1前言

在當(dāng)前水源水微污染預(yù)處理工藝中，接觸氧化法是個首先的選擇，該工藝在我國的污水處理中有著較長的應(yīng)用歷史。因此，其工藝設(shè)計和運行經(jīng)驗完全可以作為水源水微污染預(yù)處理工藝的借鑒。在該工藝中，曝氣系統(tǒng)選擇的適當(dāng)與否，對運行的成功或失敗有著直接的重要影響。國內(nèi)許多水處理工程中，因曝氣系統(tǒng)設(shè)計和曝氣器選擇不當(dāng)造成運行效率低甚至失敗的例子有不少。因此，水源水微污染預(yù)處理中，正確設(shè)計曝氣系統(tǒng)和選擇合適的曝氣器是一個非常重要的問題。由于目前國內(nèi)生產(chǎn)曝氣器的企業(yè)規(guī)模都較小，自身沒有測試能力，而且即使一些數(shù)據(jù)經(jīng)過測試部門測試，也缺乏相互間的可比性，許多數(shù)據(jù)缺乏權(quán)威性和準(zhǔn)確性。這種情況給設(shè)計人員和用戶在選用產(chǎn)品時造成了困難。需要指出的是，一些設(shè)計人員本身也存在著對有些參數(shù)認(rèn)識模糊的情況。

在上述情況下，工程設(shè)計中出現(xiàn)設(shè)計不當(dāng)和曝氣器類型選擇不合適的情況便難免發(fā)生。我們根據(jù)二十余年在實際工程中掌握和積累的一些經(jīng)驗，在這里對部份設(shè)計參數(shù)提出自己的看法，同時對幾種類型曝氣器分別進(jìn)行分析介紹，以供設(shè)計人員和用戶參考。

2設(shè)計參數(shù)

2．1氣水比

在接觸氧化法處理工藝設(shè)計中，把氣水比作為一個首先考慮的參數(shù)是不合適的。針對接觸氧化法處理工藝而言，計算供風(fēng)量首先要考慮兩個因素；一是供氧能力，二是曝氣強度。供氧能力和曝氣器類型、填料種類、水深有關(guān)。而曝氣強度則和水深及停留時間有關(guān)，也和氣水比有關(guān)。一般來說，設(shè)計時由于考慮到水流沖刷速度，(該沖刷速度是出于對填料上生物膜沖刷的需要)設(shè)計風(fēng)量往往大于供氧所需風(fēng)量。也就是說只有在水量、風(fēng)量、停留時間都確定后，才會產(chǎn)生氣水比這樣一個被動數(shù)據(jù)。所以，在設(shè)計時把氣水比作為一個先決條件是不合適的，也不應(yīng)該把其它工程設(shè)計中的氣水比拿來作比較。只有在水質(zhì)、水深、停留時間、曝氣器類型、填料種類等因素均相同的情況下，這種比較才有意義。

2．2服務(wù)面積

服務(wù)面積實際所指的是單個曝氣器安裝之間距離的計算結(jié)果，嚴(yán)格來說不論何種曝氣器均不存在服務(wù)面積這樣一個絕對參數(shù)。但是，在工程設(shè)i．t1~用或用戶采購時卻經(jīng)常把這個參數(shù)作為一個比較產(chǎn)品性能優(yōu)劣的一個標(biāo)準(zhǔn)，這是認(rèn)識上的一個誤解。目前，各個廠家提供的服務(wù)面積這個數(shù)據(jù)基本上是根據(jù)曝氣器尺寸大小及曝氣時氣泡所涉及的范圍而定的，即從感覺上認(rèn)為氣泡在水體中均勻與否而定的，其實這種均勻與否只是相對的。一旦水深、風(fēng)量發(fā)生變化，這種均勻性也會發(fā)生變化。從生物處理工藝本身來說，并不要求曝氣絕對均勻，而從供氧效率、對填料上生物膜的沖刷、防止污泥沉積等需要來說，曝氣則是越均勻越好。按照這個要求，給曝氣器設(shè)定的服務(wù)面積應(yīng)是越／J、越好?？紤]到造價等原因，實際使用時當(dāng)然不可能這么做。我們在這里想說明的是，設(shè)計人員在設(shè)計時不必受產(chǎn)品介紹中所提供的服務(wù)面積所限制僅作為參考，而應(yīng)該根據(jù)條件和需要來考慮曝氣器安裝密度。

2．3曝氣強度

曝氣強度的單位是m3／mh，這是一個運行時十分重要的參數(shù)。在接觸氧化法中，這個參數(shù)關(guān)系到填料上生物膜能否及時脫落更新。由于曝氣強度這個參數(shù)受停留時間、水深、氣水比的影響，所以在考慮上述參數(shù)時，應(yīng)同時考慮曝氣強度這個參數(shù)。在我們接觸的工程中，曝氣強度從1m／mhN30m／mh均碰到過，有的成功，有的失敗。根據(jù)我們的經(jīng)驗，越是有機污染濃度高的水質(zhì)，曝氣強度應(yīng)該越大。特別是在接觸氧化法中，沒有較強的曝氣強度，填料上的老化生物膜很難脫落。盡管各種結(jié)構(gòu)不同的填料，結(jié)膜程度會有不同，但曝氣強度仍是脫膜的一個重要因素。在水源水微污染預(yù)處理中，由于有機污染物的濃度不高，所以氣水比一般較小，因此造成填料上積泥的情況十分普遍。這種積泥不但會使處理效率下降，還會對水質(zhì)產(chǎn)生有害影響。所以設(shè)計時應(yīng)充分考慮這一情況，可以用提高水深和加大氣量等方面來加強曝氣強度，實在沒有辦法時，也可采用單側(cè)輪流曝氣的方式來提高曝氣強度，以保證對填料上的積泥有足夠的沖刷能力。

2．4氧的利用率

氧的利用率對于曝氣器來說是一個重要參數(shù)，這個參數(shù)既關(guān)系到效率，又關(guān)系到運行費用。由于國內(nèi)對于曝氣器氧的利用率測試均是在清水的空池內(nèi)進(jìn)行，這和工程中的實際運行條件有很大的差異。我們在長期的工程實踐中認(rèn)識到：在裝有填料的池子中，大氣泡和小氣泡所受到的切割效果是完全不一樣的，因此這種情況會直接影響到氧的利用率這個參數(shù)。為了證實這一點，我們于1999年12月2日委托清華大學(xué)水污染控制設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對此進(jìn)行了驗證測試。我們選用了可變孔曝氣器和穿孔空管曝氣器在不裝填料和安裝填料兩種情況下的對比測試。結(jié)果證明：在不裝填料時，可變孔曝氣器氧的利用率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穿孔空管曝氣器，而在裝有填料時這兩者氧的利用率是基本相同，甚至有穿孔空管曝氣器氧的利用率。

高于可變孔曝氣器的情況出現(xiàn)。(見左下表)上述表格中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)并非是偶然的，我們通過試驗池玻璃窗直接觀察發(fā)現(xiàn)：微氣泡在上升過程中不會破碎，甚至有不斷聚合的情況。但大氣泡在上升過程中由于填料碰撞切割而破碎，監(jiān)因此增加了水體紊動，提高了傳質(zhì)效果，從而進(jìn)一步提高了氧的轉(zhuǎn)移速率。而氣泡在破碎的瞬間，氧的轉(zhuǎn)移速率是最高的。因此設(shè)計人員在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮影響氧的利用率的諸多因素，不能僅從清水充氧i貝『J試結(jié)果來判斷決定。

3曝氣器種類

3．1微孔曝氣器、可變孔曝氣器微孔曝氣器是一種微氣泡曝氣器，該產(chǎn)品原先系從國外引入，材質(zhì)用陶瓷或鈦板等制成。該曝氣器曝氣時出來的氣泡細(xì)小，其直徑為2mm左右，因此氧的利用率較高，清水空池測試為20％左右。由于這類曝氣器設(shè)計使用時供氣量較小，氣泡上升時所帶動的水流速度很慢，因此氣泡呈平穩(wěn)上升態(tài)勢，相互之間很少互相碰撞，影響了氣、液二相膜面的更新速度，傳質(zhì)效率不高。這類曝氣器還存在一個致命的弱點，即易堵塞。這種堵塞一般由兩個原因引起，一是空氣及管路中的灰塵和管路剝落物造成的內(nèi)堵，二是微生物在曝氣器表面生長所引起的外堵。國外對防止堵塞采用空氣過濾和定期用酸霧清洗的方法，這能取得較好的效果。但這兩種措施要求有相應(yīng)的設(shè)備和良好的管理水平，因此這類曝氣器較適用于城市污水活性污泥法處理的大型污水廠。在微孔曝氣器之后，國外又出現(xiàn)了可變孔曝氣器，即采用在橡膠皮上打微孔來取代陶瓷等材料。這種曝氣器曝氣時橡膠皮鼓起，微孔張開，停止曝氣時，微孔閉合，這種方法能有效地防止微生物生長引起的外堵。但是由于曝氣風(fēng)溫較高，造成橡膠皮老化是這類曝氣器的主要弊病。這種曝氣器屬于大阻力曝氣系統(tǒng)，只要有一個曝氣器的橡膠皮脫落或破損，即會引起整組曝氣系統(tǒng)無法正常運行。微孔類曝氣器安裝間距在500mm～800mm之間，造價約為600元／m左右。盡管這類曝氣器氧的利用率較高，但綜合其它方面利弊，行家們的一致意見是接觸氧化法工藝不適宜采用?；钚晕勰喾〞r可以用，但質(zhì)量和使用壽命等方面還要研究提高。

3．2散流式類曝氣器

這類曝氣器包括YJB—600一型、金山1號、動態(tài)曝氣器等類型，上述幾種曝氣器雖然各生產(chǎn)企業(yè)在命名上差異很大，但基本原理相同。都是在管道上開孔，然后由曝氣器的本身結(jié)構(gòu)對氣流進(jìn)行擴(kuò)散、切割。這類曝氣器氧的利用率在8～12％之間，和填料配合使用時可達(dá)l0～15％左右。這類曝氣器曝氣時氣泡大小不等，直徑在20ram～30ram之間，氣泡在上升過程中可互相碰撞破碎，同時可帶起較大的水流速度，并具有不堵塞的特點。這類曝氣器安裝間距一般在lO00mm～2000ram左右，其造價包括管道約為200～400元左右。這類曝氣器具有使用壽命長、不堵塞、造價低的特點，因此特別適合在接觸化工藝中使用。這類曝氣器的缺點是布?xì)饩鶆蛐韵鄬^差。

3．3穿孔管曝氣系統(tǒng)

穿孔管曝氣系統(tǒng)裝置是我國水處理中使用最早的曝氣裝置。由于穿孔管具有簡單、制造方便、造價低等特點，早期的工程無論是活性污泥法或是接觸氧化法，均基本上采用穿孔管曝氣。由于當(dāng)時使用的穿孔管系碳鋼制作，因而由材質(zhì)銹蝕造成的堵塞便成了不可避免的缺陷。生物處理中，曝氣系統(tǒng)一旦發(fā)生堵塞即會使曝氣無法正常進(jìn)行，直至導(dǎo)致工程運行失敗。

為此，穿孔管一度被設(shè)計人員所冷落。在長期的工程實踐中，我們發(fā)現(xiàn)：盡管在穿孔管之后發(fā)展了許多種類的曝氣器，卻至今未有一種十分理想的曝氣器。各種曝氣器雖然各有優(yōu)點，但其綜合優(yōu)點未必都能超過穿孔管。我們認(rèn)為：只要解決了穿孔管的堵塞問題，就會為其正常使用提供一個可靠的保證。為此我們在許多改造工程中，專門對穿孔管的堵塞問題進(jìn)行分析研究。通過反復(fù)調(diào)查顯示，穿孔管的堵塞是由兩個原因造成的。一是材質(zhì)原因，二是結(jié)構(gòu)設(shè)計原因。對于前一個原因，大家均已充分認(rèn)識到，即鋼管在長期氧化中脫落的銹蝕物及孔IZl氧化銹蝕造成了堵塞。這種堵塞一旦發(fā)生，就會形成惡眭循環(huán)，使整個曝氣系統(tǒng)無法正常使用。對于穿孔管因結(jié)構(gòu)問題造成的第二個堵塞原因，這在以前則往往被忽視。穿孔管以前大部分被設(shè)計成“梳子狀”的型式，即每根穿孔管的末端均有我們稱為“端點”的死區(qū)。二是由于配管阻力計算和造價考慮，主管和穿孔管管徑差異較大。這樣，曝氣孔口所在水平位置不是在整個管路系統(tǒng)的最低點，最低點在主干管的下部，我們稱為“低位區(qū)”。在工程運行時，有時會難免發(fā)生風(fēng)機停風(fēng)的情況，這時，污泥和生物膜會隨水流回灌到管路系統(tǒng)內(nèi)。當(dāng)重新啟動風(fēng)機時，管路內(nèi)的污泥不能全部沖出，有—部分會在“端點”和“低位區(qū)”沉積，并在風(fēng)溫的作用下干結(jié)、硬化，長期積累即會造成穿孔管堵塞。我們解剖了許多堵塞的穿孔管，發(fā)現(xiàn)里面干結(jié)的污泥比石塊還硬。針對穿孔管上述堵塞的原因，我們設(shè)計了“ABST彎式穿孔管曝氣系統(tǒng)”。該下彎式穿孔管曝氣系統(tǒng)采用ABS工程塑料為原料，這不但解決了氧化銹蝕造成的堵塞問題，還可以使使用壽命大大提高。第二我們將整個管路系統(tǒng)設(shè)計成“目”字狀，使其整體呈環(huán)形閉合狀態(tài)，這樣就解決了“端點”積泥問題。在管路立面布置上，我們對主管和穿孔管的連接采用了“下彎連接方式”(專利號：98106514．7)。即主管和穿孔管的中心不是在同一水平線上，而是通過“下彎連接”使穿孔管處于整個管路系統(tǒng)的最低點。這樣，風(fēng)機暫停時回灌到管路內(nèi)的污泥在重新曝氣時可全部沖出管外。我們認(rèn)為：穿孔管只要解決了堵塞問題，其使用前景最為廣闊。不管在何種曝氣強度時，穿孔管均能分別針對J眭設(shè)計而不受任何限制。相對之下，微孔曝氣器等則會不同程度地受到阻力等因素的限制。就其曝氣整體均勻性來說，其它曝氣裝置只能相對達(dá)到“點均勻”和“線均勻”，而唯有穿孔管能達(dá)到“面均勻”的良好狀態(tài)。

4、結(jié)束語

隨著水源水微污染預(yù)處理這個工藝逐步推廣和發(fā)展，該工藝對曝氣器的需求將會越來越大，各種各樣的曝氣器也會不斷進(jìn)入市場。因此，設(shè)計部門和用戶如何在品種繁多的產(chǎn)品中有一個正確的選擇，便是一個非常重要的問題。要想對一種產(chǎn)品有一個正確認(rèn)識，我們應(yīng)該從曝氣器的基本原理去著手分析。曝氣器是通過自身對空氣的擴(kuò)散和分流來促使空氣中的氧更好地向水中傳遞，而氧向水中轉(zhuǎn)移過程離不開以下三個要素：一是空氣和液體接觸的面積；二是空氣和液體接觸的時間；三是空氣和液體界面更新的速度，這就是充氧原理的“雙膜理論”。有了對上述原則的認(rèn)識，再去分析某種曝氣器的曝氣原理和過程，就可大致判斷該曝氣器的優(yōu)劣。也不會被一些名稱怪異的產(chǎn)品所迷惑，從而使工程設(shè)計和采購時有正確的選擇，避免造成不必要的損失。

目前，國內(nèi)市場上及應(yīng)用中尚有另外一些名稱和品種的曝氣器，有些其基本原理和第三章所列的相同，只是名稱上有所不同。有些品種因為使用較少，如表曝機、射流曝氣器、固定螺旋曝氣器等等。限于篇幅這里不再逐一介紹。