MBBR應(yīng)用要點(diǎn) | 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(zhǔn)確設(shè)計(jì)懸浮載體投加量至關(guān)重要。采用生物法測定ESSA，以行業(yè)公認(rèn)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(yǎng)至穩(wěn)定，通過穩(wěn)定期各懸浮載體的處理性能并參比K3的表面負(fù)荷來測算ESSA。對于市面常見的6種不同類型懸浮載體，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。對于常規(guī)的市政污水處理，低負(fù)荷下的測定結(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，國內(nèi)應(yīng)用規(guī)模已超過2 500×104m3/d，其中市政污水領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模已超過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(huì)給ESSA帶來更大誤差，故也有借助顯微鏡進(jìn)行幾何尺寸的測定，以增強(qiáng)測定的準(zhǔn)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(nèi)邊角尺寸更小，測定仍基于幾何法。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(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)，與之對應(yīng)的ESSA測定理應(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(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種不同類型的懸浮載體（依次標(biāo)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(yàn)證生物法測定懸浮載體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為市場采購的其他懸浮載體，各類懸浮載體的規(guī)格見表1。
2.2 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置見圖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)見表2。
03 結(jié)果與討論
3.1生物法測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，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測定結(jié)果與標(biāo)號(hào)值基本相符；C2、C6的ESSA相對偏差分別為-5.0%、-5.5%。在高負(fù)荷條件下，懸浮載體的ESSA實(shí)測值均低于標(biāo)號(hào)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(yīng)用的K1型懸浮載體，測定結(jié)果顯示，不論是低負(fù)荷還是高負(fù)荷，其ESSA測定值基本為500 m2/m3，間接驗(yàn)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(fù)荷條件下，除C1的ESSA測定值等于標(biāo)號(hào)值，C3、C5的ESSA測定值略高于標(biāo)號(hào)值外，其余懸浮載體的ESSA測定值均低于標(biāo)號(hào)值。C2和C6的ESSA測定值偏差較大，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，說明在實(shí)際應(yīng)用過程中，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)問題。C3～C5雖然在低負(fù)荷條件下的ESSA測定值與標(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，說明隨著應(yīng)用場景的切換，各類型懸浮載體能夠提供的ESSA也會(huì)隨之變化。對于一般的生活污水，進(jìn)水氨氮濃度大多低于70 mg/L，低負(fù)荷條件下的ESSA測定結(jié)果對于常規(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(guī)律，無可比性。而對于同一懸浮載體，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的直接問題就是流道孔徑的降低以及實(shí)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(shí)，流道越小，毛細(xì)作用越顯著，表面張力越大，對傳質(zhì)的影響越大，不利于微生物代謝。此外，懸浮載體生物膜對污染物的去除作用依賴于傳質(zhì)傳氧過程，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的生物量增長并不能提高處理效率。以上兩個(gè)問題也是導(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，新型懸浮載體的開發(fā)應(yīng)朝著ESSA更大的方向發(fā)展。結(jié)合表1和圖3對懸浮載體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并沒有表現(xiàn)出明顯的增長，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)測顯示其ESSA未明顯增長。流道越小，越需要較強(qiáng)的剪切力條件來促使生物膜效果的表達(dá)。
③ 高度的影響：對比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ESSA的影響有限；但是，減少高度對于強(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)測市面常見的6種不同類型懸浮載體，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，各類產(chǎn)品的ESSA實(shí)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(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。對于常規(guī)的市政污水處理，低負(fù)荷下的測定結(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。
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