曝氣器技術在污水處理中的應用
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2017-10-10
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水污染問題是一個遍及全世界的環境問題，無論是在發展中國家還是發達國家，這個問題已越來越引起人們的重視。現在，各國特別是發達國家每年都花巨大的人力、財力用于工業污水的治理。自20世紀60年代以來，各國都研究和發展了各種控制水體污染的新技術和新方法，對污染的控制也開始進入一個較高級的階段，即綜合防治環境污染的新階段。
由于工業廢水成分的多樣性，往往需要通過幾種方法組成的處理系統才能達到所需的排放標準。污水處理按采用的方法手段分類，可分為物理法、化學法、物理化學法和生物法4種。生物法是利用廢水中的微生物的代謝作用分解水中可降解的有機物的一種方法，因為具有處理量大，投資省，經濟可靠的特點，它是當今世界最普遍的一種水處理方法。
曝氣器在污水處理中的應用
生物處理法根據參與作用的微生物的需氧情況，可分為好氧法和厭氧法兩大類。一般情況，好氧法比較適用于較低濃度污水，如乙烯廠污水；而厭氧法較適用于處理污泥和較高濃度的污水。好氧生物處理法可分為活性污泥法和生物膜法兩大類。活性污泥法是水體自凈的人工強化方法，是一種依靠活性污泥工作主體的去除污水中有機物的方法。存在于活性污泥中的好氧微生物必須在有氧氣存在的條件下才能起作用。在污水處理生化系統的曝氣池中，充氧效率與好氧微生物生長量成正相關性。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。
曝氣原理
曝氣是使空氣與水強烈接觸的一種手段，其目的在于將空氣中的氧溶解于水中，或者將水中不需要的氣體和揮發性物質放逐到空氣中。換言之，它是促進氣體與液體之間物質交換的一種手段。它還有其他一些重要作用，如混合和攪拌。空氣中的氧通過曝氣傳遞到水中，氧由氣相向液相進行傳質轉移，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。
雙膜理論認為，在“氣水”界面上存在著氣膜和液膜，氣膜外和液膜外有空氣和液體流動，屬紊流狀態；氣膜和液膜間屬層流狀態，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°，這就是雙膜理論。顯然，克服液膜障°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做法而在污水處理中被廣泛采用的。
曝氣類型與曝氣器的功能
曝氣類型大體分為兩類：一類是鼓風曝氣，一類是機械曝氣。鼓風曝氣是采用曝氣器￡擴散板或擴散管在水中引入氣泡的曝氣方式。一般乙烯廠的污水處理多采用這種方式。機械曝氣是指利用葉輪等器械引入氣泡的曝氣方式。
所有的曝氣設備，都應該滿足下列3種功能：
①產生并維持有效的氣水接觸，并且在生物氧化作用不斷消耗氧氣的情況下保持水中一定的溶解氧濃度；
②在曝氣區內產生足夠的混合作用和水的?環流動；
③維持液體的足夠速度，以使水中的生物固體處于懸浮狀態。
鼓風曝氣設備
鼓風曝氣系統由鼓風機、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?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。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。
鼓風曝氣設備的主要技術性能指標有：動力效率（Ep），即每消耗1kW電能轉移到混合液中的氧量；氧的利用效率（EA），即通過鼓風曝氣轉移到混合液的氧量，占總供氧量的百分比（％）。
微氣泡曝氣器
微氣泡曝氣器也稱微孔曝氣器，采用多孔性材料如陶粒、粗瓷等摻以適當的如酚醛樹脂一類的粘劑，在高溫下燒結成為擴散板、擴散管和擴散罩的形式。按照安裝的型式，可分為提升式微孔曝氣器及固定式微孔曝氣器。
提升式微孔曝氣器主要由微孔曝氣管、活動搖臂、提升機等3部分組成：①微孔曝氣管即由微孔管、前蓋、后蓋及連接螺栓組成；②活動搖臂是可提升的配管，微孔曝氣管安裝于支氣管上，成柵條狀，底座固定在池壁上，活動立管伸入池中，支管落在池底部，并支架支撐在池底部；③曝氣器提升機，為活動式電動卷揚機，起吊小車可隨意移動，將搖臂提起。
其工作原理是：空氣從微氣泡曝氣管后蓋的通氣孔進入曝氣管，曝氣管的管壁上密布者許多細小的孔隙，管內空氣在壓力差的作用下，從管壁的孔隙中擴散出來，在污水形成許許多多微小的氣泡，并造成水的紊流，從而達到了將空氣中的氧溶入水中的目的。
微孔曝氣管的形式有很多，目前較為常用的有兩種：一種是由粗瓷或剛玉等燒結而成的普通曝氣管，這種管壁在燒結過程中產生許多極微小的孔隙，它的主要特點是能產生微小的氣泡，氣泡直徑約0.1～0.2mm，氣、液接觸面積大，氧利用率高，一般可達到20～25％；其缺點是氣壓損失較大，易堵塞，送入的空氣需經過濾處理，易損壞，一旦損壞，氧利用率就開始快速下降。另一種是管式膜片微孔曝氣管。這種曝氣管的安裝方式與前一種基本一樣，但其自身的結構卻有很大的區別，它是由一個用ABS或UPVC制成的管子作為布氣管，管壁上開有通風孔，布氣管外周覆蓋著合成橡膠制成的膜片，膜片被金屬卡子固定在管子上。在合成橡膠膜片上用激光等方法打出均勻分布的孔眼。曝氣時，空氣通過管壁上的通氣孔進入膜片與管壁之間，在壓縮空氣的作用下，使膜片微微鼓起，孔眼張開，達到布氣擴散的目的。停止供氣，氣壓消失后，膜片本身在彈性作用下使孔眼自動閉合，由于水壓的作用，膜片壓實在管壁上。因此，污水不會倒流而堵塞孔眼。但由于這種膜片的開孔直徑直接影響到氧的利用率，因此，開孔直徑應適當。開孔直徑過大，氧的利用率較低，開孔直徑過小，氧利用率高，但阻力增大。橡膠膜片應選用耐老化，高強度膠質，以免膜片出現撕裂，造成曝氣器損壞。
動態曝氣器
動態曝氣器是一種新型的曝氣器，屬于固定安裝式的微氣泡曝氣器，它由圓罩、旋混筒、旋混圈、套接頭抱箍和配氣管組成。
動態曝氣器采用了“大孔排氣泡布氣”技術，將引入曝氣器內的空氣分別進行正旋和反旋導流，正旋導流為順時針方向，反旋導流為逆時針方向，由兩個不同方向旋流作用下，在套筒旋混筒內形成一個瞬間連續局部反應的氣液強化旋混區。由旋混旋流作用所產生的大量氣泡，再經圓罩阻擋擴散作用之后，均勻密布的向上產生氣泡。總的來說，動態曝氣器是由大孔雙向旋混、套筒強化旋混和圓罩阻擋擴散等各種結構作用，使氣相在液相中碰撞、剪切和分割，從而形成混合性擴散。由于動態曝氣器采用了大孔排氣，即使停風停壓后，污水倒流進曝氣器和配氣管中，也不會造成排氣孔堵塞，從而從根本上解決了曝氣器堵塞的問題，可長期保持氧利用率不發生變化。但由于產生氣泡的直徑較大，氧利用率相對微孔曝氣器要低，一般在15～19％之間。與動態曝氣器的結構和性能類似的還有旋混曝氣器。
搖臂微孔曝氣器與動態曝氣器的對比
除了上面所講的氣泡直徑、氧利用率、是否易堵塞等不同之處外，兩者還有以下幾個不同點：
安裝方式
搖臂微孔曝氣器為可活動式安裝，當曝氣器需要更換或檢修時，可用提升機將曝氣器從水中à出來，在池面進行施工檢修，不影響同池其他曝氣器的工作，不需要停池凈水，檢修成本低，工作量少。
動態曝氣器為固定式安裝，一經安裝完成后，便不可以移動，如果某間曝氣池需要檢修，就必須停止該池的運行，并且將池內的污水和淤泥等雜物清除后，方可施工，檢修成本較高。
耐用性
搖臂式微孔曝氣器的失效形式主要有以下3種：①鋼制布氣管生銹后產生氧化鐵以及污水和空氣中的雜物會造成曝氣管內堵，曝氣管內氣流分布不均勻，使曝氣管抖動，而產生疲勞損壞；②曝氣管安裝在管接頭上，在曝氣管抖動和污水腐蝕的雙重作用下，管接頭易從根部折斷，污水的腐蝕還會造成布氣管壁減薄穿孔；③水下搖臂活動關節長期浸泡在水中，可能會因為生銹等原因而無法轉動，從而使得曝氣器不能正常提升到水面。以上3種失效形式，經過近年來的新技術的應用，已經得到很大的改善，使得曝氣器的使用壽命可達5年左右。
動態曝氣器的失效形式則有：由于疲勞或腐蝕等原因，曝氣頭各部件（如圓罩、旋混筒、旋混圈等）之間的連接件斷裂或松脫，而造成曝氣頭解體或脫落；配氣管斷裂；配氣管一般采用UPVC等非金屬管材，管子與管子，管子與管件多用膠水粘連，一旦粘接不牢，容易從粘連處脫落和漏氣。這3種失效形式一般可以通過合理選型，正確選材，嚴把質量關等方法來避免。因此，這種曝氣器的使用壽命較長，可達8～10年。
實際應用
搖臂式微孔曝氣器因為有氧利用率高、檢修方便等優點，較多應用在生產負荷較重、污水水質較惡劣的一級生化系統；固定式動態曝氣器則因為有氧利用率稍低但可以長期保持，檢修困難但使用壽命長的特點，一般應用在生產負荷較低，污水水質較好的二級生化系統。
曝氣器的種類非常多，經過不斷的更新和發展，其結構和性能更是有著日新月異的變化。本文介紹的只是其中極少的幾種，所作的論述也只是根據本地區的有限幾家污水處理場的情況而作，一些看法帶有很大的片面性和局限性。其實，曝氣器的選用依據各有側重，主要考慮下列因素：
①空氣擴散裝置應具有較高的氧利用率和動力效率，具有較好的節能效果；
②不易堵塞，出現故障易排除，便于維護管理；
③構造簡單，便于安裝，工程造價及裝置本身成本都較低。
此外，還應考慮污水的水質，地區條件以及曝氣池型、水深等。