導(dǎo)讀

通過對行業(yè)標準《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》(CJ/T 461—2014)的解讀，分析了懸浮載體材質(zhì)、形狀選擇、投加量設(shè)計、選型依據(jù)，闡述了有效比表面積的涵義及鑒別方法。懸浮載體應(yīng)選用空心柱狀的純HDPE材質(zhì)。投加量以表面負荷為設(shè)計依據(jù)，其參數(shù)受溫度、DO、有機負荷、基質(zhì)出水濃度、pH值等影響。以懸浮載體填充率作為設(shè)計及選型合理性依據(jù)，保證流化及載體進一步擴容空間。有效比表面積可參考行業(yè)標準CJ/T 461—2014計算方法及圖樣樣例確定。工程實踐中，多以有效表面積作為購置指標，并換算成體積或質(zhì)量驗收。

作者簡介：吳迪（1985-），男，黑龍江伊春人，博士，高級工程師，主要從事水環(huán)境恢復(fù)理論與技術(shù)研究、自養(yǎng)脫氮及MBBR工藝研發(fā)等工作。

移動床生物膜工藝（Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR）起源于20世紀90年代的挪威，至今已發(fā)展近30年，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)自2008年在無錫蘆村成功實施一級A升級改造以來，已完成超過80項工程項目，累計處理水量超過700×104 m3/d，并在解決低溫、高鹽、強沖擊等方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢和穩(wěn)定性，應(yīng)用于市政污水、工業(yè)廢水等領(lǐng)域。隨著MBBR的推廣，關(guān)于懸浮載體標準及工藝設(shè)計問題被廣泛討論。2015年，住建部牽頭，由國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心起草的《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》（CJ/T 461—2014）（以下簡稱《行業(yè)標準》）正式實施，為規(guī)范懸浮載體參數(shù)及設(shè)計提供了重要依據(jù)。在解讀《行業(yè)標準》相關(guān)概念及意義的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實踐討論MBBR設(shè)計依據(jù)，為工程實施提供技術(shù)支持。

1懸浮載體材質(zhì)及設(shè)計

《行業(yè)標準》中，界定了適用范圍為高密度聚乙烯（HDPE）懸浮載體，并未將PP、PS、ABS、PVDF、PVC等其他材質(zhì)納入。對比各系列材質(zhì)，需綜合考慮材料密度、耐老化性、耐候性、熱塑精密性、抗壓、壓縮回彈、耐磨性等。MBBR為實現(xiàn)低能耗運行，載體掛膜后的密度應(yīng)與水的密度接近；考慮水處理系統(tǒng)整體壽命，一般要求載體壽命應(yīng)在15年以上；同時要考慮運行環(huán)境變化、加工等情況。純料HDPE在各項指標中均能滿足使用要求，成為首選。同時，《行業(yè)標準》中明確要求，材料應(yīng)選用HDPE純料，不添加炭黑或其他染料，使用加工過程中的回用料不超過5%，均是綜合考慮載體性能和壽命。工程實踐中，純HDPE載體應(yīng)用已超過25年，國內(nèi)最早的無錫蘆村項目運行近9年，載體性狀均良好。雖然對已有材質(zhì)進行改性或成分改良、使用添加劑等方式，可在上述因素中的某一方面有所改善，但并沒有試驗數(shù)據(jù)表明能同時滿足各方面要求，關(guān)于懸浮載體材質(zhì)方面的研究，有待進一步深化。

對懸浮載體的設(shè)計，一方面要考慮盡可能使有效比表面積大，提高單位體積處理能力；另一方面要考慮載體的攔截，懸浮載體尺寸過小將給載體的攔截帶來困難，一般載體直徑≥25 mm；內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計時要兼顧傳質(zhì)效果,并滿足載體的加工、抗壓、抗磨損等性能需求。扁圓柱狀懸浮載體在國外使用已超過25年，外觀設(shè)計上，《行業(yè)標準》充分吸取了國內(nèi)外先進經(jīng)驗，將流化性能好的懸浮載體形狀納入標準，推薦采用空心圓柱狀，且標準內(nèi)已列出的典型載體均在國內(nèi)外工程實踐中表現(xiàn)出良好的性能，其他類型載體的流化性能及掛膜性能并無可靠結(jié)論，尚需在工程中進一步檢驗。

2懸浮載體投加量設(shè)計

懸浮載體投加量的設(shè)計，需保證滿足處理效果需求，同時做到“量入為出”，防止過度投加造成的浪費。標準中，指出了載體掛膜后（T=20 ℃）的硝化速率應(yīng)≥0.5 gN/(m2·d)，有機物氧化速率應(yīng)≥10 gCOD/(m2·d)，同時給定了測定方法，實際上推薦了MBBR懸浮載體投加量的設(shè)計方式，即按表面負荷設(shè)計，這與傳統(tǒng)活性污泥法按污泥負荷設(shè)計方式不同�；钚晕勰喾ㄒ延休^為成熟的計算方式，通過確定污泥負荷進而確定池容及其他相關(guān)參數(shù)的計算方式已被廣為接受。MBBR設(shè)計上，有些學(xué)者參照活性污泥的計算方式測定生物量，轉(zhuǎn)換為污泥濃度后再按污泥負荷設(shè)計。為驗證這一方法的可行性，筆者選取了山東三座運行效果穩(wěn)定的污水廠的懸浮載體(見表1)，進行了相關(guān)測試。

表1 懸浮載體來源水廠特征

生物量測定采用先堿洗,再酸洗,最后經(jīng)過超聲波清洗的方式，將生物膜剝離回收測定，每個污水廠的樣本為200個，測定結(jié)果如表2所示。

表2 懸浮載體生物量測定

由表2可以看出，不同污水廠的載體其水質(zhì)及培養(yǎng)條件不同，相同載體類型的單位面積生物量存在一定差異，最高相差23.32%；由Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可以看出，同一水廠相同培養(yǎng)條件下，不同載體類型的單位面積生物量則相差不大；載體的VSS/SS除Ⅰ組外，其余均超過84%，遠高于一般活性污泥水平�？梢�，載體生物量與表面積存在密切關(guān)系，載體的有效生物膜面積越大，相同體積載體內(nèi)的生物量越多。整體上，VSS為8.6~12.5 g/m2，與文獻報道（見表3）基本一致。

表3 不同培養(yǎng)方式下懸浮載體生物量

綜合表2及表3可以看出，單位面積生物量受培養(yǎng)條件影響較大，有機物氧化>硝化>反硝化。一方面，與相關(guān)功能菌群的產(chǎn)率系數(shù)有關(guān)，如硝化菌群產(chǎn)率系數(shù)低，產(chǎn)泥量少；另一方面，受生物膜動態(tài)更新影響，如雖然反硝化菌群泥齡短，產(chǎn)率大，但反硝化過程產(chǎn)氣也加速了生物膜更新。同時也應(yīng)指出，生物量測定也存在一定問題，處理后載體上仍有殘留物，會造成一定誤差(4%~8%)。因此，采用載體生物量折合成污泥濃度，再按活性污泥法設(shè)計具有一定局限性，難以真實反映工藝處理性能。

為進一步驗證，參照《行業(yè)標準》進行了載體硝化負荷的測定，結(jié)果如圖1及表4所示。測定條件：溫度為20 ℃，進水氨氮為(55±5) mg/L，在20 L反應(yīng)器、載體填充率為30%時按SBR運行，控制DO為4~6 mg/L，每隔1 h取樣測定，直至反應(yīng)器內(nèi)氨氮<5 mg/L。

圖1 不同來源懸浮載體硝化速率測定

表4 不同來源懸浮載體硝化負荷

從表4可以看出，若按折合的污泥濃度核算污泥負荷，不同污水廠載體的污泥負荷與容積負荷相差較大，這說明采用折合污泥濃度進行載體量設(shè)計并不科學(xué)；由于同一污水廠不同有效比表面積載體單位面積微生物量相差較小，核算的污泥負荷差別不大，但因載體有效比表面積不同，容積負荷與有效比表面積成倍數(shù)關(guān)系。

研究同時發(fā)現(xiàn)，雖然各污水廠培養(yǎng)方式有所差別，但載體的表面負荷差別較小，相對穩(wěn)定�？梢姳砻尕摵蓪τ贛BBR具有重要理論與實踐意義。由于生物膜分層分布，傳質(zhì)依賴于基質(zhì)濃度梯度，而DO穿透能力一般不超過200μm，若生物膜增厚，雖然表觀生物量加大，但由于內(nèi)層基質(zhì)供給不足，并不能提高處理效率，這部分由于生物膜增厚所帶來的生物量增長不能提高處理效率；而表面積的增大，尤其是能夠滿足微生物富集生長及良好傳質(zhì)的有效表面積的增大，可直接提高處理效果，是載體投加量設(shè)計的重要依據(jù)。

綜上，懸浮載體投加量設(shè)計不應(yīng)采用測定載體生物量、折合污泥濃度、按污泥負荷方式設(shè)計，而應(yīng)該采用表面負荷設(shè)計。在實際工程中，由于多種因素影響，15 ℃時生活污水一般表面負荷為0.4~1.2 gN/(m2·d)，表面負荷的影響因素包括溫度、DO、有機負荷、基質(zhì)出水濃度、pH值等，設(shè)計時應(yīng)綜合考量這些因素對表面負荷取值的影響，可根據(jù)經(jīng)驗或現(xiàn)場試驗確定。建議相關(guān)部門盡快出臺設(shè)計標準，明確設(shè)計依據(jù)。

3懸浮載體有效比表面積

懸浮載體投加量以表面負荷作為設(shè)計參數(shù)，由其計算出的結(jié)果為表面積，選擇不同類型的懸浮載體，因有效比表面積不同，必然會有不同的載體量�？梢�，有效比表面積的準確確定具有重要意義。

比表面積與有效比表面積的差別在于，有效比表面積考慮了微生物實際傳質(zhì)及富集狀態(tài)。載體在反應(yīng)器中運動，會相互摩擦撞擊，在載體外緣微生物難以掛膜，這部分不能作為有效比表面積。同時，理論上，懸浮載體內(nèi)部可不斷細分，比表面積可以不斷做大，但若對應(yīng)的表面積不能實現(xiàn)基質(zhì)的良好傳遞，這部分也不能作為有效表面積。

在《行業(yè)標準》中確定了采用理論計算法確定載體的有效比表面積。理論計算法，即計算單個載體的有效比表面積，按幾何尺寸分塊計算，再根據(jù)最小堆積個數(shù)進行有效比表面積的測算。如SPR-Ⅰ懸浮載體，尺寸為25 cm×10cm，自然堆積單方個數(shù)>116 000 個，單個載體有效表面積經(jīng)分塊計算總和>3 900 mm2，有效比表面積>450 m2/m3。實踐中，由于載體細微尺寸的測定對最終結(jié)果影響較大，應(yīng)注意各部分的準確測量，以實際測量結(jié)果為準。同時《行業(yè)標準》中，并未明確最小堆積個數(shù)的測算方法，實際操作中可以采用人工計數(shù)法或稱重法。SPR-Ⅰ最小堆積個數(shù)共測定16次，在0.975置信水平下，載體數(shù)量為(116 629±203) 個；同時進行了稱重法測定，在0.975置信水平下，載體數(shù)量為(116 695±480) 個，兩種方法并無顯著性差別。人工計數(shù)法相對準確，但工作量較大，實踐中不易實現(xiàn)；稱重法，隨機抽取一批載體樣本，測定單個載體平均質(zhì)量，根據(jù)單方自然堆積載體總質(zhì)量，計算出載體個數(shù)，雖易于實現(xiàn)，但應(yīng)考慮抽取載體樣本的代表性，防止抽樣誤差。

同時，《行業(yè)標準》對典型載體的規(guī)格尺寸、圖樣及有效比表面積做出了界定，為有效比表面積的確定提供了依據(jù)，與圖樣相同或類似的載體，可直接參照圖樣確定有效比表面積；未包含在圖樣中的載體，可選擇接近的1~2種圖樣類比，確定有效比表面積區(qū)間，判定相關(guān)計算的準確性。同時可采用掛膜培養(yǎng)硝化速率測定法作為有效比表面積準確性的驗證方法。該方法根據(jù)容積負荷及已知的有效比表面積參數(shù)，推算待檢測載體的有效比表面積。取SPR-Ⅰ、SPR-Ⅱ、SPR-Ⅲ、A載體、B載體5種載體，以SPR-Ⅰ為參比，5種載體各取30 L，在500 L反應(yīng)器內(nèi)混合培養(yǎng)掛膜，培養(yǎng)30 d，將5種載體分開，分別在100 L反應(yīng)器內(nèi)測定硝化速率，因載體在相同條件下培養(yǎng)，假定表面負荷相同，以SPR-Ⅰ容積負荷及有效比表面積作為基礎(chǔ)，測算其他載體的有效比表面積。掛膜與硝化速率測定方法參考《行業(yè)標準》，結(jié)果如圖2及表5所示。

圖2 不同類型懸浮載體硝化速率測定

表5 不同類型懸浮載體有效比表面積測定

從上述結(jié)果看出，SPR系列載體的實測有效比表面積與標號一致，可見《行業(yè)標準》對于有效比表面積的界定較為準確；同時，A載體及B載體與標號差別較大，可見通過掛膜培養(yǎng)硝化速率測定法驗證具有一定的實踐意義。這種方法可作為有效比表面積測定的驗證方法，優(yōu)點是考慮了微生物實際傳質(zhì)及富集狀態(tài)，缺點是培養(yǎng)周期在30 d，難以快速獲得。載體有效比表面積的準確界定，直接影響了投加量及處理效果，對工程實施的成敗具有重要意義。建議相關(guān)部門修訂《行業(yè)標準》時，完善典型載體的單方個數(shù)等信息，為有效比表面積的確定提供依據(jù)。

4懸浮載體的選型及驗收

由于懸浮載體種類較多，有效比表面積差別較大，無法以體積作為控制指標，工程實踐中多以有效表面積作為購置指標。確定了有效生物膜面積及載體有效比表面積，計算出載體體積，根據(jù)堆積密度測算出載體質(zhì)量，最終可按《行業(yè)標準》中的體積或質(zhì)量驗收。

同時，應(yīng)驗證填充率是否滿足要求。懸浮載體的填充率，即懸浮載體體積占填充區(qū)域池容的比例，屬于校核參數(shù)，用以確認，在通常曝氣或攪拌強度下，懸浮載體可否在填充區(qū)域內(nèi)均勻分布，一般要求填充率≤67%。填充率可作為載體選型的依據(jù)，當填充率過大時，可選用有效比表面積更高的載體，降低投加量，滿足填充率要求；同時，選型時應(yīng)考慮近期及遠期發(fā)展，為進一步提量或提標留有填充率空間。

5項目應(yīng)用

山東某污水廠設(shè)計水量為10×104 m3/d，總HRT=24.24 h，原執(zhí)行二級標準，2010年進行了一級A提標改造，設(shè)計進、出水水質(zhì)及實際出水水質(zhì)如表6所示。設(shè)計污泥濃度為3.5 g/L，設(shè)計水溫為12 ℃，根據(jù)總硝化性能及活性污泥硝化性能，計算載體部分需承擔的硝化能力，根據(jù)表面負荷確定生物膜面積為6.3×106 m2。采用SPR-I型懸浮載體，載體投加量為14 000 m3，校核填充率為29%<67%，滿足流化要求。由于設(shè)計依據(jù)準確，且有效比表面積標號與實際值一致，改造后已穩(wěn)定運行6年，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級A標準，部分指標甚至優(yōu)于一級A。

表6 山東某污水廠設(shè)計進、出水水質(zhì)及實際出水水質(zhì) mg·L-1

6結(jié) 語

①綜合考慮材料密度、耐老化性、耐候性、熱塑精密性、抗壓、壓縮回彈、耐磨性等，應(yīng)選用純HDPE作為懸浮載體材質(zhì)；外觀設(shè)計上，以空心圓柱狀為代表的懸浮載體工程實踐效果較好。

②懸浮載體投加量應(yīng)按照表面負荷設(shè)計，取值受溫度、DO、有機負荷、基質(zhì)出水濃度、pH值等影響，可根據(jù)工程經(jīng)驗或現(xiàn)場試驗確定。

③懸浮載體有效比表面積是載體性能的重要參數(shù)，可參考《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》（CJ/T 461—2014）計算方法及圖樣樣例確定載體有效比表面積。

④以填充率作為懸浮載體設(shè)計及選型合理性依據(jù)，保證流化及載體進一步擴容空間。工程實踐中，多以有效表面積作為購置指標，并換算成體積或質(zhì)量驗收。

⑤建議有關(guān)部門盡快出臺設(shè)計標準，結(jié)合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》，為MBBR工藝的設(shè)計和填料的選型提供技術(shù)依據(jù)。

(詳細內(nèi)容參見《中國給水排水》第16期：水處理用懸浮載體填料行業(yè)標準解讀與投加量設(shè)計，作者：青島思普潤水處理股份有限公司 吳迪

同時對改造和新建工程進行了能耗追蹤，一期和二期噸水電耗從改造前的；降至；三期新建工程噸水電耗為，出水標準提高而能耗降低，主要源于采用微動力混合池型，取消推流器，降低推流器電耗；同時，懸浮填料填充率增加，大幅提高氧利用率，降低曝氣能耗。