自制粉煤灰陶粒填料处理城市污水

谢 跃，周笑绿，李倩炜

(上海电力学院 环境与化学工程学院，上海 200090)



自制粉煤灰陶粒填料处理城市污水

谢 跃，周笑绿，李倩炜

(上海电力学院 环境与化学工程学院，上海 200090)

利用粉煤灰、黏土、脱水污泥和碳酸钙等原料制备粉煤灰陶粒。通过正交试验确定原料的最优配比，并对自制陶粒进行了性能表征，进一步利用自制曝气生物滤池装置，通过改变运行参数，测试了自制陶粒用作曝气生物滤池填料处理城市污水的效果。结果表明：自制陶粒填料各项性能都符合相关标准；化学需氧量(COD)、总氮(TN)去除率随着水力停留时间(HRT)的增加而增加，当HRT为4h时，总磷(TP)去除率达到最大；低温不利于TN、TP的去除，温度对COD去除率影响不大；当进水中的TN含量为30mg/L时，TN去除率最大。TP去除率随着进水中的TP含量的增加而增加，进水浓度对COD去除率影响不大。

粉煤灰； 陶粒； 曝气生物滤池； 城市污水

1 前 言

曝气生物滤池(BAF)是在普通生物滤池的基础上借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工艺。它集生物处理和泥水分离于一体，占地小、工艺简单、运行成本较低、出水水质好，非常适合我国国情[1-2]。填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，对其处理效果和运行控制极为重要，其主要性能指标包括破损率、比表面积、孔隙率、表面粗糙度等[3]。

粉煤灰作为热电厂燃煤锅炉排放的固体废物，年排放量可达1亿多吨，除了部分用于建筑、交通、土壤改良等方面外，还有相当多的粉煤灰采用就地堆积的方法处理，极易造成环境污染[4-5]。粉煤灰中含有大量SiO2、Al2O3能提供大量的Si、Al的活性点，且比表面积大，具有较强的吸附能力[6-7]。因此，利用粉煤灰作为主要原料，通过添加黏土和外加剂的方法在高温下烧结成粉煤灰陶粒，与传统的黏土陶粒和页岩陶粒相比，不仅原料低廉易得，而且对污水中污染物质具有较好的去除效果[8-9]。

本研究以粉煤灰为主要原料，辅以少量黏土、脱水污泥和碳酸钙自制粉煤灰陶粒填料，通过正交试验确定了原料的最优配比，并测定其性能及不同运行条件下作为曝气生物滤池填料处理模拟城市污水的效果。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

(1)实验进水为实验室人工配制，每100L水中添加一定比例的其他成分，配制后水质约为COD=300mg/L、NH3-N=30mg/L、TP=5mg/L，具体配方见表1。

表1 实验进水成分 Table 1 Compositions of experiment inflow wastewater

(2)粉煤灰填料原料：粉煤灰取自上海某电厂，粘土取自上海某建筑工地，脱水污泥取自上海某污水厂污泥脱水间，碳酸钙(AR)购自国药集团化学试剂有限公司。

2.2 实验方法

2.2.1 粉煤灰陶粒的制备与筛选 将黏土、碳酸钙、活性污泥作为影响因素，分四个水平、四种原料配比加起来为1.2，采用L16(45)正交表设计实验[10]，各因素和水平值见表2。

表2 因素水平表L16(45)Table 2 Orthogonal experiment date with 5 levers and 4 factors

按所设计实验中各配比均匀混合原料，制成粒径为6～8 mm的颗粒，放入105℃干燥箱内干燥1h后取出，置于程控箱式电炉中，300℃下预热15min后再在900℃下焙烧30min，自然冷却后取出，即得到粉煤灰陶粒填料。将16组制备好的陶粒同时分别放入自制曝气生物滤池中(见图1)，保持进水浓度、HRT、温度等不变的条件下，待挂膜成功后，比较16组陶粒对于同一水中TN、TP的去除率，筛选出粉煤灰陶粒的最佳配比。

2.2.2 陶粒性能表征 根据“CJ-T299—2008水处理用人工陶粒滤料标准”[11]对筛选出的最优配比陶粒进行各项性能测试，并利用扫描电子显微镜(SEM)对其表面形态进行表征。

(1—水箱；2—蠕动泵；3—进水阀门；4—曝气头；5—承托层；6—粉煤灰陶粒载体；7—溢流出水口；8—鼓风机)图1 曝气生物滤池装置图Fig.1 Device of biological aerated filters

2.2.3 曝气生物滤池运行实验 大量制备筛选出的最优配比粉煤灰陶粒，装在自制曝气生物滤池中(见图1)，通过对比不同HRT、温度、进水浓度条件下粉煤灰陶粒载体对人工配制的城市生活污水TN、TP、COD的处理效果，确定以粉煤灰陶粒作为载体的曝气生物滤池处理城市生活污水的最佳工况。

3 结果与讨论

3.1 粉煤灰陶粒配方的确定

实验设计的正交实验结果见表3。比较表中各组陶粒对同一水质中TN、TP的去除率：第7、9组陶粒对TN去除率明显高于其他组；第1、2、3、5、6组陶粒粉煤灰含量过少，不利于其物理吸附性能的发挥，阻碍微生物如硝化菌在载体上附着生长；第13、14、15、16组陶粒粉煤灰含量过高，导致黏土含量不高，容易使陶粒强度降低，易掉屑，影响TN去除；第11组陶粒脱水污泥含量过高，焙烧过程中逸出的气体较多而形成了过多的空隙，影响了陶粒的强度。陶粒原料中含有钙，有利于去除污水中的磷，因此碳酸钙与粉煤灰含量较高的第9组和第10组陶粒对TP的去除率最高。

表3 正交实验计划及结果Table 3 Experiment contents and results

综上所述，第9组陶粒对于TN、TP的去除率最高，因此，确定本实验所制备最优粉煤灰陶粒的配方为第9组，即粉煤灰∶黏土∶脱水污泥∶碳酸钙=40∶40∶25∶15。

3.2 陶粒性能表征

3.2.1 微观结构分析 利用扫描电子显微镜(SEM)对第9组粉煤灰陶粒进行表面和剖面的形貌

观察，见图2。从图2可见，粉煤灰陶粒的表面粗糙且存在着大量的微孔及通道，成分以球形颗粒状为主，夹杂着一些不规则的物相、孔隙多，适合用作吸附材料来处理污水。作为污水处理载体，发达的孔隙结构和粗糙的表面能够有效地对水流和气流进行均匀分配，减小水流对生物膜的剪切力，减轻水流对载体上附着生物膜的冲刷，使得微生物与载体表面接触更加完全，有利于微生物在载体表面生长并形成生物膜。同时，能充分发挥陶粒的吸附性能和吸附容量，进一步增强对污染物的去除能力[6]。

图2 粉煤灰陶粒表面SEM照片Fig.2 SEM image of fly ash ceramisite surface

3.2.2 陶粒性能测试结果 对陶粒进行破损率、磨损率、盐酸可溶率、堆积密度、表观密度、空隙率、比表面积等性能测试，与CJ-T299—2008标准[11]比较结果见表4。

表4 粉煤灰陶粒性能测试结果与标准的比较

由表4可看出，粉煤灰的破损率与磨损率之和符合CJ-T299-2008标准。盐酸可溶率偏高但是也符合此标准，这是因为粉煤灰中含有硅、铝及其他可溶于酸的氧化物。对于堆积密度和表观密度以及空隙率来说，粉煤灰陶粒属于人造轻骨料，堆积密度和表观密度都较小，空隙率较大，相比其他传统的陶粒材料有较大优势。从表中可知粉煤灰陶粒载体在比表面积上的优势也很明显。总体而言，该粉煤灰陶粒载体性能良好，适合用作曝气生物滤池载体来处理污水。

3.3 曝气生物滤池运行实验

3.3.1 HRT对粉煤灰陶粒去除污染物效果的影响 分别选取2h、3h、4h、5h的HRT，考察不同HRT情况下，粉煤灰陶粒载体对TN、TP、COD去除效果的影响，结果见图3。由图3可知，由于人工配水的水质较稳定，进水TN维持在30mg/L左右，而出水TN都在15mg/L以下，满足(GB 18918-2002)一级A排放标准；HRT为2～5h时相应TN平均去除率分别为54.4%、57.8%、61.6%和63.94%，随着HRT增加，图中TN去除率曲线总体呈上升趋势。HRT的变化对TP去除影响也较明显，所有出水TP均达到二级标准；当HRT增加到4h时，粉煤灰陶粒载体对TP去除率达到最大。HRT的变化对COD去除影响不明显，去除率始终保持在85%以上，出水COD达到一级A标准。因此确定最佳HRT为4h。

图3 不同的水力停留时间(HRT)下对污染物去除的影响Fig.3 Effect of different HRTs on pollutants removal rates

分析其原因，可能是水力停留时间过长，而污水中有机物有限，从而抑制了微生物生长，再加上滤速比较低，气水(空气与污水)在反应器中的传输阻力比较大，易造成气水分布不均，导致去除率上升不明显。HRT越长，越有利于生物吸收和硝化作用，有利于微生物反应去除污水中的TN。

粉煤灰陶粒对磷的去除是载体上附着生长的微生物吸附分解污水中含磷污染物以及载体中含有钙、铁等金属物质与磷发生反应产生化学沉淀的协同作用，HRT过长不宜于聚磷菌摄磷。

3.3.2 温度对粉煤灰陶粒去除污染物效果的影响 选取秋冬两季煤灰陶粒载体对TN、TP及COD的去除效果。秋季运行时，平均水温为20℃，冬季运行时，平均水温为10℃。在进水浓度、HRT等条件相同的情况下，测定不同温度污水中的TN、TP、COD，结果见图4。

图4 不同温度对污染物去除的影响Fig.4 Effect of differenttemperature on pollutants removal rates

由图4可知，当温度从20℃下降到10℃，TN平均去除率从63.9%降为51.0%，去除率减小12.9%，出水TN也由一级A标准降至一级B标准；秋季TP平均去除率为71.22%，而在冬季温度较低时TP平均去除率降为44.16%，出水TP均低于3mg/L，达到二级排放标准；COD去除率从93.8%下降到88.4%，出水COD都低于50mg/L，符合一级A排放标准。

这是因为，虽然温度下降影响了附着在曝气生物滤池中粉煤灰陶粒载体上微生物个体的代谢活性，但是由于载体上生长的生物膜较多、生物量较大、种类多，并且滤池中有充足的营养物质，可提供某些微生物在低温下仍能正常发挥作用所需的营养；另一方面粉煤灰陶粒载体对污染物具有吸附、截留、过滤等作用，在低温下仍能去除有机污染物。低温时，虽然氨氮的硝化作用仍比较彻底，但是反硝化作用受温度的影响较大，TN的去除在反硝化阶段受到了限制，使得TN去除效率偏低。一定程度的温度升高有利于聚磷菌的生长和活性增加，可以提高除磷效率，但当温度过高或过低(高于25℃、或低于15℃)均不利于聚磷菌生长，从而降低了除磷效率。

3.3.3 进水浓度对粉煤灰陶粒去除污染物效果的影响 进水以表1的实验用水配方为基准，保持其他配比不变，分别调整进水中的TN、TP、COD的浓度，对比相应的去除效果，结果见图5。

图5 不同进水浓度对TN、TP、COD去除的影响Fig.5 Effect of different inflow concentrations on TN、TP、COD removal rates

由图5可知，进水TN含量为10～40mg/L时，TN的去除率随着进水中TN的增高而增加，在30mg/L时达到最大(62.6%)，由于曝气生物滤池中反硝化细菌所需的缺氧环境有限，导致反硝化受限，随后TN去除率有所降低；对于TP去除率，在进水中的TP含量较低时去除率较差，当进水TP上升至4mg/L以上后，出水稳定下来，去除率逐渐增大，除磷效果较好，对TP耐冲击负荷能力较好；进水COD在100 ～400mg/L范围内逐渐升高，COD去除率基本随着进水COD浓度升高而逐渐增大，曝气生物滤池耐有机负荷能力较好。

4 结 论

1.以粉煤灰为主要原料，黏土、碳酸钙、脱水污泥为辅料制备了粉煤灰陶粒载体，通过正交试验，比较不同配比的粉煤灰陶粒对城市污水中的氮、磷的去除效果，筛选出最优的粉煤灰陶粒配比为：粉煤灰∶黏土∶脱水污泥∶碳酸钙=40∶40∶25∶15。

2.最优配比的粉煤灰陶粒各项性能均符合国家标准，破损率与磨损率之和与盐酸可溶率都符合标准，堆积密度与表观密度相比传统陶粒均较小，孔隙率与比表面积均较大，该种陶粒更有利于微生物的附着，适合用作曝气生物滤池载体处理污水。

3.对比不同运行条件下粉煤灰陶粒载体对于污染物的去除效果得出，COD、TN去除率随HRT增加有所增加；当HRT=4h时，TP去除效果最佳，此时出水COD、TN符合一级A标准，TP符合二级标准；当温度由20℃降至10℃时，TN、TP去除率下降明显，但对COD影响较小，此时出水中TN符合一级B标准，TP符合二级标准，COD符合一级A标准。当进水中的TN含量为30mg/L时，TN去除率达到最大；进水中的TP含量较低时TP去除较差，去除率随着进水中的TP增加而升高，并在进水TP为6mg/L时达到最高；进水中的COD浓度对COD的去除影响不大。

[1] Qiu L, Ma J, Zhang L. Characteristics and utilization of biologically aerated filter backwashed sludge[J]. Desalination, 2007, 208(1):73～80.

[2] 郭训文,汪晓军,林旭龙. 曝气生物滤池处理含氰废水的启动性能及污染物去除特性[J]. 化工进展, 2013, 32(1):222～226.

[3] 李倩炜,周笑绿,李环,等. 粉煤灰陶粒填料制备及用作曝气生物滤池填料的性能考察[J]. 化工进展, 2015, 34(9):3379～3382.

[4] 相会强,杨宏,巩有奎,等. 改性粉煤灰去除磷酸盐的试验研究及机理分析[J]. 环境科学与技术, 2005, 28(5):18～20.

[5] 任祥军,张学斌,刘杏芹,等. 粉煤灰基多孔陶瓷膜的制备研究[J].材料科学与工程学报, 2006, 24(4):484～488.

[6] 欧阳平,范洪勇,张贤明,等. 基于吸附的粉煤灰改性机理研究进展[J].材料科学与工程学报, 2014, 32(4):619～624.

[7] 王晓钧,周洪庆. 磨细粉煤灰作为树脂基复合材料填料的研究[J].材料科学与工程学报, 2004, 22(2):228～232.

[8] Zhao Y Q, Yue Q Y, Li R B.Research on sludge-fly ash ceramic particles(SFCP) for synthetic and municipal wastewater treatment in biological aerated filter(BAF) [J]. Bioresource Technology, 2009, 100:4955～4962.

[9] 王萍,李国昌.粉煤灰陶粒滤料的制备及在生物滤池中的应用研究[J].金属矿山, 2008, 37(11): 114～117.

[10] 冯俊杰,张瑞芳,龚伦伦,等. 基于粉煤灰的多孔无机保温材料的研制[J]. 材料科学与工程学报, 2014, 32(5):638～642.

[11] 水处理用人工陶粒滤料标准[S].CJ-T299-2008.

[12] 张守斌,邱立平,等. 3种填料曝气生物滤池处理效能及硝化特性对比[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2009, 41(12): 57～65.

[13] 何争光,谢丽清. 复合生物膜反应器味精废水挂膜特性研究[J]. 水处理技术, 2011, 37(9):55～57.

[14] C O Sullivan, P C Burrell, M Pasmore, et al. Application of flow cell technology for monitoring biofilm development and cellulose degradation in leach ate and rumen systems[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(1):492～496.

[15] 沈耀良,金吴云,刘灿灿.不同载体曝气生物滤池启动运行特性比较[J]. 水处理技术, 2008, 34(6):33～36.

[16] A D Papandreou, C J Stournaras, D Panias,et al. Adsorption of Pb(II),Zn(II) and Cr(III) on coal fly ash porous pellets[J]. Minerals Engineering, 2011, 24(13):1495～1501.

[17] Marisa Nascimento, Paulo Sérgio Moreira Soares, et al. Adsorption of heavy metal cations using coal fly ash modified by hydrothermal method[J]. Fuel, 2009, 88(9):1714～1719.

[18] 陈彦广,陆佳,韩洪晶,等. 粉煤灰作为廉价吸附剂控制污染物排放的研究进展[J]. 化工进展, 2013, 32(8):1905～1913.

Treatment of Municipal Wastewater Using Self-made Fly Ash Ceramisite as Filler of BAF

XIE Yue， ZHOU Xiaolv， LI Qianwei

(College of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Fly ash ceramisite was made with raw materials including fly ash, clay, dewatered sludge and CaCO3. The optimal ratio of the raw materials was determined by the orthogonal test. The performance of the self-made fly ash ceramisite was investigated. The effect of the self-made fly ash ceramisite as filler of self-made biological aerated filter for treating municipal wastewater was studied by changing operational parameters. The results show that：various performances meet the relevant standards, removal rates of COD (Chemical Oxygen Demand)、TN (Total Nitrogen) tend to increase as HRT(Hydraulic Retention Time) increases, and TP (Total Phosphorus) removal rate is at the highest level with HRT 4h. Temperature has little effect on COD removal rate, and removal rates of TN and TP tend to decrease as temperature decreases. Influent concentration has little effect on COD removal rate, removal rate of TN is the highest with influent TN 30mg/L, and removal rate of TP increases with the increasing of influent TP.

fly ash； ceramisite； biological aerated filter (BAF) ； municipal wastewater

1673-2812(2017)02-0324-06

2016-01-06；

2016-03-04

谢 跃(1989-)，硕士，主要从事污水处理及其工艺改造的研究。E-mail：1009868503@qq.com。

X703.1

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.032