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专题报道
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斜管填料的发展趋向

随着过滤工艺的不断改进、工业化产业的不断发展以及许多学者的不懈努力,使斜管填料的 性能得到不断改善,但在实际应用中仍存一些不足之处,需要不断地进行开发和研究。
 
人工斜管填料的开发
 
入工斜管填料的总的发展动向是研究物理性能好、原材料不含有毒物质、化学稳定性好、孔 隙率高、机械强度好、比表面积大、形状系数大、表面电性良好、吸附能力强的人工斜管填料。
 
陈楷翰等人结合目前印染废水的处理工艺思路,采用南方普遍存在的红黏土进行烧结制 成红壤基催化陶瓷斜管填料,不但具备过滤功能而且能快速地将印染废水有效地催化氧化。试验 结果表明,在适宜的参数下,对甲基橙的脱色率能达到99. 7%以上,二次污染轻微。该催 化斜管填料已初步能满足将过滤和催化氧化工序合并的功能需求。
 
硅藻土物理化学性能稳定、无毒,能形成高度渗透性的过滤层,故能截留各种杂质微 粒,使滤液达到高度澄清。吴建锋等人利用硅藻土的种类繁多和多孔特性,以a-Al203、硅 藻土为主要原料,加人一定量的成孔剂、助熔剂,用水作黏结剂制成有一定可塑性的泥料, 手工搓球、干燥后经烧结制成,制备了体积密度可控,性能优异的可用于水处理的多孔陶瓷 斜管填料。
 
多层复合斜管填料的应用
 
过滤工艺与生物滤池工艺中,斜管填料的性能是关键。单一的斜管填料局限性较大,用双层或多 层斜管填料滤池净化水是当前国内外过滤技术革新的方向,它的构造和过滤方式与普通单层斜管填料 滤池无多大差别,只是改变了斜管填料组成及排列。实践表明:双层或多层斜管填料滤池具有截污能 力强、出水水质稳定,过滤周期长、反冲洗耗水量低等优点,有较好的推广前景。
 
仲丽娟等人采用复合生物活性斜管填料滤池进行了试验研究。复合生物活性斜管填料滤池是由活 性和惰性斜管填料复合构成滤床,在保持滤池去除悬浮物功能的基础上强化滤池去除有机物的能 力,其中的活性斜管填料由极性和非极性斜管填料复合构成,用以提高滤池吸附、去除有机物的能 力。该滤池还采用空气充氧,是一种生物滤池。试验结果表明,该滤池对氨氮的去除率 >90歸,对CODm„的去除率>40%,其出水水质满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749),具有较好的处理效果。
 
嘉兴南门水厂将原普通砂滤池改造为活性炭/砂双斜管填料滤池,进人稳定运行期后活性炭/ 砂滤池可削减氨氮负荷0.70?1.30mg/L,对CODM[1的去除率为15%?22篇,对锰的去除 率>90%,均远髙于原普通砂滤池,而制水成本仅增加约a 025元/m3。实践证明,强化混 凝-生物活性炭/砂双斜管填料滤池组合工艺是处理低氨氮(<1. 5mg/L)、低COEW (4?6mg/L)、 低锰(<0.7mg/L)微污染原水的经济性选择。
 
i3)原有材料的改性
 
需要对其进行改性,对于生物滤池来说今后应该加强生物膜在斜管填料上的生存特征及适应 性的研究,以便寻求能改善斜管填料性能的新工艺和方法。
 
武汉科技大学雷国元等人对表面涂有氧化钛和涂氧化铁的石英砂与普通石英砂进行对比 试验研究,研究表明涂氧化钛和涂氧化铁的石英砂改性斜管填料可以提高藻细胞、浊度物质、有 机物的去除率。
 
氟是自然界中广泛存在的一种元素,地方性氟骨病是由于长期饮食当地高氟水或食物而 引起的一种慢性氟中毒病,同济大学高乃云等人先容了氧化铁涂层砂和未涂层石英砂除氟过 滤比较:氧化铁涂层砂除氟效果显著,去除率达9QM以上,基本遵循低pH值高去除率的 规律;石英砂对水中的氟无任何去除效果。
 
(4)低价废品斜管填料的开发
 
、人口的增加和人民生活水平的不断提高,资源紧缺现象已日趋明显,再生利用资源的提 出使废品斜管填料的开发逐渐成为研究的热点。一些价廉易得的无机矿物原料和相关工业废料, 通过优化斜管填料的各项理化指标与性能参数,开发高效低价的生物斜管填料产品,同时还要充分考 虑斜管填料的再生利用,降低废水处理的成本。
 
目前主要应用较多的为陶粒斜管填料,对于陶粒斜管填料的原材料选取应以固体废物为主,以减 少天然矿物质和黏土的开采。
 
随着社会的进步,大量的工业废水和生活污水被排人河道中,造成河道底泥的污染严 重。同时底泥中污染物可释放出来,对上覆水造成二次污染,又使河流水质恶化程度进一步 加剧。张国伟等人对底泥化学成分进行分析后,利用河道底泥制成了陶粒斜管填料,并进行了试 验,试验结果表明对微污染水、贫营养水以及城市污水处理厂出水的处理和回用具有良好的 价值。
 
冯秀娟等人用20%HC1对尾矿进行改性处理,使其产生大量的孔洞,以备后用。取改 性后的金属尾矿、炉渣灰、粉煤灰、黏土等熔融温度不同的物料及成孔剂、黏结剂以不同比
 
例制备不同成分含量的生物陶粒,既解决了金属尾矿物的处理方式,又节约了黏土等天然 资源。
 
3.12斜管填料在水处理中的应用
 
3.12.1沸石在水处理中的应用
 
天然沸石是一种新兴材料*广泛应用于工业、农业、国防等部门。沸石被用作离子交换 剂、吸附分离剂、干燥剂、催化剂、水泥混合材料。沸石在水处理方面的应用研究较少r以 下结合沸石的结构及在水处理中的应用做简单先容。
 
沸石有很多种,已经发现的就有36种。它们的共同特点就是具有架状结构,就是说在 它们的晶体内,分子像搭架子似地连在一起,中间形成很多空腔。在这些空腔里还存在很多 水分子,属于含水矿物。这些水分在遇到高温时会排出来,比如用火焰去烧时,大多数沸石 便会膨胀发泡,像是沸腾一般。沸石的名字就是因此而3|e。不同的沸石具有不同的形态,如 方沸石和菱沸石一般为轴状晶体,片沸石和辉沸石则呈板状,丝光沸石又成了针状或纤维状 等。各种沸石如果内部纯净的话,它们应该是无色或白色,但是如果内部混人了其他杂质, 便会显出各种浅浅的颜色来。沸石还具有玻璃样的光泽。金沙城娱乐官方平台知道沸石中的水分可以跑出
 
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来,但这并不会破坏沸石内部的晶体结构。因此,它还可以再重新吸取水或其他液体。于 是,这也成了人们利用沸石的一个原因。金沙城娱乐官方平台可以用沸石来分离炼油时产生的一些物质,可 以让它使空气变得干燥,可以让它吸附某些污染物,净化和千燥酒精等。
 
沸石的晶体构造可分为三种组分:①铝硅酸盐骨架;②骨架内含可交换阳离子的孔道和 空洞;③潜在相的水分子,即沸石水。在沸石构造中,金属阳离子位于晶体构造较大并相互 通连的孔道或空洞间。这种形式的交换作用,可能是离子交换的极端形式,只限于沸石及类 似的矿物。
 
在工业用途中几种常见的沸石有:①斜发沸石,多呈似放射状板片集合体微形态,而在 孔隙发育处,可形成具有完好或部分完好几何形态的板块晶体,宽可达20mm,厚5mm左 右,端部约呈120°角,有的呈菱形板片和板条状,EDX谱为Si、Al、Na、K、Ca;②丝光 沸石,SEM特征微形态为纤性状,纤丝般细直或稍有弯曲,直径约为0.2mm,长度可达几 | 奄米,为自生矿物,但在蚀变矿物外缘,呈放射状逐渐分开形成纤丝状丝光沸石,此种丝光 沸石应为改造型矿物,EDX谱为Si、Al、Ca、Na;③方沸石,SEM特征微形态为四角3; s 八面体和各种形态的聚形,晶面多呈4、6边形,晶粒可大至几十毫米,EDX谱特征元素为 Si、Al、Na,可以有少量Ca;④菱沸石,SEM特征微形态为短菱柱形,大小可从1mm到 几毫米,EDX谱为Si、Al、Ca,可以有K、Na的少量存在。
 
沸石用作斜管填料对氨氮的去除
 
氨氮作为水处理效果检验指标之一,当水中氨氮含量较髙时,会导致水体富营养化,严 重时会发生水华或赤潮,造成水生生态环境的破坏。如果氨氮处理不达标,出厂水会因氨氮 含量较高滋生繁殖大量微生物,破坏管网管道,因此有效去除水中的氨氮显得尤为重要。采 用沸石除氨氮即利用沸石对阳离子的选择性交换能力和较大的比表面积。张曦等在天然沸石 对氨氮的吸附及解吸时发现,随着氨氮浓度的增大或温度的升高,沸石的吸附量也升高, 大可达到15mg。在不同阳离子作用下,也会呈现出不同的吸附状态,在K+的作用下,可 使沸石对氨氮的吸附量降低50%左右,HC1溶液对于氨氮的解吸率高可达到60%,效果 要好于NaCl溶液。沸石吸附的氨氮在硝化菌的作用下可转化为硝态氮,溶液中硝态氮的含 量在12h后可达到9mg,占总氮的27%。蒋建国等在沸石吸附法去除垃圾渗滤液中氨氮的 研究中发现,在氨氮浓度相当高的情况下,lg沸石吸附的极限为15g氨氮。金沙城娱乐官方平台国对斜发沸 石除氮处于研究阶段,还未成规模的建厂,国外对斜发沸石巳经有了应用,如美国明尼苏达 州的Rosement污水厂,在对原水进行预处理后用斜发沸石进行离子交换,处理后水的氨氮 去除率可达到95%以上„
 
沸石对水中重金属的去除
 
天然斜发沸石对水中的重金属有良好的吸附能力,加上本身格架结构特征和配位键的不 平衡决定了沸石能作为阳离子交换剂使用,是处理低浓度、大水量的混合电镀废水应用较多 且效果较好的吸附剂。沸石对铜、汞、铅、锌的去除具有较好的效果,NaOH、HC1和 NaCl处理过的沸石,其吸附性能显著提高。王志贤等利用天然沸石软化水的试验表明,经 沸石处理后的一次软化水的质量已完全符合工业锅炉和一般生产部门使用软水标准,技术经 济指标都已达到磺化煤离子交换剂的水平。谢晓凤在研究沸石对阴离子型含重金属的去除效 果中发现,改性后的有机沸石对水中重铬酸根的去除效果很好,可见沸石对重金属离子的去 除有很好的应用前景。
 
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w沸石_对水中有机物的去除
 
根据沸石的结构特点,沸石的内表面可以吸附一些较小的有机污染物,然而对有机物的 吸附也取决于有机物的极性和大小,极性分子较非极性分子较易吸附,当分子的直径越大时
 
就越难被吸附。带有一些极性基团如分子一OH、\ —0* —NH2或含有可极化基团如
 
............... .  ...................................  /' '
 
、-C6H5易于沸石发生强吸附作用刘远金等人研究了天然沸石和活化沸石对
 
污水中BOD和COD的处理效果.研究表明:活化可提高沸石对污水的处理效果,且在一 夫后达到好的处理效果。沸石是一种天然、无毒、无味且对环境没有影响的吸附剂,在金沙城娱乐官方平台 国储量大*但沸石_为水处理用的斜管填料,技术方面还不太成熟•需要深入的研究。
 
3,\2,2生物陶粒斜管填料在水处理中的应用
 
曝气生物滤池集生物氧化和截留悬浮固体于一体,节省了后续沉淀池(二沉池)=汚水 通过斜管填料层,水中的污染物被斜管填料层截留,并被斜管填料上附着的生物降解转化,同时.溶解状 态的有机物也被去除,所产生的污泥保留在过滤层中,而只让净化的水通过这样可在一个 密闭琢应器中达到.壳全的生物处理,不需在下游设置二沉池进行污泥沉降》
 
滤池底部设有进水装置和排泥管,中上部是填料层,厚度一般为2.5?3* ^n,为防止 斜管填料流失,滤床上方设置装有滤头的混凝土挡板,滤头可从板面拆下,.不用排空滤床,方便 维修。挡板上部空间用作反冲洗水的储水区,其高度根据反冲洗水头而定。曝气生物滤池具 有容积负荷、水为兔荷大,水力停留时间短,所需基建投资少,出水冰质好,运行能耗低, 运行费用少的特点。曝气生物滤池是2(3世纪80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法 污水处理工艺,于90年代初得到较大发展。处理工艺中填料既作为微生物的载体X是过滤 的主体,因此在水处理中应用广泛。
 
陶粒斜管填料是以优质黏土为主要生产原料,经烘干、配料、制粉、成球、高温烧制、筛分 等一系列工艺加工而成的粒状材料。其外观为近球形颗粒,表面呈黄红色或深褐色,颗粒粒 径可禎据要求生产。该产品在物理微观结构方面表现为表面微孔发达且分布合理*平均微孔 直径约为生长在微孔内的微生物不易流失,即使长时间不运转也能保持菌种活性, 使得曝气生物滤池可间断运同时,比表面积大,可附着生长、繁殖大量微生物,能使曝 气生物滤池的容积负荷增大,降解速率显著提高;另外,该产品质地轻、强度高、耐摩擦、 耐冲洗、不向水体释放有毒有害物质,具有良好的物理、化学和水力学特性,可适应不同污 水净化的要求。现代水处理工艺充分利用了这些特性,使其成为水处理,特别是污水、微污 染水源水生物预处理以及给水过滤技术的选斜管填料。
 
生物陶粒用于生活饮用水处理时的主要特点:①表面微孔丰富,比表面积大,易挂膜且 生物量大》对NH4+-N、COD的去除效果好,截污能力强,处理出水水质高;②斜管填料层孔 隙分布均匀,表面孔径为适宜微生物生长的中孔和大孔,克服了因斜管填料层孔隙分布不均勻而 造成的水头损失,易堵塞、板结的问题;③密度适中,反冲洗所需时间短,使用周期长,能 耗低,克服了难控制和易跑料的缺陷,省电省工;④采用很好的粒径级配,纳污能力强,滤 料和用率高,氷头损失增加缓慢,在同样条件下滤速可达lSm/h,工作周期24h以上,周 期产水量达顔S?,是石英砂斜管填料的l,i?2倍;雜不含任何对人体和环境有害 的物质,机械强度高、耐冲耐磨损,生物、化学稳定性及热力_学稳定性好o
 
由宁水污染较以前严重,传统的水处理工艺已不能满足水处理后的排放标准!水中的溶
解性有机污染物、氨氮等不能有效去除。为了使处理后的水达标,需要改进处理工艺,而孙 立新等采用生物陶粒做预处理,试验表明,可有效去除水中的氨氮、溶解性的有机污染物、 浊度、色度,很好地改善了水处理的效果。在污水的深度处理中采用生物陶粒技术不仅经济 节约,还具有比表面积大、生物生长好的优点。天津自来水集团金沙城娱乐官方平台采用生物陶粒技术 做深度处理,结果表明,经生物陶粒滤池处理后的水中CODMn的去除率为31.0%,对氨氮 的去除率为67. 5%,出水浊度在0.30?0.40NTU之间。王金秋等通过对生物陶粒处理石油 炼制废水研究表明,处理后的废水CODcr<70mg/L,油含量<2mg/L、SS<30mg/L,且 出水可达到循环冷却水的标准。
 
生物陶粒料具有比表面积大、空隙分布均匀、生物生长好等特点,在水处理中广泛应 用,但将生物陶粒做斜管填料工艺方面还有待研究,其具有广阔的发展空间。
 
3.12.3无烟煤在水处理中的应用
 
无烟煤斜管填料是从深井矿物中精选的,具有高的含碳量百分比,在水处理中的应用已有 20多年的历史。无烟煤初作为民用燃料,后经过专家研究和试验发现无烟煤斜管填料在酸性、 中性、碱性水中均不溶解,吸附性强,含污能力高,且颗粒均勻,光泽度好,抗压耐磨机械 强度高,因质量轻所需反冲洗强度低。无烟煤在其他领域也有很大应用,如冶金、化肥等。 作为斜管填料在水处理过程中被广泛应用。
 
无烟煤斜管填料是经过破碎筛分后加工成一定颗粒级配粒径的斜管填料,采用人工分类,减少了 无关矿物质并降低灰分含量。由于具有较好的固体颗粒保持能力,无烟煤能够可靠地提高悬 浮颗粒清除能力,是目前普遍采用的佳过滤材料。其用途广泛,适应范围大,可用于生活 饮用水和工业生产用水以及各种池型的普通快滤池、双层及三层滤池,各种污水过滤器、净 水机械过滤器及化工、冶金、热电、制药、造纸、印染、食品等的生产前后的水质处理。
 
无烟煤斜管填料在过滤过程中所起作用的好坏,直接影响着过滤的水质,故对此斜管填料的选择 必须达到以下几点要求。
 
机械强度高,破碎率和磨损率之和不应大于3% (百分比按质量计)。
 
②化学性质稳定,不含有毒物质。一般在酸性、碱性、中性水中均不溶解。
 
③粒径级配合理,比表面积大》
 
④粒径范围小于指定下限粒径(按质量计)不大于5%,大于指定上限粒径(按质量
 
计)不大于5MS
 
煤炭是有机物组成的,煤粒表面基本上是非极性的,无烟煤亲非极性的烃类油而疏极性 的水。随着煤化程度提高煤中碳含量也增加,其亲油疏水程度也加强,用来去除水中的油 脂、有机污染物效果也更好。无烟煤斜管填料表面有许多孔隙,由于亲油性,故在水处理过程 中,吸附水中的油脂类,排除孔隙中的水分。所以无烟煤对有机悬浮物有良好的吸附作用, 也会去除水中的浊度和色度。
 
无烟煤斜管填料对去除浊度、除锰、除铁也有良好效果。美国洛杉矶一家水厂原水水质较 好,浊度高为是直接过滤水厂,用无烟煤单层斜管填料与无烟煤和石英砂双层斜管填料作 对比,经试验表明,两者的处理水质和周期基本一样,但无烟煤石英砂双层斜管填料需要较强的 反冲洗强度,所以用无烟煤单层斜管填料作为水处理的适宜斜管填料。S英砂作为传统斜管填料,大颗粒 在下层,小颗粒在上层,在过滤过程中水力阻力较大,下层大颗粒斜管填料基本起不到作用。在 对传统工艺改进后,将斜管填料改为无烟煤、石英砂和磁铁矿,上层为大粒径小密度的无烟煤滤 料,中层为中粒径中密度的石英砂斜管填料,下层为小粒径大密度的磁铁矿斜管填料,这样经过层层 过滤使出水效果更好。2004年佳木斯江北水厂采用无烟煤作为生物除铁、除锰斜管填料,结果 发现,无烟煤斜管填料滤层表面的微生物增加,且增加了除铁、除锰能力,而且减少了反冲洗强 度,延长了反冲洗周期。
 
在用无烟煤作斜管填料时一般是作为 层斜管填料的,其厚度的确定也显得尤为重要,否则会 引起不必要的损失,根据经验,确定无烟煤滤层厚度的方法:
 
①污水量的大小和无烟煤斜管填料的厚度有着为直接的关系,一般的情况下,污水量大滤 料层的厚度要稍微增大,如果污水量小的话,要适当地降低无烟煤斜管填料的厚度;②如果是过 滤罐,一定要根据过滤罐的大小来决定厚度,过滤罐的大小和无烟煤斜管填料的厚度有着重要的 关系,过滤罐内一般的厚度为70cm,高是85cm,低是65cm;③利用测量的数据来决 定厚度,可以事先对污水的浑浊度进行测量,然后根据浑浊度来决定无烟煤斜管填料的厚度。
 
用于生活给水及工业给水的过滤净化处理时,根据滤池的形式确定使用参数,一般双层 斜管填料的铺装厚度为280?420mm;正常滤速10?14m/h,强制滤速14?18m/h;三层斜管填料 铺装厚度450mm,正常滤速18?20m/h,强制滤速20?如ra/h。滤池反洗采用水冲洗、水 汽冲洗或辅以表面冲洗。
 
无烟煤斜管填料主要应用于净化水领域,在轧钢、炼油厂、油田、城市污水处理厂也有广阔 市场,无烟煤应用前景很乐观。
 
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