關(guān)于2021版新修《室外排水設計標準》（GB50014-2021）移動床生物膜反應器部分的解讀

　　導讀

　　2018年7月19日，住建部網(wǎng)站掛出了《室外排水設計標準》（以下簡稱標準）的征求意見稿，經(jīng)過多方修訂，最終版于2021年4月9日發(fā)布，2021年10月1日正式實施。本文重點分析，新標準中對于移動床生物膜反應器部分的描述，以期為各位同行提供有價值的參考。

　　01 MBBR已成為主流工藝之一

　　標準中表述，“刪除了塔式生物濾池和土地處理等工藝，補充了膜生物反應器（MBR）、移動床生物膜反應器（MBBR）和人工濕地等應用廣泛且運行可靠的工藝?！睋?jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年底，MBBR在國內(nèi)市政污水處理領(lǐng)域應用規(guī)模超過2000萬噸/天，考慮工業(yè)、微污染水領(lǐng)域應用合計規(guī)模超過2500萬噸/天。中國是全世界MBBR工藝應用規(guī)模、數(shù)量最多的國家，思普潤也是國內(nèi)外完成MBBR項目數(shù)最多的企業(yè)，業(yè)績規(guī)模近1500萬噸/天。結(jié)合多個統(tǒng)計資料可知[1]，國內(nèi)市政領(lǐng)域MBR和MBBR應用規(guī)模相當，分別約占總處理規(guī)模的10.4%。MBBR在大規(guī)模推廣應用過程中，隨著設計施工運營經(jīng)驗的不斷積累，相關(guān)從業(yè)人員對工藝標準化、規(guī)范化的設計訴求呼聲也越來越高，最終使得MBBR工藝得以列入新標準中。

　　[1] https://www.chyxx.com/industry/202104/945027.html

　　02 表面負荷和有效比表面積構(gòu)建了MBBR生化技術(shù)體系

　　各生化工藝均有自己的特點特征，并依據(jù)關(guān)鍵特征進行設計?；钚晕勰喾ㄒ晕勰嘭摵勺鳛樵O計指標（kg污染物/kgMLSS/d），是基于單位質(zhì)量活性污泥處理能力相對穩(wěn)定。而MBBR工藝，不論是泥膜復合MBBR應用形式，還是純膜MBBR應用形式，其懸浮載體上生長的微生物膜，其單位質(zhì)量生物量處理能力差異較大，和活性污泥有較大差異性，不能照搬活性污泥法的污泥負荷設計方法。生物膜處理性能的限制性因素為傳質(zhì)，包括基質(zhì)傳遞和溶解氧傳遞，而傳質(zhì)與生物膜表面積密切相關(guān)，故MBBR以懸浮填料的表面負荷（g污染物/m2/d）進行設計[2]。以表面負荷設計，可直接得出生化系統(tǒng)所需的生物膜面積，然后根據(jù)懸浮載體的有效比表面積（單位體積懸浮載體填料能實現(xiàn)良好傳質(zhì)傳氧，且能生長有效微生物的受保護的表面積，通常為懸浮載體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)外壁及外部類齒輪狀突起的凹陷處）進行選型，進而得出特定型號懸浮載體的體積。

　　這種設計及選型方法原因：

　　1）表面負荷取值是基于有效比表面積，而非總比表面積；有效兩個字至關(guān)重要，懸浮載體有效比表面積/總比表面積在0.6-0.9，與產(chǎn)品本身密切相關(guān)，若混淆兩個概念，可能面臨有效生物膜面積不足、出水不達標風險；2）市面上懸浮載體多樣化，且多為專利產(chǎn)品，以有效生物膜面積作為量化依據(jù)，而非體積，既有利于規(guī)避產(chǎn)品單一來源問題，同時又可鼓勵創(chuàng)新，鼓勵研發(fā)有效比表面積更大的產(chǎn)品，為懸浮載體的多樣化奠定基礎(chǔ)，而非指定固定型號；3）需要的有效生物膜面積一定時，有效比表面積越大，懸浮載體體積越小，對于池容的占用越小，應鼓勵研發(fā)和應用有效比表面積較大的產(chǎn)品。表面硝化負荷范圍較大，主要影響包括：有機負荷影響、出水氨氮濃度影響（出水標準）、污泥濃度影響、系統(tǒng)分級影響、懸浮載體承擔進水硝化負荷影響、設計DO影響、抑制性因素影響。具體取值宜現(xiàn)場試驗，不具備條件時，可咨詢委托專業(yè)廠商進行設計計算。

　　插播誤區(qū)排雷：依賴于懸浮載體表面增加粗糙度，進而增大有效比表面積的說法，看圖就知道，所謂的粗糙都會被生物膜填平的哦。

　　懸浮載體選型依據(jù)有《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》（CJ/T 461-2014）[3]作為選型依據(jù)，CJ/T 461-2014規(guī)定了懸浮載體基本性能參數(shù)，尤其是有效比表面積。

　　新型懸浮載體的開發(fā)，應朝著有效比表面積更大的方向發(fā)展，提高效率。開發(fā)新填料的時候，需要解決兩個矛盾：第一，空隙率和有效比表面積的矛盾。有效比表面積越大，空隙率可能會越低，對于池容的占用越多，縮減構(gòu)筑物有效池容。根據(jù)標準，若選型的懸浮載體空隙率為90%，MBBR區(qū)填充率為60%時，所在區(qū)域池容占用將達到6%；若懸浮載體質(zhì)量達不到行業(yè)標準要求，空隙率僅能達到80%時，此時60%填充率對于池容占用率將驟增至12%，這點容易被忽視。如何找到空隙率與有效比表面積的平衡，在填料的結(jié)構(gòu)開發(fā)上具有極高的難度第二，壁厚和有效比表面積的矛盾。為簡化描述，將懸浮載體流道抽象為圓形，以流道直徑2.5mm為例，壁厚每增大0.5mm，則流道直徑將縮小0.5mm，流道周長縮小20%，即有效比表面積縮小20%；流道孔徑越小，毛細作用越顯著，實際有效比表面積將縮小更多。同時，流道變小，對于傳質(zhì)影響更大，不利于微生物代謝。應確保懸浮載體理化要求的前提下，盡可能縮減懸浮載體壁厚。

　　[2]吳迪.水處理用懸浮載體填料行業(yè)標準解讀與投加量設計[J].中國給水排水,2017,33(16):13-17.

　　[3]CJ/T 461-2014, 水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料[S].2014

　　03 MBBR表面反硝化負荷并未被遺忘

　　新標準中給出了表面有機負荷和表面硝化負荷的建議取值范圍，但并未給出表面反硝化負荷的建議取值范圍，原因包括：1）國內(nèi)MBBR多為泥膜復合系統(tǒng)，即懸浮態(tài)活性污泥和附著態(tài)懸浮載體生物膜復合系統(tǒng)。強化反硝化有兩個途徑，增加反硝化菌生物量、提高碳源利用效率。當進水碳源充足時，增加反硝化菌生物量對于提高反硝化效果顯著。但國內(nèi)污水絕大多數(shù)屬于碳源不足類型，此時提高碳源利用效率對于強化反硝化更有效率。提高碳源利用效率的途徑，即延長缺氧停留時間，增加碳源水解效率，同時為中慢速碳源利用增加時間。此時，缺氧區(qū)投加懸浮載體效率不如擴大缺氧區(qū)，增大缺氧區(qū)停留時間方式。設計中，首先進行池容核算，優(yōu)先滿足缺氧反硝化池容，缺氧池容不足的部分切割好氧池容予以補足，好氧區(qū)池容不足的部分，通過在好氧區(qū)投加懸浮載體補足好氧硝化池容，“移好補缺，載體硝化”技術(shù)路線更為合理和經(jīng)濟，也經(jīng)受住了大量工程案例的考驗；2）反硝化負荷受碳源類型影響較大，受污泥濃度影響較大。原水碳源組成復雜，不同水質(zhì)表面反硝化負荷差異較大, 數(shù)值上一般低于表面硝化負荷；外投碳源時，表面反硝化負荷較高，數(shù)值上一般高于表面硝化負荷。

　　因此，表面反硝化負荷數(shù)值范圍并未列入新標準。但不可否認的是，部分項目由于池容受限，當好氧區(qū)所需懸浮載體超過最大填充率，或考慮水力布置因素好氧區(qū)難以投加更多懸浮載體時，為不進行生化池的擴建，也可在缺氧區(qū)投加懸浮載體，強化反硝化效果，此類情形已有相關(guān)工程案例支撐，但要關(guān)注：

　　1）缺氧流化的水力流態(tài)設計，較好氧區(qū)實現(xiàn)流化難度更大；

　　2）缺氧攪拌器必須使用專用設備，防止與懸浮載體互相磨損；

　　3）缺氧攪拌器布置應科學合理，降低功率密度，建議輔助水力模擬進行流態(tài)優(yōu)化；

　　4）若缺氧池容缺口較大，可考慮使用純膜MBBR工藝，純膜MBBR無需與活性污泥競爭，懸浮載體反硝化負荷反而比泥膜復合系統(tǒng)更高，同樣實現(xiàn)縮減池容的目的。

　　04 MBBR水力學特性不能忽視

　　“懸浮填料的填充率不應得超過反應池容積的2/3；懸浮填料投加區(qū)域應設攔截篩網(wǎng)；移動床生物膜反應器池內(nèi)水平流速不應大于35m/h，長寬比宜為2:1~4:1；當不滿足此條件時，應增設導流隔墻和弧形導流隔墻，強化懸浮填料的循環(huán)流動。”之所以規(guī)定填充率不超過2/3，因為當填充率超過此值后，流化所需的最小曝氣強度迅速增大，會增加懸浮載體流化能耗，不經(jīng)濟。而對于水平流速的要求，同樣是考慮對于一般生活污水條件下，保證豎向曝氣流速/反應池水平流速>3，防止末端擁堵。

　　MBBR能夠成功實施有兩個關(guān)鍵，一則為生化方面，生物膜滿足處理負荷要求，達到處理效果；二則為水力方面，確保系統(tǒng)流化良好，生物膜傳質(zhì)良好。而水力系統(tǒng)最終會影響傳質(zhì)，進而影響生化性能，可以說水力流態(tài)是MBBR的重中之重。

　　附 件

　　7.8.1 移動床生物膜反應器應采用懸浮填料的表面負荷進行設計。表面負荷宜根據(jù)試驗資料確定；當無試驗資料時，在20°C的水溫條件下，五日生化需氧量表面有機負荷宜為5g BOD5/m2·d~15g BOD5/m2·d，表面硝化負荷宜為0.5gNH3-N/(m2·d)～2gNH3-N/(m2·d)?！緱l文說明】懸浮填料生物膜工藝設計時應根據(jù)水質(zhì)、水溫、表面負荷等參數(shù)，計算出所需懸浮填料的有效填料表面積,再根據(jù)不同填料的有效比表面積，轉(zhuǎn)換成該類型填料的體積。

　　7.8.2 懸浮填料應滿足易于流化、微生物附著性好、有效比表面積大、耐腐蝕、抗機械磨損的要求。懸浮填料的填充率不應超過反應池容積的2/3。【條文說明】懸浮填料密度與水接近時，易于流化。此外，填料還應具有良好的化學和物理穩(wěn)定性，剛性彈性兼?zhèn)洹Ｓ行П缺砻娣e是指單位體積懸浮載體填料可供微生物生長，且保證良好傳質(zhì)和保護微生物不被沖刷的表面積。按有效比表面積不同可將懸浮填料分為A類填料、B類填料、和C類填料，其中A類填料有效比表面積為350m2/m3~500m2/m3，B類填料有效比表面積為620m2/m3~800m2/m3，C類填料有效比表面積為1200m2/m3，填料的相關(guān)參數(shù)如表22所示。

　　懸浮填料的填充率可采用20%?60%，一般要求≤67%。

　　7.8.1 懸浮填料投加區(qū)域應設攔截篩網(wǎng)?！緱l文說明】為防止填料隨水流外泄，懸浮填料投加區(qū)域與非投加區(qū)之間應設攔截篩網(wǎng)。同時，為避免填料在攔截格網(wǎng)處的堆積堵塞，保證填料的充分流化和出水區(qū)過水斷面的暢通，應在末端填料攔截格網(wǎng)外增加穿孔管曝氣的管路布置，避免懸浮填料在攔截篩網(wǎng)處的堆積，有效防止格網(wǎng)空隙的堵塞，保障出水暢通。

　　7.8.2 移動床生物膜反應器池內(nèi)水平流速不應大于35m/h，長寬比宜為2:1~4:1；當不滿足此條件時，應增設導流隔墻和弧形導流隔墻，強化懸浮填料的循環(huán)流動?！緱l文說明】移動床生物膜反應器反應池的工藝設計，宜采用循環(huán)流態(tài)的構(gòu)筑物形式，不宜采用完全推流式。由于移動床生物膜反應器工藝中懸浮填料會隨著水流方向流往下游方向，因此宜控制水平流速和長寬比，促進填料的循環(huán)流態(tài)，保證懸浮填料分布的均勻性，避免填料在出口處堆積。已建工程提標需要改造原有的完全推流式反應池時，應采取措施強化懸浮填料的循環(huán)流動。

編輯：王媛媛