新型多功能生物陶粒滤料的制备及性能试验研究Word文件下载.docx

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生物处理，硅酸盐矿物，陶粒滤料，烧制工艺，吸附

论文类型：

应用研究

Abstract

Wateristheheadspringoflife.ButthewaterpollutionContinuouslyturnworse,theshortageofwaterresourcesanddeterioratedofwaterqualityareimperilinganthropichealthyandthedevelopmentofsociety.Beupagainsttheproblemofwaterpollutionwhatisserious,traditionalwaterpurificationfiltermediacan’tmeetthedemandsofwaterquality.Tosolvetheproblem,weneedtoproducenew-stylemultifunctionalfiltermediumwhichhavethefunctionofadsorptionandionexchange.

Inthedissertation,silicateminerals（attapulgiteandzeolite）,andpore-formingmaterials（dehydratedsludge）wereusedtoproducemultifunctionalfiltermedia.Throughanalyzingtheeffectofcomponentsproportiontothefiltermedium,thecompositionoffiltermediumwereconfirmed,namely,（attapulgite:

zeolite）:

dehydratedsludge=（60:

40）:

25.Onthesinteringprocessingparameterbyorthorhombicexperimentdesignmethod,authoralsodrawedthebestburningprocessparameters,namelyprecalcinedtemperature:

400℃for60min,sinteringtemperature:

840℃for20min.Inlaboratory,authorhassuccessfullyproducedceramsitewiththecompositionwhatisdehydratedsludgeasthepore-formingmaterialsandthebestburningprocessparameters.Itsdensityis1407kg/cm3,hygroscopicrateis28.40%,abrasionandfragmentationrateis0.80%,acidsolubilityis3.76%.

Theexperimentdiscussedthesinteringmechanismofmultifunctionalfiltermedium,andphysicalchemistryreactionofcomponentsindifferentsinteringphase.Themechanismofholeinthefiltermediaandsolidphasemschanisminsinteringphasewerediscussed.TheSEMphotographsofceramsitedisplay,abundantairholesandcavitiesintheboweloftheceramsite.Theupperintensityofceramsitefortheairholessymmetricaldistributingandlesserapertures,theupperhygroscopicrateofceramsiteforthemoreairholeswhichareringentandconnected.Theinfluencingfactoroffiltermediaischemicalcompositionofmaterialandsinteringtechnics.

Theresultsofcaptivepurificationtestwiththehome-mademultifunctionalfiltermediumtothemicro-pollutionwatershow,pH=7,theammonianitrogencanbereducedto30mg/Linordertoaccordthestandard.Thepermanganateindexcanbereducedtothewaterstandardone.Thedataindicatethat,theceramsitefiltermediacanadsorbtheammonianitrogenandorganicinfectantinthemicro-pollutionwatereffectively.Theadsorptionexperimentaboutammonianitrogenandmethyleneblueshow,thefiltermediacanadsorpthedifferentconcentrationofammonianitrogenandmethyleneblue.Andtheadsorptionmechanismwasdiscussed.

Themultifunctionalfiltermediumhaspreferablephysicalchemistrycapability,preferabletreatmentefficiencyaboutpollutantinthewater.Thefiltermediumcanadsorptheammonianitrogen,cationicdyestuffandmetalion.

Keywords:

biologicaltreatment,silicateminerals,ceramsitefiltermedia,burningtechnics,adsorption

目录

摘要I

AbstractII

1.绪论-8-

1.1水资源的现状-8-

1.1.1全球水资源的现状-8-

1.1.2我国水资源的现状-9-

1.2过滤技术介绍-10-

1.2.1直接过滤技术-11-

1.2.2过滤理论的内涵-11-

1.3水处理滤料-11-

1.4陶粒滤料的理论研究进展与应用现状-12-

1.4.1陶粒的理论研究进展-12-

1.4.1.2陶粒滤料的特点-13-

1.4.2陶粒滤料应用现状-15-

2.原材料和试验方法-15-

2.1课题研究目的意义和内容-15-

2.1.1本课题研究的目的-15-

2.1.2本课题研究的意义-16-

2.1.3本课题的主要研究内容-16-

2.1.4本课题的主要研究技术路线-16-

2.2滤料制备所需试验材料-17-

2.2.1骨架材料Ⅰ—凹凸棒-17-

2.2.2骨架材料Ⅱ—沸石-19-

2.2.3成孔材料-20-

2.3滤料制备的试验方法-21-

2.3.1滤料制备的试验流程和工艺-21-

2.3.2滤料的性能指标及测定方法-22-

2.3.2.1密度和吸水率-22-

2.3.2.2磨损率和破碎率-23-

2.3.2.3盐酸可溶率-23-

2.4实验水质指标及实验方法-23-

2.4.1实验水质指标-23-

2.4.1.1氨氮-24-

2.4.1.2有机物-24-

2.4.2静态效果实验方法-24-

2.4.2.1氨氮去除实验方法-24-

2.4.2.2有机物去除实验方法-25-

2.5试剂、设备与仪器-25-

3.多功能生物陶粒滤料的制备及其性能指标测定-27-

3.1第一部分（通过正交试验确定工艺基本配方）-27-

3.1.1正交实验方案设计-27-

3.1.1.1试验的影响因素个数及影响因素的水平表-27-

3.1.1.2考核指标-28-

3.1.1.3正交试验表-28-

3.1.2正交实验结果及结果分析-29-

3.1.2.1正交试验实验结果-29-

3.1.2.2正交试验结果分析-30-

3.2第二部分（滤料配方优化实验）-30-

3.2.1实验数据-30-

3.2.2实验结果分析-31-

3.2.2.1预热制度对陶粒性能的影响-31-

3.2.2.2焙烧制度对陶粒性能的影响-31-

3.2.2.3超轻页岩陶粒的结构分析-32-

3.3多功生物陶粒滤料烧制机理的研究-33-

3.3.1滤料原料主要化学成分在滤料烧制中的作用-33-

3.3.2滤料原料的物理性能-33-

3.3.2.1原料的颗粒粒径-33-

3.3.2.2料球的含水率-33-

3.3.2.3原料的可塑性-33-

3.3.3滤料烧制过程中发生的物理化学变化-34-

3.3.3.1低温干燥阶段（室温~200℃）-34-

3.3.3.2中温预热阶段（400℃）-34-

3.3.3.3高温阶段（400~850℃）-34-

3.3.4多功能生物陶粒滤料的烧成机理-35-

3.3.4.2烧胀陶粒的膨胀模式-37-

3.3.4.3烧胀陶粒的孔结构-38-

3.3.5陶粒焙烧固相反应机理-39-

3.3.5.1固相反应特点-39-

3.3.5.2固相反应机理-39-

3.3.5.3固相反应中间产物-40-

3.3.5.4固相反应动力学-40-

3.3.5.5影响固相反应的因素-41-

3.4本章小结-41-

4.多功能生物陶粒滤料效果实验研究-42-

4.1多功能生物陶粒滤料对氨氮的去除效果实验-42-

4.1.1氨氮标准曲线的绘制-42-

4.1.2滤料用量对氨氮去除效果的影响-42-

4.1.3吸附时间对氨氮去除效果的影响-44-

4.1.4pH值对氨氮去除效果的影响-45-

4.1.5滤料对不同浓度氨氮的去除效果-45-

4.1.6多功能滤料吸附氨氮的特性研究-46-

4.2多功能生物陶粒滤料对亚甲蓝的去除效果实验-47-

4.2.1亚甲蓝标准曲线的绘制-47-

4.2.2滤料投加量的影响-47-

4.2.3吸附时间的影响-49-

4.2.4滤料对不同浓度亚甲蓝的吸附试验-50-

4.2.5滤料吸附亚甲蓝的特性研究-50-

4.3本章小结-51-

结论与建议-52-

结论-52-

建议-52-

致谢-53-

参考文献54

1.绪论

1.1水资源的现状

水是人类社会一切生产、生活的基础，没有水就没有人类，但水和水资源在在自然物质概念上是不同的，水资源不等于水。

联合国教科文组织和世界气象组织对水资源的定义为是：

“作为资源的水应当是可供利用或可能被利用，具有足数量和可用量，并适合对某地水需求而能长期供应的水源”。

水资源只占地球系统中水的十万分之三，约47万亿吨，作为水资源的水是非常有限的，是一种不可替代的资源。

水资源一般分为地表水资源和地下水资源两大类。

地表水资源受制约于全球气候变化的影响，时空分布不均，难以按其自然规律发挥其供水功能；

地下水资源，受生态环境的严重影响，尤其是过量开采使水位急剧下降，也早已发出“黄牌”警告。

随着人口的急剧增加，环境日趋恶化，水资源匮乏与需求矛盾日趋尖锐，水资源问题，已经成为各国政府关注和迫切要解决的热点课题。

1.1.1全球水资源的现状

据联合国教科文组织统计资料统计：

20世纪初，全球水的消耗量为每年5000亿立方米，到世纪末已增长为每年50000亿立方米（增长10倍以上），1954年-1994年美洲大陆用水增加100%，非洲大陆用水量增加300%以上，欧洲大陆增加500%，而亚洲大陆增长幅度更高。

按全世界人口为50-60亿计算，人均占有水量约为8000-10000吨。

1997年“第一届世界水论坛”报告说，由于世界水资源消费量急剧增加6倍，人均淡水占有量已降到4800立方米，（1995年为7300立方米）。

由于仅有的淡水量分布不平衡，有60%-65%以上的淡水集中分布在9-10个国家，例如俄罗斯、美国、加拿大、印度尼西亚、哥伦比亚等，在另一方面全世界有半数以上的国家和地区缺乏饮用水，特别是第三世界国家，目前已有70%，即17亿人喝不上清洁的水；

每年有500多万人，其中包括200万名儿童死于与水有关的疾病；

伴随流域水资源危机而出现的“环境难民”1998年就已达到2500万人，超过了“战争难民”的人数。

随着世界水危机的加剧，水资源的地位，已不仅反映在经济社会上，而日益强烈地涉及到军事上，涉及到国与国的冲突上。

在摩洛哥中部古城马拉喀什召开的世界水论坛会议上，为论坛准备的文件“序言”中说，预测2050年以前世界水资源将发生一次大的危机，认为“到21世纪，水可能成为一种罕见之物，一种稀有资源”，呼吁要“避免水资源的匮乏而引发国际冲突”。

在法国巴黎召开的84国部长级水资源专题会议上，世界水委员会主席阿布扎伊德提出“水资源匮乏是中东、非洲地区国家关系紧张的根源”。

在伊斯坦布尔举行的联合国人类住区会议，大会秘书长沃利·

恩多警告说：

“据我的推测，在未来50年中我们会看到导致国与国之间、人与人之间剧烈冲突的诱因，将不再是石油，而是水”。

世界银行副行长伊斯梅尔·

萨拉杰丁曾预测说：

“如果说上个世纪的许多战争是为争夺石油，那幺下个世纪将会因水而战”。

随着水资源的逐渐匮乏，水的经济、社会功能性日趋显着，水在经济社会的地位日趋提高。

世界上许多国家，特别是缺水国，都把水利建设作为国民经济的基础产业，投入巨资，修建各类型的水库、水堤，以及储水、蓄水、引水工程，来确保水的供求。

此外，各国在防止水的环境污染，水的循环利用，活水处理方面的新技术投资，日益迫切，日益剧增；

中东地区的缺水国家主要饮用再生水；

其中产油富国，像沙特阿拉伯在1997年前就已投资50亿美元用于海水淡化工程，以试图解决或缓解供水危机；

以色列在海水淡化方面，无论在投资和技术装备上都付出很大的投入，仅以色列每年从土耳其进口淡水1.5亿立方米，耗资巨大；

马来西亚每年向海湾国家出口淡水3900万吨，为运送淡水，才把过去输油轮改为输水轮。

为开发地下水，补充新水源，各国也投入巨大资金，进行水文地质基础研究，并进行全面勘查与钻探。

1.1.2我国水资源的现状

我国水资源总量约为2.8124万亿立方米，占世界径流资源总量的6%；

又是用水量最多的国家，1993年全国取水量（淡水）为5255亿立方米，占世界年取水量12%，比美国1995年淡水取水量4700亿立方米还高。

由于人口众多，目前我国人均水资源占有量为2500立方米，约为世界人均占有量的1/4，排名百位之后，被列为世界几个人均水资源贫乏的国家之一。

另外，中国属于季风气候，水资源时空分布不均匀，南北自然环境差异大，其中北方9省区，人均水资源不到500立方米，实属水少地区；

特别是近年来，城市人口剧增，生态环境恶化，工农业用水技术落后，浪费严重，水源污染，而成为国家经济建设发展的瓶颈。

按照地表水国家标准，水质分五类，类别越高，水质越差。

而劣V类水的污染程度已超过V类。

从2000年《中国环境状况公报》公布的污染状况来看，中国七大重点流域地表水有机污染普遍，各流域干流有57.7%的断面满足III水质要求，21.6%的断面为N类水质，6.9%的断面属V类水质，13.8%的断面属劣V类水质，主要湖泊富营养化问题突出。

七大水系主要污染指标是高锰酸盐指数、氨氮和石油类。

按污染程度由轻到重的次序是：

珠江、长江、松花江、淮河、黄河、辽河和海河。

同期对全国52个主要湖泊评价显示，5个受到污染，26个受到严重污染。

75%的湖泊不同程度的富营养化，滇池、巢湖、太湖最为严重。

滇池五类水质占69%，劣V类水质占31%。

不少湖泊出现藻类爆发。

我国地表水资源污染严重，地下水资源的情况也不容乐观。

对我国118个城市2~7年连续监测的资料显示：

约占64%的城市地下水遭受较严重的污染，33%城市地下水轻度污染，仅3%的城市地下水基本洁净。

据2004年8月新华社报道：

由于地下水恶性超采，已使我国形成8万多平方公里的地下漏斗，导致地面沉降的地质灾害，目前有30座城市发生不同程度的地面沉降。

其中华北区的漏斗形成早已有报道，西安市地面沉降已引人忧虑，已发现有9-11条裂缝贯穿全市155平方公里，有2600座建筑物受到威胁。

此外，环渤海地区和缪东半岛有1200多平方公里发生海水倒灌。

据统计，我国城市污水排放总量每年约为200亿m3，而处理率还不及10%。

另外，工业废污水排放量的急剧增长，未经处理便直接排放到河道里，也是使水质恶化的原因之一。

据最近有关媒体报道，我国364个县级以上城市缺水，日缺水量达1300万立方米，年缺水量达58亿立方米，严重缺水城市涉及17个省区，其中包括沿海发达城市。

1.2过滤技术介绍

给水处理是人们能够获得的各类天然原水通过必要的处理方法去除水中杂质，以价格合理、水质优良并符合国家生活饮用水标准的水供人们日常生活饮用，并提供符合质量要求的水用于工业。

目前生活饮用水净化技术已基本上形成了被人们普遍认同的常规处理工艺的处理方法:

混凝沉淀或澄清、过滤、消毒。

混凝是向原水中投加混凝剂，使水中难以自然沉淀分离的悬浮物和胶体颗粒相互聚合，形成大颗粒絮凝体;

沉淀是将混凝后形成的大颗粒絮凝体通过重力分离;

过滤则是利用颗粒状滤料（石英砂等）截留经沉淀后水中残留的细小颗粒、细菌、病毒等物质，进一步去除水中杂质，降低水中浑浊度;

消毒则是用消毒剂来灭掉水中致病微生物。

在这些水处理方法中过滤是生活饮用水处理

必不可少的环节，是保证饮用水卫生安全的重要措施。

此外，它不仅是指颗粒状过滤介质的过滤，也可包括滤机过滤和滤膜过滤等。

过滤是指悬浮液经过多孔介质或滤膜进行固液分离的过程，是水处理工艺的关键步骤。

水的过滤可视为一种“物理--化学”过程，使水通过颗粒物料滤床，分离除水中的悬浮杂质和胶体杂质。

水充满在滤池滤料的空隙内，杂质被吸附在颗粒的表面或截留在空隙中。

1.2.1直接过滤技术

直接过滤技术是指过滤前没有沉淀装置的一种水处理系统。

在直接过滤中，滤料不仅起常规过滤作用，而且起絮凝和沉淀作用。

传统的过滤过程由快速絮凝沉淀和过滤组成，但在处理低温低浊的原水水质时，由于水中悬浮颗粒太少，颗粒之间的相互接触碰撞几率太小，不能提供有效的沉淀接触的絮凝体积，从而难以达到处理效果。

人们便采用直接过滤低温低浊水，将滤料作为碰撞凝聚的核心，从而获得较好的出水水质。

1.2.2过滤理论的内涵

现代过滤理论研究认为，在滤池中，悬浮颗粒的去除，主要是由颗粒与滤料之间以及颗粒与颗粒之间的吸附（粘附）作用而被去除的。

这就涉及到两个方面:

悬浮颗粒的迁移和悬浮颗粒的吸附。

悬浮颗粒的迁移机理。

在过滤过程中，滤层空隙中的水流一般处于层流状态，被水携带的悬浮颗粒由于脱离流线而与滤料表面接近而沿着水流流线运动，这完全是一种物理力学作用，由拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力学等作用引起。

悬浮颗粒的吸附机理。

当水中的悬浮颗粒运动到滤料表面附近时，将受到范德华引力和静电场斥力，以及某些特殊的化学吸附力的作用。

在这些力的共同作用下，悬浮颗粒将被粘附在滤料表面上或者粘附在以前粘附在滤料表面的颗粒上，从而将悬浮颗粒去除。

粘附在滤料表面上的絮凝体颗粒，不仅具有化学吸附力，同时也具有吸附架桥作用，因此是一种物理化学作用，它主要取决于滤料和水中悬浮颗粒的表面物理化学性质。

过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而不是颗粒尺寸的大小。

1.3水处理滤料

早期的滤料主要是天然石英砂，它在净水过滤领域中占有举足轻重的地位。

石英砂有足够的机械强度，并且在中性水及pH值在2.1~6.5范围内的酸性水中都很稳定，但在碱性水中，石英砂具有溶解性。

后来有了破碎的无烟煤，无烟煤的化学稳定性比较高，一般在碱性、中性、酸性水中都不溶解，再以膨胀率为50%的冲洗强度连续冲洗407小时后，历经变化很小，破碎损失也很小。

人们还发掘了其他天然材料，如使用椰子皮水稻皮以及卵石和沙子