水污染問題是一個(gè)遍及全世界的環(huán)境問題，無論是在發(fā)展中國(guó)家還是發(fā)達(dá)國(guó)家，這個(gè)問題已越來越引起人們的重視。現(xiàn)在，各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家每年都花巨大的人力、財(cái)力用于工業(yè)污水的治理。自20世紀(jì)60年代以來，各國(guó)都研究和發(fā)展了各種控制水體污染的新技術(shù)和新方法，對(duì)污染的控制也開始進(jìn)入一個(gè)較高級(jí)的階段，即綜合防治環(huán)境污染的新階段。
由于工業(yè)廢水成分的多樣性，往往需要通過幾種方法組成的處理系統(tǒng)才能達(dá)到所需的排放標(biāo)準(zhǔn)。污水處理按采用的方法手段分類，可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法4種。生物法是利用廢水中的微生物的代謝作用分解水中可降解的有機(jī)物的一種方法，因?yàn)榫哂刑幚砹看螅顿Y省，經(jīng)濟(jì)可靠的特點(diǎn)，它是普遍的一種水處理方法。
1曝氣器在污水處理中的應(yīng)用
生物處理法根據(jù)參與作用的微生物的需氧情況，可分為好氧法和厭氧法兩大類。一般情況，好氧法比較適用于較低濃度污水，如乙烯廠污水；而厭氧法較適用于處理污泥和較高濃度的污水。好氧生物處理法可分為活性污泥法和生物膜法兩大類。活性污泥法是水體自凈的人工強(qiáng)化方法，是一種依靠活性污泥工作主體的去除污水中有機(jī)物的方法。存在于活性污泥中的好氧微生物必須在有氧氣存在的條件下才能起作用。在污水處理生化系統(tǒng)的曝氣池中，充氧效率與好氧微生物生長(zhǎng)量成正相關(guān)性。溶解氧的供給量要根據(jù)好氧微生物的數(shù)量、生理特性、基質(zhì)性質(zhì)及濃度來綜合考慮。這樣，活性污泥才能處在更好的降解有機(jī)物的狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)表明，曝氣池中溶解氧維持在3～4mg/L為宜，若供氧不足，活性污泥性能差，導(dǎo)致廢水處理效果下降。為保證有充足的供氧，必須依靠一種設(shè)備來完成，例如曝氣器。
1.1曝氣原理
曝氣是使空氣與水強(qiáng)烈接觸的一種手段，其目的在于將空氣中的氧溶解于水中，或者將水中不需要的氣體和揮發(fā)性物質(zhì)放逐到空氣中。換言之，它是促進(jìn)氣體與液體之間物質(zhì)交換的一種手段。它還有其他一些重要作用，如混合和攪拌。空氣中的氧通過曝氣傳遞到水中，氧由氣相向液相進(jìn)行傳質(zhì)轉(zhuǎn)移，這種傳質(zhì)擴(kuò)散的理論，目前應(yīng)用較多的是劉易斯和惠特曼提出的雙膜理論。
雙膜理論認(rèn)為，在“氣-水”界面上存在著氣膜和液膜，氣膜外和液膜外有空氣和液體流動(dòng)，屬紊流狀態(tài)；氣膜和液膜間屬層流狀態(tài)，不存在對(duì)流，在一定條件下會(huì)出現(xiàn)氣壓梯度和濃度梯度。如果液膜中氧的濃度低于水中氧的飽和濃度，空氣中的氧繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散透過液膜進(jìn)入水體，因而液膜和氣膜將成為氧傳遞的障°¬，這就是雙膜理論。顯然，克服液膜障有效的方法是快速變換“氣-液”界面。曝氣攪拌正是如此，具體的做法就是：減少氣泡的大小，增加氣泡的數(shù)量，提高液體的紊流程度，加大曝氣器的安裝深度，延長(zhǎng)氣泡與液體的接觸時(shí)間。曝氣設(shè)備正是基于這種做法而在污水處理中被廣泛采用的。
1.2曝氣類型與曝氣器的功能
曝氣類型大體分為兩類：一類是鼓風(fēng)曝氣，一類是機(jī)械曝氣。鼓風(fēng)曝氣是采用曝氣器擴(kuò)散板或擴(kuò)散管在水中引入氣泡的曝氣方式。一般乙烯廠的污水處理多采用這種方式。機(jī)械曝氣是指利用葉輪等器械引入氣泡的曝氣方式。
所有的曝氣設(shè)備，都應(yīng)該滿足下列3種功能：
①產(chǎn)生并維持有效的氣-水接觸，并且在生物氧化作用不斷消耗氧氣的情況下保持水中一定的溶解氧濃度；
②在曝氣區(qū)內(nèi)產(chǎn)生足夠的混合作用和水的循環(huán)流動(dòng)；
③維持液體的足夠速度，以使水中的生物固體處于懸浮狀態(tài)。
1.3鼓風(fēng)曝氣設(shè)備
鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、曝氣器和一系列連通的管線組成。鼓風(fēng)機(jī)將空氣通過一系列管道輸送到安裝在池底部的曝氣器，通過曝氣器，使空氣形成不同尺寸的氣泡。氣泡在曝氣器出口形成，尺寸則取決于空氣擴(kuò)散裝置的形式，氣泡經(jīng)¬過上升和隨水Ѭ環(huán)流動(dòng)，然后在液面處破裂，這一過程產(chǎn)生氧向污水中轉(zhuǎn)移的作用。鼓風(fēng)系統(tǒng)的曝氣器主要分為微氣泡、中氣泡、大氣泡、水力剪切、水力沖擊及空氣升液等類型。
鼓風(fēng)曝氣設(shè)備的主要技術(shù)性能指標(biāo)有：動(dòng)力效率(Ep)，即每消耗1kW電能轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量；氧的利用效率(EA)，即通過鼓風(fēng)曝氣轉(zhuǎn)移到混合液的氧量，占總供氧量的百分比(%)。
1.3.1微氣泡曝氣器
微氣泡曝氣器也稱微孔曝氣器，采用多孔性材料如陶粒、粗瓷等摻以適當(dāng)?shù)娜绶尤渲活惖恼硠诟邷叵聼Y(jié)成為擴(kuò)散板、擴(kuò)散管和擴(kuò)散罩的形式。按照安裝的型式，可分為提升式微孔曝氣器及固定式微孔曝氣器。
提升式微孔曝氣器主要由微孔曝氣管、活動(dòng)搖臂、提升機(jī)等3部分組成：①微孔曝氣管即由微孔管、前蓋、后蓋及連接螺栓組成；②活動(dòng)搖臂是可提升的配管，微孔曝氣管安裝于支氣管上，成柵條狀，底座固定在池壁上，活動(dòng)立管伸入池中，支管落在池底部，并支架支撐在池底部；③曝氣器提升機(jī)，為活動(dòng)式電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，起吊小車可隨意移動(dòng)，將搖臂提起。
其工作原理是：空氣從微氣泡曝氣管后蓋的通氣孔進(jìn)入曝氣管，曝氣管的管壁上密布者許多細(xì)小的孔隙，管內(nèi)空氣在壓力差的作用下，從管壁的孔隙中擴(kuò)散出來，在污水形成許許多多微小的氣泡，并造成水的紊流，從而達(dá)到了將空氣中的氧溶入水中的目的。
微孔曝氣管的形式有很多，目前較為常用的有兩種：一種是由粗瓷或剛玉等燒結(jié)而成的普通曝氣管，這種管壁在燒結(jié)過程中產(chǎn)生許多極微小的孔隙，它的主要特點(diǎn)是能產(chǎn)生微小的氣泡，氣泡直徑約0.1～0.2mm，氣、液接觸面積大，氧利用率高，一般可達(dá)到20～25%；其缺點(diǎn)是氣壓損失較大，易堵塞，送入的空氣需經(jīng)¬過濾處理，易損壞，一旦損壞，氧利用率就開始快速下降。另一種是管式膜片微孔曝氣管。這種曝氣管的安裝方式與前一種基本一樣，但其自身的結(jié)構(gòu)卻有很大的區(qū)別，它是由一個(gè)用ABS或UPVC制成的管子作為布?xì)夤埽鼙谏祥_有通風(fēng)孔，布?xì)夤芡庵芨采w著合成橡膠制成的膜片，膜片被金屬卡子固定在管子上。在合成橡膠膜片上用激光等方法打出均勻分布的孔眼。曝氣時(shí)，空氣通過管壁上的通氣孔進(jìn)入膜片與管壁之間，在壓縮空氣的作用下，使膜片微微鼓起，孔眼張開，達(dá)到布?xì)鈹U(kuò)散的目的。停止供氣，氣壓消失后，膜片本身在彈性作用下使孔眼自動(dòng)閉合，由于水壓的作用，膜片壓實(shí)在管壁上。因此，污水不會(huì)倒流而堵塞孔眼。但由于這種膜片的開孔直徑直接影響到氧的利用率，因此，開孔直徑應(yīng)適當(dāng)。開孔直徑過大，氧的利用率較低，開孔直徑過小，氧利用率高，但阻力增大。橡膠膜片應(yīng)選用耐老化，高強(qiáng)度膠質(zhì)，以免膜片出現(xiàn)撕裂，造成曝氣器損壞。
1.3.2動(dòng)態(tài)曝氣器
動(dòng)態(tài)曝氣器是一種新型的曝氣器，屬于固定安裝式的微氣泡曝氣器，它由圓罩、旋混筒、旋混圈、套接頭抱箍和配氣管組成。
動(dòng)態(tài)曝氣器采用了“大孔排氣泡布?xì)狻奔夹g(shù)，將引入曝氣器內(nèi)的空氣分別進(jìn)行正旋和反旋導(dǎo)流，正旋導(dǎo)流為順時(shí)針方向，反旋導(dǎo)流為逆時(shí)針方向，由兩個(gè)不同方向旋流作用下，在套筒旋混筒內(nèi)形成一個(gè)瞬間連續(xù)局部反應(yīng)的氣液強(qiáng)化旋混區(qū)。由旋混旋流作用所產(chǎn)生的大量氣泡，再經(jīng)¬圓罩阻擋擴(kuò)散作用之后，均勻密布的向上產(chǎn)生氣泡。總的來說，動(dòng)態(tài)曝氣器是由大孔雙向旋混、套筒強(qiáng)化旋混和圓罩阻擋擴(kuò)散等各種結(jié)構(gòu)作用，使氣相在液相中碰撞、剪切和分割，從而形成混合性擴(kuò)散。由于動(dòng)態(tài)曝氣器采用了大孔排氣，即使停風(fēng)停壓后，污水倒流進(jìn)曝氣器和配氣管中，也不會(huì)造成排氣孔堵塞，從而從根本上解決了曝氣器堵塞的問題，可長(zhǎng)期保持氧利用率不發(fā)生變化。但由于產(chǎn)生氣泡的直徑較大，氧利用率相對(duì)微孔曝氣器要低，一般在15～19%之間。與動(dòng)態(tài)曝氣器的結(jié)構(gòu)和性能類似的還有旋混曝氣器。
1.4搖臂微孔曝氣器與動(dòng)態(tài)曝氣器的對(duì)比
除了上面所講的氣泡直徑、氧利用率、是否易堵塞等不同之處外，兩者還有以下幾個(gè)不同點(diǎn)：
1.4.1安裝方式
搖臂微孔曝氣器為可活動(dòng)式安裝，當(dāng)曝氣器需要更換或檢修時(shí)，可用提升機(jī)將曝氣器從水中à¬出來，在池面進(jìn)行施工檢修，不影響同池其他曝氣器的工作，不需要停池凈水，檢修成本低，工作量少。
動(dòng)態(tài)曝氣器為固定式安裝，一經(jīng)¬安裝完成后，便不可以移動(dòng)，如果某間曝氣池需要檢修，就必須停止該池的運(yùn)行，并且將池內(nèi)的污水和淤泥等雜物清除后，方可施工，檢修成本較高。
1.4.2耐用性
搖臂式微孔曝氣器的失效形式主要有以下3種：①鋼制布?xì)夤苌P后產(chǎn)生氧化鐵以及污水和空氣中的雜物會(huì)造成曝氣管內(nèi)堵，曝氣管內(nèi)氣流分布不均勻，使曝氣管抖動(dòng)，而產(chǎn)生疲勞損壞；②曝氣管安裝在管接頭上，在曝氣管抖動(dòng)和污水腐蝕的雙重作用下，管接頭易從根部折斷，污水的腐蝕還會(huì)造成布?xì)夤鼙跍p薄穿孔；③水下?lián)u臂活動(dòng)關(guān)節(jié)長(zhǎng)期浸泡在水中，可能會(huì)因?yàn)樯P等原¬因而無法轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得曝氣器不能正常提升到水面。以上3種失效形式，經(jīng)¬過近年來的新技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)¬得到很大的改善，使得曝氣器的使用壽命可達(dá)5年左右。
動(dòng)態(tài)曝氣器的失效形式則有：由于疲勞或腐蝕等原¬因，曝氣頭各部件(如圓罩、旋混筒、旋混圈等)之間的連接件斷裂或松脫，而造成曝氣頭解體或脫落；配氣管斷裂；配氣管一般采用UPVC等非金屬管材，管子與管子，管子與管件多用膠水粘連，一旦粘接不牢，容易從粘連處脫落和漏氣。這3種失效形式一般可以通過合理選型，正確選材，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)等方法來避免。因此，這種曝氣器的使用壽命較長(zhǎng)，可達(dá)8～10年。
1.4.3實(shí)際應(yīng)用
搖臂式微孔曝氣器因?yàn)橛醒趵寐矢摺z修方便等優(yōu)點(diǎn)，較多應(yīng)用在生產(chǎn)負(fù)荷較重、污水水質(zhì)較惡劣的一級(jí)生化系統(tǒng)；固定式動(dòng)態(tài)曝氣器則因?yàn)橛醒趵寐噬缘偷梢蚤L(zhǎng)期保持，檢修困難但使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，一般應(yīng)用在生產(chǎn)負(fù)荷較低，污水水質(zhì)較好的二級(jí)生化系統(tǒng)。
2結(jié)論
曝氣器的種類非常多，經(jīng)¬過不斷的更新和發(fā)展，其結(jié)構(gòu)和性能更是有著日新月異的變化。本文介紹的只是其中極少的幾種，所作的論述也只是根據(jù)本地區(qū)的有限幾家污水處理場(chǎng)的情況而作，一些看法帶有很大的片面性和局限性。其實(shí)，曝氣器的選用依據(jù)各有側(cè)重，主要考慮下列因素：
①空氣擴(kuò)散裝置應(yīng)具有較高的氧利用率和動(dòng)力效率，具有較好的節(jié)能效果；
②不易堵塞，出現(xiàn)故障易排除，便于維護(hù)管理；
③構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于安裝，工程造價(jià)及裝置本身成本都較低。
此外，還應(yīng)考慮污水的水質(zhì)，地區(qū)條件以及曝氣池型、水深等。
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