摘要：簡要闡述了飲用水的水質問題，論述了生物陶粒的特點及生物陶粒過濾技術在飲用水預處理、強化常規處理和深度處理中的研究進展，并展望了生物陶粒過濾技術在微污染飲用水處理方面的應用前景。
生物陶粒過濾技術是以陶粒為載體的生物處理技術，陶粒的表面粗糙具有一定的內部孔隙、比表面積大、適合微生物的附著、固定和生長，且陶粒的密度適中、強度高，耐摩擦、無毒性、價格適中，是非常理想的生物載體。近年來，隨著水源水質受污染，生物陶粒處理技術在飲用水處理中的研究不斷深入。
1 飲用水的水質問題
飲用水的水質問題已經受到人們的普遍關注，這主要是由于水中存在的以及在水處理過程中衍變、產生的有機 污染物將對人體的健康構成一定的威脅。雖然常規的混凝、沉淀、過濾等處理工藝對水中的有機污染物具有一定的去除作用，但常規水處理工藝對有機物的去除率一般在20%~30%，且由于溶解性有機物存在不利于破壞膠體的穩定性而使常規工藝的去除效果也明顯下降。
常規工藝對水中微量有機污染物沒有明顯的去除效果，水中有機物數量，尤其是毒性污染物的數量，在處理前后變化不大，預氯化產生的鹵代物在混凝、沉淀及過濾處理中不能得到有效去除，常規工藝能部分去除水中致突變物質，但對水中氯化致突變前體物不僅不能去除，反而因混凝劑的作用在處理過程中產生了部分移碼突變物質前體物和堿基置換前體物，使出水氯化后的致突變活性有所增加。
針對飲用水的水質問題國內外進行了大量的研究和實踐，發展了一些微污染水的凈化處理技術，主要可分為預處理技術、深度處理技術、常規工藝強化技術和新型工藝組合技術等幾大類。
生物陶粒過濾技術作為單元技術在原水預處理、常規處理工藝改造和深度處理的組合工藝中有著廣闊的發展前景，已成為適合我國國情的微污染水源水處理技術的一個發展方向。
2 生物陶粒過濾技術的發展現狀
近年來，以生物陶粒作為載體的過濾技術對水中有機物、藻類、氨氮、鐵、錳、酚、色度、濁度、嗅味等都有較好的去除效果。生物陶粒預處理與其他物理化學預處理相比有較好的處理效果。同樣作為生物載體陶粒與活性炭相比具有強度大、耐沖擊可反復使用價格低廉等優勢。經過生物固定技術處理的生物陶粒過濾技術是一種很有前途的水處理新技術。
2.1 生物陶粒的特點
飲用水處理中的陶粒填料多為頁巖陶粒頁巖陶粒，頁巖陶粒以頁巖礦石為原料，經破碎后在1200℃左右的高溫下熔燒，膨脹成5~40mm的球狀陶粒，再經破碎后篩選而成。頁巖陶粒外殼星暗灰色，表皮堅硬，內部為鉛灰色，多孔質輕。陶粒表面較粗糙，不規則，有很多孔徑較大的孔洞，相互之間不連通。
由于陶粒表面粗糙不規則，比表面積較大，故而陶粒表面有利于微生物附著生長，陶粒表面主要是一些開孔大于0.5μm以上的孔洞，而細菌直徑為0.5~1.0μm，因此有利于微生物附著生長。微生物生長繁殖過程中對有機物進行降解降低水中的高5錳酸鹽指數、氨氮。同時由于工藝的不同，陶粒表面多為大孔，所以可使更多的微生物進入陶粒內部從而被截留、吸附的有機物可以有更長的時間被微生物降解。
國內的研究用頁巖陶粒粒徑多為2~5mm，且化學組成不含對生物有害重金屬及其他有害物質。生物陶粒具有較大的表面積，顆粒粗糙易掛膜，氧的傳質效果好、生物膜易更新等優點。
2.2 生物陶粒預處理
生物預處理是對傳統給水處理工藝的突破與革新，一般采用生物膜法，主要包括生物接觸氧化、生物濾池、生物轉盤、生物流化床等。附著生長在填料表面的生物膜吸收水中的有機物、氮磷等營養物質進行新陳代謝達到凈化水質的目的。自20世紀80年代初期，飲用水處理領域開始引入生物處理方法。曝氣生物濾池是20世紀80年代末在歐美發展起來的一種新型水處理技術。清華大學的王占生教授在國內率先將曝氣生物濾池應用于受污染水源水的預處理代表了飲用水技術發展的一個重要方向。
作為預處理單元，前面沒有混凝處理，生物陶粒的過濾機理與普通快濾池有所不同，過濾作用主要基于機械截留作用、微生物新陳代謝產生的粘性物質起吸附架橋作用和降低水中膠體顆粒的Zeta電位作用，使部分膠粒脫穩形成較大顆粒而被去除。
薛記中等人的研究結果表明，生物陶粒濾池對氨氮、CODMn的去除行之有效，其中氨氮的去除率在80%以上，濁度、色度、鐵和錳等污染物也均有較好的去除效果。王占生等人研究結果表明生物陶粒濾池能有效地凈化受污染水源水水質對CODMm氨氮、濁度的平均去除率分別為19.3%~35.0%。89.0%~96.5%、57.5%~69.0%；低溫條件下生物陶粒處理效果表明對CODMm氨氮的平均去除率分別為6.0%~20.0%、65.0%~90.0%。
在山西大同冊田水庫、滏陽河、官廳水庫、紹興青甸湖等地對受污染的水源水的生物預處理試驗研究結果表明、采用生物陶粒預處理可有效去除濁度、細菌、大量溶解性有機物氨氨、色度等污染物質大大改善后續處理工藝對污染物的去除效果。
2.3 生物陶粒強化常規處理
為提高水質，我國大多數水廠需要改進現有的處理工藝或增設新的深度處理工藝，而改進現有的水處理工藝是對大多數水廠來說可行的做法。將常規過濾改造成生物過濾是對過濾技術的一種強化，無需增加建設用地且投資較少是較有競爭力的技術措施。
在北京城子水廠進行的生物陶粒強化過濾試驗研究結果表明，將生物陶粒濾池放在混凝沉淀之后，濁度由8.2NTU降到0.8NTU，CODMn由5.18mg/L降低到2.60mg/L出水效果明顯改善。
2.4 生物陶粒深度處理
國內對飲用水的深度處理多采用生物活性炭處理技術，顆粒狀活性炭盡管吸附性能較佳但其價格較貴,使用壽命短。以天然頁巖礦石為原料的頁巖陶粒因具有比表面積的大、空隙率高、微生物生長好、價格低廉的特點而日受青睞。
在天津市自來水集團有限公司進行的生物陶粒濾池處理水廠濾后水試驗研究結果表明，生物陶粒濾池對濾后 水中CODMn的平均去除率為31.0%，氨氮的平均去除率為67.5% ，對濁度也有很好的處理效果，出水濁度均在0.30-0.40NTU范圍內。
3 生物陶粒過濾技術的應用前景
生物陶粒過濾技術以其獨特的優點引起了人們的普遍關注經過多年的研究，已取得多項成果但仍有很多方面有待進一步研究。例如生物陶粒濾池的生物膜量、生物代謝與不同的可生物降解有機物降解之間的關系、過濾中截留的絮體和顆粒對生物膜活性和代謝作用的影響、生物陶粒濾池較佳運行參數等等。從工程應用的角度對這些問題繼續探討和研究有助于推動生物陶粒過濾技術在微污染飲用水處理中的實際應用。
4 結語
我國對飲用水生物陶粒過濾技術的研究起步較晚，其研究水平與國外相比有一定差距。為了能更好地發揮其在飲用水處理中的優勢應針對原水水質特點的不同根據《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)的要求在應用技術方面加強研究。相信隨著研究的深入和發展生物陶粒過濾技術必將成為一項實用的飲用水處理技術，并獲得廣泛的應用。
