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剩余污泥和粉煤灰是当前最为普遍常见的固废,两者都是城市工业化进程中不可避免的产物,其产量巨大,对生态环境,气候条件甚至是人类的健康都造成了不可估量的威胁。同时,我国水环境的富营养化现象依然存在且在不断加剧,环境质量的低劣直接制约了社会和经济的可持续发展。治理甚至避免城镇水体富营养化,首当其冲的便是降低水中N、P等元素的含量。因此,本课题立足于我国污水厂剩余污泥、燃煤电厂粉煤灰产量巨大且亟待处理以及低浓度氨氮废水的处理现状和要求,针对水处理对滤料的要求,以武汉沙湖污水厂剩余污泥和青山热电厂粉煤灰为主要原料并辅以粘接剂和造孔剂或粘土等添加剂进行免烧和烧结陶粒的开发,根据两种不同污泥陶粒滤料的性能特点分别开展了烧结陶粒改性后应用于低浓度氨氮废水处理的研究以及免烧陶粒废料农田回用的可行性研究。这几方面的有机结合,不仅解决了污泥、粉煤灰出路压力的问题,而且缓解了两种固废单独排放对环境造成的危害、处理氨氮废水滤料成本较高以及吸附饱和后陶粒废料的处置的问题,更在一定程度和技术上实现了剩余污泥的资源化、减量化和稳定化,成功地探索了“以废治废、变废为宝”的有效途径。通过试验研究得到如下结论:1、自制陶粒配方及性能指标1)免烧烧陶粒的最佳工艺配方是:粉煤灰70.9%,氧化钙7.1%,剩余污泥7%,碳酸氢钠1%,水泥9%,水34g/(100g干料),水玻璃5%;造粒后先在室温下湿纱布养护24h,再经80℃蒸汽养护16h,最后在105℃烘干而得成品。其主要性能指标为比表面积17.038m2/g,破碎率与磨损率之和2.2%,堆积密度729kg/m3,表观密度1140kg/m3,盐酸可溶率1.66%,空隙率41.67%,吸水率38.44%。2)烧结陶粒的最优工艺配方是:粉煤灰:污泥:粘土=3:6:1,在350℃条件下预热30min,在800℃条件下烧结10min。所制备的烧结陶粒成品的主要性能指标为比表面积2.40m2/g,破碎率与磨损率之和0.82%,堆积密度581.9kg/m3,表观密度1020.41kg/m3,盐酸可溶率1.81%,空隙率44.12%,吸水率60.37%。以上两种污泥陶粒各项理化指标都满足《水处理人工陶粒滤料》(CJ/T299-2008)要求,两种陶粒浸泡液重金属溶出量也满足《危险物鉴别标准-浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中的相关要求,因此,将其作为水处理滤料是安全的。2、自制陶粒对氨氮的最佳吸附条件及吸附模型1)免烧陶粒静态吸附氨氮的最佳条件是:陶粒投量5g,氨氮初始浓度为225mg/L,pH=7,吸附时间12h,温度30℃,此时吸附容量达到4.25mg/g。Langmuir吸附等温模型能够较好地描述免烧污泥陶粒对氨氮的等温吸附效果,其吸附过程符合准二级动力学模型,氨氮吸附动力学方程为:t/qt=0.2003t+0.846。2)烧结陶粒静态吸附氨氮的最佳条件是:陶粒投量10g;氨氮初始浓度为100mg/L;pH=9,吸附时间18h;吸附温度30℃。烧结陶粒对氨氮的吸附容量为0.481mg/g。烧结污泥陶粒对氨氮的等温吸附效果同样能够用Langmuir吸附等温模型进行较好的描述。而其对氨氮的吸附过程符合准二级动力学模型,氨氮吸附动力学方程为:t/qt=0.8378t +4.0899。3、烧结陶粒的改性及处理低浓度氨氮废水的研究1)为提高烧结陶粒对氨氮的吸附容量,特对其进行了表面改性。利用正交试验确定了烧结陶粒吸附氨氮的最佳改性方案:改性剂浓度为2mol/L的NaOH溶液,固液比为1:6,改性温度70℃,时间2d。2)改性后陶粒对氨氮的最佳静态吸附条件:陶粒投量10g,氨氮初始浓度为300mg/L,pH=3,吸附温度20℃,吸附时间为8h,与未改性陶粒相比,吸附容量大大提高,吸附容量可达2.25mg/g。对氨氮的吸附符合Langmiur等温模型,准二级动力学模型,其等温式1/Qe=68.5051/Ce-0.2614,动力学方程为t/qt=0.035+0.45t。3)处理25mg/L低浓度氨氮废水时,静态再生试验结果表明,最佳再生条件为:以浓度为5g/L,质量比为1:2的NaC1和NaOH混合溶液为再生剂,再生温度为75℃,再生剂pH值为7,再生时间为6h。4)在动态吸附穿透和动态再生试验中,以出水氨氮浓度5mg/L为限制,改性陶粒氨氮吸附到达穿透点时,有效处理水量从第一次穿透试验6.4L到第二次试验4.6L再降低至第三次试验2.9L,穿透时间从8h到6.5h至5h,改性污泥陶粒的再生率从71.9%下降到45.5%。4、免烧陶粒处理生活污水后的陶粒废料农田回用可行性研究为了研究自制免烧污泥陶粒.(比表面积17.038m2/g)处理完生活污水后农用的可行性,设计了其作为栽培基质种植小白菜的试验,研究废料的施用量对小白菜生长、发芽和产量的影响。先对陶粒废料进行Cr、Cd、Hg、As和Pb的重金属和TN、TP、TK和有机质等养分进行检测,结果表明,各项指标均符合《城镇垃圾农用标准》(GB8172-87),可以进行资源化利用。然后将其按照0%、10%、20%、30%、40%、50%六种质量分数同土壤均匀混合后栽培小白菜。结果显示,陶粒废料施用量为20%时,能有效提高小白菜抗虫害、抗倒伏的能力且增产效果最好,为59.69%。但随着施用量的增加,栽培基质抗旱保湿能力下降,反而会抑制种子发芽和幼苗生长。