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曝气密度对曝气系统充氧性能的影响研究庄 健 王 洪 臣 刘 国 华 齐 鲁 魏 延 苓 张 源 凯 李 小 冬 龙 海 涛（中国人民大学环境学院 ，北 京 ）摘 要曝 气 密 度（即曝气面积占曝气系统服务总面积的比率 ）是曝气系统重要的参数之 一 。 以标准氧总转移系数作为评价指 标 ，在小试装置中对不同曝气密度的曝气系统充氧性能进行评价 。 结 果 表 明 ：（）曝 气 系 统标准 氧 总 转移系数随曝气密度增大而显 著 增 大 ，但同时需要考虑到曝气系统的微孔曝气器布置方式 ；（）相 同 气 量 下 ，曝气系统的气泡直径与气泡运动速度随曝气密度增 大 而 减 小 ，气泡停留时间和气含率随曝气密度增大而增大 。关 键 词 曝 气 密 度 充 氧 性 能 气 泡 直 径 气 泡 运 动 速 度 标准氧总转移系数 ， ， ， ， （ ，）： （ ）（）：（）， ；（）， ： ；我 国 的 污 水 处 理 行 业 已 完 成 基 础 建 设 ，进 入 提标 改 造 阶 段 。 污 水 处 理 厂 的 成 本 发 生 在 电 耗 ，而 曝气系统电耗占污水处理 厂 总 电 耗 的，节 能 潜 力 巨 大。 因 此 ，改 善 曝 气 系 统 的 充氧性 能 对 污水处理 节能降耗有重大的意义 。在 污 水 处 理 曝 气 系 统 的 设 计 运 行 中 ，影 响 曝 气 系 统 充 氧 性 能 的 因 素 有 很 多。 除 了 微 孔 曝 气 器 本 身 ，曝 气 密 度（即 曝 气 面 积 占 曝 气系统服务总面积 的 比 率 （ 曝 气 密 度 ）反 映 了 曝 气 池 中 微 孔 曝 气 器 的 密 集 程 度 ，是 直 接 影 响 曝气系统充氧性能的 重 要 影 响 因 素 之 一 。国 内 外 大 多 污水处理厂一般采 用 个 的 微 孔 曝 气 器 方 式 布 置 ，只 有 部 分 国 外 污 水 处 理 厂 ，例 如 日 本 的一些污水处理厂采 用 满 布 曝 气 的 大 密 度 曝 气 方 式 布 置 。 但 国 内 外 关 于 曝 气 密 度 对 充 氧 性 能 影 响 的 研 究 较 少，如 若 研 究 清 楚 这 一 点 ，可 对 污 水 处 理 厂 曝 气系统的设计有巨 大 借 鉴 意 义 。本 研 究 使 用 型橡胶膜微孔 曝 气器 ，测 定 不同 数量的该微孔曝气器 组 成 的 曝气 系 统 在 小 试 试 验条 件 下 的 充 氧 性 能 ，得 出 曝 气 系统充氧性能随 曝气 密 度 的 变 化 规 律 ，为 指 导 污 水 处理曝气系统的 设计 与 运 行 提 供 参 考 。试 验 装 置 与 方 法试 验 装 置装置 如 图 所 示 ，主 体 为 一 个 的 矩 形 曝 气 池 。 型 橡 胶 膜 微 孔 曝 气 器 安 装 在 曝 气 池 底 部 的 微 孔 曝 气 器 底 座 上 ，微 孔 曝 气 器底 座 气 口 与空压机气管相 连 。 运 行 水 深 为 ，在 曝气池池中心水面下 约 位 置 处 安 装 一 个 溶 解 氧 测 定 仪 探 头 （避 开 气 泡 运 动 轨 迹 ），并 连 接 在 线 数据 采集系统动态采集存 储 溶 解 氧数 据 。设 备 与 仪 器橡胶模微孔曝气 器 ：膜 式 ，直 径 （如 图（）所 示）；空 压 机 ：全 无 油 润 滑 空 气 压 缩 机 ，；气体转子流量计：量程，精度；第 一 作 者 ：庄健 ，男 ，年 生 ，硕 士 研 究 生 ，主要从事污水处理研究 。 通 讯 作 者 。 国家水体污染控制与治理重大科技专项 （）；国家高技术研究发展计划（“计 划”）项 目（）。庄 健 等 曝气密度对曝气系统充氧性能的影响研究 行 修 正 。以 标 准 氧 总 转 移 系 数 作 为 充 氧 性 能 的 评 价指 标 。（）（）式 中 ： 为 标 准 氧 总 转 移 系 数 ，； 为 氧总 转 移 系 数 ，；为 质 量 浓 度 ，。气 泡 直 径 及 气 泡 运 动 速 度 测 定 方 法使 用 工 业 相 机 对 固 定 位 置 的 气 泡 进 行 拍 摄 ，一次拍 摄 帧 ，相邻两帧间时 间 间 隔 为 。 通 过 对 照 片 中 气 泡 所 占 的 像 素 点 数 进 行 统 计 ，得 到 不 同 曝 气 密 度 下 的 气 泡 直 径 ；通 过对相邻两帧气 泡运 动距 离 所 占 的像素点数进行统计 ，得到不同曝气密 图 试验装置示意图 溶解氧测定仪及记录仪 ； 溶解氧测定仪探头 ； 鼓 风 机 ； 微 孔 曝 气 器 ； 曝 气 池 ； 进 水 及 放 空 阀压力 表 ：精 度 ；气 温 、水 温 表 ：精 度 ；在 线 溶 解 氧 测 定 仪 ： 微 电 脑 溶 解 氧 控 制 器 ，精 度 ；无 纸 记 录 仪 ： 无 纸 记 录 仪 ；微 孔 曝 气 器 底 座 ： 塑 料 管 、塑 料 接 头 连 接 而 成 （如 图（）所 示 ）；工 业 相 机 ：德 国 公 司 ，工 业 相 机 。图 微孔曝气器及底座 微 孔 曝 气 器 底 座 分 为 排 ，每 排 最 多 可 布 置 个 微 孔 曝 气 器 ，不 同 曝 气 密 度 以 布置不同数量的微 孔 曝 气 器 的 方 式 实 现 ，本 次 试 验 包 括 、 排 ，每 排、 个 微 孔 曝 气 器 ，共 计 种 曝 气 密 度 梯 度 ，曝 气 密 度 为 。气 量 为 、 。试 验 材 料脱 氧 剂 ：，工 业 纯 。催 化 剂 ：，工 业 纯 。试 验 用 水 ：自 来 水 ，总 溶 解 性 固 体 （）初 始 质 量 浓 度 约 为 。清 水 充 氧 性 能 测 定 方 法试验原理是由 提出的双膜理论。试 验 按 照 曝 气 器 清 水 充 氧 性 能 测 定 （）进 行 ，同 时 采 用 美 国 最新的清水氧传质 测 试 标 准提 供 的 修 正 方 法 （见 式 （）对 进图 固定微孔曝气器排数的不同曝气密度下的充氧性能 环境污染与防治 第 卷第 期年 月图 固定每排微孔曝气器个数的不同曝气密度下的充氧性能 度 下 的 气 泡 运 动 速 度 。的 充 氧 性 能 如 图 所 示 ，其 中 排 、每 排 个 微 孔曝气 器 与 排 、每 排 个 微 孔 曝 气 器 的 曝 气 密 度 相 同 ，均 为 ，图 中 的 值 为 两 种 布 置 方 式 标 准 氧总 转移系数的平均值 。结 果 与 讨 论不 同 曝 气 密 度 下 的 充 氧 性 能固 定 微 孔 曝 气 器 排 数分 别 固 定 曝 气 系 统 为 、 排 ，改 变 每 排 微 孔曝 气 器 个 数 ，不同曝 气 密度的充氧性能如图 所 示 。由 图 可 知 ，固 定 微孔曝气器排数 ，以 增 加 每 排 微 孔 曝 气 器 个 数 的 方 式 增 大 曝 气 密 度 ，在 气 量 为 、 下 ，不管有几排微孔曝 气 器 ，曝 气 密 度 的 增 大 都 使 得 标 准 氧 总 转 移 系 数 显 著 增 大 。固 定 每 排 微 孔 曝 气 器 个 数分 别 固 定 曝 气 系 统 每 排 微 孔 曝 气 器 为 、个 ，改 变 微孔曝气器排数 ，不 同 曝 气 密 度 的 充 氧 性 能 如 图 所 示 。由 图 可 知 ，除 了 图 （）中 气 量 下 可 能 存 在 误 差 ，固定每 排 微孔曝气器个数 ，以 增 加 微 孔曝 气 器 排 数 的 方 式 增 大 曝 气 密 度 ，在 气 量 为 、 下 ，不 管 每 排 有 几 个 微 孔 曝 气 器 ，曝 气 密 度 的 增 大 都 使 得 标 准 氧 总 转 移 系 数 显 著 增 大 。图 不考虑微孔曝气器布置方式的不同曝气 密度下的充氧性能 由 图 可 知 ，无 论 气 量 为 还 是 ，随 着曝气密度的不 断 增 大 ，曝 气 系 统 的 标 准 氧 总 转 移 系 数 变 化 整 体 均 呈 现 上 升 的 趋 势 。 曝 气 密 度 从 上 升 至 ，标 准 氧 总 转 移 系 数 分 别 从上 升 至 （ 气 量 下 ）、不 考 虑 微 孔 曝 气 器 布 置 方 式不考虑 微 孔 曝气器布 置方式的不同曝气密度下 庄 健 等 曝气密度对曝气系统充氧性能的影响研究 上 升 至 （ 气 量 下 ），分 别 上 升 与 ，上 升 非 常 显 著 。 同 时 ， 标 准 氧 总 转 移 系 数 变 化 存 在 波 动 ，如 和 气 量 下 ，曝 气 密 度 为 的标准氧总转移系 数 均 比 曝 气 密 度 为 的 小 。综 合 而 言 ，在 考虑微孔曝气器 布置方式的情况 下 ，无 论 是 固 定 微 孔曝气器排数还 是每排微孔曝气 器 的 个 数 ，曝 气 系 统充氧性能均随 曝气密度增大而 增 大 。而 不 考 虑 微孔曝气器 布置方式的情况下 ，曝 气 系 统 充 氧 性 能 随曝气 密度增大 呈现增大的趋势 ， 但 变 化 过 程 有 波 动 ，这同时表明微 孔曝气器布置方 式（如 微 孔 曝 气 器 布 置 均 匀 程 度 等）对曝气系统充氧 性 能 有 一 定 的 影 响 。气泡停留时间 与 气 含率 当水深（，）为 时，根 据 式（）可 以 得 到气泡停留时间。可 根 据 气 泡 停 留 时 间 计 算 得 到 同 一时刻内水中含气的体积，再与水的体积相比则得到气 含率。不同曝气 密 度 下 的 气 泡 停 留 时 间 与 气 含 率 如图、图所示。由图 与 图 可 知，同 一 气 量 下，气 泡停留时间与气含率均随曝气密度的增大而增大。（）式 中 ：为 气 泡 停 留 时 间 ，； 为 气 泡 运 动 速 度 ，。影 响 机 制气 泡 直 径在、气 量 下 ，气 泡 直径随曝气密度的变 化 如 图 所 示 。由 图 可 知 ，在 同 一 气 量 下 ，气 泡 直 径 随 着 曝 气 密 度 增 大 而 变 小 。图 气泡停留时间随曝气密度的变化 图 气泡直径随曝气密度的变化 气 泡 运 动 速 度在、气 量 下 ，气 泡 运动速度随曝气密度 的 变 化 如 图 所 示 。由 图 可 知 ，在 同 一 气 量 下 ，气 泡 运 动 速 度 随 着 曝 气 密 度 的 增 大 而 变 小 。图气含率随曝气密度的变化 由 于 本 试 验 在 同 一 个 小 试 装 置 内 完 成 ，因 此 曝 气 密度的增大意味着曝气面积 的 增 大 。在 某 一 特 定 气量 下 ，曝 气 面 积 越 大 ，出 气 速 度 越 小 （出 气 速 度 气 体 流 量曝 气 面 积 ），进 而 造 成 气 泡 直 径 的 减 小 。 另 一 方 面 ，本次试验采用 的 是橡 胶膜微孔曝气器 ，曝 气 面积越大意味着 单 位 曝 气 面 积 的 曝 气 量 越 小 ，这 使 得橡胶膜一定程 度 上 未 能 完 全 撑 开 ，也 造 成 气 泡 直 径 的 减 小 。小 气 泡 具 有 较 大 的 比 表 面 积 ，这 就 意 味 着 气 泡 减 小 ，气 液 接 触 面 积 更 大 。 标 准 氧 总 转 移 系 数 与 气 液 接触面积成正比 ，因 此 气 泡 越 小 ，标 准 氧 总 转 移 系数 越 大 ，充 氧 性 能 越 好。另 一 方 面 ，由 于 曝 气 面图 气泡运动速度随曝气密度的变化 环境污染与防治 第 卷 第 期 年 月积 增 大 导 致 的 出 气 速 度 减 小 ，增大 了气泡的停留时 间 和 气 含 率 ，有 助 于 氧 传 质。因此，对于 污 水 处 理 厂，应 尽 可 能 增 加 微 孔 曝 气 器的数量，以增大曝气密度；但同时，需要保证微孔曝 气器的质量，使得曝气均匀，防止维护周期的缩短。 ， ，（）：编 辑 ：黄 苇 （修改稿收到日期 ：）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上 接 第 页）容 ，特别是冬季低温条 件 下 的生 物脱氮 、除 磷 效 果 进行 深 入 研 究 。（）反 硝 化 所 需 的 碳 源 有 多 种 ，主 要 包 括 ：甲 醇 、乙 醇 、葡 萄 糖 、淀 粉 、蛋 白 质 以 及 进 水 、处 理 或 未 处 理过的剩余污泥等 ，投 加 时应 根据实际情况选 用 。（）供 氧 速 度 不 足 时 ， 能 够 降 解 ，硝 化 反 应 不 能 同 时 进 行 。 只 有 通 过 延 长 曝 气 时 间 ，才 能 完 成 硝 化 反 应 。结 论（）曝 气 系 统 标 准 氧 总 转移系数随曝气密度增 大 而 显 著 增 大 ，但 同时需要考虑到 曝气系统的微孔 曝 气 器 布 置 方 式 。（）相 同 气 量 下 ，曝 气 系 统的气泡直径与 气 泡 运 动 速 度 随 曝 气 密 度 增 大 而 减 小 ，气泡停留时间和 气 含 率 随 曝 气 密 度 增 大 而 增 大 。参 考 文 献 ：参 考 文 献 ： 梁 远 ，王 佳 伟 ，李 洁 ，等 微 孔 曝气器充氧性能变化对污水处理 厂 能 耗 的 影 响给 水 排 水 ，（）： 张 自 杰 环 境 工 程 手 册（水 污 染 防 治 卷）北 京 ：高 等 教 育 出 版 社 ， 顾 国 维 水污染治理技术研究 上 海 ：同济大学出版社 ， ， ，（）： 谷 成 国 ，宋 剑 锋 城 市 污 水 处 理厂鼓风曝气阶段的节能降耗研 究环 境 保 护 科 学 ，（）： 范 海 涛 污泥浓度对微孔曝气氧传质过程的影响 环 境 工 程学 报 ，（）： 罗 涛 ，王 洪 臣 ，齐 鲁 ，等 总 溶 解性固体及表面活性剂对微孔曝 气 氧 传 质 过程影响的中试 研 究 环 境 科 学 学 报 ，（）： ， ， ，（）： 汤 利 华 ，孟 广 耀 曝 气 器 的 最 优 孔 径 分 析 中国科学技术大 学 学 报 ，（）： 孙 从 军 ，陈 季 华 水温对氧转移速率的影响研究环 境 科 学研 究 ，（）： 张 斌 ，郝 玉 萍 ，张 东 生 ，等 几种型式微孔曝气器清水充氧性能 对 比 实 验 研 究工业安全与环保 ，（）： 杨 拓 城市污水除磷试验研究太 原 ：太 原 理 工 大 学 ，： 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编 委 会 水 和 废 水 监 测 分