SBBR与SBR氧传质特性比较研究

黄俊，邵林
(武汉科技大学　 城建学院环设系，湖北　 武汉　 430070)

　　摘要：在试验条件相同的情况下，进行了序批式膜生物反应器SBBR与SBR的清水充氧试验，氧传质特性比较研究结果表明：当曝气强度为0.3立方米/小时时，SBBR的（Kla）20和Eo2的值均为SBR的1.59倍。SBBR具有更好的氧传质能力和更高的氧转移效率。
　　关键词：污水处理；曝气强度；氧传质；活性污泥；生物膜反应器
　　中图分类号：X703　　 文献标识码：A　　 文章编号：1009—2455(2003)05—0004—03

A Comparative Study of Oxygen Mass Transfer Performances of SBBR and SBR
HUANG Jun，SHAO Lin-guang
(Environmental Engineering Department of Municipal Construction College，
Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430070,China)

　　Abstract: Aeration tests of clean water with SBBR and SBR were made under the same testing conditions.It is shown by the results of a comparative study of oxygen mass transfer performances that when the intensity of the aeration was 0.3m³/h the values of (K_La)₂₀ and Eo2 of SBBR were respectively 1.59 times the values of the(K_La)₂₀ and Eo2 of SBR and that SBBR has a better oxygen mass transfer capability and a hisher oxygen transfer efficiency．
　　Key words：sewage treatment；aeration intensity；oxygen mass transfer；activated sludge；biomembrane reactor

　　序批式生物膜反应器(Sequencing Biofilm Batch Reactors)简称SBBR，又称膜SBR(BSBR)[1]，是在SBR的基础上发展起来的一种改良工艺。由于其工艺简单，基建、运行费用低，处理效果好，因而受到了国内外水处理专家的广泛关注。笔者通过SBBR与SBR反应器的清水充氧试验，对两个反应器的氧传质特性进行了对比研究，以期为SBBR工艺的放大设计和工程应用提供理论基础。

1 试验原理

　　空气中的氧向水中转移的过程通常用双膜理论来描述，可用公式（1）表示：

　　dC/dt=K_la(C^*-C_t)　　　　(1)

　　式中：C_t—t时(min)溶解氧的质量浓度，mg／L；
　　　　　C^*—饱和溶解氧的质量浓度，mg／L；
　　　　　K_La—传质系数，min^-1。

　　令C₀及C_t分别代表t=0及t=t时水中溶解氧的质量浓度，由式(1)得：

　　

　　进行积分并整理得：

　　lg[(C^*-C₀)/(C^*-C_t)]=(K_la/2.303)t　　　　　(3)

　　由公式(3)即可求得KLa。
　　本试验采用特性参数(K_La)₂₀和氧转移效率E_O2来评价SBBR与SBR的氧传质特性^[2]。
　　氧转移效率E_O2可以用公式(4)来计算：

　　E_O2=VKla(C^*-C)/(Qg×ρ_O2)　　　　　　　　　(4)

式中：V—反应器容积，m³；
　　　Q_g—曝气强度，m³／s；

　　由于试验条件的限制，每次测量的温度不同，必须进行温度修正，将(K_La)_t，统一到(K_La)₂₀，温度修正可用公式(5)^[2]：

　　(K_La)₂₀=(K_La)_t/1.02^t-20　　　　　(5)

式中：t—反应器内介质温度，℃；

2 试验装直

　　试验装置为两有机玻璃圆柱，内径220mm，高1400mm，总容积53.2 L，有效容积45.6 L，其中一反应器内装YCDT立体弹性填料。生活污水间歇进入反应器，周期运行。控制器可控制进水、厌氧、好氧、排水、闲置、排泥等操作过程。试验所用生物填料为YCDT型立体弹性填料。该填料是一种将耐腐蚀、耐温、耐老化的拉毛丝条穿插固着在耐腐蚀、高强度的中心绳上，使丝条呈立体辐射状态均匀排列的悬挂式立体弹性填料，填料单元直径为180mm，丝条直径0.35mm，比表面积为50～300m²／m³，孔隙率大于99％。

3 试验方法

　　进行传质特性研究时，采用了平行对比试验方法、，即设置两个同型号反应器，反应器一加挂填料(SBBR)而另一反应器未挂填料(SBR)，在相同的操作控制条件下，研究两者氧传质的异同。具体操作步骤如下：
　　① 将反应器内注满清水，并启动空气压缩机，调节转子流量计将进气量控制在选定值上。
　　② 向反应器内投加还原剂Na2S03和催化剂CoCl2进行脱氧。Na2S03投加量按1 mg／L溶解氧加10mg/L计算。CoCl2投加量为2mg／L。大约1min后溶解氧测定仪指针置零，表明反应气内溶解氧为零。
　　③ 为了纠正每次测量的零点计时误差，每次测量统一在溶解氧测定表盘指数升至0.1mg/L时作为充氧过程的计时零点。
　　④ 反应器内溶解氧大约每增加1mg/L，就记录下所对应的时间，直至反应器内溶解氧接近饱和。

4 试验结果及讨论

　　氧传质测定结果见表1。(K_La)₂₀和E_O2值计算结果见表2，其图形表示见图1。

　　从图1可以看出，无论是否加挂填料，反应器的(K_La)₂₀ 值均随着曝气强度的增加而增加。
　　当曝气强度较小时，两种反应器的(K_La)₂₀值接近，当曝气强度较大时，SBBR的(K_La)₂₀值明显高于SBR，即两种反应器的(K_La)₂₀ 值随曝气强度的增加速率不同。当曝气强度从0.12 m³／h增大到0.4 m³／h时，SBR的(K_La)₂₀加值增大了3.0倍，而SBBR的(K_La)₂₀值增大了3.7倍。对两种反应器的(K_La)₂₀值作趋势分析，从图1上的趋势线可以看出，SBBR的(K_La)₂₀值趋势线的斜率为0.6665，而SBR的(K_La)₂₀值趋势线的斜率为0.4024，这说明SBBR的(K_La)₂₀值增长速率要比SBR的快1.66倍。产生这一结果的原因分析如下：
　　当曝气强度较小时，反应器内气泡密度较小，气泡上升速度较慢，填料对气泡的切割、截留作用不明显。当曝气强度增大时，气泡密度增加，气泡上升速度加快。在SBR反应器内，由于没有阻挡物，可以观察到气泡几乎垂直上升。在SBBR反应器内，由于填料的缘故，可以观察到气泡无法垂直上升，其上升速度减缓，上升轨迹复杂、多变，反应器内气液两相扰动加剧。SBBR反应器内随着曝气强度增加，液体紊动程度增大，在加强传质的同时，气泡被填料分割加剧，较小气泡的增多增加了气液传质界面，总的结果强化了传质过程，并且这种效果随曝气强度增加有增大趋势。故SBBR显示出传质优越性。
　　从表2可以看出，SBR的E_O2值随着曝气强度增加反而减少，而SBBR的E_O2值随着曝气强度的增加而增加。SBR反应器内曝气强度达到0.18m³／h时，E_O2值达到最大，然后E_O2值走势呈下降趋势，原因是曝气强度达到0.18 m³／h后继续增大，氧传质效果增加不明显，而系统供氧量大大增加，造成氧转移效率逐步下降，曝气强度越大，能耗越大。SBBR反应器不同，随着曝气强度的增加，氧传质系数的增加高于供氧量的增加，因此提高了氧转移效率，从而节约了能耗。

表1　 氧传质测定结果 曝气强度
／(m³·h^-1) 反应器 项目 测定结果 水温／℃ 0.12 溶解氧C_t/(mg·L^-1) 0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 28 SBBR 充氧时间/min 0 2.40 4.82 7.13 10.78 19.10 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0724 0.1594 0.2684 0.4141 0.6350 SBR 充氧时间/min 0 2.47 5.17 8.75 14.07 21.24 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0724 0.1594 0.2684 0.4141 0.6350 0.18 溶解氧C_t/(mg·L^-1) 0 1.2 2.4 3.6 4.0 6.0 7.0 7.3 SBBR 充氧时间/min 0 1.56 3.12 4.68 6.68 10.08 16.31 19.43 28 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0724 0.1594 0.2684 0.4141 0.6350 0.9950 1.1851 SBR 充氧时间/min 0 1.47 2.97 4.77 7.18 13.23 18.98 22.15 27 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0711 0.1561 0.2619 0.4021 0.6103 0.9319 1.0875 0.24 溶解氧C_t/(mg·L^-1) 0 1.2 2.4 3.6 4.0 6.0 7.0 7.3 SBBR 充氧时间/min 0 1.05 2.12 3.13 4.50 6.72 9.82 15.50 25.5 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0690 0.1510 0.2523 0.3846 0.5758 0.8515 0.9727 SBR 充氧时间/min 0 1.11 2.23 3.88 6.83 9.96 15.39 18.13 27.5 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0717 0.1578 0.2651 0.4080 0.6224 0.9620 1.1331 0.30 溶解氧C_t/(mg·L^-1) 0 1.2 2.4 3.6 4.0 6.0 7.0 7.3 SBBR 充氧时间/min 0 0.87 1.68 2.52 3.65 5.30 7.82 9.10 27 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0711 0.1561 0.2619 0.4021 0.6103 0.9319 1.0875 SBR 充氧时间/min 0 0.98 2.12 3.62 6.43 9.35 14.44 17.01 27.5 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0717 0.1578 0.2651 0.4080 0.6224 0.9620 1.1331 0.40 溶解氧C_t/(mg·L^-1) 0 1.2 2.4 3.6 4.0 6.0 7.0 7.3 SBBR 充氧时间/min 0 0.67 1.32 2.02 3.03 4.92 7.40 8.64 27 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0711 0.0711 0.1561 0.2619 0.4021 0.6103 0.9319 SBR 充氧时间/min 0 0.78 1.57 2.62 4.75 6.90 10.67 12.56 27.5 lgC^*/(C^*-C_t) 0 0.0717 0.1578 0.2651 0.4080 0.6224 0.9620 1.1331

表2　 氧传质特性参数计算结果 特性参数 反应器 不同曝气强度(m³/h)的传质特性 0.12 0.18 0.24 0.30 0.40 (K_La)₂₀
/min^-1 SBBR 0.0680 0.1199 0.1493 0.2102 0.2524 SBR 0.0588 0.0985 0.1240 0.1322 0.1790 E_O2
/% SBBR 2.85 3.35 3.12 3.52 3.17 SBR 2.46 2.75 2.60 2.21 2.25

5 结论

　　①SBBR和SBR的(K_La)₂₀值均随着曝气强度的增加而增加。SBBR的(K_La)₂₀ 值增长速率要比SBR(K_La)₂₀值是SBR的快1.66倍，当曝气强度为0.3m³/h时，SBBR的(K_La)₂₀值是SBR的1.59倍。
　　②SBR的E_O2值随着曝气强度增加而减少，而SBBR刚好相反，其E_O2值随着曝气强度的增加而增加。对SBBR反应器来说，增大曝气强度能提高氧转移效率。当曝气强度为0.3m³/h时，SBBR的E_O2值也是SBR的1.59倍。SBBR具有更好的氧传质能力和更高的氧转移效率。

参考文献：

[1]赵丽珍，廖应棋．SBR技术的研究及进展[J]．江苏理工大学学报，2001，22(3)：58—61．
[2]许保玖．当代给水与废水处理原理讲义[M]北京：清华大学出版社，1985．

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作者简介：黄俊(1975—)，男，湖北松滋人，武汉科技大学城建学院硕士生。