纯氧曝气在污水处理和河道复氧中的应用

凌晖 王诚信 史可红
(赫司特中国投资公司梅塞尔代表办公室)

　　由于纯氧的压力高于空气中氧的分压，纯氧曝气可显著提高氧的转移速率。德国梅塞尔（MESSER）集团开发的微气泡纯氧曝气技术(BIOX工艺)，将微孔曝气和纯氧曝气的优点结合起来,采用微孔软管曝气垫，在水深5 m处的氧利用率高达80％。该工艺应用于敞开曝气池，可显著提高污泥浓度和改善污泥沉降性能，故特别适用于现有活性污泥处理厂的脱氮升级改造。此外，该工艺还广泛应用于污染河流的曝气复氧，由于设备简单可靠、不产生噪声和对流态不形成扰动等优点，尤其适合于具有旅游景观功能的市区河道的治理。

1 纯氧曝气和空气曝气的比较?

　　曝气过程中氧的传输速率(即溶解氧浓度的变化率)和氧亏值成正比，如式(1)所示。所谓氧亏值是氧饱和浓度和实际达到的溶解氧浓度之差。

　　dc／dt=K_LA/V（Cs-C_T) (1)
　　式中　KL——氧传递系数，h-1
　　　　　Cs——饱和溶解氧浓度，mg/L
　　　　　CT——实际溶解氧浓度，mg/L，氧亏值为（Cs-C_T)

　　在空气曝气时氧的分压为21 kPa，而纯氧曝气时氧压力可达101 kPa。于是，纯氧曝气时氧饱和浓度是43.74 mg/L(20 ℃),这是空气曝气时9.17 mg/L的4.8倍。如果实际要求达到溶解氧浓度5 mg/L,则空气曝气时氧亏值是4.17 mg/L,而纯氧曝气时氧亏值高达38.74 mg/L。显然，纯氧曝气时溶解氧的增长速率是空气曝气时的38.74/4.17=9.3倍。

2 微气泡纯氧曝气活性污泥工艺

　　在活性污泥工艺中应用纯氧曝气，不应简单地被看作只是替代常规的空气曝气装置，更重要的是由于纯氧的应用可导致活性污泥工艺中许多重要技术参数发生显著的改变，从而形成一种活性污泥工艺的变型，即纯氧活性污泥工艺。表1中列示了同一污水的常规活性污泥工艺和纯氧活性污泥工艺的相关技术参数比较。

　　相比之下，纯氧活性污泥工艺的性能改善具体表现在以下各方面：可以在很高的曝气池污泥浓度下保持高的溶解氧浓度；可以在很高的有机负荷下运行并具有很高的基质去除率；显著提高污泥的沉降速率和改善污泥的脱水性能；在相同的负荷下产生较少的剩余污泥；整个处理系统的运行稳定性、抗冲击能力均有改善。
　　BIOX工艺的核心是一种应用纯氧的微气泡软管曝气垫，这种曝气垫由多根微气泡曝气软管平行铺设于长方形钢质框架中所构成。软管的材料是一种具有优良弹性和耐久性的特种橡胶，软管外径26 mm、内径16 mm、壁厚5 mm，软管壁上均匀分布微细的小孔。当进气压力大于要求的开启压力0.05 MPa时，小孔开启而产生微气泡；当进气压力低于0.05 Mpa或停止供气时，小孔自动关闭，从而有效地防止污水进入管内，起到类似“单向阀“的功能。软管中氧气的供气压力通常为0.2～0.4 MPa。采用较高供气压力的优点：保证软管内沿整个长度存在稳定均匀的气流；在池底铺设软管时对水平度不存在苛刻的要求，使施工安装大为简便；可在一定范围内调节氧气流量，从而获得不同的曝气强度。
　　由式(1)可知，曝气过程中溶解氧浓度的变化率不仅和氧亏值成正比，而且和气液相界面面积A成正比。显然，微气泡可增大气液相界面面积，是提高氧传递速率的重要条件之一。BIOX工艺中软管小孔开启时生成的微气泡直径小于2 mm，在水深5 m处氧的利用率可高达80%，而通常应用穿孔管或微孔扩散器进行空气曝气时，氧的利用率分别只有6%～8%和10%～12%。很高的氧传递速率特性对于提高曝气池内污泥浓度和改善处理系统对冲击负荷的适应性都是十分必要的。
　　BIOX工艺的氧气来源可以用变压吸附（PSA）现场制氧设备，也可由安装在现场的液氧贮罐供给，后者应用更为普遍。液氧经蒸发器气化后通过稳压和计量装置调节至要求的压力和流量，然后经分配装置进入曝气软管，BIOX纯氧曝气系统见图1。?

　　液氧贮罐定期由液氧槽车灌注，操作十分简便安全。由于液氧有很高的纯度，故尽管采用了微孔曝气软管，系统中不需要任何气体净化预处理，这也是和空气曝气的不同之处。
　　BIOX工艺已广泛应用于各种污水处理工程中，其中主要有以下三个方面:?
　　①超负荷污水处理厂的“部分氧化工艺”,即在超负荷的曝气池中应用BIOX工艺。为了消除超负荷引起的溶解氧浓度过低等问题，可在曝气池的局部（如推流曝气池的开始段）或可在整个曝气池中增设BIOX纯氧曝气，并保留原有的空气曝气，这样可灵活经济地维持必要的溶解氧浓度。?
　　②应用于序批式反应器（SBR），可充分利用SBR中较高污泥浓度和水深的优点。
　　③应用于污水生物脱氮的三级处理厂，即采用BIOX—N工艺。由于纯氧曝气可显著提高污泥浓度和曝气池容积负荷，不仅可缩小曝气池容积，而且由于污泥负荷的降低，有利于硝化反应的发生。所以在污水处理厂的脱氮改造时，可将原有曝气池的一部分隔开，用作反硝化的缺氧池，剩余部分则为纯氧曝气的硝化池(见图2)。这样，无需新建任何构筑物就可以实现污水处理的脱氮升级。

?

　　以下是BIOX—N的一个工程改造实例：
　?德国一座80000人口当量污水处理厂，基本处理设施由初沉池、四个曝气池、两个二沉池和一个污泥池组成。存在的问题主要是氨氮处理不能达到新标准5 mg/L的要求。采用BIOX—N工艺进行的改造步骤如下：曝气池1改为脱氮池，采用两台液下搅拌器推进水流；曝气池2和曝气池3采用梅塞尔BIOX纯氧曝气工艺；曝气池4保留原有的表曝系统；其余设施不动。重新运行后，在曝气池有效水深4.70 m的条件下，氧气的利用率达80%以上，曝气池的污泥浓度由原来的2～3 g/L提高至5～6 g/L。
　?上例中纯氧曝气系统的硬件投资费用约为3万马克，而采用供氧能力相当的表曝设备，则投资高达20万马克；应用BIOX工艺仅改造投资就比传统工艺(包括扩大曝气池容积所需的土建费用)节约800万马克，改造后污水处理厂的年运行费用约为12万马克，改造前、后运行结果的比较见表2。

　　经过长期应用，BIOX工艺具有下列优点：
　　①纯氧曝气装置长期运行后或停顿后再次启用时软管不会堵塞。
　　②尤其适合于现有污水处理装置的扩容改造，可无需增建曝气池而实现生物脱氮的升级，这一特点在土地紧缺的地区是十分可贵的。?
　　③纯氧曝气设备相当简单，操作安全可靠，易于掌握。由于不需采用任何泵、鼓风机等转动设备，整个系统的设备维护费用极低。尽管纯氧的耗用使运行费用较高，但如考虑土地购置费用、曝气设备投资折旧率和日常维修费用以及电费的节省，并对纯氧曝气设备采用国际通用的租赁方式，则本工艺的综合经济性有相当好的竞争力。?
　　④本系统没有任何噪声，也基本上不存在挥发性有机化合物(VOC)的气体逸散，故对污水处理厂周围不会产生不利的环境影响。

3 微气泡纯氧曝气的河流复氧?

　　河道水体人工曝气复氧是治理污染河流的一种有效的工程措施，可在短时间内取得降低水体污染程度和提高溶解氧浓度的效果。国内近年来在北京、上海等城市进行了一定规模的河道人工曝气复氧试验，上海环境科学研究院张明旭等对上海苏州河水体的人工曝气复氧效果进行了实验室研究和动力学分析，结果表明，即使是黑臭程度高的河水在有氧的条件下20 h后臭味基本消除，水体颜色明显改观，COD和BOD大幅度下降（30％～55％）。早在80年代BIOX工艺已成功应用于德国Enscher河进行纯氧曝气复氧。在曝气位置处水体的溶解氧浓度可升高至15 mg/L,然后溶解氧浓度沿着水流方向逐渐下降，直到下游7 km处才重新降低至零，在这段距离内河水的臭味被有效地消除了。德国柏林Teltow运河为了改善水质和提高溶解氧浓度，要求安装最大供氧量为70 kgO₂/h的曝气装置,以使平均流量达13 m³/s的河水中溶解氧浓度升高1.5 mg/L。在比较了多种可能的曝气复氧方案后，最终采用了BIOX工艺。曝气软管的总长为700 m，曝气垫覆盖面积200 m²。25 ℃时起始溶解氧浓度为6.3 mg/L(提高了1.5 mg/L),此时氧的利用率为38%～44%。该系统除了监控曝气装置的运行状态外，还装备有溶解氧浓度测量控制仪表，可根据实际测量的结果随时对供氧量进行调节。例如，在炎热的夏季，特别是在夜间无藻类光合作用供氧时，就可以增大供氧量。
　　德国MESSER集团协助上海环境科学院在上海苏州河支流新泾港下游进行了BIOX工艺的现场中试。这是一条严重污染的河道，河水黑臭，COD高达100～200 mg/L。由于受潮汐和闸门开闭的影响，河道流态变化复杂。试验装置由一个5 m³液氧贮罐、一个100 m³/h蒸发器、稳压计量仪表和软管曝气垫组成。共设两块曝气垫，分别由长度4×40 m的软管组成，曝气区的总长度约为100 m。软管的供气压力为0.32 MPa，氧气流量在0～106 kg/h范围内可调。液氧槽车定期灌注贮罐，保证了氧源的正常供给。试验结果表明，纯氧曝气可有效降低黑臭水体中的COD浓度。当河水流速较平缓时，COD浓度降低19.5%～55.6%；经过曝气区的BOD/COD值从0.46降至0.40，这表明在纯氧曝气过程中不仅发生了硫化物、亚铁等还原物质的化学氧化（表现为水体黑色变浅，臭味减弱），而且发生了一定程度的生物降解作用。在河水污染程度不太严重且流速较慢、水位较深时，溶解氧浓度可升至9.46 mg/L(10 ℃)，在三个月的连续运行中整个曝气系统的设备运行正常，无需任何维修。?由于不产生任何噪声和对河道水体的流态不会形成任何明显的扰动和障碍，故BIOX工艺尤其适用于在市中心水上航运繁忙、具有旅游景观功能的河道上进行人工曝气复氧。

参考文献?

　　1 张明旭，马治亮，陆鲁.苏州河水体耗氧特性研究与人工曝气复氧效果估计.见:上海环境学会.面向新世纪的环境科学与技术探讨会论文集.上海：1998.59～74?
　　2 Schwentner G.Aktuelle messungen zur nitrifikation NH₃-N-Ablaufspitzenwerte in der stichprobe . Korrespondenz Abwasser,1991;(5)?