黃俊，邵林
(武漢科技大學(xué)　 城建學(xué)院環(huán)設(shè)系，湖北　 武漢　 430070)

　　摘要：在試驗(yàn)條件相同的情況下，進(jìn)行了序批式膜生物反應(yīng)器SBBR與SBR的清水充氧試驗(yàn)，氧傳質(zhì)特性比較研究結(jié)果表明：當(dāng)曝氣強(qiáng)度為0.3立方米/小時(shí)時(shí)，SBBR的（Kla）20和Eo2的值均為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。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；曝氣強(qiáng)度；氧傳質(zhì)；活性污泥；生物膜反應(yīng)器
　　中圖分類號(hào)：X703　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　 文章編號(hào)：1009—2455(2003)05—0004—03

A Comparative Study of Oxygen Mass Transfer Performances of SBBR and SBR
HUANG Jun，SHAO Lin-guang
(Environmental Engineering Department of Municipal Construction College，
Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430070,China)

　　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 (K_La)₂₀ and Eo2 of SBBR were respectively 1.59 times the values of the(K_La)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(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)移的過程通常用雙膜理論來描述，可用公式（1）表示：

　　dC/dt=K_la(C^*-C_t)　　　　(1)

　　式中：C_t—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；
　　　　　K_La—傳質(zhì)系數(shù)，min^-1。

　　令C₀及C_t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^*-C_t)]=(K_la/2.303)t　　　　　(3)

　　由公式(3)即可求得KLa。
　　本試驗(yàn)采用特性參數(shù)(K_La)₂₀和氧轉(zhuǎn)移效率E_O2來評(píng)價(jià)SBBR與SBR的氧傳質(zhì)特性^[2]。
　　氧轉(zhuǎn)移效率E_O2可以用公式(4)來計(jì)算：

　　E_O2=VKla(C^*-C)/(Qg×ρ_O2)　　　　　　　　　(4)

式中：V—反應(yīng)器容積，m³；
　　　Q_g—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(K_La)_t，統(tǒng)一到(K_La)₂₀，溫度修正可用公式(5)^[2]：

　　(K_La)₂₀=(K_La)_t/1.02^t-20　　　　　(5)

式中：t—反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；

2 試驗(yàn)裝直

　　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)定表盤指數(shù)升至0.1mg/L時(shí)作為充氧過程的計(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)果見表1。(K_La)₂₀和E_O2值計(jì)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(K_La)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(K_La)₂₀值接近，當(dāng)曝氣強(qiáng)度較大時(shí)，SBBR的(K_La)₂₀值明顯高于SBR，即兩種反應(yīng)器的(K_La)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(K_La)₂₀加值增大了3.0倍，而SBBR的(K_La)₂₀值增大了3.7倍。對(duì)兩種反應(yīng)器的(K_La)₂₀值作趨勢(shì)分析，從圖1上的趨勢(shì)線可以看出，SBBR的(K_La)₂₀值趨勢(shì)線的斜率為0.6665，而SBR的(K_La)₂₀值趨勢(shì)線的斜率為0.4024，這說明SBBR的(K_La)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(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E_O2值隨著曝氣強(qiáng)度增加反而減少，而SBBR的E_O2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)，E_O2值達(dá)到最大，然后E_O2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C_t/(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^*-C_t) 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^*-C_t) 0 0.0724 0.1594 0.2684 0.4141 0.6350 0.18 溶解氧C_t/(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^*-C_t) 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^*-C_t) 0 0.0711 0.1561 0.2619 0.4021 0.6103 0.9319 1.0875 0.24 溶解氧C_t/(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^*-C_t) 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^*-C_t) 0 0.0717 0.1578 0.2651 0.4080 0.6224 0.9620 1.1331 0.30 溶解氧C_t/(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^*-C_t) 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^*-C_t) 0 0.0717 0.1578 0.2651 0.4080 0.6224 0.9620 1.1331 0.40 溶解氧C_t/(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^*-C_t) 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^*-C_t) 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 (K_La)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 E_O2
/% 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(K_La)₂₀值均隨著曝氣強(qiáng)度的增加而增加。SBBR的(K_La)₂₀ 值增長(zhǎng)速率要比SBR(K_La)₂₀值是SBR的快1.66倍，當(dāng)曝氣強(qiáng)度為0.3m³/h時(shí)，SBBR的(K_La)₂₀值是SBR的1.59倍。
　　②SBR的E_O2值隨著曝氣強(qiáng)度增加而減少，而SBBR剛好相反，其E_O2值隨著曝氣強(qiáng)度的增加而增加。對(duì)SBBR反應(yīng)器來說，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E_O2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．
[2]許保玖．當(dāng)代給水與廢水處理原理講義[M]北京：清華大學(xué)出版社，1985．

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作者簡(jiǎn)介：黃俊(1975—)，男，湖北松滋人，武漢科技大學(xué)城建學(xué)院碩士生。