SBBR与SBR氧传质特性比较研究

　　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=Kla(C*-Ct)　　　　(1)

式中：Ct—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；

KLa—传质系数，min-1。

令C0及Ct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*-Ct)]=(Kla/2.303)t 　　　　　(3)

由公式(3)即可求得KLa。

本试验采用特性参数(KLa)20和氧转移效率EO2来评价SBBR与SBR的氧传质特性[2]。

氧转移效率EO2可以用公式(4)来计算：

EO2=VKla(C*-C)/(Qg×ρO2)　　　　　　　　　(4)

式中：V—反应器容积，m3；

Qg—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(KLa)t，统一到(KLa)20，温度修正可用公式(5)[2]：

(KLa)20=(KLa)t/1.02t-20　　　　　(5)

式中：t—反应器内介质温度，℃；

　　2 试验装置

　　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。(KLa)20和EO2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(KLa)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(KLa)20值接近，当曝气强度较大时，SBBR的(KLa)20值明显高于SBR，即两种反应器的(KLa)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(KLa)20加值增大了3.0倍，而SBBR的(KLa)20值增大了3.7倍。对两种反应器的(KLa)20值作趋势分析，从图1上的趋势线可以看出，SBBR的(KLa)20值趋势线的斜率为0.6665，而SBR的(KLa)20值趋势线的斜率为0.4024，这说明SBBR的(KLa)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EO2值随着曝气强度增加反而减少，而 SBBR的EO2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，EO2值达到最大，然后EO2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Ct/(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*-Ct)     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*-Ct)     0     0.0724     0.1594     0.2684     0.4141     0.6350           
0.18     溶解氧Ct/(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*-Ct)     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*-Ct)     0     0.0711     0.1561     0.2619     0.4021     0.6103     0.9319     1.0875
0.24     溶解氧Ct/(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*-Ct)     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*-Ct)     0     0.0717     0.1578     0.2651     0.4080     0.6224     0.9620     1.1331
0.30     溶解氧Ct/(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*-Ct)     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*-Ct)     0     0.0717     0.1578     0.2651     0.4080     0.6224     0.9620     1.1331
0.40     溶解氧Ct/(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*-Ct)     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*-Ct)     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
(KLa)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
EO2
/%     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(KLa)20值均随着曝气强度的增加而增加。SBBR的(KLa)20 值增长速率要比SBR(KLa)20值是SBR的快1.66倍，当曝气强度为0.3m3/h 时，SBBR的(KLa)20值是SBR的1.59倍。

②SBR的EO2值随着曝气强度增加而减少，而 SBBR刚好相反，其EO2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EO2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．