凌暉 王誠信 史可紅
(赫司特中國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。德國梅塞爾（MESSER）集團開發(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)點結(jié)合起來,采用微孔軟管曝氣墊，在水深5 m處的氧利用率高達80％。該工藝應用于敞開曝氣池，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改造。此外，該工藝還廣泛應用于污染河流的曝氣復氧，由于設備簡單可靠、不產(chǎn)生噪聲和對流態(tài)不形成擾動等優(yōu)點，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際達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——實際溶解氧濃度，mg/L，氧虧值為（Cs-C_T)

　　在空氣曝氣時氧的分壓為21 kPa，而純氧曝氣時氧壓力可達101 kPa。于是，純氧曝氣時氧飽和濃度是43.74 mg/L(20 ℃),這是空氣曝氣時9.17 mg/L的4.8倍。如果實際要求達到溶解氧濃度5 mg/L,則空氣曝氣時氧虧值是4.17 mg/L,而純氧曝氣時氧虧值高達38.74 mg/L。顯然，純氧曝氣時溶解氧的增長速率是空氣曝氣時的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用純氧曝氣，不應簡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用可導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；可以在很高的有機負荷下運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；在相同的負荷下產(chǎn)生較少的剩余污泥；整個處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、抗沖擊能力均有改善。
　　BIOX工藝的核心是一種應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于長方形鋼質(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的小孔。當進氣壓力大于要求的開啟壓力0.05 MPa時，小孔開啟而產(chǎn)生微氣泡；當進氣壓力低于0.05 Mpa或停止供氣時，小孔自動關(guān)閉，從而有效地防止污水進入管內(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：保證軟管內(nèi)沿整個長度存在穩(wěn)定均勻的氣流；在池底鋪設軟管時對水平度不存在苛刻的要求，使施工安裝大為簡便；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80%，而通常應用穿孔管或微孔擴散器進行空氣曝氣時，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于提高曝氣池內(nèi)污泥濃度和改善處理系統(tǒng)對沖擊負荷的適應性都是十分必要的。
　　BIOX工藝的氧氣來源可以用變壓吸附（PSA）現(xiàn)場制氧設備，也可由安裝在現(xiàn)場的液氧貯罐供給，后者應用更為普遍。液氧經(jīng)蒸發(fā)器氣化后通過穩(wěn)壓和計量裝置調(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處理，這也是和空氣曝氣的不同之處。
　　BIOX工藝已廣泛應用于各種污水處理工程中，其中主要有以下三個方面:?
　　①超負荷污水處理廠的“部分氧化工藝”,即在超負荷的曝氣池中應用BIOX工藝。為了消除超負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）或可在整個曝氣池中增設BIOX純氧曝氣，并保留原有的空氣曝氣，這樣可靈活經(jīng)濟地維持必要的溶解氧濃度。?
　　②應用于序批式反應器（SBR），可充分利用SBR中較高污泥濃度和水深的優(yōu)點。
　　③應用于污水生物脫氮的三級處理廠，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荷，不僅可縮小曝氣池容積，而且由于污泥負荷的降低，有利于硝化反應的發(fā)生。所以在污水處理廠的脫氮改造時，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，無需新建任何構(gòu)筑物就可以實現(xiàn)污水處理的脫氮升級。

?

　　以下是BIOX—N的一個工程改造實例：
　?德國一座80000人口當量污水處理廠，基本處理設施由初沉池、四個曝氣池、兩個二沉池和一個污泥池組成。存在的問題主要是氨氮處理不能達到新標準5 mg/L的要求。采用BIOX—N工藝進行的改造步驟如下：曝氣池1改為脫氮池，采用兩臺液下攪拌器推進水流；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)；其余設施不動。重新運行后，在曝氣池有效水深4.70 m的條件下，氧氣的利用率達80%以上，曝氣池的污泥濃度由原來的2～3 g/L提高至5～6 g/L。
　?上例中純氧曝氣系統(tǒng)的硬件投資費用約為3萬馬克，而采用供氧能力相當?shù)谋砥卦O備，則投資高達20萬馬克；應用BIOX工藝僅改造投資就比傳統(tǒng)工藝(包括擴大曝氣池容積所需的土建費用)節(jié)約800萬馬克，改造后污水處理廠的年運行費用約為12萬馬克，改造前、后運行結(jié)果的比較見表2。

　　經(jīng)過長期應用，BIOX工藝具有下列優(yōu)點：
　　①純氧曝氣裝置長期運行后或停頓后再次啟用時軟管不會堵塞。
　　②尤其適合于現(xiàn)有污水處理裝置的擴容改造，可無需增建曝氣池而實現(xiàn)生物脫氮的升級，這一特點在土地緊缺的地區(qū)是十分可貴的。?
　　③純氧曝氣設備相當簡單，操作安全可靠，易于掌握。由于不需采用任何泵、鼓風機等轉(zhuǎn)動設備，整個系統(tǒng)的設備維護費用極低。盡管純氧的耗用使運行費用較高，但如考慮土地購置費用、曝氣設備投資折舊率和日常維修費用以及電費的節(jié)省，并對純氧曝氣設備采用國際通用的租賃方式，則本工藝的綜合經(jīng)濟性有相當好的競爭力。?
　　④本系統(tǒng)沒有任何噪聲，也基本上不存在揮發(fā)性有機化合物(VOC)的氣體逸散，故對污水處理廠周圍不會產(chǎn)生不利的環(huán)境影響。

3 微氣泡純氧曝氣的河流復氧?

　　河道水體人工曝氣復氧是治理污染河流的一種有效的工程措施，可在短時間內(nèi)取得降低水體污染程度和提高溶解氧濃度的效果。國內(nèi)近年來在北京、上海等城市進行了一定規(guī)模的河道人工曝氣復氧試驗，上海環(huán)境科學研究院張明旭等對上海蘇州河水體的人工曝氣復氧效果進行了實驗室研究和動力學分析，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工藝已成功應用于德國Enscher河進行純氧曝氣復氧。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。德國柏林Teltow運河為了改善水質(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氧方案后，最終采用了BIOX工藝。曝氣軟管的總長為700 m，曝氣墊覆蓋面積200 m²。25 ℃時起始溶解氧濃度為6.3 mg/L(提高了1.5 mg/L),此時氧的利用率為38%～44%。該系統(tǒng)除了監(jiān)控曝氣裝置的運行狀態(tài)外，還裝備有溶解氧濃度測量控制儀表，可根據(jù)實際測量的結(jié)果隨時對供氧量進行調(diào)節(jié)。例如，在炎熱的夏季，特別是在夜間無藻類光合作用供氧時，就可以增大供氧量。
　　德國MESSER集團協(xié)助上海環(huán)境科學院在上海蘇州河支流新涇港下游進行了BIOX工藝的現(xiàn)場中試。這是一條嚴重污染的河道，河水黑臭，COD高達100～200 mg/L。由于受潮汐和閘門開閉的影響，河道流態(tài)變化復雜。試驗裝置由一個5 m³液氧貯罐、一個100 m³/h蒸發(fā)器、穩(wěn)壓計量儀表和軟管曝氣墊組成。共設兩塊曝氣墊，分別由長度4×40 m的軟管組成，曝氣區(qū)的總長度約為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。試驗結(jié)果表明，純氧曝氣可有效降低黑臭水體中的COD濃度。當河水流速較平緩時，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重且流速較慢、水位較深時，溶解氧濃度可升至9.46 mg/L(10 ℃)，在三個月的連續(xù)運行中整個曝氣系統(tǒng)的設備運行正常，無需任何維修。?由于不產(chǎn)生任何噪聲和對河道水體的流態(tài)不會形成任何明顯的擾動和障礙，故BIOX工藝尤其適用于在市中心水上航運繁忙、具有旅游景觀功能的河道上進行人工曝氣復氧。

參考文獻?

　　1 張明旭，馬治亮，陸魯.蘇州河水體耗氧特性研究與人工曝氣復氧效果估計.見:上海環(huán)境學會.面向新世紀的環(huán)境科學與技術(shù)探討會論文集.上海：1998.59～74?
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