密实度增加，密度增加，水冲届0 损失率降 低。考虑到水泥用量的增大会增加制作成本，通过后续测试，在水泥用量1 0 时 填料性能已经达到要求，本实验采用水泥用量为1 0 保持配方养护时间3 d ，洒水养护次数6 次d ，高炉水渣用量7 0 0 9 ，水泥 用量1 0 ，8 0 1 胶添加量从4 2 0 进行成球实验，以8 0 1 胶用量为自变量， 高炉水渣颗粒填料性能指标为因变量对所得结果进行一元回归分析，元回归 分析图见图2 4 a 图2 - 4 b 。 图2 - 4 a8 0 1 胶对填料密度的影响圈2 - 4 b8 0 1 胶对填料水冲刷损失率的影响 通过图2 4 a 图2 - 4 b 可以看出： ( 1 ) 高炉水渣颗粒填料密度随8 0 1 胶用量的先升高后减小，呈一元二次函数相 关，相关系数0 9 0 2 ，回归方程拟合良好。 ( 2 ) 高炉水渣颗粒填料的水冲刷损失率随8 0 1 胶用量的升高而降低。呈一元二 次函数，相关指数0 8 7 5 5 8 0 1 胶在实验中起到的作用是助粘结剂，在8 0 1 胶用量0 1 0 范围内随着8 0 1 胶用量的增大，高炉水渣颗粒填料的密度先增大后降低，当8 0 1 胶用量小于舒6 时， 8 0 1 胶能够和水泥发挥最大的粘结作用，当8 0 1 胶用量大于6 时，8 0 1 胶相对于水 泥过量，有部分8 0 1 胶剩余，影响了填料的密度，由于其粘结作用的存在，对水 冲刷损失率的影响一直是其用垂越大，水冲刷损失越低。采用8 0 1 胶用量为觎。 通过上述实验，得出制各高炉水渣颗粒填料的最佳工艺参数为：水泥用量 山尔人学硕十学位论文 1 0 、高炉水渣用量7 0 0 9 ，8 0 1 胶用量6 、养护时间3 d ，洒水养护次数为6 次，d 。 2 2 2 高炉水渣颗粒填料性能测试 确定水泥用量1 0 、8 0 1 胶用量6 、养护时间3 d 、洒水养护次数6 次，d 后，进行高炉水渣颗粒填料生产，尺寸为直径3 - - 6 r a m ，生产完毕后。对其进行 性能测试。 1 ) 成分测定 采用英国牛津公司i n c a x - s i g h tx 射线能谱仪测定填料各元素含量，测定 结果见表2 3 。 表2 - 3 高炉水渣颗粒填料备元素含培 通过表2 - 3 可以看出，由于高炉水渣颗粒填科中s i 、a l 、c a 、f e 等元素均 是以氧化物或哉的形式存在，高炉水渣颗粒填料中含量最多的元素为氧，质量 百分比为5 1 7 5 ，其次为c a 和s i ，含量分别为2 3 8 6 和1 9 6 2 ，f e 、m g 、 a i 的含量相对较少，仅为o 8 5 、1 3 1 、和2 2 8 。 2 ) 性能测试 对高炉水渣颗粒填料进行比表面积测试、抗压强度测试、表面扫描电镜观 察、x r d 测定。 ( 1 ) 通过对高炉水渣颗粒填料进行比表面积和抗压强度测定，测得高炉水 渣颗粒填料平均比表面积为4 0 - 5 o m 2 ，g ，平均抗压强度为5 s m p a 。 ( 2 ) 颗粒表面测试 通过对填料扫描( 见图2 - 5 a 图2 - 5 d ) 观察发现填料表面粗糙，且孔隙较 多。说明该填料表面积较大，适合微生物的吸附和生存 山东人学硕+ 学伊论文 酗2 - 5 a6 0 倍填料表面电镜扫描图幽2 5 b2 0 0 倍填料表面电镜扫描图 幽2 5 c1 0 0 倍填料表面电镜扫描酗图2 5 d2 0 0 0 倍填料表面电镜扫描图 ( 3 ) x r d 测定 对高炉水渣颗粒填料进行x r d 测定，x r d 图见图2 6 。 茹， 主i illf 舞 搿； ； 删 2 - t h e t a ( 。 幽2 - 6 高炉水渣颗粒填料x r d 图 山尔人中硕十学位论文 通过图2 - 6 可以看出：商炉水渣颗粒填料的衍射峰主要是山s i m 、硅铝氧 化物的衍射峰构成，高炉水渣颗粒填料的晶体构成主要是由于水泥的水化晶体 以及商炉水渣的本身晶体构成。 3 ) 高炉水渣颗粒填料溶出物测试 水泥的主要成分为硅酸盐，偏碱性，其中含有的少量重会属在浸泡后会有 痕量析出1 5 3 i ，需对高炉水渣颗粒填料在曝气生物滤池萨常运转水力条件下对出 水中p h 、总铬、铅浓度进行检测，以确定其对微生物影响。 采用有机玻璃柱模拟曝气生物滤池进水进行检测，有机玻璃柱尺寸为 中1 0 c m ，h 4 0 c m ，进水流量为o 2 6 l h ( h r t = 6 h ) ，采用上向流进水，对出水的p h 、 总铬、铅进行检测，在第2 、4 、6 、8 、2 4 、3 0 h 取样进行测定，对测定数据进 行作图，见图2 - 7 ： 竹 o 蕾 进水时哪l l 幽2 - 7 模拟运行状况卜出水p h 幽 由图2 - 7 可以看出，进水开始时出水p h 为1 1 4 3 ，随着进水时问的增长， 出水p h 不断下降，在进水时间为6 h 的时候，出水p h 已经下降至7 5 以下，已 经达到微生物萨常生跃的p h 范围。在检测p h 的同时，对出水的总铬、铅进行 检测，二者均末捡出，说明该填料因重金属而影响微生物生长及其出水水质的 可能性很小。 2 3 小结 利用高炉水渣为主要原料。水泥和8 0 1 胶作为粘结剂制作颗粒填料经过 1 8 山东人学硕十学位论文 一系列实验研究，得到以下结论： 采用水泥用量、高炉水渣用量、8 0 1 胶用量、洒水养护次数、养护时间五 个因素进行正交实验，实验中五个因素对产品考核指标的影响顺序为：水泥用 量 8 0 1 胶用量 养护时自j 洒水养护次数 水渣用量，其中水泥用量和8 0 1 胶用 量影响特别显著，最佳制作条件为：水泥的用量l o 、高炉水渣用量7 0 0 9 、8 0 1 胶用量6 、洒水养护次数6 次d 、养护时间3 d 。 在最佳工艺参数下制作的商炉水渣颗粒填料通过x 射线能谱仪测定填科各 元素含量，测定结果表明：高炉水渣颗粒填料中含量最多的元素为氧，质量百 分比为5 1 7 5 ，其次为c a 和s i ，含量分别为2 3 8 6 和1 9 6 2 ；通过对填 料扫描观察发现填料表面粗糙，且孔隙较多，说明该填料表面积较大，适合微 生物的吸附和生存；通过x r d 测定发现，填料的晶体构成主要是由于水泥的水 化晶体以及高炉水渣的本身晶体构成：通过对高炉水渣颗粒填料进行比表面积 测定及抗压强度测试，测得颗粒平均填料比表面积为4 啦5 o m 2 g 、平均抗压强