申请日2016.10.21
公开(公告)日2017.03.15
IPC分类号C04B38/06; C04B38/00; C04B33/132; C04B33/135; C04B33/13; C04B33/32; B01D39/06
摘要
本发明涉及一种水处理用固废质陶粒滤料及其制备和应用，按重量份数，原料组分包括：固体废弃物100份;黏结剂0‑10份;膨胀剂2‑10份;水15‑35份。制备：将固体废弃物进行预处理，然后同黏结剂和膨胀剂、水混匀成球，焙烧，即得水处理用固废质陶粒滤料。固废质陶粒滤料在废水处理中的应用。本发明方法制备的陶粒滤料具有发达的孔结构、较大的比表面积、较低的破碎率与磨损率之和，其各项物理性能指标明显优于我国的行业标准，金属浸出毒性远远小于我国的国家标准阈值。
摘要附图
权利要求书
1.一种水处理用固废质陶粒滤料，其特征在于：按重量份数，原料组分包括：
2.根据权利要求1所述的一种水处理用固废质陶粒滤料，其特征在于：所述原料组分包括：固体废弃物100份;黏结剂2-8份;膨胀剂2-8份，15-35份。
3.根据权利要求1所述的一种水处理用固废质陶粒滤料，其特征在于：固体废弃物的组分包括：脱水污泥30-50%、粉煤灰10-30%、河道淤泥30-50%。
4.根据权利要求3所述的一种水处理用固废质陶粒滤料，其特征在于：所述固体废弃物的组分包括：脱水污泥40-50%、粉煤灰10-20%、河道淤泥35-45%。
5.根据权利要求3所述的一种水处理用固废质陶粒滤料，其特征在于：所述固体废弃物的组分包括：脱水污泥50%、粉煤灰10%、河道淤泥40%。
6.根据权利要求1所述的一种水处理用固废质陶粒滤料，其特征在于：所述黏结剂为水玻璃;膨胀剂为碳酸钙。
7.一种如权利要求1-6任一所述的水处理用固废质陶粒滤料的制备方法，包括：将固体废弃物进行预处理，然后同黏结剂和膨胀剂、水混匀成球，焙烧，即得水处理用固废质陶粒滤料。
8.根据权利要求7所述的一种水处理用固废质陶粒滤料的制备方法，其特征在于：所述预处理为干燥、粉碎。
9.根据权利要求7所述的一种水处理用固废质陶粒滤料的制备方法，其特征在于：所述焙烧具体为：从室温升温至300-400℃，升温速率为15-20℃/min，停留时间为20-30min;然后，升温至1100-1200℃，升温速率为20-30℃/min，停留时间为5-20min，最后，自然冷却至室温。
10.一种如权利要求1-6任一所述的水处理用固废质陶粒滤料的应用，其特征在于：固废质陶粒滤料在废水处理中的应用。
说明书
一种水处理用固废质陶粒滤料及其制备和应用
技术领域
本发明属于陶粒滤料及其制备和应用领域，特别涉及一种水处理用固废质陶粒滤料及其制备和应用。
背景技术
陶粒滤料因具有容重轻、密度小、强度高、孔隙率大、导热系数低、耐腐蚀、化学稳定性好、机械强度高及抗碱集料反应性优异等特点，而被广泛应用于建筑、环境保护、园林园艺、石油化工及农业生产等领域，尤其是水处理领域(胡家玮,严子春,谢兆歌.水处理陶粒滤料的技术研究[J].石油化工应用,2008,27(6):34-37.;Yang K.L.,Yue Q.Y.,KongJ.J.,Zhao P.,Gao Y.,Fu K.F.,Gao B.Y.Microbial diversity in combined UAF-UBAFsystem with novel sludge and coal cinder ceramic fillers for tetracyclinewastewater treatment[J].Chemical Engineering Journal,2016,285:319-330.)。
近些年来，陶粒滤料的制备主要以页岩及粘土等不可再生自然资源为原料经高温焙烧而成(Zhuang Y.Z,Chen C.Y.,Ji T.Effect of shale ceramsite type on thetensile creep of lightweight aggregate concrete[J].Construction and BuildingMaterials,2013,46:13-18.)。为了满足日益增长的陶粒滤料的生产需求，就要开采大量的优质的页岩和粘土矿山。一方面必将破坏耕地资源，造成耕地面积下降，进而威胁到我国的粮食安全;另一方面必将破环自然资源，造成自然资源锐减，从而加剧生态系统恶化。与此同时，我国已出台了多项与禁采或限采等有关的法律法规，诸如《中华人民共和国环境保护法》、《中国人民共和国矿产资源实施细则》及《中华人民共和国土地管理法实施条例》等。鉴于此，寻找适宜的替代不可再生自然资源制备陶粒滤料的原料已然成为破解制约其可持续发展瓶颈的首要任务。
有研究发现，部分固体废弃物的主要化学种类及含量，尤其是SiO2、Al2O3及Fe2O3，与页岩及粘土等不可再生自然资源的极为相近(Han W.,Yue Q.Y.,Wu S.Q.,Zhao Y.Q.,Gao B.Y.,Li Q.,Wang Y.Application and advantages of novel clay ceramicparticles(CCPs)in an up-flow anaerobic bio-filter(UAF)for wastewatertreatment[J].Bioresource Technology,2013,137:171-178.)。这就使得利用固体废弃物完全或部分替代不可再生自然资源来制备陶粒滤料成为现实。以固体废弃物为主要原料制备陶粒滤料具有里程碑式的的意义：其一是可大大减轻环境负担，避免对自然资源的破坏，是实现可持续发展的必由之路;其二是可真正实现工业固体废弃物的减量化、稳定化及无害化，并最终实现资源化利用，具有明显的经济效益、环境效益和社会效益;其三是为陶粒滤料行业健康、稳定、可持续的发展提供可靠的原料保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水处理用固废质陶粒滤料及其制备和应用，本发明方法不仅拓宽了制备陶粒滤料的原料来源，促进陶粒滤料行业又好又快发展，而且实现了废弃物的资源化利用，符合科学发展观的根本要求。
本发明的一种水处理用固废质陶粒滤料，其特征在于：按重量份数，原料组分包括：
固体废弃物中不包括任何不可再生自然资源，污水处理厂脱水车间的脱水污泥、发电厂排放的粉煤灰及城市河道淤泥。
所述原料组分包括：固体废弃物100份;黏结剂2-8份;膨胀剂2-8份，15-35份。
作为优选，所述黏结剂为水玻璃，其加入量为0-10g/100混合物(每100g固体废弃物中加入量为0-10g);更优选为2-8g/100混合物;最优选为5g/100混合物。
研究发现，在高温烧制陶粒滤料的过程中，随着黏结剂的增加，陶粒滤料的破碎率与磨损率之和及含泥量等性能指标越来越低。但当黏结剂的用量大到某个量后，再继续增加黏结剂的量，在高温焙烧过程中陶粒滤料将会发生形变，导致制备的陶粒滤料不符合要求，最优选为5g/100混合物(即固体废弃物为100份，优选黏结剂5份)。
作为优选，所述膨胀剂为碳酸钙，其加入量为2-10g/100混合物(每100g固体废弃物中加入2-10g);更优选为2-8g/100混合物;最优选为5g/100混合物。
研究表明，在高温烧制陶粒滤料的过程中，随着膨胀剂的增加，陶粒滤料的空隙率及BET比表面积等性能指标越来越高。但当膨胀剂的添加量大到某个量后，再继续增加膨胀剂的量，陶粒滤料的空隙率及BET比表面积等性能指标基本没有变化，兼顾到成本和效率，最优选为5g/100混合物(即固体废弃物为100份，优选膨胀剂5份)。
所述固体废弃物的组分包括：脱水污泥30-50%、粉煤灰10-30%、河道淤泥30-50%。
优选，所述固体废弃物的组分包括：脱水污泥40-50%、粉煤灰10-20%、河道淤泥35-45%。
更优选，所述固体废弃物的组分包括：脱水污泥50%、粉煤灰10%、河道淤泥40%。
所述脱水污泥的加入量为30-50%;更优选为40-50%;最优选为50%。
随着脱水污泥用量的增加，所制备的陶粒滤料的物理化学性能趋好，或是对所制备的陶粒滤料的物理化学性能不产生任何影响。但是当脱水污泥用量高于50%后，所制备的陶粒滤料的物理化学性能变差，最优选为50%。
作为优选，所述粉煤灰的加入量为10-30%;更优选为10-20%;最优选为10%。
随着粉煤灰用量的增大，所制备的陶粒滤料的容重升高，密度变大，破碎率与磨损率之和也有所下降，使得陶粒滤料在水处理过程的实用性能降低，最优选为10%。
作为优选，所述河道淤泥的加入量为30-50%;更优选为35-45%;最优选为40%。
所制备的陶粒滤料的物理化学性能随着河道淤泥用量的增加而趋好，但是当河道淤泥的加入量大到某个量后，再继续增加河道淤泥的用量，对所制备的陶粒滤料的物理化学性能会产生不利的影响，最优选为40%。
所述黏结剂为水玻璃;膨胀剂为碳酸钙。
本发明的一种水处理用固废质陶粒滤料的制备方法，包括：
将固体废弃物进行预处理，然后同黏结剂和膨胀剂、水混匀成球，焙烧，即得水处理用固废质陶粒滤料。
所述预处理为干燥、粉碎。
采用高温焙烧法制备陶粒滤料：以马弗炉作为温度来源，在通风良好的环境条件下，根据已设计的温度控制曲线，自动焙烧而成，焙烧过程产生的烟气可实现达标排放，最高焙烧温度为1100-1120℃;所述的停留时间为5-20min。
优选：所述焙烧具体为：从室温升温至300-400℃，升温速率为15-20℃/min，停留时间为20-30min;然后，升温至1100-1200℃，升温速率为20-30℃/min，停留时间为5-20min，最后，自然冷却至室温。
所述室温为30℃。
所述的每个陶粒滤料的粒径为8-11mm;所述的每个陶粒滤料的质量为0.4-0.7g。
本发明的一种水处理用固废质陶粒滤料的应用，固废质陶粒滤料在废水处理中的应用。
本发明制备的水处理用固废质陶粒滤料的破碎率与磨损率之和、含泥量、盐酸可溶出率、空隙率及BET比表面积分别为≤6%、≤1%、≤2%、≥40%及≥0.5×104cm2/g。
本发明制备的水处理用固废质陶粒滤料的金属浸出毒性进行评价，结果表明：滤液中金属元素Cr、Zn、Cu、Al、Fe、Ca、Mg、Na及K的含量依次分别为≤0.15g/L、0.2-0.29g/L、≤0.15g/L、0.052g/L、未检出、8.01-10.03g/L、1.7-2.065g/L、3.44-4.631g/L及未检出。
所述陶粒滤料的金属浸出毒性很小;所述的陶粒滤料不存在二次污染问题。
有益效果
本发明的制备方法没有添加任何不可再生自然资源，根据本试验所采用的最佳原料配比，实现了脱水污泥用量的最大化，为脱水污泥的资源化利用提供了一条重要的途径，具有较高的环境效益;
本发明所制备的陶粒滤料的各项物理性质指标均完全符合我国的相关行业标准(水处理用人工陶粒滤料，CJ/T 299-2008)，是一种潜在的性能优良的水处理材料，践行了可持续发展的理念，具有较高的经济效益;
本发明所制备的陶粒滤料的金属浸出毒性试验表明，滤液中金属元素的含量远远低于国家标准所规定的浓度阈值(危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别，GB5085.3-2007)，不存在二次污染风险，具有较高的社会效益;本发现开创了采用固体废弃物完全替代不可再生自然资源制备水处理用陶粒滤料的先例。