序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Biofilm Batch Reactors)簡(jiǎn)稱SBBR，又稱膜SBR(BSBR)[1]，是在SBR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種改良工藝。由于其工藝簡(jiǎn)單，基建、運(yùn)行費(fèi)用低，處理效果好，因而受到了國(guó)內(nèi)外水處理專(zhuān)家的廣泛關(guān)注。筆者通過(guò)SBBR與SBR反應(yīng)器的清水充氧試驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)反應(yīng)器的氧傳質(zhì)特性進(jìn)行了對(duì)比研究，以期為SBBR工藝的放大設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

　　1 試驗(yàn)原理

　　空氣中的氧向水中轉(zhuǎn)移的過(guò)程通常用雙膜理論來(lái)描述，可用公式（1）表示：

dC/dt=Kla(C*-Ct)　　　　(1)

式中：Ct—t時(shí)(min)溶解氧的質(zhì)量濃度，mg／L；

C*—飽和溶解氧的質(zhì)量濃度，mg／L；

KLa—傳質(zhì)系數(shù)，min-1。

令C0及Ct分別代表t=0及t=t時(shí)水中溶解氧的質(zhì)量濃度，由式(1)得：

進(jìn)行積分并整理得：

lg[(C*-C0)/(C*-Ct)]=(Kla/2.303)t 　　　　　(3)

由公式(3)即可求得KLa。

本試驗(yàn)采用特性參數(shù)(KLa)20和氧轉(zhuǎn)移效率EO2來(lái)評(píng)價(jià)SBBR與SBR的氧傳質(zhì)特性[2]。

氧轉(zhuǎn)移效率EO2可以用公式(4)來(lái)計(jì)算：

EO2=VKla(C*-C)/(Qg×ρO2)　　　　　　　　　(4)

式中：V—反應(yīng)器容積，m3；

Qg—曝氣強(qiáng)度，m3／s；

由于試驗(yàn)條件的限制，每次測(cè)量的溫度不同，必須進(jìn)行溫度修正，將(KLa)t，統(tǒng)一到(KLa)20，溫度修正可用公式(5)[2]：

(KLa)20=(KLa)t/1.02t-20　　　　　(5)

式中：t—反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；

　　2 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置為兩有機(jī)玻璃圓柱，內(nèi)徑220mm，高1400mm，總?cè)莘e53.2 L，有效容積45.6 L，其中一反應(yīng)器內(nèi)裝YCDT立體彈性填料。生活污水間歇進(jìn)入反應(yīng)器，周期運(yùn)行。控制器可控制進(jìn)水、厭氧、好氧、排水、閑置、排泥等操作過(guò)程。試驗(yàn)所用生物填料為YCDT型立體彈性填料。該填料是一種將耐腐蝕、耐溫、耐老化的拉毛絲條穿插固著在耐腐蝕、高強(qiáng)度的中心繩上，使絲條呈立體輻射狀態(tài)均勻排列的懸掛式立體彈性填料，填料單元直徑為180mm，絲條直徑0.35mm，比表面積為50～300m2／m3，孔隙率大于99％。

　　3 試驗(yàn)方法

　　進(jìn)行傳質(zhì)特性研究時(shí)，采用了平行對(duì)比試驗(yàn)方法、，即設(shè)置兩個(gè)同型號(hào)反應(yīng)器，反應(yīng)器一加掛填料(SBBR)而另一反應(yīng)器未掛填料(SBR)，在相同的操作控制條件下，研究?jī)烧哐鮽髻|(zhì)的異同。具體操作步驟如下：

① 將反應(yīng)器內(nèi)注滿清水，并啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)將進(jìn)氣量控制在選定值上。

② 向反應(yīng)器內(nèi)投加還原劑Na2S03和催化劑CoCl2進(jìn)行脫氧。Na2S03投加量按1 mg／L溶解氧加10mg/L計(jì)算。CoCl2投加量為2mg／L。大約1min后溶解氧測(cè)定儀指針置零，表明反應(yīng)氣內(nèi)溶解氧為零。

③ 為了糾正每次測(cè)量的零點(diǎn)計(jì)時(shí)誤差，每次測(cè)量統(tǒng)一在溶解氧測(cè)定表盤(pán)指數(shù)升至0.1mg/L時(shí)作為充氧過(guò)程的計(jì)時(shí)零點(diǎn)。

④ 反應(yīng)器內(nèi)溶解氧大約每增加1mg/L，就記錄下所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，直至反應(yīng)器內(nèi)溶解氧接近飽和。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

　　氧傳質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。(KLa)20和EO2值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，其圖形表示見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，無(wú)論是否加掛填料，反應(yīng)器的(KLa)20 值均隨著曝氣強(qiáng)度的增加而增加。

當(dāng)曝氣強(qiáng)度較小時(shí)，兩種反應(yīng)器的(KLa)20值接近，當(dāng)曝氣強(qiáng)度較大時(shí)，SBBR的(KLa)20值明顯高于SBR，即兩種反應(yīng)器的(KLa)20 值隨曝氣強(qiáng)度的增加速率不同。當(dāng)曝氣強(qiáng)度從0.12 m3／h增大到0.4 m3／h時(shí)，SBR的(KLa)20加值增大了3.0倍，而SBBR的(KLa)20值增大了3.7倍。對(duì)兩種反應(yīng)器的(KLa)20值作趨勢(shì)分析，從圖1上的趨勢(shì)線可以看出，SBBR的(KLa)20值趨勢(shì)線的斜率為0.6665，而SBR的(KLa)20值趨勢(shì)線的斜率為0.4024，這說(shuō)明SBBR的(KLa)20值增長(zhǎng)速率要比SBR的快1.66倍。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因分析如下：

當(dāng)曝氣強(qiáng)度較小時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)氣泡密度較小，氣泡上升速度較慢，填料對(duì)氣泡的切割、截留作用不明顯。當(dāng)曝氣強(qiáng)度增大時(shí)，氣泡密度增加，氣泡上升速度加快。在SBR反應(yīng)器內(nèi)，由于沒(méi)有阻擋物，可以觀察到氣泡幾乎垂直上升。在 SBBR反應(yīng)器內(nèi)，由于填料的緣故，可以觀察到氣泡無(wú)法垂直上升，其上升速度減緩，上升軌跡復(fù)雜、多變，反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相擾動(dòng)加劇。SBBR反應(yīng)器內(nèi)隨著曝氣強(qiáng)度增加，液體紊動(dòng)程度增大，在加強(qiáng)傳質(zhì)的同時(shí)，氣泡被填料分割加劇，較小氣泡的增多增加了氣液傳質(zhì)界面，總的結(jié)果強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，并且這種效果隨曝氣強(qiáng)度增加有增大趨勢(shì)。故SBBR顯示出傳質(zhì)優(yōu)越性。

從表2可以看出，SBR的EO2值隨著曝氣強(qiáng)度增加反而減少，而 SBBR的EO2值隨著曝氣強(qiáng)度的增加而增加。SBR反應(yīng)器內(nèi)曝氣強(qiáng)度達(dá)到0.18m3／h時(shí)，EO2值達(dá)到最大，然后EO2值走勢(shì)呈下降趨勢(shì)，原因是曝氣強(qiáng)度達(dá)到0.18 m3／h后繼續(xù)增大，氧傳質(zhì)效果增加不明顯，而系統(tǒng)供氧量大大增加，造成氧轉(zhuǎn)移效率逐步下降，曝氣強(qiáng)度越大，能耗越大。SBBR反應(yīng)器不同，隨著曝氣強(qiáng)度的增加，氧傳質(zhì)系數(shù)的增加高于供氧量的增加，因此提高了氧轉(zhuǎn)移效率，從而節(jié)約了能耗。

表1　 氧傳質(zhì)測(cè)定結(jié)果 曝氣強(qiáng)度

／(m3·h-1)     反應(yīng)器     項(xiàng)目     測(cè)定結(jié)果     水溫／℃
0.12     溶解氧Ct/(mg·L-1)     0     1.2     2.4     3.6     4.8     6.0                 28
SBBR     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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     充氧時(shí)間/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　 氧傳質(zhì)特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果 特性參數(shù)     反應(yīng)器     不同曝氣強(qiáng)度(m3/h)的傳質(zhì)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 結(jié)論

①SBBR和SBR的(KLa)20值均隨著曝氣強(qiáng)度的增加而增加。SBBR的(KLa)20 值增長(zhǎng)速率要比SBR(KLa)20值是SBR的快1.66倍，當(dāng)曝氣強(qiáng)度為0.3m3/h 時(shí)，SBBR的(KLa)20值是SBR的1.59倍。

②SBR的EO2值隨著曝氣強(qiáng)度增加而減少，而 SBBR剛好相反，其EO2值隨著曝氣強(qiáng)度的增加而增加。對(duì)SBBR反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，增大曝氣強(qiáng)度能提高氧轉(zhuǎn)移效率。當(dāng)曝氣強(qiáng)度為0.3m3/h時(shí)，SBBR的EO2值也是SBR的1.59倍。SBBR具有更好的氧傳質(zhì)能力和更高的氧轉(zhuǎn)移效率。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]趙麗珍，廖應(yīng)棋．SBR技術(shù)的研究及進(jìn)展 [J]．江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22(3)：58—61．

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