2　曝氣器的種類及其性能

借鑒污水處理領(lǐng)域的先進(jìn)曝氣技術(shù)，近些年開(kāi)發(fā)出各式高效曝氣器。按照是否需要水流進(jìn)行曝氣，可分為通過(guò)水流增氧和曝氣增氧，前者如文丘里曝氣器、下流式氣泡接觸器和U管曝氣器，后者如盤式曝氣器、管式曝氣器等。

按照曝氣方式的不同，曝氣器可分為四種基本類型：重力曝氣型，表面曝氣型，擴(kuò)散曝氣型，動(dòng)力曝氣型。重力曝氣型利用水位高度差來(lái)形成水流湍動(dòng)和落水增加氣水接觸面積來(lái)增氧。表面曝氣型通過(guò)攪動(dòng)和破碎水面來(lái)增氧。擴(kuò)散曝氣型通過(guò)向水體通入空氣或氧氣來(lái)增氧。

目前在國(guó)內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖中，曝氣器主要有盤式曝氣器、管式曝氣器、文丘里曝氣器、低壓純氧溶氧器、錐式溶氧器等。目前常用的曝氣器及其特性簡(jiǎn)介如下：

2．1　曝氣石

曝氣石是通過(guò)將空氣氣流分散成氣泡的曝氣裝置，產(chǎn)生的氣泡較大。使用材料可分為：沙石、木頭、橡膠等。曝氣石是一種低效溶解氧裝置（溶氧率為3%～7%）^［10］，但成本低，適于低密度、高循環(huán)水量的養(yǎng)殖模式，多用于流水養(yǎng)殖模式中。

2．2　穿孔管曝氣器

穿孔管是穿有小孔的鋼管或塑料管，小孔直徑一般為3～5mm。穿孔管曝氣器是我國(guó)水處理中使用最早的曝氣裝置，具有阻力小，不易堵塞、制造方便、造價(jià)低等特點(diǎn)，氧利用率在6%～8%之間，動(dòng)力效率為2．3～3．0kg O₂／kWh。通過(guò)“下彎連接”使穿孔管處于整個(gè)管路系統(tǒng)的最低點(diǎn)，這樣，風(fēng)機(jī)暫停時(shí)回灌到管路內(nèi)的污水在重新曝氣時(shí)可全部沖出管外，尚具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

2．3　微孔曝氣器

風(fēng)機(jī)將空氣送入濾池的主管，通過(guò)分配器進(jìn)入供氧支管，在支管上安裝有許多曝氣器?？諝鈴钠貧馄鳉饪讻_擊振動(dòng)膜片，產(chǎn)生無(wú)數(shù)細(xì)小而密集的氣泡。常用的微孔曝氣器按膜片材料可分為：陶瓷（剛玉）、橡膠膜片（三元乙丙橡膠、硫化橡膠）和聚乙烯；按結(jié)構(gòu)形式可分為：板式、盤式和管式曝氣器。盤式曝氣器的氧利用率在31%～59%，氧動(dòng)力效率為2～7 kg O₂／kW·h。管式曝氣器氧利用率高于30%，氧動(dòng)力效率為3～6kg O₂／kW·h。其特點(diǎn)是產(chǎn)生氣泡直徑小、通氣量大、氧利用率高、服務(wù)面積大、阻力損失小的優(yōu)良性能，并能降低能耗、節(jié)約費(fèi)用。主要問(wèn)題有：橡膠膜易撕裂、曝氣阻力損失大、曝氣器自閉性能差、安裝拆卸繁瑣。

微孔曝氣器在污水中氧傳遞速率，與清水中相比會(huì)大大降低。污水中影響充氧性能的物質(zhì)比較復(fù)雜，例如常見(jiàn)的有表面活性物質(zhì)、油類、懸浮物等。尤其是表面活性物質(zhì)對(duì)充氧性能影響較大。微孔曝氣器廣泛應(yīng)用于污水處理廠。

在污水處理廠，由于具有檢修維護(hù)方便、不影響生產(chǎn)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，最近一種可提升式微孔曝氣器得到廣泛使用。

2．4　射流式曝氣器

射流式曝氣器是利用文丘里曝氣管產(chǎn)生氣泡擴(kuò)散和水力剪切作用達(dá)到曝氣和混合的目的，是一種高效傳質(zhì)和混合的曝氣方式，廣泛應(yīng)用于各污水處理廠根據(jù)供氣方式的不同，射流曝氣可分為壓力供氣和自吸（負(fù)壓）供氣。根據(jù)工作介質(zhì)壓力可分為高壓型和低壓型，高壓射流的工作壓力為0．2MPa，噴嘴流速為20m／s；低壓為0．07MPa，噴嘴流速為12m／s。較好的氧氣吸收率通常需要0．2～2．2Mpa的壓力，6～12s水氣接觸時(shí)間［10］。根據(jù)射流器結(jié)構(gòu)可分為：?jiǎn)渭?jí)單噴嘴射流器，單級(jí)多噴嘴射流器，雙級(jí)射流器等。影響射流器傳質(zhì)性能的參數(shù)包括幾何參數(shù)（射流器和反應(yīng)器部分）、物性參數(shù)（氣體和液體部分）以及工業(yè)過(guò)程參數(shù)三大類。氧氣利用率為15%～70%，氧動(dòng)力效率為3～5kg O₂／kW·h，出水氧氣濃度可達(dá)30～50mg／L。射流曝氣器具有如下優(yōu)點(diǎn)：氧利用率高、混合攪拌作用強(qiáng)、溶氧速度快、占地面積小，采用自吸式射流曝氣器時(shí)，可省去鼓風(fēng)機(jī)，消除噪音污染。主要缺點(diǎn)是：能耗較高、產(chǎn)生較大的水流剪切力、幾何形狀和設(shè)計(jì)復(fù)雜。

激振蕩脈沖射流式曝氣器是建立在邊界層理論和漩渦理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)自激振蕩作用、水力紊動(dòng)、水力剪切等作用，減少氣泡聚并的發(fā)生，增強(qiáng)水體的對(duì)流擴(kuò)散能力，擴(kuò)大氣液兩相面的接觸面積，從而提高氧的轉(zhuǎn)移效率。特點(diǎn)是可提高射流曝氣器的攪拌能力［11］。

2．5　旋混／旋切式曝氣器

旋切式曝氣器是通過(guò)曝氣器的結(jié)構(gòu)對(duì)氣流進(jìn)行擴(kuò)散、切割，從而產(chǎn)生大量氣流的曝氣器?？諝庥膳錃夤艿肋M(jìn)入曝氣器，氣流會(huì)使多功能動(dòng)態(tài)旋混芯產(chǎn)生上下變隙運(yùn)動(dòng)與旋混運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)分流圈的擴(kuò)散內(nèi)齒、夾層擴(kuò)散齒罩上下齒、倒齒擴(kuò)散罩對(duì)上浮運(yùn)動(dòng)的氣泡起多重碰撞破碎的動(dòng)力擴(kuò)散的作用。氧利用率為15%～20%，氧動(dòng)力效率為3～5kg O₂／kw·h。氣泡在上升過(guò)程中相互碰撞、破碎，同時(shí)可帶起較強(qiáng)的水流速度，具有不堵塞、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布?xì)饩鶆颉⒃靸r(jià)低等的優(yōu)點(diǎn)。

2．6　大孔細(xì)泡旋混曝氣器

大孔細(xì)泡旋混曝氣器通過(guò)大孔雙向旋流、局部強(qiáng)化旋混、動(dòng)能相互作用、圓罩阻擋散流等多種作用形成豐富的氣液接觸面，產(chǎn)生均勻密度的細(xì)小升泡［12］。曝氣器的選擇不必過(guò)分強(qiáng)調(diào)微孔曝氣，孔徑稍微增大，可較大幅度提高空氣流量及充氧能力，提高總的曝氣效益。曝氣孔徑增大，更有利于曝氣氣泡對(duì)生物膜沖刷作用，加快生物膜新陳代謝作用，提高廢水COD去除能力。曝氣孔徑的選擇要做曝氣量、充氧能力、氧利用率、曝氣阻力等多種因素的綜合平衡考慮。一定孔徑的曝氣器存在最佳安裝水深，最佳安裝水深隨曝氣器孔徑的增大而增大。水深較淺時(shí)，宜選用孔徑較小的曝氣器；水深較深時(shí)，宜采用孔徑較大的曝氣器［12］。該曝氣器氧利用率為21%，氧動(dòng)力效率為4．8kg O₂／kw·h。

2．7　懸掛鏈?zhǔn)狡貧馄?/p>

通過(guò)懸掛鏈將管式曝氣器漂浮于水中，便于檢修、維護(hù)操作。通過(guò)懸浮鏈擺動(dòng)和水流紊動(dòng)，氣泡斜向運(yùn)動(dòng)，提高氧氣轉(zhuǎn)移效率，較少混合所需能耗。缺點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格較高，布置間距和水深的設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致下垂管纏繞，增大爆管率及運(yùn)行維護(hù)成本。該曝氣器氧氣利用率為35%，氧動(dòng)力效率為6～7kg O₂／kW·h。

2．8　散流式曝氣器

曝氣器呈倒傘形。充氧主要由氣液劇烈混摻作用，氣泡的兩次切割作用和散流的擴(kuò)散作用來(lái)完成的。氣體通過(guò)管道進(jìn)入曝氣器后，經(jīng)過(guò)中心進(jìn)氣管通過(guò)鋸齒布?xì)忸^第一次切割，再由散流罩和導(dǎo)流板進(jìn)行均勻擴(kuò)散和第二次切割后帶動(dòng)周圍液體上升，促使氣液劇烈混摻，加速了氣液界面處水膜的更新。氣體經(jīng)過(guò)二次鋸齒切割以及氣液混摻作用，氣泡直徑變小，增加了氣液接觸面積，有利于氧的轉(zhuǎn)移。散流式曝氣器供氣量25～35m³／h時(shí)，氧利用率8%～9%，氧動(dòng)力效率為2～3kgO₂／kW·h。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、耐腐蝕、強(qiáng)度好、布?xì)饩鶆颉?/p>

2．9　動(dòng)態(tài)曝氣器

動(dòng)態(tài)曝氣器是通過(guò)高速氣流紊流運(yùn)動(dòng)和多個(gè)小球體旋轉(zhuǎn)碰撞切割成小氣泡來(lái)實(shí)現(xiàn)高效充氧目的，主要由曝氣筒體、空氣分配盤、橡膠止回閥、小球體、多孔板組成。具有服務(wù)面積大、充氧能力好、不易堵塞、維修方便、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。氧氣利用率為13%～16%，氧動(dòng)力效率為1．5～2kgO₂／kW·h。

2．10　可變孔曝氣軟管

可變孔曝氣軟管是以化纖增強(qiáng)改良塑料為材料的軟性管狀曝氣器，軟管周徑表面都有氣孔，在水中產(chǎn)生中、微氣泡，氣泡上升速度慢，布?xì)饩鶆颍趵寐矢?。氣孔呈狹長(zhǎng)的細(xì)縫，寬度在一定范圍內(nèi)可變。具有不易堵塞、組裝方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。曝氣量為3m³／h時(shí)，氧利用率約為12%，氧動(dòng)力效率為5～7kgO₂／kW·h。目前，在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，生物濾池的曝氣中使用較多。

2．11　錐式溶氧器

錐式溶氧器（即下流式氣泡接觸器）是由一個(gè)錐體形或其他減小直徑的管路組成，氧氣和水同時(shí)從椎體的頂部進(jìn)入而流下，隨著椎體直徑的擴(kuò)大水體流速下降，最后水體流速等于氣泡上浮速度，導(dǎo)致氣泡懸浮在水體中，從而促進(jìn)氣泡在水體的溶解。溶氧效率取決于氣體和水流速度、進(jìn)水溶解氧濃度、椎體形狀以及運(yùn)行壓力等因素。通常壓力為0．14～0．4 Mpa。該方式溶氧效率高，純氧吸收率在95%～100%，出水溶解氧濃度可達(dá)30～90mg／L［10］。

2．12 U管曝氣器

U管曝氣器系統(tǒng)常由兩個(gè)同心管或者兩個(gè)管組成，水流從U管一側(cè)頂部進(jìn)入，流經(jīng)U管底部，從U管另一側(cè)頂部流出；氣泡通過(guò)普通曝氣器從進(jìn)水口添加，從而延長(zhǎng)氣泡與水體接觸時(shí)間促進(jìn)氧氣轉(zhuǎn)移率。一般高度為9～45m，由于水壓的提高，提高溶氧的飽和常數(shù)，從而適用于在水中溶氧較高時(shí)增氧。通常U管系統(tǒng)進(jìn)水流速控制在1．8～3m／s^［10］。出口溶解氧濃度可達(dá)20～40mg／L。U管曝氣器出口溶解氧的計(jì)算公式為：

DO_o＝20＋0．76（DO）_i＋295（AWR）＋0．14d－2．50（DO）_i（AWR）

DO_o＝U管出口溶解氧飽和度（%），DO_i＝U管進(jìn)口溶解氧飽和度（%），AWR＝氣水比，d＝U管深度。

U管曝氣器的溶氧率為40%～80%，優(yōu)點(diǎn)是低水頭、不需動(dòng)力、顆粒有機(jī)物不影響溶解氧轉(zhuǎn)移。缺點(diǎn)是不能在增氧的同時(shí)去除二氧化碳、氮?dú)獾绕渌麣怏w。

2．13　低壓溶氧器

低壓溶氧器是Watten于1989年發(fā)明并申請(qǐng)專利的。主要由置于5～10塊長(zhǎng)方體腔體上方的一塊多孔布水板組成，腔體之間有孔相通。當(dāng)水從布水板流下時(shí)，氣液在腔體充分接觸、混合、溶解。當(dāng)純氧進(jìn)入第一個(gè)腔體后，溶解剩余部分的氧氣和水中出來(lái)的其他氣體一同進(jìn)入下一個(gè)腔體，進(jìn)一步溶解，依次下去，最后從尾氣口排出。通過(guò)多次溶解可極大的提高溶氧率。溶氧性能主要受布水板水頭、布水板孔徑、溶氧器深度、布水板到下方水位差等因素的影響。純氧吸收率達(dá)50%～70%，出水溶氧濃度可達(dá)20mg／L［10］。

2．14　固定螺旋式曝氣器

固定螺旋式曝氣器（也稱靜態(tài)曝氣器）分為單通道、雙通道和三通道三種。它是由3～5節(jié)筒體組成的，每節(jié)為Φ300（450）mm×300mm，每節(jié)內(nèi)安裝著90度或180度轉(zhuǎn)動(dòng)的固定螺旋葉片，相鄰兩節(jié)螺旋葉片旋轉(zhuǎn)方向相反，相錯(cuò)90度，空氣從筒底部進(jìn)入曝氣筒形成氣水混合液?；旌弦涸谕矁?nèi)反復(fù)與器壁碰撞，迂回上升，空氣泡在上升的過(guò)程中被螺旋葉片反復(fù)切割，形成小氣泡。氧利用率約10%，每個(gè)曝氣器的作用直徑為1～2m，動(dòng)力效率為2．2～2．6kgO₂／kW·h。

2．15　機(jī)械曝氣

機(jī)械曝氣是借助機(jī)械設(shè)備（如葉片、葉輪等）使活性污泥法曝氣池中廢水和污泥充分混合，并使混合液液面不斷更新與空氣接觸，來(lái)增加水中的溶解氧的方法。通常用于大水面池塘養(yǎng)殖中。機(jī)械曝氣設(shè)備的式樣較多，大致可歸納為葉輪和轉(zhuǎn)刷兩大類。此類型多用于池塘養(yǎng)殖中。表面曝氣吸氧率為15%～25%。充氧動(dòng)力效率為2．5～3．5kgO₂／kW·h。常用的表面曝氣葉輪有泵型、倒傘型和平板型。表1

在標(biāo)準(zhǔn)工況（清水，水溫20℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，初始水中溶解氧為0時(shí)），幾種常見(jiàn)曝氣器性能比較