（环境科学专业论文）高性能陶粒制备结合厌氧菌培养应用于厌氧滤池的研究.pdf

ab s t r a c t o f t h e wa s t e wa t e r i n fl o ws a n d h 5 5 2 m g 几a n d 6 h， t h e c o d r t s a r e 4 7 2 6 m g / l a n d 9 6 h , 1 9 8 6 m g 几a n d 4 8 h ， r e m o v al e ff i c e n c i e s a r e 9 2 .6 %, 8 1 .2 % a n d 4 8 .9 %, r e s p e c t i v e l y . ki n e t i c sr e v e a l t h a t r e a c t i o n to e x p e r i e n t i a l i t s c o n c e n t r a t i o n e q u a t i o n i s t h e d e g e r a t i o n r a t e o f c o d i n a f i s fi r s t - g r a d e t h e c o d o f w as t e w a t e r i s 4 2 3 m g / l .t h e 八丫 习= d go d d t = 0 . 1 5 2 c c o d ( m g l l - h ) . k e y w o r d s : u n b a k e d c e r e m s i t e ;as h - 伪; a n a e r o b e s ; s p e c i f i c s u r f a c e ;a n a e r o b i c f i l t e r 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不 包含为获得 南昌大学 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的 任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 “ ，:声 立 君 签 字 日 期 : 砷年a d -h 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解 南昌大含 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论文 的 规 定， 有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘， 允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大母可以将学位论文的 全部或部 分内容编入有关数据库 进行检索，可以 采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 写 ，: a, 导 师 签 “ 手 写 ，: 签 字 日 期 : 叼年 月 i.s h 签字日期:叫 礴 破 r 年6 月 犷 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址 : 电话: 邮编: 第 1 章 文献综述 第1 章 文献综述 1 . 1引言 我国幅员辽阔， 水资 源丰富，但 人均水资 源占 有量不足。 据统计， 全国 水 资源总 量约为 2 . 8 万 亿立方米， 人均水量2 3 0 0 扩， 仅为 世界 人均水量的1 / 4 ， 在世 界排 序中居1 2 1 位， 而水资源总量中可 用水量仅1 . 1 亿 立方米 o l 。 根据水利部发布 的 中国 水资 源公 报 ， 全国总 用水量已 经达到5 5 6 7 亿立方米， 超过1 9 8 0 年总用 水量的1 / 4 。根据中国 工程院的研究， 海河流域水资源利用率己 经达到近9 0 % , 黄河 接近6 7 %， 淮河为5 9 %，内陆河流 域也达4 2 % ,整 个北方地区的水资源利用 率平均已接 近5 0 %。 按照国际 通行标准， 水资 源开 发利用率超 过4 0 % 就会引起严 重的生 态环境问 题 2 1 。 由于 人口的 增加和经济的 快速发展， 需 水量还将持续增加， 目 前己 达5 6 0 0 亿立方米， 迅速逼近可供水资源总量的极限。 并且由 于水资源时 空分 布的 不均衡、与 经济发展的 不匹配， 水资源供需矛盾 越来越突出3 1 在 水资源紧 缺的 态势下，我国 水污染问 题还相当严重。 据全国人大常委会 调查， 我国的 水污染事故频繁发生， 来自 水利部的资料表明， 从2 0 0 1 年到2 0 0 4 年， 全国 共发生水污染事故3 9 8 8 起， 平均每年近1 0 0 0 起。目前 我国缺水城市近 4 0 0 个，受 影响人口 在1 亿以 上，在 部分地区和流域，水污 染已 经呈现出 从支流 向 干流 延伸、 从城市向 农村蔓延、 从地表向 地下渗 透、从 陆地向 海洋发展的态 势 4 1 我国 水污染主 要来自 三个方面， 工业废水、 城镇生 活污水和农 村面 源污染 叭 目前已形成点源与面源污染共存、生活污染和工业排放叠加、各种新旧污染与 二次 污染相互复 合的 态势。污染物排放的绝对量很大， 远远超过水环境容量。 如 废水中的 化学需氧量( c o d ) 排放量 超过1 3 0 0 万吨/ 年，超 过环境 容量6 0 %以 上: 氨氮 排放量近1 3 0 万吨， 超过环境容量9 0 % 以上 6 1 因此，污水处理刻不容缓。我国污水处理事业近二十年来取得了迅速的发 展， 但仍然滞后于城市发展的需要。 据统计，到2 0 0 4 年6 月 3 0 日 ，全国己 建设城 市污 水处理厂5 犯座。 这些污水处理厂的建设，极大地 提高了 城市污水的处理水 平，但处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长，两者之间的差距还有进 一步 拉大的 趋势 l我国的水质污染主要是有机污染 1 8 1 ， 解决我国水 污染的主要 目 标之一是控制有机污染。有机污染的最佳处理技术是采用生物法，它与化学 第 1 章 文献综述 法和物化法 相比 不仅效果 好， 而且处理费用 低1 9 1 。 根 据参与 代谢活动微生物的 种 类 ， 废 水 的 生 物 处 理 技 术分 为 好 氧 生 物 处 理 和 厌 氧生 物 处 理 两 大 类 10 。 城 市 的 扩大、工业的 迅速发展使 有机废水量急剧增加， 用好氧 法处理需要消耗大量的 能量1 1 1 ，而 厌氧生物处 理以高 效率低能耗 被人们日益重 视。厌氧微生物能够 在 无需提供氧 气的情况下， 通过自 身 代谢过程将废水中 有机物转化为无机 物( c 1 -1 4 , c q和 h 2 o ) 和少量细胞 产物。 因 此厌氧生物技 术是一 种把废水处理和能源回收 相 结合的技术， 符合节 能环保的原则 和发展趋势1 2 1 2厌氧生物滤池 ( a n a e r o b i c f i lt e r ， 缩写a f ) 的 研究进展 1 .2 . 1 生物处 理法 简介 我国 对于城市污水的处理，一般采用好氧二级生 物处理，传统的方法有活 性污泥法、 氧化沟法、 a b 法等。 好氧生物处理利用好 氧微 生物的 代谢活动处理 水中的 有机物， 它需要不断向 废水中 补充大量氧气或空 气，以维持好氧微生物 所需要的 足够的 溶解氧浓度，是耗能型的废水处理技术，其实质是利用电能的 消耗来达到改 善废水水质的目 的。在发达国 家， 用于废水处理的能耗己占 到了 全国 总电 耗的1 % 左右 1 3 厌氧生物处理技 术不需 曝气， 不 仅能 把好氧生 物处理 过高的能 耗节省 下来， 而且可以 把有机物转化为生物能 沼气。厌氧生物处 理的 另一显著 特点是 污泥产量少， 从而使污泥处置费 用相对减少。 厌氧和好氧处 理废水运行特点简 要比 较如下 1 伙 ( 1 ) 厌氧工艺的 有机负荷是好氧 工艺的5 1 0 倍; ( 2 )厌氧工艺中集成生物量仅为好氧工艺的5 %-加%: ( 3 )厌氧工艺中营养的需要量仅为好氧工艺的5 % 20 %; ( 4 ) 厌氧生物体的 活性可保持数月甚至 数年而无严重衰退: ( 5 ) 好氧处理因 需要曝气，每去除1 0 0 0 k g c o d耗电5 0 0 1 0 0 0 k w h ;而 厌氧无曝气能耗; ( 6 )厌 氧每去除1 0 0 0 k g c o d产生甲 烷的 能量为1 2 . 6 6 x 1 0 6 k j o 对于好 氧处理而言 ， 厌氧生物处理有如下的 优点 1 5 . ( 1 )建 造、运行 和操作简单，基建和运行费用 低; ( 2 )能量 需求低，节 约能源; ( 3 ) 处理 规模可大可小， 使分散处理成为可能; 第 1 章 文献综述 ( 4 ) 如果以 分散的模式建 设处 理系统， 将会大大节省投资; ( 5 ) 剩余污泥的产生量少， 脱水性能好， 后处理容易; ( 6 ) 剩余污 泥的稳定 性很 好。 缺 点 如 下 v 5 -叭 ( 1 ) 厌氧工艺对有 机物和悬浮固 体及磷等污染物去除效率 较低，出 水可能 达不到城市废 水的 排放要求; ( 2 ) 有机 物的 吸收 和厌氧微生物的生长 速度皆 与浓度相关， 城市生活污水 的有机物浓度比 较低， 厌氧微生物细胞生长会受到限制; ( 3 ) 出于经济考虑， 城市生活污水处理一般不加 温， 系 统经常需要在1 0 - 2 2的条 件下 运行， 在偶然情况下，系统还会在 1 0以 下运行， 这对厌 氧微 生物的繁殖和系统的高效运行都是不利的; ( 4 城市生 活污水中 通常会含有比较多的悬浮性颗粒有 机物， 而悬浮性有 机质降低了水解酸化阶段的反应速度，从而降低整个系统的反应速率; ( 5 ) 有些城市生活污 水中 硫酸盐含量比 较高 ( 1 0 0 m g f l ) ， 它会抑制厌 氧工 艺的产甲烷过程并且会产生严重的臭味; ( 6 )城市生活污水厌氧处理的实际设计和运行经验非常有限。 1 . 2 . 2厌氧工艺的现状及进展 厌氧生物法被人们认识以来，在废水处理中发挥了不可替代的作用。在2 0 世 纪6 0 年代以前 ，厌氧生物法主要应用于处理生活污 水的 污泥，在城市污 水厂 污泥消 化中得到了广泛应用， 厌氧消化工艺基本上只用于污水处理厂产生的剩 余 污泥的 稳定 化处理 9 1 0 2 0 世纪7 0 年代以来厌氧生物 法在废水处理尤其是高 浓 度有机废水处理中发挥了 独特的 作用。厌氧处理低浓度污水的应用和开发，随 着厌氧处理新工艺的开发，也进入到 一个新阶段2 0 .2 3 1 随 着厌氧生物处理工艺的发展，各种各样新型高效 厌氧反应器得以开 发。 在这些反 应器中， 厌氧流化床/ 厌 氧膨胀床工艺以水力停留时间短、出 水水质好 而被认为是最高 效的反应器2 4 1 。处理效果稍微 差一点的 是上流式厌氧颗粒污泥 床和厌氧生物滤池生物反应器2 5 1 。但是厌氧流化床 1 厌氧膨胀 床工艺因 能耗大， 建 造困 难， 操 作 复 杂 等 原因 而 没 有 得 到 广 泛的 应 用 26 1 。 上 流 式 厌 氧 颗 粒 污 泥 床 反应器具有有构造简单，基建 投资 低， 操作费 用低等优点 2 71 而应用 普遍。 传统厌氧消化工艺的水力 停留时间 长达 2 0 - 3 0 天2 1 ，这主要是因 为系统内 第 1 章 文献综述 没有 足够的 微生物，特别是产甲 烷微生物。由于厌 氧微生物生长缓慢， 世代时 间长，如 何使微生物在消化系统中保持 足够长的 停留时间是厌氧消化工艺 成功 的关 键。新 型高 速厌氧反 应器是通过两种途径来保持反应器内 足够高的 活性污 泥浓 度的， 一是培养出 颗粒污泥， 使悬浮的生物絮体有良 好的凝聚性和沉降性 能， 可自 动保留 在反应器内， 不会随出水流失;二是利用固 定化技术， 将生物 细胞附 着于反 应器内 的载体上， 如厌氧滤池等。新型高速厌氧工艺 显著的 优点 就是 成功地 将污泥停留时间 ( s r t ) 与水力停留时间 ( h r t ) 相分离， 从而可使 污泥 停留时间长 达上百 天， 水力停留 时间从过去的几天或几十天缩短到几小时 或几 天。 传统 厌氧工艺 的第二个缺点 是没有做到进水和反应器中 生物种群的充 分接 触。新型厌 氧消 化工艺设 法改变反应器中的水力特征， 改善微生 物与基 质之间 的 传质条件，以加 快反应速度 1 2 9 1 1 . 2 . 3厌氧生物滤池 传统厌 氧反应器生 物浓度低、不易保持， 而新型 高速厌氧悬浮污 泥床反应 器污泥颗粒化又比较困难。因此，是否可以使微生物稳定存在于反应器内成为 研究的 热点课题3 0 1 厌氧生 物滤池是一 种内 部装微生物 载体的 厌氧反 应器3 1 1 ，它是通过滤池的 过滤作用和厌氧微生物的消化作用去除污水中的悬浮物和有机物的。其构造 与 生物滤池相 类似: 池中放置 填料，池顶密封， 填料淹没在水中，微生物附着在 池壁和填料上，形成厌氧生物 膜，部分在填料空隙间 处于悬浮状态。废水从池 底进入，流经被淹没的填料，从池上方 流出， 污染 物被去除，并产生沼气。厌 氧生物滤池构 造简 单，能 耗小， 运行管理方便， 特别适于处理含悬 浮物较低的 中低浓度有 机废水。其 优点 主要有 2 9 1 3 叭 第一，有机容积负荷高。由 于采取了生物固定 化技术，滤料的表面及内 部 附着 一层生物膜，且填料间隙内 也悬浮着大量的 厌氧微生物，使污泥在反应器 内 的 停 留 时 间 得 到 极 大 地 延 长 ( 通 常 超 过5 01 0 0 天 33 b ， 因 此 ， 反 应 器内 的 污 泥 浓度很高，提高了净化效率，从而缩短了水力停留时间，减小了反应器的体积; 第二， 耐冲击负荷能力强。由于污 泥停留时间长，污泥能长期保留 在厌氧 反映 器内 ， 提高了 反应器的 微生 物浓度。因此，即 使进水有 机物浓度变化剧烈， 水量 变化幅 度大， 也不必进行流量调节，微生 物有相当 高的适应能力: 第三，有机物去除速度快。载体填料为微生物的附着提供了巨大的表面积， 第 1 章 文献综述 扩大了 污水与生物 膜的 接触 面积，强化了 传质过程， 在相同负荷下，降解速度 较其它方法高; 第四，污泥产量低。这是由于厌氧活性污泥在反应器内能较好的吸附，不 易随水流出，从而不存在出水中的剩余污泥不易分离的问题，不用再建沉淀池 和污泥回流装置，节省了能耗; 第 五， 启动时间短， 停运后再启 动比 其它反应器时间短。 a f 很 适宜处理间 歇排放的 废水，进水暂 停一 段时间 (9 9 . 9 9 0/ a6 0 mn 1 8 0 m 2 / gy 相 ( 2 ) 纳米氧化锌( z n o ) 粉末:近年来发现的一种高新技术材料，是极少数几 种可以实现量子尺寸效应的氧化物半导体材料。随着纳米氧化锌制备工艺的深 入研究， z n o 粒子的超细化，使其呈现出传统z n o 所不具备的特殊性能，如无毒 和非迁移性、 荧光性、 压电 性、 吸收和散射紫外线能力等 1 1 3 - 1 1 7 1 。主要技术指标 见表2 . 3 0 表2 . 3纳米z n o粉末的主要技术指标 产品代号纯度粒径比表面积外观 m n 6 z 9 9 . 5 %2 0 n m w / 9淡黄色粉末 ( 3 ) 纳米s i 0 2 粉末:无定型白色粉末( 指其团体聚体) ，表面存在不饱和的残 键及不同键合状态的 经基。其分子状态呈三维链状结果( 或称三维网状结构，三 维 硅石结 构等 ) 1 1 8 。 本实 验用纳米 s i o z 粉末主 要 技术指标见表 2 .4 , 表2 .4纳米s io 2 粉末的主要技术指标 产品代号纯度平均粒度比表面积物相 m n i s 9 9 . 叽 1 5 n m1 6 0 m z / g非晶 第z 章 实验内容及方 法 2 .2 .4特种材料 d t - 5 : 灰色粉末， 平 均粒径 9 9 % , 氧含量 0 .4 %， 碳 譬 粉 煤 灰 生 石 灰 石 膏 -f-a 120 3 d t -5 水 泥 比表面积 0. 5 1 5 0 . 5 1 5 1 7 . 0 0 4 0 1 7.8 7 2 0 1 8 .9 3 40 、jlf : ”n 0 . 5 1 5 1 5 1 6 . 7 2 40 1 5 . 9 2 1 0 jllj工、jl、j :脚: .ij.ij.二曰.二，.几 1015202530 之j目1一 jlf ul产布 、曰、曰、 、乡、 roz 第 3 章 结果与讨论 20巧105 把n己v彩召释妇 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 生石 灰添加量/ ( 9 ) 图3 .2生石灰的添加量对比表面积的影响 由 表3 .2 和 图3 .2 可 知 ， 当 生 石 灰的 添 加 量 为2 0 g 时 ， 比 表面 积 达 到 最 大值 。 生石灰中的有效氧化钙含量很高， 既能激发粉煤灰的活性，又能提供 c a t + 使粉 煤灰水化生成水硬性胶凝材料。比 表面积随着生石灰添加量的不 断增加而增加， 但当生石灰添加量过多时，比表面积反而有所下降。 3 . 1 . 1 . 3粉煤灰用量的确定 由于表面张力的作用，粉煤灰大部分呈球形，表面疏松多孔，比表面积大， 且具有一定的活 性基团和吸附 特性。 其主要成份 s i o 2 、 a 1 2 0 3 与生石灰、 石膏 等在一定条件下可生成 水化硅酸盐和水化铝 酸盐等，而使 陶粒获得强度。 粉煤 灰添加量的 试验见表3 . 3 和图3 . 3 . 表3 .3粉煤灰的添加量试验 ( 重量g ) 譬粉 煤 灰 生 石 灰 石 膏 7 -a 120 3 d t -5 水 泥 ， 比表面积 0.5 1 5 0.5 1 5 0 . 5 1 5 0 . 5 1 5 0 . 5 1 5 0 . 5 1 5 1 5 . 5 0 9 0 1 9. 1 8 9 0 1 7 . 5 09 0 1 4. 1 7 9 0 1 2 . 7 21 0 1 1 . 0 6 8 0 、曰心弓jll口、 -. .且，.二.二j.且.三且 202020202020 455055606570 ，且2内j4、u 第3章 结果与讨论 一合nl口日二口 切飞5璐召那五 0 一 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 粉煤灰添加量/ ( 9 ) 图3 . 3粉煤灰的添加量对比表面积的影响 由 表3 . 3 和图3 .3 可知， 随着粉煤灰 含量的 增大， 陶粒的比表面积也随 之增 大， 当 粉 煤 灰 添 加 量 为5 0 g 时， 陶 粒 的 比 表 面 积 达 到 最 大 值 。 当 粉 煤 灰 添 加 量 增加到7 0 g 时，陶 粒很 难成球，表面出 现大 量裂痕。 这是因为生石灰在潮 湿环 境中 生成的c a ( o h ) 2 与粉 煤灰玻璃体中的活性s i 0 2 , a 1 2 0 : 反应生成水化 硅酸 钙及水化铝酸钙， 因 此大掺量粉煤灰的二次 水化反 应将消耗大量的c a ( o h ) 2 ， 将 使碱储备、液相碱度降低，粉煤灰的碱储备减少，碳化中和作用的过程缩短， 导致粉煤灰陶粒抗碳化性能的降低，从而降低其比表面积。 3 . 1 . 1 .4石 膏用量的确定 石膏的添加能够提高陶粒碳化性能及其强度。 石膏的 添加量试验见表3 .4 及图3 . 4 0 表3 .4石膏的 添加量实验 ( 重 量g ) 鹰粉 煤 灰生 石 灰石 “ y-a 120 3 d t ，水 泥 比表面积 a (m 2 /g ) 0 . 5 1 51 8 . 7 3 1 0 1 9 . 21 8 0 2 0 . 5 4 4 0 种、种、口 : o0 0. 51 9 . 7 0 7 0 、甘jl、护行、j . 心.且j.ij.1曰.1 、 0.l on“ 2气 00 扣、 了0几 .52 nn目 ， n0 、叹 n，nu ，且，山 第 3 章 结果与讨论 八u二d八ulbn 六jn乙q白，且，工 之飞5铃蔺释妇 0 0. 5 1 1 . 5 石膏添加量/ ( 9 ) 2 2 . 图3 . 4石膏的 添加量对比 表面积的影响 由表3 . 4 及图3 . 4 可知， 石膏用量对比 表面积影响 不大， 石膏的添加量为 1 . 5 9 时，比 表面积达到最大值。 石膏添加量继续增大，比 表面积有所降低。当 石膏添加量过多时， 石灰消化时间过长， 使得其活性降 低，比 表面积也有所下 降。 3 .1 .2其它 原料 用量的 确定 制备高性能陶粒，除了要求所制陶粒具有一定的机械强度外，还要求内部 有许多微孔，并具有较好的生物亲和性，因此，还需要添加其它原料. 3 . 1 . 2 . 1 发泡剂的选取及其添加量的确定 ( 1 )双氧水的添加量 双氧水的添加量试验见表3 . 5 和图3 . 5 0 表3 . 5双氧水的 添加量试验 ( 重量g ) ( 双氧水除外) 样，、_二_* _ ，. _ _ 且初赚次王们次巾霄水瓶下 . 几1 2 u3 ll 1 - 1 勺 比表面积 a ( m 2 / g ) 1 8 . 9 5 7 0 1 9 . 4 0 2 0 0.50.5 一一 .且，j 2，2 2 4 5 0 2 0 1 . 5 1 5 1 . 5 0 . 5 9 1 8 . 9 0 8 0 . . . . . . . . . . . . . . 第3章 结果与讨论 anu工d01tjcu 门乙9一11.1 之n怎5冲召那绍 图3 . 5 由表3 .5和图3 . 5可知 ( 2 )氨水的添加量 4 6 8 1 0 1 2 双氧水添加量/ ( 9 ) 双氧水的添加量对比表面积的影响 ，添加双氧水可以略微增加陶粒的比表面积。 氨 水的 添加量试验见表3 . 6 及图3 . 6 0 表3 . 6氨水 添加量试验 ( 重量g ) ( 氨水除外) 粉煤灰生石 灰石膏 水泥7 - a 1 2 0 3 d t - 5氨水 ( ml ) 比表面积 样号 2 0 1 .5 1 5 0 .51 8 .2 6 6 0 0 .5 2 0 .4 9 8 1 0 .5 2 1 . 1 2 1 0 0 .51 7 .4 7 5 0 第 3章 结果与讨论 二dc甘二dolbnu 0白q曰，且，且 之飞v彩闷释玉 5 1 0 1 5 氨水添 加量/ ( m l ) 2 0 2 5 图3 .6氨水的添加量对比表面积的影响 由 表3 . 6 及图3 .6 可 知， 氨水添加量的 增加对比 表面 积的 影响 不大。 ( 3 )碳酸氢钠的添加量 碳酸氢钠的添加量 试验见 表3 . 7 及图3 . 7 0 表3 . 7碳酸氢钠的添加量试验 ( 重量g ) 粉煤灰生石灰石膏水泥7 - a 1 2 0 3 d t - 5碳酸氢钠 样号 2 1 . 2 2 2 0 2 1 . 6 6 0 0 甘，矛 jlj . 00 l.5l.5 2 2 . 0 6 9 0 ，j : 00 :5 .且.且 1 5 1 5 293031 1 5 1 52 3 . 3 5 0 0 l.5l.5 1 3 1 5 2 3 . 7 7 即 创、jl、 : 00 l.5l.5 2 6 . 2 1 3 0 2 4 . 8 1 0 0 2 2 . 5 4 9 0 ，声0 ，1， 3工j . 00 0 .5 1.51.51.5 勺行、 .且.11.tl.卫 1.51.51.51.5 2020加20加20加 5050阳505050505050 2门，411沪0，了 舟j门jl份jfj，j 第 3 章 结果与 讨论 要飞华璐目哪出 1 0 1 5 2 0 碳酸氢钠添加量/ ( 9 ) 图3 .7碳酸 氢钠的 添加量对比 表面积的影响 发泡剂的添加能增加陶粒的孔隙度，增大其表面粗糙度，以增大其比表面 积。由 表3 . 5 、表3 . 6 、表3 . 7 可 知: 在其他条 件一样 时，比 较 双氧水、 氨水和 碳 酸氢钠的作用，可以看出，以碳酸氢钠的作用最好，比表面积普遍大于双氧水 和氨水， 碳酸氢钠的 添加量为巧 9 时，陶粒的比 表面 积达到了 最大。 因此本试 验选取碳酸氢钠作为陶粒的发泡剂。 3 . 1 .2 .2纳米 材料用量的 确定 ( 1 ) y - a 1 2 0 3 的添 加量 ,y - a 1 2 0 3 的 添加量试 验见表3 . 8 和图3 . 8 . 表3 . 8 y - a 儿 o ， 的添加 量试 验 ( 重量b ) 瞥粉 煤 灰生 石 灰石 膏 水泥y - a1 2 0 ; d t - 5碳酸氢钠 3 8 5 02 0 1 .5 2 0 1 .5 1 5 0 1 5 0 . 5 1 5 1 .0 1 5 1 5 1 9 .2 5 8 0 冲jl、j .- 八“0 1 5 1 5 2 3 . 3 7 4 0 1 5 1 5 、 : 00 2 5 . 1 6 4 0 、nu : j.2 1.51515 八unn 2，1，一 第3 章 结果与讨论 nu口 八oq自 八曰二dn q，工，二 把飞v彩旧邵五 0 0 . 5 1 1 . 5 2 y - a 1 2 0 3 添 加 量 / ( e ) 2 . 5 图3 . 8 y - a 1 2 0 3 的添加量对比表面积的影响 ( 2 )纳 米s i 0 2 的 添加量 纳米s i 0 2 的添加量试 验见表3 . 9 及图3 . 9 0 表3 .9纳米s i 0 , 的 添加量试验 ( 重 量s ) *，、。 ，水二、 .， 。 . _ _ 切 人 祝 刁 弋二上 . 们 刁 k们 耳二子 州 不j l 认vi-5 灵 七 碳 酸氢钠 比表面积 a w/ o 样号 2 0 1 . 5 1 5 0 . 505 2 0 . 8 3 0 0 0 . 52 2 . 3 2 1 0 0 . 51 9 . 8 9 4 0 2 .00 . 51 7 .2 9 0 0 第3章 结果与讨论 5n q白n乙 巧 1 0 望飞5璐召那绍 0 . 5 1 1 . 5 2 纳米s i 0 2 的 添加 量/ ( g ) 2 . 5 图3 . 9纳米s i 0 2 的添加量对比表面积的影响 ( 3 )纳 米z n o的添加量 纳米 z n o的添加量试验见表3 . 1 0 及图3 . 1 0 0 表3 . 1 0纳米z n o的添加量试验 粉煤灰生石灰石膏水 泥纳米z n od t - 5碳酸氢钠 比表面积 a ( m z / g ) 样号 1 5 0 . 50 .51 8 . 6 4 0 0 0 .51 9 . 6 6 1 0 0 .5 2 .00 . 51 8 .0 0 1 0 第3章 结果与讨论 之、y彩旧书绍 0 . 5 1 1 . 5 纳米z n 0 的添加量/ c b ) 图3 . 1 0纳米z n 0的添加量对比表面积的影响 本实验陶粒是经蒸气养护而制成，纳米材料没有烧结团聚问题，比表面积 大大提高。增大 纳米材料添加量能显著提高陶粒的比 表面积。由 表3 . 8 、表3 . 9 , 表3 . 1 0 可知:在其他 条件一 样时， 比较 y - a 1 2 0 3 、 纳米s i o 2 、 纳 米z n o作用， 可以 看出，以 y - a 1 2 0 3 的 作用最好，比表面积普遍大 于纳米 s i o 2 、 纳米 z n o , 当 y - a 1 2 0 3 的 添加量为 1 . 5 g 时，陶粒的比 表面 积达到了 最大， 但是当7 - a 1 2 0 3 的 用 量 为2 9 时 ， 添 加 量 过 多 ， 产 生 了 纳 米 材料 的 团 聚， 比 表 面 积 反 而 下降 。 因 此本试验 选取 y - a 1 2 0 3 作为陶粒中 添加的 纳米材料， 添加量为1 . 5 g , 3 . 1 .2 .3 d t - 5 用量的确定 d t -5的添加量试验见表 3 . 1 1 和图 3 . 1 1 0 表3 . 1 1 d t - 5 的 添加量试验 ( 重 量b 样 二_ _一一_ _ 二 _ ， _ . 号 扮 煤 次 王 妇 次 勺霄 术 泥t - a z u 3 1 l = 5族 酸 红 讯 0 1 5 0 .5 1 5 1 1 5 1 .5 1 5 2 .0 1 5 2 5 . 3 2 5 0 l.5l.5 1 .5 1 5 1 5 1 5 nn ，内乙 n一u 、一、 2 7 . 2 3 5 0 ，1，一月 jlj1 1 5 1 5 2 4 . 1 9 4 0 2 3 . 2 3 8 0 jl、nu 1.且，石 1.51.51.51.5 20加20 non 户，、 月， 神jl， 第3章 结果与讨论 n二d q，1 切飞华冲谊那五 1 0 一 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 d t - 5 添加量 / ( g ) 图3 . 1 1 d t - 5 的添加量对比表面积的影 响 由 表3 . 1 1 和图3 .1 1 可 知， d t - 5 的 添 加 量以1 g 为 宜 ， 比 表 面 积 达到 最 大 值。添加 适量的d t - 5 能使每一颗粉末表面形 成一层薄膜，从而可以 减少粉末 颗粒与颗粒之间的摩擦力。且粉末越细，比表面积越大。但随着 d t - 5的添加 量的增加，比表面积逐渐下降。 3 . 1 . 3正交试验 为确定陶粒原料的最佳配方，在上述单因素试验的基础上，考虑到各单因 素用量对比表面积的影响， 选定粉煤灰、 生石灰、 石膏添加量 分别为5 0 g . 2 0 g . 1 . 5 g ，进行水 泥、 碳酸 氢钠、y - a 1 2 0 3 , d t - 5的正 交试验，以 四种 添加剂为因 素， 设计三水平四因素肠 ( 3 a )正交 试验， 试验设计见表3 . 1 2 和表3 . 1 3 0 表3 . 1 2正交试验因素水 平表 . .口. .曰. . . .曰. . 口. . 水平 因素 泥(a 1 2 3 水泥 a1 1 0 1 5 2 0 sj.5 1.n，二 1001 碳酸氢钠( b ) d t - 5 ( c ) y - a 1 2 0 3 ( d ) 第3章 结果与讨论 表 3 . 1 3正交试验表 因素指标陶粒特征 样号 水泥碳酸氢钠d t - 5 y一 12 03 比表面积 a ( m 2 / g ) 1 9 .6 5 1 0 . 5 1 9 .8 5 3 1 5 .0 9 0外表灰黑色、 粗 1 6 . 9 4 4糙、多微孔， 内 2 7 . 1 9 7灰黑色、 多微孔 2 0 . 7 9 0 1 6 . 1 3 0 l.52 、 : 00 1 4 . 3 8 0 1 5 . 1 5 2 101520101520101520 1 8 . 1 9 8 2 1 . 6 4 4 1 7 . 5 7 51 5 . 4 7 11 7 .31 6 2 0 . 4 7 71 8 . 9 2 41 8 .2 7 4 1 7 . 0 1 11 7 . 0 1 11 9 .4 7 2 3 . 4 6 65 . 1 9 62 . 1 5 6 64-ki-心一幻r 第 3 章 结果与讨论 人 八 / / snu 2兀值2 3 0 i s 2 0 水泥( 1 0 1 5 2 0 碳酸氢仁 内 ( 日 0 0 . 5 d t 一( ) 1 1. 5 2 -1 r c r b r d , 即个因素对陶 粒比 表面积影响程度大小 依次为: 水 泥的添加量、 d t - 5 的 添加量、 碳酸氢 钠的 添加量和y - a 1 2 0 3 的添加量， 这与 前面单因素 试验相吻 合。由 此可 以 得出a 2 b 2 c 3 几的 组合 最好。 但由 于d a 的k相 差不大，出 于经济性的考虑， 选择 d 2 - 因此陶粒 最佳配方为:粉煤灰5 0 g ，生石灰为2 0 g ，石膏为1 . 5 g ， 水泥为 1 5 g , d t - 5 为1 g , y - a 1 2 0 3 为1 .5 g , 碳酸氢钠为1 5 g o 3 . 1 . 4陶粒最佳配方的验证 以正 交实验得出的 最佳配方制备陶粒， 测其比 表面积为2 7 .2 3 5 0 m 2 / g ， 比 表 面积达到最大值，由 此验证了 陶粒的最 佳配 方的 正确性。 因此陶粒批量生产最佳条件为: ( 1 ) 配 方 : 粉 煤 灰5 0 g ， 石 灰为2 0 g ， 石 膏 为1 .5 g ， 水 泥 为1 5 g , d t - 5 为1 g , y -a 12 0 3 为1 .5 g , 碳 酸 氢 钠1 5 g . ( 2 ) 养 护工艺: 陶 粒生料先经陈化， 即在室 温 ( 约2 0 2 5 ) 放置1 h ，再 移入 烘箱，1 0 0 温度下烘2 h ， 最后 移入压力 蒸汽灭 菌器中以1 0 0 进行 恒温 养 护 1 2 h ， 制得粒径为3 - 6 m m的 球形陶粒填 料。 采取此配方生产陶粒， 完 全取 代粘土，并充分利用了工业废渣，可以 减少环境污染，降低生产成本， 达到了 以废治废的目的。 第3 章 结果与讨 论 3 . 3 . 2陶粒运行实验 实验采用间 歇式进水， 以c o d去除效率为 指标衡量，比 较用专性厌氧菌挂 膜与用普通污泥 挂膜的a f 反 应器处理废水的 效果。分别控制 进水c o d浓度约 为5 0 0 0 m g / l , 2 0 0 0 m g /l . 5 0 0 m g /l 左 右 ， 改 变 水 力 停留 时 间h r t ， 分 别 考 察 h r t与c o d去除率的关系。 首 先 ， 控 制 进 水c o d 浓 度 为5 0 0 0 m g /l ， 比 较 用 培养 的 专 性 厌 氧菌 挂 膜 与 用普通污 泥挂膜时 处理有机废水的效果。用专 性厌氧菌挂膜， 进水c o d 5 2 1 4 m g / l ， 初 始 容 积 负 荷为2 3 .3 5 k g c o d / m 3 -d 时c o d 去除 率 与h r t 的 关 系 见 表 3 . 1 6 、图3 . 2 0 0 表3 . 1 6 进 水c o d 5 2 1 4 m g / l 时 用 厌 氧 菌 挂 膜 的a f 塔 的 处 理 效 果 h r t ( h ) 出水c o d浓度( m g / l )c o d去除率( % ) njj工曰.工on勺ur工bl了44弓 3752647375778489939697 3 2 6 8 2 4 8 0 1 8 7 0 1 3 6 5 1 2 8 8 1 1 5 8 8 0 8 5 3 5 3 4 2 1 8 9 1 4 1 口4扮or nc乙目通孟ouc扮匕 ，111.工q曰4自10户 n曰 nn ，二8 6 0 0 0 5 0 0 0 巴并遴报80 八曰八曰 6d几 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0士 c o d 浓度 c o d 去除率 曰国侧锐ooq书田 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 h r t / ( h ) 图 3 . 2 0厌氧菌挂膜的a f塔处理生活污水时 h r t与c o d去除率的关系 第3章 结果与讨论 用 普 通 污 泥 挂 膜， 进 水c o d 4 7 2 6 m g / l ， 初 始 容 积 负 荷为2 0 .3 5 k g c o d / m 3 -d 时 c o d去除率与h r t的关系见表 3 . 1 7 、图3 . 2 1 0 表3 . 1 7进水c o d 4 7 2 6 m g / l时用普通污 泥挂膜的a f 塔的处理效果 h r t ( h )出水c o d浓度( m g / l ) c o d去除率( % ) 2 3 0 3 0 3 5 . 8 4 2 2 2 4 5 2 . 9 6 1 7 5 9 6 2 . 8 8 1 4 49 6 9 . 3 1 0 1 2 38 7 3 . 8 1 2 1 0 7 9 7 7 . 1 1 8 8 8 8 81 . 2 2 4 6 8 5 8 5 . 5 48 5 4 7 88 . 4 7 2 3 8 9 91 . 8 9 6 3 5 0 9 2.6 们 八uo 1工qu 冰等渔闷。0口 nu 6a 二 c o d 浓度 c o d 去除率 曰比已侧说8切书王 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 h r t / ( h ) 图3 . 2 1普通污泥挂膜的a f塔处理生活污水时h r t与c o d去除率的关系 第3 章 结果与 讨论 比较 表 3 . 1 6 和表3 . 1 7 可知， 进水浓度相 近时， 用厌氧菌挂膜的a f 塔在 水 力停留时间为9 6 h 时c o d去除率达到了9 7 . 3 ; 而用普通污泥挂膜的a f 塔 在 水力停留时间为9 6 h 时c o d去除率为9 2 .6 %. 利用厌氧菌比 用普通污 泥挂膜 在 相同水力 停留时间内处 理效果更好。 控制 进水c o d浓度为2 0 0 0 m g / l ，比 较用培养的 专性厌氧菌挂膜与用普通 污泥挂膜时处理有机废水的效果。 用 培 养的 厌 氧 菌 挂 膜， 进 水c o d 2 0 7 4 m g / l ， 初 始 容 积 负 荷为8 .5 9 k g c o d / m 3 -d 时c o d去除率与h r t的 关系见表3 . 1 8 、图3 . 2 2 0 表3 . 1 8进水c o d 2 0 7 4 m g / l 时用厌氧菌挂膜的a f 塔的处理效果 h r t ( h ) 出水c o d浓度( m g / l )c o d去除率( % ) 1 3 5 8 9 2 7 6 7 0 5 3 5 4 7 5 4 3 6 4 0 4 3 7 5 3 5 3 2 9 9 2 8 8