曝气增氧技术在工程应用中的研究

孙秋慧 席力蒙

摘要：随着国民经济的高速发展以及人口的增加，城市污水排放量不断增加，大量污染物排入河流，造成水质恶化，严重影响了城市河流的功能。曝气增氧技术对于改善水体水质，提升河流功能性有重要作用。该文通过总结工程中常用的曝气增氧技术，对各种曝气增氧技术的特点、优缺点及适用性进行了总结，以期为曝气增氧技术在实际工程中合理应用提供借鉴。

关键词 机械曝气  超微孔曝气  推流式曝气  太阳能解层式曝气  MABR

中图分类号：X522文献标识码：A     文章编号：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Study on Engineering Application of Aeration and Oxygenation Technology

SUN Qiuhui XI Limeng

（China Water Resources Bei Fang Investigation，Design&Research Co.，Ltd.，Tianjin，300202 China）

Abstract： With the rapid development of national economy and the increase of population， the discharge of urban sewage is increasing. A large number of pollutants are discharged into rivers， resulting in the deterioration of water quality and seriously affecting the function of urban rivers. Aeration technology plays an important role in improving water quality and river functionality. By summarizing the commonly used aeration technology in engineering， this paper summarizes the characteristics， advantages， disadvantages and applicability of various aeration technology， in order to provide reference for the rational application of aeration technology in practical engineering.

Key Words： Mechanical aeration;Ultra microporous aeration;Push flow aeration;Solar stratification aeration;MABR

河流在自然條件下的复氧速率比较缓慢，尤其是城市河流[1]。城市河流如若长期处于缺氧或厌氧的状态，水体水质便会恶化，因而如何有效地给水体增氧是改善水质的关键。曝气增氧技术即是为了改善或提高水体溶解氧的浓度应运而生。通过给水体进行增氧，提高水体中好氧微生物的活性，从而改善水体水质状况 [2]。因此，对曝气增氧技术在工程中如何合理应用该研究技术具有十分重要的意义。

1常用人工曝气增氧技术

目前工程中常用的人工曝气增氧技术有机械曝气、超微孔曝气、推流式曝气、太阳能解层式曝气、膜曝气生物膜反应器（Membrane Aeration Biofilm Reactor，MABR）等。

1.1机械曝气

机械曝气属于表面曝气，是用安装于水体表面的表面曝气机来实现的。按照转动轴与水面垂直还是平行分为垂直轴和水平轴两大类[3]。在河道中常用的类型有喷泉曝气机、涌泉式曝气机，该两种曝气机均属于垂直轴式曝气机。这种曝气机装有叶轮，根据水力机械和搅拌提升器装置带动叶轮旋转，使水体表面产生水跃。大量的水滴和膜状水混合液被抛向空气中，通过与空气碰撞掺入空气，形成水气混合物跌入水面，从而增加水体含氧量。水面下强大的水流量促使底部水体与上部水体不断交换更替，增氧的同时也提升了水体流动性。

喷泉曝气机是一种具有优美的造型和独特的造景功效，无需管道和水泵即可造景，被广泛应用于各种景观水处理场所。具有安装操作简单、维修方便、体积小、具备一定的景观效果等优点。涌泉式曝气机，是一种模拟“趵突泉”的景观型曝气机，一般配置有专用消音器，具有融冰、超大循环等特点，适合于公园、古建、河道等景观场所的水体净化。其“趵突泉”式外观，为景观水体增添了灵动与文化气息，是其他曝气机无法实现的。

1.2超微孔曝气

超微孔曝气是利用超微米曝气机产生的大量超微米气泡来提升水体溶解氧、去除浮游性藻类、消除恶臭的一种曝气。超微孔曝气产生的大量超微米气泡不影响水域环境和水中植物。其工作原理为：微米曝气机利用超声波空化弥散释放出高密度、均匀的超微米气泡，使水与气高度掺混，形成“乳白色”的气液混合体。气泡平均粒径200nm到4m，气泡含率84%～90%、气泡平均上升速度4～8mm/s。并且超微米气泡使得水分子的分子团变小，从而使超微米气泡中的氧更易溶入水分子团的间隙中，起到提升水体溶解氧的效果。大量超微米气泡还能使河湖底部污染物质和浮游性藻类浮起，同时，水体溶解氧的提高促进了有机化合物的氧化还原作用，促使浮游性藻类死亡，以此达到净化水质，修复水域环境的目的。死亡的藻类最终以微小浮游物质的形态附着在气泡上，并浮到水面形成感官上的泡沫。

超微米曝气机集净化水质与活化水体功能于一身，使用范围广，无场地限制，使用时不影响水中生物的正常活动。其安装分为岸上部分（主机）和水下部分（超微米气泡释放器），两部分通过软管连接，安装简单灵活。超微米气泡释放器根据需要可以有多种形状，包括方形、直管形等，具有通气量大、充氧能力强，使用灵活和多样等特点。超微孔曝气与大中气泡型曝气系统相比，可节约50%左右的能耗，降低了处理成本，但能耗依旧很高，且曝气器容易堵塞，这不仅会造成充氧能力的降低，而且会造成能量的浪费。氧转移效率一般只有15%～25%[4]。

1.3推流式曝气

推流式曝气是利用水力剪切和气泡扩散两个作用达到搅拌混合和曝气充氧的效果。推流式曝气机的核心组成是推流曝气叶轮。叶轮旋转将水推走形成空隙，空气率先补充空缺，水气互相掺混，在高速运转的叶轮不断搅拌剪切以及轴向推力下，将气、水混合物强力注入水中进行二次切割，因此气泡的粒径变得更小，平均粒径为1.5 mm，并且在水中形成長距离的气、水混合扩散柱，如此一来就延长了气水接触时间，大大提高氧的利用率。同时推动水体向前运动，达到曝气、混合及推流的目的。推流式曝气具有曝气、混合、推流等多重作用，可选择潜水式电机静音运转，对环境影响小，具有构造简单、运转灵活、安装方便、便于调节、基本不占地的优点。彭强辉等研究者[5]在杭州肖家桥港黑臭河道生态修复中，采用了推流曝气、浮岛喷泉曝气、水生植物恢复等措施，有效降解了河水中有机物、氨氮、总磷等污染物。工程运行10个月后，肖家桥港达到了杭州市西湖区城区河道消除黑臭的指标要求。

1.4太阳能曝气

太阳能曝气机是由太阳能供电及蓄电系统、控制系统、变频电机、专用浮体、专用叶轮、连接框架、防雨装饰罩等部分组成，并通过连接框架有机连为一体。太阳能曝气方式的出现主要是为了解决传统曝气方式的电耗问题。其设备结构简单，安装和维护相对容易，不需要配电系统或者寻找电源，十分适合在太阳能丰富或不便于通电的地区使用。太阳能曝气常与表流湿地结合，可降低湿地用地面积，增强处理效率，弥补表流湿地占地大以及冬季湿地净化能力弱的缺点。太阳能曝气还常与浮动湿地结合，利用太阳能曝气提升浮动湿地周围溶解氧浓度，进而提升人工湿地对污染物的净化能力。李鑫等研究者[6]研究了太阳能曝气对漂浮人工湿地溶解氧和净化能力的影响，结果表明：曝气后，漂浮人工湿地对NH4+-N、TN、TP、COD的去除率分别提高了44%、176%、6%、9%。DO含量从0.2 mg/L增加到7 mg/L。然而太阳能曝气十分受限于太阳能板面积大小与光照强度。

1.5膜曝气生物膜反应器（MABR）

膜曝气生物膜反应器（Membrane Aeration Biofilm Reactor，MABR）是一种自1978年以来正在开发的创新的附着生长废水处理技术，是一种将传统的生物膜法污水处理技术与气体分离膜技术耦合而产生的新型污水净化工艺。MABR中膜的作用不是水过滤，而是气体转移和生物膜载体双重作用，即曝气膜既为生物膜中微生物的活动提供氧气，同时又是生物膜附着生长的载体，其型式多样，有平板、管或中空纤维等型式[3]。MABR最早主要应用于高浓度啤酒废水、垃圾渗滤液、制药废水等各种难降解的废水处理，近十几年来开始应用于河道治理工程中，样式以中空纤维膜型式居多。MABR曝气技术与上述几种曝气技术不同，MABR可实现无泡曝气，即曝气时不产生气泡，因而氧气利用程度高。工程实践表明，20 000  m2水面只需一组气源即可，且运行功率不超过7.5 kW，曝气均匀。同时由于MABR曝气膜的比表面积大，以膜为载体可以在较小的空间内为微生物的生长提供充足的附着面积，大大提高了单位空间处理能力。并且，MABR技术可根据河道具体情况调整布置模式，水深0.8 m以上，流速1.5 m/s以下，MABR膜系统均能安全稳定运行。

2各曝气增氧技术优缺点及适用条件

针对各曝气增氧技术的工作原理与特点，总结各曝气增氧技术优缺点及适用条件，具体情况见表1。

3 结语

该文通过总结工程中常用的曝气增氧技术，对各种曝气增氧技术的特点、优缺点及适用性进行了总结。得出了在实际工程应用中，选择曝气技术时需要从景观要求、河道水深、是否便于通电等几个因素去考虑，因地制宜选择最佳曝气增氧技术。

参考文献

[1] 王星星.关于城市河流水污染防治技术应用和研究[J].环境与发展，2020，32（4）：57，59.

[2] 陈平，倪龙琦.曝气技术在黑臭河道上的研究进展[J].化学工程师，2020，34（5）：63-65，37.

[3] 孙秋慧.气泡式MABR技术对黑臭水体增氧提质效果研究及其优化设计[D].天津：天津大学，2018.

[4] 王睿，谭映宇，王震，等.水生态修复技术在城市河道污染治理工程中的应用[J].环境与可持续发展，2020，45（3）：125-129.

[5]彭强辉，韩秀萍，蔡强，等.杭州肖家桥港黑臭河道生态修复技术应用研究[J].环境污染与防治，2017，39（1）：111.

[6]李鑫，李映雪，徐德福，等.太阳能曝气下生物炭漂浮湿地的净化能力[J].环境科学与技术，2018，41（7）：54-59.