凌暉 王誠(chéng)信 史可紅
(赫司特中國(guó)投資公司梅塞爾代表辦公室)

　　由于純氧的壓力高于空氣中氧的分壓，純氧曝氣可顯著提高氧的轉(zhuǎn)移速率。德國(guó)梅塞爾（MESSER）集團(tuán)開發(fā)的微氣泡純氧曝氣技術(shù)(BIOX工藝)，將微孔曝氣和純氧曝氣的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),采用微孔軟管曝氣墊，在水深5 m處的氧利用率高達(dá)80％。該工藝應(yīng)用于敞開曝氣池，可顯著提高污泥濃度和改善污泥沉降性能，故特別適用于現(xiàn)有活性污泥處理廠的脫氮升級(jí)改造。此外，該工藝還廣泛應(yīng)用于污染河流的曝氣復(fù)氧，由于設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、不產(chǎn)生噪聲和對(duì)流態(tài)不形成擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于具有旅游景觀功能的市區(qū)河道的治理。

1 純氧曝氣和空氣曝氣的比較?

　　曝氣過程中氧的傳輸速率(即溶解氧濃度的變化率)和氧虧值成正比，如式(1)所示。所謂氧虧值是氧飽和濃度和實(shí)際達(dá)到的溶解氧濃度之差。

　　dc／dt=K_LA/V（Cs-C_T) (1)
　　式中　KL——氧傳遞系數(shù)，h-1
　　　　　Cs——飽和溶解氧濃度，mg/L
　　　　　CT——實(shí)際溶解氧濃度，mg/L，氧虧值為（Cs-C_T)

　　在空氣曝氣時(shí)氧的分壓為21 kPa，而純氧曝氣時(shí)氧壓力可達(dá)101 kPa。于是，純氧曝氣時(shí)氧飽和濃度是43.74 mg/L(20 ℃),這是空氣曝氣時(shí)9.17 mg/L的4.8倍。如果實(shí)際要求達(dá)到溶解氧濃度5 mg/L,則空氣曝氣時(shí)氧虧值是4.17 mg/L,而純氧曝氣時(shí)氧虧值高達(dá)38.74 mg/L。顯然，純氧曝氣時(shí)溶解氧的增長(zhǎng)速率是空氣曝氣時(shí)的38.74/4.17=9.3倍。

2 微氣泡純氧曝氣活性污泥工藝

　　在活性污泥工藝中應(yīng)用純氧曝氣，不應(yīng)簡(jiǎn)單地被看作只是替代常規(guī)的空氣曝氣裝置，更重要的是由于純氧的應(yīng)用可導(dǎo)致活性污泥工藝中許多重要技術(shù)參數(shù)發(fā)生顯著的改變，從而形成一種活性污泥工藝的變型，即純氧活性污泥工藝。表1中列示了同一污水的常規(guī)活性污泥工藝和純氧活性污泥工藝的相關(guān)技術(shù)參數(shù)比較。

　　相比之下，純氧活性污泥工藝的性能改善具體表現(xiàn)在以下各方面：可以在很高的曝氣池污泥濃度下保持高的溶解氧濃度；可以在很高的有機(jī)負(fù)荷下運(yùn)行并具有很高的基質(zhì)去除率；顯著提高污泥的沉降速率和改善污泥的脫水性能；在相同的負(fù)荷下產(chǎn)生較少的剩余污泥；整個(gè)處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、抗沖擊能力均有改善。
　　BIOX工藝的核心是一種應(yīng)用純氧的微氣泡軟管曝氣墊，這種曝氣墊由多根微氣泡曝氣軟管平行鋪設(shè)于長(zhǎng)方形鋼質(zhì)框架中所構(gòu)成。軟管的材料是一種具有優(yōu)良彈性和耐久性的特種橡膠，軟管外徑26 mm、內(nèi)徑16 mm、壁厚5 mm，軟管壁上均勻分布微細(xì)的小孔。當(dāng)進(jìn)氣壓力大于要求的開啟壓力0.05 MPa時(shí)，小孔開啟而產(chǎn)生微氣泡；當(dāng)進(jìn)氣壓力低于0.05 Mpa或停止供氣時(shí)，小孔自動(dòng)關(guān)閉，從而有效地防止污水進(jìn)入管內(nèi)，起到類似“單向閥“的功能。軟管中氧氣的供氣壓力通常為0.2～0.4 MPa。采用較高供氣壓力的優(yōu)點(diǎn)：保證軟管內(nèi)沿整個(gè)長(zhǎng)度存在穩(wěn)定均勻的氣流；在池底鋪設(shè)軟管時(shí)對(duì)水平度不存在苛刻的要求，使施工安裝大為簡(jiǎn)便；可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氧氣流量，從而獲得不同的曝氣強(qiáng)度。
　　由式(1)可知，曝氣過程中溶解氧濃度的變化率不僅和氧虧值成正比，而且和氣液相界面面積A成正比。顯然，微氣泡可增大氣液相界面面積，是提高氧傳遞速率的重要條件之一。BIOX工藝中軟管小孔開啟時(shí)生成的微氣泡直徑小于2 mm，在水深5 m處氧的利用率可高達(dá)80%，而通常應(yīng)用穿孔管或微孔擴(kuò)散器進(jìn)行空氣曝氣時(shí)，氧的利用率分別只有6%～8%和10%～12%。很高的氧傳遞速率特性對(duì)于提高曝氣池內(nèi)污泥濃度和改善處理系統(tǒng)對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性都是十分必要的。
　　BIOX工藝的氧氣來(lái)源可以用變壓吸附（PSA）現(xiàn)場(chǎng)制氧設(shè)備，也可由安裝在現(xiàn)場(chǎng)的液氧貯罐供給，后者應(yīng)用更為普遍。液氧經(jīng)蒸發(fā)器氣化后通過穩(wěn)壓和計(jì)量裝置調(diào)節(jié)至要求的壓力和流量，然后經(jīng)分配裝置進(jìn)入曝氣軟管，BIOX純氧曝氣系統(tǒng)見圖1。?

　　液氧貯罐定期由液氧槽車灌注，操作十分簡(jiǎn)便安全。由于液氧有很高的純度，故盡管采用了微孔曝氣軟管，系統(tǒng)中不需要任何氣體凈化預(yù)處理，這也是和空氣曝氣的不同之處。
　　BIOX工藝已廣泛應(yīng)用于各種污水處理工程中，其中主要有以下三個(gè)方面:?
　?、俪?fù)荷污水處理廠的“部分氧化工藝”,即在超負(fù)荷的曝氣池中應(yīng)用BIOX工藝。為了消除超負(fù)荷引起的溶解氧濃度過低等問題，可在曝氣池的局部（如推流曝氣池的開始段）或可在整個(gè)曝氣池中增設(shè)BIOX純氧曝氣，并保留原有的空氣曝氣，這樣可靈活經(jīng)濟(jì)地維持必要的溶解氧濃度。?
　　②應(yīng)用于序批式反應(yīng)器（SBR），可充分利用SBR中較高污泥濃度和水深的優(yōu)點(diǎn)。
　?、蹜?yīng)用于污水生物脫氮的三級(jí)處理廠，即采用BIOX—N工藝。由于純氧曝氣可顯著提高污泥濃度和曝氣池容積負(fù)荷，不僅可縮小曝氣池容積，而且由于污泥負(fù)荷的降低，有利于硝化反應(yīng)的發(fā)生。所以在污水處理廠的脫氮改造時(shí)，可將原有曝氣池的一部分隔開，用作反硝化的缺氧池，剩余部分則為純氧曝氣的硝化池(見圖2)。這樣，無(wú)需新建任何構(gòu)筑物就可以實(shí)現(xiàn)污水處理的脫氮升級(jí)。

?

　　以下是BIOX—N的一個(gè)工程改造實(shí)例：
　?德國(guó)一座80000人口當(dāng)量污水處理廠，基本處理設(shè)施由初沉池、四個(gè)曝氣池、兩個(gè)二沉池和一個(gè)污泥池組成。存在的問題主要是氨氮處理不能達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)5 mg/L的要求。采用BIOX—N工藝進(jìn)行的改造步驟如下：曝氣池1改為脫氮池，采用兩臺(tái)液下攪拌器推進(jìn)水流；曝氣池2和曝氣池3采用梅塞爾BIOX純氧曝氣工藝；曝氣池4保留原有的表曝系統(tǒng)；其余設(shè)施不動(dòng)。重新運(yùn)行后，在曝氣池有效水深4.70 m的條件下，氧氣的利用率達(dá)80%以上，曝氣池的污泥濃度由原來(lái)的2～3 g/L提高至5～6 g/L。
　?上例中純氧曝氣系統(tǒng)的硬件投資費(fèi)用約為3萬(wàn)馬克，而采用供氧能力相當(dāng)?shù)谋砥卦O(shè)備，則投資高達(dá)20萬(wàn)馬克；應(yīng)用BIOX工藝僅改造投資就比傳統(tǒng)工藝(包括擴(kuò)大曝氣池容積所需的土建費(fèi)用)節(jié)約800萬(wàn)馬克，改造后污水處理廠的年運(yùn)行費(fèi)用約為12萬(wàn)馬克，改造前、后運(yùn)行結(jié)果的比較見表2。

　　經(jīng)過長(zhǎng)期應(yīng)用，BIOX工藝具有下列優(yōu)點(diǎn)：
　?、偌冄跗貧庋b置長(zhǎng)期運(yùn)行后或停頓后再次啟用時(shí)軟管不會(huì)堵塞。
　?、谟绕溥m合于現(xiàn)有污水處理裝置的擴(kuò)容改造，可無(wú)需增建曝氣池而實(shí)現(xiàn)生物脫氮的升級(jí)，這一特點(diǎn)在土地緊缺的地區(qū)是十分可貴的。?
　?、奂冄跗貧庠O(shè)備相當(dāng)簡(jiǎn)單，操作安全可靠，易于掌握。由于不需采用任何泵、鼓風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用極低。盡管純氧的耗用使運(yùn)行費(fèi)用較高，但如考慮土地購(gòu)置費(fèi)用、曝氣設(shè)備投資折舊率和日常維修費(fèi)用以及電費(fèi)的節(jié)省，并對(duì)純氧曝氣設(shè)備采用國(guó)際通用的租賃方式，則本工藝的綜合經(jīng)濟(jì)性有相當(dāng)好的競(jìng)爭(zhēng)力。?
　?、鼙鞠到y(tǒng)沒有任何噪聲，也基本上不存在揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的氣體逸散，故對(duì)污水處理廠周圍不會(huì)產(chǎn)生不利的環(huán)境影響。

3 微氣泡純氧曝氣的河流復(fù)氧?

　　河道水體人工曝氣復(fù)氧是治理污染河流的一種有效的工程措施，可在短時(shí)間內(nèi)取得降低水體污染程度和提高溶解氧濃度的效果。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在北京、上海等城市進(jìn)行了一定規(guī)模的河道人工曝氣復(fù)氧試驗(yàn)，上海環(huán)境科學(xué)研究院張明旭等對(duì)上海蘇州河水體的人工曝氣復(fù)氧效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究和動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，即使是黑臭程度高的河水在有氧的條件下20 h后臭味基本消除，水體顏色明顯改觀，COD和BOD大幅度下降（30％～55％）。早在80年代BIOX工藝已成功應(yīng)用于德國(guó)Enscher河進(jìn)行純氧曝氣復(fù)氧。在曝氣位置處水體的溶解氧濃度可升高至15 mg/L,然后溶解氧濃度沿著水流方向逐漸下降，直到下游7 km處才重新降低至零，在這段距離內(nèi)河水的臭味被有效地消除了。德國(guó)柏林Teltow運(yùn)河為了改善水質(zhì)和提高溶解氧濃度，要求安裝最大供氧量為70 kgO₂/h的曝氣裝置,以使平均流量達(dá)13 m³/s的河水中溶解氧濃度升高1.5 mg/L。在比較了多種可能的曝氣復(fù)氧方案后，最終采用了BIOX工藝。曝氣軟管的總長(zhǎng)為700 m，曝氣墊覆蓋面積200 m²。25 ℃時(shí)起始溶解氧濃度為6.3 mg/L(提高了1.5 mg/L),此時(shí)氧的利用率為38%～44%。該系統(tǒng)除了監(jiān)控曝氣裝置的運(yùn)行狀態(tài)外，還裝備有溶解氧濃度測(cè)量控制儀表，可根據(jù)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果隨時(shí)對(duì)供氧量進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，在炎熱的夏季，特別是在夜間無(wú)藻類光合作用供氧時(shí)，就可以增大供氧量。
　　德國(guó)MESSER集團(tuán)協(xié)助上海環(huán)境科學(xué)院在上海蘇州河支流新涇港下游進(jìn)行了BIOX工藝的現(xiàn)場(chǎng)中試。這是一條嚴(yán)重污染的河道，河水黑臭，COD高達(dá)100～200 mg/L。由于受潮汐和閘門開閉的影響，河道流態(tài)變化復(fù)雜。試驗(yàn)裝置由一個(gè)5 m³液氧貯罐、一個(gè)100 m³/h蒸發(fā)器、穩(wěn)壓計(jì)量?jī)x表和軟管曝氣墊組成。共設(shè)兩塊曝氣墊，分別由長(zhǎng)度4×40 m的軟管組成，曝氣區(qū)的總長(zhǎng)度約為100 m。軟管的供氣壓力為0.32 MPa，氧氣流量在0～106 kg/h范圍內(nèi)可調(diào)。液氧槽車定期灌注貯罐，保證了氧源的正常供給。試驗(yàn)結(jié)果表明，純氧曝氣可有效降低黑臭水體中的COD濃度。當(dāng)河水流速較平緩時(shí)，COD濃度降低19.5%～55.6%；經(jīng)過曝氣區(qū)的BOD/COD值從0.46降至0.40，這表明在純氧曝氣過程中不僅發(fā)生了硫化物、亞鐵等還原物質(zhì)的化學(xué)氧化（表現(xiàn)為水體黑色變淺，臭味減弱），而且發(fā)生了一定程度的生物降解作用。在河水污染程度不太嚴(yán)重且流速較慢、水位較深時(shí)，溶解氧濃度可升至9.46 mg/L(10 ℃)，在三個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行中整個(gè)曝氣系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行正常，無(wú)需任何維修。?由于不產(chǎn)生任何噪聲和對(duì)河道水體的流態(tài)不會(huì)形成任何明顯的擾動(dòng)和障礙，故BIOX工藝尤其適用于在市中心水上航運(yùn)繁忙、具有旅游景觀功能的河道上進(jìn)行人工曝氣復(fù)氧。

參考文獻(xiàn)?

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