純氧曝氣在污水處理和河道復(fù)氧中的應(yīng)用

1、純氧曝氣在污水處理和河道復(fù) 氧中的應(yīng)用純氧曝氣在污水處理和河道復(fù)氧中的應(yīng)用出 自：中國給水排水1999年第8期發(fā)表時間：1999-8-17凌暉王誠信史可紅（赫司特中國投資公司梅塞爾代表辦公室）由于純氧的壓力高于空氣中氧的分壓，純氧曝氣可顯著提高氧的轉(zhuǎn)移速率。德國梅塞爾（MESSER ）集團開發(fā)的微氣泡純氧曝氣技術(shù)（BIOX工藝），將微孔曝氣和純氧曝氣的優(yōu)點結(jié)合起來，采用微孔軟管曝氣墊，在水深 5 m處的氧利用率高達80%。該工藝應(yīng)用于敞開曝氣池，可顯著提高污泥濃度和改善污泥沉降性能，故特別適用于現(xiàn)有活性污泥處理廠的脫氮升級 改造。此外，該工藝還廣泛應(yīng)用于污染河流的曝氣復(fù)氧，由于設(shè)備簡單可靠、不

2、產(chǎn)生噪聲和對流態(tài)不形成擾動等優(yōu)點，尤其 適合于具有旅游景觀功能的市區(qū)河道的治理。1純氧曝氣和空氣曝氣的比較曝氣過程中氧的傳輸速率（即溶解氧濃度的變化率）和氧虧值成正比，如式（1）所示。所謂氧虧值是氧飽和濃度和實際達到 的溶解氧濃度之差。de/ dt=K lA/V （ Cs-Ct） （1）式中 KL 氧傳遞系數(shù)，h-1Cs飽和溶解氧濃度，mg/LCT 實際溶解氧濃度，mg/L，氧虧值為（Cs-Ct）在空氣曝氣時氧的分壓為21 kPa，而純氧曝氣時氧壓力可達101 kPa。于是，純氧曝氣時氧飽和濃度是 43.74 mg/L（20 C ）,這是空氣曝氣時9.17 mg/L的4.8倍。如果實際要求達到

3、溶解氧濃度5 mg/L,則空氣曝氣時氧虧值是 4.17 mg/L,而純氧曝氣時氧虧值高達38.74 mg/L。顯然，純氧曝氣時溶解氧的增長速率是空氣曝氣時的38.74/4.17=9.3倍。2微氣泡純氧曝氣活性污泥工藝在活性污泥工藝中應(yīng)用純氧曝氣，不應(yīng)簡單地被看作只是替代常規(guī)的空氣曝氣裝置，更重要的是由于純氧的應(yīng)用可導(dǎo)致活性污泥工藝中許多重要技術(shù)參數(shù)發(fā)生顯著的改變，從而形成一種活性污泥工藝的變型，即純氧活性污泥工藝。表1中列示了同一污水的常規(guī)活性污泥工藝和純氧活性污泥工藝的相關(guān)技術(shù)參數(shù)比較。表1純氧活性污泥工藝和常規(guī)活性污泥工藝典型技術(shù)參數(shù)的比較參數(shù)純氧活性污泥工藝常規(guī)活性污泥工藝溶解氧（mg/

4、L ）4814水力停留時間（h）1338污泥濃度（mg/L）4500800010003000容積負荷kgBOD/(m 3.d)2.40 4.000.48 1.00污泥回流比（% ）0.2 0.50.3 1.0回流污泥濃度（mg/L）1500035000500015000污泥體積指數(shù)30 70100150污泥產(chǎn)率（VSS/BOD去除）0.4 0.550.5 0.75相比之下，純氧活性污泥工藝的性能改善具體表現(xiàn)在以下各方面：可以在很高的曝氣池污泥濃度下保持高的溶解氧濃度；可以在很高的有機負荷下運行并具有很高的基質(zhì)去除率；顯著提高污泥的沉降速率和改善污泥的脫水性能；在相同的負荷下產(chǎn)生較少的剩余污泥；

5、整個處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、抗沖擊能力均有改善。BIOX工藝的核心是一種應(yīng)用純氧的微氣泡軟管曝氣墊，這種曝氣墊由多根微氣泡曝氣軟管平行鋪設(shè)于長方形鋼質(zhì)框架 中所構(gòu)成。軟管的材料是一種具有優(yōu)良彈性和耐久性的特種橡膠，軟管外徑26 mm、內(nèi)徑16 mm、壁厚5 mm，軟管壁上均勻分布微細的小孔。當進氣壓力大于要求的開啟壓力0.05 MPa時，小孔開啟而產(chǎn)生微氣泡；當進氣壓力低于0.05 Mpa或停止供氣時，小孔自動關(guān)閉，從而有效地防止污水進入管內(nèi)，起到類似單向閥的功能。軟管中氧氣的供氣壓力通常為0.20.4 MPa。采用較高供氣壓力的優(yōu)點：保證軟管內(nèi)沿整個長度存在穩(wěn)定均勻的氣流；在池底鋪設(shè)軟管時對水

6、平度不存在苛刻 的要求，使施工安裝大為簡便；可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氧氣流量，從而獲得不同的曝氣強度。由式（1）可知，曝氣過程中溶解氧濃度的變化率不僅和氧虧值成正比，而且和氣液相界面面積A成正比。顯然，微氣泡可增大氣液相界面面積，是提高氧傳遞速率的重要條件之一。BIOX工藝中軟管小孔開啟時生成的微氣泡直徑小于2 mm，在水深5 m處氧的利用率可高達 80%，而通常應(yīng)用穿孔管或微孔擴散器進行空氣曝氣時，氧的利用率分別只有6%8%和10%12%。很高的氧傳遞速率特性對于提高曝氣池內(nèi)污泥濃度和改善處理系統(tǒng)對沖擊負荷的適應(yīng)性都是十分必要的。BIOX工藝的氧氣來源可以用變壓吸附（PSA）現(xiàn)場制氧設(shè)備，也可由安

7、裝在現(xiàn)場的液氧貯罐供給，后者應(yīng)用更為普遍。液氧經(jīng)蒸發(fā)器氣化后通過穩(wěn)壓和計量裝置調(diào)節(jié)至要求的壓力和流量，然后經(jīng)分配裝置進入曝氣軟管，BIOX純氧曝氣系統(tǒng)見圖1。linn9 1 BIOK工藝曜程示毫雷雉軌預(yù)空液氧貯罐定期由液氧槽車灌注，操作十分簡便安全。由于液氧有很高的純度，故盡管采用了微孔曝氣軟管，系統(tǒng)中不需 要任何氣體凈化預(yù)處理，這也是和空氣曝氣的不同之處。BIOX工藝已廣泛應(yīng)用于各種污水處理工程中，其中主要有以下三個方面： 超負荷污水處理廠的 部分氧化工藝即在超負荷的曝氣池中應(yīng)用 BIOX工藝。為了消除超負荷引起的溶解氧濃度過 低等問題，可在曝氣池的局部（如推流曝氣池的開始段） 或可在整個曝

8、氣池中增設(shè) BIOX純氧曝氣，并保留原有的空氣曝氣, 這樣可靈活經(jīng)濟地維持必要的溶解氧濃度。 應(yīng)用于序批式反應(yīng)器（SBR），可充分利用 SBR中較高污泥濃度和水深的優(yōu)點。 應(yīng)用于污水生物脫氮的三級處理廠，即采用 BIOX N工藝。由于純氧曝氣可顯著提高污泥濃度和曝氣池容積負荷，不僅可縮小曝氣池容積，而且由于污泥負荷的降低，有利于硝化反應(yīng)的發(fā)生。所以在污水處理廠的脫氮改造時，可將原有曝 氣池的一部分隔開，用作反硝化的缺氧池，剩余部分則為純氧曝氣的硝化池（見圖2）。這樣，無需新建任何構(gòu)筑物就可以實現(xiàn)污水處理的脫氮升級以下是BIOX N的一個工程改造實例：德國一座80000人口當量污水處理廠，基本處

9、理設(shè)施由初沉池、四個曝氣池、兩個二沉池和一個污泥池組成。存在的問題主要是氨氮處理不能達到新標準5 mg/L的要求。采用BIOX N工藝進行的改造步驟如下：曝氣池1改為脫氮池，采用兩臺液下攪拌器推進水流；曝氣池 2和曝氣池3采用梅塞爾BIOX純氧曝氣工 藝；曝氣池4保留原有的表曝系統(tǒng)；其余設(shè)施不動。重新運行后，在曝氣池有效水深 4.70 m的條件下，氧氣的利用率達80% 以上，曝氣池的污泥濃度由原來的23 g/L提高至56 g/L。上例中純氧曝氣系統(tǒng)的硬件投資費用約為3萬馬克，而采用供氧能力相當?shù)谋砥卦O(shè)備，則投資高達20萬馬克；應(yīng)用BIOX工藝僅改造投資就比傳統(tǒng)工藝（包括擴大曝氣池容積所需的土建

10、費用）節(jié)約800萬馬克，改造后污水處理廠的年運行費用約為 12萬馬克，改造前、后運行結(jié)果的比較見表2。表2改造前、后運行結(jié)果的比較水質(zhì)指標（mg/L）改造前改造后CODcr14030BOD 54015NH 3-N8023經(jīng)過長期應(yīng)用，BIOX工藝具有下列優(yōu)點：純氧曝氣裝置長期運行后或停頓后再次啟用時軟管不會堵塞。 尤其適合于現(xiàn)有污水處理裝置的擴容改造，可無需增建曝氣池而實現(xiàn)生物脫氮的升級，這一特點在土地緊缺的地區(qū)是十分可貴的。 純氧曝氣設(shè)備相當簡單，操作安全可靠，易于掌握。由于不需采用任何泵、鼓風(fēng)機等轉(zhuǎn)動設(shè)備，整個系統(tǒng)的設(shè)備維護費用極低。盡管純氧的耗用使運行費用較高，但如考慮土地購置費用、曝氣

11、設(shè)備投資折舊率和日常維修費用以及電費的節(jié)省， 并對純氧曝氣設(shè)備采用國際通用的租賃方式，則本工藝的綜合經(jīng)濟性有相當好的競爭力。 本系統(tǒng)沒有任何噪聲，也基本上不存在揮發(fā)性有機化合物（VOC）的氣體逸散，故對污水處理廠周圍不會產(chǎn)生不利的環(huán)境影響。3微氣泡純氧曝氣的河流復(fù)氧河道水體人工曝氣復(fù)氧是治理污染河流的一種有效的工程措施，可在短時間內(nèi)取得降低水體污染程度和提高溶解氧濃度的效果。國內(nèi)近年來在北京、上海等城市進行了一定規(guī)模的河道人工曝氣復(fù)氧試驗，上海環(huán)境科學(xué)研究院張明旭等對上海蘇 州河水體的人工曝氣復(fù)氧效果進行了實驗室研究和動力學(xué)分析，結(jié)果表明，即使是黑臭程度高的河水在有氧的條件下20 h后臭味基本

12、消除，水體顏色明顯改觀，COD和BOD大幅度下降（30%55%）。早在80年代BIOX工藝已成功應(yīng)用于德國Enscher河進行純氧曝氣復(fù)氧。在曝氣位置處水體的溶解氧濃度可升高至15 mg/L,然后溶解氧濃度沿著水流方向逐漸下降，直到下游7 km處才重新降低至零，在這段距離內(nèi)河水的臭味被有效地消除了。德國柏林Teltow運河為了改善水質(zhì)和提高溶解氧濃度，要求安裝最大供氧量為70 kgO/h的曝氣裝置，以使平均流量達13 m3/s的河水中溶解氧濃度升高1.5 mg/L。在比較了多種可能的曝氣復(fù)氧方案后，最終采用了BIOX工藝。曝氣軟管的總長為 700 m，曝氣墊覆蓋面積 200 m2。25 C時起

13、始溶解氧濃度為6.3 mg/L（提高了 1.5 mg/L），此時氧的利用率為 38% 44%。該系統(tǒng)除了監(jiān)控曝氣裝置的運行狀態(tài)外，還裝備有溶解氧濃度測量控制儀表，可根據(jù)實際測量的結(jié)果隨時對供氧量進行調(diào)節(jié)。例如，在炎熱的夏季，特別是在夜間無藻類光 合作用供氧時，就可以增大供氧量。德國MESSER集團協(xié)助上海環(huán)境科學(xué)院在上海蘇州河支流新涇港下游進行了BIOX工藝的現(xiàn)場中試。這是一條嚴重污染的河道，河水黑臭，COD高達100200 mg/L。由于受潮汐和閘門開閉的影響，河道流態(tài)變化復(fù)雜。試驗裝置由一個5 m3液氧貯罐、一個100 m3/h蒸發(fā)器、穩(wěn)壓計量儀表和軟管曝氣墊組成。共設(shè)兩塊曝氣墊，分別由長

14、度4M0 m的軟管組成，曝氣區(qū)的總長度約為100 m。軟管的供氣壓力為 0.32 MPa，氧氣流量在0106 kg/h范圍內(nèi)可調(diào)。液氧槽車定期灌注貯罐，保 證了氧源的正常供給。 試驗結(jié)果表明，純氧曝氣可有效降低黑臭水體中的COD濃度。當河水流速較平緩時，COD濃度降低19.5%55.6% ;經(jīng)過曝氣區(qū)的BOD/COD值從0.46降至0.40，這表明在純氧曝氣過程中不僅發(fā)生了硫化物、亞鐵等還原物 質(zhì)的化學(xué)氧化（表現(xiàn)為水體黑色變淺，臭味減弱），而且發(fā)生了一定程度的生物降解作用。在河水污染程度不太嚴重且流速 較慢、水位較深時，溶解氧濃度可升至9.46 mg/L（10 C ），在三個月的連續(xù)運行中整個曝氣系統(tǒng)的設(shè)備運行正常，無需任何維修。由于不產(chǎn)生任何噪聲和對河道水體的流態(tài)不會形成任何明顯的擾動和障礙，故BIOX工藝尤其適用于在市中心水上航運繁忙、具有旅游景觀功能的河道上進行人工曝氣復(fù)氧。參考文獻1張明旭，馬治亮，陸魯.蘇州河水體耗氧特性研究與人工曝