高掺量铁尾矿陶粒滤料的制备

张学董 朱晓丽 么琳 黄新冉

摘 要：本试验以铁尾矿为主要原料，通过掺加炉渣、粉煤灰、石灰石、外加剂等辅料，进行铁尾矿陶粒的制备与污水处理研究。当原料配比为铁尾矿86%、炉渣7%、粉煤灰5%、石灰石1%、外加剂1%时，在最高煅烧温度1100℃的条件下，可制得表面粗糙、粒径3～5mm、吸水率14.01%、孔隙率31.07%、堆积密度1.12kg/m3、表观密度为1.92kg/m3的陶粒，其对生活污水的浊度去除率为64.02%，COD去除率最高可达79.48%。

关键词：高掺加量铁尾矿；陶粒；浊度；COD

铁尾矿是将铁矿石充分磨细后，通过磁选技术选取铁精粉后所剩余的固体废弃物。据中国资源综合利用协会发展报告，我国尾矿总产生量达到了11.92亿吨，占全国工业固体废弃物的45%以上，而综合利用率只有13.3%，且目前已累积堆存100多亿吨[1]。因此，尾矿的回收利用与资源化开发成为科研领域的研究热点。

陶粒具有化学性能稳定、耐磨擦、抗冲击、耐腐蚀、耐高温、比表面积大、截污能力强、不向水体释放有毒有害物质等特点，是现代污水处理工艺的理想滤料[2]。本试验以铁尾矿为主要原料，通过掺加适当的辅料，如炉渣、粉煤灰、石灰石、外加剂等，进行高掺加量铁尾矿陶粒滤料的研究制备，并用于生活污水处理。

1 实验原料及器材

1.1 实验原料

铁尾矿：取自唐山迁安某铁矿的铁尾矿砂，是陶粒的主要原料，提供强度并可做粘结剂。

炉渣：取自燃煤锅炉废渣，可提供部分热值，也是陶粒的造孔剂。

粉煤灰：取自唐山发电厂，可改善成球性。

石灰石：为造孔剂，也可煅烧过程中提高陶粒强度。

外加剂：主要成分为有机物，是造孔剂和粘结剂。

主要原料的化学成分如表1所示。

1.2 试验仪器

试验所用的主要仪器有：振动磨、水泥净浆搅拌机、电热鼓风干燥箱、高温电阻炉、分析天平、恒温消解器、化学耗氧量测定仪、多参数水质分析仪等。

2 试验方法

2.1 铁尾矿生物陶粒制备

按照一定的配比准确称取各原料于水泥净浆搅拌机中，加入27%的自来水搅拌均匀，采用手工成球的方式制得3～5mm的生料球，在105±5℃下烘干3h以去除自由水，然后置于高温电阻炉中，按设定升温程序升温至1100℃煅烧30min，陶粒产品在室温下自然冷却即得铁尾矿生物陶粒。

2.2 污水处理实验

本实验所用的污水取自学校食堂地坑的生活污水，试验过程自制污水过滤器一个，将陶粒放入玻璃管中，堆积高度为35mm，固定于铁架台上，将配制好的生活污水置于污水过滤器中，测定在规定时间内污水的COD值和浊度值变化。

3 影响陶粒滤料性能因素

3.1 铁尾矿掺加量

铁尾矿是陶粒的主要原料，其掺加量对陶粒的性能有很大影响。通过查阅大量文献发现，目前应用铁尾矿来制备陶粒的研究，其铁尾矿掺加量普遍偏低，因而较大地限制了尾矿的利用率，因此本试验拟定铁尾矿掺加量80%为起点来进行研究，铁尾矿最高掺加量为88%。当铁尾矿含量不同时，生活污水的COD值变化如表2所示。

铁尾矿的主要成分为二氧化硅和氧化铁，是陶粒产生强度的主要因素，铁尾矿掺加量的增大将导致料球易烧性降低，使得陶粒产品结晶不良，强度降低。

由表2可以看出，随着铁尾矿掺加量的提高，污水的去除率并没有提高，而是有所降低，当铁尾矿掺加量高达88%时，陶粒的去污效果却显著降低，综合考虑在具备较高生活污水COD去除率的前提下尽量提高铁尾矿掺加量，本试验确定铁尾矿的掺加量为86%。

3.2 粒径

料球粒径直接影响陶粒产品的比表面积大小，进而影响陶粒产品的过滤吸附性能。一般情况下陶粒产品的粒径控制在1～20mm。若料球粒径偏大，则比表面积偏小影响过滤效果；若粒径过小则增加了生产成本，因此本试验拟定料球粒径在3～10mm。当成球粒径不同时，生活污水的COD值变化如表3所示。

表3 不同成球粒径陶粒的COD去除效果

由表3可以看出，当陶粒粒径为5～10mm时，陶粒的比表面积偏小，陶粒堆积时紧密度降低，空隙较大，污水处理效果差；但当料球粒径为3～5mm时，此时陶粒产品的比表面积较大，堆积密度高，过滤吸附性能好，COD去除率高，因此确定陶粒粒径为3～5mm。测得陶粒的吸水率14.01%、孔隙率31.07%、堆积密度1.12kg/m3、表观密度为1.92kg/m3。

3.3 煅烧温度

最高煅烧温度直接影响料球在高温阶段其内部物相的变化与硅酸盐凝胶相的生成。烧胀陶粒的煅烧温度一般控制在950℃～1300℃。本试验选取1050℃～1150℃这一温度段作为研究范围。当煅烧温度不同时，生活污水的COD值变化如表4所示。

表4 不同最高煅烧温度陶粒的COD去除效果

由表4可以看出，煅烧温度是影响陶粒性能的决定性因素之一，煅烧制度的改变，对陶粒的去污能力有较大影响。在1050℃时，煅烧温度相对较低，生成的液相不完全，强度较低，在1150℃时，煅烧温度又相对过高，燃料消耗增加，使得过滤效果显著降低；当煅烧温度为1100℃时，所制得的陶粒只生成较少的玻璃相，并且内部微孔较多，终去除率较高，具有良好的过滤性能。

3.4 陶粒对污水的浊度去除效果

浊度是水中胶体及悬浮物含量的一个表征参数[3]。试验过程中，铁尾矿生物陶粒以较高的堆积密度紧密堆积在过滤试管中，污水通过时，一方面将其中粒径较大的悬浮物截留在滤柱内而使浊度降低；另一方面利用微生物之间的絮凝作用，使滤液中的胶体物质被吸附截留，从而达到对污水浊度的去除效果。

表5 陶粒对污水浊度的去除效果

随着过滤时间的增加，陶粒滤柱对污水浊度的去除稳定增长，当过滤时间达到20～30h时，去除效果趋于稳定，表明此时吸附已经基本完成。

4 结束语

4.1 试验表明，以铁尾矿为主要原料，通过掺加适当的炉渣、粉煤灰、石灰石、外加剂等辅料进行调配，可制得性能良好的铁尾矿生物陶粒。

4.2 应用铁尾矿陶粒形成滤柱对生活污水进行过滤，可以降低污水的COD浓度和浊度，效果显著。

参考文献

[1]李晶晶，丁益民，等.铁尾矿的处理及其资源化利用[J].粉煤灰综合利用，2012.

[2]冯秀娟.钨尾砂生物陶粒的制备及性能研究[J].金属矿山，2008.

[3]周卫军，党志良，吴佳鹏.黄河微污染原水生物预处理研究[J].陕西工学院学报，2004，20（3）：59-62.