陳露露，詹旭剛，鄭靈藝，王 輝，程海翔，陳嘉濤，葛凱迪

(1 衢州學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2 浙江省衢州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 衢州 324000；3 浙江省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院，浙江 杭州 310000)

人口的擴增和工業(yè)化發(fā)展使人們對水資源的需求越來越大，雖然我國淡水資源量高，但是我國的人均水資源占有量處于較低水平，加上水污染問題越來越嚴(yán)重，污染性水質(zhì)短缺加劇了水資源缺乏，這對所有生命體的健康生活構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在“十三五”規(guī)劃時期，我國就出臺了《重點流域水污染防治規(guī)劃(2016-2020年)》，明確提出要樹立“綠水青山就是金山銀山” 的理念，細化落實《水污染防治行動計劃》目標(biāo)要求和任務(wù)措施，以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，系統(tǒng)推進水環(huán)境、水生態(tài)和水資源保護，“十三五”末，我國水污染防治成效顯著，水環(huán)境質(zhì)量總體穩(wěn)定、水污染物減排成效顯著、環(huán)境風(fēng)險防控能力顯著增強、環(huán)境管理法規(guī)制度體系建設(shè)健全，但依然面臨嚴(yán)峻的形勢如“微容量、重負荷”問題突出、環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后等問題，因此，改善水環(huán)境質(zhì)量，提高環(huán)境工程水處理迫在眉睫。但現(xiàn)實情況中，環(huán)境工程水處理中仍存在一定問題，如處理資金嚴(yán)重不足，沒有充足的資金來購置專業(yè)的污水處理設(shè)備，導(dǎo)致污水處理效果不理想；管理水平參差不齊，專業(yè)設(shè)備和技術(shù)發(fā)展水平有限，水處理能力不足，這對工程發(fā)展產(chǎn)生了極大的影響[1]。針對這一問題，要投入更多的人力、物力去解決，我國相關(guān)部門也出臺和頒布了許多政策，對環(huán)境污染問題進行了有效控制與監(jiān)督，其中曝氣設(shè)備因具有操作便利、成本費用低、管理方便、充氧效果好等優(yōu)點，在污水處理以及水體凈化中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，在環(huán)境工程水處理中發(fā)揮了重要作用。因此，本文主要從曝氣設(shè)備的工作原理及作用、常見設(shè)備類型、在水質(zhì)凈化中的應(yīng)用進展及存在問題和發(fā)展趨勢等方面進行綜述，以期為曝氣設(shè)備在環(huán)境工程水處理中發(fā)揮更大作用提供基礎(chǔ)信息。

1 曝氣設(shè)備的工作原理及作用

1.1 工作原理

曝氣設(shè)備工作原理是通過物理方法，增加氣液混合物內(nèi)外氣體交換，將空氣中的氧強制轉(zhuǎn)移到泥水混合液中，并使混合液處于懸浮狀態(tài)，在增加溶液氧含量的同時將不需要或不良氣體排出，最終達到增強氣液物質(zhì)交換的目的。在有充足溶解氧的條件下，微生物通過提高與有機物的接觸來強化其氧化降解。在水質(zhì)凈化中，曝氣效率的反應(yīng)主要體現(xiàn)在氧傳質(zhì)效率與氧利用率兩個參數(shù)上。氧傳質(zhì)效率的提高可以通過增加濃度梯度或提高氧氣轉(zhuǎn)移系數(shù)，優(yōu)化曝氣裝置分布、合理使用曝氣裝置可以提高氧利用率。因此，通過優(yōu)化設(shè)備的分布與機能，可以大幅改善兩個參數(shù)的指標(biāo)，從而改善曝氣效果。

1.2 作 用

(1)增加溶氧量

曝氣裝置將氣體與水體混合，通過氣相液相的充分混合，增強了溶液中氧氣的溶解度和含量，通過增加溶解氧促進污泥中的微生物生長，同時擴大了微生物與污染物的接觸。好氧微生物的活躍能更加高速、高效地分解水體中的污染物，降低水體中的COD、BOD指標(biāo)。在內(nèi)外界氣交換的同時將分解有機物產(chǎn)生的有害氣體又隨之帶出，達到一個良好的氣體交換循環(huán)。有機物含量的降低和水中溶解氧含量的上升，提高了水體自凈能力，從而保證了水質(zhì)凈化。

(2)促進物質(zhì)分離

曝氣過程中通過對水體的攪動、對流，氣液混合物中氣相和液相在機械的攪拌下不斷地摩擦混合，將有機物碎屑、無機懸浮物等物質(zhì)用氣泡包裹起來，最終溶液中的固體顆粒會以懸浮態(tài)出現(xiàn)在液泡中，為后續(xù)的絮凝沉淀、脫除奠定基礎(chǔ)，促進物質(zhì)分離。這樣不僅可以提高水體治理質(zhì)量和效率，也可以有效提高水體的透明度，降低水體的色度。

2 常見的曝氣設(shè)備類型

2.1 按照曝氣方式

(1)機械曝氣

機械曝氣主要利用其機械上面的工作輪(例如葉片、葉輪)的帶動，通過不斷攪動使池底的污泥與廢水充分混合，從而加強池水中液體與氧氣的充分接觸，提高水中的溶解氧。常見的機械曝氣機主要為渦輪曝氣機和表面曝氣機，其具有無需建立新的機房[2]、堵塞的可能性小、安裝和后期維護更為簡單等優(yōu)點。但由于其工作方式的限制，也存在氧氣在水中的溶解度不高、曝氣效率低、能耗高等缺點。

(2)鼓風(fēng)曝氣

鼓風(fēng)曝氣裝置由通風(fēng)機、氣體擴散結(jié)構(gòu)和布風(fēng)管支架等構(gòu)成，其原理是通過自身的擴散器所產(chǎn)生的高壓和風(fēng)力，將空氣經(jīng)由一系列管路輸送到放置在曝氣池底部，并通過空氣擴散器的作用，產(chǎn)生大小不一的氣泡并在水面上破裂，從而使空氣和水進行完全混合[3]，其最關(guān)鍵部件是空氣擴散裝置，它能促進氧氣與水體的接觸面積，促進水中污水中有機物的分解。

常見的鼓風(fēng)曝氣設(shè)備主要為離心式鼓風(fēng)機與羅茲鼓風(fēng)機，前者在葉輪旋轉(zhuǎn)的作用下通過電機將機械能傳遞給氣體，這種鼓風(fēng)機在工作的過程中會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換，后者是通過轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)將氣體吸入，再經(jīng)排氣口排出，具有高效、穩(wěn)定、作用范圍大、效果好等優(yōu)勢，但是受其曝氣方式影響，設(shè)備容易發(fā)生磨損，需要定期進行維護和清洗[4-5]。

近年來，微孔曝氣技術(shù)逐漸被采用，微孔曝氣設(shè)備在鼓風(fēng)曝氣機的作用下，空氣通過擴散裝置分裂成小氣泡，其能夠被水體中的微生物直接利用，同時能使微生物懸浮在水體中，增加空氣、水與微生物的接觸面積，提高微生物對氧氣利用率，增強物質(zhì)運輸和代謝過程，促進微生物的生長和水質(zhì)凈化[6]。

(3)射流曝氣

射流式曝氣機由射流曝氣器、循環(huán)水泵、鼓風(fēng)機組成，在鼓風(fēng)機的作用下，空氣不斷涌入曝氣機內(nèi)部被切成無數(shù)個微小的氣泡，在混合室內(nèi)與水進行充分的混合攪拌后，水流會從喇叭口狀的擴散管中高速射出，從而增加水體的含氧量，具有氧轉(zhuǎn)移速率高、無泡沫飛濺噪音小、保溫性好、構(gòu)造簡單加工方便成本低等優(yōu)點[7]。但是其缺點也十分明顯，如設(shè)備極易堵塞噴嘴，加壓系統(tǒng)和復(fù)雜的設(shè)備不利于后期的維護和管理等。近年來，很多學(xué)者也在積極改進射流式曝氣機，如Shukla研究表明多開孔能提高固體射流曝氣機的效率，在高流量下，開孔數(shù)量更多的曝氣機充氧效率也更高，而在低流量下結(jié)論則相反[8]。

(4)推流曝氣

推流曝氣主要組成為初沉池，曝氣池，二沉池以及污泥回流裝置。曝氣池主要起供氧，推流，攪拌三個方面的作用，根據(jù)廢水行進方式不同可分為旋流和直流兩種。在曝氣機的選擇上多用鼓風(fēng)曝氣裝置?；亓鬟^程中，廢水和回流污泥從進料口進入曝氣池，水流呈推流式。推流式曝氣方法是目前應(yīng)用最為廣泛的曝氣方式之一，但現(xiàn)有的推流式曝氣機多為單一方向復(fù)氧推流，在實際生產(chǎn)中，往往不能達到曝氣池全方位增氧反應(yīng)，為此近年來學(xué)者新研發(fā)了一種推流循環(huán)曝氣裝置，通過在原有設(shè)備上增加一個太陽能固定板在設(shè)備工作時能使復(fù)氧流全方位旋轉(zhuǎn)達到循環(huán)復(fù)氧的效果，在實際應(yīng)用中更為高效廣泛。

(5)其他曝氣設(shè)備

微納米曝氣機由水泵、微納米氣泡水發(fā)生器、壓力表、曝氣頭和一些管件組成。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是利用微納米氣泡分散技術(shù)將大量的空氣初步壓縮成大量的0.25 mm直徑的無壓微泡在水體中，然后在半真空的情況下，通過氣相和液相的高度分散，將釋放系統(tǒng)產(chǎn)生的0.25 mm直徑的無壓微泡形成一些直徑小于3 μm的微米級氣泡甚至形成納米級氣泡，這些高度分散后的氣泡被統(tǒng)稱為微納米氣泡，釋放到需充氧水體中以達到對水體迅速充氧的效果[9]。

2.2 按照曝氣設(shè)備工作位置

(1)表面曝氣

表面曝氣設(shè)備通常在曝氣池的表面裝配，除了單獨作用，表面曝氣設(shè)備一般與氣體分布器相結(jié)合，增強氣液混合裝置內(nèi)的氣液混合效率，提高氣液傳質(zhì)性能，在使氣體均勻分布、氣液傳質(zhì)性能增強的同時，降低機械能耗以及彌補表面曝氣設(shè)備傳質(zhì)效率低、占地面積大的缺陷[10]。

(2)潛水曝氣

潛水曝氣機下轄種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，各個元件參數(shù)的不同都會極大影響曝氣機的工作效率與使用條件，如陳斌通過改變噴嘴形狀、喉管長度、工作壓力等參數(shù)，成功提高自吸潛水曝氣機的最大潛水深度[11]；趙宇等[12]改造研究了雙層復(fù)合式潛表曝氣機，實現(xiàn)了水體淺層與深層的二次曝氣；楊迪等[13]在分析了原有的曝氣機優(yōu)缺點后研發(fā)出折疊式干室潛水曝氣機。

3 水質(zhì)凈化中的應(yīng)用進展

3.1 污水處理

在污水處理時，活性污泥法是最常用的污水處理方法，而曝氣設(shè)備在其中起了至關(guān)重要的作用。在現(xiàn)有各種曝氣設(shè)備中，其基本工作原理都是利用電機向水體充氧曝氣，增加水體含氧量促使水中有機物與微生物充分混合，能更好更快的氧化有機物從而使污水中有機物含量下降達到污水處理要求。

此外，在工業(yè)殘液處理上，純氧曝氣不僅能有效提高BOD去除率，還能夠極大降低廢水處理的費用，提高經(jīng)濟效益[14]。除了曝氣技術(shù)，曝氣材料和曝氣設(shè)備選擇也極大程度的影響污水處理效率，如無錫市某污水處理廠，所選用的剛玉曝氣材質(zhì)就顯現(xiàn)出易堵塞的問題；山東壽光污水處理廠用新型復(fù)合型倒傘葉輪改造了原先的的曝氣裝置改善了原先裝置曝氧量低，運行能耗高的問題[15]。

3.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖

隨著陸地資源愈益緊張，節(jié)能節(jié)約型發(fā)展計劃的推進，漁業(yè)養(yǎng)殖正在日益趨向工廠型集中化發(fā)展。這種節(jié)約資源的一體化養(yǎng)殖方式往往面臨著許多環(huán)境的制約，例如光照，氧氣，水質(zhì)等等。曝氣機作為簡單便捷的增氧曝氣設(shè)備在封閉式水體養(yǎng)殖中起著重要的作用[16]。在漁業(yè)養(yǎng)殖中，最常用的曝氣設(shè)備為鼓風(fēng)增氧曝氣設(shè)備，與其它增氧設(shè)備如水車式，噴泉式比較，其特點是更加節(jié)能，安全，并且能節(jié)約水資源的使用。與此類似，鼓風(fēng)曝氣也是魚塘養(yǎng)殖增氧一大常用設(shè)備，是我們生活中比較常見的一個曝氣方式，它具有高效、穩(wěn)定、作用范圍大、效果好等優(yōu)勢，但是受其曝氣方式影響，在工作環(huán)境骯臟的情況下容易發(fā)生磨損，需要在進行必要的維護和清洗。在一項針對南美白對蝦養(yǎng)殖成活率的研究中，學(xué)者針對微孔曝氣機與與葉輪式增氧機進行比較和測試，結(jié)果得出了微孔曝氣對南美白對蝦有更高的產(chǎn)量，并且有節(jié)能、節(jié)水、降低成本的優(yōu)點。陳超對福州市馬尾區(qū)某污水處理廠氧化溝工藝進行曝氣系統(tǒng)改造，將原先的倒傘型表面曝氣機改造為微孔底部曝氣形式，改造后的污水處理廠出水水質(zhì)穩(wěn)定達到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，同時每年可節(jié)約電費約50萬元[17]。

3.3 景觀水體

園林景觀中水體是整個體系中的平衡和關(guān)鍵。園林中水景不僅能起到觀賞作用，更能維持園林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)固發(fā)展。但在實際園林景觀中，水體往往因過度注重觀賞性而導(dǎo)致水體缺氧。在此情況下曝氣復(fù)氧能極大程度上解決水體缺氧的問題。研究顯示，相同時間內(nèi)折疊式干室潛水式曝氣復(fù)氧的氧傳質(zhì)效率以及曝氣速率是噴泉復(fù)氧的32%，能有效處理和控制水體BOD含量，從而抑制水景中沉水藻類以及底泥微生物的過量繁殖[13]。目前常用于園林景觀中的曝氣設(shè)備類型有推流式、水車式、噴泉式以及太陽能曝氣，但這幾種設(shè)備都有各自的優(yōu)點與不足。對于園藝景觀度而言，推流式與水車式在噪音上影響較大且景觀性不強，一般用于夜晚景區(qū)休整時間斷，不能達到全時段工作；噴泉式與太陽能式在滿足景觀性的同時卻又減弱了曝氣能力，對此，微氣泡純氧曝氣技術(shù)具有的無噪音、設(shè)備簡單、不干擾流體形態(tài)等優(yōu)點使其在旅游景區(qū)內(nèi)的河道治理有廣泛應(yīng)用。在后續(xù)園林建設(shè)中，更美觀高效的曝氣設(shè)備也在逐步探索中。

在生態(tài)復(fù)綠上，河道水體黑臭是我們常面臨的水體危機，其黑臭主要來源于河體底泥微生物在缺氧情況下發(fā)酵有機營養(yǎng)物，產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。根據(jù)天津市二級河道污水治理報告顯示，通過機械曝氣與沉砂過濾池結(jié)合使用，在充氧的同時進一步過濾底泥中的微生物，經(jīng)處理后的水質(zhì)足以達到生物棲息的程度[9]。同樣的在順德區(qū)紅崗黑臭水體修復(fù)技術(shù)中，投入使用一項新的曝氣設(shè)備搭配微生物菌劑，在對水體進行初步微生物凈化過濾處理后，采用噴泉曝氣搭配景觀水生植物，一體化進行水體凈化處理。

4 存在問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在問題

目前曝氣機本身存在的問題主要在幾個方面：易堵塞、易磨損、設(shè)備維修維護難、配套設(shè)備能耗高等。

現(xiàn)在市面上大部分的曝氣機都有管道噴口易磨損難維修的痛點。因為設(shè)備自身特點和使用環(huán)境的原因，大部分的曝氣設(shè)備都會出現(xiàn)堵塞的情況，如固定微孔曝氣設(shè)備。易磨損的問題也廣泛出現(xiàn)在曝氣設(shè)備附件中，如曝氣膜片撕裂，因為設(shè)備使用的特殊性質(zhì)這樣的問題幾乎無法避免，只能通過不斷的改進才能優(yōu)化。而上述問題也激發(fā)了一系列衍生問題，如水下設(shè)備維修難，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜難拆卸，實際生產(chǎn)停工造成經(jīng)濟損失等等。

除了設(shè)備本身，還有一些使用時的問題，如工作噪音大、產(chǎn)生二次污染、耗能大、成本高，配套鼓風(fēng)機能耗較高，風(fēng)機和曝氣器不能完美結(jié)合，造成資源浪費。近年來隨著科技技術(shù)的革新這些問題都在逐步解決，尋求創(chuàng)新，未來應(yīng)該會有更加耐用環(huán)保高效的設(shè)備產(chǎn)生，讓曝氣機的作用發(fā)揮到最大。

4.2 發(fā)展趨勢

曝氣設(shè)備已成為水質(zhì)凈化工程的重要參與者，也在不斷受到廣泛的關(guān)注，隨著科研工作者和運營人員在研究和實際運行中不斷革新，對于曝氣設(shè)備的使用參數(shù)和技術(shù)要求日益強化，新材料膜片曝氣器、可提升混流曝氣器、微納米曝氣器等也在不斷地涌現(xiàn)，隨之而來的也將是曝氣設(shè)備的更新?lián)Q代和對水處理產(chǎn)生極大的促進作用。但針對上述存在的問題，以后仍需從以下幾方面進行深入探究：(1)增加曝氣機及其配套設(shè)備的能源利用效率，減少能源浪費；(2)增加對曝氣環(huán)境因素、曝氣設(shè)備的動力效率、充氧能力和氧轉(zhuǎn)移速率等參數(shù)的研究來提高曝氣效率；(3)增加對水體的智能監(jiān)測(如水深、溫度、大氣壓強、濁度等變量)讓人更便捷地了解水體的質(zhì)量，在選用曝氣設(shè)備時能切合實際工作環(huán)境，做出合適的選擇。曝氣設(shè)備的發(fā)展前景廣闊，產(chǎn)品的升級發(fā)展也順應(yīng)了社會的發(fā)展需求，曝氣設(shè)備的推廣使用過程中也應(yīng)注意與實際工作環(huán)境相結(jié)合，使曝氣設(shè)備的作用最大化。