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陶粒填料的研究进展

作者:user 来源:  日期:2019-10-05 22:21
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陶粒填料是目前应用较多的填料,陶粒填料在水处理领域有着广泛的应用。本文综述了填料的分类、研究,陶粒的概念、分类以及在陶粒填料生物膜法中的应用研究,并总结了我国陶粒填料开发尚待解决的问题。 
0 引言 
  生物填料的发展历史已有近百年,从无机粒状填料到今天的多种形状的无机填料,无论在材质还是形状上都在不断地进步和发展。生物反应技术的进步促使了生物填料技术的进步。 
  1 生物反应填料的开发研究 
  最早的污水生物膜处理工艺是生物滤池,它是源于污水在自然界中的土壤自净发展而来的。因此,土壤中的粘土颗粒成为了最早出现并应用的生物反应填料。第一座成熟的生物滤池工艺是1893年在索尔福德(Salford)建成的喷嘴式布水装置生物滤池。作为生物滤池重要组成部分的生物反应填料也被明确提出了其应具有的特点和要求。较好的机械强度,不易破碎和变形,较强的抵抗外部的物理和化学作用的能力,表面积大、高孔隙率、易于附着微生物是当时对生物填料的要求。因此,花岗岩等较硬的岩石制成的碎石、无烟煤渣或炉渣等无机粒状材料在当时被普遍应用。 
  在20世纪30年代,生物滤池工艺进入了飞跃发展阶段,出现了高效生物滤池、通气生物滤池、加速生物滤池等高负荷的生物滤池,。此时对反应填料的要求也更高,例如要求其表面污水能均匀分布、通气效能良好、化学稳定性高等。因此,卵石、石英石、花岗石等无机粒状填料被广泛应用。近20年来,随着塔式生物滤池的出现及有机化工技术的发展,给生物反应填料在材质和形状方面提供了更多地选择,多种形状的有机填料和化工填料陆续得以应用[1]。 
  2 填料的分类 
  目前,应用较多的填料有以下几种[2-6]: 
  2.1 粒状填料:这是最早出现的填料,材质为无机陶粒或石英砂。这类填料的主要优点是表面粗糙、易于微生物附着、截留悬浮物的能力强;缺点是阻力大、易于堵塞。 
  2.2 不规则多孔填料:早期的填料有拉西环填料(RaschingRing)、鲍尔环(PallRing)等;目前的填料有哈凯登球(Hacketten)和多面轻质球等,制作材料有陶瓷、石墨、塑料和金属等。主要优点是结构简单、价格低廉;缺点是流体分布不均。 
  2.3 蜂窝状或波纹板状填料:通常用玻璃钢或塑料(聚乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯等)等材质制造。其主要的优点是质轻、孔隙率高、强度高、防腐性能好等;主要的缺点是微生物的生长与脱落平衡不易控制、难以得到均一的流速。 
  2.4 球形轻质陶粒:球形轻质陶粒多采用粘土为原材料,添加适当的化工原料做膨胀剂,经高温烧制而成。与传统填料相比,球形轻质陶粒的优点有:高强度、大孔隙率、大比表面积、密度适宜、较好的化学稳定性、较强的生物附着性;主要缺点是能耗高、制备成本高。我国到目前为止,球形轻质陶粒曝气生物滤池及其组合工艺已广泛应用于生活污水处理、印染废水处理、啤酒废水处理等生产实践中,并取得了良好的效果。 
  3 陶粒填料的开发研究 
  3.1 陶粒的概念 陶粒是以粘土、页岩、煤矸石、粉煤灰等为主要原料,掺加少量粘结剂、附加剂等经加工成粒或粉磨成球,再经烧胀等工艺制成的一种人造轻型骨料。粒径在2mm~20mm之间。一般而言,普通陶粒比表面积为300~1000m2/m3、堆积密度为200~1000kg/m3、孔隙率达到30%以上[7]。早期的陶粒大多采用页岩直接烧制而成,为不规则状。最近出现的球形轻质陶粒,大多采用粘土为主要原料,添加适当的化工原料做膨胀剂,经过高温烧制而成。 
  3.2 陶粒的分类 
  3.2.1 按原料分类:粘土陶粒、粉煤灰陶粒、页岩陶粒、煤矸石陶粒等。 
  3.2.2 按扩散容重分:一般容重陶粒,容重大于500kg/m3;超轻容重陶粒,容重为200~500kg/m3;特轻容重陶粒,容重小于200kg/m3 [8]。 
  3.2.3 按加工形状分:圆球形陶粒和普通型陶粒。 
  3.2.4 按传统的生产工艺分:烧结型,以粘土、页岩为主要原料;烧胀型,以粉煤灰为主要原料等。 
  4 陶粒在生物膜法中的应用研究 
  生物膜在填料上形成的关键是微生物在载体表面的固定情况。微生物在载体表面附着并实现固定化是微生物表面与载体表面之间的相互作用。这种相互作用的过程与微生物自身特性有关,同时也与固定载体的物理化学特性及环境因素(如pH值、离子强度、水力剪切力、温度等)密切相关。微生物向载体表面的输送有主动运输和被动运输两种方式,其中主动运输起着主导的作用。微生物转移到载体表面后,首先形成的是可逆附着。可逆附着实际上是一个附着与解析的双向动态过程。不可逆附着是指微生物在可逆附着过程中分泌的粘性代谢产物牢牢地粘封在载体表面,使得附着过程成为不可逆。不可逆附着是微生物膜群落的基础。 
  陶粒填料在水处理方面的应用主要包括用做过滤材料和生物载体。作为过滤材料,可利用陶粒吸水不吸油的特点,在各大油田中应用。作为生物膜载体,可利用陶粒比表面积大、机械强度高的物理特性和亲微生物的性能,在生物膜法处理工艺中应用。 
  陶粒填料在水处理领域有着广泛的应用,无论是好氧、兼氧还是厌氧方法中,陶粒填料都发挥着极其重要的作用。它在生物膜反应器的作用主要有: 
  4.1 是微生物生长繁殖的载体,为微生物提供稳定的栖息环境; 
  4.2 是生物膜与处理水接触的场所,且能对水流有强制性的紊动剪切力,有利于处理水的再分布; 
  4.3 可以截留处理水中的部分悬浮物质,减少出水的悬浮物浓度。 
  生物膜法对陶粒填料的基本要求是轻质、孔隙率高、机械强度高、价格低廉等。除此之外,陶粒填料最好能易于微生物生长或刺激微生物的活性。目前的研究主要有:一是反应器的启动,即陶粒挂膜的性能测试;二是微生物对废水或废气去除效率的问题。 
  陶粒研究的关键是制备工艺的控制,而应用则主要包括好氧和厌氧生物膜法处理工艺,如负荷生物滤池(包括普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池等);好氧接触氧化滤池(如曝气生物滤池);厌氧生物滤池;好氧或厌氧流化床等。 
  由于陶粒还具有强度高、保温隔音效果好、防火、耐化学腐蚀、抗震性好、施工适应性强等优良性能,还被应用与建筑、冶金、化工、农业等部门。 
  5 结论 
  在西方国家陶粒的生产和应用已经经历了半个多世纪的历史,不仅产量高而且应用普遍。对陶粒的研制,我国也已经历了四十年的时间。特别是九十年代以来陶粒以飞快的步伐、良好的势头向前发展。虽然我国的陶粒发展已经走上正规化,但还存在几方面问题需要解决: 
  5.1 总体上说,我国陶粒生产的技术和工艺还比较落后,与国外先进国家相比,还存在一定的差距,传统的烧结法仍然是陶粒生产的主要工艺; 
  5.2 在陶粒分类上,环保陶粒较少,粘土陶粒和页岩陶粒仍占主导地位; 
  5.3 陶粒的推广速度缓慢,从而导致了其经济效益得不到充分的发挥。 
  因此,必须加大陶粒的开发。 

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