■劉冬學(xué) ■遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000

水是人類賴以生存的基礎(chǔ)，隨著經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，水體水質(zhì)日益惡化，人類面臨水污染和水量短缺的嚴(yán)重局面。隨著人們對(duì)陶粒的認(rèn)識(shí)加深和工藝的改進(jìn)，陶粒作為水處理濾料的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于陶粒濾料的研究也越來越多。陶粒濾料與傳統(tǒng)的建筑陶粒的主要區(qū)別在于，陶粒濾料開氣孔較多，比表面積大，而且燒結(jié)溫度較低。本文以硼泥、粉煤灰等工業(yè)廢料作為主要原料，研究開發(fā)了一種新型陶粒濾料——硼泥陶粒濾料。

1 研制的基本思路

(1)小試:以工業(yè)廢渣硼泥為主要原料，摻入適量的頁巖、膨潤土、粉煤灰、造孔劑等其他原料，經(jīng)球磨成型后，在馬沸爐里面煅燒，控制適當(dāng)?shù)臒蓽囟取r(shí)間和升溫過程，根據(jù)物化性能的檢測(cè)結(jié)果，確定陶粒的配方及燒制工藝參數(shù)。

(2)小批量燒成生產(chǎn)試驗(yàn):在小試的基礎(chǔ)上，按優(yōu)化后的配方和燒制工藝參數(shù)，制成批量的硼泥生料陶粒，放入回轉(zhuǎn)窯中燒成，控制燒成工藝參數(shù)，檢測(cè)產(chǎn)品的物化性能，確定陶粒在回轉(zhuǎn)窯中的燒成工藝參數(shù)。

(3)以球形硼泥陶粒為濾料，進(jìn)行曝氣生物濾池處理污水的生化試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)用原材料及配方

2.1 原材料成分分析

試驗(yàn)采用遼陽冶建化工廠的工業(yè)廢料硼泥、遼陽弓長嶺黏土、黑山膨潤土、遼陽紅陽熱力粉煤灰為主要原料，各種材料的化學(xué)成分組成見表1。

表1 主要原料化學(xué)成分分析 單位:(%)

2.2 配方

硼泥陶粒濾料配方為:硼泥50 -70%，粉煤灰15 -25%，膨潤土(或黏土)5 -10%，造孔劑5 -10%。不同產(chǎn)地的原料化學(xué)成分有所不同，所以配比也會(huì)略有不同。

3 試驗(yàn)方案

3.1 生產(chǎn)工藝流程

硼泥陶粒濾料的生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 硼泥陶粒濾料生產(chǎn)工藝流程

在硼泥陶粒濾料的試制過程中，其決定因素是配方和燒制工藝，一般講，礦石的SiO2、Al2O3含量高有利于陶粒表殼成陶，但燒漲溫度高;氧化物K2O、Na2O 高，有利于較低溫度燒漲;CaO、MgO 過高易粘窯結(jié)塊，對(duì)燒陶不利;Fe2O3、FeO 高，對(duì)較低溫度燒漲有利。

3.2 磨細(xì)、成球

將硼泥和其它原料分別磨至細(xì)度0.5 并混合，通過200 目的篩過篩，加入12%～15%水在成型機(jī)上成型，制成直徑3～9mm 的球形顆粒。

3.3 脫水烘干

將篩分好的硼泥陶粒放在烘烤箱內(nèi)烘干2 小時(shí)，烘干溫度為105±5℃。

3.4 焙燒溫度的確定

將成球好的生料硼泥陶粒放入馬沸爐中焙燒，分別在1050℃、1100℃、1150℃、1180℃、1200℃、1230℃、1300℃7 個(gè)溫度下進(jìn)行焙燒試驗(yàn)。

3.5 焙燒時(shí)間的確定

硼泥陶粒在合適的焙燒時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳的膨脹狀態(tài)，如果焙燒時(shí)間過長，產(chǎn)生的液相量將會(huì)增多，液相填充到氣孔中，使陶粒的密度變大，相應(yīng)的陶粒強(qiáng)度提高、吸水率下降。另一方面，隨著焙燒溫度升高，焙燒時(shí)間的延長，生成的液相不斷溶解固體顆粒，并形成比較穩(wěn)定的結(jié)晶相，陶粒的強(qiáng)度也隨著提高。但是，如果焙燒溫度過高，陶粒表面被過燒，就會(huì)在陶粒表面形成很多開口的孔洞，陶粒的筒壓強(qiáng)度和表觀密度也隨之降低，吸水率增大。所以，最高焙燒溫度和焙燒時(shí)間是決定硼泥陶粒濾料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在硼泥陶粒濾料焙燒過程中應(yīng)嚴(yán)格控制。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，焙燒溫度在1150℃～1200℃之間，燒結(jié)時(shí)間15～20min，硼泥陶粒濾料的表觀密度較低、筒壓輕度較高。

3.6 焙燒結(jié)果

在1050℃、1100℃時(shí)，硼泥陶粒只是顏色發(fā)生了變化，由灰黑色變成了土黃色，基本未燒成;當(dāng)溫度高于1230℃時(shí)，顆粒間出現(xiàn)大量的液相，顆粒相互粘連在一起，屬于過燒;當(dāng)溫度達(dá)到1300℃時(shí)，已呈現(xiàn)熔融狀態(tài)。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出不同配方的硼泥陶粒的燒脹溫度范圍1150℃～1200℃。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

生產(chǎn)試驗(yàn)按如下工藝進(jìn)行，見圖2。

準(zhǔn)備硼泥、黏土、膨潤土、粉煤灰，經(jīng)煉泥后按配方比例配料，一起進(jìn)入球磨機(jī)加水進(jìn)行球磨，球磨好的泥經(jīng)榨泥機(jī)榨干水分后干燥，再將干燥好的泥塊經(jīng)破碎成粉狀后在成型機(jī)中成型，制成直徑3mm～9mm球形顆粒，生料顆粒經(jīng)烘干后裝缽，放入回轉(zhuǎn)窯中預(yù)熱、焙燒、冷卻產(chǎn)品經(jīng)篩分、檢測(cè)后包裝入庫。

生料球入窯后，經(jīng)干燥、預(yù)熱、燒成和冷卻四個(gè)階段，料球在窯內(nèi)運(yùn)行時(shí)間約60min 左右。升溫至400～500℃時(shí)，恒溫預(yù)熱20min，使硼泥生料顆粒脫去結(jié)晶水。繼續(xù)升溫至最高燒制溫度(因配方不同，最高控制溫度略有差異，一般在1150～1200℃之間)并保溫15min 左右，停止加熱，封窯自然冷卻至常溫。

5 硼泥陶粒用作濾料具有的優(yōu)勢(shì)

(1)顆粒圓、均勻、表面粗糙、多微孔、內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)，比表面積大，能獲得較高的生物量，具有較好的生物氧化能力;

(2)孔隙率高，適宜微生物的附著、固定和生長，是比較理想的生物載體，低溫低濁條件下去除氨氮效果達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，工作周期長，周期產(chǎn)水量大;

(3)堆積比重輕，強(qiáng)度大，從而反沖洗能耗低，水頭損失小，清潔料水頭損失僅為150mm/m。

(4)不含有害于人體健康和妨礙工業(yè)生產(chǎn)的有害物質(zhì)，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗酸堿性能強(qiáng)，使用壽命長;

(5)陶粒水頭損失小，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，形狀系數(shù)好，吸附能力強(qiáng)，有適宜的水力粗度值;

(6)利廢環(huán)保，生產(chǎn)簡(jiǎn)易，價(jià)格低廉。

6 陶粒濾料研究中存在的問題及改進(jìn)

6.1 擴(kuò)展了陶粒濾料原材料的選擇范圍

傳統(tǒng)的陶粒濾料多以黏土或頁巖作為主要骨架材料，消耗了大量的資源。朱樂輝等用陶土摻加化工原料造孔，燒出交理想的輕質(zhì)球形陶粒濾料［4］，輕度較高，比表面積較大，為2 ×104～1.5 ×105m2/g。王建，金鳴林等［5］采用添加有機(jī)造孔劑的方法，以粉煤灰為主要原料，，黏土為粘接劑，經(jīng)成球和煅燒等工藝，成功低研制出輕質(zhì)多孔的球形陶粒濾料。本課題組本著以廢治廢的原則，選擇工業(yè)廢料硼泥、熱電廠產(chǎn)生的廢棄物粉煤灰作為主要原料，節(jié)能環(huán)保，并能提高陶粒的耐久性，降低內(nèi)部溫度，提高抗拉強(qiáng)度，提高抗硫酸鹽侵蝕能力。

6.2 拓展陶粒濾料的應(yīng)用范圍

現(xiàn)有陶粒濾料主要應(yīng)用在給水處理和污水處理兩個(gè)方面。在給水處理上主要作用表現(xiàn)在截流上;在污水處理上主要作用是作為微生物的載體，使用功能上有很大的局限性。為了進(jìn)一步擴(kuò)展陶粒的使用功能，在材料選擇上可以考慮加入具有離子交換能力的材料，可以大大提高濾料對(duì)金屬離子的去除效果;加入具有增大比表面積、擴(kuò)充孔道的材料，可以提高陶粒濾料對(duì)對(duì)不同粒徑的物質(zhì)的吸附能力。還可以加入作為催化劑材料和抗菌類劑載體的材料，提高陶粒濾料的功能，擴(kuò)大陶粒濾料的使用范圍。

6.3 減輕陶粒濾料的容重

傳統(tǒng)的陶粒濾料容重較大，導(dǎo)致反沖洗時(shí)消耗較多，造成資源浪費(fèi)，例如在給水處理中，反沖洗消耗的水量占產(chǎn)水量的很大部分。因此在陶粒濾料制備中，可加入粉煤灰、碳酸鈣、碳粉等以降低陶粒容重，降低反沖洗的負(fù)擔(dān)。粉煤灰屬于人工火山灰質(zhì)材料，顆粒小，密度較輕，作為陶粒的原料，可以產(chǎn)生減水效應(yīng)，微集料效應(yīng)產(chǎn)生致密勢(shì)能，火山灰質(zhì)效應(yīng)產(chǎn)生活化勢(shì)能，從而起到減少需水量，提高耐久性，降低內(nèi)部溫度，提高抗拉強(qiáng)度，抗硫酸鹽侵蝕等作用。因此在陶粒中摻入粉煤灰，可以降低陶粒密度，改善陶粒性能，并可以處理熱電廠排放廢物，符合環(huán)保利廢的原則。

6.4 選擇優(yōu)良的造孔材料

造孔劑可以在陶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔徑分布，以增大陶粒濾料的孔隙率、提高陶粒生物掛膜、吸附雜質(zhì)的作用。煤粉在500～600℃即可燃盡，是比較好的成孔材料。但是，煤粉屬于不可再生能源。為了更好的節(jié)約能源消耗，應(yīng)該尋找一種替代品，使其具有和煤粉同樣的作用。因此，可以在工業(yè)廢棄物中選擇合適的物質(zhì)替代煤粉、碳粉作為成孔材料。硼泥本身就具有較高的燒失量(達(dá)到25.80%)，而且煅燒后不含對(duì)水體產(chǎn)生二次污染的物質(zhì)，不但可以滿足制作陶粒濾料的要求，而且硼泥本省就相當(dāng)于一種成孔材料。

由于硼泥陶粒濾料剛剛問世，相關(guān)產(chǎn)品性能指標(biāo)的研究不多，還不能為行業(yè)應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)資料，還需要加大對(duì)該產(chǎn)品的進(jìn)一步研究。

7 結(jié)語

硼泥陶粒濾料是一種專用于城市污水處理的新型生物濾料，可廣泛應(yīng)用與市政污水、各種工業(yè)廢水及污水深度處理方面。利用硼泥、粉煤灰生產(chǎn)陶粒濾料，為解決硼泥、粉煤灰污染環(huán)境問題開拓了一條新途徑，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］周大偉，黃麗華，徐秀香.硼泥陶粒的生產(chǎn)及應(yīng)用［J］.新型建筑材料，2003(10):9 -10.

［2］聶立武，韓古月，周大偉.硼泥耐火陶粒的研制［J］.新型建筑材料，2009(7):18 -20.

［3］陳彥文，丁向群，胡英澤.硼泥陶粒制備工藝的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2012(2):193 -197.

［4］朱樂輝，朱衷榜.水處理濾料-球形輕質(zhì)陶粒的研制［J］.環(huán)境保護(hù)，2000.(1):35 -39.

［5］王建，金鳴林，等.用粉煤灰制備新型水處理濾料［J］.化工環(huán)保，2003.23(6):352 -355.