淺論污水曝氣現(xiàn)狀與發(fā)展

粟瑩

摘 要：曝氣是指利用充氣或機(jī)械攪動(dòng)等方法將空氣中的氧強(qiáng)制向液體中轉(zhuǎn)移，增大水與氣體接觸，進(jìn)行溶氧或散除水中溶解性氣體和揮發(fā)性物質(zhì)的過程。主要應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖曝氣和污水處理曝氣兩個(gè)領(lǐng)域。常用的曝氣方式主要有機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣三大類，現(xiàn)有較好的為射流曝氣方式。隨著科技進(jìn)步、節(jié)能減排和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求，認(rèn)為未來曝氣設(shè)備向有多方位曝氣擴(kuò)散器、低耗能曝氣能源裝置、簡(jiǎn)便的輸送方式發(fā)展。

關(guān)鍵詞：污水曝氣；曝氣方式；發(fā)展

1 曝氣淺論

曝氣是指利用充氣或機(jī)械攪動(dòng)等方法將空氣中的氧強(qiáng)制向液體中轉(zhuǎn)移，增大水與氣體接觸，進(jìn)行溶氧或散除水中溶解性氣體和揮發(fā)性物質(zhì)的過程。

曝氣是使空氣與水強(qiáng)烈接觸的一種手段，氧由空氣（氣相）向水體（液相）進(jìn)行傳質(zhì)轉(zhuǎn)移，這種傳質(zhì)擴(kuò)散的理論，目前應(yīng)用較多的是劉易斯和惠特曼提出的雙膜理論：在“氣-水”界面上存在著氣膜和液膜，膜外有空氣和液體流動(dòng)，屬紊流狀態(tài)；膜間屬層流狀態(tài)，不存在對(duì)流，在一定條件下會(huì)出現(xiàn)氣壓梯度和濃度梯度；如果液膜中氧的濃度低于水中氧的飽和濃度，空氣中的氧繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散透過液膜進(jìn)入水體，因而液膜和氣膜將成為氧傳遞的障隘，這就是雙膜理論。而克服液膜障隘最有效的方法是快速變換“氣-液”界面。曝氣攪拌正是如此，具體的做法就是：減少氣泡的大小，增加氣泡的數(shù)量，提高液體的紊流程度，加大曝氣器的安裝深度，延長(zhǎng)氣泡與液體的接觸時(shí)間。曝氣設(shè)備正是基于這種原理被廣泛采用的。

曝氣主要應(yīng)用在以下兩個(gè)領(lǐng)域：水產(chǎn)養(yǎng)殖曝氣和污水處理曝氣。

文章主要討論的是污水處理中的曝氣，是污水好氧生化處理系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用最高的工藝環(huán)節(jié)，在好氧工藝中，曝氣主要功能是防止池內(nèi)懸浮體下沉，加強(qiáng)池內(nèi)有機(jī)物與微生物及溶解氧的接觸，其充氧效率與好氧微生物生長(zhǎng)量成正相關(guān)性。因此溶解氧的供給量要根據(jù)好氧微生物的數(shù)量、生理特性、基質(zhì)性質(zhì)及濃度來綜合考慮。這樣，活性污泥才能處在最佳的降解有機(jī)物的狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)表明，曝氣池中溶解氧維持在3～4mg/L為宜，若供氧不足，活性污泥性能差，導(dǎo)致廢水處理效果下降。為保證有充足的供氧，必須依靠一種設(shè)備來完成，例如曝氣器。而曝氣充氧電耗一般占總動(dòng)力消耗的60%～70%，因此優(yōu)選能耗少、造價(jià)低的曝氣裝置具有重要意義。

2 主要曝氣方式

曝氣技術(shù)主要有機(jī)械曝氣、鼓風(fēng)曝氣、射流曝氣等幾大類。

2.1 機(jī)械曝氣

指借助機(jī)械設(shè)備（如葉片、葉輪等）使活性污泥法曝氣池中廢水和污泥充分混合，并使混合液液面不斷更新與空氣接觸，來增加水中的溶解氧的方法。目前廣泛采用的主要有表面曝氣機(jī)和浸沒式渦輪曝氣機(jī)兩類。這種曝氣方法設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便，但由于耗能大，易產(chǎn)生泡沫和死角，維修困難，因此只是常用于較小的曝氣池，而未廣泛使用。

2.2 鼓風(fēng)曝氣

鼓風(fēng)曝氣又稱壓縮空氣曝氣，系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、曝氣器和一系列連通的管線組成。鼓風(fēng)機(jī)供應(yīng)一定的風(fēng)量，將空氣通過一系列管道輸送到安裝在池底部的曝氣器，通過曝氣器，使空氣形成不同尺寸的氣泡。氣泡在曝氣器出口形成，尺寸則取決于空氣擴(kuò)散裝置的形式，氣泡經(jīng)過上升和隨水循環(huán)環(huán)流動(dòng)，最后在液面處破裂，這一過程產(chǎn)生氧向污水中轉(zhuǎn)移的作用。擴(kuò)散器是整個(gè)鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的作用是將空氣分散成空氣泡，增大空氣和混合液之間的接觸界面，把空氣中的氧溶解于水中。

鼓風(fēng)系統(tǒng)的曝氣器主要分為微氣泡、中氣泡、大氣泡、水力剪切、水力沖擊及空氣升液等類型。特點(diǎn)有：（1）能產(chǎn)生一定的風(fēng)量使水體或液體中增加足夠的溶解氧，以滿足好氧生物對(duì)氧氣的需求；（2）能產(chǎn)生足夠的壓力，使氣體在液體中充分?jǐn)U散和溶解并阻止液體中懸浮物下沉。

鼓風(fēng)曝氣一般需要修建鼓風(fēng)機(jī)房及布設(shè)大量鼓風(fēng)管道，曝氣頭易堵塞，大型氧化池需要運(yùn)行的功率大，但由于其相對(duì)于表面曝氣來說能耗小、維修簡(jiǎn)單等，因而被較大范圍使用。

2.3 射流曝氣

射流曝氣從20世紀(jì)40年代開始應(yīng)用到廢水處理中，至今已有60多年的歷史。射流曝氣器屬于微氣泡曝氣器，它通過混合液的高速射流，將鼓風(fēng)機(jī)引入的空氣切割粉碎為微氣泡，使混合液和微氣泡充分混合和接觸，促進(jìn)了氧的傳遞，提高了反應(yīng)速率。也可設(shè)計(jì)成負(fù)壓自吸式的射流器，這樣可以省掉鼓風(fēng)機(jī)，避免鼓風(fēng)機(jī)引起的噪聲。

射流曝氣系統(tǒng)的核心設(shè)備是射流器。射流器是利用射流紊動(dòng)擴(kuò)散作用來傳遞能量和質(zhì)量的流體機(jī)械和混合反應(yīng)設(shè)備，它由噴嘴、吸氣室、喉管及擴(kuò)散管等部件構(gòu)成。射流器采用文丘里噴嘴，工作水泵出水通過射流器的噴嘴，隨著噴嘴直徑變小，液體以極高的速度從噴嘴噴射出來，高速流動(dòng)的液體穿過吸氣室進(jìn)入喉管，在喉管形成局部真空，通過導(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?。氣泡?jīng)多次切割，噴射擾動(dòng)后，變成無數(shù)的細(xì)小氣泡，其表面積很大，使空氣中的氧更易快速溶解于水中。由于氣泡直徑小，上升速度緩慢，從而延長(zhǎng)了大氣中氧氣溶解于水的時(shí)間，促使廢水和氧氣充分混合接觸，氧化廢水中的還原性物質(zhì)，殺滅大部分還原菌和其它一些厭氧菌，進(jìn)而達(dá)到處理廢水的目的。

射流曝氣作為一種曝氣充氧方法，它利用氣泡擴(kuò)散和水力剪切兩個(gè)作用達(dá)到曝氣和混合的目的。一般情況下單位體積的氣量擴(kuò)散產(chǎn)生的氣泡愈多，從而形成的氣液接觸界面就愈大，那么氧傳質(zhì)作用效率愈高。經(jīng)射流曝氣器擴(kuò)散所產(chǎn)生的氣泡量的多少，直接影響到氧傳遞效率。主要優(yōu)勢(shì)有：（1）運(yùn)行簡(jiǎn)單方便高效，運(yùn)轉(zhuǎn)無噪音；（2）溶氧高效；（3）系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能可靠；（4）易安裝、少維護(hù)；（5）適用范圍廣。但射流曝氣同時(shí)還存在充氧量不易調(diào)節(jié)、對(duì)池體深度有要求等問題。

除此之外，現(xiàn)在污水處理中常用的曝氣方式還有沉水式曝氣、純氧曝氣、強(qiáng)力造流曝氣等。

3 曝氣發(fā)展方向

縱觀上述，三種曝氣方式各有優(yōu)點(diǎn)，適合于不同的曝氣工藝，但同時(shí)又都存在一定的缺點(diǎn)，因此，作者認(rèn)為，未來曝氣設(shè)備的發(fā)展方向有一下幾個(gè)趨勢(shì)：

3.1 多方位曝氣擴(kuò)散器

由于現(xiàn)今的曝氣頭存在易杜塞、不耐用以及曝氣方向不足等，目前雖有陶瓷等材質(zhì)的新型曝氣頭問世，但是其抗壓力和抗堵塞能力仍然不強(qiáng)，因此未來曝氣頭的材質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)可能會(huì)朝著新型環(huán)保價(jià)廉的耐用復(fù)合材料發(fā)展，以滿足曝氣在足夠壓力下能保持長(zhǎng)久的穩(wěn)定性；而曝氣頭樣式的發(fā)展趨勢(shì)則有可能多元化：如吊掛在池中的圓形多孔狀曝氣頭，滿足不同方位的需氧要求，掛件可以自動(dòng)移動(dòng)，防止產(chǎn)生死角；汽水混合式曝氣頭，上部出氣、下部出水或汽水經(jīng)剪切混合排出；單純水利剪切式曝氣頭等。

3.2 低耗能曝氣能源裝置

有了好的擴(kuò)散器，若沒有相應(yīng)的能源輸送和動(dòng)力設(shè)備，也只是空談，因此未來的發(fā)展趨勢(shì)除了擁有較高的功能外，高效的輸出功率和低損耗率也是必不可少的，而曝氣機(jī)以及射流曝氣機(jī)等應(yīng)是未來發(fā)展的主要重點(diǎn)，而兩者結(jié)合的產(chǎn)品也是未來的發(fā)展趨勢(shì)之一。

3.3 簡(jiǎn)便的輸送方式

目前，許多大型污水處理站的曝氣工藝中，管道遍布，給維修增加了困難，而普通管道壽命短，水下部分易受污水腐蝕，而耐腐蝕的管道又由于價(jià)格昂貴而使許多業(yè)主使用不上，因此，研究一種耐腐蝕、抗高溫的新型復(fù)合材料，雖然目前理論上來說這種材料不難找到，但是低廉有效環(huán)保的要求卻還需要大量的研究論證。

曝氣是污水處理的主要手段之一，對(duì)于生活廢水和工業(yè)廢水處理來說，曝氣已經(jīng)成為必不可少的手段之一，而隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)和建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型國家的穩(wěn)定推進(jìn)，高效低耗已經(jīng)成為業(yè)界發(fā)展的共識(shí)，同時(shí)面對(duì)愈來愈嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì)，污水處理的要求也會(huì)越來越嚴(yán)，這既是不斷改進(jìn)工藝的壓力，也是動(dòng)力，是曝氣工藝發(fā)展面臨的一次重大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。