工艺技术 探讨：悬浮载体填料标准解读与投加量设计

通过对行业标准《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》(CJ/T461—2014)的解读，分析了悬浮载体材质、形状选择、投加量设计、选型依据，阐述了有效比表面积的涵义及鉴别方法。悬浮载体应选用空心柱状的纯HDPE材质。


投加量以表面负荷为设计依据，其参数受温度、DO、有机负荷、基质出水浓度、pH值等影响。以悬浮载体填充率作为设计及选型合理性依据，保证流化及载体进一步扩容空间。有效比表面积可参考行业标准CJ/T461—2014计算方法及图样样例确定。工程实践中，多以有效表面积作为购置指标，并换算成体积或质量验收。

移动床生物膜工艺（MovingBedBiofilmReactor,MBBR）起源于20世纪90年代的挪威，至今已发展近30年，在国内外得到广泛应用。国内自2008年在无锡芦村成功实施一级A升级改造以来，已完成超过80项工程项目，累计处理水量超过700×104m3/d，并在解决低温、高盐、强冲击等方面表现出极大的优势和稳定性，应用于市政污水、工业废水等领域。随着MBBR的推广，关于悬浮载体标准及工艺设计问题被广泛讨论。

2015年，住建部牵头，由国家城市给水排水工程技术研究中心起草的《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》（CJ/T461—2014）（以下简称《行业标准》）正式实施，为规范悬浮载体参数及设计提供了重要依据。在解读《行业标准》相关概念及意义的基础上，结合工程实践讨论MBBR设计依据，为工程实施提供技术支持。

1悬浮载体材质及设计

《行业标准》中，界定了适用范围为高密度聚乙烯（HDPE）悬浮载体，并未将PP、PS、ABS、PVDF、PVC等其他材质纳入。对比各系列材质，需综合考虑材料密度、耐老化性、耐候性、热塑精密性、抗压、压缩回弹、耐磨性等。MBBR为实现低能耗运行，载体挂膜后的密度应与水的密度接近；考虑水处理系统整体寿命，一般要求载体寿命应在15年以上；同时要考虑运行环境变化、加工等情况。纯料HDPE在各项指标中均能满足使用要求，成为首选。

同时，《行业标准》中明确要求，材料应选用HDPE纯料，不添加炭黑或其他染料，使用加工过程中的回用料不超过5%，均是综合考虑载体性能和寿命。工程实践中，纯HDPE载体应用已超过25年，国内最早的无锡芦村项目运行近9年，载体性状均良好。虽然对已有材质进行改性或成分改良、使用添加剂等方式，可在上述因素中的某一方面有所改善，但并没有试验数据表明能同时满足各方面要求，关于悬浮载体材质方面的研究，有待进一步深化。

对悬浮载体的设计，一方面要考虑尽可能使有效比表面积大，提高单位体积处理能力；另一方面要考虑载体的拦截，悬浮载体尺寸过小将给载体的拦截带来困难，一般载体直径≥25mm；内部构造设计时要兼顾传质效果,并满足载体的加工、抗压、抗磨损等性能需求。扁圆柱状悬浮载体在国外使用已超过25年，外观设计上，《行业标准》充分吸取了国内外先进经验，将流化性能好的悬浮载体形状纳入标准，推荐采用空心圆柱状，且标准内已列出的典型载体均在国内外工程实践中表现出良好的性能，其他类型载体的流化性能及挂膜性能并无可靠结论，尚需在工程中进一步检验。

2悬浮载体投加量设计

悬浮载体投加量的设计，需保证满足处理效果需求，同时做到“量入为出”，防止过度投加造成的浪费。标准中，指出了载体挂膜后（T=20℃）的硝化速率应≥0.5gN/(m2˙d)，有机物氧化速率应≥10gCOD/(m2˙d)，同时给定了测定方法，实际上推荐了MBBR悬浮载体投加量的设计方式，即按表面负荷设计，这与传统活性污泥法按污泥负荷设计方式不同。

活性污泥法已有较为成熟的计算方式，通过确定污泥负荷进而确定池容及其他相关参数的计算方式已被广为接受。MBBR设计上，有些学者参照活性污泥的计算方式测定生物量，转换为污泥浓度后再按污泥负荷设计。为验证这一方法的可行性，笔者选取了山东三座运行效果稳定的污水厂的悬浮载体(见表1)，进行了相关测试。

表1悬浮载体来源水厂特征



生物量测定采用先碱洗,再酸洗,最后经过超声波清洗的方式，将生物膜剥离回收测定，每个污水厂的样本为200个，测定结果如表2所示。

表2悬浮载体生物量测定



由表2可以看出，不同污水厂的载体其水质及培养条件不同，相同载体类型的单位面积生物量存在一定差异，最高相差23.32%；由Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可以看出，同一水厂相同培养条件下，不同载体类型的单位面积生物量则相差不大；载体的VSS/SS除Ⅰ组外，其余均超过84%，远高于一般活性污泥水平。来源:中国给水排水

可见，载体生物量与表面积存在密切关系，载体的有效生物膜面积越大，相同体积载体内的生物量越多。整体上，VSS为8.6~12.5g/m2，与文献报道（见表3）基本一致。

表3不同培养方式下悬浮载体生物量



综合表2及表3可以看出，单位面积生物量受培养条件影响较大，有机物氧化>硝化>反硝化。一方面，与相关功能菌群的产率系数有关，如硝化菌群产率系数低，产泥量少；另一方面，受生物膜动态更新影响，如虽然反硝化菌群泥龄短，产率大，但反硝化过程产气也加速了生物膜更新。同时也应指出，生物量测定也存在一定问题，处理后载体上仍有残留物，会造成一定误差(4%~8%)。因此，采用载体生物量折合成污泥浓度，再按活性污泥法设计具有一定局限性，难以真实反映工艺处理性能。

为进一步验证，参照《行业标准》进行了载体硝化负荷的测定，结果如图1及表4所示。测定条件：温度为20℃，进水氨氮为(55±5)mg/L，在20L反应器、载体填充率为30%时按SBR运行，控制DO为4~6mg/L，每隔1h取样测定，直至反应器内氨氮<5mg/L。



图1不同来源悬浮载体硝化速率测定

表4不同来源悬浮载体硝化负荷



从表4可以看出，若按折合的污泥浓度核算污泥负荷，不同污水厂载体的污泥负荷与容积负荷相差较大，这说明采用折合污泥浓度进行载体量设计并不科学；由于同一污水厂不同有效比表面积载体单位面积微生物量相差较小，核算的污泥负荷差别不大，但因载体有效比表面积不同，容积负荷与有效比表面积成倍数关系。

研究同时发现，虽然各污水厂培养方式有所差别，但载体的表面负荷差别较小，相对稳定。可见表面负荷对于MBBR具有重要理论与实践意义。由于生物膜分层分布，传质依赖于基质浓度梯度，而DO穿透能力一般不超过200μm，若生物膜增厚，虽然表观生物量加大，但由于内层基质供给不足，并不能提高处理效率，这部分由于生物膜增厚所带来的生物量增长不能提高处理效率；而表面积的增大，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的增大，可直接提高处理效果，是载体投加量设计的重要依据。

综上，悬浮载体投加量设计不应采用测定载体生物量、折合污泥浓度、按污泥负荷方式设计，而应该采用表面负荷设计。在实际工程中，由于多种因素影响，15℃时生活污水一般表面负荷为0.4~1.2gN/(m2˙d)，表面负荷的影响因素包括温度、DO、有机负荷、基质出水浓度、pH值等，设计时应综合考量这些因素对表面负荷取值的影响，可根据经验或现场试验确定。建议相关部门尽快出台设计标准，明确设计依据。

3悬浮载体有效比表面积

悬浮载体投加量以表面负荷作为设计参数，由其计算出的结果为表面积，选择不同类型的悬浮载体，因有效比表面积不同，必然会有不同的载体量。可见，有效比表面积的准确确定具有重要意义。

比表面积与有效比表面积的差别在于，有效比表面积考虑了微生物实际传质及富集状态。载体在反应器中运动，会相互摩擦撞击，在载体外缘微生物难以挂膜，这部分不能作为有效比表面积。同时，理论上，悬浮载体内部可不断细分，比表面积可以不断做大，但若对应的表面积不能实现基质的良好传递，这部分也不能作为有效表面积。

在《行业标准》中确定了采用理论计算法确定载体的有效比表面积。理论计算法，即计算单个载体的有效比表面积，按几何尺寸分块计算，再根据最小堆积个数进行有效比表面积的测算。如SPR-Ⅰ悬浮载体，尺寸为25cm×10cm，自然堆积单方个数>116000个，单个载体有效表面积经分块计算总和>3900mm2，有效比表面积>450m2/m3。

实践中，由于载体细微尺寸的测定对最终结果影响较大，应注意各部分的准确测量，以实际测量结果为准。同时《行业标准》中，并未明确最小堆积个数的测算方法，实际操作中可以采用人工计数法或称重法。

SPR-Ⅰ最小堆积个数共测定16次，在0.975置信水平下，载体数量为(116629±203)个；同时进行了称重法测定，在0.975置信水平下，载体数量为(116695±480)个，两种方法并无显著性差别。人工计数法相对准确，但工作量较大，实践中不易实现；称重法，随机抽取一批载体样本，测定单个载体平均质量，根据单方自然堆积载体总质量，计算出载体个数，虽易于实现，但应考虑抽取载体样本的代表性，防止抽样误差。

同时，《行业标准》对典型载体的规格尺寸、图样及有效比表面积做出了界定，为有效比表面积的确定提供了依据，与图样相同或类似的载体，可直接参照图样确定有效比表面积；未包含在图样中的载体，可选择接近的1~2种图样类比，确定有效比表面积区间，判定相关计算的准确性。

同时可采用挂膜培养硝化速率测定法作为有效比表面积准确性的验证方法。该方法根据容积负荷及已知的有效比表面积参数，推算待检测载体的有效比表面积。取SPR-Ⅰ、SPR-Ⅱ、SPR-Ⅲ、A载体、B载体5种载体，以SPR-Ⅰ为参比，5种载体各取30L，在500L反应器内混合培养挂膜，培养30d，将5种载体分开，分别在100L反应器内测定硝化速率，因载体在相同条件下培养，假定表面负荷相同，以SPR-Ⅰ容积负荷及有效比表面积作为基础，测算其他载体的有效比表面积。挂膜与硝化速率测定方法参考《行业标准》，结果如图2及表5所示。



图2不同类型悬浮载体硝化速率测定

表5不同类型悬浮载体有效比表面积测定



从上述结果看出，SPR系列载体的实测有效比表面积与标号一致，可见《行业标准》对于有效比表面积的界定较为准确；同时，A载体及B载体与标号差别较大，可见通过挂膜培养硝化速率测定法验证具有一定的实践意义。

这种方法可作为有效比表面积测定的验证方法，优点是考虑了微生物实际传质及富集状态，缺点是培养周期在30d，难以快速获得。载体有效比表面积的准确界定，直接影响了投加量及处理效果，对工程实施的成败具有重要意义。建议相关部门修订《行业标准》时，完善典型载体的单方个数等信息，为有效比表面积的确定提供依据。

4悬浮载体的选型及验收

由于悬浮载体种类较多，有效比表面积差别较大，无法以体积作为控制指标，工程实践中多以有效表面积作为购置指标。确定了有效生物膜面积及载体有效比表面积，计算出载体体积，根据堆积密度测算出载体质量，最终可按《行业标准》中的体积或质量验收。

同时，应验证填充率是否满足要求。悬浮载体的填充率，即悬浮载体体积占填充区域池容的比例，属于校核参数，用以确认，在通常曝气或搅拌强度下，悬浮载体可否在填充区域内均匀分布，一般要求填充率≤67%。填充率可作为载体选型的依据，当填充率过大时，可选用有效比表面积更高的载体，降低投加量，满足填充率要求；同时，选型时应考虑近期及远期发展，为进一步提量或提标留有填充率空间。

5项目应用

山东某污水厂设计水量为10×104m3/d，总HRT=24.24h，原执行二级标准，2010年进行了一级A提标改造，设计进、出水水质及实际出水水质如表6所示。设计污泥浓度为3.5g/L，设计水温为12℃，根据总硝化性能及活性污泥硝化性能，计算载体部分需承担的硝化能力，根据表面负荷确定生物膜面积为6.3×106m2。

采用SPR-I型悬浮载体，载体投加量为14000m3，校核填充率为29%<67%，满足流化要求。由于设计依据准确，且有效比表面积标号与实际值一致，改造后已稳定运行6年，出水水质稳定达到一级A标准，部分指标甚至优于一级A。

表6山东某污水厂设计进、出水水质及实际出水水质mg˙L-1



①综合考虑材料密度、耐老化性、耐候性、热塑精密性、抗压、压缩回弹、耐磨性等，应选用纯HDPE作为悬浮载体材质；外观设计上，以空心圆柱状为代表的悬浮载体工程实践效果较好。

②悬浮载体投加量应按照表面负荷设计，取值受温度、DO、有机负荷、基质出水浓度、pH值等影响，可根据工程经验或现场试验确定。

③悬浮载体有效比表面积是载体性能的重要参数，可参考《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》（CJ/T461—2014）计算方法及图样样例确定载体有效比表面积。

④以填充率作为悬浮载体设计及选型合理性依据，保证流化及载体进一步扩容空间。工程实践中，多以有效表面积作为购置指标，并换算成体积或质量验收。

⑤建议有关部门尽快出台设计标准，结合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》，为MBBR工艺的设计和填料的选型提供技术依据。