1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

陶粒用于水处理填料的研究进展

摘要： 我国水资源短缺。随着我国经济的高速发展，大量未经处理及处理未达标的含氮、磷等污染元素的废水直接排入水体，造成水体富营养化，使水体中有机物积蓄，破坏水生生态平衡，如何有效治理废水成为关注的焦点问题。而污水处理厂污泥量逐渐增多，污泥中含有大量的污染物、重金属、病原体以及病毒等，必须合理处置污泥。本课题旨在研究多源性废弃泥（清淤海泥、市政污泥）资源化综合利用为制备水处理填料的方法。通过利用不同性质废弃泥在制备水处理相关填料过程的互补特征，探讨其制备水处理填料产品的优化方法，一方面减少清淤海泥、市政污泥等废弃泥对环境的二次污染问题，同时有利于实现使废弃泥”变废成宝”,作为水处理填料吸附废水中氮、磷及有机物等。主要内容包括：（1）不同废弃泥制备填料的配比及工艺参数控制实验；（2）不同工艺配比的填料产品的特征测试实验与分析；（3）不同工艺配比的填料产品环境安全性实验与分析。

关键词：；多源性废弃泥清淤海泥、市政污泥；陶粒；水处理填料；正交实验；含磷、氮废水；有机物；吸附

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1、本课题要研究的问题

通过利用不同性质废弃泥在制备水处理相关填料过程的互补特征，探讨其制备水处理填料产品的优化方法，一方面减少清淤海泥、市政污泥对环境的二次污染问题，同时有利于实现使废弃泥”变废成宝”,作为水处理填料吸附废水中氮、磷及有机物等。本研究在一定程度上解决了污泥、海泥和粉煤灰这三大固体废弃物的处理问题，有效地清楚了脱水污泥带来的二次污染的问题，减少了大量污泥堆放所产生的占地问题以及在对方过程中对环境的有害影响，解决了重金属的释放问题，同时以海泥代替粘土成分有效的保护了耕地。

2、拟采用的研究手段

2.1、不同废弃泥制备填料的配比及工艺参数控制实验；

2.1.1、仪器设备

试验所用仪器和设备见表1-1-1

表1-1-1 主要试验仪器

2.1.2、原料

试验所用原料见表1-1-2

表1-1-2 试验原材料表

试验原料	来源
脱水污泥	南京江心洲污水处理厂
海泥	连云港清海海泥
添加剂	南京化学试剂有限公司

2.1.3 、陶粒制备的基本流程

（1）干燥原料、粉碎

将污水处理厂的污泥和海泥置于鼓风干燥箱内，在105⁰C的温度下烘干，然后通过A-11粉碎机进行粉碎，并过100目

（2）混合成球

因为在实验室的制备属于小试阶段，所以采取人工手动成球的成球方式，具体步骤为，按一定比例分别称量污泥、海泥、添加剂，在烧杯中混合均匀，然后加水进行搅拌，当混合物成为粘稠物具有一定的粘性后直接用手搓成球型。

（3）干燥

为了去除生料球中多数水分，防止在烧制过程中出现炸裂，因此需将生料球放入鼓风干燥箱，在105⁰C的环境下干燥一段时间。

（4）预热

生料球干燥完成后即可进入预热阶段，预热的温度一般为300⁰C-500⁰C，时间一般为100-30min，生料球的预热主要是为了降低生料球中碳的含量，并排除生料球内多余的水分。

（5）焙烧

预热后将生料球放入马弗炉，并设置升温到指定温度进行焙烧，焙烧的温度一般为1000-1200⁰C，时间一般在5-15min，焙烧过程是填料制备的重要过程，对制备成的填料的性能有很大的影响。

（6）冷却

焙烧结束后将填料从马弗炉中取出，冷却至室温。

2.2、不同工艺配比的填料产品的特征测试实验与分析

2.2.1、物料配比的影响

各物质化学成分不同，物料配比不同导致生料球中化学成分不同，制备出的填料性能也大不相同，为确定一定的物料配比，以污泥、海泥、添加剂为原料，首先进行基础性试验。

首先选择污泥：海泥：添加剂分别为90:0:10、80:10:10、70:20:10、60:30:10、50:40:10、40:50:10、30:60:10、20:70:10、10:80:10。观察不同材料配比的实验结果。

2.2.2 、预热、焙烧制度的影响

利用正交实验分析，确定在单因素试验条件下陶粒制备的最佳预热时间、焙烧温度。

预热温度为350℃，预热时间选取10min、15min、20min、25min；

焙烧温度选取1050℃、1080℃、1100℃、1120℃、1140℃，焙烧时间12min。

将选取不同因素下制备的陶粒的比表面积、吸水率两种评价指标确定制作陶粒的最佳因素。

2.2.3 、填料的评价指标

评价陶粒的指标很多，本次实验用陶粒的比表面积和吸水率进行评价。

陶粒比表面积分析采用扫描电子显微镜进行观察。因为陶粒比表面积越大，吸附性能越好。

陶粒吸水率测定参考国标GB/T3810.3-1999的方法对陶粒的吸水率进行测定：将制备好的陶粒试样烘干至恒重M₀，然后将陶粒放入水中浸泡一段时间，浸泡时间为2h，浸泡结束后擦干表面水称重M₁

W=(M1-M0)/M0*100%

W---吸水率 M₀---试样干重 g，M₁---试验吸水后重g

2.3、不同工艺配比的填料产品环境安全性实验与分析

2.3.1、陶粒在废水生物处理中应用的指标及测定方法

反应器由小烧杯制成。将用污泥、海泥及辅料制成的吸水率最好、比表面积最大的陶粒和普通陶粒分别放置于不同的小烧杯中。试验前缓慢注入被污染的生活污水，反应结束后利用排水虹吸导管将污水排走。

COD是表示水体有机污染的一项重要指标，能够反应水体的污染程度。COD（化学需氧量）越大，说明水体受有机物的污染越严重。因此用COD反映水中有机物的含量。

总氮指可溶性及悬浮颗粒中的含氮量。

先测定污水中的COD、总磷、总氮，反应结束后再测定污水中的COD、总磷、总氮并进行比较。

COD测定使用重铬酸钾法;

原理:在强酸性溶液中，一定量的重铬酸钾氧化水样中还原性物质，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂、用硫酸亚铁铵溶液回滴。根据用量算出水样中还原性物质消耗的氧。酸性重铬酸钾氧化性很强，可氧化大部分有机物，加入硫酸银作催化剂时，直链脂肪族化合物可完全被氧化，而芳香族有机物却不易被氧化，吡啶不被氧化，挥发性直链脂肪族化合物、苯等有机物存在于蒸气相，不能与氧化剂液体接触，氧化不明显。氯离子能被重铬酸盐氧化，并且能与硫酸银作用产生沉淀。

测定方法：先取水样20mL（原样或经稀释）于锥形瓶中，加入HgSO#8324; 0.4g(消除CL离子干扰）混匀。加入0.25mol/L 重铬酸钾 10mL 和沸石若干 混匀接上回流装置。从冷凝管上口加入 AgSO#8324;-H#8322;SO#8324;溶液30mL （催化剂）混匀，回流加热2小时。冷却30分钟，从冷凝管上口加入80mL水于反应液中。取下锥形瓶，加入铁灵试剂3滴，此时溶液应呈黄色（既过量重铬酸钾中六价铬颜色）。用0.1mol/L 硫酸亚铁铵标准溶液滴定 此时溶液颜色逐渐变成蓝绿色（既六价铬被亚铁试剂还原成三价铬的颜色），继续滴定至溶液呈现红棕色停止 （此时水样中重铬酸钾全部被还原 亚铁离子和亚铁试剂产生红棕色）记录硫酸亚铁铵溶液的用量V#8321;mL。以蒸馏水为空白水样，同上法测定硫酸亚铁铵溶液的用量V₀mL。

按下面公式计算CODcr值：

CODcr（O#8322;，mL/L)=(V₀-V#8321;)*c*8*1000/V

V表示水样体积mL，c表示硫酸亚铁铵溶液浓度mol/L，8表示氧的摩尔质量g/mol，*号表示乘以。

总氮测定使用用碱性过硫酸钾在120～124℃消解、紫外分光光度测定。

原理：在60℃以上水溶液中，过硫酸钾可分解产生硫酸氢钾和原子态氧，硫酸氢钾在溶液中离解而产生氢离子，故在氢氧化钠的碱性介质中可促使分解过程趋于完全。分解出的原子态氧在120～124℃条件下，可使水样中含氯化合物的氮元素转化为硝酸盐。并且在此过程中有机物同时被氧化分解。可用紫外分光光度法于波长220和275nm处，分别测出吸光度A220及A275按式：A＝A220－2A275求出校正吸光度A，按A的值查校准曲线并计算总氮(以NO3－N计)含量。

测定方法：

1、取10.00mL试样(含氮量超过4mg/L时，可减少取作量并加水稀释至10mL)置于消解罐中，加入5mL碱性过硫酸钾溶液

2、试样不含悬浮物时，按下述步骤进行：旋紧密封盖依次将消解罐均匀的放入微波炉玻璃转盘周边，关好炉门。进行消解。消解时间为（n 4）分 n*20秒，取出放冷。将液体转移至25mL比色管内，加10%盐酸1mL然后用水稀释至标线。e:移取部分溶液至10mm，石英比色皿中，在紫外分光光度计上，以无氨水作参比，分别在波长为220与275nm处测定吸光度，并用式(1)计算出校正吸光度A。

3、试样含悬浮物时，先按上述含悬浮物时步骤进行，然后待澄清后移取上清液到石英比色皿中。再按e步骤继续进行测定。

4、空白试验：空白试验除以10mL水代替试料外，采用与测定完全相同的试剂、用量和分析步骤进行平行操作。注：当测定在接近检测限时，必须控制空白试验的吸光度Ab不超过0.03，超过此值，要检查所用水、试剂、器皿。

5、标准曲线的绘制

校准系列的制备：
1.用分度吸管向一组(10支)比色管中，分别加入硝酸盐氮标准使用溶液(4.6.2)0.0，0.10，0.50，1.00，2.50，5.00，10.00mL。加水稀释至10.00mL。
2.按式样不含悬浮物时步骤进行测定。
6、校准曲线的绘制：
零浓度(空白)溶液和其他硝酸钾标准使用溶液制得的校准系列完成全部分析步骤，于波长220和275nm处测定吸光度后，分别按下式求出除零浓度外其他校准系列的校正吸光度As和零浓度的校正吸光度Ab及其差值Ar
As＝As220-2As275
Ab＝Ab220－2Ab275
Ar＝As－Ab
式中：AS220#8212;#8212;标准溶液在220nm波长的吸光度；
AS275#8212;#8212;标准溶液在275nm波长的吸光度；
Ab220#8212;#8212;零浓度(空白)溶液在220nm波长的吸光度；
Ab275#8212;#8212;零浓度(空白)溶液在275nm波长的吸光度。
按Ar值与相应的NO3-N含量(微克)绘制校准曲线。

计算方法：按式A＝A220－2A275。计算得试样校正吸光度Ar，在校准曲线上查出相应的总氮?g数，总氮含量(mg／L)按下式计算：

CN = m / v

式中 ：m#8212;试样测出含氮量， 微克；

V#8212;测定用试样体积，mL。

总磷测定使用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法。

原理：在中性条件下用过硫酸钾使试样消解，将所含磷全部转化为正磷酸盐。在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐存在下生成磷杂多酸后，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色的络合物。

分析步骤：

1 空白试样

按2的规定进行空白试验，用水代替试样，并加入与测定时同体积的试剂。

2 测定

1、消解

吸取 5mL 混匀水样于 50mL 具塞比色管中，加入 5mL过硫酸钾溶液（4.1），用蒸

馏水稀释至 25mL，将比色管置于沸水浴中加热 30 分钟，取出冷却至室温。

2、发色

分别向各份消解液中加入 1mL 抗坏血酸溶液，2mL钼酸铵溶液，用蒸馏水稀释至 50mL，充分混合均匀。

3 分光光度测量

室温下放置 30 分钟后，使用光程为 10mm 比色皿，在 700nm 波长下，以蒸馏水为

参比液，空白试液调节零点，测定吸光度后，从工作曲线（5.2.4）上查得磷的含量。

4 工作曲线的绘制

取 6 支具塞比色管分别加入 0.0；0.50；1.0；2.0；3.0；4.0mL 磷标准溶液。然后按步骤2进行处理，以蒸馏水为参比液，空白试液调节零点，测定吸光度后，和对应的磷的含量绘制工作曲线。

5 计算

总磷含量以 C（mg/L）表示，按下式计算：

C = m#215;X/V

式中：m ---- 试样测得含磷量，ug；

X --- 样品稀释倍数；

V ---- 测定用试样体积，mL。

注：1、对于总磷较大的水样（如精炼厂、榨油厂污水和中和水）需将水样稀释50倍后再进行检测；排放水采样量为 10mL。

2、若消解后的试样有悬浮物需过滤后再发色。

2.3.2、可溶性盐的测定

在含有陶粒的蒸馏水中加入AgNO₃溶液，对陶粒中氯离子含量进行测试。

Ag Cl=AgCl(沉淀）