曝氣設(shè)備在水質(zhì)凈化中應(yīng)用的研究進(jìn)展*

陳露露，詹旭剛，鄭靈藝，王 輝，程海翔，陳嘉濤，葛凱迪

(1 衢州學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2 浙江省衢州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 衢州 324000；3 浙江省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院，浙江 杭州 310000)

人口的擴(kuò)增和工業(yè)化發(fā)展使人們對水資源的需求越來越大，雖然我國淡水資源量高，但是我國的人均水資源占有量處于較低水平，加上水污染問題越來越嚴(yán)重，污染性水質(zhì)短缺加劇了水資源缺乏，這對所有生命體的健康生活構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在“十三五”規(guī)劃時期，我國就出臺了《重點流域水污染防治規(guī)劃(2016-2020年)》，明確提出要樹立“綠水青山就是金山銀山” 的理念，細(xì)化落實《水污染防治行動計劃》目標(biāo)要求和任務(wù)措施，以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，系統(tǒng)推進(jìn)水環(huán)境、水生態(tài)和水資源保護(hù)，“十三五”末，我國水污染防治成效顯著，水環(huán)境質(zhì)量總體穩(wěn)定、水污染物減排成效顯著、環(huán)境風(fēng)險防控能力顯著增強(qiáng)、環(huán)境管理法規(guī)制度體系建設(shè)健全，但依然面臨嚴(yán)峻的形勢如“微容量、重負(fù)荷”問題突出、環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后等問題，因此，改善水環(huán)境質(zhì)量，提高環(huán)境工程水處理迫在眉睫。但現(xiàn)實情況中，環(huán)境工程水處理中仍存在一定問題，如處理資金嚴(yán)重不足，沒有充足的資金來購置專業(yè)的污水處理設(shè)備，導(dǎo)致污水處理效果不理想；管理水平參差不齊，專業(yè)設(shè)備和技術(shù)發(fā)展水平有限，水處理能力不足，這對工程發(fā)展產(chǎn)生了極大的影響[1]。針對這一問題，要投入更多的人力、物力去解決，我國相關(guān)部門也出臺和頒布了許多政策，對環(huán)境污染問題進(jìn)行了有效控制與監(jiān)督，其中曝氣設(shè)備因具有操作便利、成本費用低、管理方便、充氧效果好等優(yōu)點，在污水處理以及水體凈化中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，在環(huán)境工程水處理中發(fā)揮了重要作用。因此，本文主要從曝氣設(shè)備的工作原理及作用、常見設(shè)備類型、在水質(zhì)凈化中的應(yīng)用進(jìn)展及存在問題和發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行綜述，以期為曝氣設(shè)備在環(huán)境工程水處理中發(fā)揮更大作用提供基礎(chǔ)信息。

1 曝氣設(shè)備的工作原理及作用

1.1 工作原理

曝氣設(shè)備工作原理是通過物理方法，增加氣液混合物內(nèi)外氣體交換，將空氣中的氧強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到泥水混合液中，并使混合液處于懸浮狀態(tài)，在增加溶液氧含量的同時將不需要或不良?xì)怏w排出，最終達(dá)到增強(qiáng)氣液物質(zhì)交換的目的。在有充足溶解氧的條件下，微生物通過提高與有機(jī)物的接觸來強(qiáng)化其氧化降解。在水質(zhì)凈化中，曝氣效率的反應(yīng)主要體現(xiàn)在氧傳質(zhì)效率與氧利用率兩個參數(shù)上。氧傳質(zhì)效率的提高可以通過增加濃度梯度或提高氧氣轉(zhuǎn)移系數(shù)，優(yōu)化曝氣裝置分布、合理使用曝氣裝置可以提高氧利用率。因此，通過優(yōu)化設(shè)備的分布與機(jī)能，可以大幅改善兩個參數(shù)的指標(biāo)，從而改善曝氣效果。

1.2 作 用

(1)增加溶氧量

曝氣裝置將氣體與水體混合，通過氣相液相的充分混合，增強(qiáng)了溶液中氧氣的溶解度和含量，通過增加溶解氧促進(jìn)污泥中的微生物生長，同時擴(kuò)大了微生物與污染物的接觸。好氧微生物的活躍能更加高速、高效地分解水體中的污染物，降低水體中的COD、BOD指標(biāo)。在內(nèi)外界氣交換的同時將分解有機(jī)物產(chǎn)生的有害氣體又隨之帶出，達(dá)到一個良好的氣體交換循環(huán)。有機(jī)物含量的降低和水中溶解氧含量的上升，提高了水體自凈能力，從而保證了水質(zhì)凈化。

(2)促進(jìn)物質(zhì)分離

曝氣過程中通過對水體的攪動、對流，氣液混合物中氣相和液相在機(jī)械的攪拌下不斷地摩擦混合，將有機(jī)物碎屑、無機(jī)懸浮物等物質(zhì)用氣泡包裹起來，最終溶液中的固體顆粒會以懸浮態(tài)出現(xiàn)在液泡中，為后續(xù)的絮凝沉淀、脫除奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)物質(zhì)分離。這樣不僅可以提高水體治理質(zhì)量和效率，也可以有效提高水體的透明度，降低水體的色度。

2 常見的曝氣設(shè)備類型

2.1 按照曝氣方式

(1)機(jī)械曝氣

機(jī)械曝氣主要利用其機(jī)械上面的工作輪(例如葉片、葉輪)的帶動，通過不斷攪動使池底的污泥與廢水充分混合，從而加強(qiáng)池水中液體與氧氣的充分接觸，提高水中的溶解氧。常見的機(jī)械曝氣機(jī)主要為渦輪曝氣機(jī)和表面曝氣機(jī)，其具有無需建立新的機(jī)房[2]、堵塞的可能性小、安裝和后期維護(hù)更為簡單等優(yōu)點。但由于其工作方式的限制，也存在氧氣在水中的溶解度不高、曝氣效率低、能耗高等缺點。

(2)鼓風(fēng)曝氣

鼓風(fēng)曝氣裝置由通風(fēng)機(jī)、氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)和布風(fēng)管支架等構(gòu)成，其原理是通過自身的擴(kuò)散器所產(chǎn)生的高壓和風(fēng)力，將空氣經(jīng)由一系列管路輸送到放置在曝氣池底部，并通過空氣擴(kuò)散器的作用，產(chǎn)生大小不一的氣泡并在水面上破裂，從而使空氣和水進(jìn)行完全混合[3]，其最關(guān)鍵部件是空氣擴(kuò)散裝置，它能促進(jìn)氧氣與水體的接觸面積，促進(jìn)水中污水中有機(jī)物的分解。

常見的鼓風(fēng)曝氣設(shè)備主要為離心式鼓風(fēng)機(jī)與羅茲鼓風(fēng)機(jī)，前者在葉輪旋轉(zhuǎn)的作用下通過電機(jī)將機(jī)械能傳遞給氣體，這種鼓風(fēng)機(jī)在工作的過程中會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換，后者是通過轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)將氣體吸入，再經(jīng)排氣口排出，具有高效、穩(wěn)定、作用范圍大、效果好等優(yōu)勢，但是受其曝氣方式影響，設(shè)備容易發(fā)生磨損，需要定期進(jìn)行維護(hù)和清洗[4-5]。

近年來，微孔曝氣技術(shù)逐漸被采用，微孔曝氣設(shè)備在鼓風(fēng)曝氣機(jī)的作用下，空氣通過擴(kuò)散裝置分裂成小氣泡，其能夠被水體中的微生物直接利用，同時能使微生物懸浮在水體中，增加空氣、水與微生物的接觸面積，提高微生物對氧氣利用率，增強(qiáng)物質(zhì)運輸和代謝過程，促進(jìn)微生物的生長和水質(zhì)凈化[6]。

(3)射流曝氣

射流式曝氣機(jī)由射流曝氣器、循環(huán)水泵、鼓風(fēng)機(jī)組成，在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，空氣不斷涌入曝氣機(jī)內(nèi)部被切成無數(shù)個微小的氣泡，在混合室內(nèi)與水進(jìn)行充分的混合攪拌后，水流會從喇叭口狀的擴(kuò)散管中高速射出，從而增加水體的含氧量，具有氧轉(zhuǎn)移速率高、無泡沫飛濺噪音小、保溫性好、構(gòu)造簡單加工方便成本低等優(yōu)點[7]。但是其缺點也十分明顯，如設(shè)備極易堵塞噴嘴，加壓系統(tǒng)和復(fù)雜的設(shè)備不利于后期的維護(hù)和管理等。近年來，很多學(xué)者也在積極改進(jìn)射流式曝氣機(jī)，如Shukla研究表明多開孔能提高固體射流曝氣機(jī)的效率，在高流量下，開孔數(shù)量更多的曝氣機(jī)充氧效率也更高，而在低流量下結(jié)論則相反[8]。

(4)推流曝氣

推流曝氣主要組成為初沉池，曝氣池，二沉池以及污泥回流裝置。曝氣池主要起供氧，推流，攪拌三個方面的作用，根據(jù)廢水行進(jìn)方式不同可分為旋流和直流兩種。在曝氣機(jī)的選擇上多用鼓風(fēng)曝氣裝置。回流過程中，廢水和回流污泥從進(jìn)料口進(jìn)入曝氣池，水流呈推流式。推流式曝氣方法是目前應(yīng)用最為廣泛的曝氣方式之一，但現(xiàn)有的推流式曝氣機(jī)多為單一方向復(fù)氧推流，在實際生產(chǎn)中，往往不能達(dá)到曝氣池全方位增氧反應(yīng)，為此近年來學(xué)者新研發(fā)了一種推流循環(huán)曝氣裝置，通過在原有設(shè)備上增加一個太陽能固定板在設(shè)備工作時能使復(fù)氧流全方位旋轉(zhuǎn)達(dá)到循環(huán)復(fù)氧的效果，在實際應(yīng)用中更為高效廣泛。

(5)其他曝氣設(shè)備

微納米曝氣機(jī)由水泵、微納米氣泡水發(fā)生器、壓力表、曝氣頭和一些管件組成。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是利用微納米氣泡分散技術(shù)將大量的空氣初步壓縮成大量的0.25 mm直徑的無壓微泡在水體中，然后在半真空的情況下，通過氣相和液相的高度分散，將釋放系統(tǒng)產(chǎn)生的0.25 mm直徑的無壓微泡形成一些直徑小于3 μm的微米級氣泡甚至形成納米級氣泡，這些高度分散后的氣泡被統(tǒng)稱為微納米氣泡，釋放到需充氧水體中以達(dá)到對水體迅速充氧的效果[9]。

2.2 按照曝氣設(shè)備工作位置

(1)表面曝氣

表面曝氣設(shè)備通常在曝氣池的表面裝配，除了單獨作用，表面曝氣設(shè)備一般與氣體分布器相結(jié)合，增強(qiáng)氣液混合裝置內(nèi)的氣液混合效率，提高氣液傳質(zhì)性能，在使氣體均勻分布、氣液傳質(zhì)性能增強(qiáng)的同時，降低機(jī)械能耗以及彌補(bǔ)表面曝氣設(shè)備傳質(zhì)效率低、占地面積大的缺陷[10]。

(2)潛水曝氣

潛水曝氣機(jī)下轄種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，各個元件參數(shù)的不同都會極大影響曝氣機(jī)的工作效率與使用條件，如陳斌通過改變噴嘴形狀、喉管長度、工作壓力等參數(shù)，成功提高自吸潛水曝氣機(jī)的最大潛水深度[11]；趙宇等[12]改造研究了雙層復(fù)合式潛表曝氣機(jī)，實現(xiàn)了水體淺層與深層的二次曝氣；楊迪等[13]在分析了原有的曝氣機(jī)優(yōu)缺點后研發(fā)出折疊式干室潛水曝氣機(jī)。

3 水質(zhì)凈化中的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 污水處理

在污水處理時，活性污泥法是最常用的污水處理方法，而曝氣設(shè)備在其中起了至關(guān)重要的作用。在現(xiàn)有各種曝氣設(shè)備中，其基本工作原理都是利用電機(jī)向水體充氧曝氣，增加水體含氧量促使水中有機(jī)物與微生物充分混合，能更好更快的氧化有機(jī)物從而使污水中有機(jī)物含量下降達(dá)到污水處理要求。

此外，在工業(yè)殘液處理上，純氧曝氣不僅能有效提高BOD去除率，還能夠極大降低廢水處理的費用，提高經(jīng)濟(jì)效益[14]。除了曝氣技術(shù)，曝氣材料和曝氣設(shè)備選擇也極大程度的影響污水處理效率，如無錫市某污水處理廠，所選用的剛玉曝氣材質(zhì)就顯現(xiàn)出易堵塞的問題；山東壽光污水處理廠用新型復(fù)合型倒傘葉輪改造了原先的的曝氣裝置改善了原先裝置曝氧量低，運行能耗高的問題[15]。

3.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖

隨著陸地資源愈益緊張，節(jié)能節(jié)約型發(fā)展計劃的推進(jìn)，漁業(yè)養(yǎng)殖正在日益趨向工廠型集中化發(fā)展。這種節(jié)約資源的一體化養(yǎng)殖方式往往面臨著許多環(huán)境的制約，例如光照，氧氣，水質(zhì)等等。曝氣機(jī)作為簡單便捷的增氧曝氣設(shè)備在封閉式水體養(yǎng)殖中起著重要的作用[16]。在漁業(yè)養(yǎng)殖中，最常用的曝氣設(shè)備為鼓風(fēng)增氧曝氣設(shè)備，與其它增氧設(shè)備如水車式，噴泉式比較，其特點是更加節(jié)能，安全，并且能節(jié)約水資源的使用。與此類似，鼓風(fēng)曝氣也是魚塘養(yǎng)殖增氧一大常用設(shè)備，是我們生活中比較常見的一個曝氣方式，它具有高效、穩(wěn)定、作用范圍大、效果好等優(yōu)勢，但是受其曝氣方式影響，在工作環(huán)境骯臟的情況下容易發(fā)生磨損，需要在進(jìn)行必要的維護(hù)和清洗。在一項針對南美白對蝦養(yǎng)殖成活率的研究中，學(xué)者針對微孔曝氣機(jī)與與葉輪式增氧機(jī)進(jìn)行比較和測試，結(jié)果得出了微孔曝氣對南美白對蝦有更高的產(chǎn)量，并且有節(jié)能、節(jié)水、降低成本的優(yōu)點。陳超對福州市馬尾區(qū)某污水處理廠氧化溝工藝進(jìn)行曝氣系統(tǒng)改造，將原先的倒傘型表面曝氣機(jī)改造為微孔底部曝氣形式，改造后的污水處理廠出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，同時每年可節(jié)約電費約50萬元[17]。

3.3 景觀水體

園林景觀中水體是整個體系中的平衡和關(guān)鍵。園林中水景不僅能起到觀賞作用，更能維持園林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)固發(fā)展。但在實際園林景觀中，水體往往因過度注重觀賞性而導(dǎo)致水體缺氧。在此情況下曝氣復(fù)氧能極大程度上解決水體缺氧的問題。研究顯示，相同時間內(nèi)折疊式干室潛水式曝氣復(fù)氧的氧傳質(zhì)效率以及曝氣速率是噴泉復(fù)氧的32%，能有效處理和控制水體BOD含量，從而抑制水景中沉水藻類以及底泥微生物的過量繁殖[13]。目前常用于園林景觀中的曝氣設(shè)備類型有推流式、水車式、噴泉式以及太陽能曝氣，但這幾種設(shè)備都有各自的優(yōu)點與不足。對于園藝景觀度而言，推流式與水車式在噪音上影響較大且景觀性不強(qiáng)，一般用于夜晚景區(qū)休整時間斷，不能達(dá)到全時段工作；噴泉式與太陽能式在滿足景觀性的同時卻又減弱了曝氣能力，對此，微氣泡純氧曝氣技術(shù)具有的無噪音、設(shè)備簡單、不干擾流體形態(tài)等優(yōu)點使其在旅游景區(qū)內(nèi)的河道治理有廣泛應(yīng)用。在后續(xù)園林建設(shè)中，更美觀高效的曝氣設(shè)備也在逐步探索中。

在生態(tài)復(fù)綠上，河道水體黑臭是我們常面臨的水體危機(jī)，其黑臭主要來源于河體底泥微生物在缺氧情況下發(fā)酵有機(jī)營養(yǎng)物，產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。根據(jù)天津市二級河道污水治理報告顯示，通過機(jī)械曝氣與沉砂過濾池結(jié)合使用，在充氧的同時進(jìn)一步過濾底泥中的微生物，經(jīng)處理后的水質(zhì)足以達(dá)到生物棲息的程度[9]。同樣的在順德區(qū)紅崗黑臭水體修復(fù)技術(shù)中，投入使用一項新的曝氣設(shè)備搭配微生物菌劑，在對水體進(jìn)行初步微生物凈化過濾處理后，采用噴泉曝氣搭配景觀水生植物，一體化進(jìn)行水體凈化處理。

4 存在問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在問題

目前曝氣機(jī)本身存在的問題主要在幾個方面：易堵塞、易磨損、設(shè)備維修維護(hù)難、配套設(shè)備能耗高等。

現(xiàn)在市面上大部分的曝氣機(jī)都有管道噴口易磨損難維修的痛點。因為設(shè)備自身特點和使用環(huán)境的原因，大部分的曝氣設(shè)備都會出現(xiàn)堵塞的情況，如固定微孔曝氣設(shè)備。易磨損的問題也廣泛出現(xiàn)在曝氣設(shè)備附件中，如曝氣膜片撕裂，因為設(shè)備使用的特殊性質(zhì)這樣的問題幾乎無法避免，只能通過不斷的改進(jìn)才能優(yōu)化。而上述問題也激發(fā)了一系列衍生問題，如水下設(shè)備維修難，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜難拆卸，實際生產(chǎn)停工造成經(jīng)濟(jì)損失等等。

除了設(shè)備本身，還有一些使用時的問題，如工作噪音大、產(chǎn)生二次污染、耗能大、成本高，配套鼓風(fēng)機(jī)能耗較高，風(fēng)機(jī)和曝氣器不能完美結(jié)合，造成資源浪費。近年來隨著科技技術(shù)的革新這些問題都在逐步解決，尋求創(chuàng)新，未來應(yīng)該會有更加耐用環(huán)保高效的設(shè)備產(chǎn)生，讓曝氣機(jī)的作用發(fā)揮到最大。

4.2 發(fā)展趨勢

曝氣設(shè)備已成為水質(zhì)凈化工程的重要參與者，也在不斷受到廣泛的關(guān)注，隨著科研工作者和運營人員在研究和實際運行中不斷革新，對于曝氣設(shè)備的使用參數(shù)和技術(shù)要求日益強(qiáng)化，新材料膜片曝氣器、可提升混流曝氣器、微納米曝氣器等也在不斷地涌現(xiàn)，隨之而來的也將是曝氣設(shè)備的更新?lián)Q代和對水處理產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用。但針對上述存在的問題，以后仍需從以下幾方面進(jìn)行深入探究：(1)增加曝氣機(jī)及其配套設(shè)備的能源利用效率，減少能源浪費；(2)增加對曝氣環(huán)境因素、曝氣設(shè)備的動力效率、充氧能力和氧轉(zhuǎn)移速率等參數(shù)的研究來提高曝氣效率；(3)增加對水體的智能監(jiān)測(如水深、溫度、大氣壓強(qiáng)、濁度等變量)讓人更便捷地了解水體的質(zhì)量，在選用曝氣設(shè)備時能切合實際工作環(huán)境，做出合適的選擇。曝氣設(shè)備的發(fā)展前景廣闊，產(chǎn)品的升級發(fā)展也順應(yīng)了社會的發(fā)展需求，曝氣設(shè)備的推廣使用過程中也應(yīng)注意與實際工作環(huán)境相結(jié)合，使曝氣設(shè)備的作用最大化。