序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Biofilm Batch Reactors)簡稱SBBR，又稱膜SBR(BSBR)，是在SBR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種改良工藝。由于其工藝簡單，基建、運行費用低，處理效果好，因而受到了國內(nèi)外水處理專家的廣泛關(guān)注。筆者通過SBBR與SBR反應(yīng)器的清水充氧試驗，對兩個反應(yīng)器的氧傳質(zhì)特性進行了對比研究，以期為SBBR工藝的放大設(shè)計和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
1 試驗原理
空氣中的氧向水中轉(zhuǎn)移的過程通常用雙膜理論來描述，可用公式(1)表示：
dC/dt=Kla(C*-Ct) (1)
式中：Ct—t時(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時水中溶解氧的質(zhì)量濃度，由式(1)得：
進行積分并整理得：
lg[(C*-C0)/(C*-Ct)]=(Kla/2.303)t (3)
由公式(3)即可求得KLa。
本試驗采用特性參數(shù)(KLa)20和氧轉(zhuǎn)移效率EO2來評價SBBR與SBR的氧傳質(zhì)特性。
氧轉(zhuǎn)移效率EO2可以用公式(4)來 計算 ：
EO2=VKla(C*-C)/(Qg×ρO2) (4)
式中：V—反應(yīng)器容積，m3;
Qg—曝氣強度，m3/s;
由于試驗條件的限制，每次測量的溫度不同，必須進行溫度修正，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 試驗裝直
試驗裝置為兩有機玻璃圓柱，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。生活污水間歇進入反應(yīng)器，周期運行。控制器可控制進水、厭氧、好氧、排水、閑置、排泥等操作過程。試驗所用生物填料為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 試驗方法
進行傳質(zhì)特性研究時，采用了平行對比試驗方法、，即設(shè)置兩個同型號反應(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，研究兩者氧傳質(zhì)的異同。具體操作步驟如下：
① 將反應(yīng)器內(nèi)注滿清水，并啟動空氣壓縮機，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計將進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進行脫氧。Na2S03投加量按1 mg/L溶解氧加10mg/L計算。CoCl2投加量為2mg/L。大約1min后溶解氧測定儀指針置零，表明反應(yīng)氣內(nèi)溶解氧為零。
③ 為了糾正每次測量的零點計時誤差，每次測量統(tǒng)一在溶解氧測定表盤指數(shù)升至0.1mg/L時作為充氧過程的計時零點。
④ 反應(yīng)器內(nèi)溶解氧大約每增加1mg/L，就記錄下所對應(yīng)的時間，直至反應(yīng)器內(nèi)溶解氧接近飽和。
序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Biofilm Batch Reactors)簡稱SBBR，又稱膜SBR(BSBR)，是在SBR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種改良工藝。由于其工藝簡單，基建、運行費用低，處理效果好，因而受到了國內(nèi)外水處理專家的廣泛關(guān)注。筆者通過SBBR與SBR反應(yīng)器的清水充氧試驗，對兩個反應(yīng)器的氧傳質(zhì)特性進行了對比研究，以期為SBBR工藝的放大設(shè)計和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
1 試驗原理
空氣中的氧向水中轉(zhuǎn)移的過程通常用雙膜理論來描述，可用公式(1)表示：
dC/dt=Kla(C*-Ct) (1)
式中：Ct—t時(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時水中溶解氧的質(zhì)量濃度，由式(1)得：
進行積分并整理得：
lg[(C*-C0)/(C*-Ct)]=(Kla/2.303)t (3)
由公式(3)即可求得KLa。
本試驗采用特性參數(shù)(KLa)20和氧轉(zhuǎn)移效率EO2來評價SBBR與SBR的氧傳質(zhì)特性。
氧轉(zhuǎn)移效率EO2可以用公式(4)來 計算 ：
EO2=VKla(C*-C)/(Qg×ρO2) (4)
式中：V—反應(yīng)器容積，m3;
Qg—曝氣強度，m3/s;
由于試驗條件的限制，每次測量的溫度不同，必須進行溫度修正，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 試驗裝直
試驗裝置為兩有機玻璃圓柱，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。生活污水間歇進入反應(yīng)器，周期運行。控制器可控制進水、厭氧、好氧、排水、閑置、排泥等操作過程。試驗所用生物填料為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 試驗方法
進行傳質(zhì)特性研究時，采用了平行對比試驗方法、，即設(shè)置兩個同型號反應(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，研究兩者氧傳質(zhì)的異同。具體操作步驟如下：
① 將反應(yīng)器內(nèi)注滿清水，并啟動空氣壓縮機，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計將進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進行脫氧。Na2S03投加量按1 mg/L溶解氧加10mg/L計算。CoCl2投加量為2mg/L。大約1min后溶解氧測定儀指針置零，表明反應(yīng)氣內(nèi)溶解氧為零。
③ 為了糾正每次測量的零點計時誤差，每次測量統(tǒng)一在溶解氧測定表盤指數(shù)升至0.1mg/L時作為充氧過程的計時零點。
④ 反應(yīng)器內(nèi)溶解氧大約每增加1mg/L，就記錄下所對應(yīng)的時間，直至反應(yīng)器內(nèi)溶解氧接近飽和。
4 試驗結(jié)果及討論
氧傳質(zhì)測定結(jié)果見表1。(KLa)20和EO2值計算結(jié)果見表2，其圖形表示見圖1。
從圖1可以看出，無論是否加掛填料，反應(yīng)器的(KLa)20 值均隨著曝氣強度的增加而增加。
當(dāng)曝氣強度較小時，兩種反應(yīng)器的(KLa)20值接近，當(dāng)曝氣強度較大時，SBBR的(KLa)20值明顯高于SBR，即兩種反應(yīng)器的(KLa)20 值隨曝氣強度的增加速率不同。當(dāng)曝氣強度從0.12 m3/h增大到0.4 m3/h時，SBR的(KLa)20加值增大了3.0倍，而SBBR的(KLa)20值增大了3.7倍。對兩種反應(yīng)器的(KLa)20值作趨勢 分析 ，從圖1上的趨勢線可以看出，SBBR的(KLa)20值趨勢線的斜率為0.6665，而SBR的(KLa)20值趨勢線的斜率為0.4024，這說明SBBR的(KLa)20值增長速率要比SBR的快1.66倍。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因分析如下：
當(dāng)曝氣強度較小時，反應(yīng)器內(nèi)氣泡密度較小，氣泡上升速度較慢，填料對氣泡的切割、截留作用不明顯。當(dāng)曝氣強度增大時，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)氣液兩相擾動加劇。SBBR反應(yīng)器內(nèi)隨著曝氣強度增加，液體紊動程度增大，在加強傳質(zhì)的同時，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)果強化了傳質(zhì)過程，并且這種效果隨曝氣強度增加有增大趨勢。故SBBR顯示出傳質(zhì)優(yōu)越性。
從表2可以看出，SBR的EO2值隨著曝氣強度增加反而減少，而SBBR的EO2值隨著曝氣強度的增加而增加。SBR反應(yīng)器內(nèi)曝氣強度達到0.18m3/h時，EO2值達到最大，然后EO2值走勢呈下降趨勢，原因是曝氣強度達到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，曝氣強度越大，能耗越大。SBBR反應(yīng)器不同，隨著曝氣強度的增加，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)測定結(jié)果
曝氣強度
/(m3·h-1)反應(yīng)器項目測定結(jié)果水溫/℃
0.12溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.86.028
SBBR充氧時間/min02.404.827.1310.7819.10
lgC*/(C*-Ct)00.07240.15940.26840.41410.6350
SBR充氧時間/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充氧時間/min01.563.124.686.6810.0816.3119.4328
lgC*/(C*-Ct)00.07240.15940.26840.41410.63500.99501.1851
SBR充氧時間/min01.472.974.777.1813.2318.9822.1527
lgC*/(C*-Ct)00.07110.15610.26190.40210.61030.93191.0875
0.24溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.06.07.07.3
SBBR充氧時間/min01.052.123.134.506.729.8215.5025.5
lgC*/(C*-Ct)00.06900.15100.25230.38460.57580.85150.9727
SBR充氧時間/min01.112.233.886.839.9615.3918.1327.5
lgC*/(C*-Ct)00.07170.15780.26510.40800.62240.96201.1331
0.30溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.06.07.07.3
SBBR充氧時間/min00.871.682.523.655.307.829.1027
lgC*/(C*-Ct)00.07110.15610.26190.40210.61030.93191.0875
SBR充氧時間/min00.982.123.626.439.3514.4417.0127.5
lgC*/(C*-Ct)00.07170.15780.26510.40800.62240.96201.1331
0.40溶解氧Ct/(mg·L-1)01.22.43.64.06.07.07.3
SBBR充氧時間/min00.671.322.023.034.927.408.6427
lgC*/(C*-Ct)00.07110.07110.15610.26190.40210.61030.9319
SBR充氧時間/min00.781.572.624.756.9010.6712.5627.5
lgC*/(C*-Ct)00.07170.15780.26510.40800.62240.96201.1331
表2 氧傳質(zhì)特性參數(shù)計算結(jié)果特性參數(shù)反應(yīng)器不同曝氣強度(m3/h)的傳質(zhì)特性
0.120.180.240.300.40
(KLa)20
/min-1SBBR0.06800.11990.14930.21020.2524
SBR0.05880.09850.12400.13220.1790
EO2
/%SBBR2.853.353.123.523.17
SBR2.462.752.602.212.25
5 結(jié)論
①SBBR和SBR的(KLa)20值均隨著曝氣強度的增加而增加。SBBR的(KLa)20 值增長速率要比SBR(KLa)20值是SBR的快1.66倍，當(dāng)曝氣強度為0.3m3/h時，SBBR的(KLa)20值是SBR的1.59倍。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
②SBR的EO2值隨著曝氣強度增加而減少，而SBBR剛好相反，其EO2值隨著曝氣強度的增加而增加。對SBBR反應(yīng)器來說，增大曝氣強度能提高氧轉(zhuǎn)移效率。當(dāng)曝氣強度為0.3m3/h時，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。
(審核編輯: 小王子)
分享
