摘要：我國對曝氣生物濾池填料的研究以陶粒為最多，陶粒作為填料的一種，不僅材料低廉易得，而且顯示出的優良特性，特別適合我國的國情。本文就陶粒填料的研究進展、存在問題和發展方向進行了探討。
關鍵詞：陶粒填料,曝氣生物濾池,水處理
目前在我國，曝氣生物濾池所使用的填料，根據采用原料的不同，可以分為無機填料、有機高分子填料;根據填料密度的不同，則又可以分為上浮式填料和沉沒式填料。常見的有機高分子填料有聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，常見的無機填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨脹硅鋁酸鹽等。
我國對曝氣生物濾池填料的研究以陶粒為最多，這主要是因為陶粒作為填料的一種[1]，不僅材料低廉易得，而且其特性特別適合我國的國情。早期的陶粒大多采用頁巖直接燒制、破碎、篩分而成，為片狀等不規則形狀。由于陶粒內部的微孔多孔結構，使陶粒具有容重小、強度高、保溫隔音效果好、防火、抗凍、耐化學腐蝕、耐細菌腐蝕、抗震性好及施工適應性強等優良性能，被廣泛應用于建筑、冶金、化工、石油、農業等部門。
一種常見的陶粒填料是粉煤灰陶粒，它是以粉煤灰為主料，摻加適量粘結劑或外加劑成球，經陪燒或養護而制得的一種人造輕骨料。一般呈球狀，堆積密度不大于1100kg/m3,粒徑在5-20mm之間，表皮粗糙堅硬,內部有許多細微氣孔。
江西省萍鄉佳能環保公司與南昌大學合作開發研制的新型濾料——球形輕質多孔陶粒，具有良好的理化性能。該公司結合當地優良的陶粒資源，在以粘土資源為濾料的傳統產業基礎上，聯合高等院校的科研人員共同研究開發出了這一新型濾料。該填料目前具有廣泛的應用前景。
1. 球形陶粒濾料的特點
與玻璃鋼、聚氯乙烯、維綸、丙綸這些濾料相比，球形輕質陶粒強度大、孔隙率大、比表面積也大、化學穩定性非常好，用于污水處理時，具有生物附著性強、掛膜性能良好、水流流態好、反沖洗容易進行截污能力強等優點;另外，與傳統濾料相比，球形輕質陶粒形狀規則，粒徑亦可大可小，密度比較適宜，克服了傳統的不規則粒狀濾料水流阻力大、易引起氧化池堵塞、反沖洗強度大、易沖刷破碎等缺點;再者，與傳統的片狀陶粒濾料相比，球形輕質陶粒主要以粘土為原料，控制適當的配料和燒制工藝，從而達到改變陶粒密度的目的，并且其表面粗糙、多微孔、不結釉。解決了傳統片狀陶粒濾料表面結釉的難題。以這種球形輕質陶粒做填料，采用淹沒式曝氣生物濾池處理污水，可以達到深度處理的效果，處理后的污水既能重新利用又節約用地。齊兵強[2]等人以球形輕質陶粒作為曝氣生物濾池填料進行研究發現，在很高的濾速下，處理的水質依然很好，而且曝氣量很小，氧的利用率高，反沖洗周期延長，節約了能源和操作費用。周彩樓[3]等也以凈水廠淤泥為原料研制出了超輕陶粒，取得了滿意的結果，開創了污水資源化的又一途徑。
近來，許多人開展了以城市污水處理產生的污泥為主要原料，以粘土、水玻璃為添加劑，制備新型污泥填料的研究。在曝氣生物濾池中，分別以廣州陶粒、江西陶粒、山西活性炭和新型污泥填料作為填料進行對比分析。研究發現，新型污泥填料的濾柱在穩定運行階段對濁度、COD和氨氮平均去除率分別為96.41%、76.15%和82.31%。通過對生活污水的處理發現，新型污泥填料用于曝氣生物濾池作為生物膜載體是可行的，而且在相同的運行條件下，對濁度、COD等的去除效果要優于廣州陶粒和江西陶粒，對氨氮的去除效果要優于廣州陶粒。
2、污泥陶粒填料機理分析
2.1 污泥陶粒填料燒制的機理分析
填料在燒結過程中的強度形成事實上就是填料各種成份在加熱過程中的物理化學變化過程，原料在加熱過程中發生脫水、水解、析出新晶相等物理化學變化，一般認為：在加熱過程中的物理化學變化包括脫水階段和脫水后產物的轉化階段。
2.2 污泥陶粒填料的發泡機理分析
膨脹過程是膨脹氣體一直強烈逸出與適宜粘度液相控制氣體逸出的動態平衡過程，這意味著填料生產必須具有兩個基本條件：一是在膨脹溫度下能夠產生合適的粘度和表面張力，二是有足夠的氣體產生，二者缺一不可。粘度和表面張力太小，則氣泡會破裂，若太大則易相互結塊;氣體膨脹力過大，則會造成料球破裂，反之，則不能膨脹。因此，只有同時具備上述兩個條件，才可能獲得膨脹良好好的填料產品。
2.3 污泥陶粒填料粘度的形成
污泥陶粒填料料球是一種復雜的混合物，它沒有固定的熔融溫度。當溫度升高時，開始變軟，隨著溫度的繼續升高，逐漸達到軟化溫度范圍，料球中的固相不斷減少，液相不斷增加，料球由固態逐漸變為可塑態，最后完全變成液體。
一般，在料球膨脹溫度范圍內，物料的固相、液相和氣相三相是同時存在的，固相主要是由氧化硅和氧化鋁以及少量的熔劑組成，液相主要是料球中的易熔成份和由氧化硅、氧化鋁等組成的易溶化合物和共晶混合物，辯球加熱膨脹所必須的粘度，雖然也取決于固相和液相的比率，但更主要取決于液相的數量和性質。FeO、HgO、CaO、Na2O和K2O等氧化物有降低料球熔融溫度的作用，主要是因為他們能在較低的溫度下，能與其他組分形成熔點低得多的共晶混合物。
2.4 污泥陶粒填料性能的影響因素分析
污泥陶粒填料的原料化學成分是導致污泥填料膨脹的主要因素。原料按其作用可分為：成陶成份、助熔成份和發氣成份。其中成陶成份有SiO2、Al2O3、Fe2O3;助熔成份為起助熔作用的氧化物，有K2O、Na2O、MgO\、CaO等;發氣成份為在高溫條件下能夠產生氣體的物質，主要有氧化鐵、碳酸鹽類、含硫化合物、有機物等。
3 陶粒填料在曝氣生物濾池中處理污水效果分析
3.1 對COD、TP、氨氮的去除效果對比分析
對各種陶粒填料在曝氣生物濾池中的應用效果分析[4]中得知，對COD去除效果最好的是800級粘土陶粒，平均去除率為81%(圖1)、石灰石碎石的去除率最低，但仍然達到70%，400級粘土陶粒、800級頁巖陶粒、200級粘土陶粒對COD的去除率依次介于兩者之間，五種填料對COD的去除效果差異較小。對TP的去除效果最好的是200級粘土陶粒，去除率為62.4%，其次為900級粘土陶粒，400級粘土陶粒與800級頁巖陶粒對TP的去除率相當，石灰石碎石的去除率最低，為25.1%。對TN、氨氮的去除效果最好的是800級粘土陶粒，去除率分別為56.8%、71.5%，400級粘土陶粒、800級頁巖陶粒、200級粘土陶粒對TN、氨氮的處理效果接近(圖2)，石灰石碎石的去除率最低，為30.9%、33.8%。各填料對氨氮的去除率均高于TN。
各種陶粒與石灰石碎石比較，陶粒對污染物質的處理效果最好，其去除率均高于石灰石碎石，陶粒作為填料去除污染物優勢最大，粘土陶粒綜合去除效果要好于頁巖陶粒，且粘土陶粒比頁巖陶粒具有更豐富的微孔結構和更大的內比表面積，粘土陶粒凈化污水的潛力更大一些。800級粘土陶粒對污染物的綜合去除效果最好。
3.2 耗氧速率對比分析
另外，在同一起始溶解氧濃度條件下，800級粘土陶粒的耗氧速率最快，為2.06mg/(L﹒H)，其次為200級粘土陶粒，為1.70 mg/(L﹒H)，石灰石碎石的耗氧速率為0.33 mg/(L﹒H)，與陶粒填料相比相差較大。
生物膜的比耗氧速率用單位體積填料的耗氧速率表示比用單位質量填料的耗氧速率表示更加合理，且石灰石碎石生物膜活性與陶粒填料的差距減小，而且800級粘土陶粒的生物膜活性最高。
3.3單一填料與組合填料處理效果對比分析
采用單一填料處理生活污水時[5]，對COD、TN、氨氮的平均去除率最好的是800級粘土陶粒，分別達到79%、56.8%、71.5%;對TP的去除效果最好的是200級粘土陶粒，去除率為62.4%。陶粒對污染物的處理效果更好，其去除率均高于石灰石碎石;粘土陶粒綜合去除效好于頁巖陶粒。綜合去除效果最好的是800級粘土陶粒。
組合填料對污染物的去除效果發現，800級粘土陶粒與400級粘土陶粒組合對COD、TP、氨氮等污染物質的去除效果均為最好，不同陶粒組合的處理效果均優于石灰石的處理效果。且對COD的去除率在冬季仍然保持在50%以上，效果非常穩定。季節變化對TP的去除率影響也不明顯，但隨著運行時間的延長，對TP的去除率均呈緩慢的降低趨勢。
3.4 各填料生物膜量對比分析
各種填料的生物膜量之間存在著較大的差異，800級粘土陶粒生物膜量最多，遠高于其他填料，石灰石碎石最少，200級粘土陶粒、400級粘土陶粒、800級頁巖陶粒生物膜量依次介于兩者之間。不同填料的生物膜量表示方法采用質量體積分數表示更加合理，且石灰石碎石生物膜活性與陶粒填料的差距減小。
4 存在問題及發展方向
制備陶粒的方法主要采取燒結法，燒結法生產陶粒存在著建廠投資大、耗能高等問題，目前免燒陶粒國內早已研制和生產應用，它能夠節省能源、工藝簡單、成本低、投資少。其抗壓也可達到一定強度，耐久性能好。產品質量不但不遜于燒結陶粒，有的甚至優于燒結陶粒。
實現陶粒的免蒸是發展的趨勢，優化起內部結構，使微生物與填料產生良好的親和力，縮短掛膜時間，從而提高曝氣生物濾池的處理效率。
參考文獻：
[1] 沈耀良. 曝氣生物濾池工藝及運行控制[J].水處理技術,2005,31(7):7-10.
[2] 齊兵強,王占生.曝氣生物濾池在污水處理中的應用 [J].給水排水，2000,26(10)：4-6.
[3] 周彩樓,尚琦,尹洪江.凈水廠沉淀池淤泥超輕質陶粒的研究 [J].熱固性樹脂，1999,(4)：83-86.
[4] 劉燦燦,吳金云,沈耀良等. 陶粒曝氣生物濾池處理生活污水影響因素的研究[J].蘇州科技學院學報，2008,21(3)：27-30.
[5] 沈耀良,劉燦燦,吳金云,等.不同填料曝氣生物濾池啟動運行特性比較[J].水處理技術，2008,34(6)：33-36.
