摘要：闡述了陶粒的物化組成，介紹了生物陶粒在國內的應用現狀，總結了生物陶粒對有機物、氨氮、亞硝酸鹽、UV254、藻類、濁(zhuo)度(du)、色度(du)的(de)去(qu)除效(xiao)果, 指出生物陶粒在(zai)水處理應用中需(xu)注(zhu)意的(de)問題及今后研究重(zhong)點。
生物預處理是指在常規凈水工藝之前增設生物處理工藝，借助微生物群體的新陳代謝活動，對水中 的有機污染物、氨氮、亞硝酸鹽、UV254、藻(zao)類、濁度(du)(du)、色度(du)(du)進行初步去除(chu)。生(sheng)物(wu)(wu)(wu)陶粒(li)是一種以陶粒(li)為載(zai)體的生(sheng)物(wu)(wu)(wu)膜(mo)接觸氧化(hua)水處理(li)技術(shu)，被廣泛應用(yong)于飲用(yong)水預處理(li)。陶粒(li)具有一定的內部孔隙(xi)，表面粗糙，適(shi)宜于微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)的附著、固定和生(sheng)長，是較(jiao)理(li)想的生(sheng)物(wu)(wu)(wu)載(zai)體。陶粒(li)比表面積大，能獲得(de)較(jiao)高的生(sheng)物(wu)(wu)(wu)量，因而具有較(jiao)強的生(sheng)物(wu)(wu)(wu)氧化(hua)能力。
1 陶粒的物化組成
陶粒的成分主要有SiO2、Al2O3和熔劑。熔劑包括CaO、MgO、MnO、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、TiO2等(deng)。陶粒是以粘土為主(zhu)要(yao)生(sheng)(sheng)產原料(liao)(liao)，摻(chan)加少(shao)量輔助原料(liao)(liao)和造孔劑，經配料(liao)(liao)、破碎、成球(qiu)(qiu)、高溫燒(shao)制(zhi)、篩分(fen)等(deng)一系列工藝加工而成的球(qiu)(qiu)形材料(liao)(liao)。其(qi)主(zhu)要(yao)成分(fen)為偏鋁硅 酸鹽, 表觀為近球(qiu)(qiu)形不(bu)規則(ze)顆(ke)粒，呈紅(hong)褐色、表面粗糙微(wei)孔發達，顆(ke)粒粒徑(jing)分(fen)為多種。這(zhe)些(xie)特點使(shi)陶粒特別適(shi)合于微(wei)生(sheng)(sheng)物在其(qi)表面生(sheng)(sheng)長(chang)、繁殖。
2 生物陶粒(li)在水(shui)處理中(zhong)的應用
2.1 生物(wu)預(yu)處(chu)理(li)(li)+常規水處(chu)理(li)(li)工(gong)藝
現代水(shui)處(chu)(chu)(chu)理(li)工(gong)藝充分利用了(le)陶粒的特(te)性(xing)，使其成為水(shui)處(chu)(chu)(chu)理(li)特(te)別是污水(shui)、微(wei)污染水(shui)源(yuan)水(shui)生(sheng)物(wu)(wu)預處(chu)(chu)(chu)理(li) 以及給水(shui)過濾技(ji)術的理(li)想(xiang)濾料，由于(yu)其密度(du)適(shi)中、強度(du)高(gao)、耐摩(mo)擦、物(wu)(wu)化性(xing)能(neng)穩定、不向水(shui)體釋(shi)放有毒(du)有害(hai)物(wu)(wu)等(deng)特(te)性(xing)，成為了(le)水(shui)處(chu)(chu)(chu)理(li)工(gong)程(cheng)的首選濾料。清(qing)(qing)華(hua)大學環境工(gong)程(cheng)系和(he)蚌埠自(zi)來水(shui)公(gong)司(si)合作, 利用陶粒進行了(le)第一座(zuo)生(sheng)產規模(mo)的生(sheng)物(wu)(wu)接(jie)觸氧(yang)化預處(chu)(chu)(chu)理(li)工(gong)程(cheng)應(ying)用, 取得了(le)預期的效(xiao)果；邯鄲自(zi)來水(shui)公(gong)司(si)和(he)清(qing)(qing)華(hua)大學聯合對滏陽河水(shui)進行了(le)生(sheng)物(wu)(wu)處(chu)(chu)(chu)理(li)中試研究等(deng)。
2.2 臭(chou)氧(yang)+生(sheng)物陶粒(li)預處理
1992年，清華大學聯合城子水廠采用臭氧+生物陶粒預處理對永定河水進行預處理小試研究，充分利用臭氧的強氧化性，將大分子的有機物氧化成中、小分子的有機物，改善水質的可生化性。另一方面，臭氧的存在，為后續的生物陶粒提供了充足的氧氣，有利于微生物的生長與繁殖，從而進一步提高生物處理的效果，采用聯合預處理同單獨采用生物陶粒預處理相比，對CODMn的去除率由20.03%提高(gao)到41.59%。
2.3 臭(chou)氧—陶粒一元化預處理系統(tong)
在臭氧/生物炭水處理工藝中，臭氧氧化后出水中含有大量的生物可降解的有機物，并保留了一定 的色度、濁度，增加了后續生物活性炭的處理負荷，影響生物炭的使用壽命。于秀娟等考察了在臭氧化反應柱中添加陶粒，在臭氧投加前陶粒通水運行一周，陶粒表面形成穩定的生物膜，試驗結果表明，陶粒的添加能夠增加氣水接觸面積，提高臭氧的利用率，一元化反應系統對CODMn、濁(zhuo)度和色度的(de)(de)去除效果均好于臭氧(yang)化系(xi)統，降低濁(zhuo)度的(de)(de)能(neng)力(li)明(ming)顯優(you)于單獨臭氧(yang)化反(fan)應體系(xi)，該系(xi)統出水中(zhong)的(de)(de)溶解氧(yang)含量(liang)明(ming)顯增加，可以為后續(xu)生物活(huo)性(xing)炭處(chu)理(li)段(duan)提供富氧(yang)環境(jing)，并有(you)效減少生物炭的(de)(de)處(chu)理(li)負荷，在一元(yuan)化系(xi)統的(de)(de)上部微(wei)生物降解作用(yong)比較明(ming)顯。一元(yuan)化系(xi)統小試的(de)(de)成(cheng)功，在一定(ding)程度上降低了臭氧(yang)+生物陶粒預處(chu)理(li)的(de)(de)基建費用(yong)，減少空(kong)間布(bu)局，更有(you)助于預處(chu)理(li)在水處(chu)理(li)中(zhong)的(de)(de)推廣與應用(yong)。
3 生(sheng)物(wu)陶粒(li)的(de)處理效(xiao)果
3.1 對NH3-N、NO2--N的去除
生物陶粒對NH3-N、NO2--N有較穩定的處理效果，吳為中等通過對微污染水庫水源的預處理中試研究得出，水溫、濾速（4～6m/h）、氣水比對氨氮、亞硝酸鹽氮的去除效果均無明顯影響。在不同工況條件下，氨氮的平均去除率范圍為89%～97%，亞硝酸鹽氮平均去除率為97.5%～99%。當濾速增至8m/h時，氨氮、亞硝酸鹽氮的去除效果有所下降，但平均去除率仍分別維持在85%和80%以上，這 與Tijhuis等人的研究結果是一致的。馬放等通過實驗研究認為，在常溫（20～25℃）條件下，水力負荷0.6m/h，氣水比（3～5）∶1，進水CODCr負荷1.91～5.59kg/（m3·d），NH3-N負荷0.77～1.33kg/（m3·d）時，生物陶粒對NH3-N的去除率為81%左右，可以實現穩(wen)定(ding)的亞硝酸鹽型硝化。
3.2 對CODMn的去除
生物陶粒對CODMn的平均去除率約為20%～25%，不同工況條件下，生物陶粒濾池的濾速、氣水比的變化對CODMn的凈化效果影響不明顯，水溫對CODMn的去除影響比較明顯，CODMn的平均去除率隨溫度的上升而提高，水溫為3～10℃時，CODMn平均去除率為15.9%；水溫為10～20℃時，CODMn平均去除率為22.8%；水溫為20～28℃時，CODMn平均去除率31.4%；生物陶粒濾池對分子量大于10000道爾頓的有機物去除效果好，可達到60%以上，對分子量在1000～4000道爾頓的有機物去除率也能達到 50%以上，對分子量＜1000道爾頓的有機物去除率僅10%，而分子量在4000～10000道爾頓的有機物在生物陶粒濾池處理過程中非但沒有減少，反而有所增加，這可能是微生物新陳代謝產物造成的。可見，生物陶粒對水中有機物有一定的去除作用，但存在選擇性與限度性，尤其在低溫條件下，對 CODMn的(de)去除效(xiao)果偏低。
3.3 對藻類的去除
生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)處理(li)對(dui)不同藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)去除(chu)(chu)率不同，對(dui)水(shui)(shui)(shui)(shui)中藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)總數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)去除(chu)(chu)率將隨著藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)種類(lei)(lei)及(ji)不同種類(lei)(lei)藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)所(suo) 占比(bi)例而變化(hua)。也就是說(shuo)，若水(shui)(shui)(shui)(shui)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優勢藻(zao)(zao)(zao)屬于易(yi)于被(bei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)處理(li)去除(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)，且該藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)所(suo)占比(bi)例較(jiao)大，那么(me)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)處理(li)對(dui)藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)總數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)去除(chu)(chu)率就相(xiang)應較(jiao)高；反之則較(jiao)低。生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)預處理(li)對(dui)藍藻(zao)(zao)(zao)、硅藻(zao)(zao)(zao)、裸(luo)藻(zao)(zao)(zao)等(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)去除(chu)(chu)率較(jiao)高，對(dui)綠藻(zao)(zao)(zao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)去除(chu)(chu)率較(jiao)低。生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)陶粒濾池除(chu)(chu)藻(zao)(zao)(zao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要途徑(jing)，推斷為生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)陶粒濾池中生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)膜(mo)對(dui)藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)絮凝、吸(xi)附(fu)、附(fu)著，減少(shao)了水(shui)(shui)(shui)(shui)中游離的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)藻(zao)(zao)(zao)數(shu)量(liang)，生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)膜(mo)對(dui)附(fu)著藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)有(you)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)氧化(hua)分解作用，并通(tong)過生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)膜(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)脫(tuo)落（包括自然脫(tuo)落與反沖(chong)洗脫(tuo)膜(mo)）沉降(jiang)作用，隨生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)污(wu)泥排出。針(zhen)對(dui)我國南方某一受污(wu)染的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)庫(ku)水(shui)(shui)(shui)(shui)源水(shui)(shui)(shui)(shui)，在水(shui)(shui)(shui)(shui)力(li)(li)負(fu)荷為4～6m/h、氣(qi)水(shui)(shui)(shui)(shui)比(bi)0.175∶1～1∶1、 水(shui)(shui)(shui)(shui)溫13.8～30℃時的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)各工況條件下(xia)，對(dui)藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)總數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)平均去除(chu)(chu)效(xiao)(xiao)率基本穩(wen)定(ding)在61%～85%。水(shui)(shui)(shui)(shui)力(li)(li)負(fu)荷、氣(qi)水(shui)(shui)(shui)(shui)比(bi)、水(shui)(shui)(shui)(shui)溫等(deng)對(dui)其凈化(hua)藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)果未見(jian)明(ming)顯影(ying)響(xiang)。當水(shui)(shui)(shui)(shui)力(li)(li)負(fu)荷超過一定(ding)范圍時，其藻(zao)(zao)(zao)類(lei)(lei)去除(chu)(chu)率效(xiao)(xiao)率有(you)所(suo)降(jiang)低。
3.4 對(dui)濁度的去除
濁度是水中懸浮物及膠體含量的一個替代參數，生物陶粒濾池對于濁度的降低源于兩個方面的因素。一方面生物陶粒濾池是一種以陶粒為固定填料的生物濾池，濾料層呈壓實狀態，對進水中粒徑較 大的懸浮物具有機械截留作用；另一方面微生物生長在陶粒表面，這些微生物通過自身的生物絮凝作用，可以吸附截留一部分膠體物質，同時可以降低水中膠體的Zeta電位，有利于水中膠體顆粒的凝聚截留。試驗研究表明，當曝氣量在2～3.5m3/h范圍變化(hua)以及(ji)在(zai)(zai)水力負荷為4.6m/h時，生物陶(tao)粒濾池對濁度的凈化(hua)效果基本穩(wen)定(ding)在(zai)(zai)60%左右(you)，隨(sui)著曝氣量、水力負荷的進一步(bu)提高，其凈化(hua)效果下降(jiang)趨勢比較(jiao)明顯。
3.5 對UV254的去除
UV254是水樣經0.45um微孔濾膜過濾后在254nm波長下測得的紫外吸光度，主要代表水體中芳香烴化合物的相對量，也可作為THMs前體物的替代參數。生物陶粒對其去除率約為7.3%～30.4%，平均去除率約為11.28%。對UV254有吸收的有機物主要是含芳香環的有機物，與色度、消毒副產物前體、致突變物質有很好的相關性，生物陶粒對氯化消毒副產物前體有良好的去除作用。生物陶粒對UV254的(de)去除主要依靠(kao)生(sheng)物(wu)膜的(de)吸附(fu)截留作用，對(dui)于后續(xu)常規工藝(yi)降低氯(lv)耗和減少消毒副產物(wu)生(sheng)成(cheng)量有十分重要的(de)意義(yi)。
3.6 對色度(du)的(de)去除
水(shui)中(zhong)(zhong)顏色(se)(se)主要(yao)由(you)存(cun)在天然水(shui)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)金(jin)屬（Fe、Mn）、腐(fu)殖(zhi)質和泥(ni)炭物(wu)(wu)質、浮(fu)游(you)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)、藻類(lei)以及(ji)(ji)工業 廢(fei)物(wu)(wu)組成(cheng)，生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)陶(tao)(tao)粒(li)形(xing)(xing)成(cheng)之(zhi)后，對水(shui)中(zhong)(zhong)懸浮(fu)物(wu)(wu)及(ji)(ji)顆粒(li)物(wu)(wu)有一定的(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)絮凝能力，水(shui)中(zhong)(zhong)的(de)Fe、Mn離子一般可以被(bei)鐵氧化(hua)(hua)細菌、錳氧化(hua)(hua)細菌所氧化(hua)(hua)，形(xing)(xing)成(cheng)不溶性氫氧化(hua)(hua)物(wu)(wu)被(bei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)陶(tao)(tao)粒(li)所截留。試驗研究表(biao)明，生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)陶(tao)(tao)粒(li)濾對色(se)(se)度(du)的(de)去除(chu)(chu)率(lv)(lv)在16.8%～48.7%之(zhi)間，其(qi)平(ping)均去除(chu)(chu)率(lv)(lv)為32%。對于由(you)腐(fu)殖(zhi)質、染(ran)料廢(fei)水(shui)及(ji)(ji)造紙(zhi)廢(fei)水(shui)的(de)污染(ran)造成(cheng)溶解(jie)性色(se)(se)度(du)，生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)陶(tao)(tao)粒(li)貢獻不大。生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)陶(tao)(tao)粒(li)主要(yao)去除(chu)(chu)的(de)為由(you)浮(fu)游(you)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)、藻類(lei)形(xing)(xing)成(cheng)的(de)非(fei)溶解(jie)性色(se)(se)度(du)。
4 應用前景
生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)處理(li)(li)(li)(li)(li)技(ji)術(shu)在歐(ou)洲較(jiao)為(wei)普及，其中(zhong)法國(guo)(guo)的(de)(de)(de)研究和(he)(he)使用(yong)代(dai)表(biao)著當今(jin)世界(jie)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)處理(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)先進水(shui)(shui)(shui)平。近幾年，美國(guo)(guo)和(he)(he)日本等(deng)國(guo)(guo)家也相繼開展(zhan)了生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)預(yu)處理(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)各種研究，并取得了較(jiao)好的(de)(de)(de)成果。陶粒生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)預(yu)處 理(li)(li)(li)(li)(li)適(shi)合我國(guo)(guo)南方地區微(wei)污染水(shui)(shui)(shui)源水(shui)(shui)(shui)質情(qing)況(kuang)，也適(shi)宜(yi)于老水(shui)(shui)(shui)廠改造(zao)，在我國(guo)(guo)發(fa)展(zhan)比(bi)較(jiao)快，國(guo)(guo)內已有(you)(you)多個(ge)水(shui)(shui)(shui)廠建(jian)成生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)處理(li)(li)(li)(li)(li)裝置并投(tou)產(chan)(chan)使用(yong)，還有(you)(you)的(de)(de)(de)正在試驗(yan)或(huo)建(jian)設之中(zhong)。生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)預(yu)處理(li)(li)(li)(li)(li)既可(ke)(ke)以(yi)充分發(fa)揮(hui)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)對有(you)(you)機物(wu)(wu)去除(chu)作用(yong)，又可(ke)(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)處理(li)(li)(li)(li)(li)帶來的(de)(de)(de)飲用(yong)水(shui)(shui)(shui)可(ke)(ke)靠(kao)性，如生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)處理(li)(li)(li)(li)(li)后的(de)(de)(de)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)、顆粒物(wu)(wu)和(he)(he)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)代(dai)謝產(chan)(chan)物(wu)(wu)等(deng)都可(ke)(ke)以(yi)通過后續處理(li)(li)(li)(li)(li)加(jia)以(yi)控制(zhi)。可(ke)(ke)以(yi)預(yu)見，生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)陶粒預(yu)處理(li)(li)(li)(li)(li)技(ji)術(shu)在我國(guo)(guo)將(jiang)有(you)(you)十分廣闊(kuo)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)前(qian)景。
5 存在(zai)問題及研究重點(dian)
⑴后續工藝對預處理代謝產物(wu)的(de)(de)控制程度，目(mu)前尚(shang)沒有(you)深(shen)一步的(de)(de)研究。生物(wu)陶粒出水的(de)(de)微(wei)(wei)生物(wu)活(huo)性產物(wu)，如內毒(du)素、溶解的(de)(de)微(wei)(wei)生物(wu)產物(wu)（SMP）及未完全(quan)降(jiang)解的(de)(de)有(you)機化合物(wu)等對健(jian)康(kang)的(de)(de)影響(xiang)尚(shang)不清(qing)楚；
⑵水溫對生物陶粒中的生物活性影響比較大，特別在連續低溫（≤5℃）的條件下，生物陶粒的自然掛膜啟動時間比較長，對CODMn、NH3-N的處理效果有所下降；
⑶研(yan)制(zhi)利(li)用粉煤灰等廢(fei)料為原料的陶粒(li)，增強(qiang)陶粒(li)對(dui)有機物的吸附力度(du)；
⑷陶粒濾料的再生情況，目前(qian)尚未見報(bao)道，建議加強研(yan)究力度(du)。
