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陶粒填料的研究進展工學論文
摘要：陶粒填料是目前應用較多的填料，陶粒填料在水處理領域有著廣泛的應用。本文綜述了填料的分類、研究，陶粒的概念、分類以及在陶粒填料生物膜法中的應用研究，并總結了我國陶粒填料開發尚待解決的問題。
關鍵詞：陶粒填料生物膜法研究
0引言
生物填料的發展歷史已有近百年，從無機粒狀填料到今天的多種形狀的無機填料，無論在材質還是形狀上都在不斷地進步和發展。生物反應技術的進步促使了生物填料技術的進步。
1生物反應填料的開發研究
最早的污水生物膜處理工藝是生物濾池，它是源于污水在自然界中的土壤自凈發展而來的。因此，土壤中的粘土顆粒成為了最早出現并應用的生物反應填料。第一座成熟的生物濾池工藝是1893年在索爾福德（Salford）建成的噴嘴式布水裝置生物濾池。作為生物濾池重要組成部分的生物反應填料也被明確提出了其應具有的特點和要求。較好的機械強度，不易破碎和變形，較強的抵抗外部的物理和化學作用的能力，表面積大、高孔隙率、易于附著微生物是當時對生物填料的要求。因此，花崗巖等較硬的巖石制成的碎石、無煙煤渣或爐渣等無機粒狀材料在當時被普遍應用。
在20世紀30年代，生物濾池工藝進入了飛躍發展階段，出現了高效生物濾池、通氣生物濾池、加速生物濾池等高負荷的生物濾池，。此時對反應填料的要求也更高，例如要求其表面污水能均勻分布、通氣效能良好、化學穩定性高等。因此，卵石、石英石、花崗石等無機粒狀填料被廣泛應用。近20年來，隨著塔式生物濾池的出現及有機化工技術的發展，給生物反應填料在材質和形狀方面提供了更多地選擇，多種形狀的有機填料和化工填料陸續得以應用[1]。
2填料的分類
目前，應用較多的填料有以下幾種[2-6]：
2.1粒狀填料：這是最早出現的填料，材質為無機陶粒或石英砂。這類填料的主要優點是表面粗糙、易于微生物附著、截留懸浮物的能力強；缺點是阻力大、易于堵塞。
2.2不規則多孔填料：早期的填料有拉西環(RaschingRing)、鮑爾環(PallRing)等；目前的填料有哈凱登球(Hacketten)和多面輕質球等，制作材料有陶瓷、石墨、塑料和金屬等。主要優點是結構簡單、價格低廉；缺點是流體分布不均。
2.3蜂窩狀或波紋板狀填料：通常用玻璃鋼或塑料(聚乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯等)等材質制造。其主要的優點是質輕、孔隙率高、強度高、防腐性能好等；主要的缺點是微生物的生長與脫落平衡不易控制、難以得到均一的流速。
2.4球形輕質陶粒：球形輕質陶粒多采用粘土為原材料，添加適當的化工原料做膨脹劑，經高溫燒制而成。與傳統填料相比，球形輕質陶粒的優點有：高強度、大孔隙率、大比表面積、密度適宜、較好的化學穩定性、較強的生物附著性；主要缺點是能耗高、制備成本高。我國到目前為止，球形輕質陶粒曝氣生物濾池及其組合工藝已廣泛應用于生活污水處理、印染廢水處理、啤酒廢水處理等生產實踐中，并取得了良好的效果。
3陶粒填料的開發研究
3.1陶粒的概念陶粒是以粘土、頁巖、煤矸石、粉煤灰等為主要原料，摻加少量粘結劑、附加劑等經加工成粒或粉磨成球，再經燒脹等工藝制成的一種人造輕型骨料。粒徑在2mm～20mm之間。一般而言，普通陶粒比表面積為300～1000m2/m3、堆積密度為200～1000kg/m3、孔隙率達到30%以上[7]。早期的陶粒大多采用頁巖直接燒制而成，為不規則狀。最近出現的球形輕質陶粒，大多采用粘土為主要原料，添加適當的化工原料做膨脹劑，經過高溫燒制而成。
3.2陶粒的分類
3.2.1按原料分類：粘土陶粒、粉煤灰陶粒、頁巖陶粒、煤矸石陶粒等。
3.2.2按擴散容重分：一般容重陶粒，容重大于500kg/m3；超輕容重陶粒，容重為200～500kg/m3；特輕容重陶粒，容重小于200kg/m3[8]。
3.2.3按加工形狀分：圓球形陶粒和普通型陶粒。
3.2.4按傳統的生產工藝分：燒結型，以粘土、頁巖為主要原料；燒脹型，以粉煤灰為主要原料等。
4陶粒在生物膜法中的應用研究
生物膜在填料上形成的關鍵是微生物在載體表面的固定情況。微生物在載體表面附著并實現固定化是微生物表面與載體表面之間的相互作用。這種相互作用的過程與微生物自身特性有關，同時也與固定載體的物理化學特性及環境因素(如pH值、離子強度、水力剪切力、溫度等)密切相關。微生物向載體表面的輸送有主動運輸和被動運輸兩種方式，其中主動運輸起著主導的作用。微生物轉移到載體表面后，首先形成的是可逆附著。可逆附著實際上是一個附著與解析的雙向動態過程。不可逆附著是指微生物在可逆附著過程中分泌的粘性代謝產物牢牢地粘封在載體表面，使得附著過程成為不可逆。不可逆附著是微生物膜群落的基礎。
陶粒填料在水處理方面的應用主要包括用做過濾材料和生物載體。作為過濾材料，可利用陶粒吸水不吸油的特點，在各大油田中應用。作為生物膜載體，可利用陶粒比表面積大、機械強度高的物理特性和親微生物的性能，在生物膜法處理工藝中應用。
陶粒填料在水處理領域有著廣泛的應用，無論是好氧、兼氧還是厭氧方法中，陶粒填料都發揮著極其重要的作用。它在生物膜反應器的作用主要有：
4.1是微生物生長繁殖的載體，為微生物提供穩定的棲息環境；
4.2是生物膜與處理水接觸的場所，且能對水流有強制性的紊動剪切力，有利于處理水的再分布；
4.3可以截留處理水中的部分懸浮物質，減少出水的懸浮物濃度。
生物膜法對陶粒填料的基本要求是輕質、孔隙率高、機械強度高、價格低廉等。除此之外，陶粒填料最好能易于微生物生長或刺激微生物的活性。目前的研究主要有：一是反應器的啟動，即陶粒掛膜的性能測試；二是微生物對廢水或廢氣去除效率的問題。
陶粒研究的關鍵是制備工藝的控制，而應用則主要包括好氧和厭氧生物膜法處理工藝，如負荷生物濾池（包括普通生物濾池、高負荷生物濾池、塔式生物濾池等）；好氧接觸氧化濾池（如曝氣生物濾池）；厭氧生物濾池；好氧或厭氧流化床等。
由于陶粒還具有強度高、保溫隔音效果好、防火、耐化學腐蝕、抗震性好、施工適應性強等優良性能，還被應用與建筑、冶金、化工、農業等部門。
5結論
在西方國家陶粒的生產和應用已經經歷了半個多世紀的歷史，不僅產量高而且應用普遍。對陶粒的研制，我國也已經歷了四十年的時間。特別是九十年代以來陶粒以飛快的步伐、良好的勢頭向前發展。雖然我國的陶粒發展已經走上正規化，但還存在幾方面問題需要解決：
5.1總體上說，我國陶粒生產的技術和工藝還比較落后，與國外先進國家相比，還存在一定的差距，傳統的燒結法仍然是陶粒生產的主要工藝；
5.2在陶粒分類上，環保陶粒較少，粘土陶粒和頁巖陶粒仍占主導地位；
5.3陶粒的推廣速度緩慢，從而導致了其經濟效益得不到充分的發揮。
因此，必須加大陶粒的開發。
參考文獻：
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