序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Biofilm Batch Reactors)簡(jiǎn)稱SBBR，又稱膜SBR(BSBR)，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。

　　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?？刂破骺煽刂七M(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。

　?、?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(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。

　　序批式生物膜反應(yīng)器(Sequencing Biofilm Batch Reactors)簡(jiǎn)稱SBBR，又稱膜SBR(BSBR)，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。

　　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(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：

　?、?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。

　?、?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。

　?、?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(guò)程的計(jì)時(shí)零點(diǎn)。

　?、?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)01.22.43.64.86.028

　　SBBR充氧時(shí)間/min02.404.827.1310.7819.10

　　lgC*/(C*-Ct)00.07240.15940.26840.41410.6350

　　SBR充氧時(shí)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(shí)間/min01.563.124.686.6810.0816.3119.4328

　　lgC*/(C*-Ct)00.07240.15940.26840.41410.63500.99501.1851

　　SBR充氧時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間/min00.871.682.523.655.307.829.1027

　　lgC*/(C*-Ct)00.07110.15610.26190.40210.61030.93191.0875

　　SBR充氧時(shí)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(shí)間/min00.671.322.023.034.927.408.6427

　　lgC*/(C*-Ct)00.07110.07110.15610.26190.40210.61030.9319

　　SBR充氧時(shí)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(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

　　0.120.180.240.300.40

　　(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(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。具體參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　?、赟BR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。