摘要 以天然吸附材料和精制粘土礦為主要原料，摻加適量的外摻劑，可以生產(chǎn)出一種新型水處理濾料——強(qiáng)力掛膜濾料。該濾料具有比重輕、比表面積大、孔隙率高、表面性狀好、截污能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、使用壽命長、反沖洗耗水量少等優(yōu)點(diǎn)，適合于給水排水處理工程中的物化濾池、生化濾池，也適合于含油污水的粗粒化處理，飲用水微污染水源的預(yù)處理，是一種降低能耗，提高處理效果，值得推廣應(yīng)用的高效人工濾料。
關(guān)鍵詞 水處理 濾料 強(qiáng)力掛膜濾料 研制 工業(yè)應(yīng)用 1 前言 在當(dāng)今世界，污水處理技術(shù)的不斷發(fā)展和工程應(yīng)用已經(jīng)成為維系社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必要組成部分①。我國政府部門也明確表示：在“十五”計劃期間，城市供水將投資860億元人民幣左右，城市排水和污水處理將投資1200億元人民幣左右②，由此可見，水資源問題越來越受到人民的重視。
在當(dāng)前的各類給水排水工程設(shè)計中，物化過濾工藝是廢水二級處理的一個不可缺少，甚至是“把關(guān)”作用的工藝措施③；而生物膜法處理技術(shù)隨著新型濾料的開發(fā)和配套技術(shù)的不斷完善也將成為城市污水、有機(jī)工業(yè)廢水、微污染水源預(yù)處理的主流工藝①④。然而無論是物化濾池還是生物濾池，其核心的問題都是濾料的問題③。中國水質(zhì)科學(xué)院曾就提出在給水排水處理工程中，新型材料的開發(fā)將成為水處理技術(shù)開發(fā)的一個關(guān)鍵技術(shù)①。濾料的好壞，將直接關(guān)系到物化、生化過濾處理工藝的成功與否。
目前，國內(nèi)使用的傳統(tǒng)濾料，如石英砂、無煙煤、花崗巖、碎石、石榴石等濾料，雖然價格低廉，但是由于它們固有的缺陷決定了其在水處理推廣應(yīng)用中受到一定的限制。而一些軟性填料則由于當(dāng)水流流態(tài)不理想時，將嚴(yán)重降低處理效果。本公司自九十年代末開始致力于新型濾料——強(qiáng)力掛膜濾料的研制開發(fā)，該濾料與傳統(tǒng)濾料相比，具有形狀規(guī)整、空隙率高、比表面積大、表面性狀好、截污能力強(qiáng)、濾速高、運(yùn)行穩(wěn)定、使用壽命長、反沖洗耗水量少等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)本公司工業(yè)生產(chǎn)50噸和東風(fēng)車橋股份有限公司、茂名石化煉油廠放大試驗和工業(yè)應(yīng)用證明：該濾料是一種值得推廣的節(jié)能高效新型濾料。 2 產(chǎn)品研制的基本思路 研制的基本思路為：
（1）小試：根據(jù)水處理物化和生物過濾技術(shù)的特點(diǎn)以及多孔陶瓷生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，選擇合適的原材料及配方，在成型機(jī)內(nèi)成型干燥，然后在0.1m3液化氣節(jié)能窯內(nèi)燒成，控制工藝操作條件。根據(jù)理化性能和水力性能的檢測結(jié)果，確定強(qiáng)力掛膜濾料的配方和燒成工藝參數(shù)。
（2）小批量燒成生產(chǎn)試驗：根據(jù)小試確定的配方控制工藝參數(shù)，制造出批量的強(qiáng)力掛膜濾料，在60m3的倒焰窯中燒成。
（3）工業(yè)應(yīng)用中試試驗：以強(qiáng)力掛膜濾料為物化濾池凈水材料，含油污水粗粒化材料和生物掛膜載體分別在本公司、東風(fēng)車橋股份有限公司、茂名石化煉油廠進(jìn)行中試試驗，分析試驗結(jié)果。
（4）生產(chǎn)運(yùn)行試驗：在東風(fēng)車橋股份有限公司、茂名石化煉油廠等廠礦企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行試驗，分析試驗結(jié)果。 
3 產(chǎn)品的小試制備 3.1 原材料分析
根據(jù)本地資源的分布情況和陶瓷燒結(jié)的工藝原理，選用天然吸附材料和優(yōu)質(zhì)的粘土礦進(jìn)行化學(xué)分析，分析結(jié)果見表1。 表 1 原材料分析結(jié)果 （單位：%） | 化學(xué)成份 原材料 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O+NaO | 燒失量 | | 吸附材料1 | 60.37 | 20.53 | 0.36 | 3.73 | 4.39 | 5.93 | 4.69 | | 吸附材料2 | 57.30 | 20.91 | 3.45 | 2.93 | 3.59 | 3.69 | 8.13 | | 吸附材料3 | 63.20 | 18.97 | 2.30 | 1.42 | 4.51 | 1.71 | 7.89 | | 優(yōu)質(zhì)粘土1 | 61.98 | 19.15 | 6.16 | 0 | 1.20 | 4.51 | 7.00 | | 優(yōu)質(zhì)粘土2 | 60.11 | 17.80 | 8.07 | 0.59 | 1.73 | 2.31 | 8.39 | | 優(yōu)質(zhì)粘土3 | 59.79 | 19.33 | 6.15 | 2.49 | 2.39 | 1.25 | 8.60 |
3.2 配方
根據(jù)物化濾池和生物濾池對濾料要求以及多孔陶瓷類產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝原理，我們以產(chǎn)品磨損破碎率、空隙率、比表面積符合要求為目的，同時保證產(chǎn)品的成型、燒成等后序工序的可行性操作，對強(qiáng)力掛膜濾料進(jìn)行配方。根據(jù)原材料的分析結(jié)果，摻加適量的輔助原料，使配方原料的化學(xué)成份和特性達(dá)到燒成膨脹原料化學(xué)成份⑤。配方后原料的化學(xué)成份如表2。 表 2 配料后生料的化學(xué)成份 （單位：%） | 配 方 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O+NaO | 燒失量 | | 1# 配方 | 58.88 | 18.73 | 7.21 | 2.72 | 2.06 | 2.47 | 7.93 | | 2# 配方 | 58.66 | 19.32 | 4.37 | 2.54 | 3.68 | 3.42 | 8.01 | | 3# 配方 | 61.10 | 20.14 | 3.47 | 3.24 | 2.89 | 2.78 | 6.36 | | 4# 配方 | 59.63 | 20.56 | 2.16 | 1.93 | 4.01 | 3.51 | 8.20 |
3.3 成型
將原料按配方加工配料混合均勻后，加適量的粘接劑和12～15%的水在成型機(jī)內(nèi)成型，控制成型機(jī)的工藝操作條件和產(chǎn)品的規(guī)格大小及表面特性，使強(qiáng)力掛膜濾料的粒徑在1mm左右，成型工藝操作的難易程度為：3# 配方最易操作成型，2# 配方次之，1# 配方和4# 配方較難成型。
3.4 干燥
將成型好的生料球放在80±5℃恒溫烘房中干燥24小時，控制產(chǎn)品的外觀強(qiáng)度及水分，使生料球的含水量小于3%。
3.5 燒成
將成型干燥好的生料球放入0.1m3液化氣節(jié)能窯內(nèi)燒成，分別在1050℃、1080℃、1110℃、1150℃、1200℃、1230℃ 6個溫度下進(jìn)行燒成試驗，詳細(xì)的 表 3 燒成現(xiàn)象及結(jié)果分析 溫度曲線 配方 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | | 1# | 生燒 | 燒結(jié)完好 | 過燒 | — | — | — | | 2# | 生燒 | 欠燒 | 燒結(jié)完好 | 過燒 | — | — | | 3# | 生燒 | 欠燒 | 燒結(jié)完好 | 燒結(jié)完好 | 燒結(jié)完好 | 過燒 | | 4# | 生燒 | 生燒 | 欠燒 | 欠燒 | 燒結(jié)完好 | 過燒 |
3.6 理化性能的檢測
由于是小試，理化性能指標(biāo)只檢測比表面積、空隙率、磨損破碎率3個重要指標(biāo)，檢測方法分別采用氮?dú)馕椒āV柱法和沖洗膨脹法，檢測結(jié)果如表4。 表 4 小試產(chǎn)品理化性能檢測結(jié)果 | 理化性能指標(biāo) 配方 | 比表面積
cm2/g | 空隙率
% | 磨損破碎率
% | | 1# | 8×103 | 53.1 | 3.7 | | 2# | 9.3×103 | 53.7 | 4.5 | | 3# | 4.9×104 | 69.3 | 1.2 | | 4# | 4.2×103 | 45.6 | 1.8 |
注：3# 配方是按溫度曲線4燒成。 3.7 確定配方及工藝條件
由成型工藝、燒成工藝和理化性能檢測結(jié)果可知：3# 配方為強(qiáng)力掛膜濾料的最佳配方，考慮到放大工業(yè)生產(chǎn)的倒焰窯存在一定的溫差，為了確保產(chǎn)品的合格率及燒成質(zhì)量，采用溫度曲線4為燒成的工藝條件。 4 工業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)試驗 本公司生產(chǎn)試驗按如下工藝圖3進(jìn)行。 
準(zhǔn)備好原材料，將原材料在80±5℃的烘房內(nèi)烘干至水份小于3%，然后經(jīng)雷蒙粉碎機(jī)粉碎至200目篩余量小于1%，再按3# 配方進(jìn)行配料，再經(jīng)螺旋混合機(jī)將所配生料混合均勻。在球粒成型機(jī)上成型后，所得生料球入80±5℃烘房干燥24小時以上，控制半成品含水量小于3%，再裝匣缽入工業(yè)倒陷窯燒成，燒成產(chǎn)品按產(chǎn)品規(guī)格用機(jī)械振動篩篩分，再檢測合格后包裝入庫。
生料球在倒焰窯內(nèi)燒成時，應(yīng)注意增加中火保溫的時間，盡量控制窯內(nèi)溫度均勻，還要控制氧化焰的燒成，以防止還原焰中碳粒等污染產(chǎn)品。
工業(yè)放大產(chǎn)品的理化性能和水力性能檢測結(jié)果見下表5。 表 5 強(qiáng)力掛膜濾料的性能指標(biāo) | 外 觀 | 規(guī)則球形，表面多棱角，多微孔 | | 松散容重 ㎏/m3 | 800～1000 | | 視比重 g/cm3 | 1.1～1.8 | | 總空隙率 % | 60～80 | | 磨損破碎率 % | ≤2 | | 耐酸度 % | ≤2 | | 耐堿度 % | ≤2 | | 比表面積 cm3/g | 2.5～8.9×104 | | 不均勻系數(shù) K80 | 1.0～1.5 | | 孔徑分布 | 大部分為50～100μm的孔 | | 滲透系數(shù) cm/s | 2.31～3.63 | | 清潔濾料水頭損失 cm | 10.1～21.9 | | 是否有有害物質(zhì)溶出 | 無 |
4 工業(yè)應(yīng)用中試試驗 強(qiáng)力掛膜濾料的工業(yè)廢水中試試驗主要有本公司的物化濾池中試試驗、東風(fēng)車橋股份有限公司含油污水中試試驗和茂名石化煉油廠生物掛膜中試試驗。
4.1 物化濾池中試試驗
2000年3月～5月，本公司物化濾池中試試驗采用萍水河的高懸浮物、高濁度河水經(jīng)一級處理（沉淀池）和二級處理（物化濾池過濾）處理工藝，物化濾池采用濾池1# 裝填強(qiáng)力掛膜濾料，濾池2# 裝填石英砂工藝流程如圖4，物化濾池的參數(shù)及2個月連續(xù)試驗結(jié)果如表6。 
由表6可知：強(qiáng)力掛膜濾料用于物化濾池具有產(chǎn)水量大，反沖洗耗水量少，易于清洗，運(yùn)行穩(wěn)定，管理方便，吸附能力強(qiáng)，表面性狀好，使用壽命長的特點(diǎn)。 表 6 物化濾池參數(shù)及結(jié)果 濾池 參數(shù) | 濾池1# | 濾池2# | | 配水系統(tǒng) | 大阻力配水 | 大阻力配水 | | 水體流面 | 下向流 | 下向流 | | 流速 m/h | 14～15 | 8～9 | | 濾料 | 名稱 | 強(qiáng)力掛膜濾料 | 石英砂 | | 規(guī)格mm | 0.8～1.2 | 0.5～1.5 | | 裝填高度mm | 1000 | 1000 | | 反沖洗 | 方式 | 氣水聯(lián)合反沖 | 水反沖，須設(shè)立表面沖洗裝置 | | 歷時min | 6 | 15 | | 耗水量% | 0.5 | 2 | | 截污量 ㎏/m3 | 10～12 | 7～8 | | 凈化率 % | >85 | 30～50 | | 運(yùn)行管理 | 出水水質(zhì)穩(wěn)定，無跑料、漏料、板結(jié)和藻類滋生現(xiàn)象，管理方便。 | 出水水質(zhì)不穩(wěn)定，濾層易產(chǎn)生裂縫，易跑砂、漏砂，反沖洗不干凈，易出現(xiàn)藻類滋生和板結(jié)、噴口現(xiàn)象，管理不方便。 |
4.2 粗粒化中試試驗
2000年6月～8月，我公司在東風(fēng)車橋股份有限公司污水處理站現(xiàn)場進(jìn)行含油污水深度處理的中試試驗，試驗工藝流程見圖5。 
經(jīng)過兩個月的連續(xù)運(yùn)行證明，強(qiáng)力掛膜濾料對石油類的去除率可達(dá)80%以上，對CODcr的去除率也達(dá)30～40%，目前本公司已將該工藝的強(qiáng)力掛膜濾料設(shè)備化，研制出PMF壓力過濾器，內(nèi)裝為強(qiáng)力掛膜濾料。由粗粒化中試試驗結(jié)果分別可知：強(qiáng)力掛膜濾料是一種非常適合作為含油污水深度處理的粗粒化過濾材料。
4.3 生物掛膜中試試驗
本公司自2000年上半年開始，在茂名石化煉油廠開發(fā)HOBAF煉油污水處理新工藝。該工藝是將水解—氧化—生物曝氣濾池三段組合的新型煉油污水處理工藝，其生物曝氣濾池（BAF濾池）采用本公司生產(chǎn)的強(qiáng)力掛膜濾料，其試驗分析數(shù)據(jù)如表7，由試驗分析結(jié)果證明，強(qiáng)力掛膜濾料具有：掛膜均勻迅速，生物相穩(wěn)定，生物活性高，水力停留時間短，運(yùn)行穩(wěn)定，耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。 表 7 生物曝氣濾池試驗數(shù)據(jù) | 指 標(biāo) | 平均進(jìn)水
mg/l | 平均出水
mg/l | 平均去除率
% | | CODcr | 130.7 | 42.5 | 67.5 | | BOD5 | 28.3 | 2.1 | 93 | | 氨氮 | 40.0 | 0.38 | 99 | | 油 | 15 | 0.9 | 94 | | 硫化物 | 0.72 | 0.18 | 75 |
5 生產(chǎn)運(yùn)行試驗 5.1東風(fēng)車橋股份有限公司污水處理站生產(chǎn)運(yùn)行試驗
在2000年9月東風(fēng)車橋股份有限公司污水處理站改造工程中，本公司以強(qiáng)力掛膜濾料的優(yōu)異性能在眾多的廠家之中，脫穎而出，一舉中標(biāo)，將東風(fēng)車橋股份有限公司污水處理站的原過濾器結(jié)構(gòu)改造為本公司的PMF壓力過濾器結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝填強(qiáng)力掛膜濾料，處理水量為3600t/d。經(jīng)過8個月的生產(chǎn)試驗證明：以強(qiáng)力掛膜濾料為粗粒材料的PMF壓力過濾器運(yùn)行穩(wěn)定，操作管理方便，處理效果好，反沖洗耗水量少。對石油類的去除率達(dá)90%以上，對CODcr的去除率也有30～40%，處理后的水達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)處理后的水全部進(jìn)行循環(huán)使用，降低了運(yùn)行成本，減少了水資源浪費(fèi)。
5.2茂名石化煉油廠污水處理工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行試驗
茂名石化煉油廠采用H-O-BAF處理新工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)運(yùn)行試驗，試驗規(guī)模為240t/d，工業(yè)化試驗裝置正式運(yùn)行6個月，從運(yùn)行試驗結(jié)果證明：以強(qiáng)力掛膜濾料為BAF深度處理核心濾料的HOBAF工藝具備高穩(wěn)高效的特點(diǎn)，其中除CODcr的去除率為87%外，BOD5、油、氨氮、揮發(fā)酚及硫化物的去除率均在95%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，以強(qiáng)力掛膜濾料為核心濾料的BAF工藝除具有負(fù)荷高、耐沖擊的特點(diǎn)外，還具有很強(qiáng)的硝化功能，能有效地控制氨氮和亞硝酸根的排放，經(jīng)BAF處理后，懸浮物、油、氨氮、BOD5和酚均達(dá)到地表Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)，出水CODcr也在40mg/l以下，達(dá)到廢水深度處理的目的，對降低運(yùn)行費(fèi)用，提高水資源循環(huán)利用率非常有利，具有巨大的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 6 結(jié)論 （1）強(qiáng)力掛膜濾料主要是由天然吸附材料和優(yōu)質(zhì)粘土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的一種新型人工濾料，其制作工藝特點(diǎn)主要由原材料化學(xué)成分、成型工藝和燒成溫度曲線決定。
（2）強(qiáng)力掛膜濾料在物化濾池中具有比重輕、強(qiáng)度大、空隙率高、比表面積大、表面性狀好、化學(xué)性能穩(wěn)定，產(chǎn)水量大，運(yùn)行穩(wěn)定，管理方便，反沖洗耗水量少，使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
（3）強(qiáng)力掛膜濾料適用于含油污水，特別是機(jī)械加工含油污水的粗粒化處理，控制一定技術(shù)參數(shù)，對石油類的去除率達(dá)80～90%。
（4）強(qiáng)力掛膜濾料在生物濾池等生物膜反應(yīng)器中，具有掛膜均勻迅速，生物相穩(wěn)定，生物活性高，不易堵塞等特點(diǎn)。對縮短水力停留時間，對提高氨氮、磷及可生物降解有機(jī)物的去除率，降低處理成本有非常重要的意義。適用于各類城市污水、有機(jī)工業(yè)廢水處理及飲用水微污染水源預(yù)處理等。
（5）貨源充足，價格適中。 參考文獻(xiàn) 1 劉 雨等．《生物膜法污水處理技術(shù)》，中國建筑工業(yè)出版社，2000。
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