聚乙烯管式微孔曝气器在污水处理中的应用

张 奕

上格环境科技（上海）有限公司 （上海 200060）

典型的污水处理方法分为物理法、化学法、物理化学法和生物法。生物法是利用废水中微生物的代谢作用分解水中可降解有机物的方法，是目前废水处理中应用最普遍的方法。在好氧生物处理系统中，曝气设备是给好氧生物提供氧气的主要设备，也是系统中最主要的耗能设备，其运行费用占整个系统运行费用的60%～80%。因此，如何提高曝气系统的效率、保证充足稳定的供氧量，对好氧生物处理系统稳定运行和节能降耗都至关重要。

1 曝气原理

曝气是用强制方法将氧溶解到废水与活性污泥混合液中的过程。曝气除了要使好氧生物处理系统的溶解氧浓度维持在需要的范围内，还要起到搅拌作用，使活性污泥处于悬浮状态，与污水密切接触、充分混合，以利于微生物对污水中有机物的吸附和降解。曝气方式大体包括鼓风曝气、表面机械曝气和射流曝气。鼓风曝气是将空气通过管道系统送入池底，通过扩散装置，使其以气泡的形式扩散到水中，从而将气泡中的氧气迅速转移到水中的过程。表面机械曝气是通过曝气机叶轮的转动，剧烈搅动水面，使液体循环流动，产生强烈的水跃，将大量水滴和片状水撒向空中，使空气中的氧与水跃界面充分接触并快速溶入水体。射流曝气采用文丘里喷嘴，工作水泵出水通过射流器的喷嘴，随着喷嘴直径变小，液体以极高的速度从喷嘴喷射出来；高速流动的液体穿过吸气室进入喉管，在喉管形成局部真空，通过导气管吸入(或压入)的大量空气进入喉管后，在喷水压力的作用下被分割成大量微小的气泡，与水形成混合体；气液混合体通过扩散管向外排出，其速度减慢，压力增强，形成强力喷射流，对废水搅拌充氧。以上3种曝气方式，鼓风曝气的应用最为普遍。

2 常用曝气设备及存在的问题

鼓风曝气系统由空气加压设备、空气输配管路和空气扩散装置组成。空气加压设备主要是鼓风机，其风量要满足生化反应所需的氧量和保持混合液中污泥的悬浮状态，风压要足以克服系统和空气扩散装置的摩擦损耗及其上部的静水压。空气输配管路主要指输气管，包括干管和支管。空气扩散装置也叫曝气器或曝气头，其作用是使空气形成不同尺寸的气泡。

根据气泡尺寸的大小，空气曝气器分为大气泡型、中气泡型、小气泡型和微气泡型。

大气泡型曝气器，如曝气竖管，竖管口径在15 mm以上，通常安装位置距池底150 mm。

常用的中气泡型曝气器（即穿孔曝气器）采用穿有小孔的钢管或塑料管（直径为25～50 mm），孔直径为3～5 mm，开设于管壁两侧向下45°处。

小气泡型曝气器分为空气升液型、水力剪切型和水力冲击型。空气升液型主要有扩散板、扩散管、扩散盘等；水力剪切型主要有固定螺旋曝气器、动态曝气器、动力散流型曝气器等；水力冲击型主要有密集多喷嘴空气扩散装置、射流曝气器等。

微气泡曝气器也称微孔曝气器，常见类型有刚玉微孔曝气器、覆盘型微孔曝气器、橡胶膜微孔曝气器、管式微孔曝气器。微孔曝气器在水中产生的气泡的直径通常小于3 mm。与机械曝气、穿孔曝气等相比，膜片式微孔曝气盘和曝气管的氧转移效率较高、布气均匀，是目前好氧生物处理系统中使用最普遍的曝气器。橡胶膜片式微孔曝气器由上盖、合成橡胶膜、支撑架、底座、密封垫等组成。微孔曝气盘的合成橡胶膜上开有按一定规则排列的2 100～2 500个开闭式孔眼；管式微孔曝气器是让空气通过表面布满气孔的曝气橡胶管在水中产生气泡，系统可以设计成可升降式。然而，在运行过程中，微孔曝气盘和曝气管时常发生膜片破裂、排气头脱落等问题，使曝气池中曝气严重不均匀，而膜片则必须在排水后进行更换，成为运行中的难题。为了解决该问题，有些公司采用可升降曝气管，使好氧池在不排水的情况下完成膜片的更换，但同时大大增加了好氧池的投资费用。另外，膜片式曝气盘和曝气管的阻力大，使得好氧生物处理系统的能耗较高。

3 聚乙烯管式微孔曝气器的应用

3.1 聚乙烯管式微孔曝气器的结构

聚乙烯管式微孔曝气器由两层套管组成，中间为聚乙烯间隙垫圈。外层管道是由高密度聚乙烯（HDPE）制作的多孔结构，称为纤维多孔布气层，在制造过程中使用气动挤压的方法使熔融的聚乙烯形成纤维孔状的管子。内层管道是聚氯乙烯（PVC）穿孔管，称为穿孔输气层。空气进入内层PVC穿孔管后，通过孔进入两层管道之间的间隙，再通过外层HDPE的纤维多孔结构扩散到水中，形成大量持续稳定的气泡。

3.2 聚乙烯管式微孔曝气器的性能

3.2.1 供气原理

图1 聚乙烯管式微孔曝气器的结构图

在聚乙烯管式微孔曝气器中，气体首先通过内部的穿孔输气管均匀地进入到气体分配层，然后再通过布气层均匀地扩散至废水中，并且形成很小的气泡。聚乙烯曝气管的双层结构利用空气动力学原理，使每一组曝气管前、后及中间的空气量与压力均匀分布，即空气在离开内部穿孔管时前端及未端的气量和气压就是均匀的；在支承穿孔管和布气层之间有空气通道（气流分配层），保证沿着曝气管的长度方向重新分配空气和均匀空气流量，降低空气通过布气层的压力损失，再通过曝气器将气流分解成细小的气泡，增大水体中氧的利用率。

3.2.2 氧传递效率

聚乙烯管式微孔曝气管的氧传递效率随着通气量增大而逐渐减小，基本在5%～7%之间。氧转移效率在通气量为4 m3/（m·h）时最高。聚乙烯管式微孔曝气管的氧传递效率随气流的变化如图2所示。

图2 聚乙烯管式曝气管的氧传递效率

3.2.2 压力损失

聚乙烯管式微孔曝气器独有的在支承管和布气层之间的气流分配层可降低空气阻力损失及其增长速度。聚乙烯管式微孔曝气管压力损失随着气流的增大而增大，气流在5～45 m3/（m·h）之间变化时，压力损失从1.5 kPa增加到4 kPa。聚乙烯管式微孔曝气管的压力损失随气流的变化见图3。

3.2.2 氧转移效率

图3 聚乙烯管式曝气管的压力损失

聚乙烯管式微孔曝气器布气层的特殊微孔结构保证了其产生的气泡直径比较小，使扩散到混合液中的气泡直径一般为1～3 mm，该类气泡既能使气液之间的接触面积增大，又能形成较强的紊流并带动混合液形成旋流，造成液膜的不断更新，有利于氧的转移，因此它具有较高的氧转移率（25%～35%）。另外，气泡还能保证活性污泥处于悬浮状态，使活性污泥、氧和有机污染物三相充分接触，从而提高生化反应速率。

3.3 聚乙烯管式微孔曝气器的优点

3.3.1 使用寿命长

聚乙烯管式微孔曝气器具有良好的化学稳定性，耐酸碱，机械强度高，抗冲击能力强，能够承受风机频繁启用产生的水击作用。同时，它的布气层表面经过专门的静电处理，较为光滑，不易被微孔生物附着，曝气器表面不易被堵塞，因此使用寿命长。根据应用实例，其实际最长的工作时间已超过10年。

3.3.2 节能

与盘式曝气器完全不同，聚乙烯管式微孔曝气器的气泡直径并不受通气量变化的影响，其氧利用率不随通气量的增大而下降，而是保持在一个较高的水平。因此，聚乙烯管式微孔曝气器可以在一个很宽泛的通气量范围内正常工作，从节能角度考虑，其最佳通气量为15～33 m3/（m·h）。这种特性尤为适合水质波动较大的情况，通过风量的自动调节，使生物处理系统始终处于最佳工作状态，节约能耗，降低日常运行费用。

3.3.3 性能优于膜片盘式曝气器

聚乙烯管式微孔曝气器的结构特点和材质特点，使其在功能性上较其他曝气器有较大优势。聚乙烯管式微孔曝气器与传统膜片式微孔曝气盘的性能比较参数见表1。由表1可知，聚乙烯管式微孔曝气器在氧转移效率、压力损失、使用寿命、服务面积及通气量上都有明显的优势，也能充分说明其能耗、充氧效率、防波动能力较膜片式曝气管有充分的优势。

以一家食品厂的污水处理装置改造为例，用聚乙烯管式微孔曝气器替换原有的膜片式微孔曝气器，在保持出水化学需氧量（COD）达标的前提下，风机的开度仅为原有开度的60%，投资成本在一年后就能基本收回。

表1 聚乙烯管式微孔曝气器与膜片式微孔曝气器的性能参数

4 结语

将聚乙烯曝气管应用于污水处理，在使用寿命、节能降耗、稳定运行、降低运行成本方面均有明显优势，推广使用该类曝气器对污水处理厂降低投资和运行成本、保持长期稳定运转具有重要意义。