曝气器技术在污水处理中的应用
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2017-10-10
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水污染问题是一个遍及全世界的环境问题，无论是在发展中国家还是发达国家，这个问题已越来越引起人们的重视。现在，各国特别是发达国家每年都花巨大的人力、财力用于工业污水的治理。自20世纪60年代以来，各国都研究和发展了各种控制水体污染的新技术和新方法，对污染的控制也开始进入一个较高级的阶段，即综合防治环境污染的新阶段。
由于工业废水成分的多样性，往往需要通过几种方法组成的处理系统才能达到所需的排放标准。污水处理按采用的方法手段分类，可分为物理法、化学法、物理化学法和生物法4种。生物法是利用废水中的微生物的代谢作用分解水中可降解的有机物的一种方法，因为具有处理量大，投资省，经济可靠的特点，它是当今世界最普遍的一种水处理方法。
曝气器在污水处理中的应用
生物处理法根据参与作用的微生物的需氧情况，可分为好氧法和厌氧法两大类。一般情况，好氧法比较适用于较低浓度污水，如乙烯厂污水；而厌氧法较适用于处理污泥和较高浓度的污水。好氧生物处理法可分为活性污泥法和生物膜法两大类。活性污泥法是水体自净的人工强化方法，是一种依靠活性污泥工作主体的去除污水中有机物的方法。存在于活性污泥中的好氧微生物必须在有氧气存在的条件下才能起作用。在污水处理生化系统的曝气池中，充氧效率与好氧微生物生长量成正相关性。溶解氧的供给量要根据好氧微生物的数量、生理特性、基质性质及浓度来综合考虑。这样，活性污泥才能处在最佳的降解有机物的状态。根据试验表明，曝气池中溶解氧维持在3～4mg/L为宜，若供氧不足，活性污泥性能差，导致废水处理效果下降。为保证有充足的供氧，必须依靠一种设备来完成，例如曝气器。
曝气原理
曝气是使空气与水强烈接触的一种手段，其目的在于将空气中的氧溶解于水中，或者将水中不需要的气体和挥发性物质放逐到空气中。换言之，它是促进气体与液体之间物质交换的一种手段。它还有其他一些重要作用，如混合和搅拌。空气中的氧通过曝气传递到水中，氧由气相向液相进行传质转移，这种传质扩散的理论，目前应用较多的是刘易斯和惠特曼提出的双膜理论。
双膜理论认为，在“气水”界面上存在着气膜和液膜，气膜外和液膜外有空气和液体流动，属紊流状态；气膜和液膜间属层流状态，不存在对流，在一定条件下会出现气压梯度和浓度梯度。如果液膜中氧的浓度低于水中氧的饱和浓度，空气中的氧继续向内扩散透过液膜进入水体，因而液膜和气膜将成为氧传递的障°，这就是双膜理论。显然，克服液膜障°最有效的方法是快速变换“气液”界面。曝气搅拌正是如此，具体的做法就是：减少气泡的大小，增加气泡的数量，提高液体的紊流程度，加大曝气器的安装深度，延长气泡与液体的接触时间。曝气设备正是基于这种做法而在污水处理中被广泛采用的。
曝气类型与曝气器的功能
曝气类型大体分为两类：一类是鼓风曝气，一类是机械曝气。鼓风曝气是采用曝气器￡扩散板或扩散管在水中引入气泡的曝气方式。一般乙烯厂的污水处理多采用这种方式。机械曝气是指利用叶轮等器械引入气泡的曝气方式。
所有的曝气设备，都应该满足下列3种功能：
①产生并维持有效的气水接触，并且在生物氧化作用不断消耗氧气的情况下保持水中一定的溶解氧浓度；
②在曝气区内产生足够的混合作用和水的?环流动；
③维持液体的足够速度，以使水中的生物固体处于悬浮状态。
鼓风曝气设备
鼓风曝气系统由鼓风机、曝气器和一系列连通的管线组成。鼓风机将空气通过一系列管道输送到安装在池底部的曝气器，通过曝气器，使空气形成不同尺寸的气泡。气泡在曝气器出口形成，尺寸则取决于空气扩散装置的形式，气泡经过上升和随水?环流动，最后在液面处破裂，这一过程产生氧向污水中转移的作用。鼓风系统的曝气器主要分为微气泡、中气泡、大气泡、水力剪切、水力冲击及空气升液等类型。
鼓风曝气设备的主要技术性能指标有：动力效率（Ep），即每消耗1kW电能转移到混合液中的氧量；氧的利用效率（EA），即通过鼓风曝气转移到混合液的氧量，占总供氧量的百分比（％）。
微气泡曝气器
微气泡曝气器也称微孔曝气器，采用多孔性材料如陶粒、粗瓷等掺以适当的如酚醛树脂一类的粘剂，在高温下烧结成为扩散板、扩散管和扩散罩的形式。按照安装的型式，可分为提升式微孔曝气器及固定式微孔曝气器。
提升式微孔曝气器主要由微孔曝气管、活动摇臂、提升机等3部分组成：①微孔曝气管即由微孔管、前盖、后盖及连接螺栓组成；②活动摇臂是可提升的配管，微孔曝气管安装于支气管上，成栅条状，底座固定在池壁上，活动立管伸入池中，支管落在池底部，并支架支撑在池底部；③曝气器提升机，为活动式电动卷扬机，起吊小车可随意移动，将摇臂提起。
其工作原理是：空气从微气泡曝气管后盖的通气孔进入曝气管，曝气管的管壁上密布者许多细小的孔隙，管内空气在压力差的作用下，从管壁的孔隙中扩散出来，在污水形成许许多多微小的气泡，并造成水的紊流，从而达到了将空气中的氧溶入水中的目的。
微孔曝气管的形式有很多，目前较为常用的有两种：一种是由粗瓷或刚玉等烧结而成的普通曝气管，这种管壁在烧结过程中产生许多极微小的孔隙，它的主要特点是能产生微小的气泡，气泡直径约0.1～0.2mm，气、液接触面积大，氧利用率高，一般可达到20～25％；其缺点是气压损失较大，易堵塞，送入的空气需经过滤处理，易损坏，一旦损坏，氧利用率就开始快速下降。另一种是管式膜片微孔曝气管。这种曝气管的安装方式与前一种基本一样，但其自身的结构却有很大的区别，它是由一个用ABS或UPVC制成的管子作为布气管，管壁上开有通风孔，布气管外周覆盖着合成橡胶制成的膜片，膜片被金属卡子固定在管子上。在合成橡胶膜片上用激光等方法打出均匀分布的孔眼。曝气时，空气通过管壁上的通气孔进入膜片与管壁之间，在压缩空气的作用下，使膜片微微鼓起，孔眼张开，达到布气扩散的目的。停止供气，气压消失后，膜片本身在弹性作用下使孔眼自动闭合，由于水压的作用，膜片压实在管壁上。因此，污水不会倒流而堵塞孔眼。但由于这种膜片的开孔直径直接影响到氧的利用率，因此，开孔直径应适当。开孔直径过大，氧的利用率较低，开孔直径过小，氧利用率高，但阻力增大。橡胶膜片应选用耐老化，高强度胶质，以免膜片出现撕裂，造成曝气器损坏。
动态曝气器
动态曝气器是一种新型的曝气器，属于固定安装式的微气泡曝气器，它由圆罩、旋混筒、旋混圈、套接头抱箍和配气管组成。
动态曝气器采用了“大孔排气泡布气”技术，将引入曝气器内的空气分别进行正旋和反旋导流，正旋导流为顺时针方向，反旋导流为逆时针方向，由两个不同方向旋流作用下，在套筒旋混筒内形成一个瞬间连续局部反应的气液强化旋混区。由旋混旋流作用所产生的大量气泡，再经圆罩阻挡扩散作用之后，均匀密布的向上产生气泡。总的来说，动态曝气器是由大孔双向旋混、套筒强化旋混和圆罩阻挡扩散等各种结构作用，使气相在液相中碰撞、剪切和分割，从而形成混合性扩散。由于动态曝气器采用了大孔排气，即使停风停压后，污水倒流进曝气器和配气管中，也不会造成排气孔堵塞，从而从根本上解决了曝气器堵塞的问题，可长期保持氧利用率不发生变化。但由于产生气泡的直径较大，氧利用率相对微孔曝气器要低，一般在15～19％之间。与动态曝气器的结构和性能类似的还有旋混曝气器。
摇臂微孔曝气器与动态曝气器的对比
除了上面所讲的气泡直径、氧利用率、是否易堵塞等不同之处外，两者还有以下几个不同点：
安装方式
摇臂微孔曝气器为可活动式安装，当曝气器需要更换或检修时，可用提升机将曝气器从水中à出来，在池面进行施工检修，不影响同池其他曝气器的工作，不需要停池净水，检修成本低，工作量少。
动态曝气器为固定式安装，一经安装完成后，便不可以移动，如果某间曝气池需要检修，就必须停止该池的运行，并且将池内的污水和淤泥等杂物清除后，方可施工，检修成本较高。
耐用性
摇臂式微孔曝气器的失效形式主要有以下3种：①钢制布气管生锈后产生氧化铁以及污水和空气中的杂物会造成曝气管内堵，曝气管内气流分布不均匀，使曝气管抖动，而产生疲劳损坏；②曝气管安装在管接头上，在曝气管抖动和污水腐蚀的双重作用下，管接头易从根部折断，污水的腐蚀还会造成布气管壁减薄穿孔；③水下摇臂活动关节长期浸泡在水中，可能会因为生锈等原因而无法转动，从而使得曝气器不能正常提升到水面。以上3种失效形式，经过近年来的新技术的应用，已经得到很大的改善，使得曝气器的使用寿命可达5年左右。
动态曝气器的失效形式则有：由于疲劳或腐蚀等原因，曝气头各部件（如圆罩、旋混筒、旋混圈等）之间的连接件断裂或松脱，而造成曝气头解体或脱落；配气管断裂；配气管一般采用UPVC等非金属管材，管子与管子，管子与管件多用胶水粘连，一旦粘接不牢，容易从粘连处脱落和漏气。这3种失效形式一般可以通过合理选型，正确选材，严把质量关等方法来避免。因此，这种曝气器的使用寿命较长，可达8～10年。
实际应用
摇臂式微孔曝气器因为有氧利用率高、检修方便等优点，较多应用在生产负荷较重、污水水质较恶劣的一级生化系统；固定式动态曝气器则因为有氧利用率稍低但可以长期保持，检修困难但使用寿命长的特点，一般应用在生产负荷较低，污水水质较好的二级生化系统。
曝气器的种类非常多，经过不断的更新和发展，其结构和性能更是有着日新月异的变化。本文介绍的只是其中极少的几种，所作的论述也只是根据本地区的有限几家污水处理场的情况而作，一些看法带有很大的片面性和局限性。其实，曝气器的选用依据各有侧重，主要考虑下列因素：
①空气扩散装置应具有较高的氧利用率和动力效率，具有较好的节能效果；
②不易堵塞，出现故障易排除，便于维护管理；
③构造简单，便于安装，工程造价及装置本身成本都较低。
此外，还应考虑污水的水质，地区条件以及曝气池型、水深等。