聚乙烯管式微孔曝氣器在污水處理中的應(yīng)用

張 奕

上格環(huán)境科技（上海）有限公司 （上海 200060）

典型的污水處理方法分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。生物法是利用廢水中微生物的代謝作用分解水中可降解有機(jī)物的方法，是目前廢水處理中應(yīng)用最普遍的方法。在好氧生物處理系統(tǒng)中，曝氣設(shè)備是給好氧生物提供氧氣的主要設(shè)備，也是系統(tǒng)中最主要的耗能設(shè)備，其運(yùn)行費(fèi)用占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的60%～80%。因此，如何提高曝氣系統(tǒng)的效率、保證充足穩(wěn)定的供氧量，對(duì)好氧生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能降耗都至關(guān)重要。

1 曝氣原理

曝氣是用強(qiáng)制方法將氧溶解到廢水與活性污泥混合液中的過(guò)程。曝氣除了要使好氧生物處理系統(tǒng)的溶解氧濃度維持在需要的范圍內(nèi)，還要起到攪拌作用，使活性污泥處于懸浮狀態(tài)，與污水密切接觸、充分混合，以利于微生物對(duì)污水中有機(jī)物的吸附和降解。曝氣方式大體包括鼓風(fēng)曝氣、表面機(jī)械曝氣和射流曝氣。鼓風(fēng)曝氣是將空氣通過(guò)管道系統(tǒng)送入池底，通過(guò)擴(kuò)散裝置，使其以氣泡的形式擴(kuò)散到水中，從而將氣泡中的氧氣迅速轉(zhuǎn)移到水中的過(guò)程。表面機(jī)械曝氣是通過(guò)曝氣機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，劇烈攪動(dòng)水面，使液體循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的水躍，將大量水滴和片狀水撒向空中，使空氣中的氧與水躍界面充分接觸并快速溶入水體。射流曝氣采用文丘里噴嘴，工作水泵出水通過(guò)射流器的噴嘴，隨著噴嘴直徑變小，液體以極高的速度從噴嘴噴射出來(lái)；高速流動(dòng)的液體穿過(guò)吸氣室進(jìn)入喉管，在喉管形成局部真空，通過(guò)導(dǎo)氣管吸入(或壓入)的大量空氣進(jìn)入喉管后，在噴水壓力的作用下被分割成大量微小的氣泡，與水形成混合體；氣液混合體通過(guò)擴(kuò)散管向外排出，其速度減慢，壓力增強(qiáng)，形成強(qiáng)力噴射流，對(duì)廢水?dāng)嚢璩溲?。以?種曝氣方式，鼓風(fēng)曝氣的應(yīng)用最為普遍。

2 常用曝氣設(shè)備及存在的問(wèn)題

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)由空氣加壓設(shè)備、空氣輸配管路和空氣擴(kuò)散裝置組成?？諝饧訅涸O(shè)備主要是鼓風(fēng)機(jī)，其風(fēng)量要滿足生化反應(yīng)所需的氧量和保持混合液中污泥的懸浮狀態(tài)，風(fēng)壓要足以克服系統(tǒng)和空氣擴(kuò)散裝置的摩擦損耗及其上部的靜水壓。空氣輸配管路主要指輸氣管，包括干管和支管?？諝鈹U(kuò)散裝置也叫曝氣器或曝氣頭，其作用是使空氣形成不同尺寸的氣泡。

根據(jù)氣泡尺寸的大小，空氣曝氣器分為大氣泡型、中氣泡型、小氣泡型和微氣泡型。

大氣泡型曝氣器，如曝氣豎管，豎管口徑在15 mm以上，通常安裝位置距池底150 mm。

常用的中氣泡型曝氣器（即穿孔曝氣器）采用穿有小孔的鋼管或塑料管（直徑為25～50 mm），孔直徑為3～5 mm，開(kāi)設(shè)于管壁兩側(cè)向下45°處。

小氣泡型曝氣器分為空氣升液型、水力剪切型和水力沖擊型?？諝馍盒椭饕袛U(kuò)散板、擴(kuò)散管、擴(kuò)散盤等；水力剪切型主要有固定螺旋曝氣器、動(dòng)態(tài)曝氣器、動(dòng)力散流型曝氣器等；水力沖擊型主要有密集多噴嘴空氣擴(kuò)散裝置、射流曝氣器等。

微氣泡曝氣器也稱微孔曝氣器，常見(jiàn)類型有剛玉微孔曝氣器、覆盤型微孔曝氣器、橡膠膜微孔曝氣器、管式微孔曝氣器。微孔曝氣器在水中產(chǎn)生的氣泡的直徑通常小于3 mm。與機(jī)械曝氣、穿孔曝氣等相比，膜片式微孔曝氣盤和曝氣管的氧轉(zhuǎn)移效率較高、布?xì)饩鶆?，是目前好氧生物處理系統(tǒng)中使用最普遍的曝氣器。橡膠膜片式微孔曝氣器由上蓋、合成橡膠膜、支撐架、底座、密封墊等組成。微孔曝氣盤的合成橡膠膜上開(kāi)有按一定規(guī)則排列的2 100～2 500個(gè)開(kāi)閉式孔眼；管式微孔曝氣器是讓空氣通過(guò)表面布滿氣孔的曝氣橡膠管在水中產(chǎn)生氣泡，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成可升降式。然而，在運(yùn)行過(guò)程中，微孔曝氣盤和曝氣管時(shí)常發(fā)生膜片破裂、排氣頭脫落等問(wèn)題，使曝氣池中曝氣嚴(yán)重不均勻，而膜片則必須在排水后進(jìn)行更換，成為運(yùn)行中的難題。為了解決該問(wèn)題，有些公司采用可升降曝氣管，使好氧池在不排水的情況下完成膜片的更換，但同時(shí)大大增加了好氧池的投資費(fèi)用。另外，膜片式曝氣盤和曝氣管的阻力大，使得好氧生物處理系統(tǒng)的能耗較高。

3 聚乙烯管式微孔曝氣器的應(yīng)用

3.1 聚乙烯管式微孔曝氣器的結(jié)構(gòu)

聚乙烯管式微孔曝氣器由兩層套管組成，中間為聚乙烯間隙墊圈。外層管道是由高密度聚乙烯（HDPE）制作的多孔結(jié)構(gòu)，稱為纖維多孔布?xì)鈱?，在制造過(guò)程中使用氣動(dòng)擠壓的方法使熔融的聚乙烯形成纖維孔狀的管子。內(nèi)層管道是聚氯乙烯（PVC）穿孔管，稱為穿孔輸氣層?？諝膺M(jìn)入內(nèi)層PVC穿孔管后，通過(guò)孔進(jìn)入兩層管道之間的間隙，再通過(guò)外層HDPE的纖維多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到水中，形成大量持續(xù)穩(wěn)定的氣泡。

3.2 聚乙烯管式微孔曝氣器的性能

3.2.1 供氣原理

圖1 聚乙烯管式微孔曝氣器的結(jié)構(gòu)圖

在聚乙烯管式微孔曝氣器中，氣體首先通過(guò)內(nèi)部的穿孔輸氣管均勻地進(jìn)入到氣體分配層，然后再通過(guò)布?xì)鈱泳鶆虻財(cái)U(kuò)散至廢水中，并且形成很小的氣泡。聚乙烯曝氣管的雙層結(jié)構(gòu)利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，使每一組曝氣管前、后及中間的空氣量與壓力均勻分布，即空氣在離開(kāi)內(nèi)部穿孔管時(shí)前端及未端的氣量和氣壓就是均勻的；在支承穿孔管和布?xì)鈱又g有空氣通道（氣流分配層），保證沿著曝氣管的長(zhǎng)度方向重新分配空氣和均勻空氣流量，降低空氣通過(guò)布?xì)鈱拥膲毫p失，再通過(guò)曝氣器將氣流分解成細(xì)小的氣泡，增大水體中氧的利用率。

3.2.2 氧傳遞效率

聚乙烯管式微孔曝氣管的氧傳遞效率隨著通氣量增大而逐漸減小，基本在5%～7%之間。氧轉(zhuǎn)移效率在通氣量為4 m3/（m·h）時(shí)最高。聚乙烯管式微孔曝氣管的氧傳遞效率隨氣流的變化如圖2所示。

圖2 聚乙烯管式曝氣管的氧傳遞效率

3.2.2 壓力損失

聚乙烯管式微孔曝氣器獨(dú)有的在支承管和布?xì)鈱又g的氣流分配層可降低空氣阻力損失及其增長(zhǎng)速度。聚乙烯管式微孔曝氣管壓力損失隨著氣流的增大而增大，氣流在5～45 m3/（m·h）之間變化時(shí)，壓力損失從1.5 kPa增加到4 kPa。聚乙烯管式微孔曝氣管的壓力損失隨氣流的變化見(jiàn)圖3。

3.2.2 氧轉(zhuǎn)移效率

圖3 聚乙烯管式曝氣管的壓力損失

聚乙烯管式微孔曝氣器布?xì)鈱拥奶厥馕⒖捉Y(jié)構(gòu)保證了其產(chǎn)生的氣泡直徑比較小，使擴(kuò)散到混合液中的氣泡直徑一般為1～3 mm，該類氣泡既能使氣液之間的接觸面積增大，又能形成較強(qiáng)的紊流并帶動(dòng)混合液形成旋流，造成液膜的不斷更新，有利于氧的轉(zhuǎn)移，因此它具有較高的氧轉(zhuǎn)移率（25%～35%）。另外，氣泡還能保證活性污泥處于懸浮狀態(tài)，使活性污泥、氧和有機(jī)污染物三相充分接觸，從而提高生化反應(yīng)速率。

3.3 聚乙烯管式微孔曝氣器的優(yōu)點(diǎn)

3.3.1 使用壽命長(zhǎng)

聚乙烯管式微孔曝氣器具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿，機(jī)械強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)，能夠承受風(fēng)機(jī)頻繁啟用產(chǎn)生的水擊作用。同時(shí)，它的布?xì)鈱颖砻娼?jīng)過(guò)專門的靜電處理，較為光滑，不易被微孔生物附著，曝氣器表面不易被堵塞，因此使用壽命長(zhǎng)。根據(jù)應(yīng)用實(shí)例，其實(shí)際最長(zhǎng)的工作時(shí)間已超過(guò)10年。

3.3.2 節(jié)能

與盤式曝氣器完全不同，聚乙烯管式微孔曝氣器的氣泡直徑并不受通氣量變化的影響，其氧利用率不隨通氣量的增大而下降，而是保持在一個(gè)較高的水平。因此，聚乙烯管式微孔曝氣器可以在一個(gè)很寬泛的通氣量范圍內(nèi)正常工作，從節(jié)能角度考慮，其最佳通氣量為15～33 m3/（m·h）。這種特性尤為適合水質(zhì)波動(dòng)較大的情況，通過(guò)風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使生物處理系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)，節(jié)約能耗，降低日常運(yùn)行費(fèi)用。

3.3.3 性能優(yōu)于膜片盤式曝氣器

聚乙烯管式微孔曝氣器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材質(zhì)特點(diǎn)，使其在功能性上較其他曝氣器有較大優(yōu)勢(shì)。聚乙烯管式微孔曝氣器與傳統(tǒng)膜片式微孔曝氣盤的性能比較參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，聚乙烯管式微孔曝氣器在氧轉(zhuǎn)移效率、壓力損失、使用壽命、服務(wù)面積及通氣量上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，也能充分說(shuō)明其能耗、充氧效率、防波動(dòng)能力較膜片式曝氣管有充分的優(yōu)勢(shì)。

以一家食品廠的污水處理裝置改造為例，用聚乙烯管式微孔曝氣器替換原有的膜片式微孔曝氣器，在保持出水化學(xué)需氧量（COD）達(dá)標(biāo)的前提下，風(fēng)機(jī)的開(kāi)度僅為原有開(kāi)度的60%，投資成本在一年后就能基本收回。

表1 聚乙烯管式微孔曝氣器與膜片式微孔曝氣器的性能參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

將聚乙烯曝氣管應(yīng)用于污水處理，在使用壽命、節(jié)能降耗、穩(wěn)定運(yùn)行、降低運(yùn)行成本方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，推廣使用該類曝氣器對(duì)污水處理廠降低投資和運(yùn)行成本、保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。