氧化沟工艺中曝气设备的发展概况

1、氧化沟工艺中曝气设备的发展概况近 2030 年来，污水的除磷脱氮技术一直是污水处理领域研究开 发和应用的热点， 并已取得了长足进展。 氧化沟处理工艺作为城市污 水和工业废水处理中有较强竞争力的二级生物处理技术已被世界各 国广泛采用。 曝气设备作为氧化沟处理工艺中最主要的机械设备， 是 影响氧化沟处理效率、能耗及稳定性的关键之一，不仅兼有充氧、推 动、混合等功能， 还决定着氧化沟的占地面积和基建投资。随着氧化 沟处理工艺对曝气设备的要求越来越高， 以及能源的日趋紧张， 新型 高效低能曝气设备的研究已经成为推动氧化沟处理技术发展和节能 降耗的重要因素。 多年的研究结果使得曝气设备已经在技术上达到了

2、 一个很高的水平，完全可以满足污水生物处理工艺对曝气设备的要 求，并且在提高能源利用效率方面也取得了较大进步。 国内外的实践 证明，新型曝气设备的开发应用， 将意味着新一代氧化沟工艺的诞生。下面简要介绍几种近些年在氧化沟处理工艺中采用的曝气设备及其进展。1 曝气转盘Orbal 氧化沟是氧化沟类型中的重要形式，在中高浓度的城市污 水处理厂中具有相当明显的技术经济优势。 曝气转盘是用于 Orbal 氧 化沟的专用曝气装置，它起着充氧、混合、推动水流作循环流动和防 止活性污泥沉淀等作用。 在我国，曝气转盘主要是由聚乙烯或抗腐蚀 性玻璃钢压铸成型， 转盘表面设有规则排列的楔形凸出物， 以增强推 动混合

3、和充氧效率，盘上开有许多不穿透小孔（称为曝气孔），使空 气分散到液体中以达到充氧的目的。曝气转盘的充氧能力可通过下面四种方式来调节：（1）通过调节出水堰的高低来改变转盘的浸没深度；（2）改变转盘电机的转速（通常采用两级变速）；（3）增加或减少转盘的盘数；（4）改变转盘的旋转方向。近年我国天津国水设备工程公司与美国Envirex公司合作，引进美国先进的曝气转盘生产模具，在国内独家制造出材料为高强轻质塑 料的新型曝气转盘，其主要技术参数为：曝气转盘直径：1400mm适用转速：4355r/min ；适用浸没水深：400530mm单盘标准清水充氧能力及动力效率见表 12所示：表1浸没水深为530mm寸

4、的性能指标（P=101.325kPa,T=20° C）项目转速（r/mi n）单盘充氧能力（kgO/h）动力效率（kgQ/kWx h）430.752.13460.852.04490.941.97521.041.91551.131.86表2浸没水深为480mm寸的性能指标(P=101.325kPa,T=20° C)项目转速(r/mi n)单盘充氧能力(kgQ/h)动力效率(kgO/kWx h)430.681.94460.771.86490.861.79520.951.74551.031.69实际污水处理工程中，曝气转盘性能的好坏和效率的高低，直接影响到Orbal氧化沟的处理效

5、果、动力消耗、建设投资和运转费用。 与同类曝气设备相比，曝气转盘具有工作水深大、充氧能力大、充氧 效率高、混合能力强以及结构简单、组装灵活、使用寿命长、安装维 修方便等特点。2曝气转刷曝气转刷主要有Kessener转刷、笼型转刷和Mammoth专刷三种,其它产品均是这三种的派生型，一般用于Pasveer氧化沟中。Kessener转刷和笼型转刷这两种曝气转刷，氧化沟设计有效水深一 般在1.5m以下。Mammoth刷是为增加单位长度的推动力和充氧能 力而开发的，叶片通过彼此连接直接紧箍在水平轴上，沿圆周均布成一组，每组叶片之间有间隔，叶片沿轴长呈螺旋状分布，在旋转过程 中叶片顺序进入水中，以保证运

6、行的稳定性并可减少噪声。 轴为中空 钢管，转刷直径可达1.0m，转速为7080r/min，浸没深度为0.3m, 目前最大有效长度可达9.0m，充氧能力可达8.0kgO2/（m x h），动力 效率一般在1.52.5kgO2/kWx h之间，氧化沟设计有效水深为 3.03.5m。常见的曝气转刷叶片由镀锌钢板、不锈钢板、玻璃钢等材 料做成，形状也多种多样，有矩形、三角形、T型、W型、齿型、穿孔叶片等。主轴一般为热扎无缝钢管和不锈钢管。我国近年来引进国外技术，具备了生产制造曝气转刷的能力，其 转刷叶片主要由镀锌钢板做成，形状常采用矩形，各项性能指标基本 达到了国际水平。表3中是摘录文献的部分曝气转刷

7、的特性。表3 曝气转刷的特性国家丹麦德国我国直径（mm86010001000转速（r/min ）787272浸深(m0.120.280.300.30充氧能力(kgO/mx h)3.07.08.37.88.3动力效率(kgOl/kWx h)1.61.91.98转刷有效长度(m2.0,3.0,4.03.0 , 4.5 , 6.0 ,7.5 , 9.03.0 , 4.5 , 6.0 ,7.5 , 9.0氧化沟设计水深(m1.03.52.04.03.03.5为了取得更大的除磷脱氮效果，则需要一个较大的反应池，在其 中完成硝化和反硝化过程。由于土地的限制，使得反应池的水深达到 了 8m以往这个水深，常采

8、用微孔曝气设备，但现在也可以使用曝 气转刷。曝气转刷的循环性能可达到水深 3.5m，可以满足不产生沉 积的操作要求，在水深大于3.5m时可附加潜水搅拌器，则工作水深 达到8m是没有任何问题的。当使用这种潜水搅拌器，除了供连续运 转外，在长期或短期间高含氧量交替缺氧期间可作间歇性运转，使反应池中的污水保持一定的流速，避免沉积。3. 立式表面曝气机立式表面曝气机是专为 Carrousel氧化沟设计的，一般每条沟安装一台，置于反应池的一端。它的提升能力强，允许有较大的沟深(45n)，适用于大流量的污水处理厂，应用较为广泛。它的充氧能 力随叶轮直径变化较大，动力效率一般为1.82.3kgO2/kWX

9、h。立式表面曝气机有固定式和浮筒式两种， 其中浮筒式整机安装在 浮筒上，用钢绳固定于水中，用防水电缆与之连接，它可根据需要在 一定范围内移动； 而固定式立式曝气机的规格品种最多， 目前在我国 是以泵型( E 型)及倒伞型叶轮为主。泵型叶轮曝气机是我国自行研 制的高效表面曝气机，叶轮直径在 0.42.0m 之间，叶轮的充氧方式 以水跃为主，液面更新为辅。倒伞型叶轮曝气机的叶轮直径一般在 0.52.5m，国内最大的倒伞型叶轮直径为 3m。由于其叶轮直径较泵 型的大，故其转速较慢，约为 3060r/min ，动力效率为 2.132.44 kgQ/kWx h,在最佳时可达2.51kgO2/kWx h。

10、倒伞型叶轮曝气机的充 氧方式是以液面更新为主，水跃及负压吸氧为辅，目前广泛应用的 Carrousel 氧化沟就多是采用这种曝气机。4. 抽吸式曝气机抽吸式曝气机通常是倾斜安装在反应池中, 是一种叶轮抽吸式曝 气搅拌机。抽吸式曝气机的工作原理是： 空气被吸入水面以下并且被高速旋 转的叶轮搅碎, 中空的螺旋桨驱动轴顶端连接着电机轴, 其底端与螺 旋桨和扩散器连在一起。 驱动轴上部有孔洞, 空气通过它得以进入水 下。螺旋桨在水下高速旋转形成负压并产生液体流, 在压力差的作用 下,空气通过空心驱动轴进入水中。 螺旋桨形成的水平流将空气转化 成细微、均匀的气泡，其平均直径 2mm达到美国环保组织为优秀的

11、 空气扩散器制定的2.2mm的标准。在与水的接触中，氧气被水和水生 生物吸收。这些气泡扩散得较远，从而与水接触得时间很长，氧利用 率非常高。曝气机的氧气扩散区和混合区的范围随机器型号而变化， 将多台曝气组合安装在反应池中， 可使氧气在整个反应池中混合并扩 散。工作时曝气机的入水角度可以在 30°90°之间调节，通常以45 °放置，但有些时候为达至最好的效果， 必须根据具体情况调节安 装角度。曝气机可以提出水面直接维修。将曝气机的影响区域互相连接， 使水的混合效果与氧气传递速率 达至最大， 这是在反应池中形成水流联动的基础。 水流联动是若干台 曝气机经过合理的布置形

12、成循环流， 使池中的平均流速与总功率的比 值达到最大值。 极大的流速使氧气得到迅速扩散， 并产生充分的混合 效果，加快生物反应。由于曝气机安装上的灵活性， 它在任何形状的反应池中几乎都能 良好地工作。 在环行池、 氧化沟、调节池、 有水位波动的池子、 浅池、 矩形池或方形池中，都可以因地制宜，找到合适的安装和布置形式。5. 微孔曝气板由日本研制开发的微孔曝气板是采用聚氨酯薄膜， 并能发生出目 前认为很难实现的直径1mn超微泡的高效率曝气设备。该微孔曝气板 是在PVC制基板上，紧绷开有微孔的特殊聚氨酯薄膜以保持气密， 并用不锈钢制槽钢及框架来加固。标准件的尺寸为1.2m'3.6m、重量1

13、05kg, 34人即可搬运及安装一张曝气板。该特殊聚氨酯薄膜厚约 1mm弹性极大且耐久性卓越。同时，该特殊聚氨酯薄膜的表面光滑， 具有很难附着生物膜，即使万一附着上生物膜时，也极易剥离的特征 因此，它是适用于曝气的优秀材料。表4中列出了微孔曝气板的主要规格和性能参数。表4 微孔曝气板的主要规格和性能参数外观尺寸1.2m'3.6m标准通气量3533n3/h有效发泡面积24.3m主材质基板PVC重量105kg薄膜特殊聚氨酯通气量范围080nVh框架SUS304以下介绍微孔曝气板的主要性能。（1）氧气转移效率氧气向水中的转移（溶解）是气层与液层之间的物质转移现象，气液的接触面积越大，即气泡的

14、表面积越大，则会提高氧气的转移效 率。以同样的空气量进行曝气，气泡直径越小则其整体的表面积越大， 效果也越好。同时，气泡直径越小其上升速度越慢，气液的接触时间 越长，据此也可得到极高的氧气转移效率。为了产出微泡而缩小曝气孔径，各曝气设备厂家之间展开了激烈 的开发竞争，但气管细小而复杂以及空气中的粉尘等往往是很易堵塞 曝气孔眼。而采用聚氨酯薄膜的微孔曝气板，很好地解决了曝气孔眼 的堵塞问题，在不使用高档除尘装置的情况下也可以产出微小气泡， 得到极高的氧气转移效率。（2）所需动力及电费微孔曝气板的氧气转移效率极高，故可减少送气量。但因其气泡 直径约为1mm虽然压损将比以往的曝气头有所增加，但是，从

15、整体 的所需动力来看，还是比以往的曝气头少，可以降低电费。另外，若将现有的反应池的曝气装置改变成微孔曝气板时，根据风量削减效果试验得出，继续使用现有得鼓风系统是能够获得同等电 力削减效果的。表5中列出了微孔曝气板与以往曝气头和陶瓷制曝气板动力及电费消耗的对比情况。表5 所需动力、电费的对比（污水处理量 25万m/d）以往曝气头陶瓷制曝气板微孔曝气板氧气转移效率（污水）（%61524所需空气量（m/min ）1,018407254每张曝气板通气量（L/min ）70351,000压损（mmAq150300800所需动力（kWh1,016420289年耗电量（kWh/a）8,900,000 368

16、0,0002,530,000差距（kWh/a）6,370,000 1,150,0000（3）曝气方法微孔曝气板曝气时薄膜会鼓起并扩张薄膜的微孔，据此通气来开 始曝气。曝气停止时，微孔闭缩且薄膜呈紧绷在基板状态以阻止污水 浸入内部，造成孔眼的堵塞问题。因此，也不需要以往微孔曝气头所 需的1m高性能空气滤清器。（4）维修保养微孔曝气板很难从内部发生堵塞孔眼问题或在薄膜表面附着生 物膜，即使附着后也极容易剥离，故不需要特殊的维修保养。万一附 着粘泥或因尘土等放生堵塞孔眼而导致压损上升时， 可利用薄膜的高 弹性通过停止曝气后再开始曝气的简单操作就可以使孔眼恢复原状 并开始正常运转。（5）耐久性用于微孔

17、曝气板的薄膜与以往的橡胶不同， 是不添加增塑剂的特 殊聚氨酯薄膜，不仅柔软且极有弹性。因不含增塑剂，故长期使用也 不会发生因增塑剂脱离而引起的薄膜老化现象。这种卓越的耐久性， 已有10年以上的使用业绩得以证实。综合归纳，微孔曝气板的主要特征是： 曝气效率高，可以大幅度地减少耗电量（电费降至一半以下）， 并在转为除磷脱氮工艺时， 可以利用现有的鼓风系统提供所需的氧气 量； 不会发生堵塞现象，随时可以停止曝气作业，容易进行维护 和管理； 使用寿命长，目前已有 10 年以上的运转业绩； 安装工作简单。作为氧化沟工艺的曝气设备， 常采用机械曝气设备， 此时机械曝 气设备是起充氧和推流的作用， 在实际运

18、转操作中很难分别独立控制 充氧量和流速。 尤其是对除磷脱氮要求高时， 需要反应池中保持一定 容积的厌氧段，但机械曝气设备为防止活性污泥的沉淀而需要一定的 流速，这样往往容易引起充氧过量， 特别是在降雨天等进水溶解氧较 高时，该状态更加显著，从而不能得到理想的除磷脱氮效果。与此相 比，微孔曝气板和螺旋桨式搅拌机组合方式是两个完全独立的设备进 行充氧及搅拌， 因此可分别控制流速及溶解氧， 并能够高效简单地运 行操作。另外， 位于寒冷地区的处理厂若采用机械曝气设备，则直接 将低温空气作为充氧气体使用， 会导致水温降低。 而微孔曝气板和螺 旋桨式搅拌机组合方式是利用空压机排出的压缩空气进行充氧， 它具

19、 有隔热压缩的加热效果， 可防止水温降低， 保证处理工艺在冬季也能 够稳定进行运转。总之，微孔曝气板目前已在欧美 50 多项工程中得到应用，其性 能博得到高度的评价。随着我国经济的发展和即将加入 WTO我国的环保工业与国外竞 争的时代已经到来， 而与国外相比我们还有很大的差距。 就氧化沟处 理工艺中的曝气设备而言，近几年，在国内建设的污水处理工程中， 花费了大量外汇用来进口国外曝气设备， 这不仅增加了工程投资， 还 由于维护管理等问题， 给污水处理厂的正常运行带来许多问题。 因此， 发挥国内企业在环保领域的作用， 促进民族工业的发展， 加速国外先 进曝气设备的消化吸收，提高我国曝气设备的科技含

20、量和国产化率， 增强在市场中的竞争能力，是促进该领域发展的根本途径。氧化沟结合水解工艺处理造纸废水1 废水水量、水质广西某公司是一采用毛竹为原料的造纸厂， 其废水主要来源于碱 液浸泡 (40%烧碱)后水洗产生的黑液和抄纸机废水白水。其中， 白水连续排放(1 200t/d) , COD 7001 200mg/L, pH值为 7.2 9.5 ; 黑液间歇排放(100t/d) , COD为12 00024 000 mg/L, pH值为9.2 11.5。此外，还有部分生活污水(约100t/d) , CO因200mg/Lo废水 主要成分有：纤维、纤维素分解生成的糖类、醇类、有机酸、木质素 及其衍生物，少

21、量的树脂酸、脂肪酸等。废水的可生化性较好，BOD/CO值接近0.5 ,SS含量大(690 mg/L), 导致污泥产率系数大。根据这一特点，该废水采用了利用兼氧技术的 水解池和利于污泥好氧稳定的氧化沟进行处理。2 处理工艺及设计参数2.1处理工艺废水处理工艺流程见图1嶠t?水投握水池*气浮池岀水过醴啣-一休化凤谜池L加药出术T运走喪朮 一"咅民图】瓏水赴理工艺流租圏2.2设计参数主要构筑物及设计参数见表1表1构筑物尺寸及设计参数构筑物规格及参数数量(座)停留时间(h)备注集水池V总iooom320厂内原有气浮池2mK 5mK2m20.5暂时不用水解酸化池24mx 12mx 5m124V

22、有效=12oom,内设填料65om,分6格氧化沟36mx 24mx 3m1363V 有效=1800m黑液箱3mx 3nX9m10.5一体化沉淀池14nX 12mx 4m24过滤罐R=570mmH=3020mm10.5耐压强度为980kPa,罐内设金属丝网、聚苯乙烯泡沫塑料（20目）2.3工艺特点 纸浆废水的纤维含量高，因此回收利用前景十分可观，其产量 可达20 t/d（含水浮渣）。采用气浮工艺能很好地予以回收，但由于目前该厂生产设备较为落后导致回收纤维无法充分利用，且不影响后续处理，故暂不采用气浮工艺。 水解池是兼氧技术的体现，兼性菌（主要是产酸细菌）在缺氧或 厌氧条件下将废水中主要有机污染物

23、木质素、纤维素等分解成小分子 中间产物一一有机酸及醇类（如乙酸、乙醇），同时一些有毒物质及一 些带色基团的分子键被打开。水解池出水pH值一般控制为5.86.8。 氧化沟主要用于降解难降解有机物及脱氮除磷。氧化沟设计流 速为0.3 m/s，相当于混合液在沟中平均环行了约 204周，废水经稀 释、吸附，得到长时间的降解。氧化沟的污泥泥龄长 （30 d），因此经过氧化沟处理后的污泥已经得到好氧稳定，VSS/SS值一般为60%不需要另外消化；污泥也近于零排放，自开始运行至今只排泥一次。氧 化沟中充分的供氧发生在反应池一端， 受限制的供氧发生在反应池其 余部分，混合液在曝气和非曝气段间循环， 同时表曝机

24、使池中形成上、 中、下三种溶氧层次，使厌氧、兼氧、好氧菌的协同作用成为可能。 这种大环境 （包括死角）和大量微环境 （菌胶团内部形成的缺氧、厌氧 段）的存在使有机物得到更好地降解、并为同时硝化反硝化提供了条 件，使氧化沟兼具脱氮除磷功效。如出水对磷要求高，则可定期适当 排泥。 一体化沉淀池 1 兼具沉淀池、回流污泥池、污泥浓缩池、出水 池功能；一体化沉淀池 2 兼具沉淀池、絮凝反应池、污泥浓缩池、出 水池功能。 黑液、白水大致按1 : 12的配比进入水解酸化池。3 实际运行效果3.1 生化池接种、驯化为缩短培养、 驯化时间， 接种污泥采用附近凤凰纸业厂的生化污泥（含水率99.6%）,投加于水解

25、酸化池为5m3,氧化沟9mm（受运输等 问题限制 ）。开始培养时，氧化沟内放 1/4 白水、 3/4 清水进行闷曝， 并投加面粉50kg/d ,换水30t/d。当污泥沉降比（SV）持续3d为3%寸, 逐渐增加换水量，并按BOD5 N： P=100： 5 : 1的比例投加尿素和磷 肥营养物。经一个月左右的培养和试运行，SV=12%已达到满负荷进 水条件，微生物生长良好，出水稳定。3.2DO分布情况表曝机在不同的转速下，池内各点的溶解氧浓度（溶氧仪测）见表2、图2。实际运行表明，当表曝机附近的 DC维持在2.0mg/L时，池 内以好氧处理为主，同时底部存在缺氧或厌氧区，使好氧、缺氧、厌 氧菌并存，

26、协同作用。当表曝机附近的DO维持在1.0 mg/L以下时，则池内好氧区大大减少，除碳、硝化及脱氮都受到很大限制。DC太高，污泥繁殖快，产泥多，不利于操作，也耗电。因此，最好控制转 速，使表曝机附近的DO维持在2.0 mg/L左右，实践表明在该条件下 的运行情况良好。表2稳定运行时氧化沟内DO分布mg/L转速35 r/min 3；2 r/mi n30r/min28 r/min 2!5 r/mi n位置ABABCABCABAB12.952.051.651.250.8022.852.102.001.651.050.800.650.400.700.250.350.1032.352.301.801.801.000.700.700.350.400.300042.202.101.751.650.900.600.550.350.400.400052.102.151.751.750.650.800.800.400.600.500.200.1062.502.501.601.600.950.950.900.650.650.550.200.1073.002.201.601.050.8083.102.251.651.250.8093.403.002.301.901.051.501.300.701.150.900.400.20102.302.301.601.550.851