溶解氧對(duì)污水好氧生物處理效果的影響及曝氣供氧技術(shù)的現(xiàn)狀

1、湖 北 大 學(xué)本 科 課 程 論 文題 目： 溶解氧對(duì)污水好氧生物處理效果的影響及曝氣供氧技術(shù)的現(xiàn)狀姓 名 ：喻明娥 學(xué) 號(hào)： 2008221108210031專(zhuān)業(yè)年級(jí)： 08環(huán)境工程 指導(dǎo)教師：盧進(jìn)登 職 稱(chēng)： 教授 2011年9月溶解氧對(duì)污水好氧生物處理效果的影響及曝氣供氧技術(shù)喻明娥（環(huán)境工程08級(jí)，2008221108210031）摘要：好氧生物處理是污水處理中的一項(xiàng)重要的技術(shù)手段，對(duì)于出水效果有著很大的影響，而污水好氧生物處理的效果在很大的程度上由溶解氧決定。因此，供氧曝氣技術(shù)一直是污水處理領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。本文綜合分析了氧傳遞的原理，溶解氧對(duì)好氧生物處理的影響，曝氣技術(shù)的現(xiàn)狀和問(wèn)題

2、，表明曝氣技術(shù)具有較大的研究意義，但有些問(wèn)題仍急待解決。關(guān)鍵詞：溶解氧，好氧生物處理，曝氣技術(shù)1前言好氧生物處理是指在有游離氧(分子氧)存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物，使其穩(wěn)定、無(wú)害化的處理方法。微生物利用廢水中存在的有機(jī)污染物，作為營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行好氧代謝。好氧生物處理的一個(gè)基本要素就是溶解氧。沒(méi)有充足的溶解氧，好氧微生物就不能發(fā)揮氧化分解作用。溶解氧的多少限制了好氧生物處理法的處理能力。而在一個(gè)典型的污水處理廠，曝氣耗費(fèi)往往占運(yùn)行費(fèi)用的60%-80%.1曝氣的好壞決定了好氧生物處理法的能耗和處理效果。開(kāi)發(fā)高效低耗的供氣設(shè)備，認(rèn)清不同廢水及操作條件對(duì)氧傳遞的影響，尋求曝氣工藝的最佳操作參數(shù)，使

3、得既能保持溶解氧需求，又盡可能的降低能耗，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義。2溶解氧 溶解在水中的分子態(tài)氧成為溶解氧，水體受到污染會(huì)使溶解氧降低。活性污泥是在有氧的條件下利用好氧微生物的代謝活動(dòng)將廢水中的有機(jī)物氧化分解為無(wú)機(jī)物的方法。因此，溶解氧的水平會(huì)直接影響到這類(lèi)微生物的代謝活性，為了滿足好氧微生物對(duì)溶解氧的需要，提高處理系統(tǒng)的效率，必須向處理系統(tǒng)供氧。雖然對(duì)好氧微生物來(lái)說(shuō)，水體中溶解氧越高，對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖越有利，但溶解氧過(guò)高，除了能耗增加外，高速氣流使池內(nèi)激烈攪動(dòng)會(huì)打碎生物絮粒，并易使污泥老化。一般來(lái)說(shuō)，曝氣池內(nèi)的溶解氧只要大于3mg/L已足夠滿足微生物的生長(zhǎng)繁殖和生物處理要求，曝氣池出

4、口處的溶解氧最好控制在2mg/L左右較為適宜。如果生化工藝是采用活性污泥法的話，那么活性污泥絮粒內(nèi)部的溶解氧應(yīng)保持在2.0mg/L以上。溶解氧過(guò)低會(huì)影響絮粒內(nèi)部微生物的代謝速率，影響生化處理效果。如果生化工藝是采用接觸氧化法的話，那么生物膜內(nèi)的溶解氧也不能太低，以致影響處理效果。3氧傳遞原理 氧的氣相轉(zhuǎn)入液相的機(jī)理常用雙膜理論來(lái)解釋?zhuān)p膜理論是基于在氣液界面存在著兩層膜即氣膜和液膜的物理模型。雙膜理論認(rèn)為，在氣-液界面上存在著氣膜和液膜，氣膜外有氣體流動(dòng)，液膜外有液體流動(dòng)，屬于紊流狀態(tài)，氣膜和液膜間屬于層流狀態(tài)，不存在對(duì)流。在一定條件下，氣膜和氣相主體中會(huì)出現(xiàn)氣壓梯度，而液膜和液體主體中會(huì)出現(xiàn)

5、濃度梯度。如果液膜中的氧的濃度低于液相主體中氧的飽和濃度，在其界面存在的濃度梯度將促使氧向液膜傳遞，空氣中的氧以分子擴(kuò)散的形式從氣相主體通過(guò)氣膜和液膜而進(jìn)入液相主體，阻力僅存在于氣液兩層層膜中。在廢水生物處理的系統(tǒng)中，氧是難溶氣體，它的傳遞速率可用下式表達(dá)：dC0/dt=KLa(Cs-Ci),2KLa是氧轉(zhuǎn)移系數(shù)，包括兩膜中之一的阻力作用或兩膜共同的阻力作用，是單位體積液體所具有的液-氣界面面積的函數(shù)，其大小表征了曝氣設(shè)備性能的好壞，同時(shí)作為廢水處理的操作參數(shù)，Cs和Ci分別為液相氧的飽和濃度和試劑濃度，它們的差值表示氧傳遞的推動(dòng)力。4曝氣供氧系統(tǒng)的研究4.1曝氣設(shè)備的作用和要求在好氧生物處理

6、法中，曝氣的主要作用有：（1）沖氧，將空氣中的氧轉(zhuǎn)移到混合液中的活性污泥棉絮體上，以供應(yīng)微生物呼吸之需。（2）攪拌、混合，使曝氣池內(nèi)導(dǎo)熱混合液處在劇烈的混合狀態(tài)，使活性污泥中的有機(jī)物與微生物、氧充分接觸。同時(shí)，也起到防止活性污泥在曝氣池內(nèi)沉淀的作用。 良好的曝氣設(shè)備除應(yīng)當(dāng)具有較高的動(dòng)力效率和氧轉(zhuǎn)移效率外，還應(yīng)盡可能滿足下列要求；（1）攪拌均勻；（2）構(gòu)造簡(jiǎn)單；（3）能耗少；（4）價(jià)格低；（5）性能穩(wěn)定，故障少；（6）不產(chǎn)生噪音及其他公害；（7）對(duì)某些工業(yè)廢水耐腐蝕性強(qiáng)。4.2影響曝氣供氧效果的因素 設(shè)備因素：（1）擴(kuò)散器類(lèi)型：擴(kuò)散器堵塞微氣泡擴(kuò)散器較粗氣泡氧傳遞效率高。（2）擴(kuò)散器開(kāi)孔率：?jiǎn)挝?/p>

7、面積上微孔多的氧傳遞效率高。（3）擴(kuò)散器埋深：隨著擴(kuò)散器埋 深的增加，氧利用率增大，但單位能耗轉(zhuǎn)移的氧量保持不變。（4）擴(kuò)散器布置：格網(wǎng)形布置較單側(cè)布置水流螺旋式前進(jìn)的及十字形布置的氧傳遞速率高。（5）水流方式：活塞流反應(yīng)器較分段入流反應(yīng)器氧傳遞效率高。（6）曝氣池類(lèi)型：短寬的曝氣池較長(zhǎng)寬的曝氣池氧傳遞速率沿程變化小，有生物膜形成導(dǎo)致的擴(kuò)散表面而堵塞會(huì)降低氧傳遞。 廢水特性：（1）水質(zhì)：干擾物質(zhì)表面像表面活性劑含量的提高會(huì)降低氧傳遞。（2）水溫：水溫升高，氧傳遞速率增大，但溶解度降低。3Groves等對(duì)美國(guó)21座污水處理廠的65個(gè)擴(kuò)散裝置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地驗(yàn)證了以上總結(jié)。4.3傳統(tǒng)的曝氣

8、供氧技術(shù)利用一定形式的設(shè)備，為氣液兩相提供盡可能大的接觸界面，使氣相中的氧不斷地轉(zhuǎn)入到液相中去的系統(tǒng)即為曝氣供氧技術(shù)。鼓風(fēng)曝氣、機(jī)械曝氣及射流曝氣是3種應(yīng)用較廣泛的曝氣供氧技術(shù)。4.3.1鼓風(fēng)曝氣技術(shù)鼓風(fēng)曝氣技術(shù)是將壓縮空氣通過(guò)擴(kuò)散設(shè)備分散成氣泡形式，使氣泡中的氧迅速擴(kuò)散轉(zhuǎn)入混合液，供給活性污泥中微生物的系統(tǒng)。它主要由空氣凈化系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)、管路系統(tǒng)和空氣擴(kuò)散器，也就是曝氣頭組成。鼓風(fēng)機(jī)將空氣通過(guò)一系列管道輸送到安裝在生化池底部的曝氣裝置，經(jīng)過(guò)曝氣裝置，使空氣形成不同尺寸的氣泡。氣泡經(jīng)過(guò)上升和隨水循環(huán)流動(dòng)，最后在液面處破裂，在這一過(guò)程中產(chǎn)生氧向混合液轉(zhuǎn)移的作用。曝氣頭是鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其

9、作用是將空氣分散成空氣泡，增大氣液接觸面，使空氣中的氧溶解于水中。鼓風(fēng)供氧存在能耗高、氧利用率低(通常為l 020)的不足。如果采用純氧或臭氧進(jìn)行鼓風(fēng)供氧，效果會(huì)有所提升，但成本也會(huì)相應(yīng)增加。此外，在處理含有表面活性劑廢水時(shí)，若采用鼓風(fēng)供氧，會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，給生產(chǎn)帶來(lái)不便；在處理含有揮發(fā)性尤其是高揮發(fā)性有機(jī)物的廢水時(shí)，該技術(shù)的應(yīng)用不但不會(huì)帶來(lái)滿意的處理效果，而且會(huì)因揮發(fā)性有機(jī)物的帶出造成二次污染，即大氣污染。4.3.2機(jī)械曝氣技術(shù)機(jī)械曝氣技術(shù)是利用曝氣裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，使水面上的污水不斷以水幕狀由曝氣器周邊拋向四周，形成水躍，液面呈劇烈的攪拌狀，使空氣卷入。曝氣器的轉(zhuǎn)動(dòng)具有提升液體的作用，使混合液連

10、續(xù)地上下循環(huán)流動(dòng)，氣液接觸界面而不斷更新，不斷使空氣中的氧向液體轉(zhuǎn)移。曝氣器轉(zhuǎn)動(dòng)后，其后側(cè)形成負(fù)壓，能吸入部分空氣。機(jī)械攪拌供氧主要是借助于機(jī)械作用劇烈攪拌液體，使水面上方空氣卷入，主要用于表面曝氣。機(jī)械攪拌供氧對(duì)設(shè)備要求較高，而且能耗高、效率低，供氧效果不均，主要局限在水體表面。此外，采用該技術(shù)對(duì)地下水實(shí)施供氧幾乎成為不可能，故機(jī)械供氧正逐漸退出水體供氧的技術(shù)行列。4.3.3射流曝氣系統(tǒng)射流曝氣是利用射流曝氣器將氣流或氣液混合流導(dǎo)入曝氣池，通過(guò)氣泡擴(kuò)散和水力剪切作用來(lái)增加液體中溶解氧含量的系統(tǒng)。常用的典型單噴嘴射流器的結(jié)構(gòu)一般由噴嘴、吸入室、混合管（喉管）和擴(kuò)散管等組成.射流曝氣供氧過(guò)程具有

11、顯著的優(yōu)點(diǎn)：較高的氧吸收率和充氧能力，混合作用強(qiáng)；污泥濃度較高，活性好，抗負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)；構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作靈活，便于調(diào)節(jié)，可節(jié)省鼓風(fēng)或機(jī)械曝氣設(shè)備，屬節(jié)能型技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)射流曝氣法的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于中小型污水處理裝置中4。目前，射流曝氣方法是一種經(jīng)濟(jì)有效的水體供氧方法，但因水體流速過(guò)快，對(duì)好氧微生物存在沖擊，因此，關(guān)鍵的研究是如何避免對(duì)微生物的不利影響。5增強(qiáng)曝氣效果、降低能耗的途徑曝氣工藝的高效低耗體現(xiàn)在高氧轉(zhuǎn)移速率和氧利用率"為改善氧向水中轉(zhuǎn)移的速率， 應(yīng)從兩方面著手： 一是增加虧氧量， 即增加氧轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力； 二是提高氧的轉(zhuǎn)移系數(shù) KLa值而氧氣利用率

12、則與具體的工藝設(shè)備選擇和運(yùn)行條件控制有關(guān)， 常有以下幾種途徑。5.1純氧曝氣的應(yīng)用純氧曝氣即用純氧代替空氣對(duì)混合液進(jìn)行曝氣"氧氣作為氧源時(shí)，氣相中氧的分壓顯著增加，按亨利定律，氧在水中的飽和濃度亦成正比增加，從而增大推動(dòng)力，純氧曝氣與傳統(tǒng)曝氣相比，有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）使用純氧曝氣可提高污泥的活性，且氧傳遞速率的提高使系統(tǒng)可承受更高的有機(jī)負(fù)荷； （2）純氧曝氣系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量少，且污泥沉降性能及凈水能力均優(yōu)于傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)； （3）純氧曝氣可增大系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷，減少池容，降低基建費(fèi)用；（4）純氧活性污泥處理廠常按活塞流方式操作，并監(jiān)控氧氣的輸送，因此比傳統(tǒng)活性污泥法氧利用率高。5純氧曝氣也存在

13、缺點(diǎn)，主要是純氧發(fā)生器容易出現(xiàn)故障、裝置復(fù)雜、運(yùn)行管理較麻煩。水池頂部必須密閉不漏氣，結(jié)構(gòu)要求高。如果進(jìn)水中混入大量易揮發(fā)的碳?xì)浠衔铮菀滓鸨?。同時(shí)生物代謝中生成的二氧化碳，將使氣體中的二氧化碳分壓上升，溶解于溶液中，會(huì)導(dǎo)致 pH值的下降，妨礙生物處理的正常運(yùn)行，影響處理效率，因而要適時(shí)排氣和進(jìn)行 pH值的調(diào)節(jié)。5.2合理選用設(shè)備，改進(jìn)布置方式，提高氧利用率一般而言，微孔曝氣器的氧利用率遠(yuǎn)高于粗氣泡擴(kuò)散器，應(yīng)作為首選對(duì)象。因此，應(yīng)用微孔曝氣器必須加強(qiáng)維護(hù)管理，才能起到有效的節(jié)能作用。在布置方式上，采用格網(wǎng)形布置的氧利用率高于單側(cè)布置的，所以應(yīng)優(yōu)先選用格網(wǎng)形布置。5.3發(fā)展新型曝氣設(shè)備，改

14、進(jìn)曝氣工藝近年來(lái)科技工作者一方面開(kāi)發(fā)出許多新型曝氣器， 旨在提高氧轉(zhuǎn)移系數(shù)的值，進(jìn)而提高曝氣效果；一方面通過(guò)對(duì)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作方式的改進(jìn)，以達(dá)到氧的高效轉(zhuǎn)移和利用。一方面通過(guò)對(duì)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作方式的改進(jìn)，以達(dá)到氧的高效轉(zhuǎn)移和利用。無(wú)泡曝氣就是在高效低耗的需求下，發(fā)展和不斷完善的一種曝氣工藝，下文對(duì)無(wú)泡曝氣進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。6.無(wú)泡曝氣無(wú)泡曝氣是一種新穎的供氧方式。其實(shí)質(zhì)是利用膜材料的膜孔將氣體切割為超微氣泡，因此與水接觸面積大、上浮速度小，其中的氧氣接近百分之百溶于水中。這種超微氣泡無(wú)泡肉眼無(wú)法直接觀察到， 因此稱(chēng)為無(wú)泡曝氣。無(wú)泡曝氣在廢水處理中有許多傳統(tǒng)曝氣技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，也存在一定的問(wèn)

15、題，限制了無(wú)泡曝氣的應(yīng)用范圍和規(guī)模。但相信通過(guò)不斷的深入研究和改進(jìn)，無(wú)泡曝氣必將作為一種高效實(shí)用的曝氣技術(shù)而獲得廣泛的應(yīng)用。6.1無(wú)泡曝氣的原理無(wú)泡曝氣時(shí)純氧或空氣由纖維束一端通入管內(nèi)空腔，一端封死曝氣膜管內(nèi)外氣液相間氧的濃度梯度，推動(dòng)氧氣通過(guò)膜壁在沒(méi)有氣泡形成的情況下，直接向液相傳遞。6.2無(wú)泡曝氣在廢水處理中的優(yōu)勢(shì)無(wú)泡曝氣在廢水處理中具有的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）傳質(zhì)阻力小，氧氣利用效率高,無(wú)泡曝氣系統(tǒng)所用的膜是一種微孔透氣性膜，孔隙率大于30%。在氧氣由管內(nèi)向液相傳質(zhì)過(guò)程中,這些微孔由于孔徑小及材質(zhì)本身的特性，不會(huì)被水潤(rùn)濕，因此由膜產(chǎn)生的傳質(zhì)阻力幾乎可以忽略不計(jì)。這樣就能實(shí)現(xiàn)氧

16、氣向水中的快速轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)鼓泡曝氣由于氣液接觸時(shí)間不足，傳質(zhì)系數(shù)小導(dǎo)致氧氣未及完全轉(zhuǎn)移就從液相逸出，而在無(wú)泡曝氣中，氧氣利用效率可以達(dá)到100%。（2）供氣穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)。無(wú)泡曝氣系統(tǒng)中一旦選定用于曝氣的膜組件，供氣傳質(zhì)的膜面積也就確定了，在傳統(tǒng)曝氣系統(tǒng)中影響氣泡大小和停留時(shí)間的因素對(duì)其沒(méi)有影響，系統(tǒng)供氧更穩(wěn)定，選擇不同的膜表面積和氣壓， 就能滿足生物反應(yīng)器的各種需氧量。無(wú)泡曝氣對(duì)曝氣池活性污泥濃度很高， 傳統(tǒng)曝氣無(wú)法滿足的系統(tǒng)尤為適用。（3）可用于含揮發(fā)性有毒有機(jī)物廢水處理系統(tǒng)。廢水中含有揮發(fā)性有毒有機(jī)物時(shí)，在傳統(tǒng)鼓泡曝氣方式下，從亨利定律可知，有毒物質(zhì)會(huì)在氣泡與廢水接觸過(guò)程中溶入氣泡，導(dǎo)致

17、大氣污染、惡化運(yùn)行環(huán)境。無(wú)泡曝氣則克服了傳統(tǒng)曝氣的這一缺點(diǎn)。由上可看出，無(wú)泡曝氣作為一種新型的曝氣技術(shù)有著其獨(dú)有的優(yōu)越性，將作為一種高效實(shí)用的曝氣技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。7.結(jié)論與展望溶解氧作為一個(gè)重要的因素影響著好氧生物處理的效果，而污水處理中的溶解氧由曝氣供氧裝置提供。無(wú)泡曝氣供氧是一種很有發(fā)展前景的新型供氧技術(shù)，其在好氧生物處理方面比傳統(tǒng)的鼓風(fēng)供氧、機(jī)械供氧以及射流曝氣供氧的傳氧效率高、能耗低，對(duì)處理含揮發(fā)性污染物的廢水更為適用。國(guó)外已將無(wú)泡式供氧應(yīng)用于小規(guī)模的廢水生物處理中，而國(guó)內(nèi)無(wú)泡供氧技術(shù)正在起步階段，越來(lái)越多的引起研究者的關(guān)注。對(duì)于目前來(lái)說(shuō)，我們?cè)趹?yīng)用傳統(tǒng)曝氣供氧技術(shù)的同時(shí)，更要致力于研究更多高效實(shí)用的曝氣裝置，真正達(dá)到低能高效的處理理念。參考文獻(xiàn)：【1】 錢(qián)易,米祥友.現(xiàn)代廢水處理新技術(shù)M,北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1993.【2】 姚玉英，化工原理（新版下冊(cè)）M 天津:天津大學(xué)出版社，2002.【3】Grove K P.Daigger G T,Simpkin T J,Redmon D T.Evaluation of oxygen tr