MBBR应用要点 | 悬浮载体有效比表面积的生物测定方法
摘要：悬浮载体有效比表面积（ESSA）的测定，对于准确设计悬浮载体投加量至关重要。采用生物法测定ESSA，以行业公认的K3型悬浮载体作为参比，将待测悬浮载体与K3置于相同条件下挂膜培养至稳定，通过稳定期各悬浮载体的处理性能并参比K3的表面负荷来测算ESSA。对于市面常见的6种不同类型悬浮载体，在低负荷培养条件下，符合行标产品的标号ESSA与实测值偏差不大，而非行标产品具有5.0%以上的负偏差；在高负荷培养条件下，各类产品均存在一定偏差，主要原因是生物膜增厚，挤占了有效表面积。采用生物法测定悬浮载体有效比表面积，具有准确可靠、可重现性强、结合实际水质等特点，更具有工程实际意义。对于常规的市政污水处理，低负荷下的测定结果更具备工程价值，如果条件允许，采用实际污水培养更接近工程结果；而对于高负荷进水，设计时应考虑设置安全系数，防止ESSA不足。悬浮载体的ESSA越大，应用时负荷弹性越大，可为污水厂持续提标、提量提供生物基础。新型悬浮载体的开发，应朝着ESSA更大的方向发展，需综合平衡悬浮载体流道、流化及整体形状。
作者简介：张亚莉，高级工程师，主要从事市政给排水设计工作。
移动床生物膜反应器（MBBR）是污水厂提标改造或新建的常规工艺之一，国内应用规模已超过2 500×104m3/d，其中市政污水领域应用规模已超过2 000×104m3/d。悬浮载体是MBBR的核心设备之一，其主要功能是为微生物的附着提供场所。单位体积悬浮载体能够为微生物挂膜提供保护且传质传氧良好的部分被称为有效比表面积（ESSA），是计算悬浮载体最终投加量的关键参数。悬浮载体的有效比表面积与总比表面积（TSSA）不同，在实际应用中，由于悬浮载体本身的构造和系统的水力特性，导致其某些部位并不能富集生物膜。一般ESSA/TSSA为0.6～0.8，与具体悬浮载体产品相关。若采用TSSA替代ESSA，则可能面临悬浮载体投加量不足的风险，影响出水水质的稳定性。为此，从悬浮载体实际应用角度出发，以表面负荷为评定基准，研究了ESSA的生物测定方法，并评估了低负荷和高负荷培养条件下结果的差异性，以期为悬浮载体ESSA的测定提供新思路，为悬浮载体的选型提供依据。
01 MBBR工艺设计与有效比表面积
与传统活性污泥法采用容积负荷或污泥负荷作为设计参数不同，MBBR工艺采用表面负荷（Ls），即单位有效表面积的悬浮载体每天能够处理的污染物量作为设计参数。根据污染物去除量和表面负荷进行设计，得出总有效表面积（TESA），以此参数作为招投标依据。不同类型的悬浮载体，TESA相同时，由于ESSA不同，导致体积不同，这种方式有利于规避特定专利产品，有利于MBBR细分领域的发展。根据所选悬浮载体的ESSA，可最终获得悬浮载体的体积或质量，便于验收。
在CJ/T 461—2014标准中规定了部分产品的ESSA，并建议采用几何测量加和法测定悬浮载体的ESSA。由于悬浮载体尺寸较小，几何尺寸的误差可能会给ESSA带来更大误差，故也有借助显微镜进行几何尺寸的测定，以增强测定的准确性，但仍属于几何测量加和法范畴。另外，也有采用悬浮载体堆积密度、材料密度、平均壁厚方式测定总比表面积，称之为测量壁厚换算法，但平均壁厚比悬浮载体内边角尺寸更小，测定仍基于几何法。从实际应用角度考虑，以上两种计算方法均不能准确区分ESSA和TSSA。几何测量加和法与测量壁厚换算法均可能存在一定的局限性，只能给出悬浮载体的TSSA上限，并不能获得准确的ESSA数据，并且缺乏第三方的论证。既然表面负荷是生化数据，与之对应的ESSA测定理应采用生物法，即在一定条件下培养，以标准的悬浮载体为参比，通过对比最终各悬浮载体处理性能的差别核算各自的ESSA。
02 试验方法
2.1 悬浮载体的选取
K3型悬浮载体的ESSA为500 m2/m3，为较早的应用于MBBR工艺的悬浮载体，已得到了业界的广泛认可。故以K3型悬浮载体为基准，以硝化性能为参考，选取6种不同类型的悬浮载体（依次标记为C1～C6），采用生物法测定其ESSA。其中，C1为威立雅K1型悬浮载体，用以验证生物法测定悬浮载体ESSA的准确性，C2～C6为待检验悬浮载体。待检悬浮载体中C3为SPR-Ⅱ型，C4为SPR-Ⅲ型，C5的外观除高度外与SPR-Ⅲ相同，C2和C6为市场采购的其他悬浮载体，各类悬浮载体的规格见表1。
2.2 试验装置
试验装置见图1，由储备液罐、原水罐和反应器组成。7个反应器分别记作R1～R7，有效容积均为18 L，对应的悬浮载体分别为K3、C1～C6，悬浮载体标号总有效表面积均为4.5 m2，悬浮载体填充率分别为50.0%、50.0%、50.0%、40.3%、31.3%、31.3%、29.4%。各反应器均配有曝气系统，以实现充氧并维持悬浮载体的流化，同时配有在线pH和DO探头，以维持稳定、相同的试验条件。
2.3 试验阶段划分
试验分为启动期、低负荷运行期和高负荷运行期3个阶段，共运行112 d，以逐步提升流量的方式实现系统的快速启动。运行期间控制DO>6 mg/L，温度在20～22 ℃之间，其他参数见表2。
03 结果与讨论
3.1生物法测定悬浮载体的有效比表面积
反应器在各阶段的运行效果如图2所示。反应器采用保持进水氨氮浓度恒定、逐步提升进水流量的启动方式，未接种活性污泥，自然挂膜，各反应器的调控保持一致。除K3外，其余悬浮载体的ESSA均为待测，故文中所述表面负荷均以K3为标准进行计算。运行8 d后，各系统出水氨氮均实现了快速降低，R1反应器的氨氮去除率达到90%以上，硝化表面负荷达到0.26 g/（m2∙d）。随后开始提升进水流量，运行16 d后，R1反应器的硝化表面负荷已达到0.62 g/（m2∙d）。运行40 d后进水流量达到140 L/d的目标值。此时，悬浮载体挂膜状态密实，各反应器出水氨氮浓度均稳定低于1.0 mg/L，系统进入低负荷运行期。
在低负荷运行期，各系统的实际进水氨氮负荷为9.86 g/d，R1反应器的氨氮去除率达到99.54%，硝化表面负荷为2.18 g/（m2∙d）。由于C1～C6型悬浮载体的ESSA均为待测定指标，故只核算了R2～R7的硝化性能，分别为9.82、9.33、9.83、9.81、9.84、9.26 g/d，计算得到的ESSA见图3。随后控制进水流量不变，将进水氨氮浓度提高至100 mg/L，系统进入高负荷运行期，实际进水氨氮负荷为14.68 g/d，是低负荷的1.49倍。在该阶段，随着进水负荷的提升，各系统的处理能力也得到了提升。稳定运行期间，R1反应器的氨氮去除率达到99.04%，硝化表面负荷为3.23 g/（m2∙d）。同样核算R2～R7的实际硝化性能分别为14.52、13.37、13.62、13.32、14.32、12.82 g/d，计算得到的ESSA见图3。可以看出，在低负荷条件下，除C2和C6外，其余悬浮载体的ESSA测定结果与标号值基本相符；C2、C6的ESSA相对偏差分别为-5.0%、-5.5%。在高负荷条件下，悬浮载体的ESSA实测值均低于标号值，C1～C6的ESSA相对偏差分别为-0.2%、-8.0%、-6.3%、-8.5%、-1.6%、-11.8%。C1为MBBR工艺较早应用的K1型悬浮载体，测定结果显示，不论是低负荷还是高负荷，其ESSA测定值基本为500 m2/m3，间接验证了采用生物法测定悬浮载体ESSA的有效性。
从图3还可以看出，在低负荷条件下，除C1的ESSA测定值等于标号值，C3、C5的ESSA测定值略高于标号值外，其余悬浮载体的ESSA测定值均低于标号值。C2和C6的ESSA测定值偏差较大，达到了5%以上，而在高负荷条件下，该值继续扩大到了8%以上，说明在实际应用过程中，这两种悬浮载体的ESSA标号值存在一定的误差，应防止实际应用时ESSA不足导致的出水超标问题。C3～C5虽然在低负荷条件下的ESSA测定值与标号值相差不大，但在高负荷条件下也出现了较大的偏差，说明随着应用场景的切换，各类型悬浮载体能够提供的ESSA也会随之变化。对于一般的生活污水，进水氨氮浓度大多低于70 mg/L，低负荷条件下的ESSA测定结果对于常规生活污水更具有工程价值。另外可以看出，在容积负荷相差不大的情况下，随着悬浮载体ESSA的增加，其投加量（填充率）降低。采用较大ESSA的悬浮载体，能够更大范围内强化系统的处理性能，也能够为污水厂持续提标、提量提供生物基础。对于高负荷系统，主要是处理工业废水，设计时应增加安全系数，从而弥补高负荷条件下悬浮载体ESSA的降低。综上可知，采用生物法测定悬浮载体的ESSA具有一定的实际意义。
在不同运行期悬浮载体的生物量见图4。可以看出，各悬浮载体之间由于直径、高度存在差异，其生物量无明显的变化规律，无可比性。而对于同一悬浮载体，随着进水负荷的提高，其生物量均出现了不同程度的增加，也就意味着在ESSA一定的情况下，随着生物量的提高，生物膜厚度也相应增加。如图5所示（从左到右生物膜逐渐增厚），生物膜厚度增加带来的直接问题就是流道孔径的降低以及实际ESSA的降低。
为简化描述，将悬浮载体流道抽象为圆形，以流道直径2.5 mm、高度10 mm为例，生物膜厚度每增大0.2 mm，流道直径将缩小0.4 mm，流道周长将缩小16%，直接接触的ESSA也将缩小16%。同时，流道越小，毛细作用越显著，表面张力越大，对传质的影响越大，不利于微生物代谢。此外，悬浮载体生物膜对污染物的去除作用依赖于传质传氧过程，而DO及基质传质能力有限，若生物膜增厚，虽然表观生物量增加，但由于内层基质供给不足，并不能发挥处理效能，所以这部分由于生物膜增厚所带来的生物量增长并不能提高处理效率。以上两个问题也是导致在高负荷条件下悬浮载体ESSA降低的原因。所以MBBR工艺的运行，应更多地关注悬浮载体的有效表面积，尤其是能够满足微生物富集生长及良好传质的有效表面积，从而直接提高处理效果，这也是悬浮载体投加量设计的重要依据。
3.2 悬浮载体ESSA的影响因素初探
为了提高MBBR工艺的处理效能，新型悬浮载体的开发应朝着ESSA更大的方向发展。结合表1和图3对悬浮载体ESSA的影响因素进行分析。
① 通道形状的影响：悬浮载体K3和C3的直径、高度、通道数都一样，通过优化通道形状可以提高其ESSA，同时，蜂窝状受力结构更优，有利于维系悬浮载体结构的稳定，确保其使用寿命。
② 通道数的影响：C3和C4的直径、高度、通道形状均一致，通过优化分格后，C4的通道数由C3的19增至37，在一定程度上增加了ESSA，但并非按照通道数比例增加。通道数不能一味地增加，如C4的通道数比C3增加了近1倍，但ESSA仅增加了29%；如C4和C6，在通道数由37增至64后，悬浮载体的ESSA并没有表现出明显的增长，这是因为通道数增加，则通道变小，传质传氧将更加困难，对于流化要求更高。试验是在相同流化条件下进行的，故实测显示其ESSA未明显增长。流道越小，越需要较强的剪切力条件来促使生物膜效果的表达。
③ 高度的影响：对比C4和C5，两者的通道数量、直径和通道形状均一致，但高度不一样，这对ESSA的影响有限；但是，减少高度对于强化通道内的传质效率有积极意义，所以在高负荷条件下，C5的实际ESSA较C4更接近于标号值。
综上，要想实现悬浮载体ESSA的增加，需综合平衡流道、流化及整体形状。
04 结论与建议
采用生物法实测市面常见的6种不同类型悬浮载体，在低负荷条件下，符合行标产品的标号ESSA与实测值偏差不大，非行标产品具有5.0%以上的负偏差；高负荷条件下，各类产品的ESSA实测值均存在一定偏差，主要原因是生物膜增厚，挤占了有效表面积。
生物法测定悬浮载体的有效比表面积，具有准确可靠、可重现性强、结合实际水质等特点，更具有工程实践意义。对于常规的市政污水处理，低负荷下的测定结果更具有工程价值，如果条件允许，采用实际污水培养更接近工程结果；而对于高负荷进水，设计时应考虑设置安全系数，防止ESSA不足。悬浮载体的ESSA越大，应用时负荷弹性越大，可为污水厂持续提标、提量提供生物基础。新型悬浮载体的开发，应朝着ESSA更大的方向发展，需综合平衡悬浮载体流道、流化及整体形状。
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