曝氣增氧技術(shù)在工程應(yīng)用中的研究

孫秋慧 席力蒙

摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人口的增加，城市污水排放量不斷增加，大量污染物排入河流，造成水質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響了城市河流的功能。曝氣增氧技術(shù)對(duì)于改善水體水質(zhì)，提升河流功能性有重要作用。該文通過總結(jié)工程中常用的曝氣增氧技術(shù)，對(duì)各種曝氣增氧技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及適用性進(jìn)行了總結(jié)，以期為曝氣增氧技術(shù)在實(shí)際工程中合理應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞 機(jī)械曝氣 ?超微孔曝氣 ?推流式曝氣 ?太陽能解層式曝氣 ?MABR

中圖分類號(hào)：X522文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Study on Engineering Application of Aeration and Oxygenation Technology

SUN Qiuhui XI Limeng

（China Water Resources Bei Fang Investigation，Design&Research Co.，Ltd.，Tianjin，300202 China）

Abstract： With the rapid development of national economy and the increase of population， the discharge of urban sewage is increasing. A large number of pollutants are discharged into rivers， resulting in the deterioration of water quality and seriously affecting the function of urban rivers. Aeration technology plays an important role in improving water quality and river functionality. By summarizing the commonly used aeration technology in engineering， this paper summarizes the characteristics， advantages， disadvantages and applicability of various aeration technology， in order to provide reference for the rational application of aeration technology in practical engineering.

Key Words： Mechanical aeration;Ultra microporous aeration;Push flow aeration;Solar stratification aeration;MABR

河流在自然條件下的復(fù)氧速率比較緩慢，尤其是城市河流[1]。城市河流如若長期處于缺氧或厭氧的狀態(tài)，水體水質(zhì)便會(huì)惡化，因而如何有效地給水體增氧是改善水質(zhì)的關(guān)鍵。曝氣增氧技術(shù)即是為了改善或提高水體溶解氧的濃度應(yīng)運(yùn)而生。通過給水體進(jìn)行增氧，提高水體中好氧微生物的活性，從而改善水體水質(zhì)狀況 [2]。因此，對(duì)曝氣增氧技術(shù)在工程中如何合理應(yīng)用該研究技術(shù)具有十分重要的意義。

1常用人工曝氣增氧技術(shù)

目前工程中常用的人工曝氣增氧技術(shù)有機(jī)械曝氣、超微孔曝氣、推流式曝氣、太陽能解層式曝氣、膜曝氣生物膜反應(yīng)器（Membrane Aeration Biofilm Reactor，MABR）等。

1.1機(jī)械曝氣

機(jī)械曝氣屬于表面曝氣，是用安裝于水體表面的表面曝氣機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。按照轉(zhuǎn)動(dòng)軸與水面垂直還是平行分為垂直軸和水平軸兩大類[3]。在河道中常用的類型有噴泉曝氣機(jī)、涌泉式曝氣機(jī)，該兩種曝氣機(jī)均屬于垂直軸式曝氣機(jī)。這種曝氣機(jī)裝有葉輪，根據(jù)水力機(jī)械和攪拌提升器裝置帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，使水體表面產(chǎn)生水躍。大量的水滴和膜狀水混合液被拋向空氣中，通過與空氣碰撞摻入空氣，形成水氣混合物跌入水面，從而增加水體含氧量。水面下強(qiáng)大的水流量促使底部水體與上部水體不斷交換更替，增氧的同時(shí)也提升了水體流動(dòng)性。

噴泉曝氣機(jī)是一種具有優(yōu)美的造型和獨(dú)特的造景功效，無需管道和水泵即可造景，被廣泛應(yīng)用于各種景觀水處理場(chǎng)所。具有安裝操作簡(jiǎn)單、維修方便、體積小、具備一定的景觀效果等優(yōu)點(diǎn)。涌泉式曝氣機(jī)，是一種模擬“趵突泉”的景觀型曝氣機(jī)，一般配置有專用消音器，具有融冰、超大循環(huán)等特點(diǎn)，適合于公園、古建、河道等景觀場(chǎng)所的水體凈化。其“趵突泉”式外觀，為景觀水體增添了靈動(dòng)與文化氣息，是其他曝氣機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的。

1.2超微孔曝氣

超微孔曝氣是利用超微米曝氣機(jī)產(chǎn)生的大量超微米氣泡來提升水體溶解氧、去除浮游性藻類、消除惡臭的一種曝氣。超微孔曝氣產(chǎn)生的大量超微米氣泡不影響水域環(huán)境和水中植物。其工作原理為：微米曝氣機(jī)利用超聲波空化彌散釋放出高密度、均勻的超微米氣泡，使水與氣高度摻混，形成“乳白色”的氣液混合體。氣泡平均粒徑200nm到4m，氣泡含率84%～90%、氣泡平均上升速度4～8mm/s。并且超微米氣泡使得水分子的分子團(tuán)變小，從而使超微米氣泡中的氧更易溶入水分子團(tuán)的間隙中，起到提升水體溶解氧的效果。大量超微米氣泡還能使河湖底部污染物質(zhì)和浮游性藻類浮起，同時(shí)，水體溶解氧的提高促進(jìn)了有機(jī)化合物的氧化還原作用，促使浮游性藻類死亡，以此達(dá)到凈化水質(zhì)，修復(fù)水域環(huán)境的目的。死亡的藻類最終以微小浮游物質(zhì)的形態(tài)附著在氣泡上，并浮到水面形成感官上的泡沫。

超微米曝氣機(jī)集凈化水質(zhì)與活化水體功能于一身，使用范圍廣，無場(chǎng)地限制，使用時(shí)不影響水中生物的正?；顒?dòng)。其安裝分為岸上部分（主機(jī)）和水下部分（超微米氣泡釋放器），兩部分通過軟管連接，安裝簡(jiǎn)單靈活。超微米氣泡釋放器根據(jù)需要可以有多種形狀，包括方形、直管形等，具有通氣量大、充氧能力強(qiáng)，使用靈活和多樣等特點(diǎn)。超微孔曝氣與大中氣泡型曝氣系統(tǒng)相比，可節(jié)約50%左右的能耗，降低了處理成本，但能耗依舊很高，且曝氣器容易堵塞，這不僅會(huì)造成充氧能力的降低，而且會(huì)造成能量的浪費(fèi)。氧轉(zhuǎn)移效率一般只有15%～25%[4]。

1.3推流式曝氣

推流式曝氣是利用水力剪切和氣泡擴(kuò)散兩個(gè)作用達(dá)到攪拌混合和曝氣充氧的效果。推流式曝氣機(jī)的核心組成是推流曝氣葉輪。葉輪旋轉(zhuǎn)將水推走形成空隙，空氣率先補(bǔ)充空缺，水氣互相摻混，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉輪不斷攪拌剪切以及軸向推力下，將氣、水混合物強(qiáng)力注入水中進(jìn)行二次切割，因此氣泡的粒徑變得更小，平均粒徑為1.5 mm，并且在水中形成長距離的氣、水混合擴(kuò)散柱，如此一來就延長了氣水接觸時(shí)間，大大提高氧的利用率。同時(shí)推動(dòng)水體向前運(yùn)動(dòng)，達(dá)到曝氣、混合及推流的目的。推流式曝氣具有曝氣、混合、推流等多重作用，可選擇潛水式電機(jī)靜音運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)環(huán)境影響小，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、安裝方便、便于調(diào)節(jié)、基本不占地的優(yōu)點(diǎn)。彭強(qiáng)輝等研究者[5]在杭州肖家橋港黑臭河道生態(tài)修復(fù)中，采用了推流曝氣、浮島噴泉曝氣、水生植物恢復(fù)等措施，有效降解了河水中有機(jī)物、氨氮、總磷等污染物。工程運(yùn)行10個(gè)月后，肖家橋港達(dá)到了杭州市西湖區(qū)城區(qū)河道消除黑臭的指標(biāo)要求。

1.4太陽能曝氣

太陽能曝氣機(jī)是由太陽能供電及蓄電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、變頻電機(jī)、專用浮體、專用葉輪、連接框架、防雨裝飾罩等部分組成，并通過連接框架有機(jī)連為一體。太陽能曝氣方式的出現(xiàn)主要是為了解決傳統(tǒng)曝氣方式的電耗問題。其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和維護(hù)相對(duì)容易，不需要配電系統(tǒng)或者尋找電源，十分適合在太陽能豐富或不便于通電的地區(qū)使用。太陽能曝氣常與表流濕地結(jié)合，可降低濕地用地面積，增強(qiáng)處理效率，彌補(bǔ)表流濕地占地大以及冬季濕地凈化能力弱的缺點(diǎn)。太陽能曝氣還常與浮動(dòng)濕地結(jié)合，利用太陽能曝氣提升浮動(dòng)濕地周圍溶解氧濃度，進(jìn)而提升人工濕地對(duì)污染物的凈化能力。李鑫等研究者[6]研究了太陽能曝氣對(duì)漂浮人工濕地溶解氧和凈化能力的影響，結(jié)果表明：曝氣后，漂浮人工濕地對(duì)NH4+-N、TN、TP、COD的去除率分別提高了44%、176%、6%、9%。DO含量從0.2 mg/L增加到7 mg/L。然而太陽能曝氣十分受限于太陽能板面積大小與光照強(qiáng)度。

1.5膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）

膜曝氣生物膜反應(yīng)器（Membrane Aeration Biofilm Reactor，MABR）是一種自1978年以來正在開發(fā)的創(chuàng)新的附著生長廢水處理技術(shù)，是一種將傳統(tǒng)的生物膜法污水處理技術(shù)與氣體分離膜技術(shù)耦合而產(chǎn)生的新型污水凈化工藝。MABR中膜的作用不是水過濾，而是氣體轉(zhuǎn)移和生物膜載體雙重作用，即曝氣膜既為生物膜中微生物的活動(dòng)提供氧氣，同時(shí)又是生物膜附著生長的載體，其型式多樣，有平板、管或中空纖維等型式[3]。MABR最早主要應(yīng)用于高濃度啤酒廢水、垃圾滲濾液、制藥廢水等各種難降解的廢水處理，近十幾年來開始應(yīng)用于河道治理工程中，樣式以中空纖維膜型式居多。MABR曝氣技術(shù)與上述幾種曝氣技術(shù)不同，MABR可實(shí)現(xiàn)無泡曝氣，即曝氣時(shí)不產(chǎn)生氣泡，因而氧氣利用程度高。工程實(shí)踐表明，20 000 ?m2水面只需一組氣源即可，且運(yùn)行功率不超過7.5 kW，曝氣均勻。同時(shí)由于MABR曝氣膜的比表面積大，以膜為載體可以在較小的空間內(nèi)為微生物的生長提供充足的附著面積，大大提高了單位空間處理能力。并且，MABR技術(shù)可根據(jù)河道具體情況調(diào)整布置模式，水深0.8 m以上，流速1.5 m/s以下，MABR膜系統(tǒng)均能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2各曝氣增氧技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件

針對(duì)各曝氣增氧技術(shù)的工作原理與特點(diǎn)，總結(jié)各曝氣增氧技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，具體情況見表1。

3 結(jié)語

該文通過總結(jié)工程中常用的曝氣增氧技術(shù)，對(duì)各種曝氣增氧技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及適用性進(jìn)行了總結(jié)。得出了在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇曝氣技術(shù)時(shí)需要從景觀要求、河道水深、是否便于通電等幾個(gè)因素去考慮，因地制宜選擇最佳曝氣增氧技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 孫秋慧.氣泡式MABR技術(shù)對(duì)黑臭水體增氧提質(zhì)效果研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2018.

[4] 王睿，譚映宇，王震，等.水生態(tài)修復(fù)技術(shù)在城市河道污染治理工程中的應(yīng)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2020，45（3）：125-129.

[5]彭強(qiáng)輝，韓秀萍，蔡強(qiáng)，等.杭州肖家橋港黑臭河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用研究[J].環(huán)境污染與防治，2017，39（1）：111.

[6]李鑫，李映雪，徐德福，等.太陽能曝氣下生物炭漂浮濕地的凈化能力[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018，41（7）：54-59.