氧化溝工藝中幾種曝氣設備的發(fā)展概況
摘 要：就氧化溝處理工藝中的曝氣設備而言，近幾年，在國內建設的污水處理工程中，花費了大量外匯用來進口國外曝氣設備，這不僅增加了工程投資，還由于維護管理等問題，給污水處理廠的正常運行帶來許多問題。因此，發(fā)揮國內企業(yè)在環(huán)保領域的作用，促進民族工業(yè)的發(fā)展，加速國外先進曝氣設備的消化吸收，提高我國曝氣設備的科技含量和國產化率，增強在市場中的競爭能力，是促進該領域發(fā)展的根本途徑。
近20~30年來，污水的除磷脫氮技術一直是污水處理領域研究開發(fā)和應用的熱點，并已取得了長足進展。氧化溝處理工藝作為城市污水和工業(yè)廢水處理中有較強競爭力的二級生物處理技術已被世界各國廣泛采用。曝氣設備作為氧化溝處理工藝中最主要的機械設備，是影響氧化溝處理效率、能耗及穩(wěn)定性的關鍵之一，不僅兼有充氧、推動、混合等功能，還決定著氧化溝的占地面積和基建投資。隨著氧化溝處理工藝對曝氣設備的要求越來越高，以及能源的日趨緊張，新型高效低能曝氣設備的研究已經成為推動氧化溝處理技術發(fā)展和節(jié)能降耗的重要因素。多年的研究結果使得曝氣設備已經在技術上達到了一個很高的水平，完全可以滿足污水生物處理工藝對曝氣設備的要求，并且在提高能源利用效率方面也取得了較大進步。國內外的實踐證明，新型曝氣設備的開發(fā)應用，將意味著新一代氧化溝工藝的誕生。
下面簡要介紹幾種近些年在氧化溝處理工藝中采用的曝氣設備及其進展。
1． 曝氣轉盤
Orbal氧化溝是氧化溝類型中的重要形式，在中高濃度的城市污水處理廠中具有相當明顯的技術經濟優(yōu)勢。曝氣轉盤是用于Orbal氧化溝的專用曝氣裝置，它起著充氧、混合、推動水流作循環(huán)流動和防止活性污泥沉淀等作用。在我國，曝氣轉盤主要是由聚乙烯或抗腐蝕性玻璃鋼壓鑄成型，轉盤表面設有規(guī)則排列的楔形凸出物，以增強推動混合和充氧效率，盤上開有許多不穿透小孔（稱為曝氣孔），使空氣分散到液體中以達到充氧的目的。
曝氣轉盤的充氧能力可通過下面四種方式來調節(jié)：
（1）通過調節(jié)出水堰的高低來改變轉盤的浸沒深度；
（2）改變轉盤電機的轉速（通常采用兩級變速）；
（3）增加或減少轉盤的盤數(shù)；
（4）改變轉盤的旋轉方向。
近年我國天津國水設備工程公司與美國Envirex公司合作，引進美國先進的曝氣轉盤生產模具，在國內獨家制造出材料為高強輕質塑料的新型曝氣轉盤，其主要技術參數(shù)為：
曝氣轉盤直徑：1400mm；
適用轉速：43~55r/min；
適用浸沒水深：400~530mm；
單盤標準清水充氧能力及動力效率見表1~2所示：
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實際污水處理工程中，曝氣轉盤性能的好壞和效率的高低，直接影響到Orbal氧化溝的處理效果、動力消耗、建設投資和運轉費用。與同類曝氣設備相比，曝氣轉盤具有工作水深大、充氧能力大、充氧效率高、混合能力強以及結構簡單、組裝靈活、使用壽命長、安裝維修方便等特點。
2.曝氣轉刷
曝氣轉刷主要有Kessener轉刷、籠型轉刷和Mammoth轉刷三種，其它產品均是這三種的派生型，一般用于Pasveer氧化溝中。Kessener轉刷和籠型轉刷這兩種曝氣轉刷，氧化溝設計有效水深一般在1.5m以下。Mammoth轉刷是為增加單位長度的推動力和充氧能力而開發(fā)的，葉片通過彼此連接直接緊箍在水平軸上，沿圓周均布成一組，每組葉片之間有間隔，葉片沿軸長呈螺旋狀分布，在旋轉過程中葉片順序進入水中，以保證運行的穩(wěn)定性并可減少噪聲。軸為中空鋼管，轉刷直徑可達1.0m，轉速為70~80r/min，浸沒深度為0.3m，目前最大有效長度可達9.0m，充氧能力可達8.0kgO2/(m×h)，動力效率一般在1.5~2.5kgO2/kW×h之間，氧化溝設計有效水深為3.0~3.5m。常見的曝氣轉刷葉片由鍍鋅鋼板、不銹鋼板、玻璃鋼等材料做成，形狀也多種多樣，有矩形、三角形、T型、W型、齒型、穿孔葉片等。主軸一般為熱扎無縫鋼管和不銹鋼管。
我國近年來引進國外技術，具備了生產制造曝氣轉刷的能力，其轉刷葉片主要由鍍鋅鋼板做成，形狀常采用矩形，各項性能指標基本達到了國際水平。
表3中是摘錄文獻的部分曝氣轉刷的特性。
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為了取得更大的除磷脫氮效果，則需要一個較大的反應池，在其中完成硝化和反硝化過程。由于土地的限制，使得反應池的水深達到了8m，以往這個水深，常采用微孔曝氣設備，但現(xiàn)在也可以使用曝氣轉刷。曝氣轉刷的循環(huán)性能可達到水深3.5m，可以滿足不產生沉積的操作要求，在水深大于3.5m時可附加潛水攪拌器，則工作水深達到8m是沒有任何問題的。當使用這種潛水攪拌器，除了供連續(xù)運轉外，在長期或短期間高含氧量交替缺氧期間可作間歇性運轉，使反應池中的污水保持一定的流速，避免沉積。
3. 立式表面曝氣機
立式表面曝氣機是專為Carrousel氧化溝設計的，一般每條溝安裝一臺，置于反應池的一端。它的提升能力強，允許有較大的溝深（4~5m），適用于大流量的污水處理廠，應用較為廣泛。它的充氧能力隨葉輪直徑變化較大，動力效率一般為1.8~2.3kgO2/kW×h。
立式表面曝氣機有固定式和浮筒式兩種，其中浮筒式整機安裝在浮筒上，用鋼繩固定于水中，用防水電纜與之連接，它可根據(jù)需要在一定范圍內移動；而固定式立式曝氣機的規(guī)格品種最多，目前在我國是以泵型（E型）及倒傘型葉輪為主。泵型葉輪曝氣機是我國自行研制的高效表面曝氣機，葉輪直徑在0.4~2.0m之間，葉輪的充氧方式以水躍為主，液面更新為輔。倒傘型葉輪曝氣機的葉輪直徑一般在0.5~2.5m，國內最大的倒傘型葉輪直徑為3m。由于其葉輪直徑較泵型的大，故其轉速較慢，約為30~60r/min，動力效率為2.13~2.44 kgO2/kW×h，在最佳時可達2.51kgO2/kW×h。倒傘型葉輪曝氣機的充氧方式是以液面更新為主，水躍及負壓吸氧為輔，目前廣泛應用的Carrousel氧化溝就多是采用這種曝氣機。
4. 抽吸式曝氣機
抽吸式曝氣機通常是傾斜安裝在反應池中，是一種葉輪抽吸式曝氣攪拌機。
抽吸式曝氣機的工作原理是：空氣被吸入水面以下并且被高速旋轉的葉輪攪碎，中空的螺旋槳驅動軸頂端連接著電機軸，其底端與螺旋槳和擴散器連在一起。驅動軸上部有孔洞，空氣通過它得以進入水下。螺旋槳在水下高速旋轉形成負壓并產生液體流，在壓力差的作用下，空氣通過空心驅動軸進入水中。螺旋槳形成的水平流將空氣轉化成細微、均勻的氣泡，其平均直徑2mm，達到美國環(huán)保組織為優(yōu)秀的空氣擴散器制定的2.2mm的標準。在與水的接觸中，氧氣被水和水生生物吸收。這些氣泡擴散得較遠，從而與水接觸得時間很長，氧利用率非常高。曝氣機的氧氣擴散區(qū)和混合區(qū)的范圍隨機器型號而變化，將多臺曝氣組合安裝在反應池中，可使氧氣在整個反應池中混合并擴散。
工作時曝氣機的入水角度可以在30°～90°之間調節(jié)，通常以45°放置，但有些時候為達至最好的效果，必須根據(jù)具體情況調節(jié)安裝角度。曝氣機可以提出水面直接維修。
將曝氣機的影響區(qū)域互相連接，使水的混合效果與氧氣傳遞速率達至最大，這是在反應池中形成水流聯(lián)動的基礎。水流聯(lián)動是若干臺曝氣機經過合理的布置形成循環(huán)流，使池中的平均流速與總功率的比值達到最大值。極大的流速使氧氣得到迅速擴散，并產生充分的混合效果，加快生物反應。
由于曝氣機安裝上的靈活性，它在任何形狀的反應池中幾乎都能良好地工作。在環(huán)行池、氧化溝、調節(jié)池、有水位波動的池子、淺池、矩形池或方形池中，都可以因地制宜，找到合適的安裝和布置形式。
5. 微孔曝氣板
由日本研制開發(fā)的微孔曝氣板是采用聚氨酯薄膜，并能發(fā)生出目前認為很難實現(xiàn)的直徑1mm超微泡的高效率曝氣設備。該微孔曝氣板是在PVC制基板上，緊繃開有微孔的特殊聚氨酯薄膜以保持氣密，并用不銹鋼制槽鋼及框架來加固。標準件的尺寸為1.2m´3.6m、重量105kg，3~4人即可搬運及安裝一張曝氣板。該特殊聚氨酯薄膜厚約1mm，彈性極大且耐久性卓越。同時，該特殊聚氨酯薄膜的表面光滑，具有很難附著生物膜，即使萬一附著上生物膜時，也極易剝離的特征。因此，它是適用于曝氣的優(yōu)秀材料。
表4 中列出了微孔曝氣板的主要規(guī)格和性能參數(shù)。
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以下介紹微孔曝氣板的主要性能。
（1）氧氣轉移效率
氧氣向水中的轉移（溶解）是氣層與液層之間的物質轉移現(xiàn)象，氣液的接觸面積越大，即氣泡的表面積越大，則會提高氧氣的轉移效率。以同樣的空氣量進行曝氣，氣泡直徑越小則其整體的表面積越大，效果也越好。同時，氣泡直徑越小其上升速度越慢，氣液的接觸時間越長，據(jù)此也可得到極高的氧氣轉移效率。
為了產出微泡而縮小曝氣孔徑，各曝氣設備廠家之間展開了激烈的開發(fā)競爭，但氣管細小而復雜以及空氣中的粉塵等往往是很易堵塞曝氣孔眼。而采用聚氨酯薄膜的微孔曝氣板，很好地解決了曝氣孔眼的堵塞問題，在不使用高檔除塵裝置的情況下也可以產出微小氣泡，得到極高的氧氣轉移效率。
（2）所需動力及電費
微孔曝氣板的氧氣轉移效率極高，故可減少送氣量。但因其氣泡直徑約為1mm，雖然壓損將比以往的曝氣頭有所增加，但是，從整體的所需動力來看，還是比以往的曝氣頭少，可以降低電費。
另外，若將現(xiàn)有的反應池的曝氣裝置改變成微孔曝氣板時，根據(jù)風量削減效果試驗得出，繼續(xù)使用現(xiàn)有得鼓風系統(tǒng)是能夠獲得同等電力削減效果的。
表5中列出了微孔曝氣板與以往曝氣頭和陶瓷制曝氣板動力及電費消耗的對比情況。
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（3）曝氣方法
微孔曝氣板曝氣時薄膜會鼓起并擴張薄膜的微孔，據(jù)此通氣來開始曝氣。曝氣停止時，微孔閉縮且薄膜呈緊繃在基板狀態(tài)以阻止污水浸入內部，造成孔眼的堵塞問題。因此，也不需要以往微孔曝氣頭所需的1m高性能空氣濾清器。
（4）維修保養(yǎng)
微孔曝氣板很難從內部發(fā)生堵塞孔眼問題或在薄膜表面附著生物膜，即使附著后也極容易剝離，故不需要特殊的維修保養(yǎng)。萬一附著粘泥或因塵土等放生堵塞孔眼而導致壓損上升時，可利用薄膜的高彈性通過停止曝氣后再開始曝氣的簡單操作就可以使孔眼恢復原狀并開始正常運轉。
（5）耐久性
用于微孔曝氣板的薄膜與以往的橡膠不同，是不添加增塑劑的特殊聚氨酯薄膜，不僅柔軟且極有彈性。因不含增塑劑，故長期使用也不會發(fā)生因增塑劑脫離而引起的薄膜老化現(xiàn)象。這種卓越的耐久性，已有10年以上的使用業(yè)績得以證實。
綜合歸納，微孔曝氣板的主要特征是：
① 曝氣效率高，可以大幅度地減少耗電量（電費降至一半以下），并在轉為除磷脫氮工藝時，可以利用現(xiàn)有的鼓風系統(tǒng)提供所需的氧氣量；
、 不會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，隨時可以停止曝氣作業(yè)，容易進行維護和管理；
、 使用壽命長，目前已有10年以上的運轉業(yè)績；
、 安裝工作簡單。
作為氧化溝工藝的曝氣設備，常采用機械曝氣設備，此時機械曝氣設備是起充氧和推流的作用，在實際運轉操作中很難分別獨立控制充氧量和流速。尤其是對除磷脫氮要求高時，需要反應池中保持一定容積的厭氧段，但機械曝氣設備為防止活性污泥的沉淀而需要一定的流速，這樣往往容易引起充氧過量，特別是在降雨天等進水溶解氧較高時，該狀態(tài)更加顯著，從而不能得到理想的除磷脫氮效果。與此相比，微孔曝氣板和螺旋槳式攪拌機組合方式是兩個完全獨立的設備進行充氧及攪拌，因此可分別控制流速及溶解氧，并能夠高效簡單地運行操作。另外，位于寒冷地區(qū)的處理廠若采用機械曝氣設備，則直接將低溫空氣作為充氧氣體使用，會導致水溫降低。而微孔曝氣板和螺旋槳式攪拌機組合方式是利用空壓機排出的壓縮空氣進行充氧，它具有隔熱壓縮的加熱效果，可防止水溫降低，保證處理工藝在冬季也能夠穩(wěn)定進行運轉。
總之，微孔曝氣板目前已在歐美50多項工程中得到應用，其性能博得到高度的評價。
隨著我國經濟的發(fā)展和即將加入WTO，我國的環(huán)保工業(yè)與國外競爭的時代已經到來，而與國外相比我們還有很大的差距。就氧化溝處理工藝中的曝氣設備而言，近幾年，在國內建設的污水處理工程中，花費了大量外匯用來進口國外曝氣設備，這不僅增加了工程投資，還由于維護管理等問題，給污水處理廠的正常運行帶來許多問題。因此，發(fā)揮國內企業(yè)在環(huán)保領域的作用，促進民族工業(yè)的發(fā)展，加速國外先進曝氣設備的消化吸收，提高我國曝氣設備的科技含量和國產化率，增強在市場中的競爭能力，是促進該領域發(fā)展的根本途徑。
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