長期運(yùn)行期間微孔曝氣系統(tǒng)氧傳質(zhì)效率的影響因素及污染控制

李云輝

(上海竹園第二污水處理廠，上海 200137)

活性污泥法作為城鎮(zhèn)污水處理廠生物處理的重要單元，能夠有效去除氮、磷等污染物。曝氣作為活性污泥法中的關(guān)鍵步驟，在為污水中的微生物降解有機(jī)物和生長提供足夠溶解氧的同時(shí)，還起到保證池中泥水均勻混合的作用[1]。曝氣同時(shí)也是污水處理廠能耗占比最大的單元[2]，約占整個(gè)污水處理廠運(yùn)行能耗的50%～80%[3]。傳統(tǒng)的曝氣方式主要分為機(jī)械曝氣和鼓風(fēng)曝氣[4]，機(jī)械曝氣主要通過槳葉或葉輪攪動水面，使空氣中的氧氣不斷進(jìn)入水中，對水體進(jìn)行充氧[5]。鼓風(fēng)曝氣主要是通過鼓風(fēng)機(jī)將空氣輸送到曝氣器中，以氣泡的形式將氧氣輸送到水體中[6]。

微孔曝氣因其較高的氧傳質(zhì)效率成為目前應(yīng)用最廣泛的曝氣技術(shù)。鼓風(fēng)機(jī)將壓縮空氣不斷推過多孔材質(zhì)的微孔曝氣器，形成直徑<5 mm的微小氣泡[7]。產(chǎn)生的氣泡直徑越小，比表面積越大，且上升速度越慢，在水中的停留時(shí)間越長，增加了氣液傳質(zhì)時(shí)間，具有更高的氧傳質(zhì)效率。但是，在長期運(yùn)行過程中，污染物易在微孔曝氣器表面和氣孔內(nèi)積累，堵塞氣孔，使氧傳質(zhì)效率下降[8]。因此，在維持污水處理廠穩(wěn)定運(yùn)行的情況下節(jié)省曝氣能耗，成為當(dāng)前亟需解決的問題。本文綜述了長期運(yùn)行中微孔曝氣系統(tǒng)氧傳質(zhì)效率的影響因素，以期為微孔曝氣系統(tǒng)在污水處理廠的優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 曝氣系統(tǒng)氧傳質(zhì)過程

在充氧過程中，氣泡擾動使混合液均勻混合，促進(jìn)氣、液、固三相充分接觸，最終使空氣中的氧傳輸?shù)揭合唷hitman[9]提出的雙膜理論是描述氣液界面?zhèn)髻|(zhì)過程最經(jīng)典的理論，即相接觸的氣、液相兩側(cè)存在穩(wěn)定的氣膜和液膜，氣體以分子擴(kuò)散方式通過此雙膜層，最后在氣液界面達(dá)到平衡。氣體傳質(zhì)的阻力主要來源于液膜。基于雙膜理論的氧傳質(zhì)過程如式(1)。

(1)

其中：KLa——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，h-1；

Ct——t時(shí)刻水中溶解氧濃度，mg/L。

曝氣器的氧傳質(zhì)性能通常采用氧傳質(zhì)效率(oxygen mass-transfer efficiency，OTE)評價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論氧傳質(zhì)效率(SOTE)可在清水中測得。在污水中，實(shí)際運(yùn)行的OTE通常低于SOTE，這個(gè)降低率用氧傳質(zhì)影響系數(shù)α量化，即αSOTE與SOTE之比，也可采用污水中的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)與清水中的比值計(jì)算，如式(2)。

(2)

在實(shí)際運(yùn)行過程中，微孔曝氣器的氣孔易因生物膜附著生長或者無機(jī)鹽沉積而堵塞，導(dǎo)致氧傳質(zhì)效率下降，阻力損失增加。如果不進(jìn)行清洗，污染程度會隨著運(yùn)行時(shí)間的延長加劇。污染程度常用污染系數(shù)F量化[10]，即運(yùn)行一段時(shí)間后的OTE與初始OTE的比值，如式(3)。

(3)

微孔曝氣充氧過程中，直接影響OTE的因素包括氣泡大小、氣泡數(shù)量、氣泡停留時(shí)間、氧傳質(zhì)驅(qū)動力等。在污水處理實(shí)際運(yùn)行中，影響OTE的因素主要包括工藝條件、水質(zhì)條件和環(huán)境因素等。表1列舉了對微孔曝氣系統(tǒng)OTE的影響因素。

表1 OTE的影響因素Tab.1 Influencing Factors of OTE

比較發(fā)現(xiàn)，幾何參數(shù)(曝氣器浸沒水深、曝氣密度、曝氣器布局)、工藝條件(曝氣量、SRT)和水質(zhì)條件(MLSS、流體黏度、TDS、表面活性劑)影響OTE的根本原因是混合液中氣液接觸界面積和氣液接觸時(shí)間。接觸面積越大，氣泡停留時(shí)間越長，越有利于氧由氣相傳質(zhì)至液相。

2 長期運(yùn)行過程中微孔曝氣系統(tǒng)的污染與控制

長期運(yùn)行過程中，污染物會在微孔曝氣器的氣孔表面和內(nèi)部逐漸積累[41]，阻塞氣流的逸出，并增強(qiáng)氣泡的并聚現(xiàn)象，從而不利于氧氣的傳輸。微孔曝氣器表面及氣孔內(nèi)累積的污染物主要包括生物污染、有機(jī)污染和無機(jī)結(jié)垢[7]。污染物分布示意圖參考Jiang等[7]的研究結(jié)果重新繪制，如圖1所示，這些污染物可通過清洗手段去除。微孔曝氣器材質(zhì)老化造成的效率損失不能通過清洗手段恢復(fù)，只會隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增加，最終影響曝氣器的使用壽命[42-43]。

圖1 微孔曝氣器表面及氣孔內(nèi)污染物分布示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Pollutants on the Surface and Inside the Pores of Fine-Bubble Aerator

2.1 微孔曝氣系統(tǒng)的生物污染

生物污染是指在曝氣器表面和氣孔內(nèi)由原生動物、細(xì)菌絮凝物、溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和EPS形成的生物膜。目前，對生物膜附著在OTE下降中作用的研究尚不多見。Garrido等[44]深入研究了生物膜生長與通氣性能下降之間的相關(guān)性，盡管氣泡釋放具有剪切力，但微生物仍然會在曝氣器表面附著并生長，因?yàn)槠貧馄鞅砻婵梢蕴峁┐罅康难鯕夂偷孜铩ossetti等[45]發(fā)現(xiàn)，絲狀微生物具有更好的氧親和力，這些細(xì)絲附著在氣泡表面上，減小了液膜的更新速度且增加了液膜的厚度，細(xì)絲外表面還聚集著含有蛋白質(zhì)和多糖的EPS[46]，它們能夠像表面活性劑的“兩親分子”一樣發(fā)揮作用，降低氧氣在氣液界面的實(shí)際溶解度[47-48]。活性污泥中的絲狀微生物具有較高的疏水性[49-50]，疏水性細(xì)胞表面使絲狀微生物能夠更好地吸引疏水性底物，如脂質(zhì)、長鏈脂肪酸和其他非極性底物[45]。疏水性顆粒會傾向于在氣液界面處積聚，從而對氧氣的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生負(fù)面影響[51-52]。Liu等[53]發(fā)現(xiàn)，活性污泥中較低的溶解氧濃度可以提高OTE，但同時(shí)也會促進(jìn)絲狀微生物的生長，增加混合液的黏度，阻礙氧傳質(zhì)。絲狀微生物的過度生長可以使OTE降低50%。由此看出，在曝氣系統(tǒng)中控制絲狀菌的生長尤為重要。Jiang等[7]對比了運(yùn)行10年的微孔曝氣器表面的污染物與好氧池活性污泥中的微生物種群分布，發(fā)現(xiàn)除了絲狀菌，EPS分泌菌也會優(yōu)先聚集在曝氣器表面。

在曝氣池進(jìn)水口，較高的有機(jī)負(fù)荷使生物膜在曝氣器表面生成的速度較快。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在好氧池末端會形成較少的生物膜，物理方法無法準(zhǔn)確描述生物膜的特征和微生物分布情況。Huang等[54]發(fā)現(xiàn)，與懸浮固體濃度相比，總細(xì)菌細(xì)胞和DNA濃度可提供更多活性污泥中微生物豐度的詳細(xì)信息。微生物測量可以比懸浮固體更好地代表系統(tǒng)性能，因?yàn)椴⒉皇菓腋」腆w中的所有質(zhì)量都對應(yīng)于微生物細(xì)胞。 但是，從生物膜獲得的總DNA包括原核和真核細(xì)胞的細(xì)胞間和細(xì)胞外DNA，因此仍然存在一些局限性，需要進(jìn)一步分析。這不僅可以更加細(xì)致地研究曝氣器表面生物膜的性質(zhì)，還能為更有效地清洗曝氣器提供理論指導(dǎo)。

Noble等[55]研究了不同材質(zhì)曝氣器上生物膜的群落組成、功能和多樣性，發(fā)現(xiàn)三元乙丙橡膠(EPDM)和有機(jī)硅曝氣器的生物膜中，細(xì)菌的多樣性隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增加，而聚氨酯(PU)曝氣器的生物膜中，細(xì)菌多樣性則隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而降低。由于進(jìn)水中許多物種的隨機(jī)分配，早期生物膜具有較高的多樣性；中期許多競爭性物種進(jìn)行主導(dǎo)，因此生物膜具有較低的多樣性；后期由于許多物種嵌入到細(xì)胞外基質(zhì)中，增加了養(yǎng)分利用率，細(xì)菌多樣性又恢復(fù)到較高水平。EPDM和有機(jī)硅曝氣器表面細(xì)菌多樣性的增加，反映了中期到后期生物膜發(fā)展的轉(zhuǎn)變；PU生物膜細(xì)菌多樣性的下降反映了從早期到中期生物膜發(fā)展的過度，同時(shí)說明PU曝氣器上生物膜的發(fā)展要慢于其他基質(zhì)。由此可知，底物特性(如表面粗糙度、親水性/疏水性和化學(xué)官能團(tuán)等)是確定生物膜組成的關(guān)鍵因素[56-57]，在不同的水生環(huán)境中，不同的底物對細(xì)菌群落組成具有短期或長期的影響[58]。更好的了解不同材質(zhì)曝氣器表面微生物的組成，并建立微生物種群動態(tài)變化與OTE之間的聯(lián)系，有助于污水處理廠工作人員設(shè)定操作條件，在一定程度上減少曝氣器的污染。

2.2 微孔曝氣系統(tǒng)的有機(jī)污染

有機(jī)污染物是指曝氣器表面附著的由微生物分泌代謝產(chǎn)生的蛋白質(zhì)、多糖、腐植酸和其他有機(jī)物質(zhì)。Garrido等[59]通過EDX成分分析，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行15個(gè)月后，微孔曝氣器的污染成分中有機(jī)物占85%～90%，無機(jī)物占5%～10%，盡管有機(jī)物和無機(jī)物對曝氣器氣孔面積的減小產(chǎn)生相似的影響。對于不同類型的曝氣器，雖然材質(zhì)成分不同，但有機(jī)污染物均趨于高度水合(即與無機(jī)物質(zhì)相比，體積百分比更高)。隨著有機(jī)污染物在微孔曝氣器表面的沉積，曝氣器表面出現(xiàn)凹陷，孔徑變大，產(chǎn)生的氣泡直徑變大，OTE降低。EPDM是微孔曝氣器最常見的材料[60]，但EPDM并不是配方中的唯一材料，還有其他的添加劑，這些材料的成分和降解性能會影響曝氣器性能。Garrido等[60]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物膜密度的增加，曝氣器表面的養(yǎng)分越來越有限，細(xì)菌會利用曝氣器材料中的軟化劑作為基質(zhì)。大部分軟化劑由有機(jī)材料組成，酶誘導(dǎo)后被某些細(xì)菌用作碳源，分解產(chǎn)物可以用作表面上或表面附近其他細(xì)菌的底物來源，附著在曝氣器表面。

2.3 曝氣器的無機(jī)結(jié)垢

微孔曝氣器上的無機(jī)結(jié)垢是由污水和活性污泥中的無機(jī)離子在曝氣器表面或孔內(nèi)通過電性中和及架橋作用而形成的晶體沉淀。Garrido等[59]通過EDX成分分析發(fā)現(xiàn)，曝氣器表面的無機(jī)污染物主要元素包括Fe(7.9%)、Si(3.8%)、Mg(0.9%)和Ca(1.4%)。Shirazi等[61]猜測，曝氣器表面最常見的無機(jī)化合物是二氧化硅、碳酸鈣、碳酸鎂、磷酸鐵。盡管無機(jī)污垢的含量低于有機(jī)污染物，但無機(jī)污垢會促進(jìn)污染層的增厚和硬化[43]，加速曝氣器材質(zhì)的老化，從而降低曝氣器的使用壽命。

Wang等[62]通過研究不同進(jìn)水硬度下3種材質(zhì)(EPDM、有機(jī)硅和PU)微孔曝氣器中的無機(jī)結(jié)垢，發(fā)現(xiàn)在存在Ca2+、Mg2+的水中，結(jié)垢的主要成分為碳酸鈣，且結(jié)垢主要發(fā)生在曝氣器的外表面、孔口和內(nèi)表面上。與有機(jī)硅和PU相比，EPDM材質(zhì)曝氣器的OTE下降得最慢，PU材質(zhì)的曝氣器受結(jié)垢影響最大。由于3種材質(zhì)的表面粗糙度不一致，粗糙的表面比光滑的表面更易結(jié)垢，因?yàn)槠浔砻娌加胁痪鶆虻目障叮瑸榫w的黏附和晶體層的形成提供了有利條件[63]。同時(shí)，氣泡的混合會增加溶液中離子碰撞的機(jī)會，在一定程度上加速了微孔曝氣器表面的結(jié)垢[64]。

2.4 微孔曝氣器污染對污水處理廠能耗的影響

對于長期運(yùn)行的污水處理廠，微孔曝氣器污染是OTE下降的主要原因，為了能夠保證提供足夠的氧量來維持生物處理的效果，就需要加大鼓風(fēng)機(jī)曝氣量。Jiang等[7]發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行10年的微孔曝氣器，其污染系數(shù)F降至0.73±0.05。Garrido等[60]研究了連續(xù)運(yùn)行24個(gè)月的曝氣器，其F為0.75±0.05。Rosso等[43]總結(jié)了94個(gè)現(xiàn)場測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行24個(gè)月后，曝氣系統(tǒng)總體OTE下降了50%左右。Krampe[65]發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行12個(gè)月后，EPDM材質(zhì)曝氣器的OTE降低了16%～28%。Gori等[66]發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行2年之后的曝氣系統(tǒng)，其SOTE從18%降至15%，即F=0.53。

與此同時(shí)，雖然靜水壓力(由于水深而在曝氣器表面產(chǎn)生的壓力)在整個(gè)曝氣系統(tǒng)的使用壽命內(nèi)保持恒定，但微孔曝氣器元件的水頭損失會因污染隨運(yùn)行時(shí)間增加。曝氣器水頭損失的升高會引起鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓的增加，甚至使其工作壓力增大至接近最大允許壓力，這可能導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)喘振，從而影響鼓風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行[50]。

鼓風(fēng)機(jī)的曝氣量和出口風(fēng)壓的增加均會導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)輸出功率的增加，從而造成運(yùn)行能耗的增加[67]。Jiang等[7]發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行10年的污水處理廠的總運(yùn)行能耗增加了15%。Garrido等[44]基于曝氣性能監(jiān)測和動態(tài)能量模型計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)(SRT=8 d)和高負(fù)荷(SRT=2 d)的運(yùn)行條件下，微孔曝氣器在15個(gè)月內(nèi)的能耗需求分別增加了32%和42%。因此，當(dāng)污水處理廠新建或改造時(shí)，選擇微孔曝氣器類型不僅要考慮所選曝氣器的初始能耗需求，還需考慮隨著運(yùn)行時(shí)間，微孔曝氣器受到污染后造成的能耗增加。

2.5 微孔曝氣器污染物的去除與控制

對于所有在污水中運(yùn)行的微孔曝氣器，污染是無法避免的，污染程度主要取決于污水處理廠的工藝參數(shù)，如污泥齡、污水水質(zhì)特性、曝氣器類型和運(yùn)行時(shí)間。污水水質(zhì)特性、曝氣池中的流體動力學(xué)及氧氣分布均勻性的差異均會對曝氣器污染的周期產(chǎn)生影響。因此，在對污水處理廠的曝氣器選擇之前，在待處理的污水中進(jìn)行長期曝氣器污染趨勢測試，能夠更準(zhǔn)確地進(jìn)行曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型[68]。

選擇合適的曝氣器，并對其進(jìn)行定期維護(hù)，在一定程度上可以減緩曝氣器的污染及老化。研究發(fā)現(xiàn)[69]，EPDM材質(zhì)的曝氣器具有較好的耐久性、抗老化和親水性，但當(dāng)污水中含有較高濃度的烴類、芳香族等有害物質(zhì)時(shí)，會加速EPDM材質(zhì)的老化。高密度聚乙烯曝氣器表面孔隙率較高，同時(shí)具有良好的化學(xué)性能和抗沖擊能力，不易損壞。由于其氣孔更光滑，孔道短，不利于微生物的富集，一定程度上能夠減緩曝氣管的生物和有機(jī)污染，因此廣泛適用于市政污水、化工、制藥、石油等污水處理。Rosso等[70]通過核酸提取、微生物的種群結(jié)構(gòu)分布分析，結(jié)合氧利用率的測量，了解關(guān)鍵的微生物菌種以及對曝氣器材質(zhì)的親和力，從而選擇合適的曝氣器材質(zhì)，緩解生物污染。Garrido等[10]發(fā)現(xiàn)，與EPDM膜相比，有機(jī)硅膜不含增塑劑或添加劑，且本質(zhì)上是無機(jī)的，受生物污染的影響較小。

微孔曝氣器的清洗頻率和方法決定了其長期性能和優(yōu)勢[70]。Jiang等[7]通過研究微孔曝氣器污染物的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)HCl和NaClO的組合清洗可以提高清洗效率，因?yàn)镠Cl可以消除無機(jī)結(jié)垢，NaClO可以消除有機(jī)污染物。但不同的清洗順序，也會對污染物的去除效率產(chǎn)生影響。Jiang等發(fā)現(xiàn)，NaClO+HCl的順序清洗比HCl+NaClO的順序清洗顯示出更好的清洗效率。因此，了解微孔曝氣器的污染趨勢及污染物成分，并制定相應(yīng)的清洗策略，不僅有利于曝氣系統(tǒng)的效率恢復(fù)，還能夠?yàn)槲鬯幚韽S節(jié)省大量運(yùn)行成本。

3 結(jié)語與展望

本文總結(jié)了長期運(yùn)行中污水處理廠微孔曝氣系統(tǒng)OTE的影響因素，對微孔曝氣系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行具有一定的參考意義。長期運(yùn)行過程中，微孔曝氣器的污染是導(dǎo)致OTE下降和能耗增加的最主要原因。微孔曝氣器的污染主要包括生物污染、有機(jī)污染和無機(jī)結(jié)垢。附著在曝氣器表面的絲狀菌，會黏附在氣泡表面，阻礙氣液傳質(zhì)，降低曝氣器的OTE。有機(jī)污染物在微孔曝氣器表面沉積導(dǎo)致凹陷，孔徑變大，產(chǎn)生的氣泡直徑變大，OTE降低。無機(jī)污垢會促進(jìn)污染層的增厚和硬化，加速曝氣器材質(zhì)的老化，從而降低曝氣器的使用壽命。隨著曝氣器污染的加劇，微孔曝氣系統(tǒng)的OTE逐漸下降，加大鼓風(fēng)機(jī)曝氣量和出口風(fēng)壓會造成能耗大幅增加，并對鼓風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行造成壓力。

在我國大力推行節(jié)能減排的環(huán)境下，對污水處理廠能耗的優(yōu)化也受到越來越多的重視。曝氣作為污水處理廠能耗占比最高的環(huán)節(jié)，優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行，對微孔曝氣器進(jìn)行定期的清洗及維護(hù)，不僅能夠?qū)⑵貧庀到y(tǒng)的OTE維持在較高水平，還能夠延長使用壽命，在一定程度上減少能耗的浪費(fèi)。