（环境工程专业论文）新型水处理填料的研制及其应用研究.pdf

山东大学硕： = 毕业论文 摘要 高炉瓦斯灰( b f d ) 作为宝贵的金属二次资源，近年来虽然得到了一定的应 用，但还是存在综合利用程度不高、产业化程度低等问题。 本论文以高炉瓦斯灰为主要原料制备新型水处理填料，研究填料的最佳制 备工艺条件，并将该新型水处理填料与陶粒填料应用于曝气生物滤池中，进行 啤酒废水处理的对比试验，比较两种填料的性能。 高炉瓦斯灰制备新型水处理填料的最佳制备工艺条件为：高炉瓦斯灰添加 量为1 5 0 9 ，粘土添加百分数为1 5 ，硅酸钠添加百分数为6 ，烧制温度为6 0 0 。四个因素对高炉瓦斯灰填料的综合指标影响大小顺序为：高炉瓦斯灰添加 量 烧制温度 粘土添加量 硅酸钠添加量。 将两种填料应用于曝气生物滤池进行啤酒废水处理对比实验，运行1 0 , - - 1 4 d ， 两反应器c o d 去除率稳定在8 5 0 0 - , 9 2 ，n h 3 n 去除率稳定在8 4 0 o , , 9 1 ，说明 挂膜完成，启动工作良好；在不同的水力停留时间下，b a f 2 反应器比b a f l 反 应器对c o d 、n h 3 - n 去除率略高；在相同的气水比条件下，h r t 越大，c o d 和n h 3 - n 的去除效果越好，但不能无限制的延长水力停留时间：水力停留时间 相同时，在不同的气水比下b a f 2 反应器比b a f l 反应器对c o d 和n h 3 - n 去除 率略高；在水力停留时间一定的条件下，气水比越大，反应器对c o d 和n i t 3 - n 的去除效果就越好；不同填料高度下对曝气生物滤池去除污染物规律的研究发 现：c o d 去除率在填料层o - - 4 0 c m 段增幅很快，在4 0 - - - 1 0 0 c m 段变化比较缓慢； 填料层4 0 8 0 c m 段是n h 3 - n 去除的主要区域，0 4 0 c m 段n h 3 - n 去除率为4 6 ， 在8 0 c m 时n h 3 - n 去除率达到9 0 。 b a f 2 反应器对c o d 和n h 3 n 的去除情况比b a f l 反应器稍好，说明高炉 瓦斯灰填料在废水处理中比陶粒填料性能要好，因为高炉瓦斯灰填料较陶粒填 料具有更大的比表面，表面更粗糙，空隙率高，更适合生物膜生长和繁殖。 采用高炉瓦斯灰水处理填料作为曝气生物滤池生物膜载体，用于啤酒废水 的处理，以废治废，综合利用，体现了循环经济的理念。 关键词：高炉瓦斯灰；新型水处理填料；曝气生物滤池；啤酒废水；对比实验 山东大学硕士毕业论文 a b s t r a c t a sv a l u a b l em e t a ll i cs e c o n d a r yr e s o u r c e ，bl a s tf u r n a c ed u s t ( b f d ) h a sb e e n a p p l i e dt oac e r t a i ne x t e n ti nr e c e n ty e a r s ，b u ts o m ep r o b l e m sh a v eb e e ne x i s t e d ， s u c ha sl o wc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o na n di n d u s t r i a l i z a t i o n t h ed i s s e r t a t i o n sc o n t e n t sa r es h o w e da sf o i l o w s ：b l a s tf u r n a c ed u s tw a su s e d a sm a i nm a t e r i a l ，n e wt y p ef i l t e rm e d i aw e r ep r e p a r a t i o n t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o n c o n d i t i o nw a ss t u d i e d b f da n dc e r a m i c sf i l t e rm e d i aw e r et a k e na sf i l l e r si n b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) t ot r e a tb e e rw a s t e w a t e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft w o k i n d so ff i l t e rm e d i aw e r ec o m p a r e dt h r o u g ht h ec o n t r a s te x p e r i m e n t t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o nc o n d i t i o no fn e wt y p ef i l t e rm e d i ai s15 0 9o fb l a s t f u r n a c ed u s t , 15 o fc l a y , 6 o fs o d i u ms i l i c a t ea n d6 0 0 o fc a l c i n a t i o n t e m p e r a t u r e t h e i n f l u e n c eo r d e ro ff o u rf a c t o r si s ：b f da d d i t i o n q u a n t i t y c a l c i n a t i o n st e m p e r a t u r e c l a ya d d i t i o nq u a n t i t y s o d i u ms i l i c a t e a d d i t i o n q u a n t i t y b f da n dc e r a m i c sf i l t e rm e d i aw e r et a k e na sf i l l e r si nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) t ot r e a tb e e rw a s t e w a t e r , t h ep e r f o r m a n c eo ft w ok i n d so ff i l t e rm e d i aw e r e c o m p a r e dt h r o u g ht h ec o n t r a s te x p e r i m e n t o nt h es t a r t - u po fb a f t h ep e r f o r m a n c e o ft w ok i n d so ff i l t e rm e d i aa n dt h er e m o v a le f f e c t so fc o da n dn h 3 - nw e r es i m i l a r i ns a m ea i r - w a t e rr a t i oa n dd i f f e r e n th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ，t h er e m o v a l e f f e c t so fc o da n dn h 3 - no fb a f 2r e a c t o rw e r eb e t t e rt h a nb a f i r e a c t o r s ，w h i c h s h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fb f df i l t e rm e d i aw a sb e t t e rt h a nc e r a m i c sf i l t e r m e d i a s i ns a m ea i r - w a t e rr a t i o ，t h er e m o v a le f f e c t so fc o da n dn h 3 - nw e r eb e t t e r a n db e t t e rw i t ht h ei n c r e a s eo fh r t , b u th r tc o u l d n ti n c r e a s eu n l i m i t e d l y i ns a m e h r ta n dd i f f e r e n ta i r - w a t e rr a t i o ，t h er e m o v a le f f e c t so fc o da n dn h 3 - no fb a f 2 r e a c t o rw e r eb e t t e rt h a nb a f 卜r e a c t o r s i ns a m eh r t , t h er e m o v a le f f e c t so fc o d a n dn h 3 - nw e r eb e t t e ra n db e t t e rw i t ht h ei n c r e a s eo fa i r - w a t e rr a t i o t h er e s u l to fc o n t a m i n a t i o nr e m o v a lo 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 dr e m o v a li n c r e a s e df a s tu n d e r t h e4 0 c mh e i g h tb u ti n c r e a s e d 山东大学硕士毕业论文 s l o w l ya t4 0 一lo o c mh e i g h t a t4 0 8 0 c mh e i g h tt h er e m o v a le f f e c to f n h 3 - nw a sb e s t ， t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3 - nw a s4 6 i n0 - 4 0 c mh e i g h tw h i l et h a tw a s9 0 a t t h eh e i g h to f8 0 c m t h er e m o v a le f f e c to fb a f 2r e a c t o ri sb e a e rt h a nt h a to fb a f l ，w h i c h d e m o n s t r a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fb f df i l t e rm e d i ai sb e t t e rt h a nc e r a m i c sf i l t e r m e d i a t h eb l u s tf u r n a c ed u s tf i l t e rm e d i ah a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e rs p e c i f i c s u r f a c e ，r o u g h e rs u r f a c ea n dg r e a t e rp o r o s i t y , a n dt h e r e f o r ea r em o r es u i t a b l ef o r g r o w t ha n dr e p r o d u c t i o no fb i o f i l m u s i n gb l u s tf u r n a c ed u s t ( b f d ) f i l t e rm e d i aa sb i o f i l mc a r r i e ro fb i o l o g i c a l a r a t e df il t e r ( b a f ) t ot r e a tb e e rw a s t e w a t e r , t h em e t h o di n c a r n a t e st h ec o n c e p to f c i r c u l a re c o n o m ya n de x p l o r e san e wp a t h w a yo fr e s o u r c e su t i l i z a t i o no fb l a s t f u r n a c ed u s t k e y w o r d s ：b l a s tf u r n a c ed u s t ；n e wt y p ef i l t e rm e d i a ；b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ； b e e rw a s t e w a t e r ；c o n t r a s te x p e r i m e n t 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：拯笸磊日期：丝堕：垒：垒 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、缩印或其他复制手段 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) 论文作者签名：趣笸磊导师签名 山东大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 国内外高炉瓦斯灰综合利用的现状和展望 1 1 1 国内外高炉瓦斯灰综合利用的现状 1 1 1 1 国外综合利用现状 高炉瓦斯灰是炼铁高炉在炼铁过程中随高炉煤气( 亦称瓦斯) 带出的原燃料 的粉尘以及高温区激烈反应而产生的微粒，包括低沸点的有色金属蒸汽等，是 一种质轻、粒微，富含f e 、c 等成分的物质，其主要成分是碳粒、单质铁以及 铁的氧化物，另外还有a 1 2 0 3 、s i 0 2 等，是钢铁企业主要固体排放物之一【1 3 】。 高炉瓦斯灰作为钢铁工业的副产品，每生产i t 钢将产生约2 0 k g 含锌1 0 - - 2 0 的高炉瓦斯灰，按我国2 0 0 5 年产钢3 4 亿t 计算，我国瓦斯灰的年产出量估计 能达到6 8 0 万t ，折合金属锌含量6 8 万1 3 6 万t ，这相当于l l o o 万2 2 0 0 万t 锌矿石的开采量【4 】。由于高炉瓦斯灰是炼铁的废渣，数量又大，给环境造成不 利的影响。 国外对瓦斯灰的综合利用进行了大量的研究工作，主要研究回收锌，作为 吸附剂，制造玻璃陶瓷，开发混凝土缓凝剂等。 d k x i a 等【5 1 做了传统n a o h 浸出和微波辐射n a o h 浸出烟灰回收z n 的 对比研究。在微波辐射n a o h 最佳工艺条件下：微波功率2 4 5 g h z ，辐射5 r a i n ， 浸出温度3 6 3 k ，n a o h 浓度8 m ，固液比= 1 8 0 9 l ，z n 的浸出率达8 0 。跟传 统n a o h 浸出方法相比，微波辐射浸出速度很快，而且能使部分z n f e 2 0 4 溶解、 浸出，z n 的浸出率提高5 , - - 1 0 。 b a s a d iz e y d a b a d i 等【6 1 用硫酸浸出黄钾铁矾铵法从高炉烟灰中提取有价金 属锌。通过控制浸出温度、浸出时间、酸的浓度、固液比等条件，实验中z n 的浸出率为8 2 ，f e 浸出率仅为5 。研究表明：浸出温度对z n 的浸出影响不 大，而f e 随浸出温度升高而增大。经综合考虑，浸出适宜温度为室温。该工艺 最佳条件为：硫酸浓度1 0 m ，浸出时间l h ，固液比为l ：1 0 。 g 6 k h a no r h a n 7 】研究了用n a o h 浸出烟灰，回收、富集z n 。在浸出温度9 5 、n a o h 浓度1 0 m 、固液比= 1 ：7 、浸出时间2 h 条件下，z n 的浸出率达8 5 ； 通过锌粉置换除杂，浸出液中f e 0 0 1 9 l ，c d c r c d z n 。 p k a v o u r a s 等【l l 】在瓦斯灰中添加n a 2 c 0 3 ，s i 0 2 ，c a c 0 3 粉末，1 4 0 0 。c 条件 下在坩埚中加热2 h ，然后迅速冷却至室温，通过6 8 0 、1 5 m i n 和9 0 0 、3 0 m i n 二步热处理工艺制得玻璃陶瓷。该玻璃陶瓷具有微硬度值高、耐酸性强的特点。 r a j e hz a i - z a i d 等【1 2 1 研究开发了瓦斯灰混凝土缓凝剂。在用2 0 o - - 3 的瓦斯 灰代替水泥的条件下，混凝土的工程特性( 抗压强度、抗拉强度和热收缩性等) 更好。 1 1 1 2 国内综合利用现状 近年来，随着我国矿产资源的日益减少和国家环保工作的要求，我国一些钢 铁企业和科研部门也先后开展了对高炉瓦斯灰回收利用的应用研究工作，并取得 了一定的成果，包括直接作烧结配料，提取有价金属，回收碳，做建材原料等。 上海梅山高炉烧结厂【1 3 1 曾于1 9 8 3 1 9 8 7 年和1 9 9 5 1 9 9 8 年将晒干后的瓦斯灰 破碎后配入烧结料中使用，充分利用了瓦斯灰中的铁和碳，起到了降低能耗，降 低烧结矿成本的作用。 昆明钢铁集团有限责任公司【1 4 】1 9 8 5 年将瓦斯灰送烧结混矿使用，但易产生 扬尘和混合不均匀。影响烧结矿成分等问题。1 9 9 2 年改送烧结矿仓作配料使用， 1 9 9 7 年回收利用瓦斯灰2 3 5 万t ，回收利用率高，居国内较高水平。瓦斯泥由于 对水体造成污染，建造高炉时虽配套了水处理设施，但必须从洗涤水中将其分离 出来，才能根除污染。1 9 8 8 年昆钢开始采用带式压滤机将其脱水后送堆场堆置。 为解决利用问题，1 9 9 5 年，在王家滩矿选厂进行选铁实验获得成功，选出的精 山东大学硕士：毕业论文 矿送烧结利用。有少量瓦斯泥含铁品位在4 5 左右，直接送烧结利用。1 9 9 7 年 ( 昆明钢铁集团有限责任公司) 产生瓦斯泥2 5 1 万t ，利用量2 0 l 万t ，利用率 8 0 ，居国内中等水平。瓦斯灰和瓦斯泥的利用产值约2 0 0 万元，获效益2 0 万 元。 针对鞍钢股份有限公司带式机球团生产存在的焙烧温度高的问题，周明顺等 1 5 】分析了鞍钢高炉瓦斯泥的特点，在球团中配加瓦斯泥代替固定碳，获得( 取得) 还原性好、软融开始温度高、熔融温度区间窄的良好效果，同时大幅度降低了能 耗：球团电耗将从4 8k w t 降至4 5 6 k w h t ；煤气消耗降低l o ；焦粉降低1 ， 焦比降低0 2 。 成海芳等0 6 1 针对攀钢高炉瓦斯泥含铁率较低、含锌率较高的特点进行了磁 选、重选、浮选探索试验，最终确定采用重浮联合为最佳工艺流程，获得铁品 位4 7 2 0 、回收率4 9 2 4 的铁精矿，并使锌集中到尾矿中，以利于锌的回收。 胡永平等【1 7 1 采用浮选螺旋粗选摇床精选工艺流程处理济南钢铁集团总公 司高炉瓦斯泥。用煤油( 或轻柴油) 作捕收剂，2 撑油( 或杂醇) 作起泡剂，经兑药剂 精选浮炭：入料含炭1 6 8 5 ，可获得含炭8 0 4 9 的炭精矿产品，回收率4 9 8 l ； 经过螺旋溜槽粗选、摇床精选，铁精矿品位由瓦斯泥中的3 7 4 9 0 , 6 提高到6 0 ， 回收率达4 5 。 于留春等【1 3 】以上海梅山钢铁股份有限公司高炉瓦斯泥为原料，采用弱磁强 磁选工艺在实验室回收铁，获得较好的经济技术指标：铁精矿品位从3 5 0 7 提 高到5 0 9 2 ，提高了1 5 8 5 ，产率6 2 7 7 ，回收率9 1 1 4 ，尾矿品位降到8 3 4 ； 锌从7 7 4 富集到1 3 9 2 ，提高6 1 8 ，脱锌率达6 6 9 8 。 王玉香等【1 8 】通过采用重、磁、浮单一的选别方法和反浮磁联选、重磁联选 和重反浮一磁联各选别流程对鞍钢股份有限公司小西门瓦斯泥进行试验研究，结 果表明：重选反浮选磁选选别流程效果最好，铁精矿品位达6 1 ，金属回收率 达5 5 ，精矿产率达4 0 。 胡晓洪等【挣1 根据新余钢铁有限责任公司高炉瓦斯泥的矿物特性，首先采用常 规的选矿方法( 如磁选、重选和浮选等) 对铁的回收进行了试验研究。之后进行了 单一摇床、细筛一摇床、磁选摇床和细筛磁选摇床4 个工艺流程的试验研究。 研究结果表明，单一的磁选及浮选方法难以获得高品位铁精矿，且易丢弃低品位 尾矿；重选以摇床分选效果为佳，一次分选就可获得最终铁精矿。对上述流程进 山东人学硕- 上毕业论文 行技术经济指标比较及综合评审，确定采用磁选摇床为最佳工艺流程，其试验 所得铁精矿全铁含量大于6 2 。 于忠浩等【2 0 】用气升式微泡浮选柱法，采用浮选脱炭脱泥反浮选脱硅的流程 方案，处理武汉钢铁集团公司微细粒高炉瓦斯泥。添加适量碳酸钠( n a z c 0 3 ) 和水 玻璃( n a z s i 0 3 ) 为分散剂，少量煤油为捕收剂，经一次粗选和一次开路精选，即可 获得含碳6 5 的碳精矿；脱碳尾矿采用石灰( c a o ) 为p h 调整剂和活化剂，氧化石 蜡皂为捕收剂，经两段开路脱硅反浮选，获得t f e ( 全铁) 含量为5 6 的铁精矿。 王连印纠2 1 】针对唐山钢铁集团有限责任公司高炉瓦斯泥有害元素含量较少 的特点，将高炉瓦斯泥配以铁精矿粉、粘结剂直接生产海绵铁。瓦斯泥、铁精矿 粉与粘结剂的合理配比为o 8 ：1 0 ：0 0 1 8 。在焙烧温度1 3 3 0 - 1 3 6 0 、焙烧时间 5 0 - 6 0 m i n 、布料厚度3 肛4 0 m m 条件下，产品主要指标可以达到t f e 7 5 8 0 、 m f e ( 磁性贴) 6 0 , - - 7 0 、m r ( 金属化率) 8 0 0 旷9 0 、cl 2 、s0 5 0 , - , 0 6 0 。 张振逵【2 2 1 选用火法富集湿法提纯工艺处理柳州钢铁集团公司高炉瓦斯泥 ( 灰) ，制备超微碳酸锌，然后热解制备超微氧化锌。研究表明：在马弗炉焙烧温 度为9 0 0 - - - 1 3 5 0 的条件下，氧化锌的挥发率大于9 1 ，挥发尘中锌富集3 3 5 倍；挥发尘经酸浸、碳化沉淀，氧化锌浸出率达9 0 以上，锌沉淀率大于9 9 ； 碳化沉淀的超微碳酸锌再经热解处理，得到0 3 51 tm 的超微氧化锌。 陆凤英等【2 3 】采用n h 3 n i - 1 4 h c 0 3 法处理某钢铁厂低品位含锌瓦斯泥制备活 性氧化锌，在n h 3 n h 4 h c 0 3 用量为理论量的1 5 倍，反应时间3 h ，温度为常温 的条件下，浸出残渣( 渣率8 7 ) 含z n 0 8 左右，f e2 2 3 4 。z n 浸出率9 0 左右， 而f e 浸出率小于1 5 。 张祥富【2 4 】利用瓦斯泥中的z n o 与n h 4 c i 在一定的条件下可生成稳定的二氯 二氨合锌络和物这一特性，以n h 4 c i 为萃取剂、碳铵为沉淀剂从某钢铁厂瓦斯 泥中提取锌并制得活性氧化锌。z n 萃取率大于8 5 ，z n o 的纯度为9 9 5 , , - 9 9 7 。 邹宽掣2 5 】用水力旋流器回收宝山钢铁股份有限公司高炉瓦斯泥中的锌，瓦斯 泥中含锌率在0 1 6 - - 0 2 时，脱锌率达到6 5 , - - 7 5 ，回收率达到4 5 - - 7 5 。 张潮鲁【2 6 】用h 2 s 0 4 对攀枝花高炉瓦斯泥脱锌渣经多次富集浸出后制得活性 氧化锌。在p h 4 5 5 2 ，固液比l ：3 ，浸出时间3 0 , - , 6 0 m i n ，温度常温或微加热的 最佳条件下，z n 浸出率达9 6 1 ，z n o 回收率达7 9 1 1 。 张金保【2 7 1 将高炉瓦斯灰放入高压釜内用饱和c 0 2 水溶液浸出，浸出液经置 4 山东大学硕：i ：毕业论文 换除铜、铅、镉和铬等杂质，氧化除铁，焙烧水洗，制得纯度为9 9 9 的氧化锌 产品。 汪文生等【2 8 1 针对某钢铁厂瓦斯泥粒度较细的特点，用柴油( 或煤油) 作捕收 剂，2 j ! j 油作起泡剂，直接对瓦斯泥原浆采用简单的粗、精两段浮选碳和两段反浮 选硅等杂质的工艺流程，进行富集回收碳，得到含碳大于6 5 的碳精矿，碳的回 收率达9 0 以上。 王涛等 2 9 】将宝山高炉瓦斯泥应用于电炉造泡沫渣。通过实验室试验和现场试 验研究，确定了冷压块工艺和现场应用工艺。试验结果表明：瓦斯泥的压块可以 起到强化泡沫渣生成的作用。在加入量为i t 的条件下，瓦斯泥压块中全铁携带 量为3 5 1 1 k g ，碳的携带量为1 4 9 6 k g ；瓦斯泥中的铁和碳参加了泡沫渣的反应， 强化了吹氧喷碳操作，并由此减少了相对应数量的金属损失和喷碳量。 杨光华【3 0 】通过在瓦斯泥中添加粉煤灰、高炉矿渣、石灰和砂等成分，用蒸养 的方法研制出了瓦斯泥粉煤灰砖。在瓦斯泥用量为3 0 的条件下，该砖抗压强度 31 2 m p a ，2 5 次冷冻循环后的抗压强度为1 9 4 m p a ，质量损失率小于2 ，达到 了同类砖i o m p a 级一等品的技术要求，并具有工艺简单、成本低廉的优点。 唐光临【3 1 1 用瓦斯泥+ 铁屑法对焦化废水进行预处理，结果表明：在瓦斯泥中 加入铁屑对焦化废水中c o d 的去除率明显高于瓦斯泥法，处理时间、p h 对瓦斯 泥+ 铁屑法的去除效率影响较大。 1 1 2 高炉瓦斯灰综合利用展望 高炉瓦斯灰作为宝贵的金属二次资源，近年来虽然得到了一定的应用，但还 存在许多问题需要进一步研究与探讨。 ( 1 ) 综合利用程度不高，高炉瓦斯泥( 灰) 的利用仅限于某些元素的提取， 无法做到综合回收利用。 ( 2 ) 附加值低，多数瓦斯泥( 灰) 应用处于初级阶段，如用于建筑、铺路等， 一些高附加值的金属，如锌、铅、铟和铋等没有回收利用，造成资源的浪费。 ( 3 ) 产业化程度低，一些研究成果还处于实验室阶段，尚未能实现大规模 工业应用。 随着我国经济的快速发展和矿产资源的日益枯竭，通过从微观层次的矿物 学、胶体与界面化学和多元多相体系的冶金物理化学等方面的系统研究，结合近 年来资源综合利用方面的最新科技成果，开发金属二次资源的高效分离技术以及 山东大学硕二卜毕业论文 循环利用技术，提升我国金属资源的综合利用水平，缓解资源、能源以及环境的 压力，对实现我国短缺金属的二次循环利用，促进我国冶金工业的可持续性发展， 推动我国循环经济发展和循环型社会的建立具有重要意义。 1 2 曝气生物滤池填料的国内外研究进展 1 2 1 国内外研究进展综述 1 2 1 1 国外研究综述 曝气生物滤池是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初在欧美兴起的一种膜生物法处 理工艺，是在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池工艺开发的污水处理新工 艺。曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形，也可看成是生物接触氧化法的 一种特殊形式，即在生物反应器内装填高比表面积的填料，以提供微生物膜生 长的载体【3 2 】。它是集生物降解、过滤、吸附等功能于一体的新型污水处理技术， 具有处理效率高、出水水质好、基建投资省、管理方便等特剧3 3 】。 曝气生物滤池充分借鉴了接触氧化法污水处理技术和快滤池的优点，集生 物降解与悬浮物截留的特点于一体。一方面，填料作为微生物的载体，影响着 生物膜的生长、繁殖、脱落和形态及空间结构：另一方面，填料作为去除悬浮 物的介质，其过滤性能又影响到曝气生物滤池对悬浮物的去除效果。 w o n s e o kc h a n g 等人【3 4 】采用沸石和砂填料作为b a f 填料处理纺织废水。 细胞计数结果表明，沸石填料上生长的亚硝化单胞菌和硝化菌的数量分别为3 0 1 0 8 和2 2 1 0 9 c f u m l ，而砂填料上生长的数量分别为4 5 x1 0 8 和6 5 1 0 8 c f u m l 。从硝化菌的数量上看，沸石填料更适宜微生物的硝化作用，另外从对 有机物和t k n 的去除率上看，以沸石作为填料的b a f 的效果要好于以砂为填 料的b a f 。采用沸石作为填料的b a f 可使纺织废水的c o d 去除率达8 6 - - - 9 2 ， b o d 去除率达9 9 ，色度去除率在7 7 7 9 ，这是由于自然沸石填料的表面 积大于砂填料，宜于微生物的附着，且沸石填料的离子交换能力强，能够吸附 水中的n h 4 + ，而适宜环境的硝化菌的大量生长，使n h 4 + 转化为硝酸盐。 r e b e c c ae m o o r e 等人【3 5 】采用泡沫粘土作为原料研制曝气生物滤池填料， 在粘土中加入不同量的添加物质如斑脱土溶液、铝溶液、表面活性剂等，根据 添加物量的不同烧制成七种填料，并对其物理性质进行了分析比较，采用小型 b a f 进行了挂膜效果试验。填料在小型b a f 反应器中的试验结果表明：表面 6 山东大学硕士毕业论文 粗糙度的不同对b a f 启动期间有机物的去除率没有明显影响。增加表面粗糙度 对微生物挂膜的影响，并不是通过表面积的增加使微生物附着，而是通过给微 生物提供合适的场所使微生物挂膜，一旦这些场所被微生物附着后，微生物的 进一步挂膜将不再依赖于底层填料的粗糙情况。粘土中斑脱土溶液的增加，使 填料颗粒的磨损率下降，表面粗糙度降低，但这没有明显改变微生物的附着特 性，因此选择填料应综合考虑微生物附着性和填料磨损性。 r e b e c c am o o r e 等人【3 6 1 研究了尺寸范围分别为1 5 3 5 m m 和2 5 - 4 5 m m 的 填料对曝气生物滤池处理效果的影响，发现小颗粒( 1 5 3 5 m m ) 填料虽然有利 于脱氮，但是不适应高的水力负荷；而大颗粒( 2 5 1 4 5 m m ) 填料虽然改善了 填料操作，减少了反冲洗的次数，但不利于脱氮和s s 的去除。这为曝气生物滤 池填料在尺寸要求上提供了一定的依据。 t d k e n t 等人 3 7 】对可能作为b a f 填料的泡沫柱状粘土、棱状煅烧粘土、 膨胀耐火粘土、老棱状页岩、新棱状页岩和膨胀球形粘土进行了系统的分析， 研究认为单纯从物理参数，如表面积、最小流化速度和磨损率上考虑，适合作 b a f 填料的是膨胀球形粘土，其次是页岩。 1 2 1 2 国内研究综述 我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这是因为陶粒作为填料的 一种，不仅材料低廉易得，而且显示出优良特性，特别适合我国的国情。早期 的陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成，为不规则状( 片状居多) 。最 近出现的球形轻质陶粒，以粘土( 主要成分为偏铝硅酸盐) 为原材料，加入适 当化工原料作为膨胀剂，经高温烧制而成。 江萍等人 3 s 】对国产轻质球形陶粒的理化性能及应用于曝气生物滤池处理生 活污水的效果进行了系统研究。结果表明，国产轻质球形陶粒固着微生物量大、 挂膜快、寿命长，充氧能力强，用于处理生活污水，b o d 去除率达到9 0 ， n h 3 - n 去除率8 0 ，b o d 负荷6 1 0 k g ( b o d ) ( m 3 d ) ，适用于作曝气生物滤池 的微生物载体。 朱乐辉等人【3 9 】以粘土为主要原料，结合其他化工原料，在温度为i1 8 0 c 时 烧制成的轻质陶粒，将此轻质陶粒用于曝气生物滤池处理污水的研究表明：球 形轻质陶粒轻度大、空隙率大、比表面积大、化学稳定性好；形状规则、粒径 山东大学硕士毕业论文 可大可小、密度适宜；表面粗糙、多微孔、不结釉。 齐兵强等人【删以球形轻质陶粒作为曝气生物滤池的填料处理生活污水时发 现：尽管在很高的滤速下，其处理水质仍然很高，而且曝气量小，氧利用率高。 此外，该曝气生物滤池系统水头损失增加缓慢，反冲洗周期长，节约了能源和 操作费用。 周彩楼等人【4 1 】以净水厂淤泥为主要原料研制超轻陶粒取得了满意的结果， 开创了污泥资源化的又一途径。 哈尔滨工业大学邹金龙f 4 2 1 以城市污水处理产生的污泥为主要原料，以粘土、 水玻璃为添加剂，制备了新型污泥填料，设计了曝气生物滤池，分别采用广州 陶粒、江西陶粒、山西活性炭和自己制备的新型污泥填料作为填料进行对比试 验，新型污泥填料的滤柱在稳定运行阶段对浊度、c o d 、s c o d 和氨氮平均去 除率分别为9 6 4 1 、7 6 1 5 、5 9 5 6 和8 2 3 1 ；通过对生活污水的处理发现 新型污泥填料用于曝气生物滤池作为生物膜载体可行，而且其在相同的运行条 件下，对浊度、c o d 和s c o d 的去除效果要优于广州陶粒和江西陶粒，对氨氮 的去除效果要优于广州陶粒。 东华大学刘贵云等【4 3 】采用河道底泥为主要原料，生活污泥、广西白泥和水 玻璃为添加剂，制备了河道底泥陶粒，对底泥陶粒的性能进行了系统的测定和 分析，重点研究了底泥陶粒比表面积的测定方法、晶体成分、孔隙分布、吸附 性能、重金属的存在形态和结构以及浸出行为等，分析表明底泥陶粒符合生物 膜载体的要求。同时设计曝气生物滤池，分别采用底泥陶粒、对照陶粒和颗粒 活性炭作为生物膜载体进行配制废水处理试验，经比较发现当进水c o d c r 浓度 在8 5 8 1 m g l - 1 7 1 7 6 m g l 、n h r n 在7 2 8 m g l 一3 7 0 4 m g l 时，底泥陶粒对c o d c r 和n h 3 - n 的平均去除效率为6 4 7 5 和9 6 1 7 ，充分说明底泥陶粒作为曝气生 物滤池载体的可行性。 1 2 2 国内外研究综述评价 目前，国内在废水生物处理工艺中已开发了多种新型填料，但现有的填料 在物理学特性及生物膜附着性能等方面各有其弱点，他们或者表面光滑、微生 物难以挂膜，或者强度不够、破损严重，或者价格昂贵、再生困难，并且目前 所使用的填料几乎不具备激化微生物活性的特性。 山东大学硕士毕业论文 从曝气生物滤池填料的发展来看，在以后的研究中，主要的研究方向在以 下几个方面： ( 1 ) 开发以天然材料或某些固体废物为主要成分的无机填料，如轻质陶粒、 高炉水渣以及高炉水渣高炉瓦斯灰填料的研究开发。 天然材料制成的填料消耗自然资源，而以固体废物为主要成分的填料更适 合环境保护的要求，能够实现废物的资源化、减量化、再利用，体现了循环经 济的理念。合成的高分子填料与微生物之间相容性较差，在挂膜时生物量少， 易脱落，以固体废物为主要原料的无机填料可以克服以上不足，但是需要重点 解决的问题是如何增加强度、增大空隙率和减小密度。因此以固体废物为主要 成分的填料更有发展前景。 ( 2 ) 研究填料对污染物去除的影响及污染物的去除机制。 目前，对b a f 运行的工艺条件研究很多，但是对于污染物的转移和代谢途 径没有深入的研究；对填料上生物相分布和生态结构缺乏系统的分析和解释； 另外，填料影响污染物去除机制不明。 ( 3 ) 寻求改善填料性能的工艺和方法。填料加工过程中的工艺非常重要， 为了获得优质填料，生产工艺和方法需要不断改进。 ( 4 ) 制定适于曝气生物滤池的填料标准。 欧美国家对曝气生物滤池填料具有较为严格的标准，但在我国目前还没有， 在系统掌握填料的尺寸、性状、密度等因素对污染物去除的影响后，制定适于 我国曝气生物滤池的填料标准意义深远。这不仅使得填料的生产规范化，而且 能极大促进b a f 污水处理技术在我国的应用和推广。 1 3 曝气生物滤池简介 1 3 1 曝气生物滤池的产生和发展 自2 0 世纪8 0 年代末法国o t v 公司发明b i o c a r b o n e 工艺以来，曝气生 物滤池( b a f ) - i - 艺有了很大发展，在世界范围内的应用也日益广泛【删。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，目前主要用作为深度处理以及回用水处理工艺【4 5 - 4 6 1 ，也被广泛应 用于生活污水【4 7 铷】、工业废水处理中【5 1 。5 6 】，同时还应用于微污染水源的给水处 理中【5 7 1 。 9 山东大学硕士毕业论文 目前比较成熟的曝气生物滤池工艺形式有b i o c a r b o n e 、b i o f o r 、 b i o s t y r ，b i o s m e d i ，b i o p u r ，c o l o x ，d e e p b e d ，b 2 a ，s a f e ，s t e r e a u 等，而其中最有代表性和应用得最多的是b i o c a r b o n e 、b i o f o r 、 b i o s t y r l 5 s 。 b i o c a i 狙o n e 结构如图1 1 所示，其滤料采用密度比水大的球形陶粒，污 水从滤池顶部流入，从滤池底部流出，在滤池中下部进行曝气。在滤池中，有 机物被氧化分解，n h 3 - n 被氧化成n 0 3 - n ，由于在生物膜内部存在着厌氧兼 氧环境，在硝化的同时能实现部分反硝化，但是一般情况下，单个b i o c a r b o n e 滤池中不能同时达到较高的硝化反硝化处理效果。滤池运行一段时间后，由于 填料表面产生的生物量及截留的s s 不断增加，在滤料上层形成堵塞，阻止气泡 释放，水头损失迅速增加而达到极限，此时要立即进行反冲洗，去除滤池内过 量的s s 及生物膜，恢复反应器处理能力。 出水 反冲气 出水 图i 1b i o c a r b o n e 结构示意图 b i o s t y r 工艺是对b i o c a r b o n e 的一个改进，它采用相对密度小于l 的球形有机颗粒作为滤料，污水与经硝化的滤池出水按一定的回流比混合后进 入滤池底部，在滤池中间进行曝气，根据反硝化程度的不同将滤池分为不同体 积的好氧区和缺氧区。在缺氧区内，反硝化菌利用水中的有机物作为碳源，将 滤池中的n o r - n 转化为n 2 ，实现反硝化，同时，一部分s s 被截留在滤池内， 减轻了好氧段的固体负荷。在好氧段内，微生物利用气泡转移到水中的溶解氧 降解b o d ，硝化菌将n h 3 - n 转化为n 0 3 - n 。b i o s t y r 中水头损失增长与 b i o c a i 也o n 不同，其水头损失增长与运行时间成正相关。由于b i o s t y r 中 1 0 山东大学硕士毕业论文 不会形成表面堵塞层，所以其运行周期要比b i o c a r b o n 的运行周期长一些。 进水 反冲洗出水 图1 - 2b i o s t y r 结构示意图 b i o f o r 工艺是由d e g r e m o n t 公司开发出来的。底部是气水混合室，之上 是长柄滤头、曝气管、垫层、滤料。b i o f o r 和b i o s t y r 的不同之处是采用 密度大于水的滤料，自然堆积，采用下部进水，气水同向，可以使布气布水均 匀【5 9 1 ，其它的结构、运行方式及功能等基本与b i o s t y r 相同。 1 3 2 曝气生物滤池的工作原理和特点 曝气生物滤池结合给水快滤池以及污水生物接触氧化的特点，以颗粒状填 料为介质，通过滤料的截留以及填料表面的生物膜，在进行曝气的条件下，以 过滤、生物吸附絮凝与生物氧化作用净化废水。由于池体内存在着好氧、厌氧、 缺氧的微环境，硝化、反硝化作用可以同时进行，因此可以集有机物去除和脱 氮于一体。同时由于随流速方向营养物质的减少而呈现出不同的生物相，使得 曝气生物滤池的生物相相当丰富，食物链比一般的工艺要长且复杂。 曝气生物滤池具有以下特点 6 0 - 6 6 1 ： ( 1 ) 池容和占地面积较小。曝气生物滤池以高比表面积的粗糙多孔填料作 为生物膜载体，具有更高的生物浓度和更高的有机负荷。( 2 ) 工艺简单、基建 费用、运行费用低。由于填料的机械截留作用以及滤料表面的微生物和代谢中 产生的粘性物质形成的吸附架桥作用，s s 去除率高，出水活性污泥少，故可省 去二沉池，进而降低基建费用。( 3 ) 生物浓度高、生物相复杂、菌群结构合理。 ( 4 ) 耐冲击能力强。( 5 ) 管理简单，自动化程度高。( 6 ) 对环境影响小，受温 度影响小。 山东大学硕士毕业论文 1 3 3 曝气生物滤池研究展望 曝气生物滤池发展到现在已取得很大的成果，许多学者对其比较关注，但 其除磷效果、反应机理、反应动力学、影响因素等方面还有待进一步的研究。 随着现代生物检测技术和纳米测量技术的发展，有关曝气生物滤池处理机理的 研究将有望取得突破，特别是对生物膜生长和生物膜活性的研究将成为较新的 前沿性课题。而采用适合的预处理技术与曝气生物滤池技术的整合，将为今后 模块化组合与曝气生物滤池技术的大规模应用打下坚实的基础。在新材料方面， 通过改性处理的吸附型填料，可以大大强化曝气生物滤池对某些难降解污染物 的去除能力，从而在污水的高级处理和给水处理中发挥更大的作用。曝气生物 滤池是一种适合我国国情的水处理技术，应加大力量进行深入研究，推动该技 术的国产化并在水处理中推广应用【6 7 1 。 1 4 本