MBBR應(yīng)用要點(diǎn) | 懸浮載體有效比表面積的生物測(cè)定方法

全康環(huán)保:摘要：懸浮載體有效比表面積（ESSA）的測(cè)定，對(duì)于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)懸浮載體投加量至關(guān)重要。采用生物法測(cè)定ESSA，以行業(yè)公認(rèn)的K3型懸浮載體作為參比，將待測(cè)懸浮載體與K3置于相同條件下掛膜培養(yǎng)至穩(wěn)定，通過(guò)穩(wěn)定期各懸浮載體的處理性能并參比K3的表面負(fù)荷來(lái)測(cè)算ESSA。對(duì)于市面常見(jiàn)的6種不同類(lèi)型懸浮載體，在低負(fù)荷培養(yǎng)條件下，符合行標(biāo)產(chǎn)品的標(biāo)號(hào)ESSA與實(shí)測(cè)值偏差不大，而非行標(biāo)產(chǎn)品具有5.0%以上的負(fù)偏差；在高負(fù)荷培養(yǎng)條件下，各類(lèi)產(chǎn)品均存在一定偏差，主要原因是生物膜增厚，擠占了有效表面積。采用生物法測(cè)定懸浮載體有效比表面積，具有準(zhǔn)確可靠、可重現(xiàn)性強(qiáng)、結(jié)合實(shí)際水質(zhì)等特點(diǎn)，更具有工程實(shí)際意義。對(duì)于常規(guī)的市政污水處理，低負(fù)荷下的測(cè)定結(jié)果更具備工程價(jià)值，如果條件允許，采用實(shí)際污水培養(yǎng)更接近工程結(jié)果；而對(duì)于高負(fù)荷進(jìn)水，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置安全系數(shù)，防止ESSA不足。懸浮載體的ESSA越大，應(yīng)用時(shí)負(fù)荷彈性越大，可為污水廠持續(xù)提標(biāo)、提量提供生物基礎(chǔ)。新型懸浮載體的開(kāi)發(fā)，應(yīng)朝著ESSA更大的方向發(fā)展，需綜合平衡懸浮載體流道、流化及整體形狀。

作者簡(jiǎn)介：張亞莉，高級(jí)工程師，主要從事市政給排水設(shè)計(jì)工作。

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）是污水廠提標(biāo)改造或新建的常規(guī)工藝之一，國(guó)內(nèi)應(yīng)用規(guī)模已超過(guò)2 500×10⁴m³/d，其中市政污水領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模已超過(guò)2 000×10⁴m³/d。懸浮載體是MBBR的核心設(shè)備之一，其主要功能是為微生物的附著提供場(chǎng)所。單位體積懸浮載體能夠?yàn)槲⑸飹炷ぬ峁┍Ｗo(hù)且傳質(zhì)傳氧良好的部分被稱(chēng)為有效比表面積（ESSA），是計(jì)算懸浮載體最終投加量的關(guān)鍵參數(shù)。懸浮載體的有效比表面積與總比表面積（TSSA）不同，在實(shí)際應(yīng)用中，由于懸浮載體本身的構(gòu)造和系統(tǒng)的水力特性，導(dǎo)致其某些部位并不能富集生物膜。一般ESSA/TSSA為0.6～0.8，與具體懸浮載體產(chǎn)品相關(guān)。若采用TSSA替代ESSA，則可能面臨懸浮載體投加量不足的風(fēng)險(xiǎn)，影響出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。為此，從懸浮載體實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，以表面負(fù)荷為評(píng)定基準(zhǔn)，研究了ESSA的生物測(cè)定方法，并評(píng)估了低負(fù)荷和高負(fù)荷培養(yǎng)條件下結(jié)果的差異性，以期為懸浮載體ESSA的測(cè)定提供新思路，為懸浮載體的選型提供依據(jù)。

01 MBBR工藝設(shè)計(jì)與有效比表面積

與傳統(tǒng)活性污泥法采用容積負(fù)荷或污泥負(fù)荷作為設(shè)計(jì)參數(shù)不同，MBBR工藝采用表面負(fù)荷（Ls），即單位有效表面積的懸浮載體每天能夠處理的污染物量作為設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)污染物去除量和表面負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出總有效表面積（TESA），以此參數(shù)作為招投標(biāo)依據(jù)。不同類(lèi)型的懸浮載體，TESA相同時(shí)，由于ESSA不同，導(dǎo)致體積不同，這種方式有利于規(guī)避特定專(zhuān)利產(chǎn)品，有利于MBBR細(xì)分領(lǐng)域的發(fā)展。根據(jù)所選懸浮載體的ESSA，可最終獲得懸浮載體的體積或質(zhì)量，便于驗(yàn)收。

在CJ/T 461―2014標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了部分產(chǎn)品的ESSA，并建議采用幾何測(cè)量加和法測(cè)定懸浮載體的ESSA。由于懸浮載體尺寸較小，幾何尺寸的誤差可能會(huì)給ESSA帶來(lái)更大誤差，故也有借助顯微鏡進(jìn)行幾何尺寸的測(cè)定，以增強(qiáng)測(cè)定的準(zhǔn)確性，但仍屬于幾何測(cè)量加和法范疇。另外，也有采用懸浮載體堆積密度、材料密度、平均壁厚方式測(cè)定總比表面積，稱(chēng)之為測(cè)量壁厚換算法，但平均壁厚比懸浮載體內(nèi)邊角尺寸更小，測(cè)定仍基于幾何法。從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，以上兩種計(jì)算方法均不能準(zhǔn)確區(qū)分ESSA和TSSA。幾何測(cè)量加和法與測(cè)量壁厚換算法均可能存在一定的局限性，只能給出懸浮載體的TSSA上限，并不能獲得準(zhǔn)確的ESSA數(shù)據(jù)，并且缺乏第三方的論證。既然表面負(fù)荷是生化數(shù)據(jù)，與之對(duì)應(yīng)的ESSA測(cè)定理應(yīng)采用生物法，即在一定條件下培養(yǎng)，以標(biāo)準(zhǔn)的懸浮載體為參比，通過(guò)對(duì)比最終各懸浮載體處理性能的差別核算各自的ESSA。

02 試驗(yàn)方法

2.1 懸浮載體的選取

K3型懸浮載體的ESSA為500 m²/m³，為較早的應(yīng)用于MBBR工藝的懸浮載體，已得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。故以K3型懸浮載體為基準(zhǔn)，以硝化性能為參考，選取6種不同類(lèi)型的懸浮載體（依次標(biāo)記為C1～C6），采用生物法測(cè)定其ESSA。其中，C1為威立雅K1型懸浮載體，用以驗(yàn)證生物法測(cè)定懸浮載體ESSA的準(zhǔn)確性，C2～C6為待檢驗(yàn)懸浮載體。待檢懸浮載體中C3為SPR-Ⅱ型，C4為SPR-Ⅲ型，C5的外觀除高度外與SPR-Ⅲ相同，C2和C6為市場(chǎng)采購(gòu)的其他懸浮載體，各類(lèi)懸浮載體的規(guī)格見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，由儲(chǔ)備液罐、原水罐和反應(yīng)器組成。7個(gè)反應(yīng)器分別記作R1～R7，有效容積均為18 L，對(duì)應(yīng)的懸浮載體分別為K3、C1～C6，懸浮載體標(biāo)號(hào)總有效表面積均為4.5 m²，懸浮載體填充率分別為50.0%、50.0%、50.0%、40.3%、31.3%、31.3%、29.4%。各反應(yīng)器均配有曝氣系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)充氧并維持懸浮載體的流化，同時(shí)配有在線pH和DO探頭，以維持穩(wěn)定、相同的試驗(yàn)條件。

2.3 試驗(yàn)階段劃分

試驗(yàn)分為啟動(dòng)期、低負(fù)荷運(yùn)行期和高負(fù)荷運(yùn)行期3個(gè)階段，共運(yùn)行112 d，以逐步提升流量的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動(dòng)。運(yùn)行期間控制DO>6 mg/L，溫度在20～22 ℃之間，其他參數(shù)見(jiàn)表2。

03 結(jié)果與討論

3.1生物法測(cè)定懸浮載體的有效比表面積

反應(yīng)器在各階段的運(yùn)行效果如圖2所示。反應(yīng)器采用保持進(jìn)水氨氮濃度恒定、逐步提升進(jìn)水流量的啟動(dòng)方式，未接種活性污泥，自然掛膜，各反應(yīng)器的調(diào)控保持一致。除K3外，其余懸浮載體的ESSA均為待測(cè)，故文中所述表面負(fù)荷均以K3為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)行8 d后，各系統(tǒng)出水氨氮均實(shí)現(xiàn)了快速降低，R1反應(yīng)器的氨氮去除率達(dá)到90%以上，硝化表面負(fù)荷達(dá)到0.26 g/（m²?d）。隨后開(kāi)始提升進(jìn)水流量，運(yùn)行16 d后，R1反應(yīng)器的硝化表面負(fù)荷已達(dá)到0.62 g/（m²?d）。運(yùn)行40 d后進(jìn)水流量達(dá)到140 L/d的目標(biāo)值。此時(shí)，懸浮載體掛膜狀態(tài)密實(shí)，各反應(yīng)器出水氨氮濃度均穩(wěn)定低于1.0 mg/L，系統(tǒng)進(jìn)入低負(fù)荷運(yùn)行期。

在低負(fù)荷運(yùn)行期，各系統(tǒng)的實(shí)際進(jìn)水氨氮負(fù)荷為9.86 g/d，R1反應(yīng)器的氨氮去除率達(dá)到99.54%，硝化表面負(fù)荷為2.18 g/（m²?d）。由于C1～C6型懸浮載體的ESSA均為待測(cè)定指標(biāo)，故只核算了R2～R7的硝化性能，分別為9.82、9.33、9.83、9.81、9.84、9.26 g/d，計(jì)算得到的ESSA見(jiàn)圖3。隨后控制進(jìn)水流量不變，將進(jìn)水氨氮濃度提高至100 mg/L，系統(tǒng)進(jìn)入高負(fù)荷運(yùn)行期，實(shí)際進(jìn)水氨氮負(fù)荷為14.68 g/d，是低負(fù)荷的1.49倍。在該階段，隨著進(jìn)水負(fù)荷的提升，各系統(tǒng)的處理能力也得到了提升。穩(wěn)定運(yùn)行期間，R1反應(yīng)器的氨氮去除率達(dá)到99.04%，硝化表面負(fù)荷為3.23 g/（m²?d）。同樣核算R2～R7的實(shí)際硝化性能分別為14.52、13.37、13.62、13.32、14.32、12.82 g/d，計(jì)算得到的ESSA見(jiàn)圖3。可以看出，在低負(fù)荷條件下，除C2和C6外，其余懸浮載體的ESSA測(cè)定結(jié)果與標(biāo)號(hào)值基本相符；C2、C6的ESSA相對(duì)偏差分別為-5.0%、-5.5%。在高負(fù)荷條件下，懸浮載體的ESSA實(shí)測(cè)值均低于標(biāo)號(hào)值，C1～C6的ESSA相對(duì)偏差分別為-0.2%、-8.0%、-6.3%、-8.5%、-1.6%、-11.8%。C1為MBBR工藝較早應(yīng)用的K1型懸浮載體，測(cè)定結(jié)果顯示，不論是低負(fù)荷還是高負(fù)荷，其ESSA測(cè)定值基本為500 m²/m³，間接驗(yàn)證了采用生物法測(cè)定懸浮載體ESSA的有效性。

從圖3還可以看出，在低負(fù)荷條件下，除C1的ESSA測(cè)定值等于標(biāo)號(hào)值，C3、C5的ESSA測(cè)定值略高于標(biāo)號(hào)值外，其余懸浮載體的ESSA測(cè)定值均低于標(biāo)號(hào)值。C2和C6的ESSA測(cè)定值偏差較大，達(dá)到了5%以上，而在高負(fù)荷條件下，該值繼續(xù)擴(kuò)大到了8%以上，說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這兩種懸浮載體的ESSA標(biāo)號(hào)值存在一定的誤差，應(yīng)防止實(shí)際應(yīng)用時(shí)ESSA不足導(dǎo)致的出水超標(biāo)問(wèn)題。C3～C5雖然在低負(fù)荷條件下的ESSA測(cè)定值與標(biāo)號(hào)值相差不大，但在高負(fù)荷條件下也出現(xiàn)了較大的偏差，說(shuō)明隨著應(yīng)用場(chǎng)景的切換，各類(lèi)型懸浮載體能夠提供的ESSA也會(huì)隨之變化。對(duì)于一般的生活污水，進(jìn)水氨氮濃度大多低于70 mg/L，低負(fù)荷條件下的ESSA測(cè)定結(jié)果對(duì)于常規(guī)生活污水更具有工程價(jià)值。另外可以看出，在容積負(fù)荷相差不大的情況下，隨著懸浮載體ESSA的增加，其投加量（填充率）降低。采用較大ESSA的懸浮載體，能夠更大范圍內(nèi)強(qiáng)化系統(tǒng)的處理性能，也能夠?yàn)槲鬯畯S持續(xù)提標(biāo)、提量提供生物基礎(chǔ)。對(duì)于高負(fù)荷系統(tǒng)，主要是處理工業(yè)廢水，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加安全系數(shù)，從而彌補(bǔ)高負(fù)荷條件下懸浮載體ESSA的降低。綜上可知，采用生物法測(cè)定懸浮載體的ESSA具有一定的實(shí)際意義。

在不同運(yùn)行期懸浮載體的生物量見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，各懸浮載體之間由于直徑、高度存在差異，其生物量無(wú)明顯的變化規(guī)律，無(wú)可比性。而對(duì)于同一懸浮載體，隨著進(jìn)水負(fù)荷的提高，其生物量均出現(xiàn)了不同程度的增加，也就意味著在ESSA一定的情況下，隨著生物量的提高，生物膜厚度也相應(yīng)增加。如圖5所示（從左到右生物膜逐漸增厚），生物膜厚度增加帶來(lái)的直接問(wèn)題就是流道孔徑的降低以及實(shí)際ESSA的降低。

為簡(jiǎn)化描述，將懸浮載體流道抽象為圓形，以流道直徑2.5 mm、高度10 mm為例，生物膜厚度每增大0.2 mm，流道直徑將縮小0.4 mm，流道周長(zhǎng)將縮小16%，直接接觸的ESSA也將縮小16%。同時(shí)，流道越小，毛細(xì)作用越顯著，表面張力越大，對(duì)傳質(zhì)的影響越大，不利于微生物代謝。此外，懸浮載體生物膜對(duì)污染物的去除作用依賴于傳質(zhì)傳氧過(guò)程，而DO及基質(zhì)傳質(zhì)能力有限，若生物膜增厚，雖然表觀生物量增加，但由于內(nèi)層基質(zhì)供給不足，并不能發(fā)揮處理效能，所以這部分由于生物膜增厚所帶來(lái)的生物量增長(zhǎng)并不能提高處理效率。以上兩個(gè)問(wèn)題也是導(dǎo)致在高負(fù)荷條件下懸浮載體ESSA降低的原因。所以MBBR工藝的運(yùn)行，應(yīng)更多地關(guān)注懸浮載體的有效表面積，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，從而直接提高處理效果，這也是懸浮載體投加量設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

3.2 懸浮載體ESSA的影響因素初探

為了提高M(jìn)BBR工藝的處理效能，新型懸浮載體的開(kāi)發(fā)應(yīng)朝著ESSA更大的方向發(fā)展。結(jié)合表1和圖3對(duì)懸浮載體ESSA的影響因素進(jìn)行分析。

① 通道形狀的影響：懸浮載體K3和C3的直徑、高度、通道數(shù)都一樣，通過(guò)優(yōu)化通道形狀可以提高其ESSA，同時(shí)，蜂窩狀受力結(jié)構(gòu)更優(yōu)，有利于維系懸浮載體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，確保其使用壽命。

② 通道數(shù)的影響：C3和C4的直徑、高度、通道形狀均一致，通過(guò)優(yōu)化分格后，C4的通道數(shù)由C3的19增至37，在一定程度上增加了ESSA，但并非按照通道數(shù)比例增加。通道數(shù)不能一味地增加，如C4的通道數(shù)比C3增加了近1倍，但ESSA僅增加了29%；如C4和C6，在通道數(shù)由37增至64后，懸浮載體的ESSA并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)，這是因?yàn)橥ǖ罃?shù)增加，則通道變小，傳質(zhì)傳氧將更加困難，對(duì)于流化要求更高。試驗(yàn)是在相同流化條件下進(jìn)行的，故實(shí)測(cè)顯示其ESSA未明顯增長(zhǎng)。流道越小，越需要較強(qiáng)的剪切力條件來(lái)促使生物膜效果的表達(dá)。

③ 高度的影響：對(duì)比C4和C5，兩者的通道數(shù)量、直徑和通道形狀均一致，但高度不一樣，這對(duì)ESSA的影響有限；但是，減少高度對(duì)于強(qiáng)化通道內(nèi)的傳質(zhì)效率有積極意義，所以在高負(fù)荷條件下，C5的實(shí)際ESSA較C4更接近于標(biāo)號(hào)值。

綜上，要想實(shí)現(xiàn)懸浮載體ESSA的增加，需綜合平衡流道、流化及整體形狀。

04 結(jié)論與建議

采用生物法實(shí)測(cè)市面常見(jiàn)的6種不同類(lèi)型懸浮載體，在低負(fù)荷條件下，符合行標(biāo)產(chǎn)品的標(biāo)號(hào)ESSA與實(shí)測(cè)值偏差不大，非行標(biāo)產(chǎn)品具有5.0%以上的負(fù)偏差；高負(fù)荷條件下，各類(lèi)產(chǎn)品的ESSA實(shí)測(cè)值均存在一定偏差，主要原因是生物膜增厚，擠占了有效表面積。

生物法測(cè)定懸浮載體的有效比表面積，具有準(zhǔn)確可靠、可重現(xiàn)性強(qiáng)、結(jié)合實(shí)際水質(zhì)等特點(diǎn)，更具有工程實(shí)踐意義。對(duì)于常規(guī)的市政污水處理，低負(fù)荷下的測(cè)定結(jié)果更具有工程價(jià)值，如果條件允許，采用實(shí)際污水培養(yǎng)更接近工程結(jié)果；而對(duì)于高負(fù)荷進(jìn)水，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置安全系數(shù)，防止ESSA不足。懸浮載體的ESSA越大，應(yīng)用時(shí)負(fù)荷彈性越大，可為污水廠持續(xù)提標(biāo)、提量提供生物基礎(chǔ)。新型懸浮載體的開(kāi)發(fā)，應(yīng)朝著ESSA更大的方向發(fā)展，需綜合平衡懸浮載體流道、流化及整體形狀。