在污水處理系統中，曝氣過程占整個污水處理廠能耗的45%~75%〔1〕。為了提高曝氣過程中的氧轉移效率，目前污水處理廠普遍采用微孔曝氣系統。與大中氣泡的曝氣系統相比，微孔曝氣系統能節約50%左右的能耗。盡管如此，其曝氣過程的氧利用率也在20%~30%。另外，我國已經有較多地區采用微孔曝氣技術對受污染河道進行治理，但如何針對不同水域情況合理選用微孔曝氣器，目前尚無這方面的研究。因此，優化微孔曝氣器的充氧性能參數對于實際生產和應用具有重要的指導意義。
影響微孔曝氣充氧性能的因素很多，最主要的有曝氣量、孔徑和安裝水深〔2〕。目前國內外對微孔曝氣器充氧性能與孔徑、安裝水深的關系研究較少。而已有的研究較多關注氧總傳質系數和充氧能力的提高，較為忽視曝氣過程中的 能耗問題〔3, 4〕。筆者以理論動力效率為主要研究指標，結合充氧能力和氧利用率的變化趨勢，初步優化出曝氣效率最高時的曝氣量、孔徑和安裝水深等參數，為微孔曝氣技術在實際工程中的應用提供參考。
1 材料和方法
1.1 試驗裝置
試驗裝置材質為有機玻璃，主體為1個D 0.4 m×2 m的圓柱形曝氣池，溶解氧探頭位于水面下0.5 m處(如圖 1所示)。
圖 1 曝氣充氧試驗裝置
1.2 試驗材料
微孔曝氣器，橡膠膜材質，直徑215 mm，孔徑50、100、200、500、1 000 μm。sension378臺式溶解氧測定儀，美國HACH公司。氣體轉子流量計，量程0~3 m3/h，精度±0.2%。HC-S鼓風機，江蘇恒晟機泵設備制造廠。催化劑：CoCl2·6H2O，分析純;脫氧劑：Na2SO3，分析純。
1.3 試驗方法
試驗采用靜態非穩態法，即測試時先投加Na2SO3和CoCl2·6H2O進行脫氧，當水中溶解氧降至0后開始曝氣，記錄水中溶解氧濃度隨時間的變化，計算KLa值。分別對不同曝氣量(0.5、1、1.5、2、2.5、3 m3/h)、不同孔徑(50、100、200、500、1 000 μm)以及不同水深(0.8、1.1、1.3、1.5、1.8、2.0 m)條件下的充氧性能進行測試，同時參考CJ/T 3015.2—1993《曝氣器清水充氧性能測定》〔5〕和美國清水充氧測試標準〔6〕。
2 結果和討論
2.1 試驗原理
試驗基本原理依據1923年Whitman提出的雙膜理論。氧的傳質過程可用式(1)表示。
式中：dc/dt——傳質速率，即單位時間內單位容積水中所傳遞的氧氣量，mg/(L·s);
KLa——測試條件下曝氣器的氧總傳質系數，min-1;
C*——水中飽和溶解氧，mg/L;
Ct——曝氣t時刻水中的溶解氧，mg/L。
若測試溫度不在20 ℃，可采用式(2)對KLa進行修正：
充氧能力(OC，kg/h)由式(3)表示。
式中：V——曝氣池體積，m3。
氧利用率(SOTE，%)由式(4)表示。
式中：q——標準狀態下曝氣量，m3/h。
理論動力效率〔E，kg/(kW·h)〕由式(5)表示。
式中：P——曝氣設備功率，kW。
常用的評價曝氣器充氧性能的指標有氧總傳質系數KLa、充氧能力OC、氧利用率SOTE和理論動力效率E〔7〕。已有的研究較多關注于氧總傳質系數、充氧能力和氧利用率的變化趨勢，對理論動力效率的研究較少〔8, 9〕。理論動力效率作為唯一的效能指標〔10〕，能夠反映出曝氣過程中的能耗問題，是本試驗關注的重點。
2.2 曝氣量對充氧性能的影響
試驗采用孔徑200 μm曝氣器底部2 m處曝氣的方式對不同曝氣量下的充氧性能進行評估，結果見圖 2。
圖 2 KLa及氧利用率隨曝氣量的變化情況
由圖 2可知，KLa隨曝氣量的增加而逐漸增大。主要是因為曝氣量越大，氣液接觸面積增大，充氧效率提高。另一方面，有研究者發現氧利用率隨曝氣量的增加而減小，本試驗也發現了類似情況。這是因為在一定水深下，曝氣量較小時增加了氣泡在水中的停留時間，氣液接觸時間延長;曝氣量較大時對水體擾動較強，大部分氧氣未有效利用，最終以氣泡形式從水面釋放到空氣中。本試驗得出的氧利用率與文獻相比不高，可能是反應器高度不夠，大量氧氣未與水體接觸便逸出，降低了氧利用率。
理論動力效率(E)隨曝氣量的變化情況見圖 3。
圖 3 理論動力效率與曝氣量的關系
由圖 3可知，理論動力效率隨曝氣量的增加逐漸降低。這是因為在一定水深條件下，隨著曝氣量的增加，標準氧轉移速率增加，但鼓風機消耗的有用功增加量比標準氧轉移速率的增加量更顯著，因此在試驗考察的曝氣量范圍內，理論動力效率隨曝氣量的增加而減小。結合圖 2和圖 3的變化趨勢，可以發現曝氣量為0.5 m3/h時的充氧性能最佳。
2.3 孔徑對充氧性能的影響
孔徑對氣泡的形成有很大影響，孔徑越大，氣泡的尺寸越大〔11〕。氣泡對充氧性能的影響主要表現在兩個方面：一是單個氣泡越小，整體氣泡的比表面積越大，氣液間傳質接觸面積越大，越有利于氧氣的轉移;二是氣泡越大，對水體的攪動作用越強，氣液之間混合越快，充氧效果越好。往往第一點在傳質過程中起主要作用。試驗將曝氣量設定為0.5 m3/h，考察孔徑對KLa和氧利用率的影響，見圖 4。
圖 4 KLa和氧利用率隨孔徑的變化曲線
由圖 4可知，KLa和氧利用率均隨孔徑的增加而減小。相同的水深和曝氣量條件下，50 μm孔徑曝氣器的KLa約是1 000 μm孔徑曝氣器的3倍。因此當曝氣器安裝水深一定時，孔徑越小的曝氣器充氧能力和氧利用率越大。
理論動力效率隨孔徑的變化情況見圖 5。
圖 5 理論動力效率與孔徑的關系
由圖 5可知，理論動力效率隨孔徑的增加呈先增大后減小的趨勢。這是因為一方面小孔徑曝氣器具有較大的KLa和充氧能力，有利于充氧的進行。另一方面，一定水深下阻力損失隨孔徑的減小而增大〔12〕。當孔徑減小對阻力損失的促進作用大于氧傳質作用時，理論動力效率就會隨孔徑的減小而降低。因此孔徑較小時理論動力效率會隨孔徑增大而增大，并于孔徑200 μm處達到最大值1.91 kg/(kW·h);當孔徑>200 μm時，阻力損失在曝氣過程中不再起主導作用，KLa和充氧能力會隨著曝氣器孔徑的增加而減小，因而理論動力效率呈明顯下降趨勢。
2.4 安裝水深對充氧性能的影響
曝氣器的安裝水深對曝氣充氧效果有十分顯著的影響。試驗研究目標是2 m以下的淺水河道。已有的研究主要關注曝氣器的浸沒水深(即曝氣器安裝于池底部，通過增加水量的方式來增加水深)，試驗主要針對曝氣器的安裝水深(即水池的水量保持不變，通過調節曝氣器的安裝高度找到曝氣效果最佳的水深)，KLa和氧利用率隨水深的變化情況見圖 6。
圖 6 KLa和氧利用率隨水深的變化曲線
圖 6表明，隨著水深的增加，KLa和氧利用率均呈明顯的增大趨勢，KLa在水深0.8 m處和水深2 m處相差4倍多。這是因為水深越大，氣泡在水體中的停留時間越長，氣液接觸時間就越長，氧傳質效果越好。因此，曝氣器安裝越深越有利于充氧能力和氧利用率的提高。但安裝水深增加的同時阻力損失也會增加，為了克服阻力損失，就必須增加曝氣量，這勢必會導致能耗和運行成本的增加。因此，為了得到最佳安裝水深，有必要對理論動力效率與水深的關系進行評估，見表 1。
表 1顯示，安裝水深為0.8 m時理論動力效率極低，只有0.5 kg/(kW·h)，因此不宜采用淺水曝氣。安裝水深為1.1~1.5 m范圍內，由于充氧能力顯著增加，而曝氣器所受到的阻力作用效果不明顯，因此理論動力效率快速增加。隨著水深進一步增加到1.8 m，阻力損失對充氧性能的影響越來越大，導致理論動力效率的增長趨于平緩，但依舊呈現增加趨勢，且于安裝水深為2 m時，理論動力效率達到最大1.97 kg/(kW·h)。因此，對于 < 2 m的河道，為使充氧性能最佳，宜采用底部曝氣的方式。具體參見http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
3 結論
利用靜態非穩態法進行微孔曝氣清水充氧試驗，在試驗水深(< 2 m)和孔徑(50~1 000 μm)條件下，氧總傳質系數KLa和氧利用率隨安裝水深的增大而增大;隨孔徑的增大而減小。在曝氣量從0.5 m3/h增加到3 m3/h的過程中，氧總傳質系數和充氧能力逐漸增大，氧利用率減小。
理論動力效率是唯一的效能指標。在試驗條件下，理論動力效率隨曝氣量和安裝水深的增加而增大，隨孔徑的增加先增大后減小。安裝水深和孔徑要合理組合才能使充氧性能達到最佳，一般情況下，水深越大選用的曝氣器孔徑越大。
試驗結果表明不宜采用淺水曝氣。在安裝水深為2 m處，采用0.5 m3/h的曝氣量和200 μm孔徑的曝氣器可以使理論動力效率達到最大值1.97 kg/(kW·h)。
