强力挂膜滤料的研制与工业应用

　　摘要 以天然吸附材料和精制粘土矿为主要原料，掺加适量的外掺剂，可以生产出一种新型水处理滤料——强力挂膜滤料。该滤料具有比重轻、比表面积大、孔隙率高、表面性状好、截污能力强、运行稳定、使用寿命长、反冲洗耗水量少等优点，适合于给水排水处理工程中的物化滤池、生化滤池，也适合于含油污水的粗粒化处理，饮用水微污染水源的预处理，是一种降低能耗，提高处理效果，值得推广应用的高效人工滤料。
　　关键词 水处理　　 滤料　　 强力挂膜滤料　　 研制　　 工业应用

1 前言

　　在当今世界，污水处理技术的不断发展和工程应用已经成为维系社会经济可持续发展的必要组成部分^①。我国政府部门也明确表示：在“十五”计划期间，城市供水将投资860亿元人民币左右，城市排水和污水处理将投资1200亿元人民币左右^②，由此可见，水资源问题越来越受到人民的重视。
　　在当前的各类给水排水工程设计中，物化过滤工艺是废水二级处理的一个不可缺少，甚至是“把关”作用的工艺措施^③；而生物膜法处理技术随着新型滤料的开发和配套技术的不断完善也将成为城市污水、有机工业废水、微污染水源预处理的主流工艺^①④。然而无论是物化滤池还是生物滤池，其核心的问题都是滤料的问题^③。中国水质科学院曾就提出在给水排水处理工程中，新型材料的开发将成为水处理技术开发的一个关键技术^①。滤料的好坏，将直接关系到物化、生化过滤处理工艺的成功与否。
　　目前，国内使用的传统滤料，如石英砂、无烟煤、花岗岩、碎石、石榴石等滤料，虽然价格低廉，但是由于它们固有的缺陷决定了其在水处理推广应用中受到一定的限制。而一些软性填料则由于当水流流态不理想时，将严重降低处理效果。本公司自九十年代末开始致力于新型滤料——强力挂膜滤料的研制开发，该滤料与传统滤料相比，具有形状规整、空隙率高、比表面积大、表面性状好、截污能力强、滤速高、运行稳定、使用寿命长、反冲洗耗水量少等优点。经本公司工业生产50吨和东风车桥股份有限公司、茂名石化炼油厂放大试验和工业应用证明：该滤料是一种值得推广的节能高效新型滤料。

2 产品研制的基本思路

　　研制的基本思路为：
　　（1）小试：根据水处理物化和生物过滤技术的特点以及多孔陶瓷生产的工艺特点，选择合适的原材料及配方，在成型机内成型干燥，然后在0.1m³液化气节能窑内烧成，控制工艺操作条件。根据理化性能和水力性能的检测结果，确定强力挂膜滤料的配方和烧成工艺参数。
　　（2）小批量烧成生产试验：根据小试确定的配方控制工艺参数，制造出批量的强力挂膜滤料，在60m³的倒焰窑中烧成。
　　（3）工业应用中试试验：以强力挂膜滤料为物化滤池净水材料，含油污水粗粒化材料和生物挂膜载体分别在本公司、东风车桥股份有限公司、茂名石化炼油厂进行中试试验，分析试验结果。
　　（4）生产运行试验：在东风车桥股份有限公司、茂名石化炼油厂等厂矿企业进行生产运行试验，分析试验结果。

3 产品的小试制备

3.1 原材料分析
　　根据本地资源的分布情况和陶瓷烧结的工艺原理，选用天然吸附材料和优质的粘土矿进行化学分析，分析结果见表1。

表 1　 原材料分析结果　　　　 （单位：%）

3.2 配方
　　根据物化滤池和生物滤池对滤料要求以及多孔陶瓷类产品的生产工艺原理，我们以产品磨损破碎率、空隙率、比表面积符合要求为目的，同时保证产品的成型、烧成等后序工序的可行性操作，对强力挂膜滤料进行配方。根据原材料的分析结果，掺加适量的辅助原料，使配方原料的化学成份和特性达到烧成膨胀原料化学成份^⑤。配方后原料的化学成份如表2。

表 2　 配料后生料的化学成份　　　　　　 （单位：%）

3.3 成型
　　将原料按配方加工配料混合均匀后，加适量的粘接剂和12～15%的水在成型机内成型，控制成型机的工艺操作条件和产品的规格大小及表面特性，使强力挂膜滤料的粒径在1mm左右，成型工艺操作的难易程度为：3^# 配方最易操作成型，2^# 配方次之，1^# 配方和4^# 配方较难成型。
3.4 干燥
　　将成型好的生料球放在80±5℃恒温烘房中干燥24小时，控制产品的外观强度及水分，使生料球的含水量小于3%。
3.5 烧成
　　将成型干燥好的生料球放入0.1m³液化气节能窑内烧成，分别在1050℃、1080℃、1110℃、1150℃、1200℃、1230℃ 6个温度下进行烧成试验，详细的

表 3　 烧成现象及结果分析

3.6 理化性能的检测
　　由于是小试，理化性能指标只检测比表面积、空隙率、磨损破碎率3个重要指标，检测方法分别采用氮气吸附法、滤柱法和冲洗膨胀法，检测结果如表4。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表 4　 小试产品理化性能检测结果

注：3^# 配方是按温度曲线4烧成。

3.7 确定配方及工艺条件
　　由成型工艺、烧成工艺和理化性能检测结果可知：3^# 配方为强力挂膜滤料的最佳配方，考虑到放大工业生产的倒焰窑存在一定的温差，为了确保产品的合格率及烧成质量，采用温度曲线4为烧成的工艺条件。

4 工业扩大生产试验

　　本公司生产试验按如下工艺图3进行。

　　准备好原材料，将原材料在80±5℃的烘房内烘干至水份小于3%，然后经雷蒙粉碎机粉碎至200目筛余量小于1%，再按3^# 配方进行配料，再经螺旋混合机将所配生料混合均匀。在球粒成型机上成型后，所得生料球入80±5℃烘房干燥24小时以上，控制半成品含水量小于3%，再装匣钵入工业倒陷窑烧成，烧成产品按产品规格用机械振动筛筛分，再检测合格后包装入库。
　　生料球在倒焰窑内烧成时，应注意增加中火保温的时间，尽量控制窑内温度均匀，还要控制氧化焰的烧成，以防止还原焰中碳粒等污染产品。
　　工业放大产品的理化性能和水力性能检测结果见下表5。

表 5　 强力挂膜滤料的性能指标

4 工业应用中试试验

　　强力挂膜滤料的工业废水中试试验主要有本公司的物化滤池中试试验、东风车桥股份有限公司含油污水中试试验和茂名石化炼油厂生物挂膜中试试验。
4.1 物化滤池中试试验
　　2000年3月～5月，本公司物化滤池中试试验采用萍水河的高悬浮物、高浊度河水经一级处理（沉淀池）和二级处理（物化滤池过滤）处理工艺，物化滤池采用滤池1^# 装填强力挂膜滤料，滤池2^# 装填石英砂工艺流程如图4，物化滤池的参数及2个月连续试验结果如表6。

　　由表6可知：强力挂膜滤料用于物化滤池具有产水量大，反冲洗耗水量少，易于清洗，运行稳定，管理方便，吸附能力强，表面性状好，使用寿命长的特点。

表 6　 物化滤池参数及结果

4.2 粗粒化中试试验
　　2000年6月～8月，我公司在东风车桥股份有限公司污水处理站现场进行含油污水深度处理的中试试验，试验工艺流程见图5。

　　经过两个月的连续运行证明，强力挂膜滤料对石油类的去除率可达80%以上，对CODcr的去除率也达30～40%，目前本公司已将该工艺的强力挂膜滤料设备化，研制出PMF压力过滤器，内装为强力挂膜滤料。由粗粒化中试试验结果分别可知：强力挂膜滤料是一种非常适合作为含油污水深度处理的粗粒化过滤材料。
4.3 生物挂膜中试试验
　　本公司自2000年上半年开始，在茂名石化炼油厂开发HOBAF炼油污水处理新工艺。该工艺是将水解—氧化—生物曝气滤池三段组合的新型炼油污水处理工艺，其生物曝气滤池（BAF滤池）采用本公司生产的强力挂膜滤料，其试验分析数据如表7，由试验分析结果证明，强力挂膜滤料具有：挂膜均匀迅速，生物相稳定，生物活性高，水力停留时间短，运行稳定，耐冲击负荷等优点。

表 7　 生物曝气滤池试验数据

5 生产运行试验

5.1东风车桥股份有限公司污水处理站生产运行试验
　　在2000年9月东风车桥股份有限公司污水处理站改造工程中，本公司以强力挂膜滤料的优异性能在众多的厂家之中，脱颖而出，一举中标，将东风车桥股份有限公司污水处理站的原过滤器结构改造为本公司的PMF压力过滤器结构，内装填强力挂膜滤料，处理水量为3600t/d。经过8个月的生产试验证明：以强力挂膜滤料为粗粒材料的PMF压力过滤器运行稳定，操作管理方便，处理效果好，反冲洗耗水量少。对石油类的去除率达90%以上，对CODcr的去除率也有30～40%，处理后的水达到国家一级排放标准，现处理后的水全部进行循环使用，降低了运行成本，减少了水资源浪费。
5.2茂名石化炼油厂污水处理工业生产运行试验
　　茂名石化炼油厂采用H-O-BAF处理新工艺进行工业化生产运行试验，试验规模为240t/d，工业化试验装置正式运行6个月，从运行试验结果证明：以强力挂膜滤料为BAF深度处理核心滤料的HOBAF工艺具备高稳高效的特点，其中除CODcr的去除率为87%外，BOD₅、油、氨氮、挥发酚及硫化物的去除率均在95%以上，远远超过国家一级排放标准，以强力挂膜滤料为核心滤料的BAF工艺除具有负荷高、耐冲击的特点外，还具有很强的硝化功能，能有效地控制氨氮和亚硝酸根的排放，经BAF处理后，悬浮物、油、氨氮、BOD₅和酚均达到地表Ⅴ类水的标准，出水CODcr也在40mg/l以下，达到废水深度处理的目的，对降低运行费用，提高水资源循环利用率非常有利，具有巨大的环境效益、经济效益和社会效益。

6 结论

　　（1）强力挂膜滤料主要是由天然吸附材料和优质粘土经高温烧结而成的一种新型人工滤料，其制作工艺特点主要由原材料化学成分、成型工艺和烧成温度曲线决定。
　　（2）强力挂膜滤料在物化滤池中具有比重轻、强度大、空隙率高、比表面积大、表面性状好、化学性能稳定，产水量大，运行稳定，管理方便，反冲洗耗水量少，使用寿命长的优点。
　　（3）强力挂膜滤料适用于含油污水，特别是机械加工含油污水的粗粒化处理，控制一定技术参数，对石油类的去除率达80～90%。
　　（4）强力挂膜滤料在生物滤池等生物膜反应器中，具有挂膜均匀迅速，生物相稳定，生物活性高，不易堵塞等特点。对缩短水力停留时间，对提高氨氮、磷及可生物降解有机物的去除率，降低处理成本有非常重要的意义。适用于各类城市污水、有机工业废水处理及饮用水微污染水源预处理等。
　　（5）货源充足，价格适中。

参考文献

1　 刘　 雨等．《生物膜法污水处理技术》，中国建筑工业出版社，2000。
2　 许保玖．　 证水质科学与工程兼论21世纪的水处理科技，《工业水处理》2000年第1期。
3 《三废处理工程技术手册——废水卷》，化学工业出版社，2000。
4　 王占生等．《微污染水源饮用水处理》，中国建筑工业出版社，1999。
5　 刘康时等．《陶瓷工艺原理》，华南理工大学出版社，1990。