曝气扩散机理

邢旭明
(珠海南岛实业发展公司)

　　摘要　 曝气器就是一种气流扩散器，本文就扩散的流体运动、氧利用率、微孔曝气孔隙问题、气流扩散的技术合理性、曝气技术发展方向、动力扩散与孔隙扩散等论述了一些初步的看法。
　　关键词　 污水处理 曝气器 扩散机理 旋混曝气器

　　曝气扩散是污水处理工艺中的核心技术，本文就曝气扩散机理在应用中出现的新问题提出一些初步的看法。

1 按照流体运动性质分析曝气扩散的区别

　　曝气扩散的实质就是使气相中的氧向液相中转移。气相中的氧转移为液相中的溶解氧，是通过流体运动形成气液接触界面而完成的。因此，按照流体运动性质来分析则可以看出曝气扩散技术的区别。如果采用流体运动的性质来区分，曝气扩散技术则有下列两种基本形式。
1.1 液相流体主动运动型
　　叶轮与转刷（盘）表面曝气是采用制造液相流体的水跃而形成气液接触界面； 射流曝气是依靠射流液相流体吸入气相流体而形成气液接触界面，这些均是属于液相流体主动运动型，其技术特征是：动能作用于重质液相流体运动；轻质气相流体是被动接触；在叶轮或转刷（盘）搅动处、射流口附近产生局部连续的气液接触界面。
1.2 气相流体主动运动型
　　鼓风曝气是由风机输送气相流体，经曝气器的扩散作用以升泡运动的方式形成气液接触界面，这就是属于气相流体主动运动型，其技术特征是：动能作用于轻质气相流体运动；重质液相流体是被动接触；由升泡的上升运动，可产生立体连续的气液接触界面。

鼓风曝气与机械曝气流体运动特点的比较 项　 目 鼓风曝气 机械曝气 动能作用 气相（轻质）流体运动 液相（重质）流体运动 流体运动 气相（轻质）流体主动运动 液相（重质）流体主动运动 接触界面 气液接触界面立体连续 气液接触界面局部连续 充氧形式 立体升泡 局部水跃

2 “氧利用率”不能确定曝气器实际运行的功效

　　曝气器的作用就是促进氧的传质，“氧利用率”似乎理所当然的应是反映曝气器技术性能的指标，因此长期以来就存在着一种采用“氧利用率”来判定曝气器技术性能的习惯观点。但是，如果对“氧利用率”作深入的分析，就会发现该指标不能真实确定曝气器实际运行的功效。
2.1 “氧利用率”实质是不受变量影响的定值
2.1.1 氧利用率公式

　　氧利用率=[q_c／(0.28×q)]×100% （CJ/T3015.2-93）

　　q_c — 标准状态下，测试条件，曝气器充氧能力 （kg/h）；
　　0.28 — 标准状态下，1 M³ 空气所含氧的重量 （㎏/ M³）；
　　q — 标准状态下，曝气器通气量 （M³/h）。

　　由上式可知，氧利用率取决于充氧能力（q_c） 与通气量（q）两个因素。

2.1.2 在曝气器充氧能力（q _c）与通气量（q）两者之间存在一个正比关系，即充氧能力（q_c）的大小取决于通气量（q）的多少。通气量为0，充氧能力也等于0。在一定的通气量范围之内，随着通气量的加大充氧能力也随之加大。
　　所有曝气器所标明的充氧能力（q_c），都是在清水试验条件下依据一定的通气量（q）而测定获取的。
2.1.3 氧利用率公式也可以写成下式：

　　(1/0.28)×100%×(q_c/q)= 0.0357×(q_c/q)

　　因为充氧能力（q_c）与通气量（q）之间存在正比关系，q_c /q结果为常数值，所以“氧利用率”实质上是一个不受变量影响的定值。不受变量影响的定值参数，所表述的仅仅只是一种物理现象，而决不表明功效的技术性能。响的定值参数，所表述的仅仅只是一种物理现象，而决不表明曝气器实际运行功效。
2.2 “氧利用率“不反映氧传质的效率
2.2.1 一个大泡，如果被分割成小泡的数量愈多，则所形成的“泡表膜”面积愈多，“泡表膜”是进行氧传质的功能膜，如果只站在“氧利用率”这一角度片面的看问题，当然是气泡被分割得愈小愈好。
2.2.2 要获取较高的“氧利用率”，就必须尽可能产生较多的“泡表膜”。一个大泡（一个单位的空气）被扩散形成的小泡数量愈多，“泡表膜”也就愈多，“氧利用率”也就愈高。由此可见，“氧利用率”仅仅只是与气泡扩散程度有关，而与动能作用气泡扩散的过程无关。也就是说“氧利用率”只表明一个单位的大泡被分割成小泡的多少，而与扩散分割过程如何，动能消耗多少完全无关。因此，“氧利用率”并不等于氧传质的效率。
2.2.3 按照孔隙扩散原则，多大的孔则产生多大的泡。如果空气通过直径为1 μm的孔眼是被分割形成1 μm的气泡，则此类微孔曝气器在运行中，无论阻力损耗多大，也无论孔眼堵塞了多少，只要还有孔眼在通气，就一定是产生1 μm的小气泡，显然此时“氧利用率”也没有变化，但真实的运行功效却是有了很大的变化。
2.2.4 由于“氧利用率”只与气泡分割扩散的程度有关，一个单位量的空气，只要排气孔眼的直径是1 μm，无论是短时间内经过众多孔眼排出，或是长时间内经过少量孔眼排出，因为扩散结果始终是分割成直径为1μm的小泡，所以，其“氧利用率”是会始终保持不变的。由此可见，只用“氧利用率”来说明曝气器的氧传质效率，显然会产生误导作用。
2.2.5 如果曝气器的设计参数是：通气量=2 M³/h、氧利用率=25%，由于要确保实现较高的氧利用率，排气孔眼设计为采用微小孔。但在实际运行中，大部分通气孔眼被堵塞，单个曝气器的通气量只能达到0.2 M³/h，也就是说工作效率已降低了90%，由于“细孔产生细泡”原理与孔眼堵塞程度无关，此时所谓的“氧利用率=25%”并无变化，但其真实的氧传质效率已经是变得很低了。
2.2.6 “氧利用率”所表明的是：单位空气中的氧，经气泡分割所形成的“泡表膜”产生氧传质作用的利用率。氧传质效率应说明的是：单位空气中的氧，在单位时间内通过“泡表膜”产生氧传质作用的量。显然，“氧利用率”并非就是氧传质效率。
2.3　 鼓风曝气器氧利用率比较
　　大孔排气类：
　　喷射曝气器 ≈5%
　　螺旋曝气器 ≈5%
　　散流曝气器 ≈7%
　　旋混曝气器 ≈21%
　　小孔排气类：
　　软管微孔曝气器 ≈13%（受孔变影响）
　　软膜微孔曝气器 ≈25%（受孔变影响）
　　微孔曝气器　　 ≈25%
　　由以上各种鼓风曝气器（旋混曝气器除外）的“氧利用率”可以看出，通气孔眼的大小决定氧利用率的多少（孔隙扩散原则）。如果采用“氧利用率”来评价曝气器的技术性能，当然会得出曝气器孔眼愈细愈好的观点。
　　“微孔”必然是阻力大、易堵塞，因此“氧利用率”高，并非就是曝气器的实际氧传质效率高。实际上决定氧传质效率的先决条件是排气结构的可靠性，曝气器“氧利用率”再好，如果排气结构不可靠，其真实的氧传质效率与技术性能同样也是不可靠的。
　　HS旋混曝气器由于是采用大孔排气，经多种结构作用扩散产生细泡，因而也就实现了其它类型曝气器无法实现的，既具有较高的“氧利用率”又具有真实可靠的氧传质效率这样一种优良的技术性能。气结构的可靠性，曝气器“氧利用率”再好，如果排气结构不可靠，其真实的氧传质效率与技术性能同样也是不可靠的。
　　旋混曝气器由于是采用大孔排气，利用气泡上浮动力经旋流、导流、紊动、碰撞、阻挡等作用扩散产生细泡，因而也就实现了其它类型曝气器无法实现的，既具有较高的“氧利用率”又具有真实可靠的氧传质功效的优良技术性能。

3 关于微孔曝气器孔隙问题的探讨

　　微孔曝气器是依赖于微小孔隙对气流进行扩散，在微孔曝气器表面所具有的有效通气孔隙，是微孔曝气器的技术核心问题。与微孔曝气器孔隙物理计算相关的有：通气流速（V）、孔隙空间（S）、孔隙率（K）和孔隙量（N又称孔隙单位）。
3.1 通气流速（V）
　　气流通过曝气器排气孔眼或孔隙的流速。微孔曝气器采用的是气流经微小孔隙直接排出，仅仅只存在阻力较大的微孔扩散作用，因而气流通过微小孔隙的流速与孔隙排气产生的升泡流速大至相当，≈0.35 m/s。
3.2 孔隙空间（S）
　　曝气器通气孔隙的大小。固定微孔曝气器 ≈50 μm ，软膜微孔曝气器 ≈100μm 。
3.3 孔隙率（K）
　　通气孔隙空间面积之和在曝气器表面（A）所占有的比例。孔隙率有面积孔隙率与体积孔隙率之分，本文论述采用的是前者。
　　如果单只微孔曝气器表面积直径按∮250㎜计，则该曝气器每小时通气2 M³所需要的有效通气孔隙率为：

　　K =[(2m³÷3600÷V]/[Am²（∮250㎜）]×100% ＝ [2÷3600÷0.35]／[0.125×0.125×3.14]×100%= 3.24%

3．4（N又称孔隙单量）
　　在微孔曝气器表面有效通气孔隙的数量。如果单只微孔曝气器表面积直径按∮250㎜计，所有通气孔隙看成是多个方形孔隙相联，有效通气孔隙率是3.24%，则有：
　　固定微孔曝气器：

　　N = [Am²（∮250㎜）×K]/Sm²（50 μm） =125×10^-3×125×10^-3×3.14×3.24×10^-2/50×10^-6×50×10^-6

　 = 636000（单量）

　　软膜微孔曝气器：

　　N = [Am²（∮250㎜）×K]/Sm²（100 μm）

　　　=［125×10^-3×125×10^-3×3.14×3.24×10^-2］／［100×10^-6×100×10^-6］

　　　= 154100（单量）

　　微孔曝气器的排气孔隙并不是以规则的单个方形孔形式存在，而是以50～100 μm的孔隙状存在。因此孔隙量计算的结果，实际上是多单量的微孔以孔隙状态相联。
3.5 有关问题的探讨
3.5.1 对于微孔曝气器的孔隙，在运行中能够排气的孔隙就是有效通气孔隙。当微孔隙被堵塞以后，通气作用受阻从而会直接影响到孔隙率与孔隙量下降。
3.5.2 因为微孔易堵塞是事物的固有性质，所以单只固定微孔曝气器在污水处理的长期运行中要保持60万单位以上的有效通气孔隙是不存在可能性的。
3.5.3 采用较新的加工方法，可以在一块直径为∮250㎜的软膜上开出10万单位以上的孔隙，在污水处理的长期运行中，由于软膜老化、孔隙堵塞或孔隙撕裂等原因，必然会要影响到孔隙率与孔隙量的变化。
3.5.4 综上所述，微孔曝气器虽然可能是具有很大的孔隙单量，但技术可靠性却很低。在污水处理的长期运行中，采取较大孔隙单量的曝气扩散技术，其“微孔通气”的技术可靠性是难以保障的。因此，微孔曝气在新机、清水条件下检测所表现的充氧效率，在污水处理的实际运行中会存在严重的退化作用。

4 气流扩散的技术合理性

　　在鼓风曝气系统中，曝气器是终端关键设备，曝气器的功能实质就是对气流进行扩散。
4.1 气流扩散的合理性
　　孔隙扩散不可能使气流扩散实现技术合理性。曝气器对气流的扩散，从理论上讲当然是扩散程度越高越好，也就是通常所指的“泡越细越好”。按照孔隙扩散的原理，“泡细” 与“阻力”是一对矛盾；孔隙越细排气所产生的气泡也就越细，但孔隙越细阻力也就越大，孔隙也就越容易被堵塞，单位时间内通过的气量也就越少。因此孔隙的细小只能解决“泡细”的问题，随之而来的必然存在损耗大、气流扩散技术合理程度低、性能不可靠等问题。
4.2 气流扩散技术合理的基本要求
　　排气阻力要小排气通畅可靠性要大，在此前提之下实现气流越分散越好。通常污水处理曝气气源均采用的是鼓风方式，鼓风机属于低压运行设备，排气阻力大必然要影响到鼓风机的动力效率。污水处理工艺的条件较为复杂多变，要达到排气阻力小和无堵塞的技术可靠性，排气孔只能是采用大孔（＜Φ5mm＝，但是，按照孔隙扩散的原理大孔排气是不可能产生细泡；因此，要使气流扩散技术合理，就必须由孔隙扩散之外寻求其他的扩散方法。
4.3 关于孔隙可变的孔隙扩散
　　采用软性膜可变孔隙排气，虽然可使防止堵塞的性能得到改善，但是由于要求孔隙尺寸是在十分细小的范畴（0～100μm）;因此，软性膜可变孔隙排气仍难以解决易堵塞与阻力大的问题。软性膜在长期的受压运行过程中，也不可避免地存在软性膜疲劳与老化问题，使孔隙可变的技术可靠性不高（孔膜易损）。
4.4 动力扩散的技术合理性
　　 动力扩散利用气体在水体中的上浮动力，发生“碰”与“撞”的作用而获取细泡，气流扩散完全脱离了细小孔隙的束限作用。由于动力扩散采用的是大孔排气，实现了阻力小、不堵塞的扩散技术合理性。仅是“技术合理”还不行，还要是“功能高效”，旋混曝气器具备设计科学的旋流、导流、紊动阻挡等多种“碰”与“撞”作用，实现了既是大孔排气又是功能高效，PD旋混曝气器很好地解决了动力扩散的技术合理性。　　

5 曝气器技术发展方向

　　随着社会的发展进步，污水处理保护环境越来越受到重视。采用技术性能可靠的曝气设备，是确保污水处理装置长期稳定运行的首要条件。
5.1 由于鼓风曝气动力效率高，立体布气性能好，目前应用较为普遍。鼓风曝气的终端关键设备是曝气器，因此可以说曝气器的技术发展状况就代表了鼓风曝气的技术水平。由于曝气池相关的工艺理论计算，基本点就是曝气氧利用率，从而导致出现了对曝气器的技术评价重点集中在氧利用率，也导致出现了孔隙扩散——排气孔隙越来越细的现象。
5.2 应当指出，孔隙扩散由固定孔隙到软性膜可变孔隙，技术水平是有所发展，孔隙扩散曝气器在污水处理装置新安装投运初期会表现良好，但孔隙扩散技术可靠程度太低，现实运行情况不尽人意，这就不得不使人深思孔隙扩散中的技术合理性问题。
5.3 任何一种设备，其功能效率必须要有合理的技术支持，这是一个很通常的技术原则，孔隙扩散完全不符合这样的技术原则。从理论上讲，设备的功能效率是越高越好，但这种功能效率如果没有合理的技术支持，则其肯定是不可靠的。曝气器的“氧利用率”当然是要越高越好，但如果实现这种效率是以降低技术可靠性为代价，显然是有问题的。
5.4 目前所谓具有“先进技术水平”的孔隙扩散，可以使曝气器氧转移率达到30%以上，但无非是排气孔隙更加变细，进气除尘要求更加严格，阻力损耗更加增大；即以更加的技术不合理来实现的，其实际应用结果也只能是技术更加的不可靠。
5.5 孔隙扩散不可能解决技术合理性的问题，这一点是十分清楚的。但为什么孔隙扩散现仍然具有一定的技术地位呢？
　　一是以往曝气器的充氧性能完全取决于排气孔隙的大小，大孔排气不能实现较高的氧转移率，形成工程上偏重于选择以微孔方式排气的曝气器。二是曝气工艺工程设计基本点就是要求曝气器要有较高的氧转移率。
　　从实际情况看，曝气器孔隙扩散的应用是处在满足了氧利用率的要求却难以满足技术合理要求的状态，微孔曝气器在应用存在氧利用率与技术可靠性的矛盾。
5.6 PD旋混曝气器由于是利用气泡上浮动力进行扩散使气泡破碎变细，既可以达到较高的氧利用率又可以满足技术合理的要求，技术性能十分可靠。这也可以充分说明，只有脱离孔隙扩散的曝气技术才能够实现曝气技术先进合理。

6 曝气器动力扩散与孔隙扩散的比较

序号 项 目 动 力 扩 散 孔 隙 扩 散 01 工作原理 气泡上浮动力为扩散动力经旋流、导流、紊动、碰撞阻挡等作用形成扩散。 由微小孔隙限制作用形成扩散 02 排气通道 一套曝气器一个排气孔，防堵塞、防 一套曝气器上的排气孔隙越来越多、越来越微小，易堵塞易损坏。 03 阻力损耗 ＜80 Pa ＞5000 Pa 04 氧利用率 21﹪ ＞21﹪ 05 排气通量 稳定 受孔隙堵塞或孔隙膜片损坏的影响而不稳定。 06 动力效率 4.8 kg/kw·h长期运行保持稳定 孔隙堵塞或孔隙膜片损坏必然影响动力效率下降。 07 进气除尘 无要求 有要求 08 孔膜更换 无 有 09 孔膜清洗 无 有 10 设备材质 工程塑料、不锈钢 软性孔隙膜易损坏固定孔隙膜易堵塞 11 管内积水 有自动排除配气管道内积水的措施。 需进行排空操作 12 运行状况 细泡均匀密布，长期稳定运行保持不变。 新机运行良好，但难以保持长期稳定。 13 布气平衡 全池均匀稳定 孔隙堵塞与孔隙膜片损坏会破坏布气的均衡。 14 技术性能 大孔排气 细泡布气 微孔排气 细泡布气

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作者简介 邢旭明，1980年由北京大学生物系毕业一直在从事污水处理运行的工作，由1992年开始专门致力于曝气扩散技术的研究与应用，现积累了数十个工程项目的经验。

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