摘要：在试验条件相同的情况下，进行了序批式膜生物反应器SBBR与SBR的清水充氧试验，氧传质特性比较 研究 结果表明：当曝气强度为0.3立方米/小时时，SBBR的(Kla)20和Eo2的值均为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。
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%。
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) | 0 | 1.2 | 2.4 | 3.6 | 4.8 | 6.0 | 28 | |||
| SBBR | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | 充氧时间/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 | |||
| 特性参数 | 反应器 | 不同曝气强度(m3/h)的传质特性 | ||||
| 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 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。
