多種曝氣裝置在黑臭水體治理中的對比

唐其林

（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410007）

在人工河湖、濕地及景觀水池水質(zhì)提升，自然河道、湖泊水體原位修復以及農(nóng)村集中污水氧化塘處理方面，污水處理廠氧化溝處理通過人工曝氣可使水體氣-水混合，增加水中氧的含量，曝氣噴水推動水體流動，促進水體內(nèi)的交換，包括上層水與下層水豎向交換和水體內(nèi)回流的水平交換，增加水體氧的均勻度，最大程度地消除厭氧性生物生存發(fā)展的條件[1-2]。

1 曝氣對改善水質(zhì)的主要作用

1.1 增加水中溶解氧

曝氣裝置將氣體與水體相混合，增加了水中的溶解氧含量，為好氧微生物提供了充足的氧氣，創(chuàng)造了好氧微生物的活動環(huán)境[3]。好氧微生物的活躍使得它們能夠更加高速、高效地分解水體中的有機物，降低水體的COD、BOD指標，降低有機物被厭氧菌分解時產(chǎn)生的甲烷等有毒有害氣體量。有機物的含量降低和水中溶解氧含量的上升，有效抑制了水體中藻類的過度繁殖，降低水體的水化現(xiàn)象，大幅度消除水體的黑臭現(xiàn)象。

1.2 幫助水體中大型物質(zhì)與碎屑相分離

曝氣過程中通過對水體的攪動、對流，將有機物碎屑、無機懸浮物、動植物殘骸等物質(zhì)用氣泡包裹起來，使它們在氣泡影響下浮起來，防止污染物沉淀，為后續(xù)的絮凝沉淀、脫除奠定基礎。這樣不僅可以提高水體治理質(zhì)量和效率，也可以有效提高水體的透明度，降低水體的色度。

1.3 減少水體內(nèi)底泥帶來的污染

黑臭水體中持續(xù)污染、治理效果不佳的重要原因在于有機物的沉淀形成了底泥，在水體底部厭氧環(huán)境下厭氧菌分解有機物持續(xù)形成氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，持續(xù)為藻類生長、有毒有害物質(zhì)形成、有機物堆積創(chuàng)造條件。因此，想要治理黑臭水體，必須進行底泥治理，將有機污染物的底泥逐漸改造為無機化底質(zhì)，阻斷內(nèi)源污染。

2 常見的曝氣設備類型

目前，污水處理、黑臭水體治理中，常見的人工曝氣設備類型大體分為五種[3-4]。大體的設備分類如圖1所示。

圖1 曝氣設備分類

2.1 機械曝氣

機械曝氣設備多借助葉輪的力量進行曝氣，在液面位置，葉輪打出氣泡來增加溶解氧，這樣的曝氣設備多用于污水處理廠。根據(jù)葉輪機安裝位置，它分為豎軸式、橫軸式。

2.2 鼓風曝氣

鼓風曝氣借助鼓風機的力量，直接將氣體通過擴散板或者擴散管引入水中，氣泡在曝氣器出口處形成，氣泡的尺寸大小取決于曝氣器出口的口徑。鼓風曝氣設備在污水治理領域中應用范圍廣泛。

2.3 射流曝氣

采用水泵經(jīng)射流器供氧的射流曝氣，噪聲小，按照供氣方式分為供氣式射流機、負壓自吸式射流機。

2.4 推流曝氣機

推流曝氣機借助的是曝氣、攪拌、推流的力量，推流曝氣機的充氧方式屬于一機化，因此不需要配置鼓風機等設備，主體設備為水下葉輪機與后置氣口，具有水循環(huán)功能，能有效地防止封閉性、非流動性的水質(zhì)腐爛發(fā)臭。

2.5 其他曝氣設備

微納米曝氣機（氣浮機改良設備）由水泵、微納米氣泡水發(fā)生器、壓力表、曝氣頭和一些管件組成。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是利用微納米氣泡分散技術(shù)將大量的空氣初步壓縮成大量的0.25 mm直徑的無壓微泡在水體中，然后在半真空的情況下，通過氣相和液相的高度分散，將釋放系統(tǒng)產(chǎn)生的0.25 mm直徑的無壓微泡形成一些直徑小于3 μm的微米級氣泡甚至形成納米級氣泡，這些高度分散后的氣泡被統(tǒng)稱為微納米氣泡，釋放到需充氧水體中以達到對水體迅速充氧的效果。

3 曝氣機主要評價指標

3.1 曝氣設備中理論氧傳遞原理及影響因素

物質(zhì)擴散速率由Fick定律得出：

式中，Na為物質(zhì)擴散速率；dC為物質(zhì)濃度；D為氣相或是液相中常用的擴散系數(shù)，m2/h；dz為沿擴散方向的擴散距離。

氧溶解度可以表示為：

式中，CS為氧溶解度；p為氧分壓；KS為溶解度常數(shù)。

根據(jù)氧傳遞雙膜理論可知，氧氣在液體中的溶解度很小，因此，液體中氧的平衡濃度實際上與氧的飽和溶解度相差不大。氧氣在氣相和液相中的擴散速度并不一致，在氣相中的擴散速度比在液相中的擴散速度大得多，因此想要提升氧的傳質(zhì)速率，必須借助曝氣設備，通過控制液膜來提升氧的傳遞速度。所以，在曝氣工藝中，氧的傳質(zhì)公式為：

式中，KL為與曝氣設備相關的常數(shù)；A為氣液接觸面積。

從理論上來說，提高氧傳遞速率的主要方式有兩種。一是提高曝氣設備常數(shù)，提高氣液接觸面積，即提高KL·A值。在相同的污水水體條件下，相同曝氣設備的常數(shù)KL值通常是固定的，選擇KL較高的曝氣設備是提高樣傳遞速率的重要方式；增加氣液接觸面積可以通過縮小氣泡體積等方式實現(xiàn)，借助微氣泡曝氣等設備可以有效提升氣液接觸面積，提高氧的傳遞速率。二是提高氧的溶解度，即（CS-C）值。要想提高氧的溶解度，可以采用高含氧空氣曝氣設備，或采用純氧進行曝氣。

溫度、曝氣深度會影響兩方陣數(shù)值，需要具體分析。

3.2 曝氣設備的主要評價參數(shù)

評價曝氣設備，主要采用測定特性曲線，最大可能地模擬和體現(xiàn)實際使用過程中曝氣器的曝氣情況，有助于曝氣設備的實際使用和綜合因素的全面考慮。以下幾個指標同樣是衡量曝氣設備的重點[3-5]。

充氧能力（RO）是指在單位時間內(nèi)曝氣設備向混合液中傳輸氧氣的量，單位是kgO2/h。氧的利用率（EA）通常以曝氣氣量、密度來表示，指總供氧量中曝氣系統(tǒng)所轉(zhuǎn)移的氧量的百分比，特性曲線中橫軸表示曝氣氣量，豎軸表示氧的密度。動力效率（Ep）是指單位能量消耗帶來的曝氣量，應用電能的情況下，指的是每消耗1 kW·h電所帶來的曝氣量，單位為kgO2/（kW·h）。

需要指出的是，在運用曝氣復氧技術(shù)時，必須重視對水質(zhì)改善目標的設定，重視對污水治理工程的環(huán)境經(jīng)濟效益評價，從而合理選擇充氧設備。例如，可以分階段制定水質(zhì)改善目標，據(jù)此確定曝氣所需充氧設備的能力與數(shù)量，而不必一次性配足充氧能力。逐步進行設備升級，可以有效提高設備的利用效率，以免造成資金、物力和人力的浪費。

在實際工程中，人們十分關注氣水比、布氣。為方便施工布置，對于黑臭水體治理中復雜的現(xiàn)場情況，應該引入服務面積的參數(shù)。

4 河道曝氣的需求

城市河道水環(huán)境污染比較嚴重，水體長期處于缺氧狀態(tài)。城市地區(qū)地勢平坦，河道上下游落差較小，河流多為靜止或流動性差的緩流水體，氧的傳遞和擴散速率慢，水體中溶解氧量不足，河水自凈能力有限，僅僅依靠大氣進行復氧很難有效地提高水體中的溶解氧量，很難改善水質(zhì)。因此，必須依靠人工曝氣進行復氧，幫助水體提高自凈能力。

城市河道寬度多在幾米到十幾米，當河寬超過20 m時，往往具備較好的水動力條件，上下層水體可實現(xiàn)混合，水體復氧過程加快。在這種情況下，曝氣增氧效果開始出現(xiàn)邊際遞減效應；寬河道的曝氣設備安裝成本較高，故不建議河寬超過20 m的河道采用曝氣增氧方式凈化水質(zhì)。另外,《城市黑臭水體整治工作指南》指出，原則上可沿黑臭水體每200～600 m間距設置檢測點。因此，本試驗的曝氣機針對河寬15 m、河長約300 m的水體為對象，開展試驗研究。

曝氣機應用范圍主要是指曝氣機的適用環(huán)境，包括水體水質(zhì)狀況、水域類型、水體深度（水深）、水體流速等水域環(huán)境條件。試驗發(fā)現(xiàn)，曝氣機的應用范圍取決于曝氣方式、充氧能力、產(chǎn)生的氣泡尺寸、曝氣量、服務范圍以及曝氣機功率等因素。結(jié)合曝氣機性能參數(shù)和試驗中曝氣機的效果，筆者進行了試驗機型的應用范圍分析。試驗中所使用的7種曝氣機可分為5類，下面分別介紹這5類曝氣機的曝氣工作原理，并結(jié)合工作原理分析各類曝氣機的應用范圍。

4.1 鼓風-布氣曝氣機

鼓風-布氣曝氣機由鼓風機、曝氣器、管線組成，其中鼓風機負責將空氣輸送到曝氣器；曝氣器通常被安裝在池底部，可以使空氣形成不同尺寸的氣泡，在需要的情況下可以將氣泡尺寸縮小至微米、納米級，提高氣液接觸面積；氣泡離開曝氣口后會隨水循環(huán)進行流動，受壓力驅(qū)使向上運動，最后在壓力的影響下載液面處破裂，完成氣泡中氧氣向污水中的轉(zhuǎn)移。因此，曝氣器是決定鼓風-布氣曝氣機曝氣效果的主要因素。

搖臂式微孔曝氣器具有氧利用率高、曝氣量高、檢修方便等優(yōu)點，通常被應用在黑臭的水體處理中；固定式動態(tài)曝氣器具有氧利用率稍低、曝氣效果好、使用壽命長等優(yōu)點，但檢修困難比較困難，一般應用在水質(zhì)較好的水體處理中。由于試驗水體污染負荷一般，試驗時間較長，本試驗采用的曝氣器均屬于固定式動態(tài)曝氣器。

4.2 微納米曝氣機

微納米曝氣機主要由微納米曝氣頭、發(fā)生裝置、管線組成，其中微納米曝氣頭負責在離心作用下形成負壓區(qū)，在空氣壓力的作用下使空氣更高效地進入負壓區(qū)，使空氣形成直徑約為5～30 μm的微納米氣泡，微納米氣泡的直徑小，氣液接觸面積大。例如，100 nm微氣泡，可較0.1 cm的大氣泡表面積增大10 000倍，因此不受溫度、壓力等因素限制，氧氣溶解效率提升，曝氣量得到有效提升，微納米曝氣機的純氧曝氣充氧能力是空氣曝氣的4.7倍。

4.3 推流曝氣應用范圍

推流曝氣機主要由混氣室、進氣管、葉輪、噴嘴等部分組成，經(jīng)過混氣室的氣水混合液以特殊的角度排出，呈螺旋狀向水平方向+垂直方向流動，在曝氣的同時進行攪拌，提高氣液接觸面積，提高氧的利用率。因此，它多用于江河湖泊等開放水體或污水處理廠好氧池，屬于一種高效節(jié)能的水處理設備。推流曝氣機的機體沉入水中運行，進氣管出水面處可加裝消音器，達到基本無噪音的運行狀態(tài)。

推流曝氣機在曝氣攪拌時可防止水體中懸浮物的下沉，加強水體中好氧微生物與溶解氧的接觸，從而提高污水中有機物的氧化分解效率，有效提高水體的自凈能力。推流曝氣機中葉輪負責產(chǎn)生壓力，在葉輪的影響下，噴嘴處可以產(chǎn)生強勁的水流與空氣混合體，達到良好的攪拌效果。

4.4 射流曝氣機

射流曝氣系統(tǒng)包含三部分：射流曝氣器、循環(huán)水泵、鼓風機。循環(huán)泵泵送的液體經(jīng)由主管道、內(nèi)噴嘴到混合室，把氣體剪切成微小的氣泡，形成富氧的氣液混合體，氣液交織的湍流經(jīng)外噴嘴水平射出。氣液混合體同時具有水平和垂直方向的能量，在池內(nèi)產(chǎn)生強烈的混合，并攜裹周圍的液體往前流動，在水平方向動力和垂直方向氣體上浮動力的雙重作用下，形成整體的混合和循環(huán)。

射流曝氣機主要用于好氧池供氧，廣泛地應用于皮革、制漿造紙、化工、醫(yī)藥、石化及食品加工等領域的污水處理中，如各種活性污泥法、氧化溝、氧化塘、SBR以及市政污水處理和污泥好氧消化，并且可通過控制供風量實現(xiàn)脫氮、硝化的作用。

另外，射流曝氣機可以應用于均質(zhì)池、調(diào)節(jié)池、選擇池、快混池、膠羽池、中和池、化學氧化池、消毒池、污泥儲存槽、脫氮池、化學反應池，也可用于氣提系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)等的攪拌。黑臭水體水質(zhì)提升階段也可使用。

4.5 葉輪式增氧曝氣機

葉輪式增氧機主要借助電動機、葉輪來實現(xiàn)曝氣，工作過程中主要通過電動機來帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)過程中會攪動水面、打碎出口形成的氣泡，增加氣液的接觸面積，提高氧氣在水中的溶解度，實現(xiàn)曝氣增氧的效果，為好氧微生物創(chuàng)造好氧分解環(huán)境。

首先是增氧作用，葉輪式增氧機相較于其他曝氣機的動力大更大，曝氣效率更高，最大情況下每千瓦時可增氧1 800 g，在這樣的氧氣環(huán)境中，好氧菌的生長繁殖效率更高，有助于水質(zhì)改善。其次是提水、攪拌作用，葉輪式增氧機在曝氣的同時實現(xiàn)了對水體的攪拌，實現(xiàn)表層、底層的水相互交替，加深增氧深度，因此葉輪式曝氣機也適用于深度更深的水體。再次是反應去除有害氣體的作用，葉輪式增氧機的曝氣效率更高，在高濃度氧氣環(huán)境下，水中的氨、硫化氫、甲烷等有害氣體能夠與氧氣混合進行化學反應，有助于降低有害氣體量，提高水體的清潔程度。

除以上作用外，經(jīng)過葉輪式增氧機曝氣后，黑臭水體的水質(zhì)得到有效提升，還可以為淡水養(yǎng)殖創(chuàng)造環(huán)境，重新打造水體的生物鏈，從而切實提高水體的自凈能力和穩(wěn)定性，提升水體的品質(zhì)。在已經(jīng)進行水產(chǎn)養(yǎng)殖的水體中，也可以使用葉輪式增氧機提高養(yǎng)殖池水中的含氧量，減少魚蝦缺氧抬頭的頻率，提高魚蝦的產(chǎn)量和質(zhì)量，使養(yǎng)殖水體能夠進行重復利用，減少養(yǎng)殖污水的排放量和排放頻率。

5 綜合比較分析

一般情況下，曝氣設備的服務面積在進行定性分析時，沒有統(tǒng)一的定義，而且其受水體環(huán)流等可變因素的影響太大，無法建立可靠的數(shù)學模型。因此，國內(nèi)外曝氣機的曝氣參數(shù)中往往將服務面積舍去，更多的是關注氣水比和布氣。然而，在污水處理廠所使用的微孔圓盤和管式曝氣器，其服務面積往往是可以估算的。例如，直徑為30 mm和65 mm的微孔圓盤曝氣器的服務面積常為0.25～0.85 m2，直徑為65 mm的微孔圓盤曝氣器的服務面積常為0.80～1.20 m2。對于河道和湖泊水體治理過程中采用的機械式和鼓風式曝氣機，其服務面積的大小隨氣泡越小和氧氣的有效傳輸距離延長而增大，在實際工程應用中可以設定一個范圍，便于工程前期設計。

從工程應用角度出發(fā)，應科學量化曝氣增氧在河道治理過程中的效用。評價曝氣設備參數(shù)性能的指標主要是充氧能力、動力效率、氧利用率和服務面積，以指導工程前期曝氣機的定量，滿足治理初期水體、底泥耗氧量的需求。對于鼓風型曝氣設備性能，主要利用動力效率和氧利用率兩項指標評判，因為鼓風曝氣屬于水下曝氣，其曝氣量已知，可用單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量占總供氧量的百分比和氧的利用率來表示充氧性能；而對于機械型曝氣設備性能，主要利用動力效率和氧的轉(zhuǎn)移效率來評判，因為機械型曝氣設備在水面處進行曝氣，這些設備在單位時間內(nèi)的氧氣曝氣量無法進行測量和求證，只能用曝氣設備在單位時間內(nèi)成功轉(zhuǎn)移的氧量來進行計算，即氧轉(zhuǎn)移效率來表示充氧性能。動力效率對于鼓風型和機械型曝氣設備均是可求的，可同時用來表征兩者的充氧性能。然而，服務面積僅用來半定量化地表征曝氣設備在初期設計方案制定過程中的數(shù)量控制，初步滿足河道水體前期曝氣增氧的需求，而后期需要根據(jù)水體溶解氧和微生物、底泥消耗氧來實際控制曝氣機的數(shù)量[5-6]。

從氧利用率的角度看，微納米曝氣機的氧利用率比推流和射流曝氣機高出很多，并且服務面積大很多，主要是由于微納米曝氣機的溶氧能力較強，產(chǎn)生的氣泡直徑較小且在水體中的接觸面積、時間較長[5-6]。

氧的轉(zhuǎn)移速率與氣泡的大小、液體的紊流程度以及氣泡與液體的接觸時間有關，氣泡粒徑的大小可通過選擇擴散器來決定[5-6]。氣泡尺寸越小，則接觸面積越大，將有利于KL·A值的提高，有利于氧的轉(zhuǎn)移。但是，氣泡小不利于紊流，對氧的轉(zhuǎn)移也有不利的影響，紊流程度大，接觸充分，KL·A值增高，氧轉(zhuǎn)移速率也將有所提高，氣泡與液體接觸時間加長有助于氧充分轉(zhuǎn)移，同時氣泡形成、上升、破裂和紊流都有助于氣泡液膜的更新和氧的轉(zhuǎn)移。

6 結(jié)論

氣相中氧分壓、液相中氧的濃度梯度、氣液之間的接觸面積和接觸時間、水溫、污水性質(zhì)、水流的紊流程度等因素都影響氧的轉(zhuǎn)移速率。不同的水處理工藝所選擇的曝氣設備應不同，在評價時應該選擇適合的設備進行曝氣。在河道水體治理前期，可以借鑒曝氣設備的充氧能力、動力效率、氧利用率和服務面積四個參數(shù)來合理選擇在既定水體面積條件下的曝氣設備數(shù)量和型號，滿足初期水體和底泥溶氧的要求。