多介质生物陶粒.docx

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1、多介质生物陶粒1.1概述据统计，我国每年的粉煤灰排放量高达1.6亿吨，因为没有很好的高值利用技术，实际利用率仅为30-50%，导致多年累计堆存量超过10亿吨（Fu,2008）。粉煤灰的堆存，不仅占用大量土地，任意堆放也会产生扬尘，污染空气，通过暴雨径流等排入水系则会造成河流淤塞，粉煤灰中携带的有毒化学物质还会危害人体和动植物健康（Cprek,2007）。因此，粉煤灰的无害化处理和高值利用已成为全球广泛关注的热点问题（Rostami,2003;Golightly,2005）。生物陶粒是水处理的重要滤料，其制备，需要消耗大量页岩等不可再生

2、矿石资源（Hartman,2007;Xu,2008a,b,c）。而采用粉煤灰代替页岩制备生物陶粒，则可以提高生物陶粒的耐久性、抗拉强度和抗酸碱侵蚀能力（Gao,2009），既可以解决粉煤灰的污染问题，又能够节省大量不可再生资源，还可以改善生物陶粒的性能（Bankowski,2004），是一条很有前景的粉煤灰无害化处理和高值利用途径。近年来，为了增强粉煤灰陶粒在生物滤池中的适用性，Fu等采用有机造孔剂和粉煤灰制备了一种填充密度小和比较面积大的多孔生物陶粒（Fu,2008）；为了增强粉煤灰的吸附能力，Chen等酸碱和纳米材料改性粉煤灰陶粒

3、，大大提高了粉煤灰陶粒的氨氮吸附容量（Chen,2007）；为了增强粉煤灰陶粒化学反应过程，Gao等将FeCl3等催化剂涂至粉煤灰陶粒表面，显著提高了粉煤灰陶粒表面的生物化学反应速率（Gao,2009）。这些研究都在一定程度上，改善了粉煤灰生物陶粒的性能，促进了粉煤灰陶粒在水处理中的应用。铁屑和碳共同浸没在水中时，会发生宏观和微观两种原电池电解反应（Loyo,2008;Liu,2009）。一方面，铁屑中的金属铁和Fe3C存在明显的氧化还原电势差，当Fe和Fe3C共同浸没在水中时，会发生原电池电解反应，形成许多细微的原电池，金属铁作为原

4、电池的阳极，Fe3C作为阴极。另一方面，Fe和C也存在明显的氧化还原电势差，当Fe和C共同浸没在水中时，也会发生原电池电解反应，形成宏观的原电池，金属铁作为原电池的阳极，碳化铁作为阴极（Loyo,2008;Liu,2009）。目前，具有双原电池效应的铁屑团球、纳米铁颗粒和海绵铁等，都已被用于处理各种废水（Mcgeough,2007;Ma,2008），但是，截至目前，通过掺杂金属铁制备具有Fe/C和Fe/Fe3C双原电池效应的改性粉煤灰生物陶粒，改善粉煤灰生物陶粒的理化性质和氮磷吸附性能还少有报道。粉煤灰生物陶粒高温烧结制备过程中，为了

5、使其内部形成适量、大小达到微米或纳米级的微孔，增加其比表面积和污染物吸附容量需要，往往需要添加大量造孔剂（Ismail,2007）。目前，使用较多的造孔剂是煤粉和合成有机物，它们的最大优点是在400-800℃左右就完全燃尽（Hartman,2009）。但是，煤粉属于不可再生资源，合成有机造孔剂也需要消耗大量不可再生资源，因此，寻找替代煤粉和合成有机物造孔剂的廉价、易得的造孔材料，就显得非常必要。锯末是一种来源相当丰富的工业废弃物，是木材加工的主要剩余物之一,约占原木材加工总量的8-12%（Salehi,2009）。目前，一些国家通过将

6、锯末用作燃料、栽培食用菌、家畜饲料敷料、生产炭化制品、土壤改良剂、制版原料及模压成型制品等，实现了锯末的高值利用。可是，由于技术和经济等方面的原因,仍然有大部分锯末有待妥善处理或有效利用（Ma,2009）。锯末的主要成分是木质素和纤维素，其高温烧结后均能转化为碳物质，并留下丰富的孔隙，可用于制备多孔材料（Salehi,2009）。1.2多介质生物陶粒制备1.2.1生物陶粒原料1#、2#和3#多介质生物陶粒的原料见表1-1。此外，在上述原料基础上，还分别掺杂相当于上述原料总和20％的碳酸钙。表1-1多介质生物陶粒原料组成（％）编号粉煤灰

7、锯末屑粘土天然斜发沸石金属铁123494846252525101010151515124由表1-1可知，多介质生物陶粒的主要原料包括：沸石、粉煤灰、粘土、锯木屑和碳酸钙等。沸石是一族骨架状结构多孔性含水硅铝酸盐晶体的总称。它具有独特的吸附性、催化性、离子交换性和选择性、耐酸性、热稳定性、多成份性及很高的生物活性和抗毒性等。天然沸石尤其是斜发沸石被广泛证明有很强的吸附能力，其在自然界中广泛存在，是天然沸石中储量最丰富的一种，在我国有着广泛而丰富的储量，廉价易得。粉煤灰主要含SiO2、Al2O3等活性成分，属硅铝酸盐，此外还含少量的Fe2

8、O3、CaO、MgO和未燃尽碳。粉煤灰呈多孔蜂窝状组织，比表面积较大，具有较强的吸附能力。其处理污水的机理主要有以下几个方面：吸附作用、接触凝聚作用和沉淀作用。在多介质生物陶粒原料中，粉煤灰主要用于污水中磷的去除，CaO