摘要：阐述了陶粒的物化组成，介绍了生物陶粒在国内的应用现状，总结了生物陶粒对有机物、氨氮、亚硝酸盐、UV254、藻类、浊度、色度的去除效果, 指出生物陶粒在水处理应用中需注意的问题及今后研究重点。
生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助微生物群体的新陈代谢活动，对水中 的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐、UV254、藻类、浊度、色度进行初步去除。生物陶粒是一种以陶粒为载体的生物膜接触氧化水处理技术，被广泛应用于饮用水预处理。陶粒具有一定的内部孔隙，表面粗糙，适宜于微生物的附着、固定和生长，是较理想的生物载体。陶粒比表面积大，能获得较高的生物量，因而具有较强的生物氧化能力。
1 陶粒的物化组成
陶粒的成分主要有SiO2、Al2O3和熔剂。熔剂包括CaO、MgO、MnO、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、TiO2等。陶粒是以粘土为主要生产原料，掺加少量辅助原料和造孔剂，经配料、破碎、成球、高温烧制、筛分等一系列工艺加工而成的球形材料。其主要成分为偏铝硅 酸盐, 表观为近球形不规则颗粒，呈红褐色、表面粗糙微孔发达，颗粒粒径分为多种。这些特点使陶粒特别适合于微生物在其表面生长、繁殖。
2 生物陶粒在水处理中的应用
2.1 生物预处理+常规水处理工艺
现代水处理工艺充分利用了陶粒的特性，使其成为水处理特别是污水、微污染水源水生物预处理 以及给水过滤技术的理想滤料，由于其密度适中、强度高、耐摩擦、物化性能稳定、不向水体释放有毒有害物等特性，成为了水处理工程的首选滤料。清华大学环境工程系和蚌埠自来水公司合作, 利用陶粒进行了第一座生产规模的生物接触氧化预处理工程应用, 取得了预期的效果；邯郸自来水公司和清华大学联合对滏阳河水进行了生物处理中试研究等。
2.2 臭氧+生物陶粒预处理
1992年，清华大学联合城子水厂采用臭氧+生物陶粒预处理对永定河水进行预处理小试研究，充分利用臭氧的强氧化性，将大分子的有机物氧化成中、小分子的有机物，改善水质的可生化性。另一方面，臭氧的存在，为后续的生物陶粒提供了充足的氧气，有利于微生物的生长与繁殖，从而进一步提高生物处理的效果，采用联合预处理同单独采用生物陶粒预处理相比，对CODMn的去除率由20.03%提高到41.59%。
2.3 臭氧—陶粒一元化预处理系统
在臭氧/生物炭水处理工艺中，臭氧氧化后出水中含有大量的生物可降解的有机物，并保留了一定 的色度、浊度，增加了后续生物活性炭的处理负荷，影响生物炭的使用寿命。于秀娟等考察了在臭氧化反应柱中添加陶粒，在臭氧投加前陶粒通水运行一周，陶粒表面形成稳定的生物膜，试验结果表明，陶粒的添加能够增加气水接触面积，提高臭氧的利用率，一元化反应系统对CODMn、浊度和色度的去除效果均好于臭氧化系统，降低浊度的能力明显优于单独臭氧化反应体系，该系统出水中的溶解氧含量明显增加，可以为后续生物活性炭处理段提供富氧环境，并有效减少生物炭的处理负荷，在一元化系统的上部微生物降解作用比较明显。一元化系统小试的成功，在一定程度上降低了臭氧+生物陶粒预处理的基建费用，减少空间布局，更有助于预处理在水处理中的推广与应用。
3 生物陶粒的处理效果
3.1 对NH3-N、NO2--N的去除
生物陶粒对NH3-N、NO2--N有较稳定的处理效果，吴为中等通过对微污染水库水源的预处理中试研究得出，水温、滤速（4～6m/h）、气水比对氨氮、亚硝酸盐氮的去除效果均无明显影响。在不同工况条件下，氨氮的平均去除率范围为89%～97%，亚硝酸盐氮平均去除率为97.5%～99%。当滤速增至8m/h时，氨氮、亚硝酸盐氮的去除效果有所下降，但平均去除率仍分别维持在85%和80%以上，这 与Tijhuis等人的研究结果是一致的。马放等通过实验研究认为，在常温（20～25℃）条件下，水力负荷0.6m/h，气水比（3～5）∶1，进水CODCr负荷1.91～5.59kg/（m3·d），NH3-N负荷0.77～1.33kg/（m3·d）时，生物陶粒对NH3-N的去除率为81%左右，可以实现稳定的亚硝酸盐型硝化。
3.2 对CODMn的去除
生物陶粒对CODMn的平均去除率约为20%～25%，不同工况条件下，生物陶粒滤池的滤速、气水比的变化对CODMn的净化效果影响不明显，水温对CODMn的去除影响比较明显，CODMn的平均去除率随温度的上升而提高，水温为3～10℃时，CODMn平均去除率为15.9%；水温为10～20℃时，CODMn平均去除率为22.8%；水温为20～28℃时，CODMn平均去除率31.4%；生物陶粒滤池对分子量大于10000道尔顿的有机物去除效果好，可达到60%以上，对分子量在1000～4000道尔顿的有机物去除率也能达到 50%以上，对分子量＜1000道尔顿的有机物去除率仅10%，而分子量在4000～10000道尔顿的有机物在生物陶粒滤池处理过程中非但没有减少，反而有所增加，这可能是微生物新陈代谢产物造成的。可见，生物陶粒对水中有机物有一定的去除作用，但存在选择性与限度性，尤其在低温条件下，对 CODMn的去除效果偏低。
3.3 对藻类的去除
生物处理对不同藻类的去除率不同，对水中藻类总数的去除率将随着藻类种类及不同种类藻类所 占比例而变化。也就是说，若水中的优势藻属于易于被生物处理去除的藻类，且该藻类所占比例较大，那么生物处理对藻类总数的去除率就相应较高；反之则较低。生物预处理对蓝藻、硅藻、裸藻等的去除率较高，对绿藻的去除率较低。生物陶粒滤池除藻的主要途径，推断为生物陶粒滤池中生物膜对藻类的生物絮凝、吸附、附着，减少了水中游离的藻数量，生物膜对附着藻类有生物氧化分解作用，并通过生物膜的脱落（包括自然脱落与反冲洗脱膜）沉降作用，随生物污泥排出。针对我国南方某一受污染的水库水源水，在水力负荷为4～6m/h、气水比0.175∶1～1∶1、 水温13.8～30℃时的各工况条件下，对藻类总数的平均去除效率基本稳定在61%～85%。水力负荷、气水比、水温等对其净化藻类的效果未见明显影响。当水力负荷超过一定范围时，其藻类去除率效率有所降低。
3.4 对浊度的去除
浊度是水中悬浮物及胶体含量的一个替代参数，生物陶粒滤池对于浊度的降低源于两个方面的因素。一方面生物陶粒滤池是一种以陶粒为固定填料的生物滤池，滤料层呈压实状态，对进水中粒径较 大的悬浮物具有机械截留作用；另一方面微生物生长在陶粒表面，这些微生物通过自身的生物絮凝作用，可以吸附截留一部分胶体物质，同时可以降低水中胶体的Zeta电位，有利于水中胶体颗粒的凝聚截留。试验研究表明，当曝气量在2～3.5m3/h范围变化以及在水力负荷为4.6m/h时，生物陶粒滤池对浊度的净化效果基本稳定在60%左右，随着曝气量、水力负荷的进一步提高，其净化效果下降趋势比较明显。
3.5 对UV254的去除
UV254是水样经0.45um微孔滤膜过滤后在254nm波长下测得的紫外吸光度，主要代表水体中芳香烃化合物的相对量，也可作为THMs前体物的替代参数。生物陶粒对其去除率约为7.3%～30.4%，平均去除率约为11.28%。对UV254有吸收的有机物主要是含芳香环的有机物，与色度、消毒副产物前体、致突变物质有很好的相关性，生物陶粒对氯化消毒副产物前体有良好的去除作用。生物陶粒对UV254的去除主要依靠生物膜的吸附截留作用，对于后续常规工艺降低氯耗和减少消毒副产物生成量有十分重要的意义。
3.6 对色度的去除
水中颜色主要由存在天然水体中的金属（Fe、Mn）、腐殖质和泥炭物质、浮游生物、藻类以及工业 废物组成，生物陶粒形成之后，对水中悬浮物及颗粒物有一定的生物絮凝能力，水中的Fe、Mn离子一般可以被铁氧化细菌、锰氧化细菌所氧化，形成不溶性氢氧化物被生物陶粒所截留。试验研究表明，生物陶粒滤对色度的去除率在16.8%～48.7%之间，其平均去除率为32%。对于由腐殖质、染料废水及造纸废水的污染造成溶解性色度，生物陶粒贡献不大。生物陶粒主要去除的为由浮游生物、藻类形成的非溶解性色度。
4 应用前景
生物处理技术在欧洲较为普及，其中法国的研究和使用代表着当今世界生物处理的先进水平。近几年，美国和日本等国家也相继开展了生物预处理的各种研究，并取得了较好的成果。陶粒生物预处 理适合我国南方地区微污染水源水质情况，也适宜于老水厂改造，在我国发展比较快，国内已有多个水厂建成生物处理装置并投产使用，还有的正在试验或建设之中。生物预处理既可以充分发挥微生物对有机物去除作用，又可以增加生物处理带来的饮用水可靠性，如生物处理后的微生物、颗粒物和微生物的代谢产物等都可以通过后续处理加以控制。可以预见，生物陶粒预处理技术在我国将有十分广阔的发展前景。
5 存在问题及研究重点
⑴后续工艺对预处理代谢产物的控制程度，目前尚没有深一步的研究。生物陶粒出水的微生物活性产物，如内毒素、溶解的微生物产物（SMP）及未完全降解的有机化合物等对健康的影响尚不清楚；
⑵水温对生物陶粒中的生物活性影响比较大，特别在连续低温（≤5℃）的条件下，生物陶粒的自然挂膜启动时间比较长，对CODMn、NH3-N的处理效果有所下降；
⑶研制利用粉煤灰等废料为原料的陶粒，增强陶粒对有机物的吸附力度；
⑷陶粒滤料的再生情况，目前尚未见报道，建议加强研究力度。
