曝气设备在水质净化中应用的研究进展*

陈露露，詹旭刚，郑灵艺，王 辉，程海翔，陈嘉涛，葛凯迪

(1 衢州学院化学与材料工程学院，浙江 衢州 324000；2 浙江省衢州生态环境监测中心，浙江 衢州 324000；3 浙江省生态环境科学设计研究院，浙江 杭州 310000)

人口的扩增和工业化发展使人们对水资源的需求越来越大，虽然我国淡水资源量高，但是我国的人均水资源占有量处于较低水平，加上水污染问题越来越严重，污染性水质短缺加剧了水资源缺乏，这对所有生命体的健康生活构成了严重威胁。在“十三五”规划时期，我国就出台了《重点流域水污染防治规划(2016-2020年)》，明确提出要树立“绿水青山就是金山银山” 的理念，细化落实《水污染防治行动计划》目标要求和任务措施，以改善水环境质量为核心，系统推进水环境、水生态和水资源保护，“十三五”末，我国水污染防治成效显著，水环境质量总体稳定、水污染物减排成效显著、环境风险防控能力显著增强、环境管理法规制度体系建设健全，但依然面临严峻的形势如“微容量、重负荷”问题突出、环保基础设施建设严重滞后等问题，因此，改善水环境质量，提高环境工程水处理迫在眉睫。但现实情况中，环境工程水处理中仍存在一定问题，如处理资金严重不足，没有充足的资金来购置专业的污水处理设备，导致污水处理效果不理想；管理水平参差不齐，专业设备和技术发展水平有限，水处理能力不足，这对工程发展产生了极大的影响[1]。针对这一问题，要投入更多的人力、物力去解决，我国相关部门也出台和颁布了许多政策，对环境污染问题进行了有效控制与监督，其中曝气设备因具有操作便利、成本费用低、管理方便、充氧效果好等优点，在污水处理以及水体净化中发挥了至关重要的作用，在环境工程水处理中发挥了重要作用。因此，本文主要从曝气设备的工作原理及作用、常见设备类型、在水质净化中的应用进展及存在问题和发展趋势等方面进行综述，以期为曝气设备在环境工程水处理中发挥更大作用提供基础信息。

1 曝气设备的工作原理及作用

1.1 工作原理

曝气设备工作原理是通过物理方法，增加气液混合物内外气体交换，将空气中的氧强制转移到泥水混合液中，并使混合液处于悬浮状态，在增加溶液氧含量的同时将不需要或不良气体排出，最终达到增强气液物质交换的目的。在有充足溶解氧的条件下，微生物通过提高与有机物的接触来强化其氧化降解。在水质净化中，曝气效率的反应主要体现在氧传质效率与氧利用率两个参数上。氧传质效率的提高可以通过增加浓度梯度或提高氧气转移系数，优化曝气装置分布、合理使用曝气装置可以提高氧利用率。因此，通过优化设备的分布与机能，可以大幅改善两个参数的指标，从而改善曝气效果。

1.2 作 用

(1)增加溶氧量

曝气装置将气体与水体混合，通过气相液相的充分混合，增强了溶液中氧气的溶解度和含量，通过增加溶解氧促进污泥中的微生物生长，同时扩大了微生物与污染物的接触。好氧微生物的活跃能更加高速、高效地分解水体中的污染物，降低水体中的COD、BOD指标。在内外界气交换的同时将分解有机物产生的有害气体又随之带出，达到一个良好的气体交换循环。有机物含量的降低和水中溶解氧含量的上升，提高了水体自净能力，从而保证了水质净化。

(2)促进物质分离

曝气过程中通过对水体的搅动、对流，气液混合物中气相和液相在机械的搅拌下不断地摩擦混合，将有机物碎屑、无机悬浮物等物质用气泡包裹起来，最终溶液中的固体颗粒会以悬浮态出现在液泡中，为后续的絮凝沉淀、脱除奠定基础，促进物质分离。这样不仅可以提高水体治理质量和效率，也可以有效提高水体的透明度，降低水体的色度。

2 常见的曝气设备类型

2.1 按照曝气方式

(1)机械曝气

机械曝气主要利用其机械上面的工作轮(例如叶片、叶轮)的带动，通过不断搅动使池底的污泥与废水充分混合，从而加强池水中液体与氧气的充分接触，提高水中的溶解氧。常见的机械曝气机主要为涡轮曝气机和表面曝气机，其具有无需建立新的机房[2]、堵塞的可能性小、安装和后期维护更为简单等优点。但由于其工作方式的限制，也存在氧气在水中的溶解度不高、曝气效率低、能耗高等缺点。

(2)鼓风曝气

鼓风曝气装置由通风机、气体扩散结构和布风管支架等构成，其原理是通过自身的扩散器所产生的高压和风力，将空气经由一系列管路输送到放置在曝气池底部，并通过空气扩散器的作用，产生大小不一的气泡并在水面上破裂，从而使空气和水进行完全混合[3]，其最关键部件是空气扩散装置，它能促进氧气与水体的接触面积，促进水中污水中有机物的分解。

常见的鼓风曝气设备主要为离心式鼓风机与罗兹鼓风机，前者在叶轮旋转的作用下通过电机将机械能传递给气体，这种鼓风机在工作的过程中会发生能量的转换，后者是通过转子的不断旋转将气体吸入，再经排气口排出，具有高效、稳定、作用范围大、效果好等优势，但是受其曝气方式影响，设备容易发生磨损，需要定期进行维护和清洗[4-5]。

近年来，微孔曝气技术逐渐被采用，微孔曝气设备在鼓风曝气机的作用下，空气通过扩散装置分裂成小气泡，其能够被水体中的微生物直接利用，同时能使微生物悬浮在水体中，增加空气、水与微生物的接触面积，提高微生物对氧气利用率，增强物质运输和代谢过程，促进微生物的生长和水质净化[6]。

(3)射流曝气

射流式曝气机由射流曝气器、循环水泵、鼓风机组成，在鼓风机的作用下，空气不断涌入曝气机内部被切成无数个微小的气泡，在混合室内与水进行充分的混合搅拌后，水流会从喇叭口状的扩散管中高速射出，从而增加水体的含氧量，具有氧转移速率高、无泡沫飞溅噪音小、保温性好、构造简单加工方便成本低等优点[7]。但是其缺点也十分明显，如设备极易堵塞喷嘴，加压系统和复杂的设备不利于后期的维护和管理等。近年来，很多学者也在积极改进射流式曝气机，如Shukla研究表明多开孔能提高固体射流曝气机的效率，在高流量下，开孔数量更多的曝气机充氧效率也更高，而在低流量下结论则相反[8]。

(4)推流曝气

推流曝气主要组成为初沉池，曝气池，二沉池以及污泥回流装置。曝气池主要起供氧，推流，搅拌三个方面的作用，根据废水行进方式不同可分为旋流和直流两种。在曝气机的选择上多用鼓风曝气装置。回流过程中，废水和回流污泥从进料口进入曝气池，水流呈推流式。推流式曝气方法是目前应用最为广泛的曝气方式之一，但现有的推流式曝气机多为单一方向复氧推流，在实际生产中，往往不能达到曝气池全方位增氧反应，为此近年来学者新研发了一种推流循环曝气装置，通过在原有设备上增加一个太阳能固定板在设备工作时能使复氧流全方位旋转达到循环复氧的效果，在实际应用中更为高效广泛。

(5)其他曝气设备

微纳米曝气机由水泵、微纳米气泡水发生器、压力表、曝气头和一些管件组成。该系统的核心技术是利用微纳米气泡分散技术将大量的空气初步压缩成大量的0.25 mm直径的无压微泡在水体中，然后在半真空的情况下，通过气相和液相的高度分散，将释放系统产生的0.25 mm直径的无压微泡形成一些直径小于3 μm的微米级气泡甚至形成纳米级气泡，这些高度分散后的气泡被统称为微纳米气泡，释放到需充氧水体中以达到对水体迅速充氧的效果[9]。

2.2 按照曝气设备工作位置

(1)表面曝气

表面曝气设备通常在曝气池的表面装配，除了单独作用，表面曝气设备一般与气体分布器相结合，增强气液混合装置内的气液混合效率，提高气液传质性能，在使气体均匀分布、气液传质性能增强的同时，降低机械能耗以及弥补表面曝气设备传质效率低、占地面积大的缺陷[10]。

(2)潜水曝气

潜水曝气机下辖种类繁多，结构各异，各个元件参数的不同都会极大影响曝气机的工作效率与使用条件，如陈斌通过改变喷嘴形状、喉管长度、工作压力等参数，成功提高自吸潜水曝气机的最大潜水深度[11]；赵宇等[12]改造研究了双层复合式潜表曝气机，实现了水体浅层与深层的二次曝气；杨迪等[13]在分析了原有的曝气机优缺点后研发出折叠式干室潜水曝气机。

3 水质净化中的应用进展

3.1 污水处理

在污水处理时，活性污泥法是最常用的污水处理方法，而曝气设备在其中起了至关重要的作用。在现有各种曝气设备中，其基本工作原理都是利用电机向水体充氧曝气，增加水体含氧量促使水中有机物与微生物充分混合，能更好更快的氧化有机物从而使污水中有机物含量下降达到污水处理要求。

此外，在工业残液处理上，纯氧曝气不仅能有效提高BOD去除率，还能够极大降低废水处理的费用，提高经济效益[14]。除了曝气技术，曝气材料和曝气设备选择也极大程度的影响污水处理效率，如无锡市某污水处理厂，所选用的刚玉曝气材质就显现出易堵塞的问题；山东寿光污水处理厂用新型复合型倒伞叶轮改造了原先的的曝气装置改善了原先装置曝氧量低，运行能耗高的问题[15]。

3.2 水产养殖

随着陆地资源愈益紧张，节能节约型发展计划的推进，渔业养殖正在日益趋向工厂型集中化发展。这种节约资源的一体化养殖方式往往面临着许多环境的制约，例如光照，氧气，水质等等。曝气机作为简单便捷的增氧曝气设备在封闭式水体养殖中起着重要的作用[16]。在渔业养殖中，最常用的曝气设备为鼓风增氧曝气设备，与其它增氧设备如水车式，喷泉式比较，其特点是更加节能，安全，并且能节约水资源的使用。与此类似，鼓风曝气也是鱼塘养殖增氧一大常用设备，是我们生活中比较常见的一个曝气方式，它具有高效、稳定、作用范围大、效果好等优势，但是受其曝气方式影响，在工作环境肮脏的情况下容易发生磨损，需要在进行必要的维护和清洗。在一项针对南美白对虾养殖成活率的研究中，学者针对微孔曝气机与与叶轮式增氧机进行比较和测试，结果得出了微孔曝气对南美白对虾有更高的产量，并且有节能、节水、降低成本的优点。陈超对福州市马尾区某污水处理厂氧化沟工艺进行曝气系统改造，将原先的倒伞型表面曝气机改造为微孔底部曝气形式，改造后的污水处理厂出水水质稳定达到一级A排放标准，同时每年可节约电费约50万元[17]。

3.3 景观水体

园林景观中水体是整个体系中的平衡和关键。园林中水景不仅能起到观赏作用，更能维持园林生态系统的持续稳固发展。但在实际园林景观中，水体往往因过度注重观赏性而导致水体缺氧。在此情况下曝气复氧能极大程度上解决水体缺氧的问题。研究显示，相同时间内折叠式干室潜水式曝气复氧的氧传质效率以及曝气速率是喷泉复氧的32%，能有效处理和控制水体BOD含量，从而抑制水景中沉水藻类以及底泥微生物的过量繁殖[13]。目前常用于园林景观中的曝气设备类型有推流式、水车式、喷泉式以及太阳能曝气，但这几种设备都有各自的优点与不足。对于园艺景观度而言，推流式与水车式在噪音上影响较大且景观性不强，一般用于夜晚景区休整时间断，不能达到全时段工作；喷泉式与太阳能式在满足景观性的同时却又减弱了曝气能力，对此，微气泡纯氧曝气技术具有的无噪音、设备简单、不干扰流体形态等优点使其在旅游景区内的河道治理有广泛应用。在后续园林建设中，更美观高效的曝气设备也在逐步探索中。

在生态复绿上，河道水体黑臭是我们常面临的水体危机，其黑臭主要来源于河体底泥微生物在缺氧情况下发酵有机营养物，产生有毒有害物质。根据天津市二级河道污水治理报告显示，通过机械曝气与沉砂过滤池结合使用，在充氧的同时进一步过滤底泥中的微生物，经处理后的水质足以达到生物栖息的程度[9]。同样的在顺德区红岗黑臭水体修复技术中，投入使用一项新的曝气设备搭配微生物菌剂，在对水体进行初步微生物净化过滤处理后，采用喷泉曝气搭配景观水生植物，一体化进行水体净化处理。

4 存在问题及发展趋势

4.1 存在问题

目前曝气机本身存在的问题主要在几个方面：易堵塞、易磨损、设备维修维护难、配套设备能耗高等。

现在市面上大部分的曝气机都有管道喷口易磨损难维修的痛点。因为设备自身特点和使用环境的原因，大部分的曝气设备都会出现堵塞的情况，如固定微孔曝气设备。易磨损的问题也广泛出现在曝气设备附件中，如曝气膜片撕裂，因为设备使用的特殊性质这样的问题几乎无法避免，只能通过不断的改进才能优化。而上述问题也激发了一系列衍生问题，如水下设备维修难，设备结构复杂难拆卸，实际生产停工造成经济损失等等。

除了设备本身，还有一些使用时的问题，如工作噪音大、产生二次污染、耗能大、成本高，配套鼓风机能耗较高，风机和曝气器不能完美结合，造成资源浪费。近年来随着科技技术的革新这些问题都在逐步解决，寻求创新，未来应该会有更加耐用环保高效的设备产生，让曝气机的作用发挥到最大。

4.2 发展趋势

曝气设备已成为水质净化工程的重要参与者，也在不断受到广泛的关注，随着科研工作者和运营人员在研究和实际运行中不断革新，对于曝气设备的使用参数和技术要求日益强化，新材料膜片曝气器、可提升混流曝气器、微纳米曝气器等也在不断地涌现，随之而来的也将是曝气设备的更新换代和对水处理产生极大的促进作用。但针对上述存在的问题，以后仍需从以下几方面进行深入探究：(1)增加曝气机及其配套设备的能源利用效率，减少能源浪费；(2)增加对曝气环境因素、曝气设备的动力效率、充氧能力和氧转移速率等参数的研究来提高曝气效率；(3)增加对水体的智能监测(如水深、温度、大气压强、浊度等变量)让人更便捷地了解水体的质量，在选用曝气设备时能切合实际工作环境，做出合适的选择。曝气设备的发展前景广阔，产品的升级发展也顺应了社会的发展需求，曝气设备的推广使用过程中也应注意与实际工作环境相结合，使曝气设备的作用最大化。