科技类作品说明书(2)

　 高效利用高硅铁尾矿基生物陶粒的生活污水处理装置设计说明书 摘要：基于尾矿资源再利用及生活污水处理的迫切性，设计出一种高效利用高硅铁尾矿基生物陶粒的生活污水处理装置。该装置包括预处理池、吸附池、沉淀池和陶粒处理池。吸附池中采用没有附着生物膜的陶粒，陶粒具有较大的比表面积，能吸附污染物。陶粒处理池中采用附着有生物膜的陶粒，利用间歇性布水的方式，实现生物滤池中好氧、缺氧和厌氧环境，从而为陶粒表面的好氧细菌、硝化细菌、聚磷菌等的生长提供适宜的环境，通过其有氧或无氧呼吸去除水中的 COD、氨氮和总磷，从而使出水满足排放标准。该装置成本低、易操作、节约能源、以废制废，符合节能减排的理念且有推广的可行性。

　关键词：高硅铁尾矿

　生物陶粒

　间歇性布水

　生活污水处理 1 研制背景及研究现状 1.1 铁尾矿利用现状 目前，河北唐山地区铁尾矿累计堆存已达 2 亿 t 以上，具有尾矿量大、含硅高且一般不含有价伴生元素等特点。大量尾矿不仅占用了土地、造成了资源浪费，而且也给人类生活环境带来了严重污染和危害，因此铁尾矿资源的合理利用成为社会广泛关注的问题。

　在国外，俄罗斯的研究者除用 60%的尾矿生产耐蚀玻璃、微晶玻璃等建筑材料外，还生产硅酸盐砌墙材料、胶凝材料、蒸压硬化饰面制品和沥青混凝土等。在加拿大，以铁尾矿作为主要原料制备建筑墙体材料方面做了大量的研究工作，其技术己经比较成熟。

　在国内，郑永超等以铁尾矿、钒土等为原料经高温烧结制备出性能优良的铁尾矿贝利特硫铝酸盐水泥熟料；陈晓玲在安徽某铁尾矿中添加适量石英粉、氧化钙和氧化镁等作为辅助原料，经高温烧结制备出以透辉石为主要析出相的性能良好的微晶玻璃。

　1.2 生活污水处理现状 随着城市及城市化发展，国民生活水平显著提高，宾馆、酒店的规模日益增大，数量日益增多，随之产生的生活污水量越来越大，据不完全统计，我国每年未经处理的废水达上亿吨，由于其中含纤维素、淀粉、糖类、脂肪蛋白质等有机类物质，还含有氮磷等有机盐类，其中 COD 浓度约为：1400mg/l 以上，废水中污染物以有机物为主，有不稳定的、生物可降解的和易腐烂的特点，是城市周围水体受污染的主要原因之一，因此生活污水的处理亦迫在眉睫。

　目前常用的生活污水处理方法有粗粒化法（刘蓉等）、混凝法（王乃之等）、电化学法等，这些方法有成本高、产生污泥多等缺点。

　2 创新性说明 选用承德地区高硅铁尾矿作基体，通过造孔剂种类及用量优选，经造粒、干燥、烧结等工艺制备生物陶粒，同时通过陶粒理化性能分析以及陶粒高度、溶液温度与 pH 值、气水比、水力停留时间等废水处理运行条件变化规律分析，优化用于生活污水处理的多孔陶粒制备工艺。

　设计利用该生物陶粒的生活污水处理设备，采用间歇性布水的方式，合理调整布水管和陶粒铺设方式，为陶粒表面的好氧细菌、硝化细菌、聚磷菌等的生长提供适宜的环境，通过

　 其有氧或无氧呼吸去除水中的 COD、氨氮和总磷，从而使出水满足排放标准。

　3 设计方案 3.1 高硅铁尾矿基生物陶粒 （1）废物利用——对铁尾矿资源回收利用 铁尾矿是选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分，利用尾矿来代替天然矿物制作陶粒，是对尾矿资源进行综合回收与利用的一种方式，不仅可以充分利用矿产资源，扩大矿产资源利用范围，延长矿山服务年限；也是治理污染、保护生态的重要手段；还可以节省大量的土地和资金，解决就业问题，造福于人类社会，实现资源效益、经济效益、社会效益和环境效益的有效统一。

　（2）节约能源——合适原料和最佳烧结温度保证能源高效利用 通过选择合适的助熔剂，并控制其用量来优化烧结陶粒工艺制度，如此一来，降低了窑烧温度，减少了保温时间，从而节约了能源。本作品以高硅铁尾矿作为基体；采用密度小，比面积大的凹凸棒土作为粘结剂，具有一定的可塑性和粘结力，在陶粒烧结过程中既能起到粘结作用又能起到膨胀作用，使得制得的矿物多孔生物滤料内部较为疏松，孔隙较为发达；使用碳酸钙作助熔剂，利用分解产生的 CO2 气体的排放可以使矿物多孔生物滤料内部产生气孔，从而使陶粒滤料的吸水率显气孔率增大，密度减小，同时分解产生的 CaO 可降低陶粒滤料的烧结温度；选择碳氢比较高的淀粉作造孔剂，单位质量的淀粉分解时能够产生数倍于碳粉的气体，可以大大提高陶粒的孔隙率。

　为了确定最佳的烧结温度，本实验样品按原料铁尾矿：凹凸棒土：淀粉：碳酸钙=14：3：2：1 配比并且每个温度设置三组实验组，以排除偶然因素的干扰，表 1 是不同烧结温度下陶粒理化性能测试结果。

　表 表 1

　不同烧结温度下陶粒理化性能测试结果 温度/℃ 样品名称 保温时间/min 堆积密度/g.cm -1

　表观密度/ g.cm -1

　孔隙率/%

　抗压强度/MPa 900 样品 1 45 0.74 1.81 59.1 4.1 样品 2 45 0.75 1.63 53.9 3.3 样品 3 45 0.75 1.75 54.8 4.7 1000 样品 1 45 0.78 1.83 57.4 6.4 样品 2 45 0.76 1.75 56.5 6.8 样品 3 45 0.87 1.97 55.8 6.3

　 1100 样品 1 45 0.93 2.12 54 7.4 样品 2 45 1.16 2.09 45.3 7.1 样品 3 45 0.92 2.1 56.1 7.5

　从实验结果中我们可以看出:(1)烧结温度低于 1000℃时，陶粒抗压强度会明显降低（2）1000℃和 1100℃制得的陶粒抗压强度相差很小（3）当温度超过 1100℃以后陶粒中液相含量将大幅度提高，会将已形成的气孔填埋，出现烧结过火现象。

　综上所述，本试验采用 1020℃，保温 45min 的烧结制度。

　3.2 生活污水处理装置 （1）装置运行原理 该生活污水处理装置设计如图 1 所示

　图 1

　 一种高效利用高硅铁尾矿基生物陶粒的生活污水处理装置设计图 预处理池：预处理池为可拆装的 24 目滤网，污水进入预处理池，通过滤网去除菜叶、残渣等物质，处理后的污水进入吸附池，当滤渣达到一定数量时可摘除滤网进行清洗。

　吸附池：吸附池底部平铺无生物膜的铁尾矿基陶粒，陶粒具有较大的比表面积，污水进入吸附池后，可通过陶粒吸附大量油污等污染物，处理后的污水进入沉淀池。

　沉淀池：沉淀池底端倾斜约 15 度，较低一端设有出水口，常态下，刮板与池壁接触，将出水口密封。污水进入沉淀池静置沉淀，一段时间后，通过刮板控制器控制刮板运动，将沉

　 淀物从出渣口刮出，处理后的污水沿斜面流入配水池。

　陶粒处理池：陶粒处理池中由上至下铺设直径递减的高硅铁尾矿基生物陶粒，陶粒上方铺设布水管。通过布水间隔控制器控制出水和止水，实现间歇性布水，每 6 小时布水一次，每次布水 10-20 分钟，实现生物滤池中好氧、缺氧和厌氧环境，从而为好氧细菌、硝化细菌和聚磷菌的生长提供适宜的环境，通过微生物去除水中的 COD、氨氮和总磷，从而使出水满足排放标准。（处理过程中出水口处于密封状态。）

　（2）装置创新性说明 a.吸附池用陶粒代替传统的活性炭吸附，增大比表面积，提高吸附效率。由下表可知，1020℃保温 45min 下烧结的陶粒的比表面积、孔容和孔径均符合污染物吸附标准且优于传统中孔活性炭。

　表 表 2

　本装置中 陶粒 与传统中孔活性炭 的孔特征 对照

　项目 比表面积(m 2 /g) 孔容(cm 3 /g)

　孔径(nm) 1020℃保温 45min下烧结的陶粒 1.389 0.009 3.712 传统中孔活性炭 0.8~1.2 0.002~0.009 2~50 b.陶粒处理池采用间歇性布水的方式代替传统曝气，简化装置，节约能源。通过确定最佳间隔时间（每 6 小时布水一次，每次布水 10-20 分钟）保证微生物的活性。

　c.布水管以蛇形平铺在陶粒上方，陶粒直径由上至下递减，确保污水与陶粒的接触面积，同时控制池内溶氧量，提高净化效果，如图 2。

　图 2

　布水管及陶粒铺设方式三维模型 3 理论设计计算 3.1 节能效果 陶粒制备采取碳酸钙作助溶剂，分解产生的 CO2，分解产生的 CaO 可降低陶粒滤料的烧结温度及时间。将烧结温度降低至 1020℃，烧结时间缩短至 45min。

　电窑容量：0.6t

　传统工艺陶粒烧制 烧制温度：1200℃ 烧制时间：2h

　 烧制温度为 1200℃电窑功率：117kW 耗电：117kW*2h=234kW*h 每吨耗电：234kW*h/0.6t=390kW*h/t

　高硅铁尾矿基生物陶粒 烧制温度 1020 度 烧制时间：0.75h 烧制温度为 1020℃电窑功率：100kW 耗电：100kW*0.75h=75kW*h 每吨耗电：75kW*h/0.6t=125kW*h/t 节省电能：(390kW*h-125kW*h)/1t=265kW*h/t 综上计算，本作品每吨陶粒烧制可节省 265 度电。以处理废水 20~23 亿吨为例，按达到的净水水质指标 COD 去除率>90.0%、NH3-N 去除率>85.00%计算，大约需要陶粒 17~21 万吨，再利用尾矿 11.9~14.7 万吨，节省原料费用 4760~5880 万元，节省电能 4505-5565 万千瓦时，电能成本约 2025-2783 万元。

　3.2 减排效果

　表 表 3

　检测参数 名称 符号 单位 实验数据 温度 t ℃ 30 酸碱度 PH 无 7.5 污水溶氧量 f mg/L 2.0

　布水间隔时间 t h 6 初始 COD La mg/L 584.6 最终 COD Le mg/L 30.4 （1）水处理实验效果 COD 去除率η =（584.6-30.4）/584.6*100%=94.8% （2）性能分析 多次取样测量污水的初始 COD 与最终 COD 取平均值得 La=584.6mg/L、Le=30.4mg/L，计

　 算得 COD 的去除效率达 94.8%，在保证 pH=7.5～8.0、水温为 30～35℃、水中溶氧量为 2mg/L、补水间隔时间为 6h 的最佳实验条件下，多次重复实验，实验数据波动小，确定了装置性能的稳定性。国家污水排放标准 COD50mg/L，本装置将 COD 降至 30.4mg/L 完全达到了国家废水排放标准。

　3.3 处理成本工程估算对比 以 COD 去除为例：900mg/L（COD）的有机废水，在容量 144t 的装置处理效果作比较 （1）化学法处理药品成本：

　药品价格：2.3 元/kg 处理效果：每吨水中 1kg 药品去除 90mgCOD 处理成本：（900-90）/90*2.3=20.7 元/t （2）本装置处理成本 生物膜使用周期：20 天 处理速度：水力停留时间 3h 去除 90%COD 装置容量：144t ；所需污泥：205.92kg 总控装置运行：0.75KW*24*0.5=9 元/天

　装置维护等费用约 500 元/月 生物膜成本：8 元/kg 一周期内污水处理量：20*24/3*144=23040t 每吨处理成本：（8*205.92+9*30+500）/23040=0.1049 元/t 4 推广及应用 由于本装置将常年与污水接触，且主要以重力作为水流动力，故需要使用与设计图相仿的不锈钢材料焊接制成外壳。外壳制造费用合计约 2.15 万元，装置使用寿命约为 30 年，可满足大部分生活污水集中处理的需要。

　河北承德某矿区铁尾矿堆放占用土地大约有 30 万 m2，若采用铁尾矿制备多孔陶粒，一年的消耗量可腾出 5 万 m2 土地，由此可降低对环境的污染，同时可提高矿产资源利用率。据调查河北张家口某污水处理厂每年处理等量的生活污水，若采用化学药剂方法处理，则每年需要消耗 456.25 吨药剂，年耗费用为 96.725 万元；若采用本作品来处理废水，每年可消耗547.5 吨废弃铁尾矿，年均成本为 27.325 万元。显而易见，若采用铁尾矿基多孔陶粒进行生活污水处理可大大节约成本。基于此，未来若使用铁尾矿基多孔陶粒进行生活污水处理，将会带来很好的社会效益和经济效益。

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