曝气机的应用研究进展

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　　摘 要：曝气机是污水处理厂常用的机械设备。本文主要介绍了不同类型曝气机的特点及其主要结构和工作原理;阐明了曝气机国内外研究现状。指出应该根据企业的实际需要和承担成本来选择合适的曝气机。
　　关键词：曝气机;污水处理;氧气曝气
　　Research and development of aerator application
　　Wang Shuang*Guo YabingFeng Guohong
　　School of Environment & Safety，Taiyuan University of Science and Technology ShanxiTaiyuan 030000
　　Abstract：Aerator is a common mechanical equipment in sewage treatment plant.Characteristics，main structure and working principle of different types of aerators were analyzed.The research status of aerator at home and abroad was expounded，and it is pointed out that the suitable aerator should be selected according to actual demand and costs of the enterprise.
　　Key words：aerator;sewage treatment;oxygen aeration
　　在污水處理过程中，污水的成分较为复杂，污水中存在许多难溶于水的和颗粒状的物质，由于它们的密度与水接近，导致很难从水体中分离，而是悬浮在水中。曝气机属于机械曝气设备，通过鼓风曝气或表面曝气使空气形成“微气泡”，然后通入到待处理的污水中，将空气与水进行强烈接触，同时与悬浮物絮团相结合，从而使其密度减小。由于“微气泡”对絮团能起到一定的托起作用，进而使絮团漂浮于水面，形成浮渣，通过刮渣机对其清理，最终实现悬浮物与水体分离、净化污水的目的。
　　1 曝气机结构及工作原理
　　1.1 曝气机结构
　　曝气机分为鼓风曝气机、表面曝气机、潜水射流曝气机[1]。
　　鼓风曝气机主要由进风空气过滤器、鼓风机、空气输配管系统和浸没在混合液下的扩散器构成。扩散器分为四种：微气泡扩散器、小气泡扩散器、中气泡扩散器和大气泡扩散器。
　　表面曝气机又称为机械搅拌曝气，根据搅拌机械的不同，可以将其分为竖轴式、卧轴式。
　　竖轴式曝气机：主要由叶轮、叶轮轴、叶轮罩壳、电机、浮块、导流管、平衡板、上下连接盘以及联接长螺栓等组成，其传动轴与液面垂直。这类曝气机的叶轮主要有泵型、倒伞型、平板型三种。卧轴式曝气机：主要结构有转动轴、减速器、联轴器、电动机、轴承座、转刷或转碟等。
　　潜水射流曝气机主要由潜水泵、喷嘴、扩散管、混合室等组成。
　　1.2 曝气机工作原理
　　1.2.1 鼓风曝气机
　　鼓风曝气机主要工作过程是鼓风机将空气通过一系列的管道输送到安装在曝气池底部的扩散器，空气经过扩散器分散成尺寸大小不同的气泡，气泡在上升和随水流流动过程中，空气中的氧不断转移溶解到混合液中，最后在液面处破裂，从而达到了曝气效果。鼓风曝气能够大大增加水体的溶解氧含量，且操作简单，机械消化低;缺点是微气泡扩散器容易发生堵塞，大气泡扩散器气体利用率较低[1]。
　　1.2.2 表面曝气机
　　竖轴式曝气机：基本工作过程是电机带动叶轮作快速旋转，将大量的混合液以液幕、液滴的形式抛向空中，在空中，这些混合液与大气强烈接触，实现了氧的转移[2]，然后形成的气水混合物再重新回到曝气池内，由于气液接触面积大，空气中的氧很快溶于水中;由于叶轮的高速旋转，在曝气叶轮的后侧形成负压区，部分空气被卷吸，即污水中含有活性物质的污水不断地由导流管的下部吸入，被转动的曝气叶轮向上提升，使混合液连续上下循环流动，气液接触界面也不断更新，达到高效增氧的目的。该曝气机的优点是结构较简单、运行可靠、维修方便;缺点是曝气效率不高，曝气效果局限于水面的上层，无法进行深层曝气[3]。
　　卧轴式曝气机：转刷曝气机是通过刷片主体的转动，将大量液滴抛向空中，并使液面强烈波动，冲击水体并且推动水体作水平层流进行充氧，当水流速度达到一定要求时，可以防止污泥沉淀，实现污水和污泥完全混合，有利于微生物的生长。特点是结构重量轻、强度好、运转较平稳、充氧效率高。转碟曝气机工作时，电动机带动位于轴承座上面的空心转轴和曝气盘一起转动，曝气盘有一部分浸于水中，通过其转动可以使水体甩向空中，然后水与空气进行接触混合，曝气盘的转动也可以推动附近水体流动。该曝气机的优点是结构简单、气泡破碎效果较好、服务面积较大;缺点是安装困难;只适用于专门的污水池，无法在池塘、河流和湖泊中应用。
　　1.2.3 潜水射流曝气机
　　潜水射流曝气机通过潜水泵产生的液体经过喷嘴之后形成高速水流，在喷嘴附近会形成负压，然后吸入空气，经混合室水流与空气混合后，在呈喇叭形状的扩散管内形成水气混合流，高速喷射而出，含有许多气泡的水流在较大面积和深度的水体内涡旋搅拌，完成曝气。优点是结构紧凑，曝气效能好，投资和运行费用低;缺点是喷嘴容易发生堵塞，系统的设备机构较复杂，维修不方便[1]。
　　1.3 曝气机特点
　　（1）设备安装简单、维护成本低[4]。曝气机结构简单，主要由射流器、散流器、潜水泵等构成，其内外部结构并不复杂，拆装过程简单。射流器和散流器无需进行运转维护，由于潜水泵单独布置，维护时只需将水泵吊出，避免了将池水放空的麻烦和一般机械设备维修时较复杂的搬运、吊装、拆卸和安装过程。因此，一般的维修人员即可对曝气机进行安装和维修。 　　（2）溶氧效率高。曝气机中特殊的散流器设计，使空气和待处理的污水得到了完全均匀的、充分的强烈混合，该过程中所产生的气泡形状细小且数量繁多、分布均匀，有利于水体中悬浮物絮团的快速浮升;这也促进了空气和液体之间的物质交换，提高了处理污水的溶氧率，比传统的鼓风曝气提高了35%左右，氧在水中的充分溶解提高了水体中的氧含量，有助于污水中有机物的降解，很好地改善了水體质量。
　　（3）设备运转噪音小。随着现代化建设步伐的加快，我国开始注重机械设备运行过程中噪音的影响。因为曝气机主要在水下运转，因此该过程中噪音是很小的，可以考虑将其布置在对噪音要求比较严格的场所周边的污水处理设施中，比如生活小区或者办公环境周边，这样可以使很多生活污水就近得到处理。
　　（4）工作效率高、性能可靠。曝气机可以灵活选择安装的位置、潜水深度，可以随意调节空气流量、叶轮转速和喷射角度并且能够完全适应曝气池的结构、待处理水量和水质指标变化等多方面的要求，在不同的工作环境和处理要求下，使污水得到较好的处理。射流器和散流器等这些关键部件均采用抗腐蚀能力强、不易磨损的材料，比如高密度聚乙烯工程塑料，再加上其简单的设备构造和技术设计，可以使曝气机长期稳定地工作[5]。
　　（5）适用范围广泛。曝气机有着较高的工作效率和较强的适应能力，因此其在污水处理的各个环节都得到广泛应用。例如，处理湖泊、河口等地表水;活性污泥法中调节池均质搅拌、曝气池曝气搅拌、污水处理厂的好氧池曝气、曝气沉砂等[6]。
　　2 曝气机的国内外发展特点及其现状
　　2.1 国外曝气机的发展特点及其现状
　　2.1.1 国外曝气机的发展特点
　　氧气曝气在污水处理中属于一种较新的高技术。从美国研究氧气曝气技术开始，逐渐发展到了其他发达国家。目前一些发展中国家也开始致力于该技术的研究。该技术发展速度很快，尤其是在美国，其氧气曝气污水厂的大发展是在20世纪70年代初到80年代初，直到2016年，美国政府拥有的公共污水处理厂达16000余座，这些处理厂属于公有公营模式，比例占到美国污水项目的90%以上。
　　氧气曝气的主要供氧方式是深冷分离法就地制氧，特别是用在大型污水厂，该方法一般是事先分离出氧气，然后用于曝气，这种方法需要在制氧设备方面进行额外的投入;而中小型污水厂一般使用分子筛就地制氧。
　　氧曝处理工艺的发展按照出现先后分为：加盖多段式反应池最早出现，按池中的曝氧机械又分为水下叶轮式和表曝机式;其后出现的有不加盖的反应池，池中设有微气泡曝氧装置[7]，分为固定式（FAD）和旋转式（RAD），广泛用于专门的污水处理厂;在此之后还有所谓的预制的成套曝气装置，该装置可以放置在已有的空气法曝气池内，使其改为氧曝池;现在专门的小型曝氧机械也得到了广泛应用，按其曝氧方式又可分为水下叶轮式和表面曝气式。
　　2.1.2 国外曝气机的研究现状
　　目前为止，氧气曝气在国外应用广泛。其主要应用于工业废水处理和城市污水处理。实践表明氧曝更适用于较高浓度的难降解工业废水。但是在美国，氧曝用于城市污水处理要比工业废水处理多，而且这个趋势越来越明显，分析结果显示，可能是由于美国城市对饮用水卫生的要求日益提高。现在氧气曝气的主要供氧方式已经发展到直接充入空气，让污水在气泡上升的过程中尽可能多地吸收其中的氧气成分。
　　氧曝处理工艺最普遍的是表曝式，其次是水下叶轮式。微气泡法在1976年以前使用较少，近年来由于在空气法中使用微气泡，该法又有所进展。目前常用的小孔微气泡曝气器有钟罩式微孔曝气器、橡皮板式微孔曝气器[1]。
　　2.2 国内曝气机的发展特点及其现状
　　2.2.1 国内曝气机的发展特点
　　我国关于氧曝的研究是从1975年开始的，氧曝法用于大型污水处理厂，更为经济。但是由于市政管理部门更倾向于成熟的、可靠的工艺，因此并没有采用;随后，北京市政院对氧曝进行了大量的研究和试验工作，直到1986年，我国第一座氧曝法污水处理厂在天津石化公司投产，取得了不小的经济社会效益，到80年代末我国已经建设了5处曝氧设备，总水量达16万m3/d，除了美国和日本两个国家外，这一发展速度相对来说还是很快的。这5处设施所用氧曝均采用表曝机，供氧方式均采用深冷制氧;上世纪90年代开始，一些大公司开始在设备国产化等方面做工作，如中国石油化工总公司拟定点在航空部门所属的保定螺旋桨厂试制氧曝专用表曝机[8]。
　　2.2.2 国内曝气机的研究现状
　　到目前为止，随着我国对环境保护方面的重视，科学技术的快速发展以及研究工作的大量投入，生产曝气设备的企业越来越多，曝气机的类型也越来越多，目前专利性产品已经有40多个了，例如泵型叶轮表面曝气机、螺旋桨式曝气机、转刷曝气机、增压式曝气机、大功率倒伞曝气机等。目前我国氧气曝气的方法存在成本高、效果低的问题，通过减小气泡的大小、增大气液两相的接触面积可以有效提高氧气在水里的传质速率，例如自吸式自激振荡脉冲射流曝气器的发明等。氧曝在中国的应用，是以石油化工业为突破点的，但是其应用范围并不局限于石化工业。目前它在国内，工业废水治理方面，化工、轻工、冶金、医药、印染行业，特别是对造纸、印染行业所排放出来的难降解的废水的处理有着很广泛的应用。近年来，我国通过大力研究，发现了一些低成本并且更适合我国国情的污水处理技术，如稳定塘、土地处理以及排海、排江等人控自然处理技术得到了广泛应用。
　　3 结论
　　随着我国工业化进程的加快，氧曝技术的应用尚存在不断深入和发展的空间，在我国当前的大规模经济建设中，氧曝技术对环保产业起了很大的作用，广泛应用于工业废水处理和城镇污水处理等各个方面。曝气机在应用时，要求具有很强的耐腐蚀性，而且噪音小，效率高的特点，所以在实际的应用中要考虑企业的实际需要和承担成本来选择合适的曝气机。
　　参考文献：
　　[1]张塞，张有忱，阎华，等.污水处理中曝气设备的研究进展[J].广东化工，2015，42（05）：83-84.
　　[2]严应政.曝气设备的氧转移效率.西北建筑工程学院学报（自然科学版），2001，18（02）：55-58.
　　[3]张中和.氧气曝气国内外发展概况.上海市政工程，1999（01）：44-55.
　　[4]刘云霄.浅谈曝气机在污水处理中的应用.中国科技博览，2015（32）：210.
　　[5]何志娟，陈文峰.浅谈环境工程水处理中曝气设备的应用[J].科技风，2016（17）：79.
　　[6]石博文.解析曝气在环境工程水处理中的应用[J].科技资讯，2013，34（08）：118-120.
　　[7]刘春.微气泡曝气中氧传质特性研究[J].2010，4（03）：85.
　　[8]李柯一.探析环境工程水处理中对曝气设备的应用[J].资源节约与环保，2014，24（03）：107.
　　国家级大学生创新创业项目（2019346）：新型倒伞型曝气装置优化设计
　　*通讯作者：王爽，太原科技大学。
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