導(dǎo)讀

通過(guò)對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《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(jì)、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(fù)荷為設(shè)計(jì)依據(jù)，其參數(shù)受溫度、DO、有機(jī)負(fù)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(jì)及選型合理性依據(jù)，保證流化及載體進(jìn)一步擴(kuò)容空間。有效比表面積可參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 461—2014計(jì)算方法及圖樣樣例確定。工程實(shí)踐中，多以有效表面積作為購(gòu)置指標(biāo)，并換算成體積或質(zhì)量驗(yàn)收。

作者簡(jiǎn)介：吳迪（1985-），男，黑龍江伊春人，博士，高級(jí)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(dòng)床生物膜工藝（Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR）起源于20世紀(jì)90年代的挪威，至今已發(fā)展近30年，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)自2008年在無(wú)錫蘆村成功實(shí)施一級(jí)A升級(jí)改造以來(lái)，已完成超過(guò)80項(xiàng)工程項(xiàng)目，累計(jì)處理水量超過(guò)700×104 m3/d，并在解決低溫、高鹽、強(qiáng)沖擊等方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)及工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題被廣泛討論。2015年，住建部牽頭，由國(guó)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(jiǎn)稱《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》）正式實(shí)施，為規(guī)范懸浮載體參數(shù)及設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。在解讀《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)概念及意義的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐討論MBBR設(shè)計(jì)依據(jù)，為工程實(shí)施提供技術(shù)支持。

1懸浮載體材質(zhì)及設(shè)計(jì)

《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》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(duì)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(shí)現(xiàn)低能耗運(yùn)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(shí)要考慮運(yùn)行環(huán)境變化、加工等情況。純料HDPE在各項(xiàng)指標(biāo)中均能滿足使用要求，成為首選。同時(shí)，《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》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(guò)程中的回用料不超過(guò)5%，均是綜合考慮載體性能和壽命。工程實(shí)踐中，純HDPE載體應(yīng)用已超過(guò)25年，國(guó)內(nèi)最早的無(wú)錫蘆村項(xiàng)目運(yùn)行近9年，載體性狀均良好。雖然對(duì)已有材質(zhì)進(jìn)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(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明能同時(shí)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(jìn)一步深化。

對(duì)懸浮載體的設(shè)計(jì)，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(guò)小將給載體的攔截帶來(lái)困難，一般載體直徑≥25 mm；內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)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(guó)外使用已超過(guò)25年，外觀設(shè)計(jì)上，《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》充分吸取了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將流化性能好的懸浮載體形狀納入標(biāo)準(zhǔn)，推薦采用空心圓柱狀，且標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)已列出的典型載體均在國(guó)內(nèi)外工程實(shí)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(wú)可靠結(jié)論，尚需在工程中進(jìn)一步檢驗(yàn)。

2懸浮載體投加量設(shè)計(jì)

懸浮載體投加量的設(shè)計(jì)，需保證滿足處理效果需求，同時(shí)做到“量入為出”，防止過(guò)度投加造成的浪費(fèi)。標(biāo)準(zhǔn)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(jī)物氧化速率應(yīng)≥10 gCOD/(m2·d)，同時(shí)給定了測(cè)定方法，實(shí)際上推薦了MBBR懸浮載體投加量的設(shè)計(jì)方式，即按表面負(fù)荷設(shè)計(jì)，這與傳統(tǒng)活性污泥法按污泥負(fù)荷設(shè)計(jì)方式不同。活性污泥法已有較為成熟的計(jì)算方式，通過(guò)確定污泥負(fù)荷進(jìn)而確定池容及其他相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方式已被廣為接受。MBBR設(shè)計(jì)上，有些學(xué)者參照活性污泥的計(jì)算方式測(cè)定生物量，轉(zhuǎn)換為污泥濃度后再按污泥負(fù)荷設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證這一方法的可行性，筆者選取了山東三座運(yùn)行效果穩(wěn)定的污水廠的懸浮載體(見(jiàn)表1)，進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

表1 懸浮載體來(lái)源水廠特征

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

表2 懸浮載體生物量測(cè)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(guò)84%，遠(yuǎn)高于一般活性污泥水平�？梢�(jiàn)，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(xiàn)報(bào)道（見(jiàn)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(jī)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(dòng)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(guò)程產(chǎn)氣也加速了生物膜更新。同時(shí)也應(yīng)指出，生物量測(cè)定也存在一定問(wèn)題，處理后載體上仍有殘留物，會(huì)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(jì)具有一定局限性，難以真實(shí)反映工藝處理性能。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，參照《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了載體硝化負(fù)荷的測(cè)定，結(jié)果如圖1及表4所示。測(cè)定條件：溫度為20 ℃，進(jìn)水氨氮為(55±5) mg/L，在20 L反應(yīng)器、載體填充率為30%時(shí)按SBR運(yùn)行，控制DO為4~6 mg/L，每隔1 h取樣測(cè)定，直至反應(yīng)器內(nèi)氨氮<5 mg/L。

圖1 不同來(lái)源懸浮載體硝化速率測(cè)定

表4 不同來(lái)源懸浮載體硝化負(fù)荷

從表4可以看出，若按折合的污泥濃度核算污泥負(fù)荷，不同污水廠載體的污泥負(fù)荷與容積負(fù)荷相差較大，這說(shuō)明采用折合污泥濃度進(jìn)行載體量設(shè)計(jì)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(fù)荷差別不大，但因載體有效比表面積不同，容積負(fù)荷與有效比表面積成倍數(shù)關(guān)系。

研究同時(shí)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(fù)荷差別較小，相對(duì)穩(wěn)定�？梢�(jiàn)表面負(fù)荷對(duì)于MBBR具有重要理論與實(shí)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(guò)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(lái)的生物量增長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)的重要依據(jù)。

綜上，懸浮載體投加量設(shè)計(jì)不應(yīng)采用測(cè)定載體生物量、折合污泥濃度、按污泥負(fù)荷方式設(shè)計(jì)，而應(yīng)該采用表面負(fù)荷設(shè)計(jì)。在實(shí)際工程中，由于多種因素影響，15 ℃時(shí)生活污水一般表面負(fù)荷為0.4~1.2 gN/(m2·d)，表面負(fù)荷的影響因素包括溫度、DO、有機(jī)負(fù)荷、基質(zhì)出水濃度、pH值等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考量這些因素對(duì)表面負(fù)荷取值的影響，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。建議相關(guān)部門盡快出臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，明確設(shè)計(jì)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(fù)荷作為設(shè)計(jì)參數(shù)，由其計(jì)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(huì)有不同的載體量�？梢�(jiàn)，有效比表面積的準(zhǔn)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(shí)際傳質(zhì)及富集狀態(tài)。載體在反應(yīng)器中運(yùn)動(dòng)，會(huì)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(shí)，理論上，懸浮載體內(nèi)部可不斷細(xì)分，比表面積可以不斷做大，但若對(duì)應(yīng)的表面積不能實(shí)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(biāo)準(zhǔn)》中確定了采用理論計(jì)算法確定載體的有效比表面積。理論計(jì)算法，即計(jì)算單個(gè)載體的有效比表面積，按幾何尺寸分塊計(jì)算，再根據(jù)最小堆積個(gè)數(shù)進(jìn)行有效比表面積的測(cè)算。如SPR-Ⅰ懸浮載體，尺寸為25 cm×10cm，自然堆積單方個(gè)數(shù)>116 000 個(gè)，單個(gè)載體有效表面積經(jīng)分塊計(jì)算總和>3 900 mm2，有效比表面積>450 m2/m3。實(shí)踐中，由于載體細(xì)微尺寸的測(cè)定對(duì)最終結(jié)果影響較大，應(yīng)注意各部分的準(zhǔn)確測(cè)量，以實(shí)際測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)。同時(shí)《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中，并未明確最小堆積個(gè)數(shù)的測(cè)算方法，實(shí)際操作中可以采用人工計(jì)數(shù)法或稱重法。SPR-Ⅰ最小堆積個(gè)數(shù)共測(cè)定16次，在0.975置信水平下，載體數(shù)量為(116 629±203) 個(gè)；同時(shí)進(jìn)行了稱重法測(cè)定，在0.975置信水平下，載體數(shù)量為(116 695±480) 個(gè)，兩種方法并無(wú)顯著性差別。人工計(jì)數(shù)法相對(duì)準(zhǔn)確，但工作量較大，實(shí)踐中不易實(shí)現(xiàn)；稱重法，隨機(jī)抽取一批載體樣本，測(cè)定單個(gè)載體平均質(zhì)量，根據(jù)單方自然堆積載體總質(zhì)量，計(jì)算出載體個(gè)數(shù)，雖易于實(shí)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(shí)，《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)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?qǐng)D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(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)可采用掛膜培養(yǎng)硝化速率測(cè)定法作為有效比表面積準(zhǔn)確性的驗(yàn)證方法。該方法根據(jù)容積負(fù)荷及已知的有效比表面積參數(shù)，推算待檢測(cè)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(kāi)，分別在100 L反應(yīng)器內(nèi)測(cè)定硝化速率，因載體在相同條件下培養(yǎng)，假定表面負(fù)荷相同，以SPR-Ⅰ容積負(fù)荷及有效比表面積作為基礎(chǔ)，測(cè)算其他載體的有效比表面積。掛膜與硝化速率測(cè)定方法參考《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，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(cè)定

表5 不同類型懸浮載體有效比表面積測(cè)定

從上述結(jié)果看出，SPR系列載體的實(shí)測(cè)有效比表面積與標(biāo)號(hào)一致，可見(jiàn)《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于有效比表面積的界定較為準(zhǔn)確；同時(shí)，A載體及B載體與標(biāo)號(hào)差別較大，可見(jiàn)通過(guò)掛膜培養(yǎng)硝化速率測(cè)定法驗(yàn)證具有一定的實(shí)踐意義。這種方法可作為有效比表面積測(cè)定的驗(yàn)證方法，優(yōu)點(diǎn)是考慮了微生物實(shí)際傳質(zhì)及富集狀態(tài)，缺點(diǎn)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(zhǔn)確界定，直接影響了投加量及處理效果，對(duì)工程實(shí)施的成敗具有重要意義。建議相關(guān)部門修訂《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》時(shí)，完善典型載體的單方個(gè)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(yàn)收

由于懸浮載體種類較多，有效比表面積差別較大，無(wú)法以體積作為控制指標(biāo)，工程實(shí)踐中多以有效表面積作為購(gòu)置指標(biāo)。確定了有效生物膜面積及載體有效比表面積，計(jì)算出載體體積，根據(jù)堆積密度測(cè)算出載體質(zhì)量，最終可按《行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的體積或質(zhì)量驗(yàn)收。

同時(shí)，應(yīng)驗(yàn)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(rèn)，在通常曝氣或攪拌強(qiáng)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(dāng)填充率過(guò)大時(shí)，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(shí)，選型時(shí)應(yīng)考慮近期及遠(yuǎn)期發(fā)展，為進(jìn)一步提量或提標(biāo)留有填充率空間。

5項(xiàng)目應(yīng)用

山東某污水廠設(shè)計(jì)水量為10×104 m3/d，總HRT=24.24 h，原執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2010年進(jìn)行了一級(jí)A提標(biāo)改造，設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)及實(shí)際出水水質(zhì)如表6所示。設(shè)計(jì)污泥濃度為3.5 g/L，設(shè)計(jì)水溫為12 ℃，根據(jù)總硝化性能及活性污泥硝化性能，計(jì)算載體部分需承擔(dān)的硝化能力，根據(jù)表面負(fù)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(jì)依據(jù)準(zhǔn)確，且有效比表面積標(biāo)號(hào)與實(shí)際值一致，改造后已穩(wěn)定運(yùn)行6年，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)甚至優(yōu)于一級(jí)A。

表6 山東某污水廠設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)及實(shí)際出水水質(zhì) mg·L-1

6結(jié) 語(yǔ)

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(jì)上，以空心圓柱狀為代表的懸浮載體工程實(shí)踐效果較好。

②懸浮載體投加量應(yīng)按照表面負(fù)荷設(shè)計(jì)，取值受溫度、DO、有機(jī)負(fù)荷、基質(zhì)出水濃度、pH值等影響，可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jì)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(jì)及選型合理性依據(jù)，保證流化及載體進(jìn)一步擴(kuò)容空間。工程實(shí)踐中，多以有效表面積作為購(gòu)置指標(biāo)，并換算成體積或質(zhì)量驗(yàn)收。

⑤建議有關(guān)部門盡快出臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)和填料的選型提供技術(shù)依據(jù)。

(詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)《中國(guó)給水排水》第16期：水處理用懸浮載體填料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解讀與投加量設(shè)計(jì)，作者：青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司 吳迪

同時(shí)對(duì)改造和新建工程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)提高而能耗降低，主要源于采用微動(dòng)力混合池型，取消推流器，降低推流器電耗；同時(shí)，懸浮填料填充率增加，大幅提高氧利用率，降低曝氣能耗。