SBBR与SBR氧传质特性比较研究

chinayzb

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％。

chinayzb

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)01.22.43.64.86.0　　28SBBR充氧时间/min02.404.827.1310.7819.10　　lgC*/(C*-Ct)00.07240.15940.26840.41410.6350　　SBR充氧时间/min02.475.178.7514.0721.24　　lgC*/(C*-Ct)00.07240.15940.26840.41410.6350　　0.18溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.06.07.07.3　SBBR充氧时间/min01.563.124.686.6810.0816.3119.4328lgC*/(C*-Ct)00.07240.15940.26840.41410.63500.99501.1851SBR充氧时间/min01.472.974.777.1813.2318.9822.1527lgC*/(C*-Ct)00.07110.15610.26190.40210.61030.93191.08750.24溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.06.07.07.3　SBBR充氧时间/min01.052.123.134.506.729.8215.5025.5lgC*/(C*-Ct)00.06900.15100.25230.38460.57580.85150.9727SBR充氧时间/min01.112.233.886.839.9615.3918.1327.5lgC*/(C*-Ct)00.07170.15780.26510.40800.62240.96201.13310.30溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.06.07.07.3　SBBR充氧时间/min00.871.682.523.655.307.829.1027lgC*/(C*-Ct)00.07110.15610.26190.40210.61030.93191.0875SBR充氧时间/min00.982.123.626.439.3514.4417.0127.5lgC*/(C*-Ct)00.07170.15780.26510.40800.62240.96201.13310.40溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.06.07.07.3　SBBR充氧时间/min00.671.322.023.034.927.408.6427lgC*/(C*-Ct)00.07110.07110.15610.26190.40210.61030.9319SBR充氧时间/min00.781.572.624.756.9010.6712.5627.5lgC*/(C*-Ct)00.07170.15780.26510.40800.62240.96201.1331

chinayzb

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0.120.180.240.300.40(KLa)20 /min-1SBBR0.06800.11990.14930.21020.2524SBR0.05880.09850.12400.13220.1790EO2 /% SBBR2.853.353.123.523.17SBR2.462.752.602.212.255 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。