1 曝氣對(duì)改善水質(zhì)的主要作用

1.1 增加水中溶解氧

曝氣裝置將氣體與水體相混合，增加了水中的溶解氧含量，為好氧微生物提供了充足的氧氣，創(chuàng)造了好氧微生物的活動(dòng)環(huán)境。好氧微生物的活躍使得它們能夠更加高速、高效地分解水體中的有機(jī)物，降低水體的COD、BOD指標(biāo)，降低有機(jī)物被厭氧菌分解時(shí)產(chǎn)生的甲烷等有毒有害氣體量。有機(jī)物的含量降低和水中溶解氧含量的上升，有效抑制了水體中藻類的過(guò)度繁殖，降低水體的水化現(xiàn)象，大幅度消除水體的黑臭現(xiàn)象。

1.2 幫助水體中大型物質(zhì)與碎屑相分離

曝氣過(guò)程中通過(guò)對(duì)水體的攪動(dòng)、對(duì)流，將有機(jī)物碎屑、無(wú)機(jī)懸浮物、動(dòng)植物殘骸等物質(zhì)用氣泡包裹起來(lái)，使它們?cè)跉馀萦绊懴赂∑饋?lái)，防止污染物沉淀，為后續(xù)的絮凝沉淀、脫除奠定基礎(chǔ)。這樣不僅可以提高水體治理質(zhì)量和效率，也可以有效提高水體的透明度，降低水體的色度。

1.3 減少水體內(nèi)底泥帶來(lái)的污染

黑臭水體中持續(xù)污染、治理效果不佳的重要原因在于有機(jī)物的沉淀形成了底泥，在水體底部厭氧環(huán)境下厭氧菌分解有機(jī)物持續(xù)形成氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，持續(xù)為藻類生長(zhǎng)、有毒有害物質(zhì)形成、有機(jī)物堆積創(chuàng)造條件。因此，想要治理黑臭水體，必須進(jìn)行底泥治理，將有機(jī)污染物的底泥逐漸改造為無(wú)機(jī)化底質(zhì)，阻斷內(nèi)源污染。

2 常見的曝氣設(shè)備類型

目前，污水處理、黑臭水體治理中，常見的人工曝氣設(shè)備類型大體分為五種。大體的設(shè)備分類如圖1所示。

圖1 曝氣設(shè)備分類

曝氣設(shè)備中理論氧傳遞原理及影響因素

物質(zhì)擴(kuò)散速率由Fick定律得出：

式中，Na為物質(zhì)擴(kuò)散速率;d C為物質(zhì)濃度;D為氣相或是液相中常用的擴(kuò)散系數(shù)，m2/h;dz為沿?cái)U(kuò)散方向的擴(kuò)散距離。

氧溶解度可以表示為：

式中，CS為氧溶解度;p為氧分壓;KS為溶解度常數(shù)。

根據(jù)氧傳遞雙膜理論可知，氧氣在液體中的溶解度很小，因此，液體中氧的平衡濃度實(shí)際上與氧的飽和溶解度相差不大。氧氣在氣相和液相中的擴(kuò)散速度并不一致，在氣相中的擴(kuò)散速度比在液相中的擴(kuò)散速度大得多，因此想要提升氧的傳質(zhì)速率，必須借助曝氣設(shè)備，通過(guò)控制液膜來(lái)提升氧的傳遞速度。所以，在曝氣工藝中，氧的傳質(zhì)公式為：

式中，KL為與曝氣設(shè)備相關(guān)的常數(shù);A為氣液接觸面積。

從理論上來(lái)說(shuō)，提高氧傳遞速率的主要方式有兩種。一是提高曝氣設(shè)備常數(shù)，提高氣液接觸面積，即提高KL·A值。在相同的污水水體條件下，相同曝氣設(shè)備的常數(shù)KL值通常是固定的，選擇KL較高的曝氣設(shè)備是提高樣傳遞速率的重要方式;增加氣液接觸面積可以通過(guò)縮小氣泡體積等方式實(shí)現(xiàn)，借助微氣泡曝氣等設(shè)備可以有效提升氣液接觸面積，提高氧的傳遞速率。二是提高氧的溶解度，即(CS-C)值。要想提高氧的溶解度，可以采用高含氧空氣曝氣設(shè)備，或采用純氧進(jìn)行曝氣。

溫度、曝氣深度會(huì)影響兩方陣數(shù)值，需要具體分析。

曝氣設(shè)備的主要評(píng)價(jià)參數(shù)

評(píng)價(jià)曝氣設(shè)備，主要采用測(cè)定特性曲線，最大可能地模擬和體現(xiàn)實(shí)際使用過(guò)程中曝氣器的曝氣情況，有助于曝氣設(shè)備的實(shí)際使用和綜合因素的全面考慮。以下幾個(gè)指標(biāo)同樣是衡量曝氣設(shè)備的重點(diǎn)。

充氧能力(RO)是指在單位時(shí)間內(nèi)曝氣設(shè)備向混合液中傳輸氧氣的量，單位是kgO2/h。氧的利用率(EA)通常以曝氣氣量、密度來(lái)表示，指總供氧量中曝氣系統(tǒng)所轉(zhuǎn)移的氧量的百分比，特性曲線中橫軸表示曝氣氣量，豎軸表示氧的密度。動(dòng)力效率(Ep)是指單位能量消耗帶來(lái)的曝氣量，應(yīng)用電能的情況下，指的是每消耗1 kW·h電所帶來(lái)的曝氣量，單位為kgO2/(kW·h)。

需要指出的是，在運(yùn)用曝氣復(fù)氧技術(shù)時(shí)，必須重視對(duì)水質(zhì)改善目標(biāo)的設(shè)定，重視對(duì)污水治理工程的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，從而合理選擇充氧設(shè)備。

在實(shí)際工程中，人們十分關(guān)注氣水比、布?xì)狻榉奖闶┕げ贾?，?duì)于黑臭水體治理中復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況，應(yīng)該引入服務(wù)面積的參數(shù)。

城市河道水環(huán)境污染比較嚴(yán)重，水體長(zhǎng)期處于缺氧狀態(tài)。城市地區(qū)地勢(shì)平坦，河道上下游落差較小，河流多為靜止或流動(dòng)性差的緩流水體，氧的傳遞和擴(kuò)散速率慢，水體中溶解氧量不足，河水自凈能力有限，僅僅依靠大氣進(jìn)行復(fù)氧很難有效地提高水體中的溶解氧量，很難改善水質(zhì)。因此，必須依靠人工曝氣進(jìn)行復(fù)氧，幫助水體提高自凈能力。

城市河道寬度多在幾米到十幾米，當(dāng)河寬超過(guò)20 m時(shí)，往往具備較好的水動(dòng)力條件，上下層水體可實(shí)現(xiàn)混合，水體復(fù)氧過(guò)程加快。在這種情況下，曝氣增氧效果開始出現(xiàn)邊際遞減效應(yīng);寬河道的曝氣設(shè)備安裝成本較高，故不建議河寬超過(guò)20 m的河道采用曝氣增氧方式凈化水質(zhì)。另外, 《城市黑臭水體整治工作指南》指出，原則上可沿黑臭水體每200～600 m間距設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)。因此，本試驗(yàn)的曝氣機(jī)針對(duì)河寬15 m、河長(zhǎng)約300 m的水體為對(duì)象，開展試驗(yàn)研究。

曝氣機(jī)應(yīng)用范圍主要是指曝氣機(jī)的適用環(huán)境，包括水體水質(zhì)狀況、水域類型、水體深度（水深）、水體流速等水域環(huán)境條件。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曝氣機(jī)的應(yīng)用范圍取決于曝氣方式、充氧能力、產(chǎn)生的氣泡尺寸、曝氣量、服務(wù)范圍以及曝氣機(jī)功率等因素。結(jié)合曝氣機(jī)性能參數(shù)和試驗(yàn)中曝氣機(jī)的效果，筆者進(jìn)行了試驗(yàn)機(jī)型的應(yīng)用范圍分析。