郭鵬瑤，高文皓，姚新見，吳鋒，劉永亮

污泥陶粒的制備及其對廢水厭氧處理的影響

郭鵬瑤1，高文皓1，姚新見1，吳鋒2，劉永亮2

（1.沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽110159；2.重慶九升檢測技術(shù)有限公司，重慶321000）

以污泥、黏土和粉煤灰為載體，適當(dāng)添加無機(jī)鈉鹽和鈣鹽，手工造粒后，在一定條件下以燒結(jié)法制備陶粒，研究其對廢水厭氧處理的影響。結(jié)果表明：陶粒Cu2+的釋放量與Cu2+的負(fù)載量成正比；通過空白對照組與緩釋Cu2+陶粒組對比發(fā)現(xiàn)，陶粒緩釋Cu2+反應(yīng)器對CODCr的去除率最高達(dá)到86.23%，遠(yuǎn)高出空白對照組的66.17%。陶粒緩釋出適量Cu2+能夠被微生物生長繁殖所吸收利用，且不會對水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

陶粒；Cu2+；有機(jī)廢水；厭氧處理

厭氧法[1]是一種處理廢水中有機(jī)物含量較高時的重要方法，適當(dāng)?shù)奈⒘吭乜梢詤⑴c并促進(jìn)微生物的生命活動[2]。不難發(fā)現(xiàn)，Cu2+是各種酶的組成因子[3]，反應(yīng)體系中通過加入微生物需要的適量Cu2+，可以加快微生物的生長繁殖速率，從而提高產(chǎn)氣率和基質(zhì)的降解率[4]，但當(dāng)Cu2+含量太高時，又會對微生物日常的生長繁殖造成影響[5]?？梢韵蛩w中直接投加鹽類給微生物提供微量元素，不過投加量太大時會對水體造成重金屬離子的污染[6]。因此，本文研制了一種具有緩慢釋放Cu2+功能的新型材料，為了讓微生物容易附著聚集[7]，選擇具有球形結(jié)構(gòu)的陶粒作為材料的外形。陶粒能滿足微生物日常生長對微量元素的需要，不造成水質(zhì)的任何污染，還能彌補(bǔ)一般微量元素補(bǔ)給方法的不足。制作陶粒的時候，硅藻土[8]作為Cu2+的吸附劑添加到其中，研究陶粒材料對厭氧處理有機(jī)廢水的影響。

1 實驗部分

1.1儀器與藥品

儀器：壓力機(jī)（上海文遠(yuǎn)壓力機(jī)有限公司）；DZX-6050電熱鼓風(fēng)干燥器（北京永光明醫(yī)療器械廠）；箱式電阻爐（北京永光明醫(yī)療器械廠）；HG-9602原子吸收分光光度計（沈陽華光精密儀器有限公司）；T6型紫外可見光分光光度計（北京普析通用儀器）；JJ224BC型電子分析天平（常州儀器廠）；HH-2水浴振蕩器（昆山儀器廠）。

藥品：硫酸銀、氯化鈣、濃硫酸、重鉻酸鉀、氯化銅、氯化鈉、磷酸三鈉、碳酸氫鈉以及硫酸亞鐵銨等為分析純；粉煤灰、黏土、污泥與硅藻土等為化學(xué)純。

1.2 陶粒的制備

陶粒原料總質(zhì)量20 g，以不同配比稱取污泥、黏土和粉煤灰，將原料反復(fù)攪拌使之均勻混合，緩慢加水并不停攪拌，混合原料呈潮濕狀后立即停止。手工造粒成均勻的球狀顆粒，粒徑為4～6 mm為宜。將陶粒于溫度100℃下放置烘干5～6 h，再置于箱式電阻爐中，煅燒后自然降溫至室溫方可取出。

1.3Cu2+的釋放實驗

向250 mL培養(yǎng)瓶中加入20 g負(fù)載Cu2+的有效含量（g）分別為0.06、0.12、0.18、0.24和0.32的陶粒，然后加水至200 mL刻度線，在保持室溫20℃的條件下以60 r/min振蕩，每天取出50 mL溶液分析Cu2+的質(zhì)量濃度，以此確定陶粒Cu2+的緩釋量。每次取出的溶液體積均用蒸餾水補(bǔ)齊。

1.4Cu2+的影響實驗

在自制反應(yīng)裝置中加入100 mL較黏稠污泥，然后向反應(yīng)裝置內(nèi)加入一定量的自制高濃度COD廢水，各個自制反應(yīng)裝置均稱取20 g陶粒放入其中，均勻混合后放入培養(yǎng)箱，以15℃為基礎(chǔ)溫度，每天升溫1℃，持續(xù)20 d后使溫度達(dá)到35℃，停止升溫，連續(xù)培養(yǎng)至少5 d，每天均需要取樣1次，以滴定法測定廢水中CODCr的含量，計算其去除率；產(chǎn)生的氣體通過盛裝質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%NaOH溶液的洗氣瓶洗氣后剩余體積為甲烷產(chǎn)量；然后還要測定廢水污泥濃度值（MLSS）、上清液和下層底泥中Cu2+的濃度等。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶粒對Cu2+的釋放行為

為制得不同Cu2+含量的陶粒，制備過程中需要加入不同質(zhì)量的銅鹽。按照Cu2+釋放試驗方法，分別進(jìn)行Cu2+有效含量（g）為0.2、0.5和1.0的陶粒釋放對照試驗，連續(xù)10 d測定廢水中Cu2+的質(zhì)量濃度，繪制Cu2+釋放行為和規(guī)律曲線，如圖1所示。

由圖1可以看出，不同陶粒釋放Cu2+的規(guī)律基本一致，由于Cu2+含量不同，釋放量有一些差異，在第6 d時陶粒均進(jìn)入穩(wěn)定釋放階段。負(fù)載量最大的陶粒在第5 d時Cu2+的釋放量突然迅速下降，主要原因是Cu2+對陶粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響非常大，當(dāng)陶粒中Cu2+的含量達(dá)到1.0 g時，抗壓強(qiáng)度由通常的57 kg/cm2下降至28 kg/cm2，釋放孔道和陶粒間層較之前變大，第10 d時的平衡質(zhì)量濃度測定值分別為0.215、0.364和0.581 mg/L。

2.2Cu2+濃度對廢水厭氧處理的影響

按照1.4中Cu2+的影響實驗方法，直接向1～5號自制厭氧廢水處理裝置中添加含Cu2+的溶液，使其Cu2+的質(zhì)量濃度分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 mg/L，設(shè)置空白對照組，考察Cu2+濃度對微生物的影響，實驗結(jié)果見表1。

圖1 不同Cu2+含量陶粒的釋放研究曲線

表1 Cu2+濃度對微生物的影響

由表1可知，廢水厭氧處理過程中，微量元素的添加量只是在一定范圍內(nèi)會對微生物的生長起到促進(jìn)作用，提高污泥活性，提高CODCr的去除率，添加量過大時反而會對微生物生長起負(fù)作用。

2.3陶粒緩釋Cu2+對廢水厭氧處理的影響

按照1.4中的實驗方法，在厭氧培養(yǎng)裝置6～10號中分別加入20 g的陶粒，陶粒的Cu2+有效含量（g）分別為0.06、0.12、0.18、0.24和 0.32，并添加不含Cu2+的陶粒作為空白對照裝置，考察陶粒緩釋Cu2+對微生物的影響，實驗結(jié)果見表2。

表2 陶粒緩釋Cu2+對微生物的影響

由表2可以發(fā)現(xiàn)，空白對照組CODCr的去除率與表2中試驗組基本持平；加入緩釋陶粒的反應(yīng)裝置，7號和8號裝置中的MLSS值明顯變大，10號裝置中的MLSS值稍稍低于空白對照組。結(jié)合各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，7號和8號裝置釋放的Cu2+質(zhì)量濃度達(dá)到促進(jìn)微生物生長的效果，10號裝置中釋放的Cu2+抑制了微生物生長。6～9號裝置的陶粒緩釋的Cu2+含量均對微生物的生長起到積極作用，其中7號裝置最為突出，甲烷產(chǎn)量高出空白對照組24 mL，不過隨著緩釋Cu2+質(zhì)量濃度的增大，10號裝置的甲烷產(chǎn)量低于空白對照組，對微生物的生長起到了較大的抑制作用。

從表2中還可以發(fā)現(xiàn)，通過向廢水中添加緩釋陶粒，反應(yīng)裝置有機(jī)物的含量發(fā)生了明顯的變化，其中7號裝置的CODCr去除率最大，達(dá)到了86.23%，比空白對照組高出20.06%，比處理效果最差的10號裝置高出21.61%。由此可以得出，廢水厭氧處理過程中，陶粒緩釋的Cu2+在一定范圍內(nèi)會對微生物生長起到促進(jìn)作用，提高污泥活性，提高CODCr的去除率，緩釋量過大時反而會對微生物生長起負(fù)作用。

3 結(jié)論

負(fù)載Cu2+的陶粒具有長時間內(nèi)緩慢釋放Cu2+的能力，Cu2+釋放量與負(fù)載量成正比關(guān)系；當(dāng)廢水含適量Cu2+時可有效提高廢水中有機(jī)物的去除率；添加緩釋Cu2+的陶粒，能持續(xù)為微生物生長過程提供微量Cu2+；Cu2+緩釋陶粒的CODCr最高去除率為86.23%，高出空白對照組20.06%；緩釋陶粒釋放的絕大部分Cu2+都能被微生物生長過程有效地吸收利用，不會對水質(zhì)和污泥造成額外的污染。

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2016-06-06

國家自然科學(xué)基金青年項目（21207093）；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃（LJQ2014023）