关于2021版新修《室外排水设计标准》（GB50014-2021）移动床生物膜反应器部分的解读

导读

2018年7月19日，住建部网站挂出了《室外排水设计标准》（以下简称标准）的征求意见稿，经过多方修订，最终版于2021年4月9日发布，2021年10月1日正式实施。本文重点分析，新标准中对于移动床生物膜反应器部分的描述，以期为各位同行提供有价值的参考。

01 MBBR已成为主流工艺之一

标准中表述，“删除了塔式生物滤池和土地处理等工艺，补充了膜生物反应器（MBR）、移动床生物膜反应器（MBBR）和人工湿地等应用广泛且运行可靠的工艺。”
据不完全统计，截至2020年底，MBBR在国内市政污水处理领域应用规模超过2000万吨/天，考虑工业、微污染水领域应用合计规模超过2500万吨/天。中国是全世界MBBR工艺应用规模、数量多的国家，思普润也是国内外完成MBBR项目数多的企业，业绩规模近1500万吨/天。结合多个统计资料可知[1]，国内市政领域MBR和MBBR应用规模相当，分别约占总处理规模的10.4%。MBBR在大规模推广应用过程中，随着设计施工运营经验的不断积累，相关从业人员对工艺标准化、规范化的设计诉求呼声也越来越高，最终使得MBBR工艺得以列入新标准中。

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

02 表面负荷和有效比表面积构建了MBBR生化技术体系

各生化工艺均有自己的特点特征，并依据关键特征进行设计。活性污泥法以污泥负荷作为设计指标（kg污染物/kgMLSS/d），是基于单位质量活性污泥处理能力相对稳定。而MBBR工艺，不论是泥膜复合MBBR应用形式，还是纯膜MBBR应用形式，其悬浮载体上生长的微生物膜，其单位质量生物量处理能力差异较大，和活性污泥有较大差异性，不能照搬活性污泥法的污泥负荷设计方法。生物膜处理性能的限制性因素为传质，包括基质传递和溶解氧传递，而传质与生物膜表面积密切相关，故MBBR以悬浮填料的表面负荷（g污染物/m2/d）进行设计[2]。
以表面负荷设计，可直接得出生化系统所需的生物膜面积，然后根据悬浮载体的有效比表面积（单位体积悬浮载体填料能实现良好传质传氧，且能生长有效微生物的受保护的表面积，通常为悬浮载体内部结构的内外壁及外部类齿轮状突起的凹陷处）进行选型，进而得出特定型号悬浮载体的体积。
这种设计及选型方法原因：
1）表面负荷取值是基于有效比表面积，而非总比表面积；有效两个字至关重要，悬浮载体有效比表面积/总比表面积在0.6-0.9，与产品本身密切相关，若混淆两个概念，可能面临有效生物膜面积不足、出水不达标风险；
2）市面上悬浮载体多样化，且多为专利产品，以有效生物膜面积作为量化依据，而非体积，既有利于规避产品单一来源问题，同时又可鼓励创新，鼓励研发有效比表面积更大的产品，为悬浮载体的多样化奠定基础，而非指定固定型号；
3）需要的有效生物膜面积一定时，有效比表面积越大，悬浮载体体积越小，对于池容的占用越小，应鼓励研发和应用有效比表面积较大的产品。
表面硝化负荷范围较大，主要影响包括：有机负荷影响、出水氨氮浓度影响（出水标准）、污泥浓度影响、系统分级影响、悬浮载体承担进水硝化负荷影响、设计DO影响、抑制性因素影响。具体取值宜现场试验，不具备条件时，可咨询委托专业厂商进行设计计算。

插播误区排雷：依赖于悬浮载体表面增加粗糙度，进而增大有效比表面积的说法，看图就知道，所谓的粗糙都会被生物膜填平的哦。

悬浮载体选型依据有《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》（CJ/T 461-2014）[3]作为选型依据，CJ/T 461-2014规定了悬浮载体基本性能参数，尤其是有效比表面积。

新型悬浮载体的开发，应朝着有效比表面积更大的方向发展，提高效率。开发新填料的时候，需要解决两个矛盾：
第一，空隙率和有效比表面积的矛盾。有效比表面积越大，空隙率可能会越低，对于池容的占用越多，缩减构筑物有效池容。根据标准，若选型的悬浮载体空隙率为90%，MBBR区填充率为60%时，所在区域池容占用将达到6%；若悬浮载体质量达不到行业标准要求，空隙率仅能达到80%时，此时60%填充率对于池容占用率将骤增至12%，这点容易被忽视。如何找到空隙率与有效比表面积的平衡，在填料的结构开发上具有极高的难度
第二，壁厚和有效比表面积的矛盾。为简化描述，将悬浮载体流道抽象为圆形，以流道直径2.5mm为例，壁厚每增大0.5mm，则流道直径将缩小0.5mm，流道周长缩小20%，即有效比表面积缩小20%；流道孔径越小，毛细作用越显著，实际有效比表面积将缩小更多。同时，流道变小，对于传质影响更大，不利于微生物代谢。应确保悬浮载体理化要求的前提下，尽可能缩减悬浮载体壁厚。

[2]吴迪.水处理用悬浮载体填料行业标准解读与投加量设计[J].中国给水排水,2017,33(16):13-17.

[3]CJ/T 461-2014, 水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料[S].2014

03 MBBR表面反硝化负荷并未被遗忘

新标准中给出了表面有机负荷和表面硝化负荷的建议取值范围，但并未给出表面反硝化负荷的建议取值范围，原因包括：
1）国内MBBR多为泥膜复合系统，即悬浮态活性污泥和附着态悬浮载体生物膜复合系统。强化反硝化有两个途径，增加反硝化菌生物量、提高碳源利用效率。当进水碳源充足时，增加反硝化菌生物量对于提高反硝化效果显著。但国内污水绝大多数属于碳源不足类型，此时提高碳源利用效率对于强化反硝化更有效率。提高碳源利用效率的途径，即延长缺氧停留时间，增加碳源水解效率，同时为中慢速碳源利用增加时间。此时，缺氧区投加悬浮载体效率不如扩大缺氧区，增大缺氧区停留时间方式。设计中，首先进行池容核算，优先满足缺氧反硝化池容，缺氧池容不足的部分切割好氧池容予以补足，好氧区池容不足的部分，通过在好氧区投加悬浮载体补足好氧硝化池容，“移好补缺，载体硝化”技术路线更为合理和经济，也经受住了大量工程案例的考验；
2）反硝化负荷受碳源类型影响较大，受污泥浓度影响较大。原水碳源组成复杂，不同水质表面反硝化负荷差异较大, 数值上一般低于表面硝化负荷；外投碳源时，表面反硝化负荷较高，数值上一般高于表面硝化负荷。

因此，表面反硝化负荷数值范围并未列入新标准。但不可否认的是，部分项目由于池容受限，当好氧区所需悬浮载体超过最大填充率，或考虑水力布置因素好氧区难以投加更多悬浮载体时，为不进行生化池的扩建，也可在缺氧区投加悬浮载体，强化反硝化效果，此类情形已有相关工程案例支撑，但要关注：

1）缺氧流化的水力流态设计，较好氧区实现流化难度更大；

2）缺氧搅拌器必须使用专用设备，防止与悬浮载体互相磨损；

3）缺氧搅拌器布置应科学合理，降低功率密度，建议辅助水力模拟进行流态优化；

4）若缺氧池容缺口较大，可考虑使用纯膜MBBR工艺，纯膜MBBR无需与活性污泥竞争，悬浮载体反硝化负荷反而比泥膜复合系统更高，同样实现缩减池容的目的。

04 MBBR水力学特性不能忽视

“悬浮填料的填充率不应得超过反应池容积的2/3；悬浮填料投加区域应设拦截筛网；移动床生物膜反应器池内水平流速不应大于35m/h，长宽比宜为2:1~4:1；当不满足此条件时，应增设导流隔墙和弧形导流隔墙，强化悬浮填料的循环流动。”
之所以规定填充率不超过2/3，因为当填充率超过此值后，流化所需的最小曝气强度迅速增大，会增加悬浮载体流化能耗，不经济。而对于水平流速的要求，同样是考虑对于一般生活污水条件下，保证竖向曝气流速/反应池水平流速>3，防止末端拥堵。
MBBR能够成功实施有两个关键，一则为生化方面，生物膜满足处理负荷要求，达到处理效果；二则为水力方面，确保系统流化良好，生物膜传质良好。而水力系统最终会影响传质，进而影响生化性能，可以说水力流态是MBBR的重中之重。

附 件

7.8.1 移动床生物膜反应器应采用悬浮填料的表面负荷进行设计。表面负荷宜根据试验资料确定；当无试验资料时，在20°C的水温条件下，五日生化需氧量表面有机负荷宜为5g BOD5/m2·d~15g BOD5/m2·d，表面硝化负荷宜为0.5gNH3-N/(m2·d)～2gNH3-N/(m2·d)。
【条文说明】悬浮填料生物膜工艺设计时应根据水质、水温、表面负荷等参数，计算出所需悬浮填料的有效填料表面积,再根据不同填料的有效比表面积，转换成该类型填料的体积。
7.8.2 悬浮填料应满足易于流化、微生物附着性好、有效比表面积大、耐腐蚀、抗机械磨损的要求。悬浮填料的填充率不应超过反应池容积的2/3。
【条文说明】悬浮填料密度与水接近时，易于流化。此外，填料还应具有良好的化学和物理稳定性，刚性弹性兼备。
有效比表面积是指单位体积悬浮载体填料可供微生物生长，且保证良好传质和保护微生物不被冲刷的表面积。按有效比表面积不同可将悬浮填料分为A类填料、B类填料、和C类填料，其中A类填料有效比表面积为350m2/m3~500m2/m3，B类填料有效比表面积为620m2/m3~800m2/m3，C类填料有效比表面积为1200m2/m3，填料的相关参数如表22所示。
悬浮填料的填充率可采用20%〜60%，一般要求≤67%。
7.8.1 悬浮填料投加区域应设拦截筛网。
【条文说明】为防止填料随水流外泄，悬浮填料投加区域与非投加区之间应设拦截筛网。同时，为避免填料在拦截格网处的堆积堵塞，保证填料的充分流化和出水区过水断面的畅通，应在末端填料拦截格网外增加穿孔管曝气的管路布置，避免悬浮填料在拦截筛网处的堆积，有效防止格网空隙的堵塞，保障出水畅通。
7.8.2 移动床生物膜反应器池内水平流速不应大于35m/h，长宽比宜为2:1~4:1；当不满足此条件时，应增设导流隔墙和弧形导流隔墙，强化悬浮填料的循环流动。
【条文说明】移动床生物膜反应器反应池的工艺设计，宜采用循环流态的构筑物形式，不宜采用完全推流式。
由于移动床生物膜反应器工艺中悬浮填料会随着水流方向流往下游方向，因此宜控制水平流速和长宽比，促进填料的循环流态，保证悬浮填料分布的均匀性，避免填料在出口处堆积。已建工程提标需要改造原有的完全推流式反应池时，应采取措施强化悬浮填料的循环流动。

来源：思普润水处理

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