7．5　曝气

在活性污泥法工艺中，曝气有两个作用：一是充氧作用，没有充足的溶解氧，好氧微生物就难以对有机污染物进行氧化分解；二是混合作用，通过曝气搅拌，确保活性污泥处于悬浮状态，使微生物、有机物和氧充分接触，以提高净化效率。

充氧和曝气是通过曝气设备来实现的。曝气效果关系活性污泥法的能耗和处理效果。因此，掌握曝气原理、曝气方法和曝气设备具有十分重要的意义。本节重点讨论气体传递原理、影响氧转移的因素和常用的曝气方法。

7．5．1　曝气的理论基础

7．5．1．1　氧传递原理

曝气过程就是使空气中的氧在与水接触过程中从气相转移至水相的过程，通常采用双膜理论来描述这一过程。气体传递双膜理论示意图见图7－17。

双膜理论的基本论点如下：

（1）在做相对运动的气、液两相的交界面两侧，存在着气膜和液膜。在其外侧分别为气相主体和液相主体，主体内流体的紊流强度大，气膜和液膜始终保持层流状态，但紊流程度越大对应的层流膜厚度就越小。气体的转移就是在气膜和液膜进行分子扩散和在膜外进行湍流扩散的过程（图7－17）。

（2）气体在向液相传递过程中，气、液两相主体充分湍动，氧的浓度分布均匀，几乎没有传质阻力。在两相界面上，假定氧的传递已经达到平衡，无传质阻力。而在气膜和液膜内，流体做层流运动，传质的阻力主要集中于此。对于难溶解的氧而言，液膜对传质的阻力是主要的，氧传递速率主要受液膜控制。因此，通过液膜的传质速率是氧转移过程的控制速率。

（3）传质推动力。气膜中的氧分压梯度和液膜中的氧浓度梯度，是氧传递的推动力。气相主体的浓度和两相界面上的氧的饱和浓度之差是氧传递的总推动力。

根据费克第一定律，氧传递率，即单位时间通过气、液界面的氧的质量可表示为

设液相主体的体积为V（m3），式（7－51）同除以V，得

对于某一曝气系统而言，为常数，令

KLa表示氧总传质系数（单位为h－1），式（7－52）可变为

对式（7－53）进行积分，可以得到

式中　c1，c2——分别为t和t2时刻氧在混合液中的浓度，利用此式可以求得KLa。

从式（7－54）可以看出，提高氧转移速率dc／dt的措施如下：

1）提高KLa值。提高混合液的紊流程度，降低液膜厚度δL，加速气、液界面的更新，增大气、液界面面积等。

2）提高cs值。提高气相中的氧分压，如采用纯氧曝气、深井曝气等。

7．5．1．2　氧转移的影响因素

1．污水水质

污水中含有的各种杂质，对氧的转移会产生一定的影响。如阴离子表面活性剂会在气、液界面处形成一层分子膜，增加了氧转移至液相的阻力，从而使KLa值减小。KLa一般采用清水测定，当用于污水时，须采用小于1的系数α进行修正，即

污水中的溶解性盐类会影响水的饱和溶解氧值，为此，引入另一个小于1的系数β予以修正，即

α和β的值可通过污水和清水的曝气充氧试验测定。采用鼓风曝气时，α在0．4～0．8之间；采用机械曝气设备时，α在0．6～1．0之间。β值通常在0．70～0．97范围内。

2．水温

水温升高，水的黏度降低，液膜厚度δL减小，KLa值相应增大；反之，则KLa减小。KLa和温度T之间的关系式为

水温对饱和溶解氧值cs也会产生影响，当水温升高时，cs的值会下降，则氧转移速率dc／dt也会降低。因此，温度对dc／dt有两种相反的影响，但不能相互抵消。总体上，低温有利于氧气的转移。

3．氧分压

水中cs值和当地的氧分压和气压有关。气压降低，cs也会下降。因此，在大气压不等于1．013×105Pa的地区，cs应当乘以压力修正系数ρ，即

式中　P——当地的实际气压，Pa。

根据式（7－59）计算出的cs值为水表面处的饱和溶解氧值，适用于表面曝气的情况。对于鼓风曝气，在曝气池池底空气扩散装置出口处的气泡的气压大于当地大气压值，且氧分压最大，因此，cs值也最大；但在水面处气泡内气压已降至大气压值，一部分氧已转移至水中，故cs值最低。因此，鼓风曝气池的cs值是随水深度的变化而变化的，可采用扩散装置出口处和水面处溶解氧饱和浓度的平均值，有

其中

以上各影响因素取决于环境条件和处理系统本身，设备运行时很难通过人力改变，只能通过计算修正，并设法适应。但仍存在一些可以通过人为措施强化氧转移速率的因素，如气泡的大小、液体的紊动程度、气泡和液体接触时间等。气泡的大小由空气扩散器的种类和性能决定，如微气泡扩散器形成的气泡粒径在100μm左右，而大气泡扩散器形成气泡直径在15mm左右。气泡尺寸越小，气液接触面积A越大，KLa值也就越大，氧转移速率也就越高。但气泡小却不利于紊流，对氧转移速率有不利影响。提高紊流程度，如前所述，可以提高KLa值，从而能够提高氧转移速率。气泡和液体接触时间越长，则氧的利用效率也越高。提高气、液界面的更新速率有利于降低液膜中氧的浓度，也有利于提高氧转移速率。气泡的形成、上升和破裂也有利于氧的转移。

7．5．1．3　曝气设备供气量的计算

1．供氧量和需氧量

供气量是选择曝气设备的重要参数，需要用供氧量进行计算。然而，目前设备供应商提供的供氧量是在标准条件下测定的标准供氧量。标准条件是指水温为20℃，大气压为1．013 ×105Pa，溶解氧浓度为0的清水曝气试验。所用清水是可用亚硫酸钠和催化剂氯化钴消氧而得。在实际应用中，充氧的介质不是清水，而是溶解氧浓度，一般为2mg／L的混合液；温度不是20℃，而是T；大气压不一定是标准大气压。因此，混合液的饱和溶解氧值、曝气装置的KLa值，均与标准条件下的值不同，需要修正。故而在实际应用中，实际供氧量不等于标准供氧量。为了选择曝气设备，需要把实际需氧量转化为标准供氧量。

活性污泥法系统的常用需氧量和供氧量指标如下：

（1）实际供氧量O2。它是指在实际条件下，单位时间内转移到混合液中氧的质量，单位为kgO2／h。

（2）标准供氧量OS。它是指在标准条件下，单位时间内转移到清水中氧的质量，单位为kgO2／h。

（3）需氧量Rr。它是指曝气池混合液中活性污泥微生物的需氧速率，单位为kgO2／h，用传统活性污泥法去除碳源污染物需氧量计算方法见7．6节。

2．供氧量的计算

由于脱氧清水的溶解氧浓度c为0，根据式（7－54），可以得到标准供氧量OS，即

式中　cs（20）——20℃时溶解氧的饱和浓度。

在实际条件下，同样的曝气系统的实际供氧量为

将式（7－63）和式（7－64）相除可得

由于系统在稳态下操作，实际供氧量等于需氧量，故O2＝Rr，因此

式（7－66）就是将实际需氧量转化为该曝气设备的标准需氧量的公式，其中OS由设备生产商提供。一般情况下，OS／Rr＝1．3～1．6。

3．供气量的计算

（1）鼓风曝气装置的供气量。计算出标准供氧量OS后，再根据氧利用效率EA可计算出曝气装置在标准条件下的供气量。

式中　S——曝气装置的供氧量，kgO2／h。

鼓风曝气各种空气扩散装置在标准条件下的EA值由厂商提供。

式中　0．28——标准条件下1m3空气中的含氧量，kgO2／m3。

鼓风曝气装置的供气量GS的计算式为

根据GS可以选择鼓风机，再根据鼓风机的台数，可以确定单台风机的风量。一般工作台数小于3台时，应有1台备用，工作台数不小于4时，应有2台备用，备用风机可用于高峰负荷时的补充供气量。

（2）机械曝气供气量的计算。对于机械曝气，厂商会提供叶轮在标准条件下的充氧量（即供氧量）计算公式或图表。如泵型叶轮的充氧量计算式为

K——池型结构修正系数，合建式圆池的K值在0．85～0．93之间，分建式圆池、正方池和长方池的K值分别为1、0．64和0．90。

根据式（7－66）计算出OS值，令OS＝OOS，则由式（7－70）可计算出所需的叶轮直径。其他类型的叶轮充氧量则根据设计手册或产品说明书提供的充氧量计算公式或图表求出。

7．5．2　曝气设备

7．5．2．1　曝气设备性能指标

评价曝气设备性能的主要指标有以下几个。

（1）氧转移速率，单位为mg　O2／（L·h）。

（2）动力效率EP，即每消耗1kW·h动力能传递到混合液中的氧量（或氧传递速率），单位为kg　O2／（kW·h）。

（3）氧利用率，即通过鼓风曝气系统传递到混合液中的氧量占总供氧的百分比，单位为%。

（4）充氧能力R0，即表面曝气装置在单位时间内能够传递到混合液中的氧量，单位为kgO2／h。

7．5．2．2　曝气设备

曝气设备主要分为鼓风曝气和机械曝气两种。

1．鼓风曝气

鼓风曝气系统由鼓风机、空气净化器、扩散装置和空气输配管道系统组成。

鼓风机一般采用罗茨鼓风机或离心式鼓风机，罗茨鼓风机较便宜，在高压力范围内，管网阻力变化时风量变化小。因此，罗茨鼓风机适用于阻力变化幅度大而要求出风量稳定的场合，适用于中小型污水处理厂。这类风机运行时噪声大，必须采用消音、隔音设施。离心式鼓风机单机风量大，风量调节方便，运行噪声小，工作效率高，适用于大、中型污水处理厂。

空气净化器起到净化空气、防止扩散器阻塞的作用；扩散器的作用则是将空气分散成气泡，以利于空气和水之间的接触，提高氧氧转移速率。扩散器可以放置于整个池底，也可布置于曝气池横断面的一侧。沿一侧布置可以在曝气池断面上形成旋流，增加气泡和混合液的接触时间，有利于提高氧利用率。

扩散器是整个鼓风曝气系统的关键部件，它的作用是将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。根据分散气泡的大小，扩散器又可分成几种类型。

（1）小气泡扩散器。典型小气泡扩散器是由微孔透气材料（陶瓷、砂砾、钛粉、塑料、缠丝等）制成的扩散板、扩散盘和扩散管等。气泡直径可达1．5mm以下，动力效率EP＞2kg　O2／（kW·h），氧利用率高（在11%左右）。缺点是易堵塞，空气需过滤净化，扩散阻力较大。

（2）中气泡扩散器。常用穿孔管和莎纶管。穿孔管由管径介于25～50mm的钢管或塑料管制成，在管的下侧与垂直面成45°夹角方向开有直径为2～3mm的孔眼，孔眼间距50mm左右，两边错开排列，孔口的气体流速不小于10m／s，以防堵塞，见图7－18。莎纶管以多孔金属管为骨架，管外缠绕莎纶绳，莎纶是一种合成纤维。金属管上开了许多小孔，压缩空气从小孔逸出后，从绳缝中以气泡的形式挤入混合液。空气之所以能从绳缝中挤出，是由于莎纶富有弹性。这种装置构造简单，不易堵塞，阻力小；但氧利用率低，一般只有4%～6%。

（3）大气泡扩散器（竖管曝气扩散器）。常用曝气竖管，竖管通常布设在曝气池的一侧，空气直接从支管出口放出，支管直径为20mm左右，形成的气泡大，直径可达15mm左右。这种设备的优点是结构简单，阻力损失小，不易堵塞。不足之处是空气分布不均匀，氧利用率和动力效率均较低。目前很少采用。

（4）微气泡扩散器。这类扩散器因其形成的气泡直径小、气液接触面积大、氧利用率高而得到广泛应用，主要有膜片式微孔空气扩散器和管式微孔空气扩散器等。

膜片式微孔空气扩散器的核心部件是微孔膜片，采用柔性橡胶模制成，开有按同心圆布置的均匀微孔。鼓风时空气进入膜片与支撑底座之间，气压使膜片微微鼓起，形成平均孔隙为80～100μm的孔眼，空气从孔眼逸出，形成微气泡。停止供气后，压力消失，膜片在弹性力作用下，孔眼闭合，混合液不会倒流进入扩散器内，孔眼也可避免堵塞。膜片式微孔扩散器产生的气泡直径为1．5～3．0mm。图7－19所示为膜片式微孔空气扩散器安装和效果。

管式微孔扩散器用合成橡胶或聚乙烯等材料制成，其原理与微孔扩散器相同。图7－20所示为管式微孔空气扩散器。这种扩散器可以固定在曝气池池底，也可配备活动摇臂装置，维修保养时可用摇臂装置将扩散器提升到水面以上，以方便操作。

（5）剪切分散空气曝气器。这类曝气器不是利用扩散器上的孔隙形成气泡，而是利用水力或机械力的剪切作用将大气泡切割成小气泡，如固定螺旋曝气器、射流式曝气器、倒盆形曝气器和水下叶轮曝气器等。

固定螺旋曝气器也称为静态曝气扩散器，其主要构件是直径为0．3m或0．4m、高1．5m的圆筒，筒内安装5～6个螺旋叶片，每个叶片的旋转角为180°，相邻叶片的旋转方向相反。空气从筒的底部进入，形成气水混合液，混合液在筒内反复与器壁及螺旋叶片碰撞，气泡在同混合液一道迂回上升的过程中被反复切割，形成小气泡。筒内螺旋构造如图7－21所示。

固定螺旋曝气器适合于完全混合曝气池，但也可用于推流式曝气池。

射流式曝气器也是一种微气泡扩散器，如图7－22所示，水泵将混合液以0．15～0．2MPa的压力在喉管处形成高速射流，与吸入或压入的空气强烈搅拌，将空气切割粉碎为呈雾状的直径为100μm的微小气泡，继而在扩散器内，由于流动截面积增大，压力升高而使微气泡中的氧迅速转移至混合液中。该设备的氧利用率可高达20%以上，但动力效率不高。射流器既可由鼓风机压入空气，也可不用鼓风机设计成负压自吸式。

2．机械曝气

鼓风曝气是在池底进行水下曝气，而机械曝气则是通过安装于池面的表面曝气器来达到充氧和混合的目的。机械曝气机主要有竖轴式和卧轴式两类。

（1）竖轴式曝气器。竖轴式曝气器的传动轴与水面垂直，装有叶轮。常用叶轮有平板型叶轮、倒伞型叶轮和泵型叶轮。3种叶轮表面曝气机如图7－23所示。平板型叶轮设备简单，易于加工；倒伞型叶轮结构相对复杂，其动力效率常常高于平板型叶轮，但充氧能力稍低；泵型叶轮的提水能力较强，可促进气、液界面更新和水跃过程，对充氧有利。表面曝气叶轮主要通过下述3条途径向混合液充氧：

1）叶轮快速旋转时，形成漩涡并在周边形成水跃，把大量混合液水滴和液幕甩向空中，从大气中将氧卷入漩涡并使氧溶入跃起的水滴或液幕中，由于气液接触面积大，从而使空气中的氧很快溶入水中。

2）曝气池内的混合液因叶轮的提水和输水作用不断循环流动，不断更新气、液界面并从大气中吸氧。

3）叶轮中心及叶片背水侧在叶轮旋转时形成负压区，通过小孔吸入部分空气，加速氧的溶解过程。

曝气叶轮直径一般为1．0～1．8m，最大可达4m。曝气叶轮的充氧能力和提升能力同叶轮浸没深度、叶轮的转速等因素有关。在适宜的浸深和转速下，叶轮的充氧能力最大，并可保证池内污泥浓度和溶解氧浓度均匀。曝气叶轮转速一般为30～100r／min，叶轮周边线速度为2～5m／s。线速过大，会打碎活性污泥絮体，影响沉淀效率；但线速过小，将影响充氧量。叶轮的浸没深度按上顶平板面在静止水面下的深度计，一般为10～100mm，可以调节。增加淹没深度时，若浸没深度过小，充氧能力将因提升的水量减小而减小，底部混合液不能充氧，将出现污泥沉积和缺氧；当浸没深度过大，因叶轮提升的水量增大，所需功率则会增加，充氧能力也将显著减小，叶轮仅起搅拌机的作用。

（2）卧轴式曝气器。卧轴式曝气器常称为曝气转刷，其转动轴与水面平行，通常用于氧化沟。在垂直于转动轴的方向上装设不锈钢丝（转刷）、板条或转盘。由电机带动，一般转速在50～70r／min，浸没深度通常为转刷直径的1／4～1／3。转动时，转刷把大量液滴抛向空中，然后回落，使混合液和空气不断接触，进行氧的转移，同时剧烈搅动混合液，促进曝气器附近混合液更新，加速氧的溶解，也使活性污泥处于悬浮状态。卧轴式曝气器如图7－24所示。