畢春波，林建廣

（1. 河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院，河北 唐山 063000；2. 河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000）

聚合物水泥基濾料的制備及應(yīng)用研究

畢春波1，林建廣2

（1. 河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院，河北 唐山 063000；2. 河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000）

聚合物水泥是一種常用的建筑材料，采用聚合物水泥對(duì)有機(jī)材質(zhì)濾料進(jìn)行包覆改性，通過(guò)對(duì)其表面性能的改善，進(jìn)而增強(qiáng)有機(jī)濾料的親水性以及生物親和性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物水泥基濾料在機(jī)械特性、水力學(xué)特性及生物學(xué)方面都占有優(yōu)勢(shì)，這種濾料制造工藝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，原料來(lái)源廣，節(jié)能環(huán)保，在污水處理領(lǐng)域中具有很廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

聚合物水泥；濾料；生物膜法；污水處理

生物膜法是與活性污泥法并行的一種好氧生物處理污水的方法，由于生物膜法具有特殊優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越得到人們的關(guān)注，近幾十年來(lái)發(fā)展非常迅速。濾料是生物膜反應(yīng)器中的重要組成部分，也是生物膜法的核心之一。因此，濾料性能的好壞直接關(guān)系著生物膜的脫落和附著情況，并影響生物濾池運(yùn)行的穩(wěn)定和處理效果，進(jìn)而對(duì)污水處理工藝全過(guò)程的效率、能耗和可靠性均有影響。在選擇濾料時(shí)應(yīng)盡可能的達(dá)到幾個(gè)條件[1,2]：

（1）機(jī)械強(qiáng)度高，剛性大；

（2）生化穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好；

（3）濾料密度適中，形狀規(guī)則，粒徑適宜的球形最好；

（4）無(wú)毒無(wú)味，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，再生性強(qiáng)；

（5）取材方便，價(jià)格便宜，安裝維修方便。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

P.O.42.5R型快硬硫鋁酸鹽水泥（唐山北極熊建材有限公司），易來(lái)泰可再分乳膠粉（阿克蘇諾貝爾特種化學(xué)有限公司），聚苯乙烯顆粒，環(huán)己烷（天津市大茂化學(xué)試劑廠）。

1.1.2 儀器設(shè)備

JA2603型電子天平；DGZ-200-7.5-O型圓盤造球機(jī)；DGG-101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱；SS-989型振蕩機(jī)；2XZ型旋片式真空泵；J67-100型壓力機(jī)；S-4800型掃描電子顯微鏡；承壓筒。

濾料掛膜裝置：模擬曝氣生物濾池工藝，采用直徑為150 mm，高度為500 mm的自制有機(jī)玻璃柱，在頂部下面的100 mm處有一個(gè)出水口，有機(jī)玻璃柱底部處有一個(gè)進(jìn)水口，濾料層高度為100 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 聚合物水泥基濾料的制備

以發(fā)泡聚苯乙烯空心顆粒為核心材料，水泥和可再分乳膠粉為殼層材料（添加量均按質(zhì)量比例）。首先將水泥和乳膠粉進(jìn)行干混，混勻后加水包覆聚苯乙烯顆粒成球。對(duì)于剛制備成型的聚合物水泥基濾料需要不斷地噴灑水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

對(duì)成型后的濾料進(jìn)行酸堿性測(cè)試，如堿性超過(guò)pH8.0，一方面可通過(guò)多次用水浸泡沖洗，使其表面的pH值可降低到8.0以下，達(dá)到所需要求；另一方面可在微生物培養(yǎng)過(guò)程中，加適量的碳源有機(jī)物提高C/N或者降低通氣量來(lái)達(dá)到微生物生長(zhǎng)的條件。

1.2.2 聚合物水泥基濾料的制備

按水處理濾料的分析方法[6]，對(duì)聚合物水泥基濾料的堆積密度、真密度、表觀密度、比表面積、吸水率和磨損率等方面進(jìn)行物理性能測(cè)定。

1.2.3 濾料掛膜試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所采用的菌種來(lái)自于唐山市西郊污水處理廠的活性污泥，污泥用量為3 000～4 000 mg·L-1。

實(shí)驗(yàn)所用廢水為人工配水，碳源為葡萄糖，氮源為硫酸銨，磷源為磷酸二氫鉀，其中COD:N:P=100:5:1；微量元素為硫酸亞鐵10 mg·L-1，硫酸鈣30 mg·L-1，硫酸鎂30 mg·L-1。通過(guò)碳酸氫鈉溶液來(lái)調(diào)節(jié)配水的pH值，并控制在6.0～8.5范圍內(nèi)。反應(yīng)溫度控制在25～30 ℃左右。

采用人工掛膜法對(duì)微生物進(jìn)行馴化。將活性污泥和廢水混合后直接倒入反應(yīng)器中，經(jīng)過(guò)48 h～72 h循環(huán)式曝氣后，慢慢少量地加入廢水，然后逐漸增大進(jìn)水量，水力停留時(shí)間為12 h，直到掛膜成功。

通過(guò)重鉻酸鉀測(cè)定反應(yīng)器中COD變化情況，當(dāng)COD去除率穩(wěn)定時(shí)，可認(rèn)為掛膜完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥的選用

由于普通的硅酸鹽水泥呈現(xiàn)的堿性較強(qiáng)，其水化液相（水灰比為10:1）的pH值達(dá)到13左右，然而作為水泥第三系列的快硬硫鋁鹽水泥[3-5]（主要礦物成分為C4A3和硅酸二鈣）水化液相的pH值在12以下，1 h后該水泥水化液相的pH值降到11以下。低堿性的原因是在硫酸鹽水泥水化過(guò)程中，主要水化反應(yīng)如下：

在制備聚合物水泥基濾料時(shí)，采用普通硅酸鹽水泥制備的濾料成型后其表面的堿性不利于微生物的生長(zhǎng)，用pH試紙測(cè)試其表面的酸堿度為pH>10，而微生物生長(zhǎng)和繁殖的適應(yīng)環(huán)境為pH=5～9這個(gè)范圍內(nèi)，因此需要對(duì)濾料的表面進(jìn)行酸化，改變其表面的物理性質(zhì)才能適用，但是這一酸化過(guò)程不利于實(shí)際工程的應(yīng)用，同時(shí)也造成了二次污染，不是環(huán)保的方法。為了解決此問(wèn)題，考慮選用低堿性水泥作為殼層復(fù)合材料，在水泥系列中，只有硫鋁酸鹽水泥呈低堿性，因此所用的水泥為P.O.42.5R型快硬硫鋁酸鹽水泥（唐山北極熊建材有限公司）。

2.2 聚合物水泥基濾料的制備工藝

可再分乳膠粉微粒附著在骨料顆粒表面和水泥凝膠相聚成膜，該膠膜的膠接能力及柔性可以改善水泥材料的機(jī)械性能，即提高水泥材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊負(fù)荷，同時(shí)可再分乳膠粉的膠膜還能延阻水汽蒸發(fā)，進(jìn)而對(duì)水泥養(yǎng)護(hù)十分有利。對(duì)于剛制備成型的聚合物水泥基濾料來(lái)說(shuō)，由于水泥反應(yīng)不完全，此時(shí)該濾料的機(jī)械強(qiáng)度不足，不能達(dá)到水處理濾料的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要不斷地噴灑水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，因?yàn)榭煊擦蜾X酸鹽水泥具有早期強(qiáng)度高和凝結(jié)時(shí)間較快等特性，所以7 d后載體的機(jī)械強(qiáng)度就相當(dāng)于采用普通硅酸鹽水泥28 d的機(jī)械強(qiáng)度，這樣該濾料很快地就能達(dá)到水處理濾料的所需要求，用于污水處理生物膜法工藝實(shí)驗(yàn)中。

2.3 聚合物水泥基濾料的物理性質(zhì)

制得的聚合物水泥基濾料為形狀規(guī)則的球形，粒徑在3～5 mm左右，其物理性質(zhì)如表1所示。

表1 制得的聚合物水泥基濾料物理性質(zhì)

對(duì)于一般的濾料來(lái)說(shuō)，空隙率越大，水頭損失增長(zhǎng)率越小，雜質(zhì)穿入濾料深層時(shí)具有內(nèi)部過(guò)濾傾向。制得的球形的聚合物水泥基濾料的空隙率（49.9%）適度，這樣既能為水中雜質(zhì)和微生物產(chǎn)物的聚積提供較大空間，減少了反沖洗的周期，又能夠很好地對(duì)水體起到截留吸附的作用。

由表1可知，同石英砂（2.50 g·cm-3）、無(wú)煙煤（1.67 g·cm-3）、粉煤灰濾料（1.73 g·cm-3）、顆粒活性炭（1.50 g·cm-3）和爐渣（1.60 g·cm-3）等相比，該濾料的真密度適中。粉煤灰生物濾料的磨損率為5%、進(jìn)口火山巖為3%、棱狀煅燒黏土為1.1%、老棱狀頁(yè)巖為2.3%，與這些濾料相比較，該濾料磨損率（1.45%）較低。

同時(shí)還可以看出，該濾料（比表面積4.88 m2·g-1）有利于微生物的吸附和生長(zhǎng)繁殖；其高的吸水性（吸水率21.4%）可增強(qiáng)聚苯乙烯空心顆粒有機(jī)材質(zhì)濾料的親水性，進(jìn)而提高對(duì)微生物的親和性；其筒壓強(qiáng)度（6.3 MPa）可滿足在不同強(qiáng)度的水力剪切作用以及濾料之間摩擦碰撞過(guò)程中機(jī)械強(qiáng)度要求；其耐鹽酸質(zhì)量損失率實(shí)測(cè)值為98.8%，表明聚合物水泥基濾料的化學(xué)穩(wěn)定性很好。

2.4 濾料掛膜性能

經(jīng)過(guò)20 d的進(jìn)出水曝氣后，可以觀察到濾料表面略有微生物生成，40 d后可明顯地觀察到生物膜的生成，此時(shí)COD的去除率大于70%，可認(rèn)為掛膜成功。成膜前后聚合物水泥基濾料表面電子顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1(a)和(b)為聚合物水泥基濾料成型后在不同放大倍數(shù)下的電子掃描電鏡圖像，圖1(c)和(d)為掛膜成功后濾料在不同放大倍數(shù)下的電子掃描電鏡圖像。由上述SEM圖像可知，制備成型后的濾料表面有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，孔洞較深。成膜后的載體表面附著微生物，微生物填充在濾料的孔隙中并生長(zhǎng)繁殖。

采用差量法對(duì)成膜后濾料表面的生物膜量進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濾料表面上的微生物量較為穩(wěn)定，大約為30 mg/g，但與其他種類的濾料比相對(duì)較少，這可能是因?yàn)榫酆衔锼嗷鶠V料的表面呈弱堿性，抑制了微生物的大量生長(zhǎng)和增殖，對(duì)這種濾料表面酸堿度的改性問(wèn)題，需進(jìn)一步探究。

圖1 成膜前后濾料的表面

3 結(jié)論

采用聚合物水泥對(duì)有機(jī)材質(zhì)顆粒進(jìn)行包覆改性，制得新型聚合物水泥基濾料，其物理性能方面能夠滿足水處理濾料的所需要求，并且制造工藝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，無(wú)毒無(wú)害，節(jié)能環(huán)保；缺點(diǎn)是該濾料表面呈弱堿性，成膜后濾料表面的生物膜量相對(duì)較少，因此需要做進(jìn)一步的表面改性研究。特別指出的是硫鋁酸鹽水泥中存在鋁離子，對(duì)污水能起到絮凝的作用，但其絮凝的效果還有待探究。

[1] 楊學(xué)華.超輕多孔陶瓷濾料的研制[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

[2] 李方文,吳建鋒,徐曉虹,等.應(yīng)用多孔陶瓷濾料治理環(huán)境污染[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2006,16(7):112-117.

[3] 徐廣祥.凈水材料分析方法[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1988.

[4] 向才旺.水泥應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999: 1-2.

[5] F. P. Glasser, L. Zhang. High-performance cement matrices based on calcium sulfoaluminate-belite compositions[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(12): 1881-1886.

[6] 周世華.超細(xì)粉體(CaCO3與SiO2)對(duì)硫酸鹽水泥性能的影響研究[D].重慶:重慶大學(xué),2005.

（責(zé)任編輯、校對(duì)：琚行松）

Preparation of Polymer Cement Filters and Application

BI Chun-bo1, LIN Jian-guang2

(1. College of Light Industry, Hebei Untied University, Tangshan 063000, China; 2. Hebei Iron and Steel Group Mining Company Limited, Tangshan 063000, China)

Polymer-cement is a frequently-used building material, polymer-cement used for coating the organic materials, which can improve the superficial capability of organic materials, and enhance the hydrophilcity and bioaffinity of organic material. The experimental results show that polymer-cement filters have dominance particularly in characteristic of mechanics, hydromechanics and biology. This manufacturing process is simple, low cost, widespread origin of raw materials, energy conservation and environmental protection. Especially there is a great potential development in the sewage treatment.

polymer-cement; filter; biofilm; sewage treatment

X703.1

A

1009-9115(2013)02-0014-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2013.02.005

2012-12-14

畢春波（1979-），女，河北唐山人，碩士，講師，研究方向?yàn)樾滦退幚頌V料。