SBBR与SBR氧传质特性比较研究

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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(sequencingbiofilmbatchreactors)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53.2l,有效容积45.6l,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1mg/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0.12m3/h增大到0.4m3/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0.18m3/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。

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。

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