聚乙烯管式微孔曝氣器在污水處理中的應用

張 奕

上格環境科技（上海）有限公司 （上海 200060）

典型的污水處理方法分為物理法、化學法、物理化學法和生物法。生物法是利用廢水中微生物的代謝作用分解水中可降解有機物的方法，是目前廢水處理中應用最普遍的方法。在好氧生物處理系統中，曝氣設備是給好氧生物提供氧氣的主要設備，也是系統中最主要的耗能設備，其運行費用占整個系統運行費用的60%～80%。因此，如何提高曝氣系統的效率、保證充足穩定的供氧量，對好氧生物處理系統穩定運行和節能降耗都至關重要。

1 曝氣原理

曝氣是用強制方法將氧溶解到廢水與活性污泥混合液中的過程。曝氣除了要使好氧生物處理系統的溶解氧濃度維持在需要的范圍內，還要起到攪拌作用，使活性污泥處于懸浮狀態，與污水密切接觸、充分混合，以利于微生物對污水中有機物的吸附和降解。曝氣方式大體包括鼓風曝氣、表面機械曝氣和射流曝氣。鼓風曝氣是將空氣通過管道系統送入池底，通過擴散裝置，使其以氣泡的形式擴散到水中，從而將氣泡中的氧氣迅速轉移到水中的過程。表面機械曝氣是通過曝氣機葉輪的轉動，劇烈攪動水面，使液體循環流動，產生強烈的水躍，將大量水滴和片狀水撒向空中，使空氣中的氧與水躍界面充分接觸并快速溶入水體。射流曝氣采用文丘里噴嘴，工作水泵出水通過射流器的噴嘴，隨著噴嘴直徑變小，液體以極高的速度從噴嘴噴射出來；高速流動的液體穿過吸氣室進入喉管，在喉管形成局部真空，通過導氣管吸入(或壓入)的大量空氣進入喉管后，在噴水壓力的作用下被分割成大量微小的氣泡，與水形成混合體；氣液混合體通過擴散管向外排出，其速度減慢，壓力增強，形成強力噴射流，對廢水攪拌充氧。以上3種曝氣方式，鼓風曝氣的應用最為普遍。

2 常用曝氣設備及存在的問題

鼓風曝氣系統由空氣加壓設備、空氣輸配管路和空氣擴散裝置組成?？諝饧訅涸O備主要是鼓風機，其風量要滿足生化反應所需的氧量和保持混合液中污泥的懸浮狀態，風壓要足以克服系統和空氣擴散裝置的摩擦損耗及其上部的靜水壓?？諝廨斉涔苈分饕篙敋夤?，包括干管和支管?？諝鈹U散裝置也叫曝氣器或曝氣頭，其作用是使空氣形成不同尺寸的氣泡。

根據氣泡尺寸的大小，空氣曝氣器分為大氣泡型、中氣泡型、小氣泡型和微氣泡型。

大氣泡型曝氣器，如曝氣豎管，豎管口徑在15 mm以上，通常安裝位置距池底150 mm。

常用的中氣泡型曝氣器（即穿孔曝氣器）采用穿有小孔的鋼管或塑料管（直徑為25～50 mm），孔直徑為3～5 mm，開設于管壁兩側向下45°處。

小氣泡型曝氣器分為空氣升液型、水力剪切型和水力沖擊型?？諝馍盒椭饕袛U散板、擴散管、擴散盤等；水力剪切型主要有固定螺旋曝氣器、動態曝氣器、動力散流型曝氣器等；水力沖擊型主要有密集多噴嘴空氣擴散裝置、射流曝氣器等。

微氣泡曝氣器也稱微孔曝氣器，常見類型有剛玉微孔曝氣器、覆盤型微孔曝氣器、橡膠膜微孔曝氣器、管式微孔曝氣器。微孔曝氣器在水中產生的氣泡的直徑通常小于3 mm。與機械曝氣、穿孔曝氣等相比，膜片式微孔曝氣盤和曝氣管的氧轉移效率較高、布氣均勻，是目前好氧生物處理系統中使用最普遍的曝氣器。橡膠膜片式微孔曝氣器由上蓋、合成橡膠膜、支撐架、底座、密封墊等組成。微孔曝氣盤的合成橡膠膜上開有按一定規則排列的2 100～2 500個開閉式孔眼；管式微孔曝氣器是讓空氣通過表面布滿氣孔的曝氣橡膠管在水中產生氣泡，系統可以設計成可升降式。然而，在運行過程中，微孔曝氣盤和曝氣管時常發生膜片破裂、排氣頭脫落等問題，使曝氣池中曝氣嚴重不均勻，而膜片則必須在排水后進行更換，成為運行中的難題。為了解決該問題，有些公司采用可升降曝氣管，使好氧池在不排水的情況下完成膜片的更換，但同時大大增加了好氧池的投資費用。另外，膜片式曝氣盤和曝氣管的阻力大，使得好氧生物處理系統的能耗較高。

3 聚乙烯管式微孔曝氣器的應用

3.1 聚乙烯管式微孔曝氣器的結構

聚乙烯管式微孔曝氣器由兩層套管組成，中間為聚乙烯間隙墊圈。外層管道是由高密度聚乙烯（HDPE）制作的多孔結構，稱為纖維多孔布氣層，在制造過程中使用氣動擠壓的方法使熔融的聚乙烯形成纖維孔狀的管子。內層管道是聚氯乙烯（PVC）穿孔管，稱為穿孔輸氣層?？諝膺M入內層PVC穿孔管后，通過孔進入兩層管道之間的間隙，再通過外層HDPE的纖維多孔結構擴散到水中，形成大量持續穩定的氣泡。

3.2 聚乙烯管式微孔曝氣器的性能

3.2.1 供氣原理

圖1 聚乙烯管式微孔曝氣器的結構圖

在聚乙烯管式微孔曝氣器中，氣體首先通過內部的穿孔輸氣管均勻地進入到氣體分配層，然后再通過布氣層均勻地擴散至廢水中，并且形成很小的氣泡。聚乙烯曝氣管的雙層結構利用空氣動力學原理，使每一組曝氣管前、后及中間的空氣量與壓力均勻分布，即空氣在離開內部穿孔管時前端及未端的氣量和氣壓就是均勻的；在支承穿孔管和布氣層之間有空氣通道（氣流分配層），保證沿著曝氣管的長度方向重新分配空氣和均勻空氣流量，降低空氣通過布氣層的壓力損失，再通過曝氣器將氣流分解成細小的氣泡，增大水體中氧的利用率。

3.2.2 氧傳遞效率

聚乙烯管式微孔曝氣管的氧傳遞效率隨著通氣量增大而逐漸減小，基本在5%～7%之間。氧轉移效率在通氣量為4 m3/（m·h）時最高。聚乙烯管式微孔曝氣管的氧傳遞效率隨氣流的變化如圖2所示。

圖2 聚乙烯管式曝氣管的氧傳遞效率

3.2.2 壓力損失

聚乙烯管式微孔曝氣器獨有的在支承管和布氣層之間的氣流分配層可降低空氣阻力損失及其增長速度。聚乙烯管式微孔曝氣管壓力損失隨著氣流的增大而增大，氣流在5～45 m3/（m·h）之間變化時，壓力損失從1.5 kPa增加到4 kPa。聚乙烯管式微孔曝氣管的壓力損失隨氣流的變化見圖3。

3.2.2 氧轉移效率

圖3 聚乙烯管式曝氣管的壓力損失

聚乙烯管式微孔曝氣器布氣層的特殊微孔結構保證了其產生的氣泡直徑比較小，使擴散到混合液中的氣泡直徑一般為1～3 mm，該類氣泡既能使氣液之間的接觸面積增大，又能形成較強的紊流并帶動混合液形成旋流，造成液膜的不斷更新，有利于氧的轉移，因此它具有較高的氧轉移率（25%～35%）。另外，氣泡還能保證活性污泥處于懸浮狀態，使活性污泥、氧和有機污染物三相充分接觸，從而提高生化反應速率。

3.3 聚乙烯管式微孔曝氣器的優點

3.3.1 使用壽命長

聚乙烯管式微孔曝氣器具有良好的化學穩定性，耐酸堿，機械強度高，抗沖擊能力強，能夠承受風機頻繁啟用產生的水擊作用。同時，它的布氣層表面經過專門的靜電處理，較為光滑，不易被微孔生物附著，曝氣器表面不易被堵塞，因此使用壽命長。根據應用實例，其實際最長的工作時間已超過10年。

3.3.2 節能

與盤式曝氣器完全不同，聚乙烯管式微孔曝氣器的氣泡直徑并不受通氣量變化的影響，其氧利用率不隨通氣量的增大而下降，而是保持在一個較高的水平。因此，聚乙烯管式微孔曝氣器可以在一個很寬泛的通氣量范圍內正常工作，從節能角度考慮，其最佳通氣量為15～33 m3/（m·h）。這種特性尤為適合水質波動較大的情況，通過風量的自動調節，使生物處理系統始終處于最佳工作狀態，節約能耗，降低日常運行費用。

3.3.3 性能優于膜片盤式曝氣器

聚乙烯管式微孔曝氣器的結構特點和材質特點，使其在功能性上較其他曝氣器有較大優勢。聚乙烯管式微孔曝氣器與傳統膜片式微孔曝氣盤的性能比較參數見表1。由表1可知，聚乙烯管式微孔曝氣器在氧轉移效率、壓力損失、使用壽命、服務面積及通氣量上都有明顯的優勢，也能充分說明其能耗、充氧效率、防波動能力較膜片式曝氣管有充分的優勢。

以一家食品廠的污水處理裝置改造為例，用聚乙烯管式微孔曝氣器替換原有的膜片式微孔曝氣器，在保持出水化學需氧量（COD）達標的前提下，風機的開度僅為原有開度的60%，投資成本在一年后就能基本收回。

表1 聚乙烯管式微孔曝氣器與膜片式微孔曝氣器的性能參數

4 結語

將聚乙烯曝氣管應用于污水處理，在使用壽命、節能降耗、穩定運行、降低運行成本方面均有明顯優勢，推廣使用該類曝氣器對污水處理廠降低投資和運行成本、保持長期穩定運轉具有重要意義。