污水處理技術(shù)篇：高效節(jié)能曝氣技術(shù) 微孔曝氣全球應(yīng)用進(jìn)展

比較了國(guó)內(nèi)外微孔曝氣研究和應(yīng)用實(shí)例，敘述了曝氣量、安裝水深、安裝面積、孔徑、水質(zhì)和氣孔堵塞狀況對(duì)微孔曝氣充氧性能的影響，對(duì)不同影響因素的作用效果做了總結(jié)，并指出目前研究存在的問(wèn)題。以期對(duì)污水處理廠(chǎng)曝氣系統(tǒng)的優(yōu)化提供借鑒，對(duì)擬采用微孔曝氣法進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的研究提供參考。

1.引言

好氧生物處理是污水處理廠(chǎng)的中心環(huán)節(jié)，曝氣設(shè)備是好氧生物處理的核心組件。曝氣不僅可以提供好氧微生物所需的溶解氧，還可以攪動(dòng)水體，增加微生物與懸浮物的接觸面積，提高污染物的去除率。曝氣是污水處理的主要耗能環(huán)節(jié)，一座普通的污水處理廠(chǎng)中45%~75%的能耗是曝氣過(guò)程產(chǎn)生的。能耗大、維護(hù)費(fèi)用高是目前曝氣系統(tǒng)的主要問(wèn)題。

微孔曝氣是一種高效的曝氣技術(shù)。早在1915年，英國(guó)發(fā)明了第一個(gè)多孔盤(pán)曝氣裝置，并于20世紀(jì)30~40年代逐漸流行。隨著20世紀(jì)70年代能源危機(jī)之后，微孔曝氣技術(shù)由于其通氣量大、充氧能力強(qiáng)，節(jié)約能耗的特點(diǎn)，再次受到關(guān)注。

美國(guó)的Ridgewood污水處理廠(chǎng)將粗孔曝氣器改裝成微孔曝氣器之后，氧利用率提高了50%，并降低了28%左右的能耗。與大中氣泡的曝氣系統(tǒng)相比，微孔曝氣系統(tǒng)能節(jié)約50%左右的能耗。

盡管如此，微孔曝氣的氧的利用率也<20%～30%，而且能耗很高。因此，如何在不增加能量消耗的前提下提高微孔曝氣器的充氧性能，優(yōu)化微孔曝氣器充氧性能具有重要意義。

2.微孔曝氣技術(shù)的應(yīng)用

目前微孔曝氣多用于生活污水的處理和黑臭河道的治理，國(guó)內(nèi)外已有大量研究案例。表1例舉了國(guó)內(nèi)外微孔曝氣技術(shù)的研究和應(yīng)用實(shí)例。研究發(fā)現(xiàn)，微孔曝氣技術(shù)單獨(dú)作用對(duì)污染物的去除效果有限，這是因?yàn)槠貧鈱?duì)污染物的去除主要依靠污水中的微生物作用。對(duì)于微生物含量匱乏的水體，曝氣效果往往不明顯。通過(guò)向水體中投加微生物菌劑或利用生物膜法可以有效地提高污染物的去除率。

從N、P的去除機(jī)理可知，曝氣對(duì)N、P的去除實(shí)質(zhì)是物質(zhì)之間不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化，以及水體和底泥之間的物質(zhì)交換過(guò)程，污染物并沒(méi)有從水體－底泥系統(tǒng)中去除。水生植物能夠很好地利用水體－底泥中的N、P營(yíng)養(yǎng)元素，從根本上去除污染物。因此，微孔曝氣技術(shù)與微生物、水生植物等技術(shù)聯(lián)合作用能大幅度提高污染物的去除率，是未來(lái)研究的重點(diǎn)。目前研究較多的聯(lián)合技術(shù)是人工濕地技術(shù)和生物膜技術(shù)。

表1微孔曝氣技術(shù)實(shí)施案例

3.影響充氧性能的因素

充氧過(guò)程的實(shí)質(zhì)是氧的傳質(zhì)過(guò)程?；?923年Whitman提出的雙膜理論,KLa是氧總傳質(zhì)系數(shù)，表示在單位時(shí)間內(nèi)向單位體積水中傳遞氧的數(shù)量。此外，常用的評(píng)價(jià)充氧性能的指標(biāo)有充氧能力、氧利用率和理論動(dòng)力效率等。

3.1曝氣量

根據(jù)Erika的研究，曝氣量是影響KLa的最主要因素，其次分別為孔徑和曝氣器的安裝水深。目前就曝氣量對(duì)充氧性能的影響，國(guó)內(nèi)外已有較多研究。

Khoshfetrat比較了不同曝氣量下膜生物反應(yīng)器中溶解氧的濃度，結(jié)果表明，當(dāng)曝氣量由4L/min增加到8L/min時(shí)，溶解氧由4.9mg/L增加到了5.8mg/L。Jia-MingChern的研究發(fā)現(xiàn)，KLa值是隨曝氣量的增加而增大的，且存在某種線(xiàn)性關(guān)系。EPA公布的微孔曝氣設(shè)計(jì)手冊(cè)顯示，充氧能力隨曝氣量的增大而增加，氧利用率卻隨曝氣量的增大而減小。

RezaIranpour對(duì)洛杉磯某污水處理廠(chǎng)的研究顯示，氧利用率隨曝氣量的增加快速降低，曝氣量的增加不利于氧利用率的提高，這種現(xiàn)象在氣孔堵塞的情況下更加明顯。張斌用橡膠膜微孔曝氣器進(jìn)行清水充氧試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了同樣的情況：隨著曝氣量增大，充氧能力有所提高，氧利用率和理論動(dòng)力效率均有不同幅度的下降。

根據(jù)雙膜理論，在一定水深下，曝氣量增大，單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到水中的溶解氧量增加，充氧能力就強(qiáng)。但曝氣量增加會(huì)導(dǎo)致氣泡在水中的停留時(shí)間減少，因此在相同水深下，氧的利用率會(huì)減小。

3.2安裝水深

曝氣器的安裝水深是影響充氧性能的一個(gè)重要因素。Kossay對(duì)不同水深下的充氧效果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在水深為0.5m時(shí)，充氧能力為1.2~2.2g(O2)/h˙m3，當(dāng)水深增加到4.6m時(shí)，充氧能力提高到了10.4g(O2)/h˙m3。Martin在水深為3.5m~12.0m的范圍內(nèi)研究水深對(duì)微孔曝氣的氧傳質(zhì)效率影響，結(jié)果表明，隨著水深的增加，氧轉(zhuǎn)移效率增加，同時(shí)能耗也在增加。

張斌分別在水深為5m，6m，10m處進(jìn)行清水充氧性能研究，結(jié)果表明，充氧能力、理論動(dòng)力效率和氧利用率均隨水深的增加而增大。這是因?yàn)槠貧馄鞯陌惭b水深越深，氣液接觸時(shí)間越長(zhǎng)，氧傳質(zhì)系數(shù)越大，充氧性能越好，氧的利用率也越高。

俞庭康的研究結(jié)果卻不太相同，在4~8m水深條件下，橡膠膜曝氣器的充氧能力和氧利用率隨水深增加而增大，但KLa和理論動(dòng)力效率是先減小后增大，并在6m處達(dá)到最小值。

3.3曝氣器的表面積

Kossay將曝氣密度（曝氣器的表面積與池底表面積的比值）作為研究對(duì)象，分別在曝氣密度為25%、50%、75%、100%時(shí)研究其與充氧能力的關(guān)系，結(jié)果表明，充氧能力與曝氣密度呈某種線(xiàn)性關(guān)系，且隨曝氣密度的增加而增大，但增大效果并不明顯。

Martin的研究表明，當(dāng)曝氣密度由15%~20%下降到5%~10%時(shí)，氧氣的吸收會(huì)由20gO2/m3˙m下降到13gO2/m3˙m。S.Gillot的研究表明，KLa隨著曝氣器數(shù)量的增加而增大。Gregory比較了曝氣器尺寸分別為254mm和210mm時(shí)的氧轉(zhuǎn)移率，結(jié)果表明，在水深3m處，254mm曝氣器的氧轉(zhuǎn)移率要高3%；當(dāng)水深增加到6.1m時(shí)，這種差別提高到12%。

增大曝氣器的表面積可以提高充氧能力和氧利用率，主要原因有兩個(gè)：一是表面積的增大可以增加氣泡數(shù)量，實(shí)質(zhì)是增大了氣水接觸面積；二是表面積的增加減少了氣泡之間相互影響，同時(shí)減少了小氣泡并聚成大氣泡的數(shù)量。

3.4曝氣孔徑

曝氣器的孔徑對(duì)充氧性能的作用至關(guān)重要。與粗孔曝氣器相比，微孔曝氣器可以節(jié)約50%左右的能耗。這是因?yàn)樾馀荼却髿馀莸耐Ａ魰r(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)與水的接觸面積更大。Krasnyi指出，混合液的吸收氧量與曝氣器的孔徑成反比。Alkhalidi進(jìn)一步提出了KLa與氣泡大小的關(guān)系模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。

Kenneth通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了孔徑分別為40μm和140μm兩個(gè)曝氣器的充氧性能，結(jié)果顯示兩個(gè)曝氣器的充氧性能并沒(méi)有太大差異。Yannick研究結(jié)果則不同，他發(fā)現(xiàn)孔徑減小10%會(huì)使KLa增加15%，相反，孔徑增加10%會(huì)造成KLa減小11%。莊健與Yannick的研究結(jié)果一致，他對(duì)孔徑從50μm~100μm的6個(gè)梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著孔徑增大，KLa、充氧能力、氧利用率和理論動(dòng)力效率均減小。盡管小孔徑有利于氧的傳質(zhì)，但孔徑越小，阻力損失越大，能耗也越大。除了能耗問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中也要綜合考慮污水水質(zhì)導(dǎo)致曝氣孔堵塞的問(wèn)題。

3.5污水水質(zhì)

針對(duì)不同水質(zhì)，曝氣充氧效果也不盡相同。Khoshfetrat就COD負(fù)荷對(duì)充氧性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，COD負(fù)荷由1kg/m3˙d增加到2kg/m3˙d時(shí)，溶解氧由4.9mg/L降到3.9mg/L，隨著COD負(fù)荷繼續(xù)增加到2.5kg/m3˙d，溶解氧繼續(xù)下降到2.1mg/L。

表面活性劑和總?cè)芙庑怨腆w（TDS）是影響曝氣氧傳質(zhì)效率的重要因素，是目前研究的熱點(diǎn)。Marupatch對(duì)比清水和混合液（包括NaCl、葡萄糖、表面活性劑）的KLa發(fā)現(xiàn)，混合液中的KLa比清水中的有明顯降低。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┠軌蚴箽馀轀p小，同時(shí)會(huì)增加氣泡之間的并聚，導(dǎo)致總體氧傳質(zhì)系數(shù)降低。

陳旭露進(jìn)一步研究了不同類(lèi)型的表面活性劑（陰離子、陽(yáng)離子、非離子）對(duì)氧傳質(zhì)過(guò)程的影響，結(jié)果表明，陰離子表面活性劑的KLa值最大，其次是非離子和陽(yáng)離子表面活性劑。莊健研究了TDS對(duì)KLa的影響，并推導(dǎo)出兩者關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明，KLa隨TDS的濃度增加而增大。

有研究指出，污染物可能會(huì)阻礙氣－液界面之間氧的傳遞，使傳質(zhì)效果減弱；也有可能是因?yàn)槲廴疚锸顾w張力的改變，進(jìn)而影響了傳質(zhì)效果。但具體的作用機(jī)理尚不明確，還需要進(jìn)一步研究。

3.6氣孔的堵塞

微孔曝氣器的一大缺點(diǎn)是容易發(fā)生堵塞，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)。梁遠(yuǎn)對(duì)新、舊剛玉盤(pán)式微孔曝氣器的充氧性能作了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用的曝氣器的KLa、氧利用率和動(dòng)力效率分別下降了57%、58%和59%，更換新曝氣器后，能耗降低了12%。

Shao-Yuan(Ben)Leu對(duì)比清洗前和清洗后的同一微孔曝氣器的氣泡大?。ㄒ?jiàn)圖1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，清洗前的氣泡直徑為4mm，清洗后氣泡直徑減小為1-2mm，說(shuō)明曝氣器的堵塞會(huì)使充氧性能降低。DiegoRosso在這方面也做了大量研究，隨著曝氣器的使用時(shí)間增加，氧利用率呈指數(shù)曲線(xiàn)狀下降。因此，對(duì)于長(zhǎng)期使用的微孔曝氣器要定期進(jìn)行清洗和維護(hù)，防止發(fā)生堵塞導(dǎo)致氧利用率下降和能耗增加。

圖1曝氣器清洗前后對(duì)比

4結(jié)論與展望

目前微孔曝氣技術(shù)研究的重點(diǎn)在兩個(gè)方面：

一是曝氣器的優(yōu)化以提高充氧性能；

二是與不同修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合作用對(duì)受污染水體的處理效果。

曝氣量、曝氣器孔徑和安裝水深是對(duì)充氧性能影響最顯著的三個(gè)因素。增加曝氣量可以提高KLa和充氧能力，但會(huì)降低氧利用率。一般情況下，減小曝氣器孔徑可以提高KLa、充氧能力和氧利用率，但如果孔徑過(guò)小，可能會(huì)導(dǎo)致氣孔堵塞，阻力損失增加等問(wèn)題。

水深增加，KLa、充氧能力和氧利用率也會(huì)增加，但水深對(duì)理論動(dòng)力效率的作用效果還有待進(jìn)一步研究。單一曝氣器的表面積增加對(duì)充氧性能的提高效果不明顯，但采用多個(gè)曝氣器的方式可以有效地提高充氧能力。表面活性劑和總?cè)芙庑怨腆w（TDS）是水質(zhì)條件中對(duì)KLa影響最大的因素。TDS會(huì)增加KLa，表面活性劑會(huì)降低KLa，但其中的機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。此外，溫度、曝氣池容量、曝氣器布置方式等因素也對(duì)充氧性能有影響。

目前研究人員較多關(guān)注KLa、充氧能力和氧利用率這三個(gè)指標(biāo)的研究，理論動(dòng)力效率作為唯一的效能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，目前的研究還較少。尤其是曝氣量、孔徑和安裝水深等因素對(duì)理論動(dòng)力效率的影響還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。