摘要：闡述了陶粒的物化組成，介紹了生物陶粒在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了生物陶粒對(duì)有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽、UV254、藻類(lèi)、濁度、色度的去除效果, 指出生物陶粒在水處理應(yīng)用中需注意的問(wèn)題及今后研究重點(diǎn)。
生物預(yù)處理是指在常規(guī)凈水工藝之前增設(shè)生物處理工藝，借助微生物群體的新陳代謝活動(dòng)，對(duì)水中 的有機(jī)污染物、氨氮、亞硝酸鹽、UV254、藻類(lèi)、濁度、色度進(jìn)行初步去除。生物陶粒是一種以陶粒為載體的生物膜接觸氧化水處理技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于飲用水預(yù)處理。陶粒具有一定的內(nèi)部孔隙，表面粗糙，適宜于微生物的附著、固定和生長(zhǎng)，是較理想的生物載體。陶粒比表面積大，能獲得較高的生物量，因而具有較強(qiáng)的生物氧化能力。
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。陶粒是以粘土為主要生產(chǎn)原料，摻加少量輔助原料和造孔劑，經(jīng)配料、破碎、成球、高溫?zé)�、篩分等一系列工藝加工而成的球形材料。其主要成分為偏鋁硅 酸鹽, 表觀為近球形不規(guī)則顆粒，呈紅褐色、表面粗糙微孔發(fā)達(dá)，顆粒粒徑分為多種。這些特點(diǎn)使陶粒特別適合于微生物在其表面生長(zhǎng)、繁殖。
2 生物陶粒在水處理中的應(yīng)用
2.1 生物預(yù)處理+常規(guī)水處理工藝
現(xiàn)代水處理工藝充分利用了陶粒的特性，使其成為水處理特別是污水、微污染水源水生物預(yù)處理 以及給水過(guò)濾技術(shù)的理想濾料，由于其密度適中、強(qiáng)度高、耐摩擦、物化性能穩(wěn)定、不向水體釋放有毒有害物等特性，成為了水處理工程的首選濾料。清華大學(xué)環(huán)境工程系和蚌埠自來(lái)水公司合作, 利用陶粒進(jìn)行了第一座生產(chǎn)規(guī)模的生物接觸氧化預(yù)處理工程應(yīng)用, 取得了預(yù)期的效果；邯鄲自來(lái)水公司和清華大學(xué)聯(lián)合對(duì)滏陽(yáng)河水進(jìn)行了生物處理中試研究等。
2.2 臭氧+生物陶粒預(yù)處理
1992年，清華大學(xué)聯(lián)合城子水廠采用臭氧+生物陶粒預(yù)處理對(duì)永定河水進(jìn)行預(yù)處理小試研究，充分利用臭氧的強(qiáng)氧化性，將大分子的有機(jī)物氧化成中、小分子的有機(jī)物，改善水質(zhì)的可生化性。另一方面，臭氧的存在，為后續(xù)的生物陶粒提供了充足的氧氣，有利于微生物的生長(zhǎng)與繁殖，從而進(jìn)一步提高生物處理的效果，采用聯(lián)合預(yù)處理同單獨(dú)采用生物陶粒預(yù)處理相比，對(duì)CODMn的去除率由20.03%提高到41.59%。
2.3 臭氧—陶粒一元化預(yù)處理系統(tǒng)
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(jī)物，并保留了一定 的色度、濁度，增加了后續(xù)生物活性炭的處理負(fù)荷，影響生物炭的使用壽命。于秀娟等考察了在臭氧化反應(yīng)柱中添加陶粒，在臭氧投加前陶粒通水運(yùn)行一周，陶粒表面形成穩(wěn)定的生物膜，試驗(yàn)結(jié)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(yīng)系統(tǒng)對(duì)CODMn、濁度和色度的去除效果均好于臭氧化系統(tǒng)，降低濁度的能力明顯優(yōu)于單獨(dú)臭氧化反應(yīng)體系，該系統(tǒng)出水中的溶解氧含量明顯增加，可以為后續(xù)生物活性炭處理段提供富氧環(huán)境，并有效減少生物炭的處理負(fù)荷，在一元化系統(tǒng)的上部微生物降解作用比較明顯。一元化系統(tǒng)小試的成功，在一定程度上降低了臭氧+生物陶粒預(yù)處理的基建費(fèi)用，減少空間布局，更有助于預(yù)處理在水處理中的推廣與應(yīng)用。
3 生物陶粒的處理效果
3.1 對(duì)NH3-N、NO2--N的去除
生物陶粒對(duì)NH3-N、NO2--N有較穩(wěn)定的處理效果，吳為中等通過(guò)對(duì)微污染水庫(kù)水源的預(yù)處理中試研究得出，水溫、濾速（4～6m/h）、氣水比對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮的去除效果均無(wú)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(dāng)濾速增至8m/h時(shí)，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(jié)果是一致的。馬放等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，在常溫（20～25℃）條件下，水力負(fù)荷0.6m/h，氣水比（3～5）∶1，進(jìn)水CODCr負(fù)荷1.91～5.59kg/（m3·d），NH3-N負(fù)荷0.77～1.33kg/（m3·d）時(shí)，生物陶粒對(duì)NH3-N的去除率為81%左右，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝酸鹽型硝化。
3.2 對(duì)CODMn的去除
生物陶粒對(duì)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(duì)CODMn的凈化效果影響不明顯，水溫對(duì)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(shí)，CODMn平均去除率為15.9%；水溫為10～20℃時(shí)，CODMn平均去除率為22.8%；水溫為20～28℃時(shí)，CODMn平均去除率31.4%；生物陶粒濾池對(duì)分子量大于10000道爾頓的有機(jī)物去除效果好，可達(dá)到60%以上，對(duì)分子量在1000～4000道爾頓的有機(jī)物去除率也能達(dá)到 50%以上，對(duì)分子量＜1000道爾頓的有機(jī)物去除率僅10%，而分子量在4000～10000道爾頓的有機(jī)物在生物陶粒濾池處理過(guò)程中非但沒(méi)有減少，反而有所增加，這可能是微生物新陳代謝產(chǎn)物造成的。可見(jiàn)，生物陶粒對(duì)水中有機(jī)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(duì) CODMn的去除效果偏低。
3.3 對(duì)藻類(lèi)的去除
生物處理對(duì)不同藻類(lèi)的去除率不同，對(duì)水中藻類(lèi)總數(shù)的去除率將隨著藻類(lèi)種類(lèi)及不同種類(lèi)藻類(lèi)所 占比例而變化。也就是說(shuō)，若水中的優(yōu)勢(shì)藻屬于易于被生物處理去除的藻類(lèi)，且該藻類(lèi)所占比例較大，那么生物處理對(duì)藻類(lèi)總數(shù)的去除率就相應(yīng)較高；反之則較低。生物預(yù)處理對(duì)藍(lán)藻、硅藻、裸藻等的去除率較高，對(duì)綠藻的去除率較低。生物陶粒濾池除藻的主要途徑，推斷為生物陶粒濾池中生物膜對(duì)藻類(lèi)的生物絮凝、吸附、附著，減少了水中游離的藻數(shù)量，生物膜對(duì)附著藻類(lèi)有生物氧化分解作用，并通過(guò)生物膜的脫落（包括自然脫落與反沖洗脫膜）沉降作用，隨生物污泥排出。針對(duì)我國(guó)南方某一受污染的水庫(kù)水源水，在水力負(fù)荷為4～6m/h、氣水比0.175∶1～1∶1、 水溫13.8～30℃時(shí)的各工況條件下，對(duì)藻類(lèi)總數(shù)的平均去除效率基本穩(wěn)定在61%～85%。水力負(fù)荷、氣水比、水溫等對(duì)其凈化藻類(lèi)的效果未見(jiàn)明顯影響。當(dāng)水力負(fù)荷超過(guò)一定范圍時(shí)，其藻類(lèi)去除率效率有所降低。
3.4 對(duì)濁度的去除
濁度是水中懸浮物及膠體含量的一個(gè)替代參數(shù)，生物陶粒濾池對(duì)于濁度的降低源于兩個(gè)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(shí)狀態(tài)，對(duì)進(jìn)水中粒徑較 大的懸浮物具有機(jī)械截留作用；另一方面微生物生長(zhǎng)在陶粒表面，這些微生物通過(guò)自身的生物絮凝作用，可以吸附截留一部分膠體物質(zhì)，同時(shí)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(yàn)研究表明，當(dāng)曝氣量在2～3.5m3/h范圍變化以及在水力負(fù)荷為4.6m/h時(shí)，生物陶粒濾池對(duì)濁度的凈化效果基本穩(wěn)定在60%左右，隨著曝氣量、水力負(fù)荷的進(jìn)一步提高，其凈化效果下降趨勢(shì)比較明顯。
3.5 對(duì)UV254的去除
UV254是水樣經(jīng)0.45um微孔濾膜過(guò)濾后在254nm波長(zhǎng)下測(cè)得的紫外吸光度，主要代表水體中芳香烴化合物的相對(duì)量，也可作為T(mén)HMs前體物的替代參數(shù)。生物陶粒對(duì)其去除率約為7.3%～30.4%，平均去除率約為11.28%。對(duì)UV254有吸收的有機(jī)物主要是含芳香環(huán)的有機(jī)物，與色度、消毒副產(chǎn)物前體、致突變物質(zhì)有很好的相關(guān)性，生物陶粒對(duì)氯化消毒副產(chǎn)物前體有良好的去除作用。生物陶粒對(duì)UV254的去除主要依靠生物膜的吸附截留作用，對(duì)于后續(xù)常規(guī)工藝降低氯耗和減少消毒副產(chǎn)物生成量有十分重要的意義。
3.6 對(duì)色度的去除
水中顏色主要由存在天然水體中的金屬（Fe、Mn）、腐殖質(zhì)和泥炭物質(zhì)、浮游生物、藻類(lèi)以及工業(yè) 廢物組成，生物陶粒形成之后，對(duì)水中懸浮物及顆粒物有一定的生物絮凝能力，水中的Fe、Mn離子一般可以被鐵氧化細(xì)菌、錳氧化細(xì)菌所氧化，形成不溶性氫氧化物被生物陶粒所截留。試驗(yàn)研究表明，生物陶粒濾對(duì)色度的去除率在16.8%～48.7%之間，其平均去除率為32%。對(duì)于由腐殖質(zhì)、染料廢水及造紙廢水的污染造成溶解性色度，生物陶粒貢獻(xiàn)不大。生物陶粒主要去除的為由浮游生物、藻類(lèi)形成的非溶解性色度。
4 應(yīng)用前景
生物處理技術(shù)在歐洲較為普及，其中法國(guó)的研究和使用代表著當(dāng)今世界生物處理的先進(jìn)水平。近幾年，美國(guó)和日本等國(guó)家也相繼開(kāi)展了生物預(yù)處理的各種研究，并取得了較好的成果。陶粒生物預(yù)處 理適合我國(guó)南方地區(qū)微污染水源水質(zhì)情況，也適宜于老水廠改造，在我國(guó)發(fā)展比較快，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)水廠建成生物處理裝置并投產(chǎn)使用，還有的正在試驗(yàn)或建設(shè)之中。生物預(yù)處理既可以充分發(fā)揮微生物對(duì)有機(jī)物去除作用，又可以增加生物處理帶來(lái)的飲用水可靠性，如生物處理后的微生物、顆粒物和微生物的代謝產(chǎn)物等都可以通過(guò)后續(xù)處理加以控制�？梢灶A(yù)見(jiàn)，生物陶粒預(yù)處理技術(shù)在我國(guó)將有十分廣闊的發(fā)展前景。
5 存在問(wèn)題及研究重點(diǎn)
⑴后續(xù)工藝對(duì)預(yù)處理代謝產(chǎn)物的控制程度，目前尚沒(méi)有深一步的研究。生物陶粒出水的微生物活性產(chǎn)物，如內(nèi)毒素、溶解的微生物產(chǎn)物（SMP）及未完全降解的有機(jī)化合物等對(duì)健康的影響尚不清楚；
⑵水溫對(duì)生物陶粒中的生物活性影響比較大，特別在連續(xù)低溫（≤5℃）的條件下，生物陶粒的自然掛膜啟動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)CODMn、NH3-N的處理效果有所下降；
⑶研制利用粉煤灰等廢料為原料的陶粒，增強(qiáng)陶粒對(duì)有機(jī)物的吸附力度；
⑷陶粒濾料的再生情況，目前尚未見(jiàn)報(bào)道，建議加強(qiáng)研究力度。
