1前言
在當前水源水微污染預處理工藝中，接觸氧化法是個(gè)首先的選擇，該工藝在我國的污水處理中有著(zhù)較長(cháng)的應用歷史。因此，其工藝設計和運行經(jīng)驗完全可以作為水源水微污染預處理工藝的借鑒。在該工藝中，曝氣系統選擇的適當與否，對運行的成功或失敗有著(zhù)直接的重要影響。國內許多水處理工程中，因曝氣系統設計和曝氣器選擇不當造成運行效率低甚至失敗的例子有不少。因此，水源水微污染預處理中，正確設計曝氣系統和選擇合適的曝氣器是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。由于目前國內生產(chǎn)曝氣器的企業(yè)規模都較小，自身沒(méi)有測試能力，而且即使一些數據經(jīng)過(guò)測試部門(mén)測試，也缺乏相互間的可比性，許多數據缺乏權威性和準確性。這種情況給設計人員和用戶(hù)在選用產(chǎn)品時(shí)造成了困難。需要指出的是，一些設計人員本身也存在著(zhù)對有些參數認識模糊的情況。
在上述情況下，工程設計中出現設計不當和曝氣器類(lèi)型選擇不合適的情況便難免發(fā)生。我們根據二十余年在實(shí)際工程中掌握和積累的一些經(jīng)驗，在這里對部份設計參數提出自己的看法，同時(shí)對幾種類(lèi)型曝氣器分別進(jìn)行分析介紹，以供設計人員和用戶(hù)參考。
2設計參數
2．1氣水比
在接觸氧化法處理工藝設計中，把氣水比作為一個(gè)首先考慮的參數是不合適的。針對接觸氧化法處理工藝而言，計算供風(fēng)量首先要考慮兩個(gè)因素；一是供氧能力，二是曝氣強度。供氧能力和曝氣器類(lèi)型、填料種類(lèi)、水深有關(guān)。而曝氣強度則和水深及停留時(shí)間有關(guān)，也和氣水比有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，設計時(shí)由于考慮到水流沖刷速度，(該沖刷速度是出于對填料上生物膜沖刷的需要)設計風(fēng)量往往大于供氧所需風(fēng)量。也就是說(shuō)只有在水量、風(fēng)量、停留時(shí)間都確定后，才會(huì )產(chǎn)生氣水比這樣一個(gè)被動(dòng)數據。所以，在設計時(shí)把氣水比作為一個(gè)先決條件是不合適的，也不應該把其它工程設計中的氣水比拿來(lái)作比較。只有在水質(zhì)、水深、停留時(shí)間、曝氣器類(lèi)型、填料種類(lèi)等因素均相同的情況下，這種比較才有意義。
2．2服務(wù)面積
服務(wù)面積實(shí)際所指的是單個(gè)曝氣器安裝之間距離的計算結果，嚴格來(lái)說(shuō)不論何種曝氣器均不存在服務(wù)面積這樣一個(gè)絕對參數。但是，在工程設i．t1~用或用戶(hù)采購時(shí)卻經(jīng)常把這個(gè)參數作為一個(gè)比較產(chǎn)品性能優(yōu)劣的一個(gè)標準，這是認識上的一個(gè)誤解。目前，各個(gè)廠(chǎng)家提供的服務(wù)面積這個(gè)數據基本上是根據曝氣器尺寸大小及曝氣時(shí)氣泡所涉及的范圍而定的，即從感覺(jué)上認為氣泡在水體中均勻與否而定的，其實(shí)這種均勻與否只是相對的。一旦水深、風(fēng)量發(fā)生變化，這種均勻性也會(huì )發(fā)生變化。從生物處理工藝本身來(lái)說(shuō)，并不要求曝氣絕對均勻，而從供氧效率、對填料上生物膜的沖刷、防止污泥沉積等需要來(lái)說(shuō)，曝氣則是越均勻越好。按照這個(gè)要求，給曝氣器設定的服務(wù)面積應是越／J、越好�？紤]到造價(jià)等原因，實(shí)際使用時(shí)當然不可能這么做。我們在這里想說(shuō)明的是，設計人員在設計時(shí)不必受產(chǎn)品介紹中所提供的服務(wù)面積所限制僅作為參考，而應該根據條件和需要來(lái)考慮曝氣器安裝密度。
2．3曝氣強度
曝氣強度的單位是m3／mh，這是一個(gè)運行時(shí)十分重要的參數。在接觸氧化法中，這個(gè)參數關(guān)系到填料上生物膜能否及時(shí)脫落更新。由于曝氣強度這個(gè)參數受停留時(shí)間、水深、氣水比的影響，所以在考慮上述參數時(shí)，應同時(shí)考慮曝氣強度這個(gè)參數。在我們接觸的工程中，曝氣強度從1m／mhN30m／mh均碰到過(guò)，有的成功，有的失敗。根據我們的經(jīng)驗，越是有機污染濃度高的水質(zhì)，曝氣強度應該越大。特別是在接觸氧化法中，沒(méi)有較強的曝氣強度，填料上的老化生物膜很難脫落。盡管各種結構不同的填料，結膜程度會(huì )有不同，但曝氣強度仍是脫膜的一個(gè)重要因素。在水源水微污染預處理中，由于有機污染物的濃度不高，所以氣水比一般較小，因此造成填料上積泥的情況十分普遍。這種積泥不但會(huì )使處理效率下降，還會(huì )對水質(zhì)產(chǎn)生有害影響。所以設計時(shí)應充分考慮這一情況，可以用提高水深和加大氣量等方面來(lái)加強曝氣強度，實(shí)在沒(méi)有辦法時(shí)，也可采用單側輪流曝氣的方式來(lái)提高曝氣強度，以保證對填料上的積泥有足夠的沖刷能力。
2．4氧的利用率
氧的利用率對于曝氣器來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要參數，這個(gè)參數既關(guān)系到效率，又關(guān)系到運行費用。由于國內對于曝氣器氧的利用率測試均是在清水的空池內進(jìn)行，這和工程中的實(shí)際運行條件有很大的差異。我們在長(cháng)期的工程實(shí)踐中認識到：在裝有填料的池子中，大氣泡和小氣泡所受到的切割效果是完全不一樣的，因此這種情況會(huì )直接影響到氧的利用率這個(gè)參數。為了證實(shí)這一點(diǎn)，我們于1999年12月2日委托清華大學(xué)水污染控制設備質(zhì)量監督檢驗中心對此進(jìn)行了驗證測試。我們選用了可變孔曝氣器和穿孔空管曝氣器在不裝填料和安裝填料兩種情況下的對比測試。結果證明：在不裝填料時(shí)，可變孔曝氣器氧的利用率要遠遠高于穿孔空管曝氣器，而在裝有填料時(shí)這兩者氧的利用率是基本相同，甚至有穿孔空管曝氣器氧的利用率。
高于可變孔曝氣器的情況出現。(見(jiàn)左下表)上述表格中的數據出現并非是偶然的，我們通過(guò)試驗池玻璃窗直接觀(guān)察發(fā)現：微氣泡在上升過(guò)程中不會(huì )破碎，甚至有不斷聚合的情況。但大氣泡在上升過(guò)程中由于填料碰撞切割而破碎，監因此增加了水體紊動(dòng)，提高了傳質(zhì)效果，從而進(jìn)一步提高了氧的轉移速率。而氣泡在破碎的瞬間，氧的轉移速率是最高的。因此設計人員在設計時(shí)，應充分考慮影響氧的利用率的諸多因素，不能僅從清水充氧i貝『J試結果來(lái)判斷決定。
3曝氣器種類(lèi)
3．1微孔曝氣器、可變孔曝氣器微孔曝氣器是一種微氣泡曝氣器，該產(chǎn)品原先系從國外引入，材質(zhì)用陶瓷或鈦板等制成。該曝氣器曝氣時(shí)出來(lái)的氣泡細小，其直徑為2mm左右，因此氧的利用率較高，清水空池測試為20％左右。由于這類(lèi)曝氣器設計使用時(shí)供氣量較小，氣泡上升時(shí)所帶動(dòng)的水流速度很慢，因此氣泡呈平穩上升態(tài)勢，相互之間很少互相碰撞，影響了氣、液二相膜面的更新速度，傳質(zhì)效率不高。這類(lèi)曝氣器還存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即易堵塞。這種堵塞一般由兩個(gè)原因引起，一是空氣及管路中的灰塵和管路剝落物造成的內堵，二是微生物在曝氣器表面生長(cháng)所引起的外堵。國外對防止堵塞采用空氣過(guò)濾和定期用酸霧清洗的方法，這能取得較好的效果。但這兩種措施要求有相應的設備和良好的管理水平，因此這類(lèi)曝氣器較適用于城市污水活性污泥法處理的大型污水廠(chǎng)。在微孔曝氣器之后，國外又出現了可變孔曝氣器，即采用在橡膠皮上打微孔來(lái)取代陶瓷等材料。這種曝氣器曝氣時(shí)橡膠皮鼓起，微孔張開(kāi)，停止曝氣時(shí)，微孔閉合，這種方法能有效地防止微生物生長(cháng)引起的外堵。但是由于曝氣風(fēng)溫較高，造成橡膠皮老化是這類(lèi)曝氣器的主要弊病。這種曝氣器屬于大阻力曝氣系統，只要有一個(gè)曝氣器的橡膠皮脫落或破損，即會(huì )引起整組曝氣系統無(wú)法正常運行。微孔類(lèi)曝氣器安裝間距在500mm～800mm之間，造價(jià)約為600元／m左右。盡管這類(lèi)曝氣器氧的利用率較高，但綜合其它方面利弊，行家們的一致意見(jiàn)是接觸氧化法工藝不適宜采用�；钚晕勰喾〞r(shí)可以用，但質(zhì)量和使用壽命等方面還要研究提高。
3．2散流式類(lèi)曝氣器
這類(lèi)曝氣器包括YJB—600一型、金山1號、動(dòng)態(tài)曝氣器等類(lèi)型，上述幾種曝氣器雖然各生產(chǎn)企業(yè)在命名上差異很大，但基本原理相同。都是在管道上開(kāi)孔，然后由曝氣器的本身結構對氣流進(jìn)行擴散、切割。這類(lèi)曝氣器氧的利用率在8～12％之間，和填料配合使用時(shí)可達l0～15％左右。這類(lèi)曝氣器曝氣時(shí)氣泡大小不等，直徑在20ram～30ram之間，氣泡在上升過(guò)程中可互相碰撞破碎，同時(shí)可帶起較大的水流速度，并具有不堵塞的特點(diǎn)。這類(lèi)曝氣器安裝間距一般在lO00mm～2000ram左右，其造價(jià)包括管道約為200～400元左右。這類(lèi)曝氣器具有使用壽命長(cháng)、不堵塞、造價(jià)低的特點(diǎn)，因此特別適合在接觸化工藝中使用。這類(lèi)曝氣器的缺點(diǎn)是布氣均勻性相對較差。
3．3穿孔管曝氣系統
穿孔管曝氣系統裝置是我國水處理中使用最早的曝氣裝置。由于穿孔管具有簡(jiǎn)單、制造方便、造價(jià)低等特點(diǎn)，早期的工程無(wú)論是活性污泥法或是接觸氧化法，均基本上采用穿孔管曝氣。由于當時(shí)使用的穿孔管系碳鋼制作，因而由材質(zhì)銹蝕造成的堵塞便成了不可避免的缺陷。生物處理中，曝氣系統一旦發(fā)生堵塞即會(huì )使曝氣無(wú)法正常進(jìn)行，直至導致工程運行失敗。
為此，穿孔管一度被設計人員所冷落。在長(cháng)期的工程實(shí)踐中，我們發(fā)現：盡管在穿孔管之后發(fā)展了許多種類(lèi)的曝氣器，卻至今未有一種十分理想的曝氣器。各種曝氣器雖然各有優(yōu)點(diǎn)，但其綜合優(yōu)點(diǎn)未必都能超過(guò)穿孔管。我們認為：只要解決了穿孔管的堵塞問(wèn)題，就會(huì )為其正常使用提供一個(gè)可靠的保證。為此我們在許多改造工程中，專(zhuān)門(mén)對穿孔管的堵塞問(wèn)題進(jìn)行分析研究。通過(guò)反復調查顯示，穿孔管的堵塞是由兩個(gè)原因造成的。一是材質(zhì)原因，二是結構設計原因。對于前一個(gè)原因，大家均已充分認識到，即鋼管在長(cháng)期氧化中脫落的銹蝕物及孔IZl氧化銹蝕造成了堵塞。這種堵塞一旦發(fā)生，就會(huì )形成惡眭循環(huán)，使整個(gè)曝氣系統無(wú)法正常使用。對于穿孔管因結構問(wèn)題造成的第二個(gè)堵塞原因，這在以前則往往被忽視。穿孔管以前大部分被設計成“梳子狀”的型式，即每根穿孔管的末端均有我們稱(chēng)為“端點(diǎn)”的死區。二是由于配管阻力計算和造價(jià)考慮，主管和穿孔管管徑差異較大。這樣，曝氣孔口所在水平位置不是在整個(gè)管路系統的最低點(diǎn)，最低點(diǎn)在主干管的下部，我們稱(chēng)為“低位區”。在工程運行時(shí)，有時(shí)會(huì )難免發(fā)生風(fēng)機停風(fēng)的情況，這時(shí)，污泥和生物膜會(huì )隨水流回灌到管路系統內。當重新啟動(dòng)風(fēng)機時(shí)，管路內的污泥不能全部沖出，有—部分會(huì )在“端點(diǎn)”和“低位區”沉積，并在風(fēng)溫的作用下干結、硬化，長(cháng)期積累即會(huì )造成穿孔管堵塞。我們解剖了許多堵塞的穿孔管，發(fā)現里面干結的污泥比石塊還硬。針對穿孔管上述堵塞的原因，我們設計了“ABST彎式穿孔管曝氣系統”。該下彎式穿孔管曝氣系統采用ABS工程塑料為原料，這不但解決了氧化銹蝕造成的堵塞問(wèn)題，還可以使使用壽命大大提高。第二我們將整個(gè)管路系統設計成“目”字狀，使其整體呈環(huán)形閉合狀態(tài)，這樣就解決了“端點(diǎn)”積泥問(wèn)題。在管路立面布置上，我們對主管和穿孔管的連接采用了“下彎連接方式”(專(zhuān)利號：98106514．7)。即主管和穿孔管的中心不是在同一水平線(xiàn)上，而是通過(guò)“下彎連接”使穿孔管處于整個(gè)管路系統的最低點(diǎn)。這樣，風(fēng)機暫停時(shí)回灌到管路內的污泥在重新曝氣時(shí)可全部沖出管外。我們認為：穿孔管只要解決了堵塞問(wèn)題，其使用前景最為廣闊。不管在何種曝氣強度時(shí)，穿孔管均能分別針對J眭設計而不受任何限制。相對之下，微孔曝氣器等則會(huì )不同程度地受到阻力等因素的限制。就其曝氣整體均勻性來(lái)說(shuō)，其它曝氣裝置只能相對達到“點(diǎn)均勻”和“線(xiàn)均勻”，而唯有穿孔管能達到“面均勻”的良好狀態(tài)。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4、結束語(yǔ)
隨著(zhù)水源水微污染預處理這個(gè)工藝逐步推廣和發(fā)展，該工藝對曝氣器的需求將會(huì )越來(lái)越大，各種各樣的曝氣器也會(huì )不斷進(jìn)入市場(chǎng)。因此，設計部門(mén)和用戶(hù)如何在品種繁多的產(chǎn)品中有一個(gè)正確的選擇，便是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。要想對一種產(chǎn)品有一個(gè)正確認識，我們應該從曝氣器的基本原理去著(zhù)手分析。曝氣器是通過(guò)自身對空氣的擴散和分流來(lái)促使空氣中的氧更好地向水中傳遞，而氧向水中轉移過(guò)程離不開(kāi)以下三個(gè)要素：一是空氣和液體接觸的面積；二是空氣和液體接觸的時(shí)間；三是空氣和液體界面更新的速度，這就是充氧原理的“雙膜理論”。有了對上述原則的認識，再去分析某種曝氣器的曝氣原理和過(guò)程，就可大致判斷該曝氣器的優(yōu)劣。也不會(huì )被一些名稱(chēng)怪異的產(chǎn)品所迷惑，從而使工程設計和采購時(shí)有正確的選擇，避免造成不必要的損失。
目前，國內市場(chǎng)上及應用中尚有另外一些名稱(chēng)和品種的曝氣器，有些其基本原理和第三章所列的相同，只是名稱(chēng)上有所不同。有些品種因為使用較少，如表曝機、射流曝氣器、固定螺旋曝氣器等等。限于篇幅這里不再逐一介紹。
