邢旭明
(珠海南島實業(yè)發(fā)展公司)

　　摘要　 曝氣器就是一種氣流擴散器，本文就擴散的流體運動、氧利用率、微孔曝氣孔隙問題、氣流擴散的技術(shù)合理性、曝氣技術(shù)發(fā)展方向、動力擴散與孔隙擴散等論述了一些初步的看法。
　　關(guān)鍵詞　 污水處理 曝氣器 擴散機理 旋混曝氣器

　　曝氣擴散是污水處理工藝中的核心技術(shù)，本文就曝氣擴散機理在應(yīng)用中出現(xiàn)的新問題提出一些初步的看法。

1 按照流體運動性質(zhì)分析曝氣擴散的區(qū)別

　　曝氣擴散的實質(zhì)就是使氣相中的氧向液相中轉(zhuǎn)移。氣相中的氧轉(zhuǎn)移為液相中的溶解氧，是通過流體運動形成氣液接觸界面而完成的。因此，按照流體運動性質(zhì)來分析則可以看出曝氣擴散技術(shù)的區(qū)別。如果采用流體運動的性質(zhì)來區(qū)分，曝氣擴散技術(shù)則有下列兩種基本形式。
1.1 液相流體主動運動型
　　葉輪與轉(zhuǎn)刷（盤）表面曝氣是采用制造液相流體的水躍而形成氣液接觸界面； 射流曝氣是依靠射流液相流體吸入氣相流體而形成氣液接觸界面，這些均是屬于液相流體主動運動型，其技術(shù)特征是：動能作用于重質(zhì)液相流體運動；輕質(zhì)氣相流體是被動接觸；在葉輪或轉(zhuǎn)刷（盤）攪動處、射流口附近產(chǎn)生局部連續(xù)的氣液接觸界面。
1.2 氣相流體主動運動型
　　鼓風(fēng)曝氣是由風(fēng)機輸送氣相流體，經(jīng)曝氣器的擴散作用以升泡運動的方式形成氣液接觸界面，這就是屬于氣相流體主動運動型，其技術(shù)特征是：動能作用于輕質(zhì)氣相流體運動；重質(zhì)液相流體是被動接觸；由升泡的上升運動，可產(chǎn)生立體連續(xù)的氣液接觸界面。

鼓風(fēng)曝氣與機械曝氣流體運動特點的比較 項　 目 鼓風(fēng)曝氣 機械曝氣 動能作用 氣相（輕質(zhì)）流體運動 液相（重質(zhì)）流體運動 流體運動 氣相（輕質(zhì)）流體主動運動 液相（重質(zhì)）流體主動運動 接觸界面 氣液接觸界面立體連續(xù) 氣液接觸界面局部連續(xù) 充氧形式 立體升泡 局部水躍

2 “氧利用率”不能確定曝氣器實際運行的功效

　　曝氣器的作用就是促進氧的傳質(zhì)，“氧利用率”似乎理所當然的應(yīng)是反映曝氣器技術(shù)性能的指標，因此長期以來就存在著一種采用“氧利用率”來判定曝氣器技術(shù)性能的習(xí)慣觀點。但是，如果對“氧利用率”作深入的分析，就會發(fā)現(xiàn)該指標不能真實確定曝氣器實際運行的功效。
2.1 “氧利用率”實質(zhì)是不受變量影響的定值
2.1.1 氧利用率公式

　　氧利用率=[q_c／(0.28×q)]×100% （CJ/T3015.2-93）

　　q_c — 標準狀態(tài)下，測試條件，曝氣器充氧能力 （kg/h）；
　　0.28 — 標準狀態(tài)下，1 M³ 空氣所含氧的重量 （㎏/ M³）；
　　q — 標準狀態(tài)下，曝氣器通氣量 （M³/h）。

　　由上式可知，氧利用率取決于充氧能力（q_c） 與通氣量（q）兩個因素。

2.1.2 在曝氣器充氧能力（q _c）與通氣量（q）兩者之間存在一個正比關(guān)系，即充氧能力（q_c）的大小取決于通氣量（q）的多少。通氣量為0，充氧能力也等于0。在一定的通氣量范圍之內(nèi)，隨著通氣量的加大充氧能力也隨之加大。
　　所有曝氣器所標明的充氧能力（q_c），都是在清水試驗條件下依據(jù)一定的通氣量（q）而測定獲取的。
2.1.3 氧利用率公式也可以寫成下式：

　　(1/0.28)×100%×(q_c/q)= 0.0357×(q_c/q)

　　因為充氧能力（q_c）與通氣量（q）之間存在正比關(guān)系，q_c /q結(jié)果為常數(shù)值，所以“氧利用率”實質(zhì)上是一個不受變量影響的定值。不受變量影響的定值參數(shù)，所表述的僅僅只是一種物理現(xiàn)象，而決不表明功效的技術(shù)性能。響的定值參數(shù)，所表述的僅僅只是一種物理現(xiàn)象，而決不表明曝氣器實際運行功效。
2.2 “氧利用率“不反映氧傳質(zhì)的效率
2.2.1 一個大泡，如果被分割成小泡的數(shù)量愈多，則所形成的“泡表膜”面積愈多，“泡表膜”是進行氧傳質(zhì)的功能膜，如果只站在“氧利用率”這一角度片面的看問題，當然是氣泡被分割得愈小愈好。
2.2.2 要獲取較高的“氧利用率”，就必須盡可能產(chǎn)生較多的“泡表膜”。一個大泡（一個單位的空氣）被擴散形成的小泡數(shù)量愈多，“泡表膜”也就愈多，“氧利用率”也就愈高。由此可見，“氧利用率”僅僅只是與氣泡擴散程度有關(guān)，而與動能作用氣泡擴散的過程無關(guān)。也就是說“氧利用率”只表明一個單位的大泡被分割成小泡的多少，而與擴散分割過程如何，動能消耗多少完全無關(guān)。因此，“氧利用率”并不等于氧傳質(zhì)的效率。
2.2.3 按照孔隙擴散原則，多大的孔則產(chǎn)生多大的泡。如果空氣通過直徑為1 μm的孔眼是被分割形成1 μm的氣泡，則此類微孔曝氣器在運行中，無論阻力損耗多大，也無論孔眼堵塞了多少，只要還有孔眼在通氣，就一定是產(chǎn)生1 μm的小氣泡，顯然此時“氧利用率”也沒有變化，但真實的運行功效卻是有了很大的變化。
2.2.4 由于“氧利用率”只與氣泡分割擴散的程度有關(guān)，一個單位量的空氣，只要排氣孔眼的直徑是1 μm，無論是短時間內(nèi)經(jīng)過眾多孔眼排出，或是長時間內(nèi)經(jīng)過少量孔眼排出，因為擴散結(jié)果始終是分割成直徑為1μm的小泡，所以，其“氧利用率”是會始終保持不變的。由此可見，只用“氧利用率”來說明曝氣器的氧傳質(zhì)效率，顯然會產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。
2.2.5 如果曝氣器的設(shè)計參數(shù)是：通氣量=2 M³/h、氧利用率=25%，由于要確保實現(xiàn)較高的氧利用率，排氣孔眼設(shè)計為采用微小孔。但在實際運行中，大部分通氣孔眼被堵塞，單個曝氣器的通氣量只能達到0.2 M³/h，也就是說工作效率已降低了90%，由于“細孔產(chǎn)生細泡”原理與孔眼堵塞程度無關(guān)，此時所謂的“氧利用率=25%”并無變化，但其真實的氧傳質(zhì)效率已經(jīng)是變得很低了。
2.2.6 “氧利用率”所表明的是：單位空氣中的氧，經(jīng)氣泡分割所形成的“泡表膜”產(chǎn)生氧傳質(zhì)作用的利用率。氧傳質(zhì)效率應(yīng)說明的是：單位空氣中的氧，在單位時間內(nèi)通過“泡表膜”產(chǎn)生氧傳質(zhì)作用的量。顯然，“氧利用率”并非就是氧傳質(zhì)效率。
2.3　 鼓風(fēng)曝氣器氧利用率比較
　　大孔排氣類：
　　噴射曝氣器 ≈5%
　　螺旋曝氣器 ≈5%
　　散流曝氣器 ≈7%
　　旋混曝氣器 ≈21%
　　小孔排氣類：
　　軟管微孔曝氣器 ≈13%（受孔變影響）
　　軟膜微孔曝氣器 ≈25%（受孔變影響）
　　微孔曝氣器　　 ≈25%
　　由以上各種鼓風(fēng)曝氣器（旋混曝氣器除外）的“氧利用率”可以看出，通氣孔眼的大小決定氧利用率的多少（孔隙擴散原則）。如果采用“氧利用率”來評價曝氣器的技術(shù)性能，當然會得出曝氣器孔眼愈細愈好的觀點。
　　“微孔”必然是阻力大、易堵塞，因此“氧利用率”高，并非就是曝氣器的實際氧傳質(zhì)效率高。實際上決定氧傳質(zhì)效率的先決條件是排氣結(jié)構(gòu)的可靠性，曝氣器“氧利用率”再好，如果排氣結(jié)構(gòu)不可靠，其真實的氧傳質(zhì)效率與技術(shù)性能同樣也是不可靠的。
　　HS旋混曝氣器由于是采用大孔排氣，經(jīng)多種結(jié)構(gòu)作用擴散產(chǎn)生細泡，因而也就實現(xiàn)了其它類型曝氣器無法實現(xiàn)的，既具有較高的“氧利用率”又具有真實可靠的氧傳質(zhì)效率這樣一種優(yōu)良的技術(shù)性能。氣結(jié)構(gòu)的可靠性，曝氣器“氧利用率”再好，如果排氣結(jié)構(gòu)不可靠，其真實的氧傳質(zhì)效率與技術(shù)性能同樣也是不可靠的。
　　旋混曝氣器由于是采用大孔排氣，利用氣泡上浮動力經(jīng)旋流、導(dǎo)流、紊動、碰撞、阻擋等作用擴散產(chǎn)生細泡，因而也就實現(xiàn)了其它類型曝氣器無法實現(xiàn)的，既具有較高的“氧利用率”又具有真實可靠的氧傳質(zhì)功效的優(yōu)良技術(shù)性能。

3 關(guān)于微孔曝氣器孔隙問題的探討

　　微孔曝氣器是依賴于微小孔隙對氣流進行擴散，在微孔曝氣器表面所具有的有效通氣孔隙，是微孔曝氣器的技術(shù)核心問題。與微孔曝氣器孔隙物理計算相關(guān)的有：通氣流速（V）、孔隙空間（S）、孔隙率（K）和孔隙量（N又稱孔隙單位）。
3.1 通氣流速（V）
　　氣流通過曝氣器排氣孔眼或孔隙的流速。微孔曝氣器采用的是氣流經(jīng)微小孔隙直接排出，僅僅只存在阻力較大的微孔擴散作用，因而氣流通過微小孔隙的流速與孔隙排氣產(chǎn)生的升泡流速大至相當，≈0.35 m/s。
3.2 孔隙空間（S）
　　曝氣器通氣孔隙的大小。固定微孔曝氣器 ≈50 μm ，軟膜微孔曝氣器 ≈100μm 。
3.3 孔隙率（K）
　　通氣孔隙空間面積之和在曝氣器表面（A）所占有的比例?？紫堵视忻娣e孔隙率與體積孔隙率之分，本文論述采用的是前者。
　　如果單只微孔曝氣器表面積直徑按∮250㎜計，則該曝氣器每小時通氣2 M³所需要的有效通氣孔隙率為：

　　K =[(2m³÷3600÷V]/[Am²（∮250㎜）]×100% ＝ [2÷3600÷0.35]／[0.125×0.125×3.14]×100%= 3.24%

3．4（N又稱孔隙單量）
　　在微孔曝氣器表面有效通氣孔隙的數(shù)量。如果單只微孔曝氣器表面積直徑按∮250㎜計，所有通氣孔隙看成是多個方形孔隙相聯(lián)，有效通氣孔隙率是3.24%，則有：
　　固定微孔曝氣器：

　　N = [Am²（∮250㎜）×K]/Sm²（50 μm） =125×10^-3×125×10^-3×3.14×3.24×10^-2/50×10^-6×50×10^-6

　 = 636000（單量）

　　軟膜微孔曝氣器：

　　N = [Am²（∮250㎜）×K]/Sm²（100 μm）

　　　=［125×10^-3×125×10^-3×3.14×3.24×10^-2］／［100×10^-6×100×10^-6］

　　　= 154100（單量）

　　微孔曝氣器的排氣孔隙并不是以規(guī)則的單個方形孔形式存在，而是以50～100 μm的孔隙狀存在。因此孔隙量計算的結(jié)果，實際上是多單量的微孔以孔隙狀態(tài)相聯(lián)。
3.5 有關(guān)問題的探討
3.5.1 對于微孔曝氣器的孔隙，在運行中能夠排氣的孔隙就是有效通氣孔隙。當微孔隙被堵塞以后，通氣作用受阻從而會直接影響到孔隙率與孔隙量下降。
3.5.2 因為微孔易堵塞是事物的固有性質(zhì)，所以單只固定微孔曝氣器在污水處理的長期運行中要保持60萬單位以上的有效通氣孔隙是不存在可能性的。
3.5.3 采用較新的加工方法，可以在一塊直徑為∮250㎜的軟膜上開出10萬單位以上的孔隙，在污水處理的長期運行中，由于軟膜老化、孔隙堵塞或孔隙撕裂等原因，必然會要影響到孔隙率與孔隙量的變化。
3.5.4 綜上所述，微孔曝氣器雖然可能是具有很大的孔隙單量，但技術(shù)可靠性卻很低。在污水處理的長期運行中，采取較大孔隙單量的曝氣擴散技術(shù)，其“微孔通氣”的技術(shù)可靠性是難以保障的。因此，微孔曝氣在新機、清水條件下檢測所表現(xiàn)的充氧效率，在污水處理的實際運行中會存在嚴重的退化作用。

4 氣流擴散的技術(shù)合理性

　　在鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)中，曝氣器是終端關(guān)鍵設(shè)備，曝氣器的功能實質(zhì)就是對氣流進行擴散。
4.1 氣流擴散的合理性
　　孔隙擴散不可能使氣流擴散實現(xiàn)技術(shù)合理性。曝氣器對氣流的擴散，從理論上講當然是擴散程度越高越好，也就是通常所指的“泡越細越好”。按照孔隙擴散的原理，“泡細” 與“阻力”是一對矛盾；孔隙越細排氣所產(chǎn)生的氣泡也就越細，但孔隙越細阻力也就越大，孔隙也就越容易被堵塞，單位時間內(nèi)通過的氣量也就越少。因此孔隙的細小只能解決“泡細”的問題，隨之而來的必然存在損耗大、氣流擴散技術(shù)合理程度低、性能不可靠等問題。
4.2 氣流擴散技術(shù)合理的基本要求
　　排氣阻力要小排氣通暢可靠性要大，在此前提之下實現(xiàn)氣流越分散越好。通常污水處理曝氣氣源均采用的是鼓風(fēng)方式，鼓風(fēng)機屬于低壓運行設(shè)備，排氣阻力大必然要影響到鼓風(fēng)機的動力效率。污水處理工藝的條件較為復(fù)雜多變，要達到排氣阻力小和無堵塞的技術(shù)可靠性，排氣孔只能是采用大孔（＜Φ5mm＝，但是，按照孔隙擴散的原理大孔排氣是不可能產(chǎn)生細泡；因此，要使氣流擴散技術(shù)合理，就必須由孔隙擴散之外尋求其他的擴散方法。
4.3 關(guān)于孔隙可變的孔隙擴散
　　采用軟性膜可變孔隙排氣，雖然可使防止堵塞的性能得到改善，但是由于要求孔隙尺寸是在十分細小的范疇（0～100μm）;因此，軟性膜可變孔隙排氣仍難以解決易堵塞與阻力大的問題。軟性膜在長期的受壓運行過程中，也不可避免地存在軟性膜疲勞與老化問題，使孔隙可變的技術(shù)可靠性不高（孔膜易損）。
4.4 動力擴散的技術(shù)合理性
　　 動力擴散利用氣體在水體中的上浮動力，發(fā)生“碰”與“撞”的作用而獲取細泡，氣流擴散完全脫離了細小孔隙的束限作用。由于動力擴散采用的是大孔排氣，實現(xiàn)了阻力小、不堵塞的擴散技術(shù)合理性。僅是“技術(shù)合理”還不行，還要是“功能高效”，旋混曝氣器具備設(shè)計科學(xué)的旋流、導(dǎo)流、紊動阻擋等多種“碰”與“撞”作用，實現(xiàn)了既是大孔排氣又是功能高效，PD旋混曝氣器很好地解決了動力擴散的技術(shù)合理性?！　?

5 曝氣器技術(shù)發(fā)展方向

　　隨著社會的發(fā)展進步，污水處理保護環(huán)境越來越受到重視。采用技術(shù)性能可靠的曝氣設(shè)備，是確保污水處理裝置長期穩(wěn)定運行的首要條件。
5.1 由于鼓風(fēng)曝氣動力效率高，立體布氣性能好，目前應(yīng)用較為普遍。鼓風(fēng)曝氣的終端關(guān)鍵設(shè)備是曝氣器，因此可以說曝氣器的技術(shù)發(fā)展狀況就代表了鼓風(fēng)曝氣的技術(shù)水平。由于曝氣池相關(guān)的工藝理論計算，基本點就是曝氣氧利用率，從而導(dǎo)致出現(xiàn)了對曝氣器的技術(shù)評價重點集中在氧利用率，也導(dǎo)致出現(xiàn)了孔隙擴散——排氣孔隙越來越細的現(xiàn)象。
5.2 應(yīng)當指出，孔隙擴散由固定孔隙到軟性膜可變孔隙，技術(shù)水平是有所發(fā)展，孔隙擴散曝氣器在污水處理裝置新安裝投運初期會表現(xiàn)良好，但孔隙擴散技術(shù)可靠程度太低，現(xiàn)實運行情況不盡人意，這就不得不使人深思孔隙擴散中的技術(shù)合理性問題。
5.3 任何一種設(shè)備，其功能效率必須要有合理的技術(shù)支持，這是一個很通常的技術(shù)原則，孔隙擴散完全不符合這樣的技術(shù)原則。從理論上講，設(shè)備的功能效率是越高越好，但這種功能效率如果沒有合理的技術(shù)支持，則其肯定是不可靠的。曝氣器的“氧利用率”當然是要越高越好，但如果實現(xiàn)這種效率是以降低技術(shù)可靠性為代價，顯然是有問題的。
5.4 目前所謂具有“先進技術(shù)水平”的孔隙擴散，可以使曝氣器氧轉(zhuǎn)移率達到30%以上，但無非是排氣孔隙更加變細，進氣除塵要求更加嚴格，阻力損耗更加增大；即以更加的技術(shù)不合理來實現(xiàn)的，其實際應(yīng)用結(jié)果也只能是技術(shù)更加的不可靠。
5.5 孔隙擴散不可能解決技術(shù)合理性的問題，這一點是十分清楚的。但為什么孔隙擴散現(xiàn)仍然具有一定的技術(shù)地位呢？
　　一是以往曝氣器的充氧性能完全取決于排氣孔隙的大小，大孔排氣不能實現(xiàn)較高的氧轉(zhuǎn)移率，形成工程上偏重于選擇以微孔方式排氣的曝氣器。二是曝氣工藝工程設(shè)計基本點就是要求曝氣器要有較高的氧轉(zhuǎn)移率。
　　從實際情況看，曝氣器孔隙擴散的應(yīng)用是處在滿足了氧利用率的要求卻難以滿足技術(shù)合理要求的狀態(tài)，微孔曝氣器在應(yīng)用存在氧利用率與技術(shù)可靠性的矛盾。
5.6 PD旋混曝氣器由于是利用氣泡上浮動力進行擴散使氣泡破碎變細，既可以達到較高的氧利用率又可以滿足技術(shù)合理的要求，技術(shù)性能十分可靠。這也可以充分說明，只有脫離孔隙擴散的曝氣技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)曝氣技術(shù)先進合理。

6 曝氣器動力擴散與孔隙擴散的比較

序號 項 目 動 力 擴 散 孔 隙 擴 散 01 工作原理 氣泡上浮動力為擴散動力經(jīng)旋流、導(dǎo)流、紊動、碰撞阻擋等作用形成擴散。 由微小孔隙限制作用形成擴散 02 排氣通道 一套曝氣器一個排氣孔，防堵塞、防 一套曝氣器上的排氣孔隙越來越多、越來越微小，易堵塞易損壞。 03 阻力損耗 ＜80 Pa ＞5000 Pa 04 氧利用率 21﹪ ＞21﹪ 05 排氣通量 穩(wěn)定 受孔隙堵塞或孔隙膜片損壞的影響而不穩(wěn)定。 06 動力效率 4.8 kg/kw·h長期運行保持穩(wěn)定 孔隙堵塞或孔隙膜片損壞必然影響動力效率下降。 07 進氣除塵 無要求 有要求 08 孔膜更換 無 有 09 孔膜清洗 無 有 10 設(shè)備材質(zhì) 工程塑料、不銹鋼 軟性孔隙膜易損壞固定孔隙膜易堵塞 11 管內(nèi)積水 有自動排除配氣管道內(nèi)積水的措施。 需進行排空操作 12 運行狀況 細泡均勻密布，長期穩(wěn)定運行保持不變。 新機運行良好，但難以保持長期穩(wěn)定。 13 布氣平衡 全池均勻穩(wěn)定 孔隙堵塞與孔隙膜片損壞會破壞布氣的均衡。 14 技術(shù)性能 大孔排氣 細泡布氣 微孔排氣 細泡布氣

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作者簡介 邢旭明，1980年由北京大學(xué)生物系畢業(yè)一直在從事污水處理運行的工作，由1992年開始專門致力于曝氣擴散技術(shù)的研究與應(yīng)用，現(xiàn)積累了數(shù)十個工程項目的經(jīng)驗。

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