導讀

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、形狀選擇、投加量設計、選型依據，闡述了有效比表面積的涵義及鑒別方法。懸浮載體應選用空心柱狀的純HDPE材質。投加量以表面負荷為設計依據，其參數受溫度、DO、有機負荷、基質出水濃度、pH值等影響。以懸浮載體填充率作為設計及選型合理性依據，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)境恢復理論與技術研究、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，在國內外得到廣泛應用。國內自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、強沖擊等方面表現出極大的優(yōu)勢和穩(wěn)定性，應用于市政污水、工業(yè)廢水等領域。隨著MBBR的推廣，關于懸浮載體標準及工藝設計問題被廣泛討論。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)范懸浮載體參數及設計提供了重要依據。在解讀《行業(yè)標準》相關概念及意義的基礎上，結合工程實踐討論MBBR設計依據，為工程實施提供技術支持。

1懸浮載體材質及設計

《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等其他材質納入。對比各系列材質，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為實現低能耗運行，載體掛膜后的密度應與水的密度接近；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載體應用已超過25年，國內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，但并沒有試驗數據表明能同時滿足各方面要求，關于懸浮載體材質方面的研究，有待進一步深化。

對懸浮載體的設計，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；內部構造設計時要兼顧傳質效果,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，外觀設計上，《行業(yè)標準》充分吸取了國內外先進經驗，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，且標準內已列出的典型載體均在國內外工程實踐中表現出良好的性能，其他類型載體的流化性能及掛膜性能并無可靠結論，尚需在工程中進一步檢驗。

2懸浮載體投加量設計

懸浮載體投加量的設計，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≥0.5 gN/(m2·d)，有機物氧化速率應≥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計方式，即按表面負荷設計，這與傳統(tǒng)活性污泥法按污泥負荷設計方式不同�；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參數的計算方式已被廣為接受。MBBR設計上，有些學者參照活性污泥的計算方式測定生物量，轉換為污泥濃度后再按污泥負荷設計。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�？梢姡�載體生物量與表面積存在密切關系，載體的有效生物膜面積越大，相同體積載體內的生物量越多。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，與相關功能菌群的產率系數有關，如硝化菌群產率系數低，產泥量少；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，產率大，但反硝化過程產氣也加速了生物膜更新。同時也應指出，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，直至反應器內氨氮<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計并不科學；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關系。

研究同時發(fā)現，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，傳質依賴于基質濃度梯度，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，但由于內層基質供給不足，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，是載體投加量設計的重要依據。

綜上，懸浮載體投加量設計不應采用測定載體生物量、折合污泥濃度、按污泥負荷方式設計，而應該采用表面負荷設計。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、基質出水濃度、pH值等，設計時應綜合考量這些因素對表面負荷取值的影響，可根據經驗或現場試驗確定。建議相關部門盡快出臺設計標準，明確設計依據。

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計參數，由其計算出的結果為表面積，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及富集狀態(tài)。載體在反應器中運動，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，懸浮載體內部可不斷細分，比表面積可以不斷做大，但若對應的表面積不能實現基質的良好傳遞，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，再根據最小堆積個數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>116 000 個，單個載體有效表面積經分塊計算總和>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果影響較大，應注意各部分的準確測量，以實際測量結果為準。同時《行業(yè)標準》中，并未明確最小堆積個數的測算方法，實際操作中可以采用人工計數法或稱重法。SPR-Ⅰ最小堆積個數共測定16次，在0.975置信水平下，載體數量為(116 629±203) 個；同時進行了稱重法測定，在0.975置信水平下，載體數量為(116 695±480) 個，兩種方法并無顯著性差別。人工計數法相對準確，但工作量較大，實踐中不易實現；稱重法，隨機抽取一批載體樣本，測定單個載體平均質量，根據單方自然堆積載體總質量，計算出載體個數，雖易于實現，但應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，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。該方法根據容積負荷及已知的有效比表面積參數，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反應器內混合培養(yǎng)掛膜，培養(yǎng)30 d，將5種載體分開，分別在100 L反應器內測定硝化速率，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，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。建議相關部門修訂《行業(yè)標準》時，完善典型載體的單方個數等信息，為有效比表面積的確定提供依據。

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，根據堆積密度測算出載體質量，最終可按《行業(yè)標準》中的體積或質量驗收。

同時，應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，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，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項目應用

山東某污水廠設計水量為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，設計進、出水水質及實際出水水質如表6所示。設計污泥濃度為3.5 g/L，設計水溫為12 ℃，根據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。由于設計依據準確，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 山東某污水廠設計進、出水水質及實際出水水質 mg·L-1

6結 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，應選用純HDPE作為懸浮載體材質；外觀設計上，以空心圓柱狀為代表的懸浮載體工程實踐效果較好。

②懸浮載體投加量應按照表面負荷設計，取值受溫度、DO、有機負荷、基質出水濃度、pH值等影響，可根據工程經驗或現場試驗確定。

③懸浮載體有效比表面積是載體性能的重要參數，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計及選型合理性依據，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，并換算成體積或質量驗收。

⑤建議有關部門盡快出臺設計標準，結合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》，為MBBR工藝的設計和填料的選型提供技術依據。

(詳細內容參見《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。