气体传递原理和曝气池

构成活性污泥法有三个基本要素，一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥；二是废水中的有机物，它是处理对象，也是微生物的食料；三是溶解氧，没有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能发挥氧化分解作用。作为一个有效的处理工艺，还必须使微生物，有机物和氧充分接触，只有密切的接触，才能相互作用。因而在充氧的同时，必须使混合液悬浮固体处于悬浮状态。充氧和混合是通过曝气设备来实现。

曝气的好坏决定了活性污泥法的能耗和处理的效果。要达到好的效果，曝气设备的选择还必须和曝气池的构造相配合。因而本节重点讨论气体传递原理，通常的曝气设备和曝气池的构造等问题。

一、气体传递原理

现已有若干传质理论用来解释气体传递的机理。但最简单和最普遍使用的是Lewis和Whitman在1924年提出的双膜理论。双膜理论的基点是认为在气液界面存在着二层膜(即气膜和液膜)这一物理现象。这两层薄膜使气体分子从一相进入另一相时形成了阻力。当气体分子从气相向液相传递时，若气体的溶解度低，则阻力主要来自液膜。

在废水生物处理的系统中，氧是难溶的气体，它的传递速率通常正比于溶液中的饱和浓度差。可用下式表达：

而，则前式可改写成：

        (14—2)

通常  项用来代替，该系数反应了传递气体的扩散性能和曝气的混和条件等因素，对一定的气体来讲，混合越强，紊动越剧烈，则气体的传递速率越大。由此(14—2)变为：

           (14—3)

将(14—3)进行积分，可求得总的传质系数：

      (14—5)

 

原生生活污水的α值约为0.4~0.5，城市污水厂出水的α值为0.9~1.0。

用同一曝气装置在同样的容器中分别测定污水和清水的K_La值，其比值就是α值。因值受水质影响，故测定α，值应实测。用空气曝气，测氧仪的读数随即上升，至不再上升时的值即为值。

溶解在水中的憎水性有机物影响K_La值。憎水性有机物一般有亲水和憎水两个部分，曝气过程中常聚集于气液界面上，其亲水部分指向水相，憎水部分指向气相。这层分子改变了界面的水层性质，增加了氧从空气中进入水的阻力，从而降低了值。

水中溶解的无机物影响值。溶解的有机物影响K_La值。

温度也影响K_La和值。温度上升时，K_La值随着上升，而值却下降。活性污泥法的工作温度大多在10~30℃范围内，随着温度的增加，K_La值增加，而降低，因而对氧的传递速率的影响不显著。

二、曝气设备

曝气设备主要分为鼓风曝气和机械曝气。

1．鼓风曝气

鼓风曝气系统是由空气净化器，鼓风机，空气输配管系统和浸没于混合液中的扩散器组成。鼓风机供应一定的风量，风量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态；风压则要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压；空气净化器的目的是改善整个曝气系统的运行状态和防止扩散器阻塞。

扩散器是整个鼓风曝气系统的关键部件，它的作用是将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。根据分散气泡的大小，扩散器又可分成几种类型：

(1)小气泡扩散器  典型的是由微孔材料(陶瓷、砂砾、塑料)制成的扩散板或扩散管。气泡直径可达1.5mm以下。

(2)中气泡扩散器  常用穿孔管和莎纶管。穿孔管的孔眼直径为2～3mm，孔口的气体流速不小于10m/s，以防堵塞。国外用莎纶管。莎纶是一种合成纤维。莎纶管以多孔金属管为骨架，管外缠绕莎纶绳。金属管上开了许多小孔，压缩空气从小孔逸出后，从绳缝中以气泡的形式挤入混合液。空气之所以能从绳缝中挤出，是由于莎纶富有弹性。

(3)大气泡扩散器  常用竖管，气泡直径为15mm左右。

(4)微气泡扩散器  这是近几年内新发展的扩散器，气泡直径在100μm左右。射流曝气器属于微气泡曝气器，它通过混合液的高速射流，将鼓风机引入的空气切割粉碎为微气泡，使混合液和微气泡充分混合和接触，促进了氧的传递，提高了反应速率。也可设计成负压自吸式的射流器，这样可以省掉鼓风机，避免鼓风机引起的噪声。图14—5是上面几种扩散器的简图。

通常扩散器的气泡愈大，氧的传递速率愈低，然而它的优点是堵塞的可能性小，空气的净化要求也低，养护管理比较方便。微小气泡扩散器由于氧的传递速率高，反应时间短，曝气池的容积可以缩小。因而选择何种扩散器要因地制宜。

扩散器一般布置在曝气池的一侧和池底，以便形成旋流，增加气泡和混合液的接触时间，有利于氧的传递，同时使混合液中的悬浮固体呈悬浮状态。

扩散器的构造形式很多，布置形式多样，但基本原理是一样的。读者可参考产品说明书和设计手册。

鼓风曝气用鼓风机供应压缩空气，常用罗茨鼓风机和离心式鼓风机。罗茨鼓风机适用于中小型污水厂，但噪声大，必须采取消音、隔音措施；离心式鼓风机噪声小，且效率高，适用于大中型污水厂，但国内产品规格还不多。

2．机械曝气

鼓风曝气是水下曝气，机械曝气则是表面曝气。机械曝气是用安装于曝气池表面的表面曝气机来实现的。表面曝气机分竖式和卧式两类。

(1)竖式曝气机  这类表曝机的转动轴与水面垂直，装有叶轮，当叶轮转动时，使曝气池表面产生水跃(见图14—6)，把大量的混合液水滴和膜状水抛向空气中，然后挟带空气形成水气混合物回到曝气池中，由于气水接触界面大，从而使空气中的氧很快溶入水中。随着曝气机的不断转动，表面水层不断更新，氧气不断地溶人，同时池底含氧量小的混合液向上环流和表面充氧区发生交换，从而提高了整个曝气池混合液的溶解氧含量。因为池液的流动状态同池形有密切的关系，故曝气的效率不仅决定于曝气机的性能，还同曝气池的池形有密切关系。

表曝机叶轮的淹没深度一般在10~100mm，可以调节。淹没深度大时提升水量大，但所需功率亦会增大，叶轮转速一般为20～100r/min，因而电机需通过齿轮箱变速，同时可以进行二挡和三挡调速，以适应进水水量和水质的变化。我国目前应用的这类表曝机有泵型、倒伞型和平板型，见图14－7。其中泵型表曝机已有系列产品。

（2）卧式曝气刷  这类曝气机的转动轴与水面平行，主要用于氧化沟。在垂直于转动轴的方向装有不锈钢丝或板条，用电机带动，转速在50～70r/min，淹没深度为（1/3~1/4）转刷直径。转动时，钢丝或板条把大量液滴抛向空中，并使液面剧烈波动，促进氧的溶解；同时推动混合液在池内回流，促进溶解氧的扩散。

3.曝气设备性能指标

比较各种曝气设备性能的主要指标有：一是氧转移率，单位为mgO₂/L﹒h；二是充氧能力（或动力效率）即每消耗1kW.h动力能传递到水中的氧量（或氧传递速率），单位为kgO₂/kW˙h；三是氧利用率，通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的百分比，单位为％。机械曝气无法计量总供氧量，因而不能计算氧利用率。表14－3。

此表中的标准状态是指用清水做曝气试验，水温20℃，大气压力为101.325kPa，最初水中的溶解氧浓度为0。现场实验用的是污水，水温为15℃，海拔150m，α=0.85，β=0.9。

表中各类曝气设备的性能都不是一个绝对值，而是一个范围，这是由于同类设备中还有不同结构的产品。同时在现场试验中，曝气池的形式和深度也影响其性能。

上面已提及各类曝气设备除了要满足充氧要求外，还应满足如下最低的混合强度(常以单位池底面积，单位时间内的曝气量表示)要求：

满铺的小气泡扩散器  2.2m³／m²·h；

旋流的大中气泡扩散器  1.2m³／m²·h；

机械曝气  13W／m³。

三、曝气池池型

曝气池实质上是一个反应器，它的池型和所需的反应器的水力特征密切相关。主要分为推流式和完全混合式以及二池结合型三大类。曝气设备的选用及其布置又必须和池型及水力要求相配合。

1．推流曝气池

(1)平面布置  推流曝气池的长宽比一般为5～10。为了便于布置，长池可以两折或多折，污水从一端进，另一端出。进水方式不限；出水都用溢流堰。

推流曝气池一般采用鼓风曝气。

(2)横断面布置  推流曝气池的池宽和有效水深之比一般为1～2。有效水深最小为3m，最大为9m。根据横断面上的水流情况，又可分为平移推流和旋转推流。

平移推流是曝气池底铺满扩散器，池中的水流只有沿池长方向的流动。这种池型的横断面宽深比可以大些，见图14—9。

旋转推流是在这种曝气池中，扩散器装于横断面的一侧。由于气泡形成的密度差，池水产生漩流。池中的水沿池长方向流动外，还有侧向漩流，形成了旋转推流，见图14－10。

2．完全混合曝气池

完全混合曝气池的池型可以为圆型也可以为方型或矩型。曝气设备可采用表面曝气机，置于池的表层中心，污水进人池的底部中心。污水一进池，在表面曝气机的搅拌下，立即和全池混合，水质均匀，不像推流那样前后段有明显的区别。完全混合曝气池可以和沉淀池分建和合建，因此可以分为分建式和合建式。

(1)分建式  表面曝气机的充氧和混合性能同池型关系密切，因而表面曝气机的选用应和池型配合，以达到好的效果。当采用泵型叶轮，线速度在4～5m/s时，曝气池的直径与叶轮的直径之比宜为4．5～7．5，水深与叶轮的直径比宜为2．5～4．5。当采用倒伞型和平板型叶轮时，叶轮直径与曝气池的直径之比宜为1／3～1／5。分建式虽然不如合建式用地紧凑，且需专设的污泥回流设备，但运行上便于调节控制。

(2)合建式  合建式表面曝气池，我国定名为曝气沉淀池，国外称为加速曝气池。这种池型在我国曾一度流行，因为结构紧凑，沉淀池与曝气池合建于一个圆型池中，沉淀池设于外环，与中间的曝气池底有回流污泥缝相通，靠表曝机造成的水位差使回流污泥循环。为了使回流污泥缝不堵塞，缝隙较大，但这样又使回流污泥流量过大，通常达进水量的100％以上，有的竟达500％。由于曝气池和沉淀池合建于一个构筑物，难于分别控制和调节，运行不灵活，出水水质难于保证，国外已趋淘汰，池型见图14—11。合建式也可做成矩型。

3．两种池型的结合

在推流曝气池中，也可以用多个表曝机充氧和搅拌，对于每一个表曝机所影响的范围内，则为完全混合，而对全池而言，又近似推流，此时相邻的表曝机旋转方向应相反，否则两机间的水流会互相冲突，见图14—12。也可用横向挡板在机与机之间隔开，避免互相干扰，见图14—13。这种池型各池可以独立，就成为完全混合；也可以各池串联，成为近似推流，运行灵活。

为了曝气池投产时驯化活性污泥，各类曝气池在设计时，都应在池深1／2处留排液管。

四、曝气设备的性能测试

曝气设备的性能测试可在曝气池竣工后用清水进行，也可在投产运行后进行，以验证设备是否符合设计要求。

1．清水中的测试

(1)原理  最通用的方法是用还原剂亚硫酸钠消氧。为了加快消氧过程可用氯化钴作为催化剂。然后测出复氧过程，计算总传质系数K_La和氧的传递速率。

(2)步骤  为了使测试的全池均匀混合，还原反应应在曝气设备开动的情况下进行。这样，一面消氧，一面还在充氧，因而必须加大还原剂的用量。按化学反应式计算：

        Na₂SO₃+1/2O₂→Na₂SO₄

还原1mg氧需7．9mg的亚硫酸钠。当水温为20℃时，氧的饱和浓度约为9mg／L，消氧的亚硫酸钠用量约为71mg／L，但根据经验，实用量为100mg／L，过量约50％。

催化剂氯化钴的用量按Co²⁺浓度0．5mg／L计算。

测定溶解氧：当溶解氧浓度逐渐趋近于零后，由于曝气设备的充氧，水中的溶解氧会逐渐上升，按一定的时间间隔测定溶解氧浓度，可以取得一系列的溶解氧浓度随时间变化的数据。

溶解氧的测定最好采用溶氧仪，既快速又方便。当条件限制，采用化学分析法时，氯化钴的用量不能超过，否则将干扰氧的化学分析。

为充分而真实地反映曝气池各处的充氧情况，通常要设好几个测点。对于圆型池，可在深度方向离池底和表面各为30 cm深处设点取样。它的平面位置是选择一个断面，将面积三等分，在三等分的半径中点以及池边。这样，某时刻可以同时取得12个溶解氧数据，经平均后代表该时的溶解氧值。采样点分布见图14—14。从每次12个数据也可以判断池水混合的情况。

曝气设备测试一般在3次以上，有的测8—10次。测试方法同上。连续多次测试，势必提高水中亚硫酸钠和氯化钴的浓度，但只需控制氧化钻不得过量，第三次测试后无需再加，由于并不影响测试的结果，所以无需换水。

做曝气测试时，必须同时测定功率、水温、气压和水中氧的饱和值。

(3)结果分析  目的是求氧传递速率和动力效率。

通过测试可以取得一组曝气设备随时间变化的溶解氧数值。若数据表明池水混合完善，测试相对比较稳定，则可用来推求K_La值和氧传递速率。从公式

积分可得

             见page150

如果没有现场测出的值，而是查用资料上的值，则可能由于值的不正确，而使实验曲线的末端向上弯曲或向下弯曲。当采用的值偏高时，线条的末端向上弯曲，偏低时则向下弯曲，如图14--16中虚线所示。

采用表面曝气的池子，值接近表层水的值。采用气泡曝气的池子，值应采用介乎表层水与半深处之间的值。

求得了一个大气压下，水温20℃时的K_La值，即可求得清水中溶解氧声零时的曝气设备的标准氧传递速率，该值为·，单位为mgO₂／L·h。

除了氧传递速率，另一个性能指标为动力效率，单位为kgO₂／kW·h。求得了氧传递速率后，乘上曝气池中水的体积，可得单位时间内的充氧量，称为充氧能力，可用OC(OxygenationCapacity)表示：

          OC=·V (kgO₂／h)    (14—9)

表面曝气机叶轮的输出功率可按下式计算：

    叶轮输出功率(kW)=电压(V)X电流(A)X功率因数X单位换算系数X电机效率X齿轮箱效率      (14一10)

因而曝气设备的动力效率=OC(kgO₂／h)／叶轮输出功率(kW)    (14—11)

鼓风曝气扩散器的动力效率计算原理是相同的。

2．在运行条件下的测试

1）非稳定状态的测定

所谓非稳定状态，是指混合液中的溶解氧是随时间变化的。

式中：ρ_s0 ——污水中的溶  解氧饱和浓度，mg/L；

       r ——微生物的需氧速率，mg ( O₂ ) /(L·h)；

2）稳定状态的测定

稳定状态，是指混合液中的溶解氧不随时间而变化。