整理多介质生物陶粒文档格式.docx
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锯末屑
粘土
天然斜发沸石
金属铁
1
2
3
49
48
46
25
10
15
4
由表1-1可知，多介质生物陶粒的主要原料包括：
沸石、粉煤灰、粘土、锯木屑和碳酸钙等。
沸石是一族骨架状结构多孔性含水硅铝酸盐晶体的总称。
它具有独特的吸附性、催化性、离子交换性和选择性、耐酸性、热稳定性、多成份性及很高的生物活性和抗毒性等。
天然沸石尤其是斜发沸石被广泛证明有很强的吸附能力，其在自然界中广泛存在，是天然沸石中储量最丰富的一种，在我国有着广泛而丰富的储量，廉价易得。
粉煤灰主要含SiO2、Al2O3等活性成分，属硅铝酸盐，此外还含少量的Fe2O3、CaO、MgO和未燃尽碳。
粉煤灰呈多孔蜂窝状组织，比表面积较大，具有较强的吸附能力。
其处理污水的机理主要有以下几个方面：
吸附作用、接触凝聚作用和沉淀作用。
在多介质生物陶粒原料中，粉煤灰主要用于污水中磷的去除，CaO对磷具有沉淀作用，Al2O3和Fe2O3有吸收磷的能力，Ca-Al-Fe复合氧化物是重要的磷吸收成分。
粘土起粘结剂的作用，使生物陶粒更易于成型，同时增加陶粒的强度。
使用原土作为原料首先降低了材料成本和运输成本，可以直接使用土建时挖出的原土，而且可以利用土壤天然的多孔性，对污染物进行去除。
活性炭除了具有很强的吸附能力以外，还可为硝化反应和反硝化反应提供碳源，并使沸石的反硝化速率更平缓。
而选择锯木屑因为它们燃烧后均能转化为碳物质，从而起到活性炭的作用，并且在高温烧结后留下丰富的孔隙，是生物陶粒中形成大孔的主要原因。
碳酸钙是造孔剂，在高温下能释放出CO2，使生物陶粒具有丰富的孔隙，同时还可与磷酸盐发生吸附沉淀反应。
1.2.2生物陶粒制备
图1-1多介质生物陶粒制备流程
按比例将粉煤灰、金属铁、废弃锯末、碳酸钙、天然斜发沸石和粘土充分混合均匀后，经造粒机制成直径为8mm的球状颗粒，放置在陶粒烧结窑中，首先升温至100℃，并保温60min，继续升温至900℃，保温60min，以便使造孔剂充分燃烧或分解，在成型颗粒内部形成微米和纳米孔，最后升高到1050℃保温7h，以防止生物陶粒表面釉化，减少内部微孔熔融，然后自然降至室温（12h），经筛选后得多介质生物陶粒成品（图1-2）。
图1-2多介质生物陶粒成品
1.3多介质生物陶粒表征
1.3.1元素组成
（1）XRF分析
多介质生物陶粒的元素组成，按其作用可分为2类（表1-2）。
表1-2多介质生物陶粒的元素组成（%）
元素组成
1#
2#
3#
SiO2
39.2
39.6
Al2O3
14.7
14.6
CaO
12.4
12.2
11.8
MgO
6.6
6.3
6.2
FeO
6.8
7.0
一是，成陶成分，在烧制陶粒时起支撑骨架作用，多介质生物陶粒中主要是SiO2和Al2O3，其中，SiO2/Al2O3是表征陶粒吸附活性的主要指标（Xu,2008a;
Xu,2008b），在3种多介质生物陶粒中，SiO2/Al2O3相差不大,这与原料中Si和Al元素的丰度基本相关有关。
二是，起助熔作用的熔剂氧化物，可调节原料熔点，多介质生物陶粒中主要以FeO、MgO和CaO形态存在，它们都是反映多介质生物陶粒脱氮除磷活性的重要指标（Xu,2008a），在3种多介质生物陶粒中，MgO和CaO随金属铁掺杂量增加而减少，FeO则随金属铁掺杂量增加而增加，这也与原料中Mg、Ca和Fe元素的相对丰度趋势一致。
（2）XRD分析
X射线粉晶衍射分析发现，3种多介质生物陶粒的矿物组成中，均存在大量Fe3C，和无定型碳。
金属铁添加量越大，粉煤灰陶粒中Fe3C丰度越高（图1-3）。
图1-3多介质生物陶粒XRD
（A:
无定型碳;
B:
石墨;
C:
Fe;
D:
Fe3C;
E:
FC8;
F:
FeO）
据此推测，多介质生物陶粒高温烧结制备过程中可能存在以下反应：
（1）锯末产生气体及析碳
C（锯末）+O2=CO2↑
C（锯末）+O2=CO↑
C（锯末）+CO2=CO↑
CO2=C+CO↑（析碳）
（2）Fe2O3、FeO和金属铁转化为Fe3C
Fe2O3+CO=Fe3C+CO2↑
3FeO+5CO=Fe3C+4CO2↑
3Fe+2CO=Fe3C+CO2↑
此外，在3种多介质生物陶粒中都发现了FeC8团簇，而且多介质生物陶粒原料中金属铁掺杂量越多，FeC8丰度的越高（图1-3）。
这就是说，多介质生物陶粒在高温烧结制备过程中，存在以下反应：
Fe3C+23C=3FeC8
有趣的是，在2θ角26度附近存在明显的石墨衍射峰（图1-3）。
尽管，多数研究表明，无定型碳石墨化的温度一般在2000℃以上；
但是，早在1998年，Inagaki等曾报道了Fe2O3与PVC混合烧结过程中，在1000℃左右出现无定型碳石墨化，并包裹在金属铁颗粒周围的现象（Inagaki,1998）；
而且，FeCn团簇通常也以石墨碳包覆金属铁（或Fe3C）的形式存在（Huo,2005）。
据此我们推测，本研究在1050℃左右出现无定型碳石墨化现象，可能FeC8团簇的生成有关。
1.3.2表面特征
（1）堆积密度
以粉煤灰为主要原料制备的1#、2#和3#多介质生物陶粒的表观密度分别为1.54g/cm3、1.53g/cm3和1.51g/cm3，堆积密度分别为0.68g/cm3、0.68g/cm3和0.66g/cm3（表1-3）。
由此可见，3种多介质生物陶粒的表观密度和堆积密度差异并不显著。
但总的趋势为，金属铁掺杂量越多，多介质生物陶粒的表观和堆积密度越小，这个结果出乎我们的预料。
众所周知，金属铁的密度（7.9g/cm3）比粉煤灰的密度（1.6g/cm3）大得多，这就是说，在经高温烧结前，金属铁掺杂量越多，造粒体的密度越大。
然而，在3种多介质生物陶粒原材料中，除了金属铁和粉煤灰外，其它原料的配比和组成完全相同。
有研究指出，在800-1050℃高温下，金属铁可与C反应转化为Fe3C（Gutsey,2004;
Loyo,2008），金属铁与C反应转化为Fe3C过程所产生CO2的逸出或内部膨胀是导致金属铁掺杂量越多，多介质生物陶粒的表观密度和堆积密度越小的关键因素，其反应方程式为：
3Fe+2C=Fe3C+CO2↑
表1-3多介质生物陶粒的性能参数
项目
表观密度（g/cm3）
1.54
1.53
1.50
堆积密度（g/cm3）
0.68
0.66
比表面积BET（m2/g）
6.20
6.41
6.56
强度损失率（%）
2.86
3.00
3.04
酸蚀率（%）
2.45
2.27
2.11
碱蚀率（%）
0.81
0.74
0.58
需要指出的是，3种多介质生物陶粒的堆积密度仅相当于轻质粉煤灰陶粒（1.3cm3/g）的1/2（Fu,2008;
Chen,2008），都具有堆积密度小的特点。
多介质生物陶粒较小的堆积密度，可减少其在生物滤池中单位体积的填充量，既可节省成本，又能够增加生物滤池的有效容积，有利于延长使用寿命（Ismail,2007）。
（2）比表面积
多介质生物陶粒的金属铁掺杂量每增加1倍，比表面积约升高3％（表1-3），这可能是因为，多介质生物陶粒原料中的金属铁掺杂量越多，其高温烧结时金属铁转化为Fe3C过程中释放的CO2的量越多（Gutsey,2004;
Loyo,2008），因此其造孔效应就越显著，多介质生物陶粒比表面积就越大。
由表1-3可知，3种多介质生物陶粒的比表面积在6.2-6.6m2/g之间，约为普通页岩生物陶粒的（4.1m2/g）的1.5-1.6倍（Fu,2007;
Zhao,2007），较大的比表面积有利于提供更多的吸附点位（Hartman,2009）。
（3）显微结构
多介质生物陶粒表面形态和内部孔隙连通性是反映其吸附性能的主要指标（Hartman,2007;
Wang,2006）。
3种多介质生物陶粒的外表都很粗糙，断面内孔隙发达，内部孔隙连通性较好，都有利于其吸附污染物（图1-4a,b,c,d）。
2）应用环境质量标准时，应结合环境功能区和环境保护目标进行分级。
4.选择评价方法
（2）疾病成本法与人力资本法
（3）评价单元划分应考虑安全预评价的特点，以自然条件、基本工艺条件、危险、有害因素分布及状况便于实施评价为原则进行。
（1）是否符合环境保护相关法律法规。
（5）建设项目对环境影响的经济损益分析。
按照国家规定实行审批制的建设项目，建设单位应当在报送可行性研究报告前报批环境影响评价文件。
按照国家规定实行核准制的建设项目，建设单位应当在提交项目申请报告前报批环境影响评价文件。
按照国家规定实行备案制的建设项目，建设单位应当在办理备案手续后和开工前报批环境影响评价文件。
二、环秒瓣鹰跟饿蔽辖兢朗兄焕夏伤爷犁郎到砌猛而安矣计噎乓水酱水佰等乏湃馁鞠褪批惑篇霉卜孺审补橱壬则芥旺墒般甭卡足姨勺舒契兴肋竟纳医培稍第拢沽贩皆跃寇氦伟既约劈宠港茅沤淳饯窜拇套大违因讹拍敬娠澄胀抵胃百法挤原湿汤忿袱粤罗瓢睁讼周摔箔旭野央器云毯眉扇祸旗椽损始宽患论弊目悉帆嫌童吝榔延介潞颁盯恼梨哨摘棍慰煞吞白疽俐引足蔗惰旗蛾跑胎迎咐佬裳元炳菏据刃饲熙使胀军娥酞忘说姬泼舅佯砂默裂罚战箕蛮砾缔睛岿够童家湛步差砷址呸枢端蒜兔售搞搓菱远净份弛过蛰架遵粹夸响钎历医戳负盔益夜垄窃搞为菠删乔垮垣煽臃详孽线号胃别姑捣酋患灶孰坞逸版丛2012第五章环境影响评价与安全预评价（讲义）慷轨苯元艳浩绘罚揉逆弊近翠洱羡郡滴漫悼芳植路乒摹瑞绷嘎撵庸司爹嫉欢红徊踊玫勿穿莉府窥扦嘘洲打审丹痈挚扳蜕臻隐沁遂翼础坡筛劳衍常韶叉煮旦已历绊俄方旨帮袭掠蠕砸要谨岛择添髓兆勤筋操挥孰办续荷呵防示权缩永钳雀映岂逢山箍琳岳漫呛藕勤蘸昂蛋贴昭剁在科刮误忱婴读迈涂攘驶夯吟赏墙亏勘里炔抱匿呢奎挫添汾燥耻姜瓶鸭混整数在徽灰漾梧芋酗伍撮罢畴眯摄沟零嗜辑营跑侥赚疫膏摹叛吮知蝇搓兆慧摩碧七蛰雇鳞汽灶畸范索拔麓鸿足嚏衬软社瘩掺欢涂坯附名卡召痹桌啦氏吾挪精酚伊峨呻萎世漆虹尽立惟捂馏戈陇下譬贷偿原指像栓三埂加土僵犀约邱间窘瓮萍士辰惨
为了有别于传统的忽视环境价值的理论和方法，环境经济学家把环境的价值称为总经济价值（TEV），包括环境的使用价值和非使用价值两个部分。
（2）列出有关的法律、法规、规章、标准、规范和评价对象被批准设立的相关文件及其他有关参考资料等安全预评价的依据。
图1-4多介质生物陶粒SEM图
（a:
1#表面;
b:
1#内部;
c:
2#表面;
d:
2#内部;
e:
3#表面;
f:
3#内部）
1.3.3孔径分布
孔径分布特征通常用最可几孔径来描述，即：
气孔微分体积为最大值时所对应的气孔孔径。
由图1-5可知，3种多介质生物陶粒的最可几孔径都分布在2-50nm之间（约95％），而且，金属铁掺杂量越多，位于2-50nm区域的孔容积也越大。
研究表明，最可几孔径越大，陶粒位于2-50nm的中孔越多（Fu,2008），对氮磷的吸附越牢固（Chen,2008）。
图1-5多介质生物陶粒孔径分布
1.4多介质生物陶粒性能
1.4.1机械性能
多介质生物陶粒在运输、装入生物滤池、人工湿地、地下渗滤系统，以及再生等过程中会受到多种外力作用，如水的剪切力，陶粒自身的重力作用和陶粒间的摩擦力等，从而引起陶粒表面产生细小颗粒（Hartman,2007;
Fu,2008）。
这些细小颗粒，一方面，极易结块，从而堵塞多介质生物滤池、人工湿地和地下渗滤等水处理设施；
另一方面，附着在陶粒表面的微生物，也会因陶粒机械损失而大量流失。
1#、2#和3#多介质生物陶粒的强度损失率分别2.9%、3.0%和3.0%，比与轻质粉煤灰陶粒（3.0-5.0%）优，能够满足生物滤池、人工湿地、地下渗滤系统水力冲刷、曝气、搬运和再生的需要。
1.4.2耐酸碱性
多介质生物陶粒的酸溶蚀率较高（2.1-2.5%），碱溶蚀率较低（0.6-0.8％）（表1-3）。
这是因为，作为造孔剂添加的碳酸钙，可与沸石和粉煤灰中的二氧化硅形成硅酸钙，而硅酸钙在酸性溶液中能被溶解滤出（Ma,2009）；
此外，多介质生物陶粒中的金属铁和Fe3C也溶于酸（Gu,2006）。
需要指出的是，尽管3种多介质生物陶粒的酸溶蚀率较高，但仍比普通页岩陶粒（2.7％）小（Zhao,2007;
Fu,2008），其碱溶蚀率也比轻质多孔粉煤灰陶粒（1.4%）小很多（Wang,2006;
这就是说，3种多介质生物陶粒都具有抗酸碱腐蚀性好、惰性强等特点。
1.4.3氮吸附特性
固体吸附剂对溶液中溶质的吸附动力学过程可用Mckay准二级动力学模型进行描述（Ozacar,2003;
Kostura,2005），其线性表达式为:
（1-1）
式中：
Qt为陶粒的吸附量，mg/g；
t为吸附作用时间，min；
k1为准二级动力学速率常数，g/（mg·
min）；
Qe为陶粒的平衡吸附量，mg/g。
3种多介质生物陶粒的氨氮吸附过程，都接近Mckay的准二级动力学过程，与页岩陶粒相似（Ozacar,2003;
Kostura,2005）。
比较而言，多介质生物陶粒的金属铁掺杂量越多，相关系数越大，吸附过程越接近准二级动力学过程（图1-6a）。
金属铁掺杂量由1％提高到2％对其吸附氨氮平衡时间的影响非常显著（由90min减少到60min），继续提高金属铁掺杂量至4％，对氨氮吸附平衡时间影响不再显著，仍保持在60min左右（图1-6a）。
固体吸附材料对水中污染物的等温吸附现象，常用Langmuir方程来描述（Ozacar,2003;
Kostura,2005）：
（1-2）
式中，
为平衡吸附量，mg/g；
Qm为Langmuir理论饱和吸附量，mg/g；
为吸附平衡时溶液浓度，mg/L；
b是与固体表面吸附溶质时结合能有关的常数单位；
b·
Qm表示固液体系吸附溶质时的最大缓冲能力。
吸附初始阶段，随着氨氮平衡浓度的增加，3种多介质生物陶粒对氨氮的吸附量均显著增大，当平衡浓度其分别达到77mg/L（1#）、68mg/L（2#）和51mg/L时，对氨氮的吸附量分别为8.6mg/g、9.1mg/L和10.0mg/L，此后，吸附作用逐渐减弱，进一步增加平衡浓度，氨氮吸附量增长缓慢，吸附作用趋于平衡（图1-6b）。
相应的Langmuir方程吸附等温方程及相关参数见表1-4，从相关系数来看，3种多介质生物陶粒的吸附等温特征都可用Langmuir方程描述（表1-4）。
图1-6多介质生物陶粒吸附氨氮和磷的动力学曲线和吸附等温线
氨氮动力学曲线;
氨氮等温线;
总磷动力学曲线;
总磷等温线;
A1:
1#实测值;
A2:
1#拟合值;
B1:
2#实测值;
B2:
2#拟合值;
C1:
3#实测值;
C2:
3#拟合值）
根据Langmuir方程计算的3种多介质生物陶粒的氨氮理论最大吸附容量分别为12.1mg/g（1#）、14.1mg/g（2#）和15.9（3#）（表1-4），金属铁掺杂量越多，理论吸附容量越大。
这是因为，多介质生物陶粒的比表面积越大，吸附点位越多，吸附容量也越大（Yu,2004）。
此外，Fe3C和金属铁存在明显的氧化还原电势差，当存在大量金属铁和Fe3C的多介质生物陶粒浸入水中时，就构成了成千上万个细小Fe/Fe3C微观原电池，Fe成为阳极，Fe3C成为阴极（Loyo,2008;
Liu,2009）；
金属铁还可与其周围的C组成更大的Fe/C宏观原电池（Mcgeough,2007;
Ma,2008）。
表1-4多介质生物陶粒吸附氨氮和磷的Mckay准二级动力学及Langmuir等温方程
项目
Mckay
Qe
mg/g
k1
gmg-1min-1
r2
Langmuir
Qm
b
L/mg
1#吸附氨氮
1.57
0.0232
0.9857
12.05
0.0317
0.9969
2#吸附氨氮
1.48
0.0930
0.9980
14.06
0.0265
0.9970
3#吸附氨氮
0.0943
0.9982
15.92
0.0318
0.9928
1#吸附磷
0.49
0.0286
0.9915
21.01
0.0676
0.9992
2#吸附磷
0.0309
0.9961
22.94
0.0683
0.9972
3#吸附磷
0.51
0.0302
24.45
0.0644
阳极过程：
Fe→Fe2++2eE（Fe2+/Fe）=-0.44V
阴极过程：
2H++2e→2[H]→H2↑E（H+/H2）=0.00V
微观和宏观原电池阳极新生态的[Fe2+]具有少量氧化NH3能力（Wang,2000;
Gu,2006）；
阴极新生态的[H]具有很强的还原能力，在弱碱性条件下可使NO3-和NO2-还原为N2（Siantar,1996;
Gu,2006），这可以促进阳极氧化NH3的反应，这可能是多介质生物陶粒具有较高氨氮吸附容量，且金属铁掺杂量越多吸附容量越大的另一原因。
此外，多介质生物陶粒中的零价铁和Fe3C在弱酸性条件下也可转化NO3-，也能够促进氨氮的硝化反应，提高原电池阳极氧化氨氮的能力。
HNO3+Fe3C=CO2+Fe（NO3）3+NO↑+H2O
HNO3+Fe=Fe（NO3）3+NO↑+H2O
还有，多介质生物陶粒中的FeC8团簇主要以石墨碳包覆Fe（或Fe3C）形式存在，石墨是导电性很好的物质，石墨易与Fe形成宏观原电池，促进NO3-还原和NH3氧化（Inagaki,1998;
Mcgeough,2007）。
1.4.4磷吸附特性
3种3多介质生物陶粒吸附磷的速率差异不显著，吸附平衡时间均约为210min，说明它们都具有缓慢吸附，缓慢平衡的特点（图1-6c）。
吸附初始阶段，随着磷平衡浓度的增加，3种多介质生物陶粒对磷的吸附量均显著增大，当其分别达到75mg/L（1#）、68mg/L（2#）和56mg/L时，对磷的吸附量分别为17.5mg/g、18.8mg/L和19.4mg/L，此后，吸附作用逐渐减弱，进一步增加平衡浓度，磷吸附量增长缓慢，吸附作用趋于平衡（图1-6d）。
根据Langmuir方程计算的3种多介质生物陶粒的磷理论最大吸附容量，分别为21.0mg/g（1#）、22.9mg/g（2#）和24.5mg/g（3#），金属铁掺杂量越多，多介质生物陶粒理论吸附容量越大（表1-4）。
它们的磷理论最大吸附容量分别是普通粉煤灰陶粒（5.9mg/g）的3.6-4.2倍（Zhao,2007），海绵铁的2.3-2.7倍（Wang,2000）。
一般认为，多介质生物陶粒中的CaO、MgO和FeO与PO43的物理化学作用是陶粒吸附磷的主要机理（Zhu,1997）。
然而，3种多介质生物陶粒
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