SBBR与SBR氧传质特性比较研究

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

a comparative study of oxygen mass transfer performances of sbbr and sbr

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 (kla)20 and eo2 of sbbr were respectively 1.59 times the values of the(kla)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=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。(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．