摘要：隨著曝氣生物濾池（BAF）的發展，其核心問題填料的研究越來越受到重視。陶粒以其優越的性能優于其它材料。本文首先系統介紹了生物填料的種類及應用的歷史，介紹了陶粒的研究、發展狀況及應用歷史和用作濾料的制造工藝和性能要求，并對其原料成分對燒脹的影響作了論述。總結出對生物陶粒的研究和開發中應解決的問題。
1 前言
水是人類賴以生存的基礎。由于現代工農業的迅速發展，對水資源不合理利用和過度開發，人類面臨水污染和水量短缺的嚴重局面。資料表明全世界人口的40%面臨缺水。同時全球50%的水資源遭到不同程度的污染，全世界有10億人喝不到潔凈水。幾乎所有國家都在經歷著污染-治理的艱難過程，今后污水處理的方向是城市污水經過二次處理后再循環利用。從廢水回用或排放的處理流程上來看，在污水的二級處理中主要是過濾和沉淀。曝氣生物濾池處理污水是80年代末和90年代初興起的污水處理工藝，已在歐美和日本廣為流行。中國對曝氣生物濾池（BAF）工藝也開展了很多研究，填料在曝氣生物濾池中既是生物的載體又是過濾的主體物質因而處于核心地位，我國對填料的研究以陶粒為較多，因為陶粒作為填料的一種，不僅材料低廉易得，而且具有輕質、多孔、易掛膜及與生物的相容性好等特點，特別適合我國的國情。
2 生物填料的種類
填料作為BAF的核心，影響著其發展。BAF發展中依次出現過3種不同形式：BIOCARBONE，BIOFOR和BIOSTYR。由于采用的填料不同導致了性能的差異。所以，BAF性能的優劣很大程度上取決于填料的特性。曝氣生物濾池所用填料，根據其原料的不同，分為無機填料和有機高分子填料；根據填料密度的不同，可分為上浮式填料和沉沒式填料。無機填料一般為沉沒式填料，有機高分子填料一般為上浮式填料。資料表明上浮式填料比沉沒式填料對ss、有機物的去除率高，更耐有機負荷和水力負荷沖擊。
目前，國內采用的接觸填料主要有玻璃鋼或塑料蜂窩填料、立體波紋填料、軟性纖維填料、半軟性填料以及不規則粒狀填料（砂、碎石、礦渣、焦炭、無煙煤）等。玻璃鋼或塑料填料表面光滑，生物膜附著力差，易老化，且在實際使用中往往容易產生不同程度填料的堵塞；軟性填料中的水流流態不理想，易被生物膜粘結在一起，產生結球現象，使其表面積大為減小，進而在球內產生厭氧作用，影響處理效果。不規則粒狀填料水流阻力大，易于引起氧化池堵塞。近幾年我國也開展了應用片狀陶粒處理水源微污染的研究。片狀陶粒屬不規則粒狀填料，掛膜性能良好，但水流阻力大，容易堵塞，強度差，易破碎，不耐水沖刷。由于這些傳統的接觸填料存在一定的缺陷，限制了曝氣生物濾池在我國污水處理中的應用。清華大學在實驗室對不同濾料，如頁巖陶粒、粘土陶粒、砂、褐煤、沸石、爐渣、麥飯石、焦炭等進行了篩選，并與生物活性碳進行了比較，認為陶粒、砂子、大同沸石和麥飯石優于其它材料。
3 陶粒的生產工藝和燒脹機理
3.1 陶粒的種類
陶粒是由粘土或泥巖、頁巖、煤矸石、粉煤灰等主要原料，經加工成粒或粉磨成球，再燒漲成的人造輕骨料；它是一種外部為鐵褐色、棕色堅硬外殼，表面有一層隔水飽氣的釉層，內部具有封閉式微孔結構的多孔陶質粒狀物。陶粒因分類依據不同而種類繁多。按形狀分為：普通型、圓球型（造粒型）、碎石型；按主要原料不同可分為：粘土陶粒、頁巖陶粒、粉煤灰陶粒、泥巖陶粒、煤矸石陶粒、垃圾陶粒、污泥陶粒等；按容重又可分為一般容重陶粒（>500kg/m3），超輕陶粒（200~500kg/m3），特輕陶粒（<200kg/m3）；按顆粒大小分：陶粒（≥5mm） 和陶沙（<5mm）。
3.2 陶粒的生產工藝
早期的陶粒大多采用頁巖直接燒制、破碎、篩分而成，為不規則片狀居多。后來出現的球形輕質陶粒，采用粘土為主要原料，加入適當化工原料作為膨脹劑，經高溫燒制而成。陶粒生產的工藝流程可總結為：原料（+定量的外加劑）→混磨→制粒→燒脹→成品。其中主要外加劑包括：粘結劑、膨脹劑和礦化劑等。其主要作用是在燒成溫度下能產生一定數量且具有一定粘度的液相以及一定數量的氣體，使料球膨脹。
陶粒濾料屬于人工輕質濾料，是一種新型水處理材料，也是新濾料中使用較早的一種。當前大量應用的陶粒濾料是將具有膨脹性的頁巖或粘士粉碎均化，添加活化劑和水攪拌制球形，然后入窯高溫燒脹成陶粒，再將其破碎篩分、水洗烘干而制成。其成分不含對人體有害的重金屬離子及其他有害物質，化學成分穩定，是一種惰性無機濾料。
陶粒的生產設備采用工業回轉窯。圓筒形的主窯體與水平呈3°左右的傾角放置在托滾上。物料從高的一端入窯，在窯體回轉運動的作用下，從高處（窯尾）滾落至低處（窯頭）。同時，在窯頭處，高壓風機將粉煤噴入窯內，并使其充分燃燒，產生的熱量使物料發生物理和化學變化，燒至膨脹。
3.3 陶粒的燒脹機理2=2CO↑（缺氧條件下）；
決定陶粒性能的因素主要是燒成工藝和原材料選擇配料兩個。陶粒須同時具備以下2個條件才能膨脹：
(1)料球能產生適宜粘度的液相，使料球開始軟化；
(2)料球在軟化的同時，其內部產生適量的氣體。此外，粉煤灰中AL2O3含量高是影響膨脹因素之一，須先降低粉煤灰中AL2O3才能燒出超輕粉煤灰陶粒。
3.3.1 產生氣體的反應
陶粒的膨脹主要是由于原料在加熱過程中產生液相和氣體而液相又有一定的黏度使部分氣體不能逸出而形成多孔結構，另有部分氣體逸出而使表面形成許多開孔，增加了濾料的吸附性并使其易掛膜。陶粒原料加熱產生氣體的因素很多，主要反應如下：
（1）在400~800℃，快速升溫或缺氧條件下：
C+O2=CO2↑，2C+O2=2CO↑（缺氧條件下）；
C+O2=CO2↑（缺氧條件下）。
（2）碳酸鹽分解
CaCO3=CaO+CO2↑(850~900℃)
MgCO3=MgO+CO2↑(400~500℃)
（3）硫化物的分解和氧化
FeS2=FeS+S↑（近900℃）；S+O2=SO2↑；
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2↑(氧化氣氛1000±50℃)；
2FeS+3O2=2FeO+2SO2↑。
（4）氧化鐵的分解與還原（1000~1300℃）
2Fe2O3+C=4FeO+CO2↑；2Fe2O3+3C=4Fe+3CO2↑；
Fe2O3+C=2FeO+CO↑；Fe2O3+3C=2Fe+3CO↑。
從上可知，CO是主要膨脹氣體。合理控制陶粒燒成過程中生成氣體的反應對形成大量開孔有重要意義。
3.3.2 原料化學成分與黏度的關系
陶粒原料成分主要有SiO2、AL2O3和熔劑。熔劑包括CaO、MgO、MnO、Fe2O3、 FeO、K2O、Na2O、TiO2等。Riley在研究粘土陶粒燒脹性時，發現在某溫度范圍內，當所用原料的化學成分處于某一范圍時，所得陶粒具有良好的燒脹性。據此，他提出了原料化學成分的Riley三角形，并具體圈定了形成適宜粘度液相的原料化學成分范圍（下圖）。SiO253%~79%，AL2O310%~25%，熔劑之和為13%~26%。
4 陶粒用作濾料
4.1 陶粒做生物濾料應達到的要求
生物膜載體—填料（濾料）是生物膜反應器技術的核心，它決定了反應器能否運行，所以作為濾料的材料應滿足以下要求：
（1）機械強度，不應在反洗過程中由于料間磨損或破碎造成顆粒變小使濾料層變復雜，用磨損率和破碎率表征。
（2）生物、化學穩定性，不應在運行過程中濾料的物質溶于水而影響水質，或因投加水處理藥劑使濾料材質結構發生變異而解體。此項用酸堿可溶性表征。生物膜的一些代謝產物會對載體產生腐蝕作用，所以濾料須具有一定的抗腐蝕性，同時須不參與生物膜的生物化學反應，且其本身不可被生物降解。
（3）顆粒形狀，以表面相對粗糙且有一定球度為好。
（4）表面電性和親水性：微生物一般帶負電荷，并親水，因此載體表面帶正電荷將有利于微生物固著生長，載體表面的親水性有利于微生物的附著，表面性質可用等電點和Zeta電位來表征。
另外，生物濾料應比表面積大，開孔孔隙率高、孔徑較大（大于0.5μm）并有一定的表面粗糙度以有利于掛膜并防止載體之間摩擦碰撞而造成固著微生物脫落。
4.2 陶粒的研究及應用現狀
陶粒的發現可追溯至1885年，但實際上是于1918年才由S.J.Hayde研制出來，他用回轉窯生產陶粒的原理非常有價值，所以該技術迄今仍被廣泛應用。我國是50年代初，開始研究陶粒的生產和應用的。主要用于配制輕集料混凝土、保溫砂漿、輕質沙漿及耐酸耐熱混凝土集料，并可用作吸聲材料。
陶粒內部多孔，比表面積較大，化學和熱穩定性好，因之具有較好的吸附性能，而且易于再生，是一種廉價的吸附劑。陶粒濾料比表面積是石英砂濾料的6~8倍，孔隙率是石英砂的1.7~2.2倍。資料表明陶粒對鉛、鉻和鎳具有較強的去除作用，并對氨氮和COD有較強的去除作用。由于經破碎的陶粒作濾料有磨損破碎率較高和水流阻力較大的缺點，人們不斷的開發出新型的陶粒濾料來彌補其不足，主要是：
（1）采用的原材料，由于傳統陶粒應用的主要是粘土、陶土等原料，大量生產浪費土地資源，故利用工業廢料作原料制備陶粒有重要意義，如，用污水廠剩余污泥、粉煤灰、煤矸石等。王健等以粉煤灰為主要原料、粘土為粘接劑，成功地開發出輕質多孔球形生物陶粒。
（2）改進生產工藝，使陶粒生產過程中人力、物力得到節約，如采用礦化劑降低燒成溫度、研制免燒型陶粒或采用工業廢料作添加劑改善陶粒性能等；
（3）改善陶粒濾料形狀和表面結構，如生產球形超輕陶粒或均粒陶粒等，朱樂輝等以天然陶土為主要原料研制出了輕質球形陶粒濾料改善了不規則形狀陶粒濾料的弊端。
（4）對傳統陶粒濾料進行表面改性。
5 結論與展望
通過合理配料和控制燒成工藝能生產出適應水處理濾料要求的陶粒，陶粒在污水處理中應用廣泛且有效，各方面優于石英砂等濾料，但目前對陶粒用作濾料方面的制作工藝研究較少。為了能更好的發揮其潛在優勢和克服其本身存在的不足，生物陶粒的研究中還要著重解決以下問題：
（1）研制大量利用粉煤灰等工業廢料的陶粒濾料；
（2）合理控制工藝解決陶粒在燒制過程中表面結釉問題；
（3）生物膜在陶粒濾料上的生存特征及適應性研究。
（4）陶粒濾料的再生利用；
（5）陶粒濾料在處理微污染水和凈水處理中的應用。
