氧化沟工艺中曝气设备的发展概况

范洁　 赵秉森
（国家城市给水排水工程技术研究中心）

　　摘　要：氧化沟处理工艺中的曝气设备是随着氧化沟处理技术的深入研究和广泛应用而逐渐发展起来的。近年来，在国内外氧化沟处理工艺中得到广泛应用的曝气设备种类很多，本文就其中的几种常用曝气设备（曝气转盘、曝气转刷、立式表面曝气机、抽吸式曝气机和微孔曝气板）的特性与发展进行简要的介绍。

　　近20~30年来，污水的除磷脱氮技术一直是污水处理领域研究开发和应用的热点，并已取得了长足进展。氧化沟处理工艺作为城市污水和工业废水处理中有较强竞争力的二级生物处理技术已被世界各国广泛采用。曝气设备作为氧化沟处理工艺中最主要的机械设备，是影响氧化沟处理效率、能耗及稳定性的关键之一，不仅兼有充氧、推动、混合等功能，还决定着氧化沟的占地面积和基建投资。随着氧化沟处理工艺对曝气设备的要求越来越高，以及能源的日趋紧张，新型高效低能曝气设备的研究已经成为推动氧化沟处理技术发展和节能降耗的重要因素。多年的研究结果使得曝气设备已经在技术上达到了一个很高的水平，完全可以满足污水生物处理工艺对曝气设备的要求，并且在提高能源利用效率方面也取得了较大进步。国内外的实践证明，新型曝气设备的开发应用，将意味着新一代氧化沟工艺的诞生。
　　下面简要介绍几种近些年在氧化沟处理工艺中采用的曝气设备及其进展。

1． 曝气转盘

　　Orbal氧化沟是氧化沟类型中的重要形式，在中高浓度的城市污水处理厂中具有相当明显的技术经济优势。曝气转盘是用于Orbal氧化沟的专用曝气装置，它起着充氧、混合、推动水流作循环流动和防止活性污泥沉淀等作用。在我国，曝气转盘主要是由聚乙烯或抗腐蚀性玻璃钢压铸成型，转盘表面设有规则排列的楔形凸出物，以增强推动混合和充氧效率，盘上开有许多不穿透小孔（称为曝气孔），使空气分散到液体中以达到充氧的目的。
　　曝气转盘的充氧能力可通过下面四种方式来调节：
　　（1）通过调节出水堰的高低来改变转盘的浸没深度；
　　（2）改变转盘电机的转速（通常采用两级变速）；
　　（3）增加或减少转盘的盘数；
　　（4）改变转盘的旋转方向。
　　近年我国天津国水设备工程公司与美国Envirex公司合作，引进美国先进的曝气转盘生产模具，在国内独家制造出材料为高强轻质塑料的新型曝气转盘，其主要技术参数为：
　　曝气转盘直径：1400mm；
　　适用转速：43~55r/min；
　　适用浸没水深：400~530mm；
　　单盘标准清水充氧能力及动力效率见表1~2所示：

表1　 浸没水深为530mm时的性能指标（P=101.325kPa,T=20°C）

　　　　　　　 项目

转速（r/min）

单盘充氧能力（kgO₂/h）

动力效率（kgO₂/kW×h）

43

0.75

2.13

46

0.85

2.04

49

0.94

1.97

52

1.04

1.91

55

1.13

1.86

表2　 浸没水深为480mm时的性能指标（P=101.325kPa,T=20°C）

　　项目

转速（r/min）

单盘充氧能力（kgO₂/h）

动力效率（kgO₂/kW×h）

43

0.68

1.94

46

0.77

1.86

49

0.86

1.79

52

0.95

1.74

55

1.03

1.69

　　实际污水处理工程中，曝气转盘性能的好坏和效率的高低，直接影响到Orbal氧化沟的处理效果、动力消耗、建设投资和运转费用。与同类曝气设备相比，曝气转盘具有工作水深大、充氧能力大、充氧效率高、混合能力强以及结构简单、组装灵活、使用寿命长、安装维修方便等特点。

2.曝气转刷

　　曝气转刷主要有Kessener转刷、笼型转刷和Mammoth转刷三种，其它产品均是这三种的派生型，一般用于Pasveer氧化沟中。　　　Kessener转刷和笼型转刷这两种曝气转刷，氧化沟设计有效水深一般在1.5m以下。Mammoth转刷是为增加单位长度的推动力和充氧能力而开发的，叶片通过彼此连接直接紧箍在水平轴上，沿圆周均布成一组，每组叶片之间有间隔，叶片沿轴长呈螺旋状分布，在旋转过程中叶片顺序进入水中，以保证运行的稳定性并可减少噪声。轴为中空钢管，转刷直径可达1.0m，转速为70~80r/min，浸没深度为0.3m，目前最大有效长度可达9.0m，充氧能力可达8.0kgO₂/(m×h)，动力效率一般在1.5~2.5kgO₂/kW×h之间，氧化沟设计有效水深为3.0~3.5m。常见的曝气转刷叶片由镀锌钢板、不锈钢板、玻璃钢等材料做成，形状也多种多样，有矩形、三角形、T型、W型、齿型、穿孔叶片等。主轴一般为热扎无缝钢管和不锈钢管。
　　我国近年来引进国外技术，具备了生产制造曝气转刷的能力，其转刷叶片主要由镀锌钢板做成，形状常采用矩形，各项性能指标基本达到了国际水平。
　　表3中是摘录文献的部分曝气转刷的特性。

表3　 曝气转刷的特性

国家

丹麦

德国

我国

直径（mm）

860

1000

1000

转速（r/min）

78

72

72

浸深（m）

0.12~0.28

0.30

0.30

充氧能力（kgO₂/m×h）

3.0~7.0

8.3

7.8~8.3

动力效率（kgO₂/kW×h）

1.6~1.9

1.98

—

转刷有效长度（m）

2.0，3.0，4.0

3.0，4.5，6.0，7.5，9.0

3.0，4.5，6.0，7.5，9.0

氧化沟设计水深（m）

1.0~3.5

2.0~4.0

3.0~3.5

　　为了取得更大的除磷脱氮效果，则需要一个较大的反应池，在其中完成硝化和反硝化过程。由于土地的限制，使得反应池的水深达到了8m，以往这个水深，常采用微孔曝气设备，但现在也可以使用曝气转刷。曝气转刷的循环性能可达到水深3.5m，可以满足不产生沉积的操作要求，在水深大于3.5m时可附加潜水搅拌器，则工作水深达到8m是没有任何问题的。当使用这种潜水搅拌器，除了供连续运转外，在长期或短期间高含氧量交替缺氧期间可作间歇性运转，使反应池中的污水保持一定的流速，避免沉积。

3. 立式表面曝气机

　　立式表面曝气机是专为Carrousel氧化沟设计的，一般每条沟安装一台，置于反应池的一端。它的提升能力强，允许有较大的沟深（4~5m），适用于大流量的污水处理厂，应用较为广泛。它的充氧能力随叶轮直径变化较大，动力效率一般为1.8~2.3kgO₂/kW×h。
　　立式表面曝气机有固定式和浮筒式两种，其中浮筒式整机安装在浮筒上，用钢绳固定于水中，用防水电缆与之连接，它可根据需要在一定范围内移动；而固定式立式曝气机的规格品种最多，目前在我国是以泵型（E型）及倒伞型叶轮为主。泵型叶轮曝气机是我国自行研制的高效表面曝气机，叶轮直径在0.4~2.0m之间，叶轮的充氧方式以水跃为主，液面更新为辅。倒伞型叶轮曝气机的叶轮直径一般在0.5~2.5m，国内最大的倒伞型叶轮直径为3m。由于其叶轮直径较泵型的大，故其转速较慢，约为30~60r/min，动力效率为2.13~2.44 kgO₂/kW×h，在最佳时可达2.51kgO₂/kW×h。倒伞型叶轮曝气机的充氧方式是以液面更新为主，水跃及负压吸氧为辅，目前广泛应用的Carrousel氧化沟就多是采用这种曝气机。

4. 抽吸式曝气机

　　抽吸式曝气机通常是倾斜安装在反应池中，是一种叶轮抽吸式曝气搅拌机。
　　抽吸式曝气机的工作原理是：空气被吸入水面以下并且被高速旋转的叶轮搅碎，中空的螺旋桨驱动轴顶端连接着电机轴，其底端与螺旋桨和扩散器连在一起。驱动轴上部有孔洞，空气通过它得以进入水下。螺旋桨在水下高速旋转形成负压并产生液体流，在压力差的作用下，空气通过空心驱动轴进入水中。螺旋桨形成的水平流将空气转化成细微、均匀的气泡，其平均直径2mm，达到美国环保组织为优秀的空气扩散器制定的2.2mm的标准。在与水的接触中，氧气被水和水生生物吸收。这些气泡扩散得较远，从而与水接触得时间很长，氧利用率非常高。曝气机的氧气扩散区和混合区的范围随机器型号而变化，将多台曝气组合安装在反应池中，可使氧气在整个反应池中混合并扩散。
　　工作时曝气机的入水角度可以在30°～90°之间调节，通常以45°放置，但有些时候为达至最好的效果，必须根据具体情况调节安装角度。曝气机可以提出水面直接维修。
　　将曝气机的影响区域互相连接，使水的混合效果与氧气传递速率达至最大，这是在反应池中形成水流联动的基础。水流联动是若干台曝气机经过合理的布置形成循环流，使池中的平均流速与总功率的比值达到最大值。极大的流速使氧气得到迅速扩散，并产生充分的混合效果，加快生物反应。
　　由于曝气机安装上的灵活性，它在任何形状的反应池中几乎都能良好地工作。在环行池、氧化沟、调节池、有水位波动的池子、浅池、矩形池或方形池中，都可以因地制宜，找到合适的安装和布置形式。

5. 微孔曝气板

　　由日本研制开发的微孔曝气板是采用聚氨酯薄膜，并能发生出目前认为很难实现的直径1mm超微泡的高效率曝气设备。该微孔曝气板是在PVC制基板上，紧绷开有微孔的特殊聚氨酯薄膜以保持气密，并用不锈钢制槽钢及框架来加固。标准件的尺寸为1.2m´3.6m、重量105kg，3~4人即可搬运及安装一张曝气板。该特殊聚氨酯薄膜厚约1mm，弹性极大且耐久性卓越。同时，该特殊聚氨酯薄膜的表面光滑，具有很难附着生物膜，即使万一附着上生物膜时，也极易剥离的特征。因此，它是适用于曝气的优秀材料。
　　表4　中列出了微孔曝气板的主要规格和性能参数。

表4　 微孔曝气板的主要规格和性能参数

外观尺寸

1.2m´3.6m

标准通气量

35~33m³/h

有效发泡面积

4.3m²

主材质

基板

PVC

重量

105kg

薄膜

特殊聚氨酯

通气量范围

0~80m³/h

框架

SUS304

　　以下介绍微孔曝气板的主要性能。
　　（1）氧气转移效率
　　氧气向水中的转移（溶解）是气层与液层之间的物质转移现象，气液的接触面积越大，即气泡的表面积越大，则会提高氧气的转移效率。以同样的空气量进行曝气，气泡直径越小则其整体的表面积越大，效果也越好。同时，气泡直径越小其上升速度越慢，气液的接触时间越长，据此也可得到极高的氧气转移效率。
　　为了产出微泡而缩小曝气孔径，各曝气设备厂家之间展开了激烈的开发竞争，但气管细小而复杂以及空气中的粉尘等往往是很易堵塞曝气孔眼。而采用聚氨酯薄膜的微孔曝气板，很好地解决了曝气孔眼的堵塞问题，在不使用高档除尘装置的情况下也可以产出微小气泡，得到极高的氧气转移效率。
　　（2）所需动力及电费
　　微孔曝气板的氧气转移效率极高，故可减少送气量。但因其气泡直径约为1mm，虽然压损将比以往的曝气头有所增加，但是，从整体的所需动力来看，还是比以往的曝气头少，可以降低电费。
　　另外，若将现有的反应池的曝气装置改变成微孔曝气板时，根据风量削减效果试验得出，继续使用现有得鼓风系统是能够获得同等电力削减效果的。
　　表5中列出了微孔曝气板与以往曝气头和陶瓷制曝气板动力及电费消耗的对比情况。

表5　 所需动力、电费的对比（污水处理量25万m³/d）

　 　 　

以往曝气头

陶瓷制曝气板

微孔曝气板

氧气转移效率（污水）（%）

6

15

24

所需空气量（m³/min）

1,018

407

254

每张曝气板通气量（L/min）

70

35

1,000

压损（mmAq）

150

300

800

所需动力（kWh）

1,016

420

289

年耗电量（kWh/a）

8,900,000

3,680,000

2,530,000

差距（kWh/a）

6,370,000

1,150,000

0

　　（3）曝气方法
　　微孔曝气板曝气时薄膜会鼓起并扩张薄膜的微孔，据此通气来开始曝气。曝气停止时，微孔闭缩且薄膜呈紧绷在基板状态以阻止污水浸入内部，造成孔眼的堵塞问题。因此，也不需要以往微孔曝气头所需的1m高性能空气滤清器。
　　（4）维修保养
　　微孔曝气板很难从内部发生堵塞孔眼问题或在薄膜表面附着生物膜，即使附着后也极容易剥离，故不需要特殊的维修保养。万一附着粘泥或因尘土等放生堵塞孔眼而导致压损上升时，可利用薄膜的高弹性通过停止曝气后再开始曝气的简单操作就可以使孔眼恢复原状并开始正常运转。
　　（5）耐久性
　　用于微孔曝气板的薄膜与以往的橡胶不同，是不添加增塑剂的特殊聚氨酯薄膜，不仅柔软且极有弹性。因不含增塑剂，故长期使用也不会发生因增塑剂脱离而引起的薄膜老化现象。这种卓越的耐久性，已有10年以上的使用业绩得以证实。
　　综合归纳，微孔曝气板的主要特征是：
　　① 曝气效率高，可以大幅度地减少耗电量（电费降至一半以下），并在转为除磷脱氮工艺时，可以利用现有的鼓风系统提供所需的氧气量；
　　② 不会发生堵塞现象，随时可以停止曝气作业，容易进行维护和管理；
　　③ 使用寿命长，目前已有10年以上的运转业绩；
　　④ 安装工作简单。
　　作为氧化沟工艺的曝气设备，常采用机械曝气设备，此时机械曝气设备是起充氧和推流的作用，在实际运转操作中很难分别独立控制充氧量和流速。尤其是对除磷脱氮要求高时，需要反应池中保持一定容积的厌氧段，但机械曝气设备为防止活性污泥的沉淀而需要一定的流速，这样往往容易引起充氧过量，特别是在降雨天等进水溶解氧较高时，该状态更加显著，从而不能得到理想的除磷脱氮效果。与此相比，微孔曝气板和螺旋桨式搅拌机组合方式是两个完全独立的设备进行充氧及搅拌，因此可分别控制流速及溶解氧，并能够高效简单地运行操作。另外，位于寒冷地区的处理厂若采用机械曝气设备，则直接将低温空气作为充氧气体使用，会导致水温降低。而微孔曝气板和螺旋桨式搅拌机组合方式是利用空压机排出的压缩空气进行充氧，它具有隔热压缩的加热效果，可防止水温降低，保证处理工艺在冬季也能够稳定进行运转。
　　总之，微孔曝气板目前已在欧美50多项工程中得到应用，其性能博得到高度的评价。
　　随着我国经济的发展和即将加入WTO，我国的环保工业与国外竞争的时代已经到来，而与国外相比我们还有很大的差距。就氧化沟处理工艺中的曝气设备而言，近几年，在国内建设的污水处理工程中，花费了大量外汇用来进口国外曝气设备，这不仅增加了工程投资，还由于维护管理等问题，给污水处理厂的正常运行带来许多问题。因此，发挥国内企业在环保领域的作用，促进民族工业的发展，加速国外先进曝气设备的消化吸收，提高我国曝气设备的科技含量和国产化率，增强在市场中的竞争能力，是促进该领域发展的根本途径。

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范洁简历
　　范洁，男，1967年11月出生于黑龙江省木兰县。1984年在哈尔滨船舶工程学院电子工程系电子技术专业学习；1988年进入哈尔滨市自来水公司科研所从事水质分析工作；1992年9月至1999年3月在哈尔滨建筑大学市政环境工程学院攻读给水排水专业硕士和博士学位，从师于李圭白院士，研究方向为高锰酸钾复合药剂与活性炭联用去除水中有机污染物，期间曾参加国家“八五”课题研究，研究成果1997年获建设部科技进步一等奖；1999年进入中国市政工程华北设计研究院，在国家城市给水排水工程技术研究中心从事工程技术咨询和科研工作，如国家课题研究、大型工程项目的投标和可行性研究、世界银行环境评价等。2000年由日本国际协力基金资助，我国科技部派遣，在日本东京国际研修中心学习。在国内专业核心刊物和技术研讨会上共发表学术论文11篇。