王冠平 許建華 肖羽堂
同濟大學環境科學與工程學院

　　摘要：生物接觸氧化法作為給水生物預處理工藝，近年來得到了日益廣泛的工程實際應用。本文對給水生物接觸氧化法預處理工程中常用的兩種曝氣系統（微孔曝氣器曝氣和穿孔管曝氣），作了充氧性能、系統造價、運行成本及運行管理等方面的比較研究。研究表明，在實際工程應用中，采用微孔曝氣器的曝氣系統優于采用穿孔管的曝氣系統。
　　關鍵詞 微孔曝氣器 生物接觸氧化池 穿孔管 充氧性能 運行成本

　　近些年來，隨著工農業的迅速發展，城市化建設加快，城市人口膨脹，引起了城市工業與生活用水大量增加；同時，相應的污染排放量也在逐年增加，導致了飲用水水源普遍受到污染，飲用水水質惡化。在給水處理領域中引入生物預處理，已成為微污染水源水處理的技術發展方向和有效手段之一。在我國，給水工程實踐中常用生物接觸氧化法作為生物預處理工藝。在該方法中，曝氣系統的選擇直接關系著整個生物預處理工藝的充氧性能、處理效果、運行成本和管理操作。本文結合中試試驗和工程實踐對這兩種不同曝氣系統作了多方面的比較與分析。

　　1 生物接觸氧化池的兩種曝氣系統

　　為提高氧的利用率，生物接觸氧化池宜采用氣水逆向流設計。一般用鼓風機鼓風曝氣，曝氣設備分布于池底；氣流自下向上流經填料區，水流自上向下流經填料區。曝氣系統一般采用微孔曝氣系統或穿孔曝氣系統。
　　微孔曝氣系統一般采用膜片式微孔曝氣器作為曝氣設備，池中填料一般采用彈性填料，設計氣水比一般取0.7左右。
　　穿孔曝氣系統采用穿孔管作為曝氣設備，池中填料可采用顆粒填料或彈性填料，設計氣水比一般取1左右。

　　2 充氧性能比較

　　通過對中試裝置的清水充氧試驗，對兩種不同曝氣方式的標準狀態充氧性能作了測試，并對以下幾項充氧性能評定指標作了比較與分析。
　　(1) 標準狀態下的氧總轉移系數K_Las（h^-1）——曝氣器在標準狀態(水溫20℃、1atm大氣壓強)的測試條件下，在單位傳質推動力作用時，單位時間向單位體積水中傳遞氧的數量；

　　 K_Las=K_La(T)·1.024^(20-T)　　　　　　 (1）

　　式中 K_La(T)——水溫為T℃條件下，氧氣的總轉移系數（h^-1）；
　　　　 T——測定時的實際水溫（℃）。

　　K_La(T)=2.303lg[(c3-c1)/(c3-c2)]×［60/(t2-t1)] 　　（2）

　　式中 C_s——液體中的氧氣溶解度（mg/L）；
　　　　 C₁、C₂——在t₁、t₂時間（以min計）所測得的氧氣濃度（mg/L）。

　　(2) 氧氣轉移率dc/dt（mg/L.h）——曝氣器在標準狀態的測試條件下,單位體積內氧氣的轉移速率；

　　dC/dt=K_Las·C_s(20) 　　　　　　　　　　（3）

　　式中 dC/dt ——單位體積內氧氣的轉移速率，簡稱氧氣轉移率（mg/L^.h）；
　　　　 C_s(20)——標準狀態下的氧氣在清水中的溶解度，C_s(20)=9.17mg/L。
　　(3) 充氧能力R₀(kgO₂/h)——曝氣器在標準狀態的測試條件下，單位時間向溶解氧為零的水中傳遞的氧量:

　　R₀=K_Las·V·C_s(20)·10^-3 ,（kgO₂/h） 　　　　(4)

　　式中 V——液體體積（m³）。

　　(4) 氧利用率E_A（％）——曝氣器在標準狀態的測試條件下，傳遞到水中的氧量占曝氣器供氧量的百分比:

　　E_A=(R₀/S)×100%　　　　　　　 （5）

　　式中 S——供氧量(kgO₂/h)；

　　S=0.21·1.331·G^S

　　其中 0.21——空氣中氧所占比例；
　　　　 1.331——標準狀態下氧的容重(kg/m³)；
　　　　 G_S——供給空氣量(m³/h)。

　　(5) 充氧動力效率E_P（kgO₂/kW.h）——曝氣器在標準狀態的測試條件下消耗1kW.h有用功所傳遞到水中的氧量。

　　Ep=R₀/N 　　　（kgO₂/KW.h） （6）

　　式中 N ——消耗功率計算值；

　　N=HG_sγ/102 （kW）

　　其中　H ——空氣壓力(kg/cm²)；
　　　　　γ——標準狀態下的空氣容重，γ =1.205(kg/m³)。

　　2.1 清水充氧試驗
　　本試驗直接利用A型和B型生物接觸氧化中試裝置（見圖1）為測試裝置：A型生物接觸氧化池的填料區下方設微孔曝氣器(微孔直徑0～200μm范圍內變化)，直接向彈性填料區鼓風曝氣，池中水深4.5m，填料區高度4m，并采用兩級串聯的方式運行。B型生物接觸氧化池的填料區下方設置穿孔曝氣管(孔徑1mm)，直接向顆粒填料區鼓風曝氣，池中水深4.1m，填料區高度2m。

　　試驗用水為自來水，水溫28℃，供氣量以轉子流量計計量換算。試驗方法采用靜態啟動的間歇非穩態法；用亞硫酸鈉為消氧劑，氯化鈷為催化劑；溶解氧采用溶氧儀直接測定。

　　試驗條件和測試結果見圖2和表1。

　　*注：氣量均采用設計工況下的曝氣量，曝氣強度均控制在4m³/m².h左右。

　　2.2 試驗結果分析和結論
　　2.2.1 由表1可以看出：
　　（1） 由于氧的溶解度小（因而氧的轉移也慢），通過正常的氣水交界面難以獲得足夠的氧量來進行好氧生物處理，必須要人為地增加氣水的交界面。鼓風曝氣就是增加氧轉移交界面的一種方法。依據雙膜理論，膜的厚度反映了阻力的大小。在濃度差相等的情況下，鼓風曝氣氣泡愈小，氧的轉移量也愈多。由表1第6項可知，A型生物接觸氧化池的氣泡直徑遠小于B型；從第7、8項可看出，其相應的K_LaS值和dc/dt值高于B型。
　　（2） 一個曝氣裝置的K_LaS值大，吸收的氧量雖可多些，但未必經濟。所以在實際工作中常用氧利用率E_A和充氧動力效率E_p來作為比較曝氣裝置效率的指標。從表1第10、11項可明顯看出，A型生物接觸氧化池的E_A值和E_P值均高于B型。這說明在同等的充氧能力下，A型生物接觸氧化池所消耗的能量小于B型。
　　2.2.2 在后來試驗穩定工況的連續運轉中，曾多次測定A、B型生物接觸氧化池中水體的溶解氧，結果見表2：

　　由表2可知，A型生物接觸氧化池中各部位的溶解氧值均高于B型。這說明了A型生物接觸氧化池具有較高的充氧效率，能提供足夠的氧氣以保證生物膜進行生化反應。
　　綜上所述，可認為：從充氧性能的上述五項評價指標來比較，A型生物接觸氧化池的充氧性能明顯優于B型生物接觸氧化池。

　　3 曝氣系統經濟比較

　　參考某地一座4萬m³/d產水量的生物接觸氧化池的實際工程設計，假定池表面積560 m²，有效水深為4.5m；并假定填料均采用YDT彈性波紋立體填料，曝氣用鼓風機均采用國產羅茨風機，水下空氣管道采用ABS管材（水上空氣總管采用鋼管）。在此假定前提下，對可能用的兩種曝氣系統方案進行了經濟上的比較與分析。
　　3.1 曝氣系統造價比較
　　（1） 微孔曝氣系統的氣水比為0.7，總供氣量為2.8萬 m³/d。采用鼓風機的額定空氣流量為19.4 m³/min，出口靜壓49kPa，配套電動機功率30kW。
　　空氣總管管徑300mm，采用鋼管。為曝氣均勻，將整個生物接觸氧化池分為四個曝氣區。位于生物接觸氧化池底部的布氣管道布置成環狀，管徑100mm，管道間距0.6m，采用ABS管。曝氣器采用膜片式微孔曝氣器，安裝于環狀布氣管道上，每個曝氣器的服務面積約0.5m²，共1200個曝氣器。
　　（2） 穿孔曝氣系統的氣水比為1，總供氣量為4萬m³/d。采用鼓風機的額定空氣流量為27.8m³/min，出口靜壓49kPa，配套電動機功率37kW。
　　空氣總管管徑350mm，采用鋼管。為曝氣均勻，位于生物接觸氧化池底部的穿孔曝氣管采取環路布置和曝氣管下彎配置方法。穿孔管采用ABS管，沿管道每隔25mm開孔，孔徑為2～3mm，管道間距為1.5～2.0m。
　　（3） 曝氣系統主要包括鼓風機和管道系統（曝氣器、管道、管件、閥門、支撐、水平調節器等）。計算曝氣系統造價時，參照1999年上半年上海市的市場價格，再考慮相應的安裝調試費用，最后得出兩種曝氣系統的工程造價（未考慮利潤率）如下：
　　微孔曝氣系統：約60萬元；
　　穿孔曝氣系統：約35萬元。
　　3.2 曝氣系統運行成本比較
　　因為兩種曝氣系統的維護管理所需人工費相近，所以主要考慮用電量的差別。
　　參考上海市工業用電價格，設電價平均為0.7元/kW.h，并假定生物接觸氧化池每天24小時運行。微孔曝氣系統所用電動機功率為30kW，每年耗電量262800kW.h，每年電費約為18.4萬元；穿孔曝氣系統所用電動機功率為37kW，每年耗電量324120kW.h，每年電費約為22.7萬元。所以兩種曝氣系統每年所需電費相差約為4.3萬元。
　　由以上分析可知，微孔曝氣系統每年的運行成本比穿孔曝氣系統約少4.3萬元。
　　3.3 曝氣系統對制水成本的增加
　　（1） 整個曝氣系統按15年折舊計算，為簡化起見，不考慮土建投資、貸款及利息，則曝氣系統的年折舊費用為：
　　微孔曝氣系統：約4萬元/年；
　　穿孔曝氣系統：約2.3萬元/年。
　　（2） 曝氣系統所需運行費用主要包括電費和人工費，人工費均按4.8萬元/年計算，所以年運行費用為：
　　微孔曝氣系統：約23.2萬元/年；
　　穿孔曝氣系統：約27.5萬元/年。
　　（3） 因生物接觸氧化池日產水量為4萬m³/d，年產水量為1460萬m³/年，所以曝氣系統對制水成本的增加為：
　　微孔曝氣系統：（4＋23.2）/1460=0.0186元/m³水，約1.86分/m³水；
　　穿孔曝氣系統：（2.3＋27.5）/1460=0.0204元/m³水，約2.04分/m³水。

　　4 曝氣系統的運行管理

　　曝氣系統的正常運行依賴于曝氣系統的使用壽命和日常維護。
　　（1） 微孔曝氣系統正常運行的關鍵在于微孔曝氣器的正確選用。隨著科技的發展，在目前的工程應用中，曝氣器支承盤多采用ABS工程塑料，布氣膜片多采用高分子聚合物或添加了增強劑的橡膠，取代了原有的鈦板或陶瓷板曝氣的微孔曝氣器。布氣膜片的內外表面很光滑，不會產生金屬氧化物，不易固著生物膜，并有很好的耐酸耐堿性能。布氣膜片上的氣孔可隨氣量的增減而可大可小，從而使曝氣變得更加均勻，同時也防止了堵塞。由于布氣膜片具有一定的彈性，曝氣器在充氧曝氣時，布氣膜片及膜片上的微孔在氣體的作用下能自行鼓脹掙開，以確保氣體可從微孔中通過，在停止曝氣時，布氣膜片上的微孔呈閉合狀態。由于布氣膜片具有彈性及微孔可自行擴張和收縮，避免了以往曝氣器微孔容易受堵的現象。
　　其缺陷在于：生產微孔曝氣器的廠家較多，其產品質量良莠不齊。如果曝氣器布氣膜片的材質和加工質量不過關，會導致在使用過程中出現布氣膜片破損的情況。在已有的生產性給水生物接觸氧化池中，有的水廠連續運行三年以上，未出現過布氣膜片破損的情況；但也有個別水廠在不到一年的運行時間內，就有少數曝氣器的布氣膜片出現破損。由于曝氣器安裝在填料的下方，更換檢修較為困難，所以對曝氣器的質量提出了嚴格的要求。
　　（2）穿孔曝氣系統直接在空氣管道上開孔曝氣，所以不存在上述微孔曝氣系統存在的膜片破損問題。給水工程中，穿孔曝氣管孔眼直徑一般為3mm，也有工程采用1～2mm孔眼直徑。盡管在污水處理中，穿孔曝氣管多采用3mm孔眼直徑，且較少有曝氣不均勻和堵塞現象。但在給水處理中，因為氣水比和曝氣強度遠小于污水處理，所以在池表面積較大的情況下，其曝氣均勻性較難控制。并且在長期使用時，曝氣管內和孔眼處容易固著生物膜，產生生物粘垢，最終可能導致某些孔眼和局部管道堵塞。在停止曝氣時，因孔眼不能閉合，在水力靜壓作用下，底泥可能通過孔眼進入曝氣管，也容易造成某些孔眼和局部管道堵塞。由于曝氣管安裝在填料的下方，更換檢修較為困難，所以在給水工程應用中，如何解決大面積、小曝氣強度的穿孔曝氣系統的曝氣不均勻性和堵塞問題，是一個有待于深入研究的課題。

　　5 結語

　　通過對微孔曝氣系統和穿孔曝氣系統的綜合比較，可認為：
　　（1） 在充氧性能方面，微孔曝氣系統明顯優于穿孔曝氣系統。就文中所述的五項充氧性能評定指標而言，前者較后者均有所提高，其氧的總轉移系數、氧利用率、充氧動力效率可提高50％～60％。
　　（2） 在經濟比較上，盡管微孔曝氣系統的造價高于穿孔曝氣系統，但由于前者耗電量較低，微孔曝氣系統對制水成本的增加低于穿孔曝氣系統約0.1～0.2分/m³水。
　　（3） 在運行管理方面，兩種曝氣系統各有優勢。微孔曝氣系統采用微孔曝氣器曝氣，一般不存在孔眼和管道堵塞的問題，但由于有的布氣膜片可能破損，對曝氣器的質量要求較高；穿孔曝氣系統采用穿孔管曝氣，管道一般不會破損，但由于給水生物處理中曝氣強度一般較小，易存在曝氣均勻性較差及孔眼和局部管道堵塞的問題。
　　一般來說，在給水生物接觸氧化法的工程實踐應用中，采用微孔曝氣系統優于穿孔曝氣系統。

　　參考文獻：

　　1、 許保玖，當代給水與廢水處理原理，1990，高等教育出版社；
　　2、 顧夏聲，廢水生物處理數學模式（第二版），1993，清華大學出版社；
　　3、 曝氣器清水充氧性能測定，CJ/T3015.2—93；
　　4、 黃長盾、吳之麗、唐寶忠，不同試驗對充氧性能影響的試驗研究，《中國給水排水》，1993，vol.9,NO.6；
　　5、 同濟大學、寧波市自來水總公司，受污染水彈性填料微孔曝氣生物接觸氧化預處理生產性研究，“九五”國家科技攻關計劃子專題鑒定材料之一；
　　6、 湯利華、許建華、張晴浩，寧波市梅林水廠生物預處理工藝設計。

作者：王冠平，同濟大學環境科學與工程學院碩士研究生；上海市四平路1239號，郵編： 200092，
電話：86－21－65987830。