CN102584177A

CN102584177A - 一种除磷粉煤灰陶粒及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102584177A
Application number: CN2012100351901A
Authority: CN
Inventors: 谌建宇; 罗隽; 罗沛聪; 骆其金; 庞志华
Original assignee: South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment
Current assignee: South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: CN102584177B

Abstract

本发明属于水污染控制技术领域，公开了一种除磷粉煤灰陶粒及其制备方法和应用。该除磷粉煤灰陶粒由以下按质量百分比计的组分组成：粉煤灰50％，膨润土35％，熟石灰10％，自来水5％。制备方法包括步骤：(1)原料混和；(2)造粒；(3)干化；(4)高温马弗炉烧结。本发明利用电厂固体废弃物粉煤灰作为主要原料，大大减少了粘土及页岩等天然矿物的使用，又为固体废弃物的妥善解决提供了出路；所得除磷粉煤灰陶粒具有良好的除磷效果，其堆积密度为877kg/m³，表观密度为1509kg/m³，空隙率为41.9％，筒压强度6.94MPa，盐酸可溶率为2.3％，具有明显的实用性及性能优势。

Description

一种除磷粉煤灰陶粒及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于水污染控制技术领域，特别涉及一种新型高效高强度除磷粉煤灰陶粒及其制备方法和应用。

背景技术

水处理陶粒是目前在污水处理中越来越被广泛应用一类环境功能材料，目前主要在曝气生物滤池，人工湿地及水处理滤坝等废水处理工程中作为填料使用，是上述废水处理工程的核心材料。陶粒的外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体，用作水污染治理的陶粒其粒径一般为5～20mm，具有表面粗糙、高强度、轻质和内外表面多孔的基本特点，可承受长期高负荷的水力冲击，并可为微生物在其表面附着成膜创造良好条件。随着水处理陶粒研究的日益深入，越来越重视在陶粒的制备过程中赋予其更多的特性，尤其是对特定污染物的去除特性，如脱氮除磷、重金属吸附、有机污染物脱除功能等，陶粒的研究开发逐渐呈现高效、多功能化的趋势特点。

传统陶粒的制造材料大多数是天然的，大部分以粘土和页岩烧结而成，目前广泛用于水污染治理的陶粒中大部分仍为此类陶粒。但随着天然资源的日益枯竭，以固体废弃物作为原料制造水处理陶粒成为目前技术发展的主要方向。可用于生产陶粒的固体废弃物包括：粉煤灰、钢渣、矿渣、炉渣、河道淤泥、污水处理厂淤泥和生活垃圾焚烧炉渣等。其中，由于粉煤灰的主要成分与粘土成分相似，材料易得，且相对较为安全，目前被认为是制备水处理陶粒的最佳替代材料。目前粉煤灰在我国的产量稳定，年产量约4亿吨，利用粉煤灰制造水处理陶粒可同时解决粉煤灰的处置出路问题，是“变废为宝”一大举措。

粉煤灰陶粒除具有一般水处理陶粒的特性之外，由于其主要成分粉煤灰中含有较多的Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺和Fe³⁺等金属离子，可在水处理过程中对磷元素有明显的去除效果。除此之外，由于粉煤灰陶粒的空隙较传统陶粒要丰富，其对污染物的吸附作用会更加明显。据现有的研究表明，粉煤灰陶粒主要可通过化学沉淀作用、化学吸附作用、微孔吸附作用及附着微生物的作用去除水中的污染物，尤其可有效降低水中磷元素的浓度。

用作水污染处理的粉煤灰陶粒通常应具备以下几个特点：高强度，可承受长时间的水力冲击；孔容大，孔隙丰富，有利于微生物挂膜，其有利于其对污染物的吸附；以具有自主去除某类污染物的能力为佳，实现陶粒的多功能用途。

传统陶粒本身一般不具备对污染物的去除能力，用作废水处理工程填料时主要是作为微生物附着的载体使用。目前国内污水处理出水标准提升，对废水的脱氮除磷要求越来越普遍，仅使用传统陶粒对强化废水污染物去除效果提升有限。为达到更高的处理出水水质要求，对现有废水处理工程填料进行改进就显得尤为重要。研究开发多功能陶粒可为曝气生物滤池、人工湿地及水处理滤坝等废水处理工程提供关键性的技术支持，是指导今后我国升级改造现有废水处理工程，提升废水处理脱氮除磷能力的重要基础性研究。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种除磷粉煤灰陶粒；该陶粒具有高效高强度的特点。

本发明的另一目的在于提供上述除磷粉煤灰陶粒的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述除磷粉煤灰陶粒的应用。该除磷粉煤灰陶粒可直接应用到水污染净化工程，如曝气生物滤池，人工湿地及水处理滤坝等，主要用于强化常规废水处理工程的深度处理，有效降低最终处理出水的磷元素浓度。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种除磷粉煤灰陶粒，所述除磷粉煤灰陶粒由以下按质量百分比计的组分组成：粉煤灰50％，膨润土35％，熟石灰10％，自来水5％。

所述粉煤灰的细度为150～200目。

上述的一种除磷粉煤灰陶粒的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)混和：将粉煤灰、膨润土和熟石灰按上述配比称量，混合搅拌均匀，得到混合原料；

(2)造粒：将混合原料分次加入圆盘造粒机，每次加入1.0～1.5kg混合原料，同时喷洒雾化后的自来水，每次喷洒50～70ml，进行造粒，直至造粒直径达到5～7mm，得到粉煤灰陶粒；

(3)干化：在自然条件下将粉煤灰陶粒干化12h；

(4)烧结：以速率10～15℃/min缓慢升温至380～450℃，暂停升温并放入平铺于托盘上的干化后的粉煤灰陶粒，保温预热30～35min，然后继续升温，升温速率为10～15℃/min，升温至950～1000℃后恒温烧结30min，降温至室温，得到除磷粉煤灰陶粒。

为了更好地实现本发明，所述步骤(2)中造粒时圆盘造粒机的转速为30～45rpm；所述将混合原料分次加入圆盘造粒机的时间间隔为5～10min，即加入1.0～1.5kg混合原料同时喷洒水后，间隔5～10min进行下一次加料及加水。

上述的除磷粉煤灰陶粒在制备废水处理工程填料中的应用。

本发明的原理是：本发明在传统粉煤灰陶粒的制备基础上加以改进，以燃煤电厂粉煤灰及膨润土为主要原料，通过对粉煤灰陶粒的烧结温度、烧结时间及预热时间等进行调整、确定，制备出高强度粉煤灰陶粒，该陶粒在处理10mg·L-1的含磷废水时可获得高达99.83％的磷酸盐去除率。

本发明除磷粉煤灰陶粒可应用于曝气生物滤池、人工湿地及水处理滤坝等废水处理工程中作为填料使用，可大大提升其对废水中磷元素的去除能力，解决目前该类废水处理工程对磷元素去除效果不佳，常需通过投药等手段去除磷元素从而导致污泥量大，后续处理复杂等问题，为当前废水经常规二级处理后出水的深度除磷提供处理效果好、运行维护费用低、二次污染小的新型技术。

本发明和现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)本粉煤灰陶粒针对曝气生物滤池、人工湿地及水处理滤坝等废水处理工程的填料特点进行了优化，着重解决应用此类填料的废水处理工程除磷效果差、加药后污泥量大等问题；(2)利用电厂固体废弃物粉煤灰作为主要原料，既大大减少了粘土及页岩等天然矿物的使用，又为固体废弃物的妥善解决提供了出路问题；(3)产品具有良好的除磷效果；(4)与市面上现有的粉煤灰陶粒相比，其堆积密度为877kg·m^-3，表观密度为1509kg·m^-3，空隙率为41.9％，筒压强度6.94MPa，盐酸可溶率为2.3％，具有明显的实用性及优势。

附图说明

图1为除磷粉煤灰陶粒的制备步骤流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：图1为除磷粉煤灰陶粒的制备步骤流程图，按该流程制备除磷粉煤灰陶粒的具体过程如下：

(1)混和：按细度为200目的粉煤灰(广东省佛山市南海电厂)为50％，膨润土(广州鑫鑫化工经营部提供)为35％，熟石灰为10％，自来水为5％的质量百分比配比分别称取原料后，混合搅拌均匀，得到混合原料。

(2)造粒：将混合原料分次加入圆盘造粒机(萍乡金丰实业有限公司)，造粒时圆盘造粒机的转速为30rpm，每次加入1.0～1.5kg混合原料，同时用喷雾器喷洒雾化后的自来水(每次喷洒50ml)并造粒，间隔5～10min后再进行下一次加料及加水，直至造粒直径达到5～7mm为止，得到粉煤灰陶粒。

(3)干化：造粒完成后，自然条件下将粉煤灰陶粒进行干化12h；

(4)烧结：先设定高温马弗炉的升温程序，以速率15℃/min缓慢升温，待升温至450℃时，暂停升温并放入平铺于平板高温托盘的干化后的粉煤灰陶粒，保温预热35min，完成预热过程后继续升温，升温速率仍保持在15℃/min，升温至950℃后停止升温，保持在950℃条件下进行烧结，烧结时间为30min；烧结完成后，自然降温至室温后取出，得到除磷粉煤灰陶粒。

对所得除磷粉煤灰陶粒与市面上现有较具代表性的水处理陶粒商品(江西省萍乡市飞云陶瓷实业有限公司产的水处理陶粒，为普通水处理陶粒)的性能进行对比测试，测试方法参照《中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T299-2008水处理用人工陶粒滤料》中相关测试方法，测试结果见表1。可见，两者的堆积密度、表观密度、空隙率及盐酸可溶率均较接近，但本发明的除磷粉煤灰陶粒的筒压强度达到了6.94MPa，明显要高于水处理陶粒商品，而水处理过程中要求陶粒有一定的强度，可抗水力冲刷及磨蚀等，故筒压强度相对越高越好。

表1实施例1制备的除磷粉煤灰陶粒与水处理陶粒商品的性能对比

实施例2：除磷粉煤灰陶粒用作磷酸盐去除剂的除磷效果

用实施例1制备的除磷粉煤灰陶粒和水处理陶粒商品(同实施例1中的水处理陶粒商品，下同)，分别在自配的富磷酸盐废水中进行磷酸盐的去除实验。实验过程如下：

将磷酸二氢钾溶于去离子水配制浓度为50mg/L的储备液，实验时取一定量稀释至10mg/L使用，取50mL倒入100mL锥形瓶，pH为自然值(约为7.0)，称量1.00g除磷粉煤灰陶粒或水处理陶粒商品，放入瓶中塞紧盖子并放入恒温振荡器，设置振荡条件为：温度25℃，振荡速率150rpm，振荡时间24h。振荡完毕后在3000rpm的条件下离心溶液10min，取上清液参照《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB 11893-1989)测定磷酸盐浓度，经过计算分别得到实施例1制备的除磷粉煤灰陶粒和水处理陶粒商品对磷酸盐的去除率。

经以上去除实验测定得到实施例1的除磷粉煤灰陶粒对磷酸盐的去除效率为99.83％，而水处理陶粒商品对磷酸盐的去除效率仅为4.83％。

实施例3：将实施例1制备的除磷粉煤灰陶粒用于强化人工湿地除磷的实验研究

建造人工湿地进行除磷粉煤灰陶粒用于强化人工湿地除磷的实验研究。人工湿地为垂直流式碎石床人工湿地，目的是将经二级处理后的出水排放水质进行深度处理，并将出水水质提升到一级A标准，即总磷浓度0.5mg/L，氨氮浓度5mg/L以下。

该人工湿地总体尺寸规格为：2700×1000×700(mm)。以防水隔板(PVC板，厚度可忽略)进行分隔，将其分两格，单格尺寸为：2700×500×700(mm)，布水高度为500mm。第一格填入实施例1制备的除磷粉煤灰陶粒(以下简称陶粒)及碎石以处理实验室废水处理站经常规二级处理后的出水，第二格为纯碎石床人工湿地，两者进行实验效果对比。

具体是在第一格填入陶粒+碎石层，由下往上第一层为碎石层，粒径15～20mm，碎石层厚75mm；第二层为碎石层，粒径5～10mm，碎石层厚75mm；第三层为陶粒层，粒径5～6mm，陶粒层厚300mm；第四层为粗砂层，粒径2～5mm，层厚50mm。即第一格中增添了一层陶粒层。

而第二格为纯碎石层，即由下往上第一层为碎石层，粒径15～20mm，碎石层厚75mm；第二层为碎石层，粒径5～10mm，层厚75mm；第三层为粗砂层，粒径2～5mm，层厚350mm。

该二级处理设施按Q＝1.20m³/h设计建设，每天运行9个小时，全天间断运行，运行时间为上午9:00至下午18:00，总设计处理水规模10.8吨。对人工湿地进行布水安排，流量等分成两股分别进入人工湿地的两格中。进水磷浓度(测定方法同实施例2)为2.0mg/L，每天监测一次，监测采样时间为15:00，连续监测三个月以上，第一格出水平均磷浓度为0.05mg/L以下，磷去除率为97.5％以上，大部分时间为未检出；而第二格出水平均磷浓度为1.63mg/L，对磷的去除率仅有19％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种除磷粉煤灰陶粒，其特征在于：所述除磷粉煤灰陶粒由以下按质量百分比计的组分组成：粉煤灰50％，膨润土35％，熟石灰10％，自来水5％。

2.根据权利要求1所述的一种除磷粉煤灰陶粒，其特征在于：所述粉煤灰的细度为150～200目。

3.根据权利要求1所述的一种除磷粉煤灰陶粒的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：

(3)干化：在自然条件下将粉煤灰陶粒干化12h；

4.根据权利要求2所述的除磷粉煤灰陶粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中造粒时圆盘造粒机的转速为30～45rpm。

5.根据权利要求2所述的除磷粉煤灰陶粒的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中将混合原料分次加入圆盘造粒机的时间间隔为5～10min。

6.根据权利要求1所述的除磷粉煤灰陶粒在制备废水处理工程填料中的应用。