陶粒填料的研究進(jìn)展工學(xué)論文

　　摘要：陶粒填料是目前應(yīng)用較多的填料，陶粒填料在水處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文綜述了填料的分類、研究，陶粒的概念、分類以及在陶粒填料生物膜法中的應(yīng)用研究，并總結(jié)了我國陶粒填料開發(fā)尚待解決的問題。

　　關(guān)鍵詞：陶粒填料生物膜法研究

　　0引言

　　生物填料的發(fā)展歷史已有近百年，從無機(jī)粒狀填料到今天的多種形狀的無機(jī)填料，無論在材質(zhì)還是形狀上都在不斷地進(jìn)步和發(fā)展。生物反應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步促使了生物填料技術(shù)的進(jìn)步。

　　1生物反應(yīng)填料的開發(fā)研究

　　最早的污水生物膜處理工藝是生物濾池，它是源于污水在自然界中的土壤自凈發(fā)展而來的。因此，土壤中的粘土顆粒成為了最早出現(xiàn)并應(yīng)用的生物反應(yīng)填料。第一座成熟的生物濾池工藝是1893年在索爾福德（Salford）建成的噴嘴式布水裝置生物濾池。作為生物濾池重要組成部分的生物反應(yīng)填料也被明確提出了其應(yīng)具有的特點和要求。較好的機(jī)械強(qiáng)度，不易破碎和變形，較強(qiáng)的抵抗外部的物理和化學(xué)作用的能力，表面積大、高孔隙率、易于附著微生物是當(dāng)時對生物填料的要求。因此，花崗巖等較硬的巖石制成的碎石、無煙煤渣或爐渣等無機(jī)粒狀材料在當(dāng)時被普遍應(yīng)用。

　　在20世紀(jì)30年代，生物濾池工藝進(jìn)入了飛躍發(fā)展階段，出現(xiàn)了高效生物濾池、通氣生物濾池、加速生物濾池等高負(fù)荷的生物濾池，。此時對反應(yīng)填料的要求也更高，例如要求其表面污水能均勻分布、通氣效能良好、化學(xué)穩(wěn)定性高等。因此，卵石、石英石、花崗石等無機(jī)粒狀填料被廣泛應(yīng)用。近20年來，隨著塔式生物濾池的出現(xiàn)及有機(jī)化工技術(shù)的發(fā)展，給生物反應(yīng)填料在材質(zhì)和形狀方面提供了更多地選擇，多種形狀的有機(jī)填料和化工填料陸續(xù)得以應(yīng)用[1]。

　　2填料的分類

　　目前，應(yīng)用較多的填料有以下幾種[2-6]：

　　2.1粒狀填料：這是最早出現(xiàn)的填料，材質(zhì)為無機(jī)陶�；蚴�英砂。這類填料的主要優(yōu)點是表面粗糙、易于微生物附著、截留懸浮物的能力強(qiáng)；缺點是阻力大、易于堵塞。

　　2.2不規(guī)則多孔填料：早期的填料有拉西環(huán)(RaschingRing)、鮑爾環(huán)(PallRing)等；目前的填料有哈凱登球(Hacketten)和多面輕質(zhì)球等，制作材料有陶瓷、石墨、塑料和金屬等。主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉；缺點是流體分布不均。

　　2.3蜂窩狀或波紋板狀填料：通常用玻璃鋼或塑料(聚乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯等)等材質(zhì)制造。其主要的優(yōu)點是質(zhì)輕、孔隙率高、強(qiáng)度高、防腐性能好等；主要的缺點是微生物的生長與脫落平衡不易控制、難以得到均一的流速。

　　2.4球形輕質(zhì)陶粒：球形輕質(zhì)陶粒多采用粘土為原材料，添加適當(dāng)?shù)幕�工原料做膨脹劑，�?jīng)高溫?zé)�制而成。與傳統(tǒng)填料相比，球形輕質(zhì)陶粒的優(yōu)點有：高強(qiáng)度、大孔隙率、大比表面積、密度適宜、較好的化學(xué)穩(wěn)定性、較強(qiáng)的生物附著性；主要缺點是能耗高、制備成本高。我國到目前為止，球形輕質(zhì)陶粒曝氣生物濾池及其組合工藝已廣泛應(yīng)用于生活污水處理、印染廢水處理、啤酒廢水處理等生產(chǎn)實踐中，并取得了良好的效果。

　　3陶粒填料的開發(fā)研究

　　3.1陶粒的概念陶粒是以粘土、頁巖、煤矸石、粉煤灰等為主要原料，摻加少量粘結(jié)劑、附加劑等經(jīng)加工成粒或粉磨成球，再經(jīng)燒脹等工藝制成的一種人造輕型骨料。粒徑在2mm～20mm之間。一般而言，普通陶粒比表面積為300～1000m2/m3、堆積密度為200～1000kg/m3、孔隙率達(dá)到30%以上[7]。早期的陶粒大多采用頁巖直接燒制而成，為不規(guī)則狀。最近出現(xiàn)的球形輕質(zhì)陶粒，大多采用粘土為主要原料，添加適當(dāng)?shù)幕�工原料做膨脹劑，�?jīng)過高溫?zé)�制而成�?/p>

　　3.2陶粒的分類

　　3.2.1按原料分類：粘土陶粒、粉煤灰陶粒、頁巖陶粒、煤矸石陶粒等。

　　3.2.2按擴(kuò)散容重分：一般容重陶粒，容重大于500kg/m3；超輕容重陶粒，容重為200～500kg/m3；特輕容重陶粒，容重小于200kg/m3[8]。

　　3.2.3按加工形狀分：圓球形陶粒和普通型陶粒。

　　3.2.4按傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝分：燒結(jié)型，以粘土、頁巖為主要原料；燒脹型，以粉煤灰為主要原料等。

　　4陶粒在生物膜法中的應(yīng)用研究

　　生物膜在填料上形成的關(guān)鍵是微生物在載體表面的固定情況。微生物在載體表面附著并實現(xiàn)固定化是微生物表面與載體表面之間的相互作用。這種相互作用的過程與微生物自身特性有關(guān)，同時也與固定載體的物理化學(xué)特性及環(huán)境因素(如pH值、離子強(qiáng)度、水力剪切力、溫度等)密切相關(guān)。微生物向載體表面的輸送有主動運輸和被動運輸兩種方式，其中主動運輸起著主導(dǎo)的作用。微生物轉(zhuǎn)移到載體表面后，首先形成的是可逆附著�？赡娓街鴮嶋H上是一個附著與解析的雙向動態(tài)過程。不可逆附著是指微生物在可逆附著過程中分泌的粘性代謝產(chǎn)物牢牢地粘封在載體表面，使得附著過程成為不可逆。不可逆附著是微生物膜群落的基礎(chǔ)。

　　陶粒填料在水處理方面的應(yīng)用主要包括用做過濾材料和生物載體。作為過濾材料，可利用陶粒吸水不吸油的特點，在各大油田中應(yīng)用。作為生物膜載體，可利用陶粒比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高的物理特性和親微生物的性能，在生物膜法處理工藝中應(yīng)用。

　　陶粒填料在水處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，無論是好氧、兼氧還是厭氧方法中，陶粒填料都發(fā)揮著極其重要的作用。它在生物膜反應(yīng)器的作用主要有：

　　4.1是微生物生長繁殖的載體，為微生物提供穩(wěn)定的棲息環(huán)境；

　　4.2是生物膜與處理水接觸的場所，且能對水流有強(qiáng)制性的紊動剪切力，有利于處理水的再分布；

　　4.3可以截留處理水中的部分懸浮物質(zhì)，減少出水的懸浮物濃度。

　　生物膜法對陶粒填料的基本要求是輕質(zhì)、孔隙率高、機(jī)械強(qiáng)度高、價格低廉等。除此之外，陶粒填料最好能易于微生物生長或刺激微生物的活性。目前的研究主要有：一是反應(yīng)器的啟動，即陶粒掛膜的性能測試；二是微生物對廢水或廢氣去除效率的問題。

　　陶粒研究的關(guān)鍵是制備工藝的控制，而應(yīng)用則主要包括好氧和厭氧生物膜法處理工藝，如負(fù)荷生物濾池（包括普通生物濾池、高負(fù)荷生物濾池、塔式生物濾池等）；好氧接觸氧化濾池（如曝氣生物濾池）；厭氧生物濾池；好氧或厭氧流化床等。

　　由于陶粒還具有強(qiáng)度高、保溫隔音效果好、防火、耐化學(xué)腐蝕、抗震性好、施工適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)良性能，還被應(yīng)用與建筑、冶金、化工、農(nóng)業(yè)等部門。

　　5結(jié)論

　　在西方國家陶粒的生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的歷史，不僅產(chǎn)量高而且應(yīng)用普遍。對陶粒的研制，我國也已經(jīng)歷了四十年的時間。特別是九十年代以來陶粒以飛快的步伐、良好的勢頭向前發(fā)展。雖然我國的陶粒發(fā)展已經(jīng)走上正規(guī)化，但還存在幾方面問題需要解決：

　　5.1總體上說，我國陶粒生產(chǎn)的技術(shù)和工藝還比較落后，與國外先進(jìn)國家相比，還存在一定的差距，傳統(tǒng)的燒結(jié)法仍然是陶粒生產(chǎn)的主要工藝；

　　5.2在陶粒分類上，環(huán)保陶粒較少，粘土陶粒和頁巖陶粒仍占主導(dǎo)地位；

　　5.3陶粒的推廣速度緩慢，從而導(dǎo)致了其經(jīng)濟(jì)效益得不到充分的發(fā)揮。

　　因此，必須加大陶粒的開發(fā)。

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