铁尾矿陶粒的制备及对生活污水的处理

朱晓丽 陈瑞军 幺 琳 吴占兴

(1.唐山学院环境与化学工程系，河北 唐山063000;2.唐山市建材产品质量监督检验站，河北 唐山063000)

目前我国铁尾矿利用的方式主要有用作矿山采空区填料、土壤调节剂、水泥或砖的添加剂及用于制作微晶玻璃、新型墙体材料、陶粒等［1-2］。铁尾矿烧结制取陶粒不仅可以实现固体废物的资源化利用，而且可以降低环境污染、减少土地资源占用。现有的陶粒滤料主要由黏土、粉煤灰、煤矸石、硅藻土、赤泥等原料制备［3-5］。本研究以铁尾矿作为主要原料，同时掺加粉煤灰、煤矸石、石灰石和生物外加剂等制备陶粒(石灰石高温分解生成CO2，在陶粒内部生成气孔，使陶粒比表面积增大，可以提高生活污水COD 去除率;生物外加剂提高生料球的可塑性，有利于焙烧过程中陶粒结构内部气孔的生成)，并考察其对生活污水的处理效果。

1 试验原料及试验方法

1.1 试验原料

铁尾矿砂取自河北迁安铁矿，粉煤灰、煤矸石和石灰石取自唐山冀东水泥股份有限公司，生物外加剂外购。各原料均磨细至可通过0.08 mm 方孔筛，原料的化学成分分析结果见表1。生活污水取自唐山学院学生食堂和宿舍的污水井。

1.2 主要仪器设备

振动磨样机(XZM －100)、勃氏透气比表面积仪(DBT－127)、水泥净浆搅拌机(NJ －160B)、电热鼓风干燥箱(101－1))、箱式电阻炉(KSX)、多参数水质分析仪(GDYS －101M)、X射线衍射仪(XRD－6000)、扫描电镜(S－4800)等。

表1 原料化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of raw materials %

1.3 陶粒制备方法

分别称取一定量的铁尾矿砂、粉煤灰、煤矸石、石灰石和生物外加剂混合后，放入水泥净浆搅拌机中，加入25%的水进行搅拌，在制粒机上制备一定粒度的料球。料球置于105 ～110 ℃电热鼓风干燥箱中烘干2 h，烘干后的料球放入箱式电阻炉中在一定温度下焙烧20 min，采用自然冷却的方式冷却至室温。

2 试验结果与讨论

2.1 铁尾矿掺量对陶粒去除污水COD 效果的影响

条件试验表明铁尾矿掺量小于86%时，烧制的生物陶粒外观较粗糙、表面坚硬、致密性较高;铁尾矿掺量大于88%时，陶粒外观粗糙、易碎、强度低。随着铁尾矿掺量的增加，粉煤灰、煤矸石和石灰石添加比例相对降低，烧制过程中石灰石等分解产生的气体量降低，导致陶粒致密性降低，因此选取铁尾矿掺量为80% ～86%进行试验。铁尾矿掺量试验固定陶粒粒径为3 ～5 mm、焙烧温度为1 100 ℃，试验各原料在总物料中的质量分数见表2，试验结果见图1。

表2 各原料质量分数Table 2 Proportion of each raw material used for ceramsite %

由图1 可知:随着过滤时间的延长，生活污水中COD 逐渐降低;铁尾矿掺量在80% ～86%时，改变铁尾矿掺量对生活污水COD 的去除效果影响不明显，过滤24 h 后，COD 去除率均可达80%左右。为了实现铁尾矿资源利用的最大化，确定铁尾矿掺量为86%。

2.2 陶粒粒径对陶粒去除污水COD 效果的影响

在铁尾矿掺量为86%、焙烧温度为1 100 ℃时，考察不同粒径陶粒对生活污水COD 的去除效果，结果如图2 所示。

图1 铁尾矿掺量对陶粒去除生活污水COD 的影响Fig.1 Effects of iron dosage on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

图2 陶粒粒径对陶粒去除生活污水COD 的影响Fig.2 Effects of ceramsite diameter on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

从图2 可以看出:粒径为3 ～5 mm 的陶粒对COD 的去除效果优于粒径为6 ～10 mm 的陶粒。当粒径为6 ～10 mm 时，烧制过程易产生焙烧不均匀、烧不透的现象，降低陶粒对生活污水COD 的去除效果;此外，粒径过大还会导致陶粒比表面积和堆积密度的降低。因此确定陶粒粒径为3 ～5 mm。

2.3 焙烧温度对陶粒去除污水COD 效果的影响

固定铁尾矿掺量为86%、陶粒粒径为3 ～5 mm，考察不同焙烧温度烧制的陶粒对生活污水COD 的去除效果，结果如图3 所示。

图3 焙烧温度对陶粒去除生活污水COD 的影响Fig.3 Effects of roasting temperature on COD removal efficiency of sewage by ceramsite

从图3 可以看出:1 100 ℃时烧制的陶粒对生活污水COD 去除率最高。焙烧温度较低时，焙烧过程生成的液相量不足，陶粒外观粗糙，强度较低，在污水中易粉化;焙烧温度较高时，焙烧过程产生了过多的液相［6］，产生的陶粒外观光滑，内部空隙少，阻碍了有机物的吸附，对生活污水COD 去除效果不明显。综合考虑，确定焙烧温度为1 100 ℃，此时陶粒对生活污水COD 的去除率为80%。

2.4 铁尾矿和陶粒的XRD 分析

分别对铁尾矿和最佳条件制备的陶粒进行X 射线衍射分析，结果见图4。

图4 铁尾矿和陶粒的XRD 图谱Fig.4 XRD pattern of iron tailings and ceramsite

从图5 可以看出:铁尾矿和陶粒均以石英、赤铁矿和钠长石为主，但其中钠长石特征衍射峰(d =0.318 nm，0.404 nm，0.292 nm)的相对衍射强度不同。使用Jade 分析软件可知，在铁尾矿中钠长石的3个特征衍射峰的相对强度为I/I0=19，2，2，而在陶粒中的钠长石的3 个特征衍射峰的相对强度为I/I0=21，11，6。即钠长石在陶粒中的特征衍射峰明显增强，说明陶粒中钠长石的含量相对铁尾矿中要高。钠长石属于架状硅酸盐类矿物，有利于陶粒强度的提高。

2.5 铁尾矿陶粒形貌分析

对陶粒进行SEM 分析，得到陶粒内部的气孔分布微观形貌如图5 所示。

从图5 可以看出，陶粒内部分布着大量的微气孔，气孔孔径从几微米到几百微米不等，增大了陶粒比表面积，使其具有较好的吸附性能，有利于污染物的吸附。

图5 陶粒SEM 照片Fig.5 SEM images of ceramic

3 结 论

(1)在铁尾矿、粉煤灰、煤矸石、石灰石、生物外加剂添加量分别占总物料量的86%、6%、4%、3%、1%，陶粒粒径为3 ～5 mm，焙烧温度为1 100 ℃时，烧制的陶粒滤料对生活污水COD 去除率可达80%。

(2)陶粒烧制过程中产生的钠长石属架状结构硅酸盐矿物，提高了陶粒的强度，同时陶粒表面粗糙、内部多孔、比表面积大，有良好的吸附性能，有利于生活污水中污染物的去除。

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