淺論污水曝氣現狀與發展

粟瑩

摘 要：曝氣是指利用充氣或機械攪動等方法將空氣中的氧強制向液體中轉移，增大水與氣體接觸，進行溶氧或散除水中溶解性氣體和揮發性物質的過程。主要應用在水產養殖曝氣和污水處理曝氣兩個領域。常用的曝氣方式主要有機械曝氣、鼓風曝氣、射流曝氣三大類，現有較好的為射流曝氣方式。隨著科技進步、節能減排和環境標準的要求，認為未來曝氣設備向有多方位曝氣擴散器、低耗能曝氣能源裝置、簡便的輸送方式發展。

關鍵詞：污水曝氣；曝氣方式；發展

1 曝氣淺論

曝氣是指利用充氣或機械攪動等方法將空氣中的氧強制向液體中轉移，增大水與氣體接觸，進行溶氧或散除水中溶解性氣體和揮發性物質的過程。

曝氣是使空氣與水強烈接觸的一種手段，氧由空氣（氣相）向水體（液相）進行傳質轉移，這種傳質擴散的理論，目前應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，屬紊流狀態；膜間屬層流狀態，不存在對流，在一定條件下會出現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，空氣中的氧繼續向內擴散透過液膜進入水體，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，增加氣泡的數量，提高液體的紊流程度，加大曝氣器的安裝深度，延長氣泡與液體的接觸時間。曝氣設備正是基于這種原理被廣泛采用的。

曝氣主要應用在以下兩個領域：水產養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中運轉費用最高的工藝環節，在好氧工藝中，曝氣主要功能是防止池內懸浮體下沉，加強池內有機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量成正相關性。因此溶解氧的供給量要根據好氧微生物的數量、生理特性、基質性質及濃度來綜合考慮。這樣，活性污泥才能處在最佳的降解有機物的狀態。根據試驗表明，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，必須依靠一種設備來完成，例如曝氣器。而曝氣充氧電耗一般占總動力消耗的60%～70%，因此優選能耗少、造價低的曝氣裝置具有重要意義。

2 主要曝氣方式

曝氣技術主要有機械曝氣、鼓風曝氣、射流曝氣等幾大類。

2.1 機械曝氣

指借助機械設備（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和浸沒式渦輪曝氣機兩類。這種曝氣方法設備簡單，維護管理方便，但由于耗能大，易產生泡沫和死角，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 鼓風曝氣

鼓風曝氣又稱壓縮空氣曝氣，系統由鼓風機、曝氣器和一系列連通的管線組成。鼓風機供應一定的風量，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散裝置的形式，氣泡經過上升和隨水循環環流動，最后在液面處破裂，這一過程產生氧向污水中轉移的作用。擴散器是整個鼓風曝氣系統的關鍵部件，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。

鼓風系統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。特點有：（1）能產生一定的風量使水體或液體中增加足夠的溶解氧，以滿足好氧生物對氧氣的需求；（2）能產生足夠的壓力，使氣體在液體中充分擴散和溶解并阻止液體中懸浮物下沉。

鼓風曝氣一般需要修建鼓風機房及布設大量鼓風管道，曝氣頭易堵塞，大型氧化池需要運行的功率大，但由于其相對于表面曝氣來說能耗小、維修簡單等，因而被較大范圍使用。

2.3 射流曝氣

射流曝氣從20世紀40年代開始應用到廢水處理中，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，將鼓風機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，促進了氧的傳遞，提高了反應速率。也可設計成負壓自吸式的射流器，這樣可以省掉鼓風機，避免鼓風機引起的噪聲。

射流曝氣系統的核心設備是射流器。射流器是利用射流紊動擴散作用來傳遞能量和質量的流體機械和混合反應設備，它由噴嘴、吸氣室、喉管及擴散管等部件構成。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，高速流動的液體穿過吸氣室進入喉管，在喉管形成局部真空，通過導氣管吸入（或壓入）的大量空氣進入喉管后，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。氣液混合體通過擴散管向外排出，其速度減慢，壓力增強，形成強力噴射流，對廢水攪拌充氧。氣泡經多次切割，噴射擾動后，變成無數的細小氣泡，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，從而延長了大氣中氧氣溶解于水的時間，促使廢水和氧氣充分混合接觸，氧化廢水中的還原性物質，殺滅大部分還原菌和其它一些厭氧菌，進而達到處理廢水的目的。

射流曝氣作為一種曝氣充氧方法，它利用氣泡擴散和水力剪切兩個作用達到曝氣和混合的目的。一般情況下單位體積的氣量擴散產生的氣泡愈多，從而形成的氣液接觸界面就愈大，那么氧傳質作用效率愈高。經射流曝氣器擴散所產生的氣泡量的多少，直接影響到氧傳遞效率。主要優勢有：（1）運行簡單方便高效，運轉無噪音；（2）溶氧高效；（3）系統簡單、性能可靠；（4）易安裝、少維護；（5）適用范圍廣。但射流曝氣同時還存在充氧量不易調節、對池體深度有要求等問題。

除此之外，現在污水處理中常用的曝氣方式還有沉水式曝氣、純氧曝氣、強力造流曝氣等。

3 曝氣發展方向

縱觀上述，三種曝氣方式各有優點，適合于不同的曝氣工藝，但同時又都存在一定的缺點，因此，作者認為，未來曝氣設備的發展方向有一下幾個趨勢：

3.1 多方位曝氣擴散器

由于現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的新型曝氣頭問世，但是其抗壓力和抗堵塞能力仍然不強，因此未來曝氣頭的材質發展趨勢可能會朝著新型環保價廉的耐用復合材料發展，以滿足曝氣在足夠壓力下能保持長久的穩定性；而曝氣頭樣式的發展趨勢則有可能多元化：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，掛件可以自動移動，防止產生死角；汽水混合式曝氣頭，上部出氣、下部出水或汽水經剪切混合排出；單純水利剪切式曝氣頭等。

3.2 低耗能曝氣能源裝置

有了好的擴散器，若沒有相應的能源輸送和動力設備，也只是空談，因此未來的發展趨勢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，而曝氣機以及射流曝氣機等應是未來發展的主要重點，而兩者結合的產品也是未來的發展趨勢之一。

3.3 簡便的輸送方式

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格昂貴而使許多業主使用不上，因此，研究一種耐腐蝕、抗高溫的新型復合材料，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，對于生活廢水和工業廢水處理來說，曝氣已經成為必不可少的手段之一，而隨著我國經濟結構轉型升級和建設環境友好型、資源節約型國家的穩定推進，高效低耗已經成為業界發展的共識，同時面對愈來愈嚴峻的環境形勢，污水處理的要求也會越來越嚴，這既是不斷改進工藝的壓力，也是動力，是曝氣工藝發展面臨的一次重大挑戰和機遇。