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MBBR 工艺中不同曝气方式充氧效率的 比较及工程应用 裴烨青 1 陈东辉 1 周恭明 2 鲁骎 2 杨军 3 1. 东华大学环境科学与工程学院， 上海200051;2. 同济大学城市污染控制国家工程研究中心， 上海 200092; 3. 上海博士高环保设备工程有限公司， 上海200092 摘要 通过设定不同的进水方式、 曝气量、 悬浮填料投加比， 对比研究了 MBBR 工艺中三种曝气方式 均匀曝气、 渐 进曝气、 单侧曝气的充氧效率， 并且运用 Matlab 软件， 采用非线性回归法计算测试条件下的饱和溶解氧浓度 Cs和氧总 传质系数 KLα。得出 投加悬浮填料能明显提升原有曝气方式的充氧效率， 但首先须保证填料在水中有一定活动强 度， 否则反会降低充氧效率; 均匀曝气本身的充氧效率最佳， 不过由于需要更大的气容比来带动填料运动， 运行成本高 于另外两种方式。 关键词 MBBR; 悬浮填料; 曝气方式; 饱和溶解氧浓度; 氧总传质系数; 充氧效率 A COMPARISON OF AERATION EFFICIENCY AMONG VARIOUS AERATION MODES FOR MBBR AND ITS APPLICATION Pei Yeqing1Chen Donghui1Zhou Gongming2Lu Qin2Yang Jun3 1. College of Environmental Science ＆ Engineering of Donghua University，Shanghai 200051， China; 2. The National Engineering Research Center for Urban Pollution Control of Tongji University，Shanghai 200092， China; 3. Shanghai Boshigao Environmental Equipment ＆ Engineering Co. ，Ltd，Shanghai 200092，China AbstractA comparison of aeration efficiency among three aeration modes for MBBR even， gradual and lateral aeration， was made by setting different feeding modes， aeration fluxes and filling fractions in the experiment. The data of the experiment was processed by applying nonlinear regression in Matlab， with which saturated dissolved oxygen concentration Csand overall mass transfer coefficient of oxygen KLα were calculated. It was shown that floating bio-carriers could obviously strengthen the aeration efficiency， with the prerequisite that the carriers kept a certain degree of activity in the water， otherwise the aeration efficiency would be weakened on the contrary; although even aeration is of the best aeration efficiency among the three， it demands higher air-volume ratio to push carriers to move actively， which makes it less economical than gradual aeration and lateral aeration，which was confirmed by application in a full-scale MBBR. KeywordsMBBR;floating bio-carrier; saturated dissolved oxygen concentration; overall mass transfer coefficient of oxygen; aeration efficiency 1MBBR 工艺简介 由挪威科学技术大学研发的 MBBR 工艺， 其最 大特色就是悬浮填料 一种在水中活动性极佳的 生物载体， 可以随着水流在反应器内作大范围活动。 MBBR 工艺既吸取了活性污泥工艺中污泥絮体可以 自由活动的优势， 又保留了生物膜工艺中填料为微生 物提供稳固生长空间的特点。该工艺广泛应用于生 活污水、 工业废水、 市政给水等多种水质中， 可是目前 在我国尚鲜有应用。本文通过试验， 并借助国内某工 程案例的参数来研究该工艺中三种曝气方式在充氧 效率方面的差异。 1. 1MBBR 工艺中的两类曝气方式 在相关文献中， 经常可以看到悬浮填料在反应器 内呈内循环的流动状态， 如图 1 所示 ［ 1- 2］。这种流态 是通过在反应器内形成一定的曝气势差来实现的， 例 如仅在反应器的一侧进行布气。它可以让悬浮填料 5 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 始终处于一种有序的全池流化状态。 图 1呈内循环流态的 MBBR 反应器 然而在实际工程中， 均匀曝气因技术成熟、 应用 广泛等优点而更受青睐。工程师在进行曝气系统设 计时， 总是尽量追求池底布气均匀， 以及避免曝气死 区出现。如江苏省泰兴市化工经济开发区内某特种 化学品公司废水处理系统中， 就有一座采用均匀曝气 的 MBBR 反应池。该池悬浮填料投加比约 30 ， 处 理ρ COD 约 11 000 mg/L， 平 均ρ Cl － 约 24 000 mg/L的高盐废水， 在气水比约1 300∶ 1， COD 负荷约8 kg/ m3d 的情况下， 池内剩余 DO 浓度一 般保持在约3. 00 mg/L的水平， 为该 MBBR 反应池约 65 的平均 COD 降解率， 提供了有力保证。 1. 2曝气方式与充氧效率 从形态上来看， 通过曝气势差形成的内循环流态 与卧式搅拌槽内的循环流态非常相似。这种流态的 优点是 ［ 3- 4］ 1 使得流体在反应器内形成总体流动， 从而强化宏观尺度上的对流传质。2 产生高强度的 湍动， 迅速减小流体微元的尺寸并将不均匀程度降至 Kolomogoroff 尺度的漩涡内， 从而强化亚微观尺度上 的涡流扩散。3 增大分子扩散的面积， 减少分子扩 散的距离， 从而强化微观尺度上的分子扩散。 根据杨淑霞 ［ 5］等的研究， 我们可以得知 在曝气 器数量一定的情况下， 相对集中布置比分散布置时的 充氧能力和氧的利用率都有较大提高。 实际工程偏爱均匀曝气， 而理论研究则支持集中 曝气， 本文将通过试验来定量研究。 2无填料时两种曝气方式的充氧效率比较 2. 1试验材料与方法 一台 ACO － 008 电磁式空气泵为试验系统提供 气源; 气泵出口连接一台 LZB － 10 气体转子流量计; 流量计出口连接一台 YE － 100 膜盒压力表， 负责监 测反应器部分的阻力; 压力表之后连接一个一分四的 气体分路器， 每条分路口都装有用于微调气量的阀 门; 阀门出口通过软管连至四根完全一样的曝气胶 条， 胶条上均匀地分布一排出气微孔; 哈希 sension6 溶解氧分析仪负责监测和记录清水中溶解氧浓度的 变化情况， 分析仪的探测器上装有气泡屏蔽装置。 2. 2试验条件 2. 2. 1充氧 试验分两组 第 1 组采用均匀曝气， 四根曝气胶 条均匀地分布在反应器底部; 第 2 组采用单侧曝气， 四根曝气胶条全部集中在反应器一侧。 两组试验都采用序批进水， 即每次向反应器内注 入12. 5 L自来水， 使得扣除曝气胶条后的有效液位高 度为200 mm， 然后先脱氧， 再进行充氧。气量设为三 档， 分别是 0. 25， 0. 5， 1 m3/h， 对应的气容比 每小时 曝气量与水体积比值， 系本文引入概念 分别为 20∶ 1、 40∶ 1、 80∶ 1。 2. 2. 2脱氧 采用催化亚硫酸钠脱氧。Na2SO3的理论投加量 为待脱氧水体中溶解氧量的 7. 875 倍， 但在实际操作 中必须过量投加方能使脱氧率达到 99 。一般来 说， 在无催化剂的情况下， Na2SO3过量投加 50 左右 可使脱氧率达到 90 左右。 催化剂主要以 Co2 、 Cu2 、 Fe2 、 Zn2 、 Mn2 等重 金属离子为主， 其中 Co2 、 Cu2 、 Fe2 具有极佳的催 化作用， 可以使反应速度提高 40 倍 ～ 50 倍， 脱氧率 达到 100 ; Zn2 、 Mn2 可以使反应速度提高 10 倍 ～ 20 倍， 脱氧率达到 70 左右 ［ 6］。有机催化剂中对苯 二酚 ［ 7］有较为理想的催化效果。本试验选用 CoCl 2 6H2O 作为 Na2SO3的催化剂， 剂量为 Co2 的极限 剂 量 1 mg/L［ 6］， 合 CoCl2 6H2O 为 4. 0375 mg/L。在 Na2SO3投加过量 50 时， 可将自来水中溶解氧浓度 的监测值降至0. 00 mg/L。 本试验将采用非线性回归法处理数据， 因此测试 时长只需 4 /K Lα 即可 ［ 8］。现设定测试时长为900 s， 关 于其合理性将在接下来的数据部分进行验证。 2. 3试验结果 2. 3. 1数据处理 以空气泵启动时刻为时间零点， 每隔30 s记录一 次溶解氧浓度， 15 min后结束。以 W. G. Whitman 和 W. K. Lewis 的双膜理论为理论依据， 运用 Matlab 软 件对测得的时间 t 与溶解氧浓度 C 进行非线性回归 法处理， 计算出实测条件下的饱和溶解氧浓度 Cs和 氧总传质系数 K Lα 。 依据双膜理论， 由于氧气在水中的溶解度较低， 6 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 因此在氧气由气相向液相转移过程中， 传质阻力主要 集中于液膜。液膜内的氧传递微分方程式为 dC dt K Lα Cs－ C 1 式中 dC dt 溶解氧浓度变化速率， mg/ Ls ; K Lα 氧总传质系数， s; Cs 饱和溶解氧浓度， mg/L; C t 时溶解氧浓度， mg/L。 将式 1 积分整理得 C Cs－ Cs－ C0 exp － K Lα t 2 式中 C0为初始溶解氧浓度， mg/L。 由于使用线性回归法处理数据对 Cs取值的依赖 性非常强， 代入的 Cs值每减小 1 则 K Lα 值增大 1 ， 代入的 Cs值每增大 1 则 K Lα 值减小 1 ［ 9］， 因此本 试验采用非线性回归法来对实测复氧曲线进行拟合， 并计算出 Cs和 K Lα 。 对于式 2 来说， 当把 Cs及 C0也看作未知数时， 就成了典型的非线性方程式 ［ 9］ f t; Cs， C0， K Lα Cs－ Cs－ C0 exp － K Lα t 3 然后根据式 3 ， 用 Matlab 编写命令进行运算。 2. 3. 2数据分析 无填料时两种曝气方式下应用非线性回归法计 算出来的 Cs、 K Lα 见表 1。 表 1无填料时两种曝气方式充氧性能的比较 气量1 m3/h0. 5 m3/h0. 25 m3/h 布气均匀单侧均匀单侧均匀单侧 Cs/ mgL － 1 8. 61 8. 578. 798. 558. 739. 13 K Lα /s － 1 0. 0099 0. 0073 0. 0061 0. 0059 0. 00490. 0037 注 温度为 19 ℃ 图 2 为无填料时两种曝气方式复氧曲线的比较。 图 2无填料时两种曝气方式复氧曲线的比较 六次测试的 K Lα 分别为 0. 0099， 0. 0073， 0. 0061， 0. 0059， 0. 0049， 0. 0037 s － 1， 对应的理论测试时长分 别为 404. 0， 547. 9， 655. 7， 678. 0， 816. 3， 1 081. 1 s。 除了最后一次测试以外， 900 s的测试时长均可满足 要求， 因此可以认为是可行的。 根据表 1 和图 2 可知 在没有投加悬浮填料的情 况下， 均匀曝气的 K Lα 完全高过单侧曝气的 K Lα。不 过这尚不足以证明两类曝气方式在 MBBR 工艺中的 优劣， 因为单侧曝气在离开悬浮填料的情况下是无法 形成内循环流态的。曝气势差是驱动流体内循环的 动力， 悬浮填料是实现流体内循环的介质， 两者缺一 不可。接下来将比较有填料时两类曝气方式， 以及结 合两者特点的渐进曝气的充氧效率。 3有填料时三种曝气方式的充氧效率比较 3. 1试验条件 1 分组 试验分三组进行， 第一组采用均匀曝 气， 每根曝气胶条通过的气量相等; 第二组采用单侧 曝气， 仅靠池体边沿的曝气胶条进曝气; 第三组采用 渐进曝气， 四根曝气胶条的通气量分别调整为 40 、 30 、 20 、 10 。 2 进水 本部分试验将采用序批进水和连续进 水两种模式， 序批进水即每次向反应器内注入12. 5 L 自来水， 然后先脱氧， 再进行充氧; 连续进水即在序批 进水的基础上， 以50 L/h的流量向反应器的一端泵入 脱氧自来水， 并在另一端的溶解氧浓度监测点处保持 同样流量的出水。 3 气量 气量设为三档， 序批进水时的三档气量 分别是 0. 25， 0. 5， 1 m3/h， 对应的气容比分别为 20∶ 1、 40∶ 1、 80∶ 1; 连续进水时的三档气量分别是 0. 5， 1， 1. 5 m3/h， 对应的气水比分别为 10∶ 1、 20∶ 1、 30∶ 1， 对 应的气容比分别为 40∶ 1、 80∶ 1、 120∶ 1。 4 悬浮填料与投加比 本试验中使用无锡泽川 7 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 环境科技有限公司生产的悬浮填料。该种填料为圆 柱体形， 直径30 mm， 高25 mm， 材质为聚丙烯加橡胶， 填料表面作了负电性处理和粗糙度加工。 投加比的含义为 投入水体中悬浮填料的堆积体 积与水体体积的比值。设计者可以根据不同的待处 理水质来尝试不 同的投 加 比， 但 是 当 投 加 比 超 过 70 以后就会严重影响到填料的活动自由程度 ［ 1］。 一般在工程中选择的投加比为 30 ～ 40 。本部分 试验中， 序批进水时选择的投加比为 40 ， 连续进水 时选择的投加比为 30 。 3. 2试验结果 数据处理同 2. 3. 2。表 2 为序批进水时应用非 线性回归法计算出来的实测条件下 Cs、 K Lα 。 图 3 为序批进水有填料时两种曝气方式复氧曲 线的比较。 表 2序批进水有填料时三种曝气方式充氧性能的比较 气量1 m3/h0. 5 m3/h0. 25 m3/h 布气均匀渐进单侧均匀渐进单侧均匀渐进单侧 活动度淤塞完全完全淤塞普通普通淤塞淤塞淤塞 Cs/ mgL － 1 7. 65 7. 938. 388. 358. 107. 868. 798. 338. 82 K Lα /s－ 10. 0073 0. 0083 0. 0059 0. 0042 0. 0060 0. 0047 0. 0038 0. 00340. 0029 注 温度为 19 ℃ ， 投加比为 40 。 图 3序批进水有填料时三种曝气方式复氧曲线的比较 图 4连续进水有填料时三种曝气方式复氧曲线的比较 表 3 为连续进水有填料时两种曝气方式应用非 线性回归法计算出来的实测条件下 Cs、 K Lα 。 图 4 为连续进水有填料时两种曝气方式复氧曲 线的比较。 表 3连续进水有填料时三种曝气方式充氧性能的比较 气量1. 5 m3/h1 m3/h0. 5 m3/h 布气均匀渐进单侧均匀渐进单侧均匀渐进单侧 活动度完全完全激烈普通完全激烈微弱普通完全 Cs/ mgL － 1 7. 84 7. 507. 517. 737. 387. 557. 517. 497. 64 K Lα /s－ 10. 0163 0. 0133 0. 0109 0. 0121 0. 0132 0. 0101 0. 0090 0. 01020. 0086 注 温度为 19 ℃ ， 投加比为 30 。 较之表 1， 表 2 和表 3 增加了一项指标 “活动 度” 。活动度在这里指的是悬浮填料在水体中的活 动强度， 这是一项观测指标， 从弱到强共分为五档 淤 塞、 微弱、 普通、 完全、 激烈。 对比表 1 和表 2 可知 均匀曝气在三档气量下的 填料活动度均为 “淤塞” ， 此时投加填料后的 K Lα 均明 显低于投加填料前的 K Lα ; 单侧曝气在三档气量下的 填料活动度分别为 “完全 ” 、 “微弱 ” 、 “淤塞 ” ， “完全” 状况下的有填料 K Lα 明显高过无填料 K Lα， “微弱” 和 “淤塞” 状况下的有填料 K Lα 明显低于无填料 K Lα。因 此我们可以分析 投加悬浮填料的确能够有效提升均 匀曝气和单侧曝气的充氧效率， 但前提条件是填料必 须达到一定的活动度， 否则反而会降低原有的充氧 效率。 根据表 2 和图 3 可知 在 40 投加比、 20∶ 1气容 8 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 比的条件下， 均匀曝气的充氧效率最高; 当气容比升 为40∶ 1和80∶ 1后， 渐进曝气成为最佳。根据表 3 和图 4 可知 在投加比为 30 、 气容比为120∶ 1的条件下， 也是均匀曝气的充氧效率最高; 当气容比降为80∶ 1和 40∶ 1后， 渐进曝气再度成为最佳。为了分析其中的原 因， 将充氧效率与活动强度进行了关联， 详见表 4、 表 5。 表 4投加比为 40时悬浮填料活动强度 与曝气方式 K Lα 的关系 气量1 m3/h0. 5 m3/h0. 25 m3/h 气容比80∶ 140∶ 120∶ 1 布气均匀渐进单侧均匀渐进单侧均匀渐进单侧 活动度淤塞完全完全淤塞普通普通淤塞淤塞淤塞 K Lα 比较 渐进 均匀 单侧 渐进 单侧 均匀 均匀 渐进 单侧 表 5投加比为 30时悬浮填料活动强度 与曝气方式 K Lα 的关系 气量1. 5 m3/h1 m3/h0. 5 m3/h 气容比120∶ 180∶ 140∶ 1 布气均匀渐进单侧均匀渐进单侧均匀渐进单侧 活动度完全完全激烈普通完全激烈微弱普通完全 K Lα 比较 均匀 渐进 单侧 渐进 均匀 单侧 渐进 均匀 单侧 对比表 4、 表 5 可知， 当填料活动强度相近时， 均 匀曝气的充氧效率最高， 比如在三者都能达到“完 全” ， 或都不及“微弱” 时; 当渐进曝气的填料活动强 度强于均匀曝气时， 渐进曝气的充氧效率更高。另外 不难发现 在同样的气容比下， 均匀曝气的填料活动 强度总要明显弱于另外两者， 均匀曝气需要更大的曝 气量才能带动悬浮填料做充分运动。 4结论 1 在均匀曝气、 渐进曝气、 单侧曝气三者中， 均 匀曝气本身的充氧效率是最佳的， 单侧曝气本身的充 氧效率是最差的。 2 投加悬浮填料可以明显提升三种曝气方式的 充氧效率， 但前提条件是填料在水中必须保持一定的 活动强度， 否则反而会降低原有的充氧效率。 3 相比单侧曝气和渐进曝气， 均匀曝气需要更 大的气容比才能带动悬浮填料做充分运动。由于在 工程上， 鼓风机的耗电占了废水处理站运行成本的一 大部分， 因此对于 MBBR 工艺， 单侧曝气和渐进曝气 比均匀曝气有成本优势。 5应用实例 依据上述试验结论， 对 1. 1 提及的江苏省泰兴市 某特种化学品公司废水处理系统中的 MBBR 反应池 进行曝气方式改造。该池由一台配备变频电机的罗 茨鼓风机进行供气， 由于变频电机的输出功率与鼓风 机的输出气量呈正相关性， 因此更少的气量需求便意 味着更低的能量消耗。该池原本采用均匀曝气方式， 在悬浮填料投加比约 30 ， 气容比约40∶ 1， 气水比约 1 300∶ 1的情况下， 池内剩余 DO 浓度一般保持在约 3. 00 mg/L的水平; 对于平均ρ COD 约11 000 mg/L， 平均ρ Cl － 约24 000 mg/L的高盐废水， 在水力停留 时间约 33h 的情况下， 能够达到约 65 的平均 COD 降解率。通过对水上部分管道和阀门的简单调整， 将 该池原有的均匀曝气方式改为三阶式渐进曝气方式， 气量分布为6∶ 2∶ 2。在为期 1 个月的试运行期内， 鼓 风机的供气量有效减少 25 ， 在水质及其它主要条 件无明显变化情况下， 该池剩余 DO 浓度依然能维持 原有水平， 平均 COD 降解率还提升了 5 ， 达到不影 响系统效率而节能的目的。 参考文献 ［1 ］ Bjorn Rusten，Bjrnar Eikebrokk，Yngve Ulgenes，et al. 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