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摘要：我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，陶粒作為填料的一种，不仅材料低廉易得，而且显示出的优良特性，特别适合我国的国情。本文就陶粒填料的研究进展、存在问题和发展方向进行了探讨。
关键词：陶粒填料；曝气生物滤池；水处理
The Development of Ceramsite Medium in Biological Aerated Filter
Zhao Hai-hua1，Liu Lin-bin2
（1.Hubei engineering university xiaogan432100；2. Wuhan Zhongjiao Qingchuan Road and Bridge Consultant Co.Ltdhubei wuhan 430050）
Abstract: Our biological aerated filler to aggregate as a maximum, this is because the aggregate as a filler, not only material is cheap and easy, and the excellent characteristics, particularly suitable for China’s national conditions. Then suggested the development and questions of ceramsite medium.
Keys: ceramsite medium biological aerated filter; water treatment
中图分类号：P619.25 文献标识码：A 文章编号：
目前在我国，曝气生物滤池所使用的填料，根据采用原料的不同，可以分为无机填料、有机高分子填料；根据填料密度的不同，则又可以分为上浮式填料和沉没式填料。常见的有机高分子填料有聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，常见的无机填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐等。
我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这主要是因为陶粒作为填料的一种[1]，不仅材料低廉易得，而且其特性特别适合我国的国情。早期的陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成，为片状等不规则形状。由于陶粒内部的微孔多孔结构，使陶粒具有容重小、强度高、保温隔音效果好、防火、抗冻、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好及施工适应性强等优良性能，被广泛应用于建筑、冶金、化工、石油、农业等部门。
一种常见的陶粒填料是粉煤灰陶粒，它是以粉煤灰为主料，掺加适量粘结剂或外加剂成球，经陪烧或养护而制得的一种人造轻骨料。一般呈球状，堆积密度不大于1100kg/m3,粒径在5-20mm之间，表皮粗糙坚硬,内部有许多细微气孔。
江西省萍乡佳能环保公司与南昌大学合作开发研制的新型滤料——球形轻质多孔陶粒，具有良好的理化性能。该公司结合当地优良的陶粒资源，在以粘土资源为滤料的传统产业基础上，联合高等院校的科研人员共同研究开发出了这一新型滤料。该填料目前具有广泛的应用前景。
球形陶粒滤料的特点
与玻璃钢、聚氯乙烯、维纶、丙纶这些滤料相比，球形轻质陶粒强度大、孔隙率大、比表面积也大、化学稳定性非常好，用于污水处理时，具有生物附着性强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易进行截污能力强等优点；另外，与传统滤料相比，球形轻质陶粒形状规则，粒径亦可大可小，密度比较适宜，克服了传统的不规则粒状滤料水流阻力大、易引起氧化池堵塞、反冲洗强度大、易冲刷破碎等缺点；再者，与传统的片状陶粒滤料相比，球形轻质陶粒主要以粘土为原料，控制适当的配料和烧制工艺，从而达到改变陶粒密度的目的，并且其表面粗糙、多微孔、不结釉。解决了传统片状陶粒滤料表面结釉的难题。以这种球形轻质陶粒做填料，采用淹没式曝气生物滤池处理污水，可以达到深度处理的效果，处理后的污水既能重新利用又节约用地。齐兵强[2]等人以球形轻质陶粒作为曝气生物滤池填料进行研究发现，在很高的滤速下，处理的水质依然很好，而且曝气量很小，氧的利用率高，反冲洗周期延长，节约了能源和操作费用。周彩楼[3]等也以净水厂淤泥为原料研制出了超轻陶粒，取得了满意的结果，开创了污水资源化的又一途径。
近来，许多人开展了以城市污水处理产生的污泥为主要原料，以粘土、水玻璃为添加剂，制备新型污泥填料的研究。在曝气生物滤池中，分别以广州陶粒、江西陶粒、山西活性炭和新型污泥填料作为填料进行对比分析。研究发现，新型污泥填料的滤柱在稳定运行阶段对浊度、COD和氨氮平均去除率分别为96.41%、76.15%和82.31%。通过对生活污水的处理发现，新型污泥填料用于曝气生物滤池作为生物膜载体是可行的，而且在相同的运行条件下，对浊度、COD等的去除效果要优于广州陶粒和江西陶粒，对氨氮的去除效果要优于广州陶粒。
2、污泥陶粒填料机理分析
2.1 污泥陶粒填料烧制的机理分析
填料在烧结过程中的强度形成事实上就是填料各种成份在加热过程中的物理化学变化过程，原料在加热过程中发生脱水、水解、析出新晶相等物理化学变化，一般认为：在加热过程中的物理化学变化包括脱水阶段和脱水后产物的转化阶段。
2.2 污泥陶粒填料的发泡机理分析
膨胀过程是膨胀气体一直强烈逸出与适宜粘度液相控制气体逸出的动态平衡过程，这意味着填料生产必须具有两个基本条件：一是在膨胀温度下能够产生合适的粘度和表面张力，二是有足够的气体产生，二者缺一不可。粘度和表面张力太小，则气泡会破裂，若太大则易相互结块；气体膨胀力过大，则会造成料球破裂，反之，则不能膨胀。因此，只有同时具备上述两个条件，才可能获得膨胀良好好的填料产品。
2.3 污泥陶粒填料粘度的形成
污泥陶粒填料料球是一种复杂的混合物，它没有固定的熔融温度。当温度升高时，开始变软，随着温度的继续升高，逐渐达到软化温度范围，料球中的固相不断减少，液相不断增加，料球由固态逐渐变为可塑态，最后完全变成液体。
一般，在料球膨胀温度范围内，物料的固相、液相和气相三相是同时存在的，固相主要是由氧化硅和氧化铝以及少量的熔剂组成，液相主要是料球中的易熔成份和由氧化硅、氧化铝等组成的易溶化合物和共晶混合物，辩球加热膨胀所必须的粘度，虽然也取决于固相和液相的比率，但更主要取决于液相的数量和性质。FeO、HgO、CaO、Na2O和K2O等氧化物有降低料球熔融温度的作用，主要是因为他们能在较低的温度下，能与其他组分形成熔点低得多的共晶混合物。
2.4 污泥陶粒填料性能的影响因素分析
污泥陶粒填料的原料化学成分是导致污泥填料膨胀的主要因素。原料按其作用可分为：成陶成份、助熔成份和发气成份。其中成陶成份有SiO2、Al2O3、Fe2O3；助熔成份为起助熔作用的氧化物，有K2O、Na2O、MgO、CaO等；发气成份为在高温条件下能够产生气体的物质，主要有氧化铁、碳酸盐类、含硫化合物、有机物等。
3 陶粒填料在曝气生物滤池中处理污水效果分析
3.1 对COD、TP、氨氮的去除效果对比分析
对各种陶粒填料在曝气生物滤池中的应用效果分析[4]中得知，对COD去除效果最好的是800级粘土陶粒，平均去除率为81%（图1）、石灰石碎石的去除率最低，但仍然达到70%，400级粘土陶粒、800级页岩陶粒、200级粘土陶粒对COD的去除率依次介于两者之间，五种填料对COD的去除效果差异较小。对TP的去除效果最好的是200级粘土陶粒，去除率为62.4%，其次为900级粘土陶粒，400级粘土陶粒与800级页岩陶粒对TP的去除率相当，石灰石碎石的去除率最低，为25.1%。对TN、氨氮的去除效果最好的是800级粘土陶粒，去除率分别为56.8%、71.5%，400级粘土陶粒、800级页岩陶粒、200级粘土陶粒对TN、氨氮的处理效果接近（图2），石灰石碎石的去除率最低，为30.9%、33.8%。各填料对氨氮的去除率均高于TN。
各种陶粒与石灰石碎石比较，陶粒对污染物质的处理效果最好，其去除率均高于石灰石碎石，陶粒作为填料去除污染物优势最大，粘土陶粒综合去除效果要好于页岩陶粒，且粘土陶粒比页岩陶粒具有更丰富的微孔结构和更大的内比表面积，粘土陶粒净化污水的潜力更大一些。800级粘土陶粒对污染物的综合去除效果最好。
图1 陶粒对COD的去除效果
图2 陶粒对氨氮的去除效果
3.2 耗氧速率对比分析
另外，在同一起始溶解氧浓度条件下，800级粘土陶粒的耗氧速率最快，为2.06mg/(L﹒H)，其次为200级粘土陶粒，为1.70 mg/(L﹒H)，石灰石碎石的耗氧速率為0.33 mg/(L﹒H)，与陶粒填料相比相差较大。
生物膜的比耗氧速率用单位体积填料的耗氧速率表示比用单位质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与陶粒填料的差距减小，而且800级粘土陶粒的生物膜活性最高。
3.3单一填料与组合填料处理效果对比分析
采用单一填料处理生活污水时[5]，对COD、TN、氨氮的平均去除率最好的是800级粘土陶粒，分别达到79%、56.8%、71.5%；对TP的去除效果最好的是200级粘土陶粒，去除率为62.4%。陶粒对污染物的处理效果更好，其去除率均高于石灰石碎石；粘土陶粒综合去除效好于页岩陶粒。综合去除效果最好的是800级粘土陶粒。
组合填料对污染物的去除效果发现，800级粘土陶粒与400级粘土陶粒组合对COD、TP、氨氮等污染物质的去除效果均为最好，不同陶粒组合的处理效果均优于石灰石的处理效果。且对COD的去除率在冬季仍然保持在50%以上，效果非常稳定。季节变化对TP的去除率影响也不明显，但随着运行时间的延长，对TP的去除率均呈缓慢的降低趋势。
3.4 各填料生物膜量对比分析
各种填料的生物膜量之间存在着较大的差异，800级粘土陶粒生物膜量最多，远高于其他填料，石灰石碎石最少，200级粘土陶粒、400级粘土陶粒、800级页岩陶粒生物膜量依次介于两者之间。不同填料的生物膜量表示方法采用质量体积分数表示更加合理，且石灰石碎石生物膜活性与陶粒填料的差距减小。
4 存在问题及发展方向
制备陶粒的方法主要采取烧结法，烧结法生产陶粒存在着建厂投资大、耗能高等问题，目前免烧陶粒国内早已研制和生产应用，它能够节省能源、工艺简单、成本低、投资少。其抗压也可达到一定强度，耐久性能好。产品质量不但不逊于烧结陶粒，有的甚至优于烧结陶粒。
实现陶粒的免蒸是发展的趋势，优化起内部结构，使微生物与填料产生良好的亲和力，缩短挂膜时间，从而提高曝气生物滤池的处理效率。
参考文献：
[1] 沈耀良. 曝气生物滤池工艺及运行控制[J].水处理技术,2005,31(7):7-10.
[2] 齐兵强,王占生.曝气生物滤池在污水处理中的应用 [J].给水排水，2000,26（10）：4-6.
[3] 周彩楼,尚琦,尹洪江.净水厂沉淀池淤泥超轻质陶粒的研究 [J].热固性树脂，1999,（4）：83-86.
[4] 刘灿灿,吴金云,沈耀良等. 陶粒曝气生物滤池处理生活污水影响因素的研究[J].苏州科技学院学报，2008,21（3）：27-30.
[5] 沈耀良,刘灿灿,吴金云,等.不同填料曝气生物滤池启动运行特性比较[J].水处理技术，2008,34（6）：33-36.
作者简介：赵海华(1978-)，女，武汉大学土木建筑工程学院研究生毕业，工学硕士。讲师。主要从事水处理的教学和研究工作
关键词：陶粒填料；曝气生物滤池；水处理
The Development of Ceramsite Medium in Biological Aerated Filter
Zhao Hai-hua1，Liu Lin-bin2
（1.Hubei engineering university xiaogan432100；2. Wuhan Zhongjiao Qingchuan Road and Bridge Consultant Co.Ltdhubei wuhan 430050）
Abstract: Our biological aerated filler to aggregate as a maximum, this is because the aggregate as a filler, not only material is cheap and easy, and the excellent characteristics, particularly suitable for China’s national conditions. Then suggested the development and questions of ceramsite medium.
Keys: ceramsite medium biological aerated filter; water treatment
中图分类号：P619.25 文献标识码：A 文章编号：
目前在我国，曝气生物滤池所使用的填料，根据采用原料的不同，可以分为无机填料、有机高分子填料；根据填料密度的不同，则又可以分为上浮式填料和沉没式填料。常见的有机高分子填料有聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，常见的无机填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐等。
我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这主要是因为陶粒作为填料的一种[1]，不仅材料低廉易得，而且其特性特别适合我国的国情。早期的陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成，为片状等不规则形状。由于陶粒内部的微孔多孔结构，使陶粒具有容重小、强度高、保温隔音效果好、防火、抗冻、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好及施工适应性强等优良性能，被广泛应用于建筑、冶金、化工、石油、农业等部门。
一种常见的陶粒填料是粉煤灰陶粒，它是以粉煤灰为主料，掺加适量粘结剂或外加剂成球，经陪烧或养护而制得的一种人造轻骨料。一般呈球状，堆积密度不大于1100kg/m3,粒径在5-20mm之间，表皮粗糙坚硬,内部有许多细微气孔。
江西省萍乡佳能环保公司与南昌大学合作开发研制的新型滤料——球形轻质多孔陶粒，具有良好的理化性能。该公司结合当地优良的陶粒资源，在以粘土资源为滤料的传统产业基础上，联合高等院校的科研人员共同研究开发出了这一新型滤料。该填料目前具有广泛的应用前景。
球形陶粒滤料的特点
与玻璃钢、聚氯乙烯、维纶、丙纶这些滤料相比，球形轻质陶粒强度大、孔隙率大、比表面积也大、化学稳定性非常好，用于污水处理时，具有生物附着性强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易进行截污能力强等优点；另外，与传统滤料相比，球形轻质陶粒形状规则，粒径亦可大可小，密度比较适宜，克服了传统的不规则粒状滤料水流阻力大、易引起氧化池堵塞、反冲洗强度大、易冲刷破碎等缺点；再者，与传统的片状陶粒滤料相比，球形轻质陶粒主要以粘土为原料，控制适当的配料和烧制工艺，从而达到改变陶粒密度的目的，并且其表面粗糙、多微孔、不结釉。解决了传统片状陶粒滤料表面结釉的难题。以这种球形轻质陶粒做填料，采用淹没式曝气生物滤池处理污水，可以达到深度处理的效果，处理后的污水既能重新利用又节约用地。齐兵强[2]等人以球形轻质陶粒作为曝气生物滤池填料进行研究发现，在很高的滤速下，处理的水质依然很好，而且曝气量很小，氧的利用率高，反冲洗周期延长，节约了能源和操作费用。周彩楼[3]等也以净水厂淤泥为原料研制出了超轻陶粒，取得了满意的结果，开创了污水资源化的又一途径。
近来，许多人开展了以城市污水处理产生的污泥为主要原料，以粘土、水玻璃为添加剂，制备新型污泥填料的研究。在曝气生物滤池中，分别以广州陶粒、江西陶粒、山西活性炭和新型污泥填料作为填料进行对比分析。研究发现，新型污泥填料的滤柱在稳定运行阶段对浊度、COD和氨氮平均去除率分别为96.41%、76.15%和82.31%。通过对生活污水的处理发现，新型污泥填料用于曝气生物滤池作为生物膜载体是可行的，而且在相同的运行条件下，对浊度、COD等的去除效果要优于广州陶粒和江西陶粒，对氨氮的去除效果要优于广州陶粒。
2、污泥陶粒填料机理分析
2.1 污泥陶粒填料烧制的机理分析
填料在烧结过程中的强度形成事实上就是填料各种成份在加热过程中的物理化学变化过程，原料在加热过程中发生脱水、水解、析出新晶相等物理化学变化，一般认为：在加热过程中的物理化学变化包括脱水阶段和脱水后产物的转化阶段。
2.2 污泥陶粒填料的发泡机理分析
膨胀过程是膨胀气体一直强烈逸出与适宜粘度液相控制气体逸出的动态平衡过程，这意味着填料生产必须具有两个基本条件：一是在膨胀温度下能够产生合适的粘度和表面张力，二是有足够的气体产生，二者缺一不可。粘度和表面张力太小，则气泡会破裂，若太大则易相互结块；气体膨胀力过大，则会造成料球破裂，反之，则不能膨胀。因此，只有同时具备上述两个条件，才可能获得膨胀良好好的填料产品。
2.3 污泥陶粒填料粘度的形成
污泥陶粒填料料球是一种复杂的混合物，它没有固定的熔融温度。当温度升高时，开始变软，随着温度的继续升高，逐渐达到软化温度范围，料球中的固相不断减少，液相不断增加，料球由固态逐渐变为可塑态，最后完全变成液体。
一般，在料球膨胀温度范围内，物料的固相、液相和气相三相是同时存在的，固相主要是由氧化硅和氧化铝以及少量的熔剂组成，液相主要是料球中的易熔成份和由氧化硅、氧化铝等组成的易溶化合物和共晶混合物，辩球加热膨胀所必须的粘度，虽然也取决于固相和液相的比率，但更主要取决于液相的数量和性质。FeO、HgO、CaO、Na2O和K2O等氧化物有降低料球熔融温度的作用，主要是因为他们能在较低的温度下，能与其他组分形成熔点低得多的共晶混合物。
2.4 污泥陶粒填料性能的影响因素分析
污泥陶粒填料的原料化学成分是导致污泥填料膨胀的主要因素。原料按其作用可分为：成陶成份、助熔成份和发气成份。其中成陶成份有SiO2、Al2O3、Fe2O3；助熔成份为起助熔作用的氧化物，有K2O、Na2O、MgO、CaO等；发气成份为在高温条件下能够产生气体的物质，主要有氧化铁、碳酸盐类、含硫化合物、有机物等。
3 陶粒填料在曝气生物滤池中处理污水效果分析
3.1 对COD、TP、氨氮的去除效果对比分析
对各种陶粒填料在曝气生物滤池中的应用效果分析[4]中得知，对COD去除效果最好的是800级粘土陶粒，平均去除率为81%（图1）、石灰石碎石的去除率最低，但仍然达到70%，400级粘土陶粒、800级页岩陶粒、200级粘土陶粒对COD的去除率依次介于两者之间，五种填料对COD的去除效果差异较小。对TP的去除效果最好的是200级粘土陶粒，去除率为62.4%，其次为900级粘土陶粒，400级粘土陶粒与800级页岩陶粒对TP的去除率相当，石灰石碎石的去除率最低，为25.1%。对TN、氨氮的去除效果最好的是800级粘土陶粒，去除率分别为56.8%、71.5%，400级粘土陶粒、800级页岩陶粒、200级粘土陶粒对TN、氨氮的处理效果接近（图2），石灰石碎石的去除率最低，为30.9%、33.8%。各填料对氨氮的去除率均高于TN。
各种陶粒与石灰石碎石比较，陶粒对污染物质的处理效果最好，其去除率均高于石灰石碎石，陶粒作为填料去除污染物优势最大，粘土陶粒综合去除效果要好于页岩陶粒，且粘土陶粒比页岩陶粒具有更丰富的微孔结构和更大的内比表面积，粘土陶粒净化污水的潜力更大一些。800级粘土陶粒对污染物的综合去除效果最好。
图1 陶粒对COD的去除效果
图2 陶粒对氨氮的去除效果
3.2 耗氧速率对比分析
另外，在同一起始溶解氧浓度条件下，800级粘土陶粒的耗氧速率最快，为2.06mg/(L﹒H)，其次为200级粘土陶粒，为1.70 mg/(L﹒H)，石灰石碎石的耗氧速率為0.33 mg/(L﹒H)，与陶粒填料相比相差较大。
生物膜的比耗氧速率用单位体积填料的耗氧速率表示比用单位质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与陶粒填料的差距减小，而且800级粘土陶粒的生物膜活性最高。
3.3单一填料与组合填料处理效果对比分析
采用单一填料处理生活污水时[5]，对COD、TN、氨氮的平均去除率最好的是800级粘土陶粒，分别达到79%、56.8%、71.5%；对TP的去除效果最好的是200级粘土陶粒，去除率为62.4%。陶粒对污染物的处理效果更好，其去除率均高于石灰石碎石；粘土陶粒综合去除效好于页岩陶粒。综合去除效果最好的是800级粘土陶粒。
组合填料对污染物的去除效果发现，800级粘土陶粒与400级粘土陶粒组合对COD、TP、氨氮等污染物质的去除效果均为最好，不同陶粒组合的处理效果均优于石灰石的处理效果。且对COD的去除率在冬季仍然保持在50%以上，效果非常稳定。季节变化对TP的去除率影响也不明显，但随着运行时间的延长，对TP的去除率均呈缓慢的降低趋势。
3.4 各填料生物膜量对比分析
各种填料的生物膜量之间存在着较大的差异，800级粘土陶粒生物膜量最多，远高于其他填料，石灰石碎石最少，200级粘土陶粒、400级粘土陶粒、800级页岩陶粒生物膜量依次介于两者之间。不同填料的生物膜量表示方法采用质量体积分数表示更加合理，且石灰石碎石生物膜活性与陶粒填料的差距减小。
4 存在问题及发展方向
制备陶粒的方法主要采取烧结法，烧结法生产陶粒存在着建厂投资大、耗能高等问题，目前免烧陶粒国内早已研制和生产应用，它能够节省能源、工艺简单、成本低、投资少。其抗压也可达到一定强度，耐久性能好。产品质量不但不逊于烧结陶粒，有的甚至优于烧结陶粒。
实现陶粒的免蒸是发展的趋势，优化起内部结构，使微生物与填料产生良好的亲和力，缩短挂膜时间，从而提高曝气生物滤池的处理效率。
参考文献：
[1] 沈耀良. 曝气生物滤池工艺及运行控制[J].水处理技术,2005,31(7):7-10.
[2] 齐兵强,王占生.曝气生物滤池在污水处理中的应用 [J].给水排水，2000,26（10）：4-6.
[3] 周彩楼,尚琦,尹洪江.净水厂沉淀池淤泥超轻质陶粒的研究 [J].热固性树脂，1999,（4）：83-86.
[4] 刘灿灿,吴金云,沈耀良等. 陶粒曝气生物滤池处理生活污水影响因素的研究[J].苏州科技学院学报，2008,21（3）：27-30.
[5] 沈耀良,刘灿灿,吴金云,等.不同填料曝气生物滤池启动运行特性比较[J].水处理技术，2008,34（6）：33-36.
作者简介：赵海华(1978-)，女，武汉大学土木建筑工程学院研究生毕业，工学硕士。讲师。主要从事水处理的教学和研究工作