MBBR應用要點 | 懸浮載體有效比表面積的生物測定方法
摘要：懸浮載體有效比表面積（ESSA）的測定，對于準確設計懸浮載體投加量至關重要。采用生物法測定ESSA，以行業公認的K3型懸浮載體作為參比，將待測懸浮載體與K3置于相同條件下掛膜培養至穩定，通過穩定期各懸浮載體的處理性能并參比K3的表面負荷來測算ESSA。對于市面常見的6種不同類型懸浮載體，在低負荷培養條件下，符合行標產品的標號ESSA與實測值偏差不大，而非行標產品具有5.0%以上的負偏差；在高負荷培養條件下，各類產品均存在一定偏差，主要原因是生物膜增厚，擠占了有效表面積。采用生物法測定懸浮載體有效比表面積，具有準確可靠、可重現性強、結合實際水質等特點，更具有工程實際意義。對于常規的市政污水處理，低負荷下的測定結果更具備工程價值，如果條件允許，采用實際污水培養更接近工程結果；而對于高負荷進水，設計時應考慮設置安全系數，防止ESSA不足。懸浮載體的ESSA越大，應用時負荷彈性越大，可為污水廠持續提標、提量提供生物基礎。新型懸浮載體的開發，應朝著ESSA更大的方向發展，需綜合平衡懸浮載體流道、流化及整體形狀。
作者簡介：張亞莉，高級工程師，主要從事市政給排水設計工作。
移動床生物膜反應器（MBBR）是污水廠提標改造或新建的常規工藝之一，國內應用規模已超過2 500×104m3/d，其中市政污水領域應用規模已超過2 000×104m3/d。懸浮載體是MBBR的核心設備之一，其主要功能是為微生物的附著提供場所。單位體積懸浮載體能夠為微生物掛膜提供保護且傳質傳氧良好的部分被稱為有效比表面積（ESSA），是計算懸浮載體最終投加量的關鍵參數。懸浮載體的有效比表面積與總比表面積（TSSA）不同，在實際應用中，由于懸浮載體本身的構造和系統的水力特性，導致其某些部位并不能富集生物膜。一般ESSA/TSSA為0.6～0.8，與具體懸浮載體產品相關。若采用TSSA替代ESSA，則可能面臨懸浮載體投加量不足的風險，影響出水水質的穩定性。為此，從懸浮載體實際應用角度出發，以表面負荷為評定基準，研究了ESSA的生物測定方法，并評估了低負荷和高負荷培養條件下結果的差異性，以期為懸浮載體ESSA的測定提供新思路，為懸浮載體的選型提供依據。
01 MBBR工藝設計與有效比表面積
與傳統活性污泥法采用容積負荷或污泥負荷作為設計參數不同，MBBR工藝采用表面負荷（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計參數。根據污染物去除量和表面負荷進行設計，得出總有效表面積（TESA），以此參數作為招投標依據。不同類型的懸浮載體，TESA相同時，由于ESSA不同，導致體積不同，這種方式有利于規避特定專利產品，有利于MBBR細分領域的發展。根據所選懸浮載體的ESSA，可最終獲得懸浮載體的體積或質量，便于驗收。
在CJ/T 461—2014標準中規定了部分產品的ESSA，并建議采用幾何測量加和法測定懸浮載體的ESSA。由于懸浮載體尺寸較小，幾何尺寸的誤差可能會給ESSA帶來更大誤差，故也有借助顯微鏡進行幾何尺寸的測定，以增強測定的準確性，但仍屬于幾何測量加和法范疇。另外，也有采用懸浮載體堆積密度、材料密度、平均壁厚方式測定總比表面積，稱之為測量壁厚換算法，但平均壁厚比懸浮載體內邊角尺寸更小，測定仍基于幾何法。從實際應用角度考慮，以上兩種計算方法均不能準確區分ESSA和TSSA。幾何測量加和法與測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，并不能獲得準確的ESSA數據，并且缺乏第三方的論證。既然表面負荷是生化數據，與之對應的ESSA測定理應采用生物法，即在一定條件下培養，以標準的懸浮載體為參比，通過對比最終各懸浮載體處理性能的差別核算各自的ESSA。
02 試驗方法
2.1 懸浮載體的選取
K3型懸浮載體的ESSA為500 m2/m3，為較早的應用于MBBR工藝的懸浮載體，已得到了業界的廣泛認可。故以K3型懸浮載體為基準，以硝化性能為參考，選取6種不同類型的懸浮載體（依次標記為C1～C6），采用生物法測定其ESSA。其中，C1為威立雅K1型懸浮載體，用以驗證生物法測定懸浮載體ESSA的準確性，C2～C6為待檢驗懸浮載體。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為市場采購的其他懸浮載體，各類懸浮載體的規格見表1。
2.2 試驗裝置
試驗裝置見圖1，由儲備液罐、原水罐和反應器組成。7個反應器分別記作R1～R7，有效容積均為18 L，對應的懸浮載體分別為K3、C1～C6，懸浮載體標號總有效表面積均為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%。各反應器均配有曝氣系統，以實現充氧并維持懸浮載體的流化，同時配有在線pH和DO探頭，以維持穩定、相同的試驗條件。
2.3 試驗階段劃分
試驗分為啟動期、低負荷運行期和高負荷運行期3個階段，共運行112 d，以逐步提升流量的方式實現系統的快速啟動。運行期間控制DO>6 mg/L，溫度在20～22 ℃之間，其他參數見表2。
03 結果與討論
3.1生物法測定懸浮載體的有效比表面積
反應器在各階段的運行效果如圖2所示。反應器采用保持進水氨氮濃度恒定、逐步提升進水流量的啟動方式，未接種活性污泥，自然掛膜，各反應器的調控保持一致。除K3外，其余懸浮載體的ESSA均為待測，故文中所述表面負荷均以K3為標準進行計算。運行8 d后，各系統出水氨氮均實現了快速降低，R1反應器的氨氮去除率達到90%以上，硝化表面負荷達到0.26 g/（m2?d）。隨后開始提升進水流量，運行16 d后，R1反應器的硝化表面負荷已達到0.62 g/（m2?d）。運行40 d后進水流量達到140 L/d的目標值。此時，懸浮載體掛膜狀態密實，各反應器出水氨氮濃度均穩定低于1.0 mg/L，系統進入低負荷運行期。
在低負荷運行期，各系統的實際進水氨氮負荷為9.86 g/d，R1反應器的氨氮去除率達到99.54%，硝化表面負荷為2.18 g/（m2?d）。由于C1～C6型懸浮載體的ESSA均為待測定指標，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，計算得到的ESSA見圖3。隨后控制進水流量不變，將進水氨氮濃度提高至100 mg/L，系統進入高負荷運行期，實際進水氨氮負荷為14.68 g/d，是低負荷的1.49倍。在該階段，隨著進水負荷的提升，各系統的處理能力也得到了提升。穩定運行期間，R1反應器的氨氮去除率達到99.04%，硝化表面負荷為3.23 g/（m2?d）。同樣核算R2～R7的實際硝化性能分別為14.52、13.37、13.62、13.32、14.32、12.82 g/d，計算得到的ESSA見圖3。可以看出，在低負荷條件下，除C2和C6外，其余懸浮載體的ESSA測定結果與標號值基本相符；C2、C6的ESSA相對偏差分別為-5.0%、-5.5%。在高負荷條件下，懸浮載體的ESSA實測值均低于標號值，C1～C6的ESSA相對偏差分別為-0.2%、-8.0%、-6.3%、-8.5%、-1.6%、-11.8%。C1為MBBR工藝較早應用的K1型懸浮載體，測定結果顯示，不論是低負荷還是高負荷，其ESSA測定值基本為500 m2/m3，間接驗證了采用生物法測定懸浮載體ESSA的有效性。
從圖3還可以看出，在低負荷條件下，除C1的ESSA測定值等于標號值，C3、C5的ESSA測定值略高于標號值外，其余懸浮載體的ESSA測定值均低于標號值。C2和C6的ESSA測定值偏差較大，達到了5%以上，而在高負荷條件下，該值繼續擴大到了8%以上，說明在實際應用過程中，這兩種懸浮載體的ESSA標號值存在一定的誤差，應防止實際應用時ESSA不足導致的出水超標問題。C3～C5雖然在低負荷條件下的ESSA測定值與標號值相差不大，但在高負荷條件下也出現了較大的偏差，說明隨著應用場景的切換，各類型懸浮載體能夠提供的ESSA也會隨之變化。對于一般的生活污水，進水氨氮濃度大多低于70 mg/L，低負荷條件下的ESSA測定結果對于常規生活污水更具有工程價值。另外可以看出，在容積負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，能夠更大范圍內強化系統的處理性能，也能夠為污水廠持續提標、提量提供生物基礎。對于高負荷系統，主要是處理工業廢水，設計時應增加安全系數，從而彌補高負荷條件下懸浮載體ESSA的降低。綜上可知，采用生物法測定懸浮載體的ESSA具有一定的實際意義。
在不同運行期懸浮載體的生物量見圖4。可以看出，各懸浮載體之間由于直徑、高度存在差異，其生物量無明顯的變化規律，無可比性。而對于同一懸浮載體，隨著進水負荷的提高，其生物量均出現了不同程度的增加，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的直接問題就是流道孔徑的降低以及實際ESSA的降低。
為簡化描述，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，流道周長將縮小16%，直接接觸的ESSA也將縮小16%。同時，流道越小，毛細作用越顯著，表面張力越大，對傳質的影響越大，不利于微生物代謝。此外，懸浮載體生物膜對污染物的去除作用依賴于傳質傳氧過程，而DO及基質傳質能力有限，若生物膜增厚，雖然表觀生物量增加，但由于內層基質供給不足，并不能發揮處理效能，所以這部分由于生物膜增厚所帶來的生物量增長并不能提高處理效率。以上兩個問題也是導致在高負荷條件下懸浮載體ESSA降低的原因。所以MBBR工藝的運行，應更多地關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及良好傳質的有效表面積，從而直接提高處理效果，這也是懸浮載體投加量設計的重要依據。
3.2 懸浮載體ESSA的影響因素初探
為了提高MBBR工藝的處理效能，新型懸浮載體的開發應朝著ESSA更大的方向發展。結合表1和圖3對懸浮載體ESSA的影響因素進行分析。
① 通道形狀的影響：懸浮載體K3和C3的直徑、高度、通道數都一樣，通過優化通道形狀可以提高其ESSA，同時，蜂窩狀受力結構更優，有利于維系懸浮載體結構的穩定，確保其使用壽命。
② 通道數的影響：C3和C4的直徑、高度、通道形狀均一致，通過優化分格后，C4的通道數由C3的19增至37，在一定程度上增加了ESSA，但并非按照通道數比例增加。通道數不能一味地增加，如C4的通道數比C3增加了近1倍，但ESSA僅增加了29%；如C4和C6，在通道數由37增至64后，懸浮載體的ESSA并沒有表現出明顯的增長，這是因為通道數增加，則通道變小，傳質傳氧將更加困難，對于流化要求更高。試驗是在相同流化條件下進行的，故實測顯示其ESSA未明顯增長。流道越小，越需要較強的剪切力條件來促使生物膜效果的表達。
③ 高度的影響：對比C4和C5，兩者的通道數量、直徑和通道形狀均一致，但高度不一樣，這對ESSA的影響有限；但是，減少高度對于強化通道內的傳質效率有積極意義，所以在高負荷條件下，C5的實際ESSA較C4更接近于標號值。
綜上，要想實現懸浮載體ESSA的增加，需綜合平衡流道、流化及整體形狀。
04 結論與建議
采用生物法實測市面常見的6種不同類型懸浮載體，在低負荷條件下，符合行標產品的標號ESSA與實測值偏差不大，非行標產品具有5.0%以上的負偏差；高負荷條件下，各類產品的ESSA實測值均存在一定偏差，主要原因是生物膜增厚，擠占了有效表面積。
生物法測定懸浮載體的有效比表面積，具有準確可靠、可重現性強、結合實際水質等特點，更具有工程實踐意義。對于常規的市政污水處理，低負荷下的測定結果更具有工程價值，如果條件允許，采用實際污水培養更接近工程結果；而對于高負荷進水，設計時應考慮設置安全系數，防止ESSA不足。懸浮載體的ESSA越大，應用時負荷彈性越大，可為污水廠持續提標、提量提供生物基礎。新型懸浮載體的開發，應朝著ESSA更大的方向發展，需綜合平衡懸浮載體流道、流化及整體形狀。
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