關(guān)于2021版新修《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014-2021）移動床生物膜反應(yīng)器部分的解讀

　　導(dǎo)讀

　　2018年7月19日，住建部網(wǎng)站掛出了《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）的征求意見稿，經(jīng)過多方修訂，最終版于2021年4月9日發(fā)布，2021年10月1日正式實(shí)施。本文重點(diǎn)分析，新標(biāo)準(zhǔn)中對于移動床生物膜反應(yīng)器部分的描述，以期為各位同行提供有價(jià)值的參考。

　　01 MBBR已成為主流工藝之一

　　標(biāo)準(zhǔn)中表述，“刪除了塔式生物濾池和土地處理等工藝，補(bǔ)充了膜生物反應(yīng)器（MBR）、移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）和人工濕地等應(yīng)用廣泛且運(yùn)行可靠的工藝。”據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，MBBR在國內(nèi)市政污水處理領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模超過2000萬噸/天，考慮工業(yè)、微污染水領(lǐng)域應(yīng)用合計(jì)規(guī)模超過2500萬噸/天。中國是全世界MBBR工藝應(yīng)用規(guī)模、數(shù)量最多的國家，思普潤也是國內(nèi)外完成MBBR項(xiàng)目數(shù)最多的企業(yè)，業(yè)績規(guī)模近1500萬噸/天。結(jié)合多個(gè)統(tǒng)計(jì)資料可知[1]，國內(nèi)市政領(lǐng)域MBR和MBBR應(yīng)用規(guī)模相當(dāng)，分別約占總處理規(guī)模的10.4%。MBBR在大規(guī)模推廣應(yīng)用過程中，隨著設(shè)計(jì)施工運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，相關(guān)從業(yè)人員對工藝標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的設(shè)計(jì)訴求呼聲也越來越高，最終使得MBBR工藝得以列入新標(biāo)準(zhǔn)中。

　　[1] https://www.chyxx.com/industry/202104/945027.html

　　02 表面負(fù)荷和有效比表面積構(gòu)建了MBBR生化技術(shù)體系

　　各生化工藝均有自己的特點(diǎn)特征，并依據(jù)關(guān)鍵特征進(jìn)行設(shè)計(jì)?；钚晕勰喾ㄒ晕勰嘭?fù)荷作為設(shè)計(jì)指標(biāo)（kg污染物/kgMLSS/d），是基于單位質(zhì)量活性污泥處理能力相對穩(wěn)定。而MBBR工藝，不論是泥膜復(fù)合MBBR應(yīng)用形式，還是純膜MBBR應(yīng)用形式，其懸浮載體上生長的微生物膜，其單位質(zhì)量生物量處理能力差異較大，和活性污泥有較大差異性，不能照搬活性污泥法的污泥負(fù)荷設(shè)計(jì)方法。生物膜處理性能的限制性因素為傳質(zhì)，包括基質(zhì)傳遞和溶解氧傳遞，而傳質(zhì)與生物膜表面積密切相關(guān)，故MBBR以懸浮填料的表面負(fù)荷（g污染物/m2/d）進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。以表面負(fù)荷設(shè)計(jì)，可直接得出生化系統(tǒng)所需的生物膜面積，然后根據(jù)懸浮載體的有效比表面積（單位體積懸浮載體填料能實(shí)現(xiàn)良好傳質(zhì)傳氧，且能生長有效微生物的受保護(hù)的表面積，通常為懸浮載體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)外壁及外部類齒輪狀突起的凹陷處）進(jìn)行選型，進(jìn)而得出特定型號懸浮載體的體積。

　　這種設(shè)計(jì)及選型方法原因：

　　1）表面負(fù)荷取值是基于有效比表面積，而非總比表面積；有效兩個(gè)字至關(guān)重要，懸浮載體有效比表面積/總比表面積在0.6-0.9，與產(chǎn)品本身密切相關(guān)，若混淆兩個(gè)概念，可能面臨有效生物膜面積不足、出水不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；2）市面上懸浮載體多樣化，且多為專利產(chǎn)品，以有效生物膜面積作為量化依據(jù)，而非體積，既有利于規(guī)避產(chǎn)品單一來源問題，同時(shí)又可鼓勵(lì)創(chuàng)新，鼓勵(lì)研發(fā)有效比表面積更大的產(chǎn)品，為懸浮載體的多樣化奠定基礎(chǔ)，而非指定固定型號；3）需要的有效生物膜面積一定時(shí)，有效比表面積越大，懸浮載體體積越小，對于池容的占用越小，應(yīng)鼓勵(lì)研發(fā)和應(yīng)用有效比表面積較大的產(chǎn)品。表面硝化負(fù)荷范圍較大，主要影響包括：有機(jī)負(fù)荷影響、出水氨氮濃度影響（出水標(biāo)準(zhǔn)）、污泥濃度影響、系統(tǒng)分級影響、懸浮載體承擔(dān)進(jìn)水硝化負(fù)荷影響、設(shè)計(jì)DO影響、抑制性因素影響。具體取值宜現(xiàn)場試驗(yàn)，不具備條件時(shí)，可咨詢委托專業(yè)廠商進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

　　插播誤區(qū)排雷：依賴于懸浮載體表面增加粗糙度，進(jìn)而增大有效比表面積的說法，看圖就知道，所謂的粗糙都會被生物膜填平的哦。

　　懸浮載體選型依據(jù)有《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》（CJ/T 461-2014）[3]作為選型依據(jù)，CJ/T 461-2014規(guī)定了懸浮載體基本性能參數(shù)，尤其是有效比表面積。

　　新型懸浮載體的開發(fā)，應(yīng)朝著有效比表面積更大的方向發(fā)展，提高效率。開發(fā)新填料的時(shí)候，需要解決兩個(gè)矛盾：第一，空隙率和有效比表面積的矛盾。有效比表面積越大，空隙率可能會越低，對于池容的占用越多，縮減構(gòu)筑物有效池容。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，若選型的懸浮載體空隙率為90%，MBBR區(qū)填充率為60%時(shí)，所在區(qū)域池容占用將達(dá)到6%；若懸浮載體質(zhì)量達(dá)不到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，空隙率僅能達(dá)到80%時(shí)，此時(shí)60%填充率對于池容占用率將驟增至12%，這點(diǎn)容易被忽視。如何找到空隙率與有效比表面積的平衡，在填料的結(jié)構(gòu)開發(fā)上具有極高的難度第二，壁厚和有效比表面積的矛盾。為簡化描述，將懸浮載體流道抽象為圓形，以流道直徑2.5mm為例，壁厚每增大0.5mm，則流道直徑將縮小0.5mm，流道周長縮小20%，即有效比表面積縮小20%；流道孔徑越小，毛細(xì)作用越顯著，實(shí)際有效比表面積將縮小更多。同時(shí)，流道變小，對于傳質(zhì)影響更大，不利于微生物代謝。應(yīng)確保懸浮載體理化要求的前提下，盡可能縮減懸浮載體壁厚。

　　[2]吳迪.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)[J].中國給水排水,2017,33(16):13-17.

　　[3]CJ/T 461-2014, 水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料[S].2014

　　03 MBBR表面反硝化負(fù)荷并未被遺忘

　　新標(biāo)準(zhǔn)中給出了表面有機(jī)負(fù)荷和表面硝化負(fù)荷的建議取值范圍，但并未給出表面反硝化負(fù)荷的建議取值范圍，原因包括：1）國內(nèi)MBBR多為泥膜復(fù)合系統(tǒng)，即懸浮態(tài)活性污泥和附著態(tài)懸浮載體生物膜復(fù)合系統(tǒng)。強(qiáng)化反硝化有兩個(gè)途徑，增加反硝化菌生物量、提高碳源利用效率。當(dāng)進(jìn)水碳源充足時(shí)，增加反硝化菌生物量對于提高反硝化效果顯著。但國內(nèi)污水絕大多數(shù)屬于碳源不足類型，此時(shí)提高碳源利用效率對于強(qiáng)化反硝化更有效率。提高碳源利用效率的途徑，即延長缺氧停留時(shí)間，增加碳源水解效率，同時(shí)為中慢速碳源利用增加時(shí)間。此時(shí)，缺氧區(qū)投加懸浮載體效率不如擴(kuò)大缺氧區(qū)，增大缺氧區(qū)停留時(shí)間方式。設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行池容核算，優(yōu)先滿足缺氧反硝化池容，缺氧池容不足的部分切割好氧池容予以補(bǔ)足，好氧區(qū)池容不足的部分，通過在好氧區(qū)投加懸浮載體補(bǔ)足好氧硝化池容，“移好補(bǔ)缺，載體硝化”技術(shù)路線更為合理和經(jīng)濟(jì)，也經(jīng)受住了大量工程案例的考驗(yàn)；2）反硝化負(fù)荷受碳源類型影響較大，受污泥濃度影響較大。原水碳源組成復(fù)雜，不同水質(zhì)表面反硝化負(fù)荷差異較大, 數(shù)值上一般低于表面硝化負(fù)荷；外投碳源時(shí)，表面反硝化負(fù)荷較高，數(shù)值上一般高于表面硝化負(fù)荷。

　　因此，表面反硝化負(fù)荷數(shù)值范圍并未列入新標(biāo)準(zhǔn)。但不可否認(rèn)的是，部分項(xiàng)目由于池容受限，當(dāng)好氧區(qū)所需懸浮載體超過最大填充率，或考慮水力布置因素好氧區(qū)難以投加更多懸浮載體時(shí)，為不進(jìn)行生化池的擴(kuò)建，也可在缺氧區(qū)投加懸浮載體，強(qiáng)化反硝化效果，此類情形已有相關(guān)工程案例支撐，但要關(guān)注：

　　1）缺氧流化的水力流態(tài)設(shè)計(jì)，較好氧區(qū)實(shí)現(xiàn)流化難度更大；

　　2）缺氧攪拌器必須使用專用設(shè)備，防止與懸浮載體互相磨損；

　　3）缺氧攪拌器布置應(yīng)科學(xué)合理，降低功率密度，建議輔助水力模擬進(jìn)行流態(tài)優(yōu)化；

　　4）若缺氧池容缺口較大，可考慮使用純膜MBBR工藝，純膜MBBR無需與活性污泥競爭，懸浮載體反硝化負(fù)荷反而比泥膜復(fù)合系統(tǒng)更高，同樣實(shí)現(xiàn)縮減池容的目的。

　　04 MBBR水力學(xué)特性不能忽視

　　“懸浮填料的填充率不應(yīng)得超過反應(yīng)池容積的2/3；懸浮填料投加區(qū)域應(yīng)設(shè)攔截篩網(wǎng)；移動床生物膜反應(yīng)器池內(nèi)水平流速不應(yīng)大于35m/h，長寬比宜為2:1~4:1；當(dāng)不滿足此條件時(shí)，應(yīng)增設(shè)導(dǎo)流隔墻和弧形導(dǎo)流隔墻，強(qiáng)化懸浮填料的循環(huán)流動?！敝砸?guī)定填充率不超過2/3，因?yàn)楫?dāng)填充率超過此值后，流化所需的最小曝氣強(qiáng)度迅速增大，會增加懸浮載體流化能耗，不經(jīng)濟(jì)。而對于水平流速的要求，同樣是考慮對于一般生活污水條件下，保證豎向曝氣流速/反應(yīng)池水平流速>3，防止末端擁堵。

　　MBBR能夠成功實(shí)施有兩個(gè)關(guān)鍵，一則為生化方面，生物膜滿足處理負(fù)荷要求，達(dá)到處理效果；二則為水力方面，確保系統(tǒng)流化良好，生物膜傳質(zhì)良好。而水力系統(tǒng)最終會影響傳質(zhì)，進(jìn)而影響生化性能，可以說水力流態(tài)是MBBR的重中之重。

　　附 件

　　7.8.1 移動床生物膜反應(yīng)器應(yīng)采用懸浮填料的表面負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。表面負(fù)荷宜根據(jù)試驗(yàn)資料確定；當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，在20°C的水溫條件下，五日生化需氧量表面有機(jī)負(fù)荷宜為5g BOD5/m2·d~15g BOD5/m2·d，表面硝化負(fù)荷宜為0.5gNH3-N/(m2·d)～2gNH3-N/(m2·d)。【條文說明】懸浮填料生物膜工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)水質(zhì)、水溫、表面負(fù)荷等參數(shù)，計(jì)算出所需懸浮填料的有效填料表面積,再根據(jù)不同填料的有效比表面積，轉(zhuǎn)換成該類型填料的體積。

　　7.8.2 懸浮填料應(yīng)滿足易于流化、微生物附著性好、有效比表面積大、耐腐蝕、抗機(jī)械磨損的要求。懸浮填料的填充率不應(yīng)超過反應(yīng)池容積的2/3?！緱l文說明】懸浮填料密度與水接近時(shí)，易于流化。此外，填料還應(yīng)具有良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，剛性彈性兼?zhèn)?。有效比表面積是指單位體積懸浮載體填料可供微生物生長，且保證良好傳質(zhì)和保護(hù)微生物不被沖刷的表面積。按有效比表面積不同可將懸浮填料分為A類填料、B類填料、和C類填料，其中A類填料有效比表面積為350m2/m3~500m2/m3，B類填料有效比表面積為620m2/m3~800m2/m3，C類填料有效比表面積為1200m2/m3，填料的相關(guān)參數(shù)如表22所示。

　　懸浮填料的填充率可采用20%?60%，一般要求≤67%。

　　7.8.1 懸浮填料投加區(qū)域應(yīng)設(shè)攔截篩網(wǎng)?！緱l文說明】為防止填料隨水流外泄，懸浮填料投加區(qū)域與非投加區(qū)之間應(yīng)設(shè)攔截篩網(wǎng)。同時(shí)，為避免填料在攔截格網(wǎng)處的堆積堵塞，保證填料的充分流化和出水區(qū)過水?dāng)嗝娴臅惩?，?yīng)在末端填料攔截格網(wǎng)外增加穿孔管曝氣的管路布置，避免懸浮填料在攔截篩網(wǎng)處的堆積，有效防止格網(wǎng)空隙的堵塞，保障出水暢通。

　　7.8.2 移動床生物膜反應(yīng)器池內(nèi)水平流速不應(yīng)大于35m/h，長寬比宜為2:1~4:1；當(dāng)不滿足此條件時(shí)，應(yīng)增設(shè)導(dǎo)流隔墻和弧形導(dǎo)流隔墻，強(qiáng)化懸浮填料的循環(huán)流動?！緱l文說明】移動床生物膜反應(yīng)器反應(yīng)池的工藝設(shè)計(jì)，宜采用循環(huán)流態(tài)的構(gòu)筑物形式，不宜采用完全推流式。由于移動床生物膜反應(yīng)器工藝中懸浮填料會隨著水流方向流往下游方向，因此宜控制水平流速和長寬比，促進(jìn)填料的循環(huán)流態(tài)，保證懸浮填料分布的均勻性，避免填料在出口處堆積。已建工程提標(biāo)需要改造原有的完全推流式反應(yīng)池時(shí)，應(yīng)采取措施強(qiáng)化懸浮填料的循環(huán)流動。

編輯：王媛媛