1前言
在当前水源水微污染预处理工艺中，接触氧化法是个首先的选择，该工艺在我国的污水处理中有着较长的应用历史。因此，其工艺设计和运行经验完全可以作为水源水微污染预处理工艺的借鉴。在该工艺中，曝气系统选择的适当与否，对运行的成功或失败有着直接的重要影响。国内许多水处理工程中，因曝气系统设计和曝气器选择不当造成运行效率低甚至失败的例子有不少。因此，水源水微污染预处理中，正确设计曝气系统和选择合适的曝气器是一个非常重要的问题。由于目前国内生产曝气器的企业规模都较小，自身没有测试能力，而且即使一些数据经过测试部门测试，也缺乏相互间的可比性，许多数据缺乏权威性和准确性。这种情况给设计人员和用户在选用产品时造成了困难。需要指出的是，一些设计人员本身也存在着对有些参数认识模糊的情况。
在上述情况下，工程设计中出现设计不当和曝气器类型选择不合适的情况便难免发生。我们根据二十余年在实际工程中掌握和积累的一些经验，在这里对部份设计参数提出自己的看法，同时对几种类型曝气器分别进行分析介绍，以供设计人员和用户参考。
2设计参数
2．1气水比
在接触氧化法处理工艺设计中，把气水比作为一个首先考虑的参数是不合适的。针对接触氧化法处理工艺而言，计算供风量首先要考虑两个因素；一是供氧能力，二是曝气强度。供氧能力和曝气器类型、填料种类、水深有关。而曝气强度则和水深及停留时间有关，也和气水比有关。一般来说，设计时由于考虑到水流冲刷速度，(该冲刷速度是出于对填料上生物膜冲刷的需要)设计风量往往大于供氧所需风量。也就是说只有在水量、风量、停留时间都确定后，才会产生气水比这样一个被动数据。所以，在设计时把气水比作为一个先决条件是不合适的，也不应该把其它工程设计中的气水比拿来作比较。只有在水质、水深、停留时间、曝气器类型、填料种类等因素均相同的情况下，这种比较才有意义。
2．2服务面积
服务面积实际所指的是单个曝气器安装之间距离的计算结果，严格来说不论何种曝气器均不存在服务面积这样一个绝对参数。但是，在工程设i．t1～用或用户采购时却经常把这个参数作为一个比较产品性能优劣的一个标准，这是认识上的一个误解。目前，各个厂家提供的服务面积这个数据基本上是根据曝气器尺寸大小及曝气时气泡所涉及的范围而定的，即从感觉上认为气泡在水体中均匀与否而定的，其实这种均匀与否只是相对的。一旦水深、风量发生变化，这种均匀性也会发生变化。从生物处理工艺本身来说，并不要求曝气绝对均匀，而从供氧效率、对填料上生物膜的冲刷、防止污泥沉积等需要来说，曝气则是越均匀越好。按照这个要求，给曝气器设定的服务面积应是越／J、越好。考虑到造价等原因，实际使用时当然不可能这么做。我们在这里想说明的是，设计人员在设计时不必受产品介绍中所提供的服务面积所限制仅作为参考，而应该根据条件和需要来考虑曝气器安装密度。
2．3曝气强度
曝气强度的单位是m3／mh，这是一个运行时十分重要的参数。在接触氧化法中，这个参数关系到填料上生物膜能否及时脱落更新。由于曝气强度这个参数受停留时间、水深、气水比的影响，所以在考虑上述参数时，应同时考虑曝气强度这个参数。在我们接触的工程中，曝气强度从1m／mhN30m／mh均碰到过，有的成功，有的失败。根据我们的经验，越是有机污染浓度高的水质，曝气强度应该越大。特别是在接触氧化法中，没有较强的曝气强度，填料上的老化生物膜很难脱落。尽管各种结构不同的填料，结膜程度会有不同，但曝气强度仍是脱膜的一个重要因素。在水源水微污染预处理中，由于有机污染物的浓度不高，所以气水比一般较小，因此造成填料上积泥的情况十分普遍。这种积泥不但会使处理效率下降，还会对水质产生有害影响。所以设计时应充分考虑这一情况，可以用提高水深和加大气量等方面来加强曝气强度，实在没有办法时，也可采用单侧轮流曝气的方式来提高曝气强度，以保证对填料上的积泥有足够的冲刷能力。
2．4氧的利用率
氧的利用率对于曝气器来说是一个重要参数，这个参数既关系到效率，又关系到运行费用。由于国内对于曝气器氧的利用率测试均是在清水的空池内进行，这和工程中的实际运行条件有很大的差异。我们在长期的工程实践中认识到：在装有填料的池子中，大气泡和小气泡所受到的切割效果是完全不一样的，因此这种情况会直接影响到氧的利用率这个参数。为了证实这一点，我们于1999年12月2日委托清华大学水污染控制设备质量监督检验中心对此进行了验证测试。我们选用了可变孔曝气器和穿孔空管曝气器在不装填料和安装填料两种情况下的对比测试。结果证明：在不装填料时，可变孔曝气器氧的利用率要远远高于穿孔空管曝气器，而在装有填料时这两者氧的利用率是基本相同，甚至有穿孔空管曝气器氧的利用率。
高于可变孔曝气器的情况出现。(见左下表)上述表格中的数据出现并非是偶然的，我们通过试验池玻璃窗直接观察发现：微气泡在上升过程中不会破碎，甚至有不断聚合的情况。但大气泡在上升过程中由于填料碰撞切割而破碎，监因此增加了水体紊动，提高了传质效果，从而进一步提高了氧的转移速率。而气泡在破碎的瞬间，氧的转移速率是最高的。因此设计人员在设计时，应充分考虑影响氧的利用率的诸多因素，不能仅从清水充氧i贝『J试结果来判断决定。
3曝气器种类
3．1微孔曝气器、可变孔曝气器微孔曝气器是一种微气泡曝气器，该产品原先系从国外引入，材质用陶瓷或钛板等制成。该曝气器曝气时出来的气泡细小，其直径为2mm左右，因此氧的利用率较高，清水空池测试为20％左右。由于这类曝气器设计使用时供气量较小，气泡上升时所带动的水流速度很慢，因此气泡呈平稳上升态势，相互之间很少互相碰撞，影响了气、液二相膜面的更新速度，传质效率不高。这类曝气器还存在一个致命的弱点，即易堵塞。这种堵塞一般由两个原因引起，一是空气及管路中的灰尘和管路剥落物造成的内堵，二是微生物在曝气器表面生长所引起的外堵。国外对防止堵塞采用空气过滤和定期用酸雾清洗的方法，这能取得较好的效果。但这两种措施要求有相应的设备和良好的管理水平，因此这类曝气器较适用于城市污水活性污泥法处理的大型污水厂。在微孔曝气器之后，国外又出现了可变孔曝气器，即采用在橡胶皮上打微孔来取代陶瓷等材料。这种曝气器曝气时橡胶皮鼓起，微孔张开，停止曝气时，微孔闭合，这种方法能有效地防止微生物生长引起的外堵。但是由于曝气风温较高，造成橡胶皮老化是这类曝气器的主要弊病。这种曝气器属于大阻力曝气系统，只要有一个曝气器的橡胶皮脱落或破损，即会引起整组曝气系统无法正常运行。微孔类曝气器安装间距在500mm～800mm之间，造价约为600元／m左右。尽管这类曝气器氧的利用率较高，但综合其它方面利弊，行家们的一致意见是接触氧化法工艺不适宜采用。活性污泥法时可以用，但质量和使用寿命等方面还要研究提高。
3．2散流式类曝气器
这类曝气器包括YJB—600一型、金山1号、动态曝气器等类型，上述几种曝气器虽然各生产企业在命名上差异很大，但基本原理相同。都是在管道上开孔，然后由曝气器的本身结构对气流进行扩散、切割。这类曝气器氧的利用率在8～12％之间，和填料配合使用时可达l0～15％左右。这类曝气器曝气时气泡大小不等，直径在20ram～30ram之间，气泡在上升过程中可互相碰撞破碎，同时可带起较大的水流速度，并具有不堵塞的特点。这类曝气器安装间距一般在lO00mm～2000ram左右，其造价包括管道约为200～400元左右。这类曝气器具有使用寿命长、不堵塞、造价低的特点，因此特别适合在接触化工艺中使用。这类曝气器的缺点是布气均匀性相对较差。
3．3穿孔管曝气系统
穿孔管曝气系统装置是我国水处理中使用最早的曝气装置。由于穿孔管具有简单、制造方便、造价低等特点，早期的工程无论是活性污泥法或是接触氧化法，均基本上采用穿孔管曝气。由于当时使用的穿孔管系碳钢制作，因而由材质锈蚀造成的堵塞便成了不可避免的缺陷。生物处理中，曝气系统一旦发生堵塞即会使曝气无法正常进行，直至导致工程运行失败。
为此，穿孔管一度被设计人员所冷落。在长期的工程实践中，我们发现：尽管在穿孔管之后发展了许多种类的曝气器，却至今未有一种十分理想的曝气器。各种曝气器虽然各有优点，但其综合优点未必都能超过穿孔管。我们认为：只要解决了穿孔管的堵塞问题，就会为其正常使用提供一个可靠的保证。为此我们在许多改造工程中，专门对穿孔管的堵塞问题进行分析研究。通过反复调查显示，穿孔管的堵塞是由两个原因造成的。一是材质原因，二是结构设计原因。对于前一个原因，大家均已充分认识到，即钢管在长期氧化中脱落的锈蚀物及孔IZl氧化锈蚀造成了堵塞。这种堵塞一旦发生，就会形成恶眭循环，使整个曝气系统无法正常使用。对于穿孔管因结构问题造成的第二个堵塞原因，这在以前则往往被忽视。穿孔管以前大部分被设计成“梳子状”的型式，即每根穿孔管的末端均有我们称为“端点”的死区。二是由于配管阻力计算和造价考虑，主管和穿孔管管径差异较大。这样，曝气孔口所在水平位置不是在整个管路系统的最低点，最低点在主干管的下部，我们称为“低位区”。在工程运行时，有时会难免发生风机停风的情况，这时，污泥和生物膜会随水流回灌到管路系统内。当重新启动风机时，管路内的污泥不能全部冲出，有—部分会在“端点”和“低位区”沉积，并在风温的作用下干结、硬化，长期积累即会造成穿孔管堵塞。我们解剖了许多堵塞的穿孔管，发现里面干结的污泥比石块还硬。针对穿孔管上述堵塞的原因，我们设计了“ABST弯式穿孔管曝气系统”。该下弯式穿孔管曝气系统采用ABS工程塑料为原料，这不但解决了氧化锈蚀造成的堵塞问题，还可以使使用寿命大大提高。第二我们将整个管路系统设计成“目”字状，使其整体呈环形闭合状态，这样就解决了“端点”积泥问题。在管路立面布置上，我们对主管和穿孔管的连接采用了“下弯连接方式”(专利号：98106514．7)。即主管和穿孔管的中心不是在同一水平线上，而是通过“下弯连接”使穿孔管处于整个管路系统的最低点。这样，风机暂停时回灌到管路内的污泥在重新曝气时可全部冲出管外。我们认为：穿孔管只要解决了堵塞问题，其使用前景最为广阔。不管在何种曝气强度时，穿孔管均能分别针对J眭设计而不受任何限制。相对之下，微孔曝气器等则会不同程度地受到阻力等因素的限制。就其曝气整体均匀性来说，其它曝气装置只能相对达到“点均匀”和“线均匀”，而唯有穿孔管能达到“面均匀”的良好状态。。
4、结束语
随着水源水微污染预处理这个工艺逐步推广和发展，该工艺对曝气器的需求将会越来越大，各种各样的曝气器也会不断进入市场。因此，设计部门和用户如何在品种繁多的产品中有一个正确的选择，便是一个非常重要的问题。要想对一种产品有一个正确认识，我们应该从曝气器的基本原理去着手分析。曝气器是通过自身对空气的扩散和分流来促使空气中的氧更好地向水中传递，而氧向水中转移过程离不开以下三个要素：一是空气和液体接触的面积；二是空气和液体接触的时间；三是空气和液体界面更新的速度，这就是充氧原理的“双膜理论”。有了对上述原则的认识，再去分析某种曝气器的曝气原理和过程，就可大致判断该曝气器的优劣。也不会被一些名称怪异的产品所迷惑，从而使工程设计和采购时有正确的选择，避免造成不必要的损失。
目前，国内市场上及应用中尚有另外一些名称和品种的曝气器，有些其基本原理和第三章所列的相同，只是名称上有所不同。有些品种因为使用较少，如表曝机、射流曝气器、固定螺旋曝气器等等。限于篇幅这里不再逐一介绍。
