曝氣機(jī)的應(yīng)用研究進(jìn)展

王爽 郭亞兵 馮國(guó)紅

摘?要：曝氣機(jī)是污水處理廠常用的機(jī)械設(shè)備。本文主要介紹了不同類型曝氣機(jī)的特點(diǎn)及其主要結(jié)構(gòu)和工作原理;闡明了曝氣機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。指出應(yīng)該根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需要和承擔(dān)成本來(lái)選擇合適的曝氣機(jī)。

關(guān)鍵詞：曝氣機(jī);污水處理;氧氣曝氣

Research and development of aerator application

Wang Shuang*Guo YabingFeng Guohong

School of Environment & Safety，Taiyuan University of Science and Technology?ShanxiTaiyuan?030000

Abstract：Aerator is a common mechanical equipment in sewage treatment plant.Characteristics，main structure and working principle of different types of aerators were analyzed.The research status of aerator at home and abroad was expounded，and it is pointed out that the suitable aerator should be selected according to actual demand and costs of the enterprise.

Key words：aerator;sewage treatment;oxygen aeration

在污水處理過(guò)程中，污水的成分較為復(fù)雜，污水中存在許多難溶于水的和顆粒狀的物質(zhì)，由于它們的密度與水接近，導(dǎo)致很難從水體中分離，而是懸浮在水中。曝氣機(jī)屬于機(jī)械曝氣設(shè)備，通過(guò)鼓風(fēng)曝氣或表面曝氣使空氣形成“微氣泡”，然后通入到待處理的污水中，將空氣與水進(jìn)行強(qiáng)烈接觸，同時(shí)與懸浮物絮團(tuán)相結(jié)合，從而使其密度減小。由于“微氣泡”對(duì)絮團(tuán)能起到一定的托起作用，進(jìn)而使絮團(tuán)漂浮于水面，形成浮渣，通過(guò)刮渣機(jī)對(duì)其清理，最終實(shí)現(xiàn)懸浮物與水體分離、凈化污水的目的。

1 曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)

曝氣機(jī)分為鼓風(fēng)曝氣機(jī)、表面曝氣機(jī)、潛水射流曝氣機(jī)[1]。

鼓風(fēng)曝氣機(jī)主要由進(jìn)風(fēng)空氣過(guò)濾器、鼓風(fēng)機(jī)、空氣輸配管系統(tǒng)和浸沒在混合液下的擴(kuò)散器構(gòu)成。擴(kuò)散器分為四種：微氣泡擴(kuò)散器、小氣泡擴(kuò)散器、中氣泡擴(kuò)散器和大氣泡擴(kuò)散器。

表面曝氣機(jī)又稱為機(jī)械攪拌曝氣，根據(jù)攪拌機(jī)械的不同，可以將其分為豎軸式、臥軸式。

豎軸式曝氣機(jī)：主要由葉輪、葉輪軸、葉輪罩殼、電機(jī)、浮塊、導(dǎo)流管、平衡板、上下連接盤以及聯(lián)接長(zhǎng)螺栓等組成，其傳動(dòng)軸與液面垂直。這類曝氣機(jī)的葉輪主要有泵型、倒傘型、平板型三種。臥軸式曝氣機(jī)：主要結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸、減速器、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、軸承座、轉(zhuǎn)刷或轉(zhuǎn)碟等。

潛水射流曝氣機(jī)主要由潛水泵、噴嘴、擴(kuò)散管、混合室等組成。

1.2 曝氣機(jī)工作原理

1.2.1 鼓風(fēng)曝氣機(jī)

鼓風(fēng)曝氣機(jī)主要工作過(guò)程是鼓風(fēng)機(jī)將空氣通過(guò)一系列的管道輸送到安裝在曝氣池底部的擴(kuò)散器，空氣經(jīng)過(guò)擴(kuò)散器分散成尺寸大小不同的氣泡，氣泡在上升和隨水流流動(dòng)過(guò)程中，空氣中的氧不斷轉(zhuǎn)移溶解到混合液中，最后在液面處破裂，從而達(dá)到了曝氣效果。鼓風(fēng)曝氣能夠大大增加水體的溶解氧含量，且操作簡(jiǎn)單，機(jī)械消化低;缺點(diǎn)是微氣泡擴(kuò)散器容易發(fā)生堵塞，大氣泡擴(kuò)散器氣體利用率較低[1]。

1.2.2 表面曝氣機(jī)

豎軸式曝氣機(jī)：基本工作過(guò)程是電機(jī)帶動(dòng)葉輪作快速旋轉(zhuǎn)，將大量的混合液以液幕、液滴的形式拋向空中，在空中，這些混合液與大氣強(qiáng)烈接觸，實(shí)現(xiàn)了氧的轉(zhuǎn)移[2]，然后形成的氣水混合物再重新回到曝氣池內(nèi)，由于氣液接觸面積大，空氣中的氧很快溶于水中;由于葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，在曝氣葉輪的后側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，部分空氣被卷吸，即污水中含有活性物質(zhì)的污水不斷地由導(dǎo)流管的下部吸入，被轉(zhuǎn)動(dòng)的曝氣葉輪向上提升，使混合液連續(xù)上下循環(huán)流動(dòng)，氣液接觸界面也不斷更新，達(dá)到高效增氧的目的。該曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便;缺點(diǎn)是曝氣效率不高，曝氣效果局限于水面的上層，無(wú)法進(jìn)行深層曝氣[3]。

臥軸式曝氣機(jī)：轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)是通過(guò)刷片主體的轉(zhuǎn)動(dòng)，將大量液滴拋向空中，并使液面強(qiáng)烈波動(dòng)，沖擊水體并且推動(dòng)水體作水平層流進(jìn)行充氧，當(dāng)水流速度達(dá)到一定要求時(shí)，可以防止污泥沉淀，實(shí)現(xiàn)污水和污泥完全混合，有利于微生物的生長(zhǎng)。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度好、運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)、充氧效率高。轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)位于軸承座上面的空心轉(zhuǎn)軸和曝氣盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，曝氣盤有一部分浸于水中，通過(guò)其轉(zhuǎn)動(dòng)可以使水體甩向空中，然后水與空氣進(jìn)行接觸混合，曝氣盤的轉(zhuǎn)動(dòng)也可以推動(dòng)附近水體流動(dòng)。該曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣泡破碎效果較好、服務(wù)面積較大;缺點(diǎn)是安裝困難;只適用于專門的污水池，無(wú)法在池塘、河流和湖泊中應(yīng)用。

1.2.3 潛水射流曝氣機(jī)

潛水射流曝氣機(jī)通過(guò)潛水泵產(chǎn)生的液體經(jīng)過(guò)噴嘴之后形成高速水流，在噴嘴附近會(huì)形成負(fù)壓，然后吸入空氣，經(jīng)混合室水流與空氣混合后，在呈喇叭形狀的擴(kuò)散管內(nèi)形成水氣混合流，高速噴射而出，含有許多氣泡的水流在較大面積和深度的水體內(nèi)渦旋攪拌，完成曝氣。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，曝氣效能好，投資和運(yùn)行費(fèi)用低;缺點(diǎn)是噴嘴容易發(fā)生堵塞，系統(tǒng)的設(shè)備機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，維修不方便[1]。

1.3 曝氣機(jī)特點(diǎn)

（1）設(shè)備安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低[4]。曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由射流器、散流器、潛水泵等構(gòu)成，其內(nèi)外部結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，拆裝過(guò)程簡(jiǎn)單。射流器和散流器無(wú)需進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)，由于潛水泵單獨(dú)布置，維護(hù)時(shí)只需將水泵吊出，避免了將池水放空的麻煩和一般機(jī)械設(shè)備維修時(shí)較復(fù)雜的搬運(yùn)、吊裝、拆卸和安裝過(guò)程。因此，一般的維修人員即可對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行安裝和維修。

（2）溶氧效率高。曝氣機(jī)中特殊的散流器設(shè)計(jì)，使空氣和待處理的污水得到了完全均勻的、充分的強(qiáng)烈混合，該過(guò)程中所產(chǎn)生的氣泡形狀細(xì)小且數(shù)量繁多、分布均勻，有利于水體中懸浮物絮團(tuán)的快速浮升;這也促進(jìn)了空氣和液體之間的物質(zhì)交換，提高了處理污水的溶氧率，比傳統(tǒng)的鼓風(fēng)曝氣提高了35%左右，氧在水中的充分溶解提高了水體中的氧含量，有助于污水中有機(jī)物的降解，很好地改善了水體質(zhì)量。

（3）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小。隨著現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，我國(guó)開始注重機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中噪音的影響。因?yàn)槠貧鈾C(jī)主要在水下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此該過(guò)程中噪音是很小的，可以考慮將其布置在對(duì)噪音要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)所周邊的污水處理設(shè)施中，比如生活小區(qū)或者辦公環(huán)境周邊，這樣可以使很多生活污水就近得到處理。

（4）工作效率高、性能可靠。曝氣機(jī)可以靈活選擇安裝的位置、潛水深度，可以隨意調(diào)節(jié)空氣流量、葉輪轉(zhuǎn)速和噴射角度并且能夠完全適應(yīng)曝氣池的結(jié)構(gòu)、待處理水量和水質(zhì)指標(biāo)變化等多方面的要求，在不同的工作環(huán)境和處理要求下，使污水得到較好的處理。射流器和散流器等這些關(guān)鍵部件均采用抗腐蝕能力強(qiáng)、不易磨損的材料，比如高密度聚乙烯工程塑料，再加上其簡(jiǎn)單的設(shè)備構(gòu)造和技術(shù)設(shè)計(jì)，可以使曝氣機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作[5]。

（5）適用范圍廣泛。曝氣機(jī)有著較高的工作效率和較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此其在污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都得到廣泛應(yīng)用。例如，處理湖泊、河口等地表水;活性污泥法中調(diào)節(jié)池均質(zhì)攪拌、曝氣池曝氣攪拌、污水處理廠的好氧池曝氣、曝氣沉砂等[6]。

2 曝氣機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展特點(diǎn)及其現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外曝氣機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)及其現(xiàn)狀

2.1.1 國(guó)外曝氣機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)

氧氣曝氣在污水處理中屬于一種較新的高技術(shù)。從美國(guó)研究氧氣曝氣技術(shù)開始，逐漸發(fā)展到了其他發(fā)達(dá)國(guó)家。目前一些發(fā)展中國(guó)家也開始致力于該技術(shù)的研究。該技術(shù)發(fā)展速度很快，尤其是在美國(guó)，其氧氣曝氣污水廠的大發(fā)展是在20世紀(jì)70年代初到80年代初，直到2016年，美國(guó)政府擁有的公共污水處理廠達(dá)16000余座，這些處理廠屬于公有公營(yíng)模式，比例占到美國(guó)污水項(xiàng)目的90%以上。

氧氣曝氣的主要供氧方式是深冷分離法就地制氧，特別是用在大型污水廠，該方法一般是事先分離出氧氣，然后用于曝氣，這種方法需要在制氧設(shè)備方面進(jìn)行額外的投入;而中小型污水廠一般使用分子篩就地制氧。

氧曝處理工藝的發(fā)展按照出現(xiàn)先后分為：加蓋多段式反應(yīng)池最早出現(xiàn)，按池中的曝氧機(jī)械又分為水下葉輪式和表曝機(jī)式;其后出現(xiàn)的有不加蓋的反應(yīng)池，池中設(shè)有微氣泡曝氧裝置[7]，分為固定式（FAD）和旋轉(zhuǎn)式（RAD），廣泛用于專門的污水處理廠;在此之后還有所謂的預(yù)制的成套曝氣裝置，該裝置可以放置在已有的空氣法曝氣池內(nèi)，使其改為氧曝池;現(xiàn)在專門的小型曝氧機(jī)械也得到了廣泛應(yīng)用，按其曝氧方式又可分為水下葉輪式和表面曝氣式。

2.1.2 國(guó)外曝氣機(jī)的研究現(xiàn)狀

目前為止，氧氣曝氣在國(guó)外應(yīng)用廣泛。其主要應(yīng)用于工業(yè)廢水處理和城市污水處理。實(shí)踐表明氧曝更適用于較高濃度的難降解工業(yè)廢水。但是在美國(guó)，氧曝用于城市污水處理要比工業(yè)廢水處理多，而且這個(gè)趨勢(shì)越來(lái)越明顯，分析結(jié)果顯示，可能是由于美國(guó)城市對(duì)飲用水衛(wèi)生的要求日益提高。現(xiàn)在氧氣曝氣的主要供氧方式已經(jīng)發(fā)展到直接充入空氣，讓污水在氣泡上升的過(guò)程中盡可能多地吸收其中的氧氣成分。

氧曝處理工藝最普遍的是表曝式，其次是水下葉輪式。微氣泡法在1976年以前使用較少，近年來(lái)由于在空氣法中使用微氣泡，該法又有所進(jìn)展。目前常用的小孔微氣泡曝氣器有鐘罩式微孔曝氣器、橡皮板式微孔曝氣器[1]。

2.2 國(guó)內(nèi)曝氣機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)及其現(xiàn)狀

2.2.1 國(guó)內(nèi)曝氣機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)

我國(guó)關(guān)于氧曝的研究是從1975年開始的，氧曝法用于大型污水處理廠，更為經(jīng)濟(jì)。但是由于市政管理部門更傾向于成熟的、可靠的工藝，因此并沒有采用;隨后，北京市政院對(duì)氧曝進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)工作，直到1986年，我國(guó)第一座氧曝法污水處理廠在天津石化公司投產(chǎn)，取得了不小的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，到80年代末我國(guó)已經(jīng)建設(shè)了5處曝氧設(shè)備，總水量達(dá)16萬(wàn)m3/d，除了美國(guó)和日本兩個(gè)國(guó)家外，這一發(fā)展速度相對(duì)來(lái)說(shuō)還是很快的。這5處設(shè)施所用氧曝均采用表曝機(jī)，供氧方式均采用深冷制氧;上世紀(jì)90年代開始，一些大公司開始在設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等方面做工作，如中國(guó)石油化工總公司擬定點(diǎn)在航空部門所屬的保定螺旋槳廠試制氧曝專用表曝機(jī)[8]。

2.2.2 國(guó)內(nèi)曝氣機(jī)的研究現(xiàn)狀

到目前為止，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)方面的重視，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及研究工作的大量投入，生產(chǎn)曝氣設(shè)備的企業(yè)越來(lái)越多，曝氣機(jī)的類型也越來(lái)越多，目前專利性產(chǎn)品已經(jīng)有40多個(gè)了，例如泵型葉輪表面曝氣機(jī)、螺旋槳式曝氣機(jī)、轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)、增壓式曝氣機(jī)、大功率倒傘曝氣機(jī)等。目前我國(guó)氧氣曝氣的方法存在成本高、效果低的問題，通過(guò)減小氣泡的大小、增大氣液兩相的接觸面積可以有效提高氧氣在水里的傳質(zhì)速率，例如自吸式自激振蕩脈沖射流曝氣器的發(fā)明等。氧曝在中國(guó)的應(yīng)用，是以石油化工業(yè)為突破點(diǎn)的，但是其應(yīng)用范圍并不局限于石化工業(yè)。目前它在國(guó)內(nèi)，工業(yè)廢水治理方面，化工、輕工、冶金、醫(yī)藥、印染行業(yè)，特別是對(duì)造紙、印染行業(yè)所排放出來(lái)的難降解的廢水的處理有著很廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)通過(guò)大力研究，發(fā)現(xiàn)了一些低成本并且更適合我國(guó)國(guó)情的污水處理技術(shù)，如穩(wěn)定塘、土地處理以及排海、排江等人控自然處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)論

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，氧曝技術(shù)的應(yīng)用尚存在不斷深入和發(fā)展的空間，在我國(guó)當(dāng)前的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，氧曝技術(shù)對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)起了很大的作用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理和城鎮(zhèn)污水處理等各個(gè)方面。曝氣機(jī)在應(yīng)用時(shí)，要求具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，而且噪音小，效率高的特點(diǎn)，所以在實(shí)際的應(yīng)用中要考慮企業(yè)的實(shí)際需要和承擔(dān)成本來(lái)選擇合適的曝氣機(jī)。

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國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（2019346）：新型倒傘型曝氣裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

*通訊作者：王爽，太原科技大學(xué)。