曝气详解 | 河湖黑臭治理中常用曝气设备及对比
曝气增氧是一种快速、高效、简便易行的河湖水污染防治措施。研究表明，水体缺氧是河道黑臭的重要原因，选择适当的增氧方式是黑臭河道生物修复的重要技术环节。水体中溶氧主要取决于水中藻类放氧量、大气复氧、水体有机污染生化耗氧量、底泥耗氧量等因素，水体溶氧增加有助于水体微生物区系由厌氧向好氧转化，好氧微生物区系的建立刺激河道藻类生长，并形成河道水体藻类自然复氧机制，消除水体黑臭。在人工河湖、湿地及景观水池水质提升，自然河道、湖泊水体原位修复以及农村集中污水氧化塘处理方面，污水处理厂氧化沟处理通过人工曝气可使水体气-水混合，增加水中氧的含量，曝气喷水推动水体流动，促进水体内的交换，包括上层水与下层水竖向交换和水体内回流的水平交换，增加水体氧的均匀度，最大程度地消除厌氧性生物生存发展的条件。曝气增氧的作用水体曝气技术是根据河流水体受到污染后缺氧(或厌氧)的特点，利用自然跌水(瀑布、喷泉、假山等)或人工曝气对水体复氧，促进上下层水体的混合，并加大局部水体的流动性，使水体保持好氧状态，以提高水中的 DO 含量，加速水体复氧过程，抑制底泥N、P的释放，防止水体黑臭现象的发生，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善河流的水质。人工增氧作为阶段性治理措施，适用于整治后的水体水质的保持，适用于污水截流管道、污水处理厂建成前和已治理的河道突发性污染的应急、临时使用，具有水体复氧功能，可有效提高局部水体的 DO 水平。人工增氧一般用于水体流动缓慢、水质较差的河道，其在黑臭水体治理中的作用有:1）加速水体复氧过程，使水体的自净过程始终处于好氧状态，提高好氧微生物的活力。美国 Homewood 运河曝气结果证明，即使小的曝气装置也能促进水体的 DO 和生物量增加。2）充入的氧可以氧化有机物厌氧降解时产生的 H,S、CH,S 及 FeS 等致黑致臭物质，可以有效改善水体的黑臭状况。3）增强河流水体的紊动，有利于氧的传递、扩散以及液体的混合。4）减缓底泥释放P 的速度。当 DO 水平较高时，Fe”易被氧化成Fe，Fe”与磷酸盐结合形成难溶的FePO，使得好氧状态下底泥对P的释放作用减弱，而且在中性或者碱性条件下，Fe#生成的Fe(OH)，胶体会吸附上覆水中的游离态P。常见的曝气设备类型目前，污水处理、黑臭水体治理中，常见的人工曝气设备类型大体分为如下几种。
机械曝气机械曝气设备多借助叶轮的力量进行曝气，在液面位置，叶轮打出气泡来增加溶解氧，这样的曝气设备多用于污水处理厂。根据叶轮机安装位置，它分为竖轴式、横轴式。水生态修复中常用的有以下两种叶轮曝气机：
鼓风曝气鼓风曝气借助鼓风机的力量，直接将气体通过扩散板或者扩散管引入水中，气泡在曝气器出口处形成，气泡的尺寸大小取决于曝气器出口的口径。鼓风曝气设备在污水治理领域中应用范围广泛。常见的鼓风曝气曝气机有以下几种：
射流曝气采用水泵经射流器供氧的射流曝气，噪声小，按照供气方式分为供气式射流机、负压自吸式射流机。
推流曝气机推流曝气机借助的是曝气、搅拌、推流的力量，推流曝气机的充氧方式属于一机化，因此不需要配置鼓风机等设备，主体设备为水下叶轮机与后置气口，具有水循环功能，能有效地防止封闭性、非流动性的水质腐烂发臭。
其他曝气设备微纳米曝气机（气浮机改良设备）由水泵、微纳米气泡水发生器、压力表、曝气头和一些管件组成。该系统的核心技术是利用微纳米气泡分散技术将大量的空气初步压缩成大量的0.25 mm直径的无压微泡在水体中，然后在半真空的情况下，通过气相和液相的高度分散，将释放系统产生的0.25 mm直径的无压微泡形成一些直径小于3μm的微米级气泡甚至形成纳米级气泡，这些高度分散后的气泡被统称为微纳米气泡，释放到需充氧水体中以达到对水体迅速充氧的效果。
各类曝气机的适用场景整体来讲，多数曝气设备可用于中小河道、池塘、污水处理厂等水体。当河宽超过20 m时，往往具备较好的水动力条件，上下层水体可实现混合，水体复氧过程加快。在这种情况下，曝气增氧效果开始出现边际递减效应；宽河道的曝气设备安装成本较高，故不建议河宽超过20 m的河道采用曝气增氧方式净化水质。另外, 《城市黑臭水体整治工作指南》指出，原则上可沿黑臭水体每200～600 m间距设置检测点。曝气机应用范围主要是指曝气机的适用环境，包括水体水质状况、水域类型、水体深度（水深）、水体流速等水域环境条件。试验发现，曝气机的应用范围取决于曝气方式、充氧能力、产生的气泡尺寸、曝气量、服务范围以及曝气机功率等因素。结合工作原理分析各类曝气机的应用范围如下： 鼓风-布气曝气机鼓风-布气曝气机由鼓风机、曝气器、管线组成，其中鼓风机负责将空气输送到曝气器；曝气器通常被安装在池底部，可以使空气形成不同尺寸的气泡，在需要的情况下可以将气泡尺寸缩小至微米、纳米级，提高气液接触面积；气泡离开曝气口后会随水循环进行流动，受压力驱使向上运动，最后在压力的影响下载液面处破裂，完成气泡中氧气向污水中的转移。因此，曝气器是决定鼓风-布气曝气机曝气效果的主要因素。微孔曝气器具有氧利用率高、曝气量高、检修方便等优点，通常被应用在黑臭的水体处理中；具有氧利用率稍低、曝气效果好、使用寿命长等优点，但检修困难比较困难，一般应用在较浅的中小型河道。 微纳米曝气机微纳米曝气机主要由微纳米曝气头、发生装置、管线组成，其中微纳米曝气头负责在离心作用下形成负压区，在空气压力的作用下使空气更高效地进入负压区，使空气形成直径约为5～30μm的微纳米气泡，微纳米气泡的直径小，气液接触面积大。例如，100 nm微气泡，可较0.1 cm的大气泡表面积增大10 000倍，因此不受温度、压力等因素限制，氧气溶解效率提升，曝气量得到有效提升，微纳米曝气机的纯氧曝气充氧能力是空气曝气的4.7倍。微纳米曝气设备适用于截污纳管不完善的重污染河道，能快速提高水体DO含量，促进有机物消解。 推流曝气应用范围推流曝气机主要由混气室、进气管、叶轮、喷嘴等部分组成，经过混气室的气水混合液以特殊的角度排出，呈螺旋状向水平方向+垂直方向流动，在曝气的同时进行搅拌，提高气液接触面积，提高氧的利用率。因此，它多用于江河湖泊等开放水体或污水处理厂好氧池，属于一种高效节能的水处理设备。推流曝气机的机体沉入水中运行，进气管出水面处可加装消音器，达到基本无噪音的运行状态。推流曝气机在曝气搅拌时可防止水体中悬浮物的下沉，加强水体中好氧微生物与溶解氧的接触，从而提高污水中有机物的氧化分解效率，有效提高水体的自净能力。推流曝气机中叶轮负责产生压力，在叶轮的影响下，喷嘴处可以产生强劲的水流与空气混合体，达到良好的搅拌效果。射流曝气机射流曝气系统包含三部分：射流曝气器、循环水泵、鼓风机。循环泵泵送的液体经由主管道、内喷嘴到混合室，把气体剪切成微小的气泡，形成富氧的气液混合体，气液交织的湍流经外喷嘴水平射出。气液混合体同时具有水平和垂直方向的能量，在池内产生强烈的混合，并携裹周围的液体往前流动，在水平方向动力和垂直方向气体上浮动力的双重作用下，形成整体的混合和循环。射流曝气机主要用于好氧池供氧，广泛地应用于皮革、制浆造纸、化工、医药、石化及食品加工等领域的污水处理中，如各种活性污泥法、氧化沟、氧化塘、SBR以及市政污水处理和污泥好氧消化，并且可通过控制供风量实现脱氮、硝化的作用。另外，射流曝气机可以应用于均质池、调节池、选择池、快混池、胶羽池、中和池、化学氧化池、消毒池、污泥储存槽、脱氮池、化学反应池，也可用于气提系统和热交换系统等的搅拌。黑臭水体水质提升阶段也可使用。 叶轮式增氧曝气机叶轮式增氧机主要借助电动机、叶轮来实现曝气，工作过程中主要通过电动机来带动叶轮旋转，叶轮旋转过程中会搅动水面、打碎出口形成的气泡，增加气液的接触面积，提高氧气在水中的溶解度，实现曝气增氧的效果，为好氧微生物创造好氧分解环境。首先是增氧作用，叶轮式增氧机相较于其他曝气机的动力大更大，曝气效率更高，最大情况下每千瓦时可增氧1 800 g，在这样的氧气环境中，好氧菌的生长繁殖效率更高，有助于水质改善。其次是提水、搅拌作用，叶轮式增氧机在曝气的同时实现了对水体的搅拌，实现表层、底层的水相互交替，加深增氧深度，因此叶轮式曝气机也适用于深度更深的水体。再次是反应去除有害气体的作用，叶轮式增氧机的曝气效率更高，在高浓度氧气环境下，水中的氨、硫化氢、甲烷等有害气体能够与氧气混合进行化学反应，有助于降低有害气体量，提高水体的清洁程度。一般情况下，曝气设备的服务面积在进行定性分析时，没有统一的定义，而且其受水体环流等可变因素的影响太大，无法建立可靠的数学模型。因此，国内外曝气机的曝气参数中往往将服务面积舍去，更多的是关注气水比和布气。对于河道和湖泊水体治理过程中采用的机械式和鼓风式曝气机，其服务面积的大小随气泡越小和氧气的有效传输距离延长而增大，在实际工程应用中可以设定一个范围，便于工程前期设计。曝气机主要评价指标曝气设备中理论氧传递原理及影响因素物质扩散速率由Fick定律得出：
式中，Na为物质扩散速率；d C为物质浓度；D为气相或是液相中常用的扩散系数，m2/h;dz为沿扩散方向的扩散距离。氧溶解度可以表示为：
式中，CS为氧溶解度；p为氧分压；KS为溶解度常数。根据氧传递双膜理论可知，氧气在液体中的溶解度很小，因此，液体中氧的平衡浓度实际上与氧的饱和溶解度相差不大。氧气在气相和液相中的扩散速度并不一致，在气相中的扩散速度比在液相中的扩散速度大得多，因此想要提升氧的传质速率，必须借助曝气设备，通过控制液膜来提升氧的传递速度。所以，在曝气工艺中，氧的传质公式为：
式中，KL为与曝气设备相关的常数；A为气液接触面积。从理论上来说，提高氧传递速率的主要方式有两种。一是提高曝气设备常数，提高气液接触面积，即提高KL·A值。在相同的污水水体条件下，相同曝气设备的常数KL值通常是固定的，选择KL较高的曝气设备是提高样传递速率的重要方式；增加气液接触面积可以通过缩小气泡体积等方式实现，借助微气泡曝气等设备可以有效提升气液接触面积，提高氧的传递速率。二是提高氧的溶解度，即（CS-C）值。要想提高氧的溶解度，可以采用高含氧空气曝气设备，或采用纯氧进行曝气。温度、曝气深度会影响两方阵数值，需要具体分析。 曝气设备的主要评价参数评价曝气设备，主要采用测定特性曲线，最大可能地模拟和体现实际使用过程中曝气器的曝气情况，有助于曝气设备的实际使用和综合因素的全面考虑。以下几个指标同样是衡量曝气设备的重点。充氧能力（RO）是指在单位时间内曝气设备向混合液中传输氧气的量，单位是kgO2/h。氧的利用率（EA）通常以曝气气量、密度来表示，指总供氧量中曝气系统所转移的氧量的百分比，特性曲线中横轴表示曝气气量，竖轴表示氧的密度。动力效率（Ep）是指单位能量消耗带来的曝气量，应用电能的情况下，指的是每消耗1 kW·h电所带来的曝气量，单位为kgO2/（kW·h）。需要指出的是，在运用曝气复氧技术时，必须重视对水质改善目标的设定，重视对污水治理工程的环境经济效益评价，从而合理选择充氧设备。例如，可以分阶段制定水质改善目标，据此确定曝气所需充氧设备的能力与数量，而不必一次性配足充氧能力。逐步进行设备升级，可以有效提高设备的利用效率，以免造成资金、物力和人力的浪费。在实际工程中，人们十分关注气水比、布气。为方便施工布置，对于黑臭水体治理中复杂的现场情况，应该引入服务面积的参数。综合比较分析一般情况下，曝气设备的服务面积在进行定性分析时，没有统一的定义，而且其受水体环流等可变因素的影响太大，无法建立可靠的数学模型。因此，国内外曝气机的曝气参数中往往将服务面积舍去，更多的是关注气水比和布气。对于河道和湖泊水体治理过程中采用的机械式和鼓风式曝气机，其服务面积的大小随气泡越小和氧气的有效传输距离延长而增大，在实际工程应用中可以设定一个范围，便于工程前期设计。从工程应用角度出发，应科学量化曝气增氧在河道治理过程中的效用。评价曝气设备参数性能的指标主要是充氧能力、动力效率、氧利用率和服务面积，以指导工程前期曝气机的定量，满足治理初期水体、底泥耗氧量的需求。对于鼓风型曝气设备性能，主要利用动力效率和氧利用率两项指标评判，因为鼓风曝气属于水下曝气，其曝气量已知，可用单位时间内转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比和氧的利用率来表示充氧性能；而对于机械型曝气设备性能，主要利用动力效率和氧的转移效率来评判，因为机械型曝气设备在水面处进行曝气，这些设备在单位时间内的氧气曝气量无法进行测量和求证，只能用曝气设备在单位时间内成功转移的氧量来进行计算，即氧转移效率来表示充氧性能。动力效率对于鼓风型和机械型曝气设备均是可求的，可同时用来表征两者的充氧性能。然而，服务面积仅用来半定量化地表征曝气设备在初期设计方案制定过程中的数量控制，初步满足河道水体前期曝气增氧的需求，而后期需要根据水体溶解氧和微生物、底泥消耗氧来实际控制曝气机的数量。从氧利用率的角度看，微纳米曝气机的氧利用率比推流和射流曝气机高出很多，并且服务面积大很多，主要是由于微纳米曝气机的溶氧能力较强，产生的气泡直径较小且在水体中的接触面积、时间较长。氧的转移速率与气泡的大小、液体的紊流程度以及气泡与液体的接触时间有关，气泡粒径的大小可通过选择扩散器来决定。气泡尺寸越小，则接触面积越大，将有利于KL·A值的提高，有利于氧的转移。但是，气泡小不利于紊流，对氧的转移也有不利的影响，紊流程度大，接触充分，KL·A值增高，氧转移速率也将有所提高，气泡与液体接触时间加长有助于氧充分转移，同时气泡形成、上升、破裂和紊流都有助于气泡液膜的更新和氧的转移。参考文献：唐其林《多种曝气装置在黑臭水体治理中的对比》