氧化溝工藝中曝氣設(shè)備的發(fā)展概況

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

簡(jiǎn)介： 氧化溝處理工藝中的曝氣設(shè)備是隨著氧化溝處理技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用而逐漸發(fā)展起來的。近年來，在國內(nèi)外氧化溝處理工藝中得到廣泛應(yīng)用的曝氣設(shè)備種類很多，本文就其中的幾種常用曝氣設(shè)備（曝氣轉(zhuǎn)盤、曝氣轉(zhuǎn)刷、立式表面曝氣機(jī)、抽吸式曝氣機(jī)和微孔曝氣板）的特性與發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。
關(guān)鍵字：氧化溝處理 曝氣設(shè)備 曝氣轉(zhuǎn)盤 曝氣轉(zhuǎn)刷

　　近20~30年來，污水的除磷脫氮技術(shù)一直是污水處理領(lǐng)域研究開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)，并已取得了長足進(jìn)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(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的二級(jí)生物處理技術(shù)已被世界各國廣泛采用。曝氣設(shè)備作為氧化溝處理工藝中最主要的機(jī)械設(shè)備，是影響氧化溝處理效率、能耗及穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一，不僅兼有充氧、推動(dòng)、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(duì)曝氣設(shè)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(shè)備的研究已經(jīng)成為推動(dòng)氧化溝處理技術(shù)發(fā)展和節(jié)能降耗的重要因素。多年的研究結(jié)果使得曝氣設(shè)備已經(jīng)在技術(shù)上達(dá)到了一個(gè)很高的水平，完全可以滿足污水生物處理工藝對(duì)曝氣設(shè)備的要求，并且在提高能源利用效率方面也取得了較大進(jìn)步。國內(nèi)外的實(shí)踐證明，新型曝氣設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用，將意味著新一代氧化溝工藝的誕生。
　　下面簡(jiǎn)要介紹幾種近些年在氧化溝處理工藝中采用的曝氣設(shè)備及其進(jìn)展。

1． 曝氣轉(zhuǎn)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(dāng)明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。曝氣轉(zhuǎn)盤是用于Orbal氧化溝的專用曝氣裝置，它起著充氧、混合、推動(dòng)水流作循環(huán)流動(dòng)和防止活性污泥沉淀等作用。在我國，曝氣轉(zhuǎn)盤主要是由聚乙烯或抗腐蝕性玻璃鋼壓鑄成型，轉(zhuǎn)盤表面設(shè)有規(guī)則排列的楔形凸出物，以增強(qiáng)推動(dòng)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(dá)到充氧的目的。
　　曝氣轉(zhuǎn)盤的充氧能力可通過下面四種方式來調(diào)節(jié)：
　?。?）通過調(diào)節(jié)出水堰的高低來改變轉(zhuǎn)盤的浸沒深度；
　?。?）改變轉(zhuǎn)盤電機(jī)的轉(zhuǎn)速（通常采用兩級(jí)變速）；
　?。?）增加或減少轉(zhuǎn)盤的盤數(shù)；
　?。?）改變轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)方向。
　　近年我國天津國水設(shè)備工程公司與美國Envirex公司合作，引進(jìn)美國先進(jìn)的曝氣轉(zhuǎn)盤生產(chǎn)模具，在國內(nèi)獨(dú)家制造出材料為高強(qiáng)輕質(zhì)塑料的新型曝氣轉(zhuǎn)盤，其主要技術(shù)參數(shù)為：
　　曝氣轉(zhuǎn)盤直徑：1400mm；
　　適用轉(zhuǎn)速：43~55r/min；
　　適用浸沒水深：400~530mm；
　　單盤標(biāo)準(zhǔn)清水充氧能力及動(dòng)力效率見表1~2所示：

表1　 浸沒水深為530mm時(shí)的性能指標(biāo)（P=101.325kPa,T=20°C）

　　　　　　　 項(xiàng)目

轉(zhuǎn)速（r/min）

單盤充氧能力（kgO₂/h）

動(dòng)力效率（kgO₂/kW×h）

43

0.75

2.13

46

0.85

2.04

49

0.94

1.97

52

1.04

1.91

55

1.13

1.86

表2　 浸沒水深為480mm時(shí)的性能指標(biāo)（P=101.325kPa,T=20°C）

　　項(xiàng)目

轉(zhuǎn)速（r/min）

單盤充氧能力（kgO₂/h）

動(dòng)力效率（kgO₂/kW×h）

43

0.68

1.94

46

0.77

1.86

49

0.86

1.79

52

0.95

1.74

55

1.03

1.69

　　實(shí)際污水處理工程中，曝氣轉(zhuǎn)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(dòng)力消耗、建設(shè)投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。與同類曝氣設(shè)備相比，曝氣轉(zhuǎn)盤具有工作水深大、充氧能力大、充氧效率高、混合能力強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝靈活、使用壽命長、安裝維修方便等特點(diǎn)。

2.曝氣轉(zhuǎn)刷

　　曝氣轉(zhuǎn)刷主要有Kessener轉(zhuǎn)刷、籠型轉(zhuǎn)刷和Mammoth轉(zhuǎn)刷三種，其它產(chǎn)品均是這三種的派生型，一般用于Pasveer氧化溝中?！　　essener轉(zhuǎn)刷和籠型轉(zhuǎn)刷這兩種曝氣轉(zhuǎn)刷，氧化溝設(shè)計(jì)有效水深一般在1.5m以下。Mammoth轉(zhuǎn)刷是為增加單位長度的推動(dòng)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(zhuǎn)過程中葉片順序進(jìn)入水中，以保證運(yùn)行的穩(wěn)定性并可減少噪聲。軸為中空鋼管，轉(zhuǎn)刷直徑可達(dá)1.0m，轉(zhuǎn)速為70~80r/min，浸沒深度為0.3m，目前最大有效長度可達(dá)9.0m，充氧能力可達(dá)8.0kgO₂/(m×h)，動(dòng)力效率一般在1.5~2.5kgO₂/kW×h之間，氧化溝設(shè)計(jì)有效水深為3.0~3.5m。常見的曝氣轉(zhuǎn)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(jìn)國外技術(shù)，具備了生產(chǎn)制造曝氣轉(zhuǎn)刷的能力，其轉(zhuǎn)刷葉片主要由鍍鋅鋼板做成，形狀常采用矩形，各項(xiàng)性能指標(biāo)基本達(dá)到了國際水平。
　　表3中是摘錄文獻(xiàn)的部分曝氣轉(zhuǎn)刷的特性。

表3　 曝氣轉(zhuǎn)刷的特性

國家

丹麥

德國

我國

直徑（mm）

860

1000

1000

轉(zhuǎn)速（r/min）

78

72

72

浸深（m）

0.12~0.28

0.30

0.30

充氧能力（kgO₂/m×h）

3.0~7.0

8.3

7.8~8.3

動(dòng)力效率（kgO₂/kW×h）

1.6~1.9

1.98

—

轉(zhuǎn)刷有效長度（m）

2.0，3.0，4.0

3.0，4.5，6.0，7.5，9.0

3.0，4.5，6.0，7.5，9.0

氧化溝設(shè)計(jì)水深（m）

1.0~3.5

2.0~4.0

3.0~3.5

　　為了取得更大的除磷脫氮效果，則需要一個(gè)較大的反應(yīng)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(yīng)池的水深達(dá)到了8m，以往這個(gè)水深，常采用微孔曝氣設(shè)備，但現(xiàn)在也可以使用曝氣轉(zhuǎn)刷。曝氣轉(zhuǎn)刷的循環(huán)性能可達(dá)到水深3.5m，可以滿足不產(chǎn)生沉積的操作要求，在水深大于3.5m時(shí)可附加潛水?dāng)嚢杵?，則工作水深達(dá)到8m是沒有任何問題的。當(dāng)使用這種潛水?dāng)嚢杵?，除了供連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)外，在長期或短期間高含氧量交替缺氧期間可作間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)，使反應(yīng)池中的污水保持一定的流速，避免沉積。

3. 立式表面曝氣機(jī)

　　立式表面曝氣機(jī)是專為Carrousel氧化溝設(shè)計(jì)的，一般每條溝安裝一臺(tái)，置于反應(yīng)池的一端。它的提升能力強(qiáng)，允許有較大的溝深（4~5m），適用于大流量的污水處理廠，應(yīng)用較為廣泛。它的充氧能力隨葉輪直徑變化較大，動(dòng)力效率一般為1.8~2.3kgO₂/kW×h。
　　立式表面曝氣機(jī)有固定式和浮筒式兩種，其中浮筒式整機(jī)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(nèi)移動(dòng)；而固定式立式曝氣機(jī)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(jī)是我國自行研制的高效表面曝氣機(jī)，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(jī)的葉輪直徑一般在0.5~2.5m，國內(nèi)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(zhuǎn)速較慢，約為30~60r/min，動(dòng)力效率為2.13~2.44 kgO₂/kW×h，在最佳時(shí)可達(dá)2.51kgO₂/kW×h。倒傘型葉輪曝氣機(jī)的充氧方式是以液面更新為主，水躍及負(fù)壓吸氧為輔，目前廣泛應(yīng)用的Carrousel氧化溝就多是采用這種曝氣機(jī)。

4. 抽吸式曝氣機(jī)

　　抽吸式曝氣機(jī)通常是傾斜安裝在反應(yīng)池中，是一種葉輪抽吸式曝氣攪拌機(jī)。
　　抽吸式曝氣機(jī)的工作原理是：空氣被吸入水面以下并且被高速旋轉(zhuǎn)的葉輪攪碎，中空的螺旋槳驅(qū)動(dòng)軸頂端連接著電機(jī)軸，其底端與螺旋槳和擴(kuò)散器連在一起。驅(qū)動(dòng)軸上部有孔洞，空氣通過它得以進(jìn)入水下。螺旋槳在水下高速旋轉(zhuǎn)形成負(fù)壓并產(chǎn)生液體流，在壓力差的作用下，空氣通過空心驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)入水中。螺旋槳形成的水平流將空氣轉(zhuǎn)化成細(xì)微、均勻的氣泡，其平均直徑2mm，達(dá)到美國環(huán)保組織為優(yōu)秀的空氣擴(kuò)散器制定的2.2mm的標(biāo)準(zhǔn)。在與水的接觸中，氧氣被水和水生生物吸收。這些氣泡擴(kuò)散得較遠(yuǎn)，從而與水接觸得時(shí)間很長，氧利用率非常高。曝氣機(jī)的氧氣擴(kuò)散區(qū)和混合區(qū)的范圍隨機(jī)器型號(hào)而變化，將多臺(tái)曝氣組合安裝在反應(yīng)池中，可使氧氣在整個(gè)反應(yīng)池中混合并擴(kuò)散。
　　工作時(shí)曝氣機(jī)的入水角度可以在30°～90°之間調(diào)節(jié)，通常以45°放置，但有些時(shí)候?yàn)檫_(dá)至最好的效果，必須根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)安裝角度。曝氣機(jī)可以提出水面直接維修。
　　將曝氣機(jī)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(dá)至最大，這是在反應(yīng)池中形成水流聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ)。水流聯(lián)動(dòng)是若干臺(tái)曝氣機(jī)經(jīng)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(dá)到最大值。極大的流速使氧氣得到迅速擴(kuò)散，并產(chǎn)生充分的混合效果，加快生物反應(yīng)。
　　由于曝氣機(jī)安裝上的靈活性，它在任何形狀的反應(yīng)池中幾乎都能良好地工作。在環(huán)行池、氧化溝、調(diào)節(jié)池、有水位波動(dòng)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(rèn)為很難實(shí)現(xiàn)的直徑1mm超微泡的高效率曝氣設(shè)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(biāo)準(zhǔn)件的尺寸為1.2m´3.6m、重量105kg，3~4人即可搬運(yùn)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(shí)，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(shí)，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)。

表4　 微孔曝氣板的主要規(guī)格和性能參數(shù)

外觀尺寸

1.2m´3.6m

標(biāo)準(zhǔn)通氣量

35~33m³/h

有效發(fā)泡面積

4.3m²

主材質(zhì)

基板

PVC

重量

105kg

薄膜

特殊聚氨酯

通氣量范圍

0~80m³/h

框架

SUS304

　　以下介紹微孔曝氣板的主要性能。
　?。?）氧氣轉(zhuǎn)移效率
　　氧氣向水中的轉(zhuǎn)移（溶解）是氣層與液層之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，氣液的接觸面積越大，即氣泡的表面積越大，則會(huì)提高氧氣的轉(zhuǎn)移效率。以同樣的空氣量進(jìn)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(shí)，氣泡直徑越小其上升速度越慢，氣液的接觸時(shí)間越長，據(jù)此也可得到極高的氧氣轉(zhuǎn)移效率。
　　為了產(chǎn)出微泡而縮小曝氣孔徑，各曝氣設(shè)備廠家之間展開了激烈的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)，但氣管細(xì)小而復(fù)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(chǎn)出微小氣泡，得到極高的氧氣轉(zhuǎn)移效率。
　　（2）所需動(dòng)力及電費(fèi)
　　微孔曝氣板的氧氣轉(zhuǎn)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(dòng)力來看，還是比以往的曝氣頭少，可以降低電費(fèi)。
　　另外，若將現(xiàn)有的反應(yīng)池的曝氣裝置改變成微孔曝氣板時(shí)，根據(jù)風(fēng)量削減效果試驗(yàn)得出，繼續(xù)使用現(xiàn)有得鼓風(fēng)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(dòng)力及電費(fèi)消耗的對(duì)比情況。

表5　 所需動(dòng)力、電費(fèi)的對(duì)比（污水處理量25萬m³/d）

以往曝氣頭

陶瓷制曝氣板

微孔曝氣板

氧氣轉(zhuǎn)移效率（污水）（%）

6

15

24

所需空氣量（m³/min）

1,018

407

254

每張曝氣板通氣量（L/min）

70

35

1,000

壓損（mmAq）

150

300

800

所需動(dòng)力（kWh）

1,016

420

289

年耗電量（kWh/a）

8,900,000

3,680,000

2,530,000

差距（kWh/a）

6,370,000

1,150,000

0

　?。?）曝氣方法
　　微孔曝氣板曝氣時(shí)薄膜會(huì)鼓起并擴(kuò)張薄膜的微孔，據(jù)此通氣來開始曝氣。曝氣停止時(shí)，微孔閉縮且薄膜呈緊繃在基板狀態(tài)以阻止污水浸入內(nèi)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。
　?。?）維修保養(yǎng)
　　微孔曝氣板很難從內(nèi)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(dǎo)致壓損上升時(shí)，可利用薄膜的高彈性通過停止曝氣后再開始曝氣的簡(jiǎn)單操作就可以使孔眼恢復(fù)原狀并開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　（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(huì)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(shí)。
　　綜合歸納，微孔曝氣板的主要特征是：
　?、?曝氣效率高，可以大幅度地減少耗電量（電費(fèi)降至一半以下），并在轉(zhuǎn)為除磷脫氮工藝時(shí)，可以利用現(xiàn)有的鼓風(fēng)系統(tǒng)提供所需的氧氣量；
　?、?不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，隨時(shí)可以停止曝氣作業(yè)，容易進(jìn)行維護(hù)和管理；
　?、?使用壽命長，目前已有10年以上的運(yùn)轉(zhuǎn)業(yè)績；
　　④ 安裝工作簡(jiǎn)單。
　　作為氧化溝工藝的曝氣設(shè)備，常采用機(jī)械曝氣設(shè)備，此時(shí)機(jī)械曝氣設(shè)備是起充氧和推流的作用，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)操作中很難分別獨(dú)立控制充氧量和流速。尤其是對(duì)除磷脫氮要求高時(shí)，需要反應(yīng)池中保持一定容積的厭氧段，但機(jī)械曝氣設(shè)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(jìn)水溶解氧較高時(shí)，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(jī)組合方式是兩個(gè)完全獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)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(jiǎn)單地運(yùn)行操作。另外，位于寒冷地區(qū)的處理廠若采用機(jī)械曝氣設(shè)備，則直接將低溫空氣作為充氧氣體使用，會(huì)導(dǎo)致水溫降低。而微孔曝氣板和螺旋槳式攪拌機(jī)組合方式是利用空壓機(jī)排出的壓縮空氣進(jìn)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(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　總之，微孔曝氣板目前已在歐美50多項(xiàng)工程中得到應(yīng)用，其性能博得到高度的評(píng)價(jià)。
　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和即將加入WTO，我國的環(huán)保工業(yè)與國外競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代已經(jīng)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(shè)備而言，近幾年，在國內(nèi)建設(shè)的污水處理工程中，花費(fèi)了大量外匯用來進(jìn)口國外曝氣設(shè)備，這不僅增加了工程投資，還由于維護(hù)管理等問題，給污水處理廠的正常運(yùn)行帶來許多問題。因此，發(fā)揮國內(nèi)企業(yè)在環(huán)保領(lǐng)域的作用，促進(jìn)民族工業(yè)的發(fā)展，加速國外先進(jìn)曝氣設(shè)備的消化吸收，提高我國曝氣設(shè)備的科技含量和國產(chǎn)化率，增強(qiáng)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力，是促進(jìn)該領(lǐng)域發(fā)展的根本途徑。

范潔簡(jiǎn)歷
　　范潔，男，1967年11月出生于黑龍江省木蘭縣。1984年在哈爾濱船舶工程學(xué)院電子工程系電子技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)；1988年進(jìn)入哈爾濱市自來水公司科研所從事水質(zhì)分析工作；1992年9月至1999年3月在哈爾濱建筑大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院攻讀給水排水專業(yè)碩士和博士學(xué)位，從師于李圭白院士，研究方向?yàn)楦咤i酸鉀復(fù)合藥劑與活性炭聯(lián)用去除水中有機(jī)污染物，期間曾參加國家“八五”課題研究，研究成果1997年獲建設(shè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；1999年進(jìn)入中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究院，在國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心從事工程技術(shù)咨詢和科研工作，如國家課題研究、大型工程項(xiàng)目的投標(biāo)和可行性研究、世界銀行環(huán)境評(píng)價(jià)等。2000年由日本國際協(xié)力基金資助，我國科技部派遣，在日本東京國際研修中心學(xué)習(xí)。在國內(nèi)專業(yè)核心刊物和技術(shù)研討會(huì)上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文11篇。