曝气对改善水质的主要作用

1 曝气对改善水质的主要作用

1.1 增加水中溶解氧

曝气装置将气体与水体相混合，增加了水中的溶解氧含量，为好氧微生物提供了充足的氧气，创造了好氧微生物的活动环境。好氧微生物的活跃使得它们能够更加高速、高效地分解水体中的有机物，降低水体的COD、BOD指标，降低有机物被厌氧菌分解时产生的甲烷等有毒有害气体量。有机物的含量降低和水中溶解氧含量的上升，有效抑制了水体中藻类的过度繁殖，降低水体的水化现象，大幅度消除水体的黑臭现象。

1.2 帮助水体中大型物质与碎屑相分离

曝气过程中通过对水体的搅动、对流，将有机物碎屑、无机悬浮物、动植物残骸等物质用气泡包裹起来，使它们在气泡影响下浮起来，防止污染物沉淀，为后续的絮凝沉淀、脱除奠定基础。这样不仅可以提高水体治理质量和效率，也可以有效提高水体的透明度，降低水体的色度。

1.3 减少水体内底泥带来的污染

黑臭水体中持续污染、治理效果不佳的重要原因在于有机物的沉淀形成了底泥，在水体底部厌氧环境下厌氧菌分解有机物持续形成氮、磷等营养物质，持续为藻类生长、有毒有害物质形成、有机物堆积创造条件。因此，想要治理黑臭水体，必须进行底泥治理，将有机污染物的底泥逐渐改造为无机化底质，阻断内源污染。

2 常见的曝气设备类型

目前，污水处理、黑臭水体治理中，常见的人工曝气设备类型大体分为五种。大体的设备分类如图1所示。

图1 曝气设备分类

曝气设备中理论氧传递原理及影响因素

物质扩散速率由Fick定律得出：

式中，Na为物质扩散速率;d C为物质浓度;D为气相或是液相中常用的扩散系数，m2/h;dz为沿扩散方向的扩散距离。

氧溶解度可以表示为：

式中，CS为氧溶解度;p为氧分压;KS为溶解度常数。

根据氧传递双膜理论可知，氧气在液体中的溶解度很小，因此，液体中氧的平衡浓度实际上与氧的饱和溶解度相差不大。氧气在气相和液相中的扩散速度并不一致，在气相中的扩散速度比在液相中的扩散速度大得多，因此想要提升氧的传质速率，必须借助曝气设备，通过控制液膜来提升氧的传递速度。所以，在曝气工艺中，氧的传质公式为：

式中，KL为与曝气设备相关的常数;A为气液接触面积。

从理论上来说，提高氧传递速率的主要方式有两种。一是提高曝气设备常数，提高气液接触面积，即提高KL·A值。在相同的污水水体条件下，相同曝气设备的常数KL值通常是固定的，选择KL较高的曝气设备是提高样传递速率的重要方式;增加气液接触面积可以通过缩小气泡体积等方式实现，借助微气泡曝气等设备可以有效提升气液接触面积，提高氧的传递速率。二是提高氧的溶解度，即(CS-C)值。要想提高氧的溶解度，可以采用高含氧空气曝气设备，或采用纯氧进行曝气。

温度、曝气深度会影响两方阵数值，需要具体分析。

曝气设备的主要评价参数

评价曝气设备，主要采用测定特性曲线，最大可能地模拟和体现实际使用过程中曝气器的曝气情况，有助于曝气设备的实际使用和综合因素的全面考虑。以下几个指标同样是衡量曝气设备的重点。

充氧能力(RO)是指在单位时间内曝气设备向混合液中传输氧气的量，单位是kgO2/h。氧的利用率(EA)通常以曝气气量、密度来表示，指总供氧量中曝气系统所转移的氧量的百分比，特性曲线中横轴表示曝气气量，竖轴表示氧的密度。动力效率(Ep)是指单位能量消耗带来的曝气量，应用电能的情况下，指的是每消耗1 kW·h电所带来的曝气量，单位为kgO2/(kW·h)。

需要指出的是，在运用曝气复氧技术时，必须重视对水质改善目标的设定，重视对污水治理工程的环境经济效益评价，从而合理选择充氧设备。

在实际工程中，人们十分关注气水比、布气。为方便施工布置，对于黑臭水体治理中复杂的现场情况，应该引入服务面积的参数。

城市河道水环境污染比较严重，水体长期处于缺氧状态。城市地区地势平坦，河道上下游落差较小，河流多为静止或流动性差的缓流水体，氧的传递和扩散速率慢，水体中溶解氧量不足，河水自净能力有限，仅仅依靠大气进行复氧很难有效地提高水体中的溶解氧量，很难改善水质。因此，必须依靠人工曝气进行复氧，帮助水体提高自净能力。

城市河道宽度多在几米到十几米，当河宽超过20 m时，往往具备较好的水动力条件，上下层水体可实现混合，水体复氧过程加快。在这种情况下，曝气增氧效果开始出现边际递减效应;宽河道的曝气设备安装成本较高，故不建议河宽超过20 m的河道采用曝气增氧方式净化水质。另外, 《城市黑臭水体整治工作指南》指出，原则上可沿黑臭水体每200～600 m间距设置检测点。因此，本试验的曝气机针对河宽15 m、河长约300 m的水体为对象，开展试验研究。

曝气机应用范围主要是指曝气机的适用环境，包括水体水质状况、水域类型、水体深度（水深）、水体流速等水域环境条件。试验发现，曝气机的应用范围取决于曝气方式、充氧能力、产生的气泡尺寸、曝气量、服务范围以及曝气机功率等因素。结合曝气机性能参数和试验中曝气机的效果，笔者进行了试验机型的应用范围分析。