專利名稱：：碳酸化鋼渣在廢水處理中的應用的制作方法
技術領域：
：本發明屬于環境保護與資源化領域，具體涉及廢水處理及鋼渣的二次利用。
背景技術：
：按微生物生長方式的不同，污水生物處理工藝可分為活性污泥法和生物膜法兩大類。相對于活性污泥法而言，生物膜法最大的優點就是不存在污泥膨脹問題；其次，利于一些生長緩慢的微生物(如硝化菌)生長。填料是生物膜的載體，也具有截留懸浮物的作用，是生物膜工藝的關鍵，直接影響其處理效果。同時，填料的費用在生物膜處理系統的基建費用中占有較大的比重，因此填料關系到生物膜工藝的經濟合理性。常用的填料分為天然填料和人工填料兩種。天然填料主要包括沸石、礫石、碳酸鹽類石等；人工填料主要有PVC、PE、PS、PP、各類樹脂、塑料(包括各種泡沬塑料)、纖維等等。生物鐵法是向生物反應器或進水中加入一定量的鐵鹽，經培養馴化成生物鐵污泥，以提高普通生物法處理廢水的效能，強化和擴大凈化功能的方法。目前生物鐵用料主要是鐵鹽、鑄鐵、鐵屑等幾種。多用于制革廢水、印染廢水、制藥廢水等難以生物降解的廢水生物處理中，強化對C0D、SS等的處理效果。研究表明投加鐵離子與不投加鐵離子時相比，污水中CODCr去除率將提高15一20%。在鋼鐵企業中，鋼渣產出量是僅次于高爐渣的第二大固體副產品。2005年中國的粗鋼產量約為3.5億噸，鋼渣排放量約占粗鋼產量的12%15%，以此推算，鋼渣的年產出量至少為4200萬噸。到目前為止，鋼渣二次利用最好的途徑是作為高爐、轉爐原料，在鋼鐵廠內自行循環使用，但利用量有限；此外，鋼渣還可用于道路工程、建材原料、鋼渣肥料及填坑造地等。盡管如此，還有大量鋼渣未能得到及時處理和利用。鋼渣中大量的有價元素鐵也未得到充分的利用，總體來說，鋼渣利用的附加值比較低。國內一些專利和專利申請(如CN93101911.7、CN99101439.1、CN99101441.3、CN01121824.X、CN200510030330.6和CN200510093267.0)雖然提到將鋼渣用于污水處理，但都是作為組合配方中的一個組分使用，而且未將鋼渣進行預處理，也未解決鋼鐵工業中大量鋼渣副產品的二次利用問題。迄今國內外的專利及非專利文獻均無將碳酸化鋼渣作為生物鐵填料用于污水處理的報道。因此，本發明的目的在于提供碳酸化鋼渣在廢水處理中的應用，同時解決鋼鐵工業中大量鋼渣副產品的二次利用問題。
發明內容本發明提供碳酸化鋼渣在廢水處理中的應用。本發明將鋼鐵企業的廢鋼渣經碳酸化、篩分處理后用于廢水處理。所述碳酸化是在350-800°C、0.1-3.6大氣壓和5-25%水蒸氣含量的條件下向轉爐鋼渣碳酸化裝置中通入工業廢氣或煙道氣。所述篩分處理是將碳酸化后的鋼渣篩分成粒徑為510mm的顆粒。所述篩分處理采用篩分機進行。從物理特性上講，鋼渣的強度較大，具有較高的比表面積，表面比較粗糙，易于生物膜附著；從化學成分上講，鋼渣中不僅含有CaO、Si02和FeO(成分見表l)等主要成分，還含有一定量的金屬鐵。因此，采用鋼渣處理廢水，可同時具有生物鐵和填料的作用。但是，鋼渣中富含游離氧化鈣(fCaO含量在6—18X)(見表l)，溶于水時由于CaO與H20發生化學反應生成Ca(OH)2，pH達到12以上，堿性很強，如果直接用于廢水生物處理中，將會對微生物造成抑制或毒害。表l轉爐鋼渣的化學成分(°/0<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>因此，本發明者首先將鋼渣進行碳酸化處理，使轉爐鋼渣中的游離氧化鈣與二氧化碳氣發生反應。鋼渣的碳酸化原理為(a)Ca0+H20=Ca(0H)2(b)Ca(0H)2+C02=CaC03+H20或游離氧化鈣直接與二氧化碳氣體反應生成碳酸鈣，反應式見(c):(c)CaO+C02=CaC03具體的轉爐鋼渣碳酸化工藝流程見圖1。鋼渣進行碳酸化處理后，不僅消除了鋼渣的堿性，而且碳酸化過程中還會吸收一定量的C02氣體，減少鋼鐵生產過程中二氧化碳氣體的排放量(l噸鋼渣碳酸化過程中可以吸收約0.1噸C02)。鋼渣碳酸化后，顆粒表面更加粗糙，增加了與微生物和有機污染物的接觸面積，污水中的微生物和有機污染物更多地被吸附到鋼渣顆粒表面，鋼渣中的鐵更易于溶解到水中，為微生物生長提供了更多的營養元素。借助光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X衍射儀分析等方法對鋼渣的礦物組成及理化特性進行了系統研究。鋼渣中含有大量氧化硅、氧化鋁，能提供大量Si、Al等活性點，有利于化學吸附的順利進行。說明碳酸化鋼渣是一種性能良好的水處理劑。鋼渣進行碳酸化處理后再采用篩分機器將碳酸化鋼渣篩分成粒徑為510mm的顆粒。碳酸化鋼渣可應用于厭氧生物濾池、濾池、生物流化床、曝氣生物濾池、高負荷生物濾池、塔式生物濾池、活性生物濾池等生物膜反應器中。碳酸化鋼渣提高廢水處理效率是以下多種因素協同作用的結果1.吸附作用吸附作用主要來自于倫敦分散力，這也是另一種范德華力的表現形式，屬于物理性吸附作用。此種力普遍存在于不具有永久性偶極矩的分子之間，它是一種自然的吸引力。只要分子足夠靠近，都會很自然產生這種作用力。此種作用力與溫度無關，因此不受溫度的影響。該力的大小涉及被吸附分子中所有相關原子與碳酸化鋼渣顆粒表面密切接觸的程度。接觸的程度越高，力越大，碳酸化鋼渣顆粒對分子的吸附能力也越強。一般而言，一定種類及比表面積相同的物質的吸附力，隨著以下因素而被強化(1)化合物分子量增加時，(2)化合物具有高數目像雙鍵一類的官能團，或高鹵化物時，(3)化合物分子的電子云易形成瞬間極性的。由于這些因素的影響，導致有些物質很容易被吸附。而難生物降解廢水中的難降解有機物大多具備分子量大、具有雙鍵、多環或高鹵代、化合物分子電子云易形成瞬間極性的特點，因此更易被吸附到多孔性碳酸化鋼渣顆粒的表面，與微生物接觸，使污水的處理效果得到提高。2.生物鐵作用碳酸化鋼渣生物鐵提高污水處理效果是微電池反應、絮凝作用和親鐵細菌的生物降解等綜合作用的結果。反應的基本原理為(1)微電池反應電極反應為陽極Fe-2e—Fe2+E°Fe2+/Fe=-0.44V陰極2H++2e—2[H]—H2E°H+/H2=-0.00V鐵是活潑金屬，電極電位EO(Fe27Fe)=-0.440V，具有還原能力，可將某些難降解有機物及氧化性較強的離子或化合物還原；Fe2+具有還原性，E°(Fe3+/Fe2+)=0.771v，因此廢水有氧化劑存在時，Fe2+進一步氧化成Fe3+;碳酸化鋼渣中含有碳及其它雜質，當它浸沒在廢水中時，鐵與碳或其它元素之間形成無數個微小的原電池，發生微電池反應。微電池反應產物具有很高的化學活性，能與廢水中許多污染物發生氧化還原反應，使大分子物質分解為小分子物質，實現大分子有機污染物的斷鏈、發色與助色基團的脫色，提高廢水的可生化性。(2)絮凝作用微電解陽極反應產生Fe2+，Fe2+易被空氣中的02氧化成Fe3+，生成具有強吸附能力的Fe(0H)3絮狀物。其吸附能力比普通的Fe(0H)3強得多，可以把廢水中的懸浮物及一些有色物質吸附共沉淀而除去。(3)親鐵細菌的生物降解作用研究發現，某些細菌能從鐵的化學反應中獲得養料。事實還證明這些細菌分解有機質的能力比產甲垸菌和硫酸鹽還原菌都強，只要有鐵存在，鐵還原菌總是首先將正鐵還原成亞鐵，并帶動其它細菌滋生繁衍，在鐵的表面形成不斷繁衍代謝的菌膜。(4)電子傳遞作用鐵是生物體內過氧化氫酶、過氧化物酶、鐵一硫蛋白、細胞色素、細胞色素氧化酶等的重要組成部分，是輔酶成分、細菌對廢水中有機物分解能力高低就是由輔酶的數量、種類所左右的，這是鐵具有"剌激"作用的主要原因。通過Fe—Fe2+^Fe"氧化還原反應的電子傳遞作用，促進了微生物的新陳代謝，使微生物增值受到剌激、微生物的增長和繁殖得到促進，微生物數量得到明顯增加，污泥的活性得到提高，促進生化反應，提高生化反應速度。缺少鐵，將影響酶的合成，有機物釋放的電子不能順利地傳遞給最終電子受體02，從而影響微生物的生長代謝過程。總之，生物鐵法處理廢水的關鍵在于鐵及鐵離子(鐵源)。成本低、釋放效果好的鐵源是提高污水處理效果的關鍵所在。本發明將鋼渣進行碳酸化改性，使其成為微生物生長的穩定鐵源和高效載體；在碳酸化處理時，采用鋼鐵廠外排的煙道氣作為二氧化碳源，減少了溫室氣體的排放。碳酸化后的鋼渣應用于水處理領域，不僅節約了鐵鹽投加的藥劑費用，還節約了藥劑投加的設備費用(因為鐵鹽如三氯化鐵大多具有很強的腐蝕性，藥劑投加過程中所需的泵、管道以及儲藥罐等設備都要求是抗腐蝕的，造價比較高)。碳酸化鋼渣應用于廢水處理，為鋼渣的綜合利用開辟了一條新的途徑，實現了以廢治廢，資源再利用的目的。圖l是鋼渣碳酸化工藝流程圖。圖中，l.加熱爐控制系統；2.加熱爐；3.沸騰床實驗反應器；4.蒸汽冷凝裝置；5.數字壓力調節器；6.流量計；7.氣體加熱及供應裝置；8.穩壓器；9.氣源；10.粉塵過濾；11.電子天平；12.滴水系統。具體實施方法以下用實施例和附圖對本發明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發明最佳實施方式的描述，并不對本發明的范圍有任何限制。實施例1表1列出了轉爐鋼渣碳酸化前后水溶出液的pH值。表1轉爐鋼渣碳酸化前后水溶出液的pH值比較<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例2對碳酸化轉爐鋼渣水溶出液進行了金屬元素測定，結果見表2。表2轉爐鋼渣碳酸化后在水中的溶出試驗結果單位Pg/L<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從表中數據可知，碳酸化后鋼渣在水中溶出的環境敏感金屬元素濃度都遠低于《污水綜合排放標準GB8978-1996》中的一級排放標準，證明碳酸化鋼渣是無毒無害的，可以在水處理中安全使用，達到資源化利用。實施例3對碳酸化鋼渣中鐵的溶出規律進行了研究(詳見表3)，研究結果表明，碳酸化鋼渣中的鐵離子在水中有一定的溶出，大致為37mg/L，基本可以滿足微生物生長過程中對鐵的需求量。表3碳酸化鋼渣中鐵在水中的溶出試驗結果時間(d)7142128354249Fe(mg/L)3.724.856.525.234.564.384.35實施例4對普通活性污泥法和投加碳酸化鋼渣生物鐵兩種污水處理法進行了各項指標的比較，結果見表4。表4兩種污水處理法各項指標比較污泥的特征污泥濃度(g/L)污泥負荷C0D去除率(％)普通活性污泥法污泥呈大片連接，分支污泥的邊緣部分形狀不規貝u，結構松散，顆粒較小，污泥中的微生物較小。3—40.30.5kgB0D/kgMLSSd70—80碳酸化鋼渣生物鐵處理鋼渣生物鐵污泥以棕黃色的鐵絮體為核心，污泥的粒徑明顯較大，且微生物形體較大，鐘蟲和輪蟲較多。5—70.20.35kgB0D/kgMLSSd80—90實施例5采用碳酸化鋼渣對高濃度難降解焦化廢水進行了處理，研究結果表明添加碳酸化鋼渣后的處理方法優于一般的活性污泥法。(1)在普通的活性污泥池中增加碳酸化鋼渣后，經過一段時間的培養馴化形成了成熟的生物鐵生物膜污泥，這種污泥活性高，結構密實，沉降快；(2)碳酸化鋼渣主要依靠鐵的一些物化和生化效應，與微生物結合生成比重大、SVI低、絮凝沉降性能和壓實性能良好的生物鐵絮體，反應器中維持較高的生物量，保持較高的污泥濃度。污泥濃度一般可維持5—7g/L左右，因而在同樣的水質情況下，添加碳酸化鋼渣的污泥所承受的污泥負荷低一些，產生了類似于延時曝氣的泥齡很長的污泥，這不僅有利于各種世代和種屬的細菌的生長和各種難降解有機物的分解，還可以減少剩余污泥量，節省污泥處理費用。處理效果優于普通活性污泥法，能承受有機負荷的沖擊。當進水COD高于1000mg/L，B0D/C0D<0.2時，加入碳酸化鋼渣后對C0D的去除率平均達88%，比普通活性污泥法在相同條件下高出12個百分點；故能獲得很高的COD去除率；(3)由于碳酸化鋼渣的加入，使鐵不斷地溶出，促進了微生物的增長繁殖。權利要求1.碳酸化鋼渣在廢水處理中的應用。2.如權利要求1所述的應用，其中所述鋼渣經碳酸化、篩分處理后再加以應用。3.如權利要求2所述的應用，其中所述碳酸化是在350-80(TC、0.1-3.6大氣壓和5-25%水蒸氣含量的條件下向轉爐鋼渣碳酸化裝置中通入工業廢氣或煙道氣。4.如權利要求2所述的應用，其中所述篩分處理是將碳酸化后的鋼渣篩分成粒徑為510mm的顆粒。5.如權利要求4所述的應用，其中所述篩分處理采用篩分機進行。全文摘要本發明提供了碳酸化鋼渣在廢水處理中的應用。在350-800℃、01-3.6大氣壓和5-25％水蒸氣含量的條件下向轉爐鋼渣碳酸化裝置中通入工業廢氣或煙道氣，將廢鋼渣碳酸化，然后用篩分機將碳酸化鋼渣篩分成粒徑為5～10mm的顆粒。碳酸化處理采用鋼鐵廠外排的煙道氣作為二氧化碳源，減少了溫室氣體的排放。碳酸化鋼渣用于廢水處理，節約了投加鐵鹽的藥劑費用和設備費用，并且為鋼渣的綜合利用開辟了一條新的途徑，實現了以廢治廢，資源再利用的目的。文檔編號C02F3/02GK101269875SQ20071003839公開日2008年9月24日申請日期2007年3月23日優先權日2007年3月23日發明者董曉丹,邵立憲,煒鄭申請人:寶山鋼鐵股份有限公司