SBBR与SBR氧传质特性比较研究

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

表2　 氧传质特性参数计算结果

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。