摘要：系統介紹了陶粒的生產工藝及其燒成過程中影響膨脹等性能的因素，并對當前陶粒在做濾料方面的改進工藝做了論述。然后提出生物陶粒的研究和開發中應解決的問題，并對其發展趨勢進行展望。
0 前言
污水處理流程一般為：混凝-沉淀-過濾-投氯消毒工藝，在過濾工藝中應用的堆積型湮沒式濾料目前主要是無煙煤和石英砂濾料，由于前者造價高，后者存在比表面積小等缺點促使研究者不斷的開發新的濾料來彌補其不足。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即生物濾料，因此處于核心地位。我國對填料的研究以陶粒為多，這是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。目前對陶粒的工藝研究主要是在做集料的領域，研究的是其強度和膨脹性，對用作濾料的工藝研究較少。
1 生物填料
1.1 種類
填料在污水處理中既作為過濾材料又使生物附著在上面起到生物載體的作用。曝氣生物濾池所用填料，根據其采用原料的不同，可分為無機填料、有機高分子料；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。
在我國，對曝氣生物濾池濾料的研究一直在進行，并對多種濾料進行了實驗。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。
1.2 填料的發展推動BAF的發展
填料作為BAF的核心組成部分，影響著曝氣生物濾池的發展。曝氣生物濾池發展過程中依次出現過3種不同的形式：BIOCARBONE，BIOFOR和BIOSTYR，采用的填料各不相同。BIOCARBONE采用的是石英砂粒；BIOFOR采用的是輕質陶粒；BIO-STYR采用的則是密度比水小的聚苯乙烯球形顆粒。石英砂粒由于密度大，比表面積、孔隙率小；當污水流經濾層時阻力很大，生物量少，因此濾池負荷不高、水頭損失大。輕質陶粒和聚苯乙烯作填料時，由于密度小，比表面積、孔隙率大，生物量大，因此濾池負荷較大，水頭損失較小。國外的實際運行表明BIOFOR和BIOSTYR明顯優于BIOCARBONE。所以，BAF性能的優劣很大程度上取決于填料的特性。
2 陶粒
2.1 陶粒的種類
陶粒是由粘土泥巖、頁巖、煤矸石、粉煤灰等為主要原料，經加工成粒或粉磨成球，再燒漲而成的人造輕骨料；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。按形狀分可分為：普通型、圓球型（造粒型）、碎石型3種；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；按其容重大小又可分為一般容重陶粒（＞500kg/m3）、超輕陶粒（200-500kg/m3）、特輕容重陶粒（＜200kg/m3）。按顆粒大小分：陶粒（≥5mm）和陶沙（＜5mm）。
2.2 陶粒制作的工藝流程
陶粒生產的工藝流程可總結為：原:（+定量的外加劑）→混磨→制粒→燒脹→堆放→運輸（裝袋）。其中主要外加劑包括：粘結劑、膨漲劑和礦化劑等。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，在膨脹溫度范圍內產生的氣體其壓力稍大于膨脹孔隙孔壁的破壞強度就會產生微孔，增加了陶粒比表面積。
目前我國陶粒的生產設備都采用的是工業回轉窯。圓筒形的主窯體與水平呈3°左右的傾角放置在托滾上。物料在高的一端進入窯內，在窯體做回轉運動的作用下，物料在高處（窯尾）滾落至低處（窯頭），同時，在窯頭處，高壓風機將粉煤灰噴入窯內，并使其充分燃燒，產生的熱量使物料發生物理和化學變化，燒結并膨脹。
2.3 陶粒的燒脹原理
實驗研究表明，陶粒需要同時具備以下2個條件才能膨脹：(1)在某溫度下，料球能產生適宜粘度的液相，使料球開始軟化；(2)該溫度下料球在軟化的同時，其內部能產生適宜的氣體。此外，粉煤灰中Al2O3含量高也是影響膨脹因素之一。
2.3.1 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氣體而物料又有一定的黏度使部分氣體未逸出從而形成多孔結構，又有部分氣體逸出從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。陶粒原料中加熱產生氣體的因素很多，產生氣體的主要反應如下：
(1)在400-800℃，快速升溫或缺氧條件下產生氣體的反應為：
C+O2=CO2↑，
2C+O2=2CO↑(缺氧條件下)，
C+CO2=2CO↑(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↑；
2Fe2O2+3C=4Fe+3CO2↑；
Fe2O2+C=2FeO+CO↑；
Fe2O3+3C=2Fe+3CO↑。
由此可知，在陶粒的膨脹溫度范圍內，逸出的氣體主要是CO，說明CO是主要膨脹氣體。所以，合理控制陶粒燒成過程中生成氣體的反應對形式大量開孔有重要意義。
2.3.2 原料化學成分與黏度的關系
陶粒原料成分主要有SiO2、Al2O3和熔劑成分。熔劑成分包括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，當所用陶粒原料的化學成分處于某一范圍時，所得陶粒均具有良好的燒脹性。據此，他提出了用三元法表示原料化學成分的Riley三角形，并具體圈定形成適宜粘度的原料化學成分范圍（圖1）。Riley相圖中形成適宜粘度的原料化學成分范圍為SiO253%~79%，Al2O310%~25%，熔劑之和為13%~26%。
由Riley相圖可知，我們可以在1范圍內選擇適宜的配比來控制陶粒在燒制時的液相黏度從而使其達到需要的孔隙率，另外，可以根據相圖中2范圍控制陶粒強度使其表面強度較小以示氣體逸出形成粗糙多孔的表面。
2.4 陶粒的研究應用情況
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。我國是從50年代初開始研究陶粒的生產和應用的。
由于陶粒是利用工業廢渣、廢料或廢棄的礦物原料、劣質頁巖為原料制成，又具有容重輕、強度高、導熱性低耐火度較高、保溫防凍抗腐蝕抗沖擊、抗震、 耐磨無有害物等特點，是一種變廢為寶的優良綠色建材。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。由于其內部多孔，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，而且易于再生便于重復利用，因此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。近年來粉煤灰的產量很大，給城市廢物處理帶來很大困難，由于其成分與粘土相似，所以當前陶粒生產的方向是生產以粉煤灰為主要原料的陶粒。
近幾年我國開展了應用片狀陶粒處理水源水微污染的研究，片狀陶粒屬不規則粒狀填料，盡管掛膜性能良好，但水流阻力大，容易堵塞，強度差，易破碎，不耐水沖刷，限制了它僅能應用于水源水的微污染處理，而不能應用于污水處理。正是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。所以改善濾料形狀和表面結構在當前尤為重要。朱樂輝等已于2000年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。實驗研究表明陶粒對鉛和鉻具有較強的去除作用，并對氨氮和COD有較強的去除作用，另外陶粒是一種廉價的吸附劑，易于再生便于重復利用。
3 污水處理中應用的濾料
3.1 污水處理中對濾料的要求
生物膜載體-濾料是生物膜反應器技術的核心，它決定了反應器能否高效運行，所以作為濾料的材料應遵循以下原則：
(1)機械強度，以免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間復雜，導致反洗時輕質濾料流失和過濾時終止濾料漏失。
(2)生物、化學穩定性，以免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。生物膜在新陳代謝過程中會產生多種代謝產物，其中一些會對載體產生腐蝕作用，所以濾料需要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，且其本身是不可生物降解的。
(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：微生物一般帶有負電荷，并親水，因此載體表面帶有正電荷有利于微生物固著生長，載體表面的親水性同樣有利于微生物的附著。
另外，生物濾料開孔孔隙率要高，并要求有一些大于0.5μm的孔以有利于給微生物一定的生長空間。適當控制陶粒燒成工藝就能生產出理想性能的陶粒濾料。
3.2 陶粒作濾料的改進工藝
通常所用作濾料的陶粒是用粘土或陶土燒結而成,性能較好,但浪費資源;另一種是將普通做集料的陶粒經粉碎加工而成,這樣的陶粒不但形狀不規則而且強度太小容易在過濾過程中破碎堵塞濾池。所以通過改進陶粒生產工藝可以使陶粒具有濾料所要求的較大比表面積和較規則的球形等。改進的方法總結為以下兩點：
(1)改進配料方案及燒結工藝
如朱樂輝等就是用陶土摻加化工原料造孔，在 1180℃左右燒出的較理想的輕質球形陶粒濾料，強度較高，比表面積大2×104-1.5×105m2/g。
王健、金鳴林等采用添加有機造孔劑的方法，以粉煤灰為主要原料、粘土為粘接劑，經造球和高溫燒結等工藝，成功地開發出輕質多孔球形生物濾料，其基本工藝參數為：粉煤灰加入量55%、粘土加人量45%、造孔劑加入量5%，燒結溫度1050~1150℃，燒成保溫時間10min。制備的新型濾料產品孔徑分布為5~25nm，比表面積為8~9m2/g，與傳統的生物濾料相比具有視密度小、比表面積大和表面粗糙易掛膜等優點。這對新型濾料開發和廢棄資源利用無疑具有很大意義。
(2)對陶粒進行表面改性，改性的目的就是增加陶粒表面吸附作用。當前改性方法主要有表面覆蓋金屬氧化物、金屬氫氧化物和正離子集團，作用機理是表面靜電作用和微孔的吸附作用。
4 結論與展望
曝氣生物濾池出現以來，填料出現了多種形式，生物陶粒以其優良的性能和低廉的價格又易于回收利用而得到廣泛應用。但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)由于陶粒在燒制過程中表面結釉問題尚未得到解決，所以應研究對其表面改性以增強其比表面積和吸附；
(2)研制超輕陶粒并增加其開孔數量；
(3)研究生物膜在陶粒濾料上的生存特征及適應性；
(4)研究陶粒濾料的再生利用；
(5)研制大量利用粉煤灰的陶粒濾料。
