曝氣擴散機理
邢旭明
(珠海南島實業(yè)發(fā)展公司)
摘要 曝氣器就是一種氣流擴散器，本文就擴散的流體運動、氧利用率、微孔曝氣孔隙問題、氣流擴散的技術合理性、曝氣技術發(fā)展方向、動力擴散與孔隙擴散等論述了一些初步的看法。
關鍵詞 污水處理 曝氣器 擴散機理 旋混曝氣器
曝氣擴散是污水處理工藝中的核心技術，本文就曝氣擴散機理在應用中出現(xiàn)的新問題提出一些初步的看法。
1 按照流體運動性質(zhì)分析曝氣擴散的區(qū)別
曝氣擴散的實質(zhì)就是使氣相中的氧向液相中轉移。氣相中的氧轉移為液相中的溶解氧，是通過流體運動形成氣液接觸界面而完成的。因此，按照流體運動性質(zhì)來分析則可以看出曝氣擴散技術的區(qū)別。如果采用流體運動的性質(zhì)來區(qū)分，曝氣擴散技術則有下列兩種基本形式。
1.1 液相流體主動運動型
葉輪與轉刷（盤）表面曝氣是采用制造液相流體的水躍而形成氣液接觸界面； 射流曝氣是依靠射流液相流體吸入氣相流體而形成氣液接觸界面，這些均是屬于液相流體主動運動型，其技術特征是：動能作用于重質(zhì)液相流體運動；輕質(zhì)氣相流體是被動接觸；在葉輪或轉刷（盤）攪動處、射流口附近產(chǎn)生局部連續(xù)的氣液接觸界面。
1.2 氣相流體主動運動型
鼓風曝氣是由風機輸送氣相流體，經(jīng)曝氣器的擴散作用以升泡運動的方式形成氣液接觸界面，這就是屬于氣相流體主動運動型，其技術特征是：動能作用于輕質(zhì)氣相流體運動；重質(zhì)液相流體是被動接觸；由升泡的上升運動，可產(chǎn)生立體連續(xù)的氣液接觸界面。
2 “氧利用率”不能確定曝氣器實際運行的功效
曝氣器的作用就是促進氧的傳質(zhì)，“氧利用率”似乎理所當然的應是反映曝氣器技術性能的指標，因此長期以來就存在著一種采用“氧利用率”來判定曝氣器技術性能的習慣觀點。但是，如果對“氧利用率”作深入的分析，就會發(fā)現(xiàn)該指標不能真實確定曝氣器實際運行的功效。
2.1 “氧利用率”實質(zhì)是不受變量影響的定值
2.1.1 氧利用率公式
氧利用率=[qc／(0.28×q)]×100% （CJ/T3015.2-93）
qc — 標準狀態(tài)下，測試條件，曝氣器充氧能力 （kg/h）；
0.28 — 標準狀態(tài)下，1 M3 空氣所含氧的重量 （㎏/ M3）；
q — 標準狀態(tài)下，曝氣器通氣量 （M3/h）。
由上式可知，氧利用率取決于充氧能力（qc） 與通氣量（q）兩個因素。
2.1.2 在曝氣器充氧能力（q c）與通氣量（q）兩者之間存在一個正比關系，即充氧能力（qc）的大小取決于通氣量（q）的多少。通氣量為0，充氧能力也等于0。在一定的通氣量范圍之內(nèi)，隨著通氣量的加大充氧能力也隨之加大。
所有曝氣器所標明的充氧能力（qc），都是在清水試驗條件下依據(jù)一定的通氣量（q）而測定獲取的。
2.1.3 氧利用率公式也可以寫成下式：
(1/0.28)×100%×(qc/q)= 0.0357×(qc/q)
因為充氧能力（qc）與通氣量（q）之間存在正比關系，qc /q結果為常數(shù)值，所以“氧利用率”實質(zhì)上是一個不受變量影響的定值。不受變量影響的定值參數(shù)，所表述的僅僅只是一種物理現(xiàn)象，而決不表明功效的技術性能。響的定值參數(shù)，所表述的僅僅只是一種物理現(xiàn)象，而決不表明曝氣器實際運行功效。
2.2 “氧利用率“不反映氧傳質(zhì)的效率
2.2.1 一個大泡，如果被分割成小泡的數(shù)量愈多，則所形成的“泡表膜”面積愈多，“泡表膜”是進行氧傳質(zhì)的功能膜，如果只站在“氧利用率”這一角度片面的看問題，當然是氣泡被分割得愈小愈好。
2.2.2 要獲取較高的“氧利用率”，就必須盡可能產(chǎn)生較多的“泡表膜”。一個大泡（一個單位的空氣）被擴散形成的小泡數(shù)量愈多，“泡表膜”也就愈多，“氧利用率”也就愈高。由此可見，“氧利用率”僅僅只是與氣泡擴散程度有關，而與動能作用氣泡擴散的過程無關。也就是說“氧利用率”只表明一個單位的大泡被分割成小泡的多少，而與擴散分割過程如何，動能消耗多少完全無關。因此，“氧利用率”并不等于氧傳質(zhì)的效率。
2.2.3 按照孔隙擴散原則，多大的孔則產(chǎn)生多大的泡。如果空氣通過直徑為1 μm的孔眼是被分割形成1 μm的氣泡，則此類微孔曝氣器在運行中，無論阻力損耗多大，也無論孔眼堵塞了多少，只要還有孔眼在通氣，就一定是產(chǎn)生1 μm的小氣泡，顯然此時“氧利用率”也沒有變化，但真實的運行功效卻是有了很大的變化。
2.2.4 由于“氧利用率”只與氣泡分割擴散的程度有關，一個單位量的空氣，只要排氣孔眼的直徑是1 μm，無論是短時間內(nèi)經(jīng)過眾多孔眼排出，或是長時間內(nèi)經(jīng)過少量孔眼排出，因為擴散結果始終是分割成直徑為1μm的小泡，所以，其“氧利用率”是會始終保持不變的。由此可見，只用“氧利用率”來說明曝氣器的氧傳質(zhì)效率，顯然會產(chǎn)生誤導作用。
2.2.5 如果曝氣器的設計參數(shù)是：通氣量=2 M3/h、氧利用率=25%，由于要確保實現(xiàn)較高的氧利用率，排氣孔眼設計為采用微小孔。但在實際運行中，大部分通氣孔眼被堵塞，單個曝氣器的通氣量只能達到0.2 M3/h，也就是說工作效率已降低了90%，由于“細孔產(chǎn)生細泡”原理與孔眼堵塞程度無關，此時所謂的“氧利用率=25%”并無變化，但其真實的氧傳質(zhì)效率已經(jīng)是變得很低了。
2.2.6 “氧利用率”所表明的是：單位空氣中的氧，經(jīng)氣泡分割所形成的“泡表膜”產(chǎn)生氧傳質(zhì)作用的利用率。氧傳質(zhì)效率應說明的是：單位空氣中的氧，在單位時間內(nèi)通過“泡表膜”產(chǎn)生氧傳質(zhì)作用的量。顯然，“氧利用率”并非就是氧傳質(zhì)效率。
2.3 鼓風曝氣器氧利用率比較
大孔排氣類：
噴射曝氣器 ≈5%
螺旋曝氣器 ≈5%
散流曝氣器 ≈7%
旋混曝氣器 ≈21%
小孔排氣類：
軟管微孔曝氣器 ≈13%（受孔變影響）
軟膜微孔曝氣器 ≈25%（受孔變影響）
微孔曝氣器 ≈25%
由以上各種鼓風曝氣器（旋混曝氣器除外）的“氧利用率”可以看出，通氣孔眼的大小決定氧利用率的多少（孔隙擴散原則）。如果采用“氧利用率”來評價曝氣器的技術性能，當然會得出曝氣器孔眼愈細愈好的觀點。
“微孔”必然是阻力大、易堵塞，因此“氧利用率”高，并非就是曝氣器的實際氧傳質(zhì)效率高。實際上決定氧傳質(zhì)效率的先決條件是排氣結構的可靠性，曝氣器“氧利用率”再好，如果排氣結構不可靠，其真實的氧傳質(zhì)效率與技術性能同樣也是不可靠的。
HS旋混曝氣器由于是采用大孔排氣，經(jīng)多種結構作用擴散產(chǎn)生細泡，因而也就實現(xiàn)了其它類型曝氣器無法實現(xiàn)的，既具有較高的“氧利用率”又具有真實可靠的氧傳質(zhì)效率這樣一種優(yōu)良的技術性能。氣結構的可靠性，曝氣器“氧利用率”再好，如果排氣結構不可靠，其真實的氧傳質(zhì)效率與技術性能同樣也是不可靠的。
旋混曝氣器由于是采用大孔排氣，利用氣泡上浮動力經(jīng)旋流、導流、紊動、碰撞、阻擋等作用擴散產(chǎn)生細泡，因而也就實現(xiàn)了其它類型曝氣器無法實現(xiàn)的，既具有較高的“氧利用率”又具有真實可靠的氧傳質(zhì)功效的優(yōu)良技術性能。
3 關于微孔曝氣器孔隙問題的探討
微孔曝氣器是依賴于微小孔隙對氣流進行擴散，在微孔曝氣器表面所具有的有效通氣孔隙，是微孔曝氣器的技術核心問題。與微孔曝氣器孔隙物理計算相關的有：通氣流速（V）、孔隙空間（S）、孔隙率（K）和孔隙量（N又稱孔隙單位）。
3.1 通氣流速（V）
氣流通過曝氣器排氣孔眼或孔隙的流速。微孔曝氣器采用的是氣流經(jīng)微小孔隙直接排出，僅僅只存在阻力較大的微孔擴散作用，因而氣流通過微小孔隙的流速與孔隙排氣產(chǎn)生的升泡流速大至相當，≈0.35 m/s。
3.2 孔隙空間（S）
曝氣器通氣孔隙的大小。固定微孔曝氣器 ≈50 μm ，軟膜微孔曝氣器 ≈100μm 。
3.3 孔隙率（K）
通氣孔隙空間面積之和在曝氣器表面（A）所占有的比例。孔隙率有面積孔隙率與體積孔隙率之分，本文論述采用的是前者。
如果單只微孔曝氣器表面積直徑按∮250㎜計，則該曝氣器每小時通氣2 M3所需要的有效通氣孔隙率為：
K =[(2m3÷3600÷V]/[Am2（∮250㎜）]×100% ＝ [2÷3600÷0.35]／[0.125×0.125×3.14]×100%= 3.24%
3．4（N又稱孔隙單量）
在微孔曝氣器表面有效通氣孔隙的數(shù)量。如果單只微孔曝氣器表面積直徑按∮250㎜計，所有通氣孔隙看成是多個方形孔隙相聯(lián)，有效通氣孔隙率是3.24%，則有：
固定微孔曝氣器：
N = [Am2（∮250㎜）×K]/Sm2（50 μm） =125×10-3×125×10-3×3.14×3.24×10-2/50×10-6×50×10-6
= 636000（單量）
軟膜微孔曝氣器：
N = [Am2（∮250㎜）×K]/Sm2（100 μm）
=［125×10-3×125×10-3×3.14×3.24×10-2］／［100×10-6×100×10-6］
= 154100（單量）
微孔曝氣器的排氣孔隙并不是以規(guī)則的單個方形孔形式存在，而是以50～100 μm的孔隙狀存在。因此孔隙量計算的結果，實際上是多單量的微孔以孔隙狀態(tài)相聯(lián)。
3.5 有關問題的探討
3.5.1 對于微孔曝氣器的孔隙，在運行中能夠排氣的孔隙就是有效通氣孔隙。當微孔隙被堵塞以后，通氣作用受阻從而會直接影響到孔隙率與孔隙量下降。
3.5.2 因為微孔易堵塞是事物的固有性質(zhì)，所以單只固定微孔曝氣器在污水處理的長期運行中要保持60萬單位以上的有效通氣孔隙是不存在可能性的。
3.5.3 采用較新的加工方法，可以在一塊直徑為∮250㎜的軟膜上開出10萬單位以上的孔隙，在污水處理的長期運行中，由于軟膜老化、孔隙堵塞或孔隙撕裂等原因，必然會要影響到孔隙率與孔隙量的變化。
3.5.4 綜上所述，微孔曝氣器雖然可能是具有很大的孔隙單量，但技術可靠性卻很低。在污水處理的長期運行中，采取較大孔隙單量的曝氣擴散技術，其“微孔通氣”的技術可靠性是難以保障的。因此，微孔曝氣在新機、清水條件下檢測所表現(xiàn)的充氧效率，在污水處理的實際運行中會存在嚴重的退化作用。
4 氣流擴散的技術合理性
在鼓風曝氣系統(tǒng)中，曝氣器是終端關鍵設備，曝氣器的功能實質(zhì)就是對氣流進行擴散。
4.1 氣流擴散的合理性
孔隙擴散不可能使氣流擴散實現(xiàn)技術合理性。曝氣器對氣流的擴散，從理論上講當然是擴散程度越高越好，也就是通常所指的“泡越細越好”。按照孔隙擴散的原理，“泡細” 與“阻力”是一對矛盾；孔隙越細排氣所產(chǎn)生的氣泡也就越細，但孔隙越細阻力也就越大，孔隙也就越容易被堵塞，單位時間內(nèi)通過的氣量也就越少。因此孔隙的細小只能解決“泡細”的問題，隨之而來的必然存在損耗大、氣流擴散技術合理程度低、性能不可靠等問題。
4.2 氣流擴散技術合理的基本要求
排氣阻力要小排氣通暢可靠性要大，在此前提之下實現(xiàn)氣流越分散越好。通常污水處理曝氣氣源均采用的是鼓風方式，鼓風機屬于低壓運行設備，排氣阻力大必然要影響到鼓風機的動力效率。污水處理工藝的條件較為復雜多變，要達到排氣阻力小和無堵塞的技術可靠性，排氣孔只能是采用大孔（＜Φ5mm＝，但是，按照孔隙擴散的原理大孔排氣是不可能產(chǎn)生細泡；因此，要使氣流擴散技術合理，就必須由孔隙擴散之外尋求其他的擴散方法。
4.3 關于孔隙可變的孔隙擴散
采用軟性膜可變孔隙排氣，雖然可使防止堵塞的性能得到改善，但是由于要求孔隙尺寸是在十分細小的范疇（0～100μm）;因此，軟性膜可變孔隙排氣仍難以解決易堵塞與阻力大的問題。軟性膜在長期的受壓運行過程中，也不可避免地存在軟性膜疲勞與老化問題，使孔隙可變的技術可靠性不高（孔膜易損）。
4.4 動力擴散的技術合理性
動力擴散利用氣體在水體中的上浮動力，發(fā)生“碰”與“撞”的作用而獲取細泡，氣流擴散完全脫離了細小孔隙的束限作用。由于動力擴散采用的是大孔排氣，實現(xiàn)了阻力小、不堵塞的擴散技術合理性。僅是“技術合理”還不行，還要是“功能高效”，旋混曝氣器具備設計科學的旋流、導流、紊動阻擋等多種“碰”與“撞”作用，實現(xiàn)了既是大孔排氣又是功能高效，PD旋混曝氣器很好地解決了動力擴散的技術合理性。
5 曝氣器技術發(fā)展方向
隨著社會的發(fā)展進步，污水處理保護環(huán)境越來越受到重視。采用技術性能可靠的曝氣設備，是確保污水處理裝置長期穩(wěn)定運行的首要條件。
5.1 由于鼓風曝氣動力效率高，立體布氣性能好，目前應用較為普遍。鼓風曝氣的終端關鍵設備是曝氣器，因此可以說曝氣器的技術發(fā)展狀況就代表了鼓風曝氣的技術水平。由于曝氣池相關的工藝理論計算，基本點就是曝氣氧利用率，從而導致出現(xiàn)了對曝氣器的技術評價重點集中在氧利用率，也導致出現(xiàn)了孔隙擴散——排氣孔隙越來越細的現(xiàn)象。
5.2 應當指出，孔隙擴散由固定孔隙到軟性膜可變孔隙，技術水平是有所發(fā)展，孔隙擴散曝氣器在污水處理裝置新安裝投運初期會表現(xiàn)良好，但孔隙擴散技術可靠程度太低，現(xiàn)實運行情況不盡人意，這就不得不使人深思孔隙擴散中的技術合理性問題。
5.3 任何一種設備，其功能效率必須要有合理的技術支持，這是一個很通常的技術原則，孔隙擴散完全不符合這樣的技術原則。從理論上講，設備的功能效率是越高越好，但這種功能效率如果沒有合理的技術支持，則其肯定是不可靠的。曝氣器的“氧利用率”當然是要越高越好，但如果實現(xiàn)這種效率是以降低技術可靠性為代價，顯然是有問題的。
5.4 目前所謂具有“先進技術水平”的孔隙擴散，可以使曝氣器氧轉移率達到30%以上，但無非是排氣孔隙更加變細，進氣除塵要求更加嚴格，阻力損耗更加增大；即以更加的技術不合理來實現(xiàn)的，其實際應用結果也只能是技術更加的不可靠。
5.5 孔隙擴散不可能解決技術合理性的問題，這一點是十分清楚的。但為什么孔隙擴散現(xiàn)仍然具有一定的技術地位呢？
一是以往曝氣器的充氧性能完全取決于排氣孔隙的大小，大孔排氣不能實現(xiàn)較高的氧轉移率，形成工程上偏重于選擇以微孔方式排氣的曝氣器。二是曝氣工藝工程設計基本點就是要求曝氣器要有較高的氧轉移率。
從實際情況看，曝氣器孔隙擴散的應用是處在滿足了氧利用率的要求卻難以滿足技術合理要求的狀態(tài)，微孔曝氣器在應用存在氧利用率與技術可靠性的矛盾。
5.6 PD旋混曝氣器由于是利用氣泡上浮動力進行擴散使氣泡破碎變細，既可以達到較高的氧利用率又可以滿足技術合理的要求，技術性能十分可靠。這也可以充分說明，只有脫離孔隙擴散的曝氣技術才能夠實現(xiàn)曝氣技術先進合理。
6 曝氣器動力擴散與孔隙擴散的比較
序號 項 目 動 力 擴 散 孔 隙 擴 散 01 工作原理 氣泡上浮動力為擴散動力經(jīng)旋流、導流、紊動、碰撞阻擋等作用形成擴散。 由微小孔隙限制作用形成擴散 02 排氣通道 一套曝氣器一個排氣孔，防堵塞、防 一套曝氣器上的排氣孔隙越來越多、越來越微小，易堵塞易損壞。 03 阻力損耗 ＜80 Pa ＞5000 Pa 04 氧利用率 21﹪ ＞21﹪ 05 排氣通量 穩(wěn)定 受孔隙堵塞或孔隙膜片損壞的影響而不穩(wěn)定。 06 動力效率 4.8 kg/kw·h長期運行保持穩(wěn)定 孔隙堵塞或孔隙膜片損壞必然影響動力效率下降。 07 進氣除塵 無要求 有要求 08 孔膜更換 無 有 09 孔膜清洗 無 有 10 設備材質(zhì) 工程塑料、不銹鋼 軟性孔隙膜易損壞固定孔隙膜易堵塞 11 管內(nèi)積水 有自動排除配氣管道內(nèi)積水的措施。 需進行排空操作 12 運行狀況 細泡均勻密布，長期穩(wěn)定運行保持不變。 新機運行良好，但難以保持長期穩(wěn)定。 13 布氣平衡 全池均勻穩(wěn)定 孔隙堵塞與孔隙膜片損壞會破壞布氣的均衡。 14 技術性能 大孔排氣 細泡布氣 微孔排氣 細泡布氣作者簡介 邢旭明，1980年由北京大學生物系畢業(yè)一直在從事污水處理運行的工作，由1992年開始專門致力于曝氣擴散技術的研究與應用，現(xiàn)積累了數(shù)十個工程項目的經(jīng)驗。
通訊方式 13924701949 0730-8495558 E-mail: zhnandao@263.net
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