1 曝氣系統(tǒng)的基本原理與作用

曝氣系統(tǒng)是污水生物處理工藝的核心供氧裝置，其主要功能是通過向污水中強(qiáng)制注入空氣或純氧，提高水體中的溶解氧（DO）濃度，為好氧微生物的生長和代謝活動(dòng)提供必要的氧氣條件。這些微生物能夠有效降解污水中的有機(jī)物及其他污染物，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化。曝氣過程不僅提供了生化反應(yīng)所需的氧氣，還起到了混合攪拌的作用，使活性污泥處于懸浮狀態(tài)，與污水充分接觸混合，強(qiáng)化處理效果。

從物理化學(xué)角度看，曝氣本質(zhì)上是氣液之間物質(zhì)傳遞的過程。這一過程可以用雙膜理論來解釋：在氣-水界面上存在著氣膜和液膜，氣體分子通過這兩層膜從一相轉(zhuǎn)移到另一相時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力。對于氧這種難溶氣體，其傳遞阻力主要來自液膜。當(dāng)液膜中氧的濃度低于水中氧的飽和濃度時(shí)，空氣中的氧會(huì)不斷向內(nèi)擴(kuò)散并透過液膜進(jìn)入水體。曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)正是通過快速變換氣液界面，減少氣泡大小，增加氣泡數(shù)量，提高液體紊流程度，加大曝氣器安裝深度，延長氣泡與液體的接觸時(shí)間，從而克服傳遞阻力，提高氧的轉(zhuǎn)移效率。

氧轉(zhuǎn)移速率受多種因素影響，包括污水水質(zhì)、水溫、氧分壓、空氣擴(kuò)散裝置的淹沒深度等。在工程設(shè)計(jì)中，通常通過控制這些參數(shù)來優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的性能。曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本占整個(gè)污水生物處理場運(yùn)行費(fèi)用的60%-80%，因此高效節(jié)能的曝氣技術(shù)與控制策略對降低污水處理成本具有重要意義。

2 曝氣系統(tǒng)的技術(shù)分類與設(shè)備選型

曝氣系統(tǒng)根據(jù)其工作原理和方式不同，主要可分為鼓風(fēng)曝氣和機(jī)械曝氣兩大類，還有結(jié)合兩者特點(diǎn)的潛水射流曝氣等復(fù)合型技術(shù)。每類技術(shù)各有其特點(diǎn)和應(yīng)用場景，在實(shí)際工程中需根據(jù)處理目標(biāo)、水質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行合理選擇。

2.1 鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的曝氣技術(shù)，尤其適用于大中型污水處理廠。該系統(tǒng)由供氣單元、擴(kuò)散單元和調(diào)控單元三部分組成。供氣單元主要包括空氣壓縮機(jī)（如羅茨鼓風(fēng)機(jī)、離心式鼓風(fēng)機(jī)），負(fù)責(zé)提供具有一定壓力和風(fēng)量的空氣；擴(kuò)散單元由曝氣器及其配套管道組成，負(fù)責(zé)將空氣以氣泡形式擴(kuò)散到液體中；調(diào)控單元?jiǎng)t包括閥門、儀表和控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)和優(yōu)化曝氣過程。

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的核心部件是空氣擴(kuò)散裝置（又稱曝氣器）。根據(jù)產(chǎn)生氣泡的大小和擴(kuò)散原理，可分為以下幾種主要類型：

• 微孔曝氣器：采用陶粒燒結(jié)或橡膠膜片結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生直徑0.1-0.2mm的微小氣泡，氧利用率高達(dá)20%-25%。主要包括管式微孔曝氣器和盤式微孔曝氣器兩種形式。其中，膜片式微孔曝氣器采用特殊橡膠材料（如EPDM、硅橡膠等），膜上帶有微小自閉孔，在空氣壓力下自動(dòng)張開，壓力消失時(shí)自動(dòng)閉合，防止污水倒灌。微孔曝氣器雖然氧轉(zhuǎn)移效率高，但存在易堵塞的技術(shù)缺陷，需要配置空氣過濾裝置并定期進(jìn)行維護(hù)。

• 動(dòng)態(tài)曝氣器：采用大孔雙向旋混技術(shù)，通過旋流混合筒延長氣泡停留時(shí)間，氧利用率穩(wěn)定在15%-19%。由于其孔徑較大，不易堵塞，維護(hù)需求較低，適合水質(zhì)條件較差的場合。

• 旋混曝氣器：通過特殊結(jié)構(gòu)使氣體和液體在曝氣器內(nèi)部產(chǎn)生旋流和混合，形成中小氣泡，兼具高氧利用率和防堵塞特性。安裝時(shí)需配置直徑300-500mm的旋流筒，安裝間距通常為500-800mm。

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在操作簡便、自動(dòng)化程度高、氧利用率較高等方面。但其缺點(diǎn)包括需要修建鼓風(fēng)機(jī)房和布?xì)夤艿老到y(tǒng)，初期投資較高，且微孔曝氣設(shè)備易堵塞，需要定期維護(hù)。

表：鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)主要擴(kuò)散裝置類型比較

2.2 機(jī)械曝氣系統(tǒng)

機(jī)械曝氣系統(tǒng)直接通過機(jī)械裝置（如葉片、葉輪、轉(zhuǎn)刷等）的旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)水面，產(chǎn)生水躍和負(fù)壓區(qū)，將空氣吸入水中，實(shí)現(xiàn)氧的傳遞。根據(jù)安裝方式不同，可分為表面曝氣和水下曝氣兩大類。

表面曝氣設(shè)備是機(jī)械曝氣的主要形式，主要包括：

• 豎軸式表面曝氣機(jī)：由馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)軸流式葉輪運(yùn)作，葉輪形式包括泵形、K形、倒傘形等。倒傘型葉輪直徑通常為1.0-2.5m，浸沒深度40-300mm，動(dòng)力效率可達(dá)1.8-2.44kgO?/kWh。工作時(shí)通過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水力提升作用，使廢水向四周噴出形成水幕，與空氣接觸充氧。

• 臥軸式曝氣機(jī)：主要包括轉(zhuǎn)刷曝氣器和轉(zhuǎn)碟曝氣器。轉(zhuǎn)刷曝氣器直徑一般為500-1000mm，轉(zhuǎn)速50-70r/min，單軸長度可達(dá)9m；轉(zhuǎn)碟曝氣器單盤充氧能力為0.82-1.63kgO?/h。主要應(yīng)用于氧化溝工藝，兼具充氧和推流作用。

水下曝氣設(shè)備將曝氣裝置安裝在水體底層或中層，主要包括：

• 潛水射流曝氣機(jī)：由潛水電機(jī)、葉輪和多孔射流體等部件組成。采用射流技術(shù)，使高壓水流通過噴嘴形成高速射流，在混合室產(chǎn)生負(fù)壓吸入空氣，氣水混合液從射流口噴出，實(shí)現(xiàn)充氧。混合室直徑與噴嘴直徑比通常為3:1，氣水體積比約為1:2.5，適用深度為4-8m的曝氣池。

機(jī)械曝氣系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)施簡單、集中，不需要修建鼓風(fēng)機(jī)房和復(fù)雜的布?xì)夤艿溃晒?jié)約成本投入。同時(shí)，其攪拌效果強(qiáng)，適用于需要較強(qiáng)混合作用的場合。但機(jī)械曝氣系統(tǒng)通常能耗較高，且主要用于較淺的水體，適用范圍有一定限制。

2.3 曝氣設(shè)備選型指南

選擇合適的曝氣設(shè)備需綜合考慮處理工藝、水質(zhì)特性、池體結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)因素等多方面條件：

• 活性污泥法中的推流式曝氣池多采用微孔管式曝氣器，安裝密度為2-3個(gè)/㎡，服務(wù)面積0.5-0.8㎡/個(gè)。

• 氧化溝工藝中，卡魯塞爾型常選用倒傘型表面曝氣機(jī)，奧貝爾型則匹配轉(zhuǎn)碟曝氣器。

• 河道、湖泊治理項(xiàng)目需根據(jù)水體特征（水深、流速等）和治理目標(biāo)選擇設(shè)備。北方地區(qū)冬季易結(jié)冰，可采用方便拆卸和移動(dòng)的推流曝氣、噴泉曝氣；有景觀需求的城市河道可采用噴泉曝氣。

• 工業(yè)廢水處理需考慮水質(zhì)特性，如含有易堵塞物質(zhì)的廢水宜選用大孔曝氣器；腐蝕性強(qiáng)的廢水需選擇耐腐蝕材料（如硅橡膠膜片）的曝氣設(shè)備。

選型過程中，氧利用率和動(dòng)力效率是兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。鼓風(fēng)曝氣設(shè)備側(cè)重氧利用率（15%-25%），而機(jī)械曝氣設(shè)備更關(guān)注動(dòng)力效率（最高可達(dá)3kgO?/kWh）。理想的選擇是在滿足氧需求的前提下，實(shí)現(xiàn)生命周期內(nèi)的總成本最小化。

3 曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與參數(shù)計(jì)算

科學(xué)合理的設(shè)計(jì)是曝氣系統(tǒng)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)需基于處理水量、水質(zhì)特性、目標(biāo)溶解氧濃度和曝氣效率等因素，通過精確計(jì)算確定設(shè)備參數(shù)和配置方案。

3.1 風(fēng)量計(jì)算基礎(chǔ)

風(fēng)量計(jì)算是曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的供氧能力和能耗水平。基本計(jì)算公式為：

$$Q_{air} = \frac{Q_{water} \times BOD \times \alpha \times 1.43}{C_{e} \times E_{a}}$$

其中：

• $Q_{air}$為所需空氣量（m3/h）
• $Q_{water}$為處理水量（m3/h）
• BOD為生化需氧量（mg/L）
• $\alpha$為氧的利用系數(shù)
• 1.43為氧與碳的氧化當(dāng)量比
• $C_{e}$為曝氣池出口溶解氧濃度（mg/L）
• $E_{a}$為曝氣效率（kg O?/m3 air）

對于河道、湖庫曝氣增氧，風(fēng)機(jī)總供風(fēng)量可采用以下公式計(jì)算：

$$Q = \frac{O_c}{\varepsilon \times 0.28}$$

其中：

• $Q$為風(fēng)機(jī)總供風(fēng)量（m3/d）
• $O_c$為水體需氧量（kg O?/d）
• $\varepsilon$為曝氣設(shè)備氧利用率（%）
• 0.28為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0.1MPa，20℃）每立方米空氣中含氧量（kgO?/m3）

實(shí)際風(fēng)量需求還需考慮季節(jié)變化、水質(zhì)波動(dòng)、設(shè)備老化等因素，通常在理論計(jì)算基礎(chǔ)上增加安全系數(shù)（一般為1.1-1.3）。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)曝氣池的具體形式（如推流式、完全混合式）和曝氣設(shè)備的類型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)參數(shù)

完整的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)包括空氣加壓設(shè)備、空氣凈化器、輸配管道系統(tǒng)和空氣擴(kuò)散裝置四大部分。

• 空氣加壓設(shè)備：主要包括羅茨鼓風(fēng)機(jī)（風(fēng)量20-200m3/min）和離心式鼓風(fēng)機(jī)（風(fēng)壓49-68.6kPa）。大中型污水處理廠多采用離心機(jī)型，其效率高、噪音低、壽命長。選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)量應(yīng)滿足生化反應(yīng)所需的氧量和保持混合液懸浮狀態(tài)的需求，風(fēng)壓則需克服管道系統(tǒng)和擴(kuò)散器的摩擦損耗以及擴(kuò)散器上部的靜水壓。

• 空氣輸配管系統(tǒng)：包括輸氣管、曝氣池上的干管和支管。干管常架設(shè)于相鄰兩廊道的公用墻上，向兩側(cè)廊道引出支管。設(shè)計(jì)時(shí)，支管流速宜控制在10-15m/s，干管流速4-6m/s，壓降控制在0.3-0.5kPa/m。材質(zhì)多選用UPVC或不銹鋼，以防腐蝕和保證長期使用壽命。

• 空氣擴(kuò)散裝置：需根據(jù)池型和水深合理布置。對于推流式曝氣池，曝氣器通常沿池長方向均勻布置；對于完全混合式曝氣池，則可采用均勻布置或沿池周布置。懸掛鏈移動(dòng)曝氣裝置由漂浮在水面的通氣管和吊在通氣支管下的曝氣器組成，曝氣器間距1.2-1.5m，允許**±30°**擺動(dòng)角度，這種動(dòng)態(tài)布置方式有助于提高氧傳遞效率。

表：曝氣系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)參考

3.3 特殊考慮因素

曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需考慮以下特殊因素：

• 水溫影響：水溫升高會(huì)降低氧的溶解度，但增大了氧的擴(kuò)散系數(shù)。設(shè)計(jì)需考慮最不利水溫條件，通常以夏季高溫作為設(shè)計(jì)工況。

• 海拔校正：高海拔地區(qū)空氣密度低，氧分壓下降，影響氧的飽和溶解度。需對標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的計(jì)算公式進(jìn)行海拔校正。

• 水質(zhì)影響：污水中的表面活性劑、鹽分等物質(zhì)會(huì)影響氧傳遞速率。工業(yè)廢水占比高的污水處理廠，需進(jìn)行水質(zhì)校正試驗(yàn)或采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

• 系統(tǒng)冗余：大型污水處理廠應(yīng)考慮設(shè)備備用，通常采用N+1或N+2的備用方案，確保在部分設(shè)備故障或維護(hù)時(shí)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

4 曝氣系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用與節(jié)能優(yōu)化

曝氣系統(tǒng)在各類污水處理工藝中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其應(yīng)用效果直接關(guān)系到污水處理廠的出水水質(zhì)和運(yùn)行成本。通過科學(xué)的運(yùn)行管理和技術(shù)創(chuàng)新，可以顯著提升曝氣系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。

4.1 在不同處理工藝中的應(yīng)用

曝氣系統(tǒng)的選型需與污水處理工藝相匹配，不同工藝對曝氣系統(tǒng)有特定要求：

• 活性污泥法：作為最傳統(tǒng)的生物處理工藝，其曝氣池通常采用推流式設(shè)計(jì)，多選用微孔管式曝氣器，安裝密度為2-3個(gè)/㎡。在這種工藝中，曝氣系統(tǒng)不僅提供微生物所需的氧氣，還確保活性污泥與污水充分混合，防止污泥沉淀。

• 氧化溝工藝：作為一種循環(huán)曝氣渠道，氧化溝通常采用表面曝氣設(shè)備，如倒傘型表面曝氣機(jī)或轉(zhuǎn)刷曝氣器。這些設(shè)備同時(shí)具備充氧和推流功能，維持溝內(nèi)液體流速約0.3m/s，保證活性污泥懸浮和循環(huán)流動(dòng)。卡魯塞爾型氧化溝多選用倒傘型表面曝氣機(jī)，奧貝爾型則匹配轉(zhuǎn)碟曝氣器。

• SBR工藝：序批式活性污泥法需要曝氣系統(tǒng)適應(yīng)間歇運(yùn)行的特點(diǎn)，宜采用可變氣量的曝氣設(shè)計(jì)，通過精確的時(shí)序控制，在反應(yīng)階段提供適量氧氣，在沉淀和排水階段減少或停止曝氣，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

• 生物接觸氧化池：這種工藝通常在池內(nèi)設(shè)置填料，微生物附著在填料表面生長。宜采用微孔曝氣，產(chǎn)生細(xì)小氣泡，增加氣液接觸面積，提高氧轉(zhuǎn)移效率。曝氣系統(tǒng)布局需考慮填料的分布，確保整個(gè)池體布?xì)饩鶆颉?/p>

• 河道、湖庫治理：對于水體修復(fù)項(xiàng)目，曝氣設(shè)備的選擇需因地制宜。噴泉曝氣機(jī)適用于有景觀要求的城市河道；潛水射流曝氣機(jī)適用于較深水域；葉輪式增氧機(jī)則適用于湖泊、水庫等大面積水體的局部增氧。北方地區(qū)冬季易結(jié)冰，應(yīng)選用可拆卸的移動(dòng)式設(shè)備；而南方地區(qū)則可考慮固定式曝氣系統(tǒng)。

4.2 節(jié)能優(yōu)化策略與技術(shù)革新

曝氣系統(tǒng)能耗占污水處理總能耗的60%-70%，是節(jié)能降耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前曝氣系統(tǒng)的優(yōu)化主要從設(shè)備創(chuàng)新、控制策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)三方面著手。

設(shè)備層面的優(yōu)化主要包括：

• 氣泡粒徑控制：采用激光打孔橡膠膜片（孔徑0.1-0.2mm）減少氣泡聚并，使比表面積增加20%-25%，從而提高氧傳遞效率。如懸掛鏈?zhǔn)狡貧庀到y(tǒng)采用柔性橡膠膜管，提升氣泡分散效率。

• 材料革新：動(dòng)態(tài)曝氣器采用316L不銹鋼旋混組件，耐腐蝕性和使用壽命延長至8-10年；膜片材料根據(jù)應(yīng)用場景選擇，EPDM橡膠適用于城市污水，硅橡膠適用于造紙、石化等工業(yè)廢水。

• 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化：轉(zhuǎn)刷曝氣器加裝導(dǎo)流板后，水體軸向流速提升15%-20%，推流距離延長至40-50m，減少了額外推流設(shè)備的需求。

控制策略的升級是智能曝氣的核心：

• 基于溶解氧（DO）的反饋控制：根據(jù)在線溶解氧儀檢測值，自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率或閥門開度，使DO濃度穩(wěn)定在設(shè)定范圍（通常1.5-2.0mg/L）。這種控制方式可使綜合能耗降低12%-18%。

• 氨氮前饋-反饋控制：結(jié)合進(jìn)水氨氮濃度預(yù)測需氧量，再通過DO反饋進(jìn)行微調(diào)，更精準(zhǔn)地匹配實(shí)際需求，尤其適用于水質(zhì)波動(dòng)大的情況。

• 主流控制算法：包括PID控制、模糊邏輯控制和模型預(yù)測控制（MPC）。高級控制算法能夠處理系統(tǒng)非線性和大時(shí)滯特性，提高控制精度和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化：

• 管網(wǎng)布局優(yōu)化：避免急彎和突然變徑，減少局部阻力損失；合理匹配管道尺寸與流速，使支管流速控制在10-15m/s，干管流速4-6m/s，降低沿程損失。

• 曝氣器均衡布置：確保整個(gè)生物池內(nèi)氣泡分布均勻，避免局部缺氧或過度曝氣。新型懸掛鏈?zhǔn)狡貧庀到y(tǒng)允許曝氣器在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，自適應(yīng)池底狀況，提高布?xì)饩鶆蛐浴?/p>

• 定期維護(hù)與監(jiān)測：包括曝氣器清洗更換、管道泄漏檢測、風(fēng)機(jī)性能測試等。升降式微孔曝氣器配備電動(dòng)提升裝置，可在不停水條件下完成檢修維護(hù)，大大降低維護(hù)成本和時(shí)間。

4.3 面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

盡管曝氣技術(shù)不斷進(jìn)步，但仍面臨一些挑戰(zhàn)：微孔曝氣器堵塞問題尚未徹底解決；智能控制算法在實(shí)際應(yīng)用中受水質(zhì)波動(dòng)和測量儀表可靠性的影響；老舊污水處理廠的曝氣系統(tǒng)升級改造面臨空間和資金限制。

未來曝氣系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢：

• 精準(zhǔn)曝氣技術(shù)：結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的曝氣控制，按需分配氧氣，減少能源浪費(fèi)。

• 材料科學(xué)應(yīng)用：新型納米材料、智能材料的應(yīng)用有望進(jìn)一步提高曝氣效率和壽命。如自清潔膜片、pH響應(yīng)型材料等。

• 能源回收利用：探索曝氣系統(tǒng)余熱回收、壓力能利用等新技術(shù)，提高整體能源效率。

• 模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化：預(yù)制模塊化曝氣系統(tǒng)可縮短建設(shè)周期，降低施工成本，尤其適用于擴(kuò)建項(xiàng)目和中小型污水處理設(shè)施。

曝氣系統(tǒng)作為污水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新將持續(xù)推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向更高效、更節(jié)能、更智能的方向發(fā)展。通過科學(xué)設(shè)計(jì)、精細(xì)管理和技術(shù)創(chuàng)新，曝氣系統(tǒng)將在水資源保護(hù)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。

污水處理行業(yè)的從業(yè)人員應(yīng)密切關(guān)注曝氣技術(shù)的最新發(fā)展，結(jié)合具體項(xiàng)目條件，選擇最合適的曝氣方案，并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。